AT527809B1 - Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers (1), wobei der Bagger (1) auf einer Ebene (12) auf einer Fahrstrecke (3) in einer Geradeausfahrtrichtung (14) des Unterwagens (2) gefahren und dabei mit einer GNSS-Antenne (8) ein erster Positionsdatensatz (15) in einem GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet wird, wobei während der Fahrt des Baggers (1) auf der Fahrstrecke (13) ein Drehwinkel (16) des Oberwagens (4) um die Oberwagendrehachse (6) relativ zum Unterwagen (2) konstant gehalten wird, und wobei bei ortsfest ruhendem Unterwagen (2) der Oberwagen (4) um die Oberwagendrehachse (6) gedreht wird, und dabei mit der GNSS-Antenne (8) ein zweiter Positionsdatensatz (17) im GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet wird und mit Hilfe des ersten Positionsdatensatzes (15) und des zweiten Positionsdatensatzes (17) eine GNSS-Bagger-Koordinatentransformation (18) zur Umrechnung von mit der GNSS-Antenne (8) empfangenen Positionsdaten (10) in das Baggerkoordinatensystem (7) berechnet und abgespeichert wird.

Description

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Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers, wobei der Bagger einen Unterwagen mit einem Fahrwerk und einen Oberwagen mit einem Baggerarm aufweist, wobei der Oberwagen um eine Oberwagendrehachse drehbar auf dem Unterwagen gelagert ist und dem Bagger ein Baggerkoordinatensystem zugeordnet ist und auf dem Oberwagen zumindest eine GNSS-Antenne zum Empfang von Positionsdaten zumindest eines globalen Navigationssatellitensystems fixiert ist, wobei mit der GNSS-Antenne die Positionsdaten des globalen Navigationssatellitensystems empfangen werden und diese Positionsdaten in einem GNSS-Koordinatensystem aufgezeichnet werden.

[0002] Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch einen Bagger der zur Durchführung eines solchen Verfahrens konfiguriert ist.

[0003] Beim Stand der Technik gibt es zahlreiche Bestrebungen, digitale Geländemodelle und auch lokal vor Ort vorhandene Gebäudeaufbauten und dergleichen automatisiert beim Aushub und anderen Arbeiten mit einem Bagger berücksichtigen zu können. Es geht dabei z.B. darum, die Bewegung des Baggers und insbesondere seines Oberwagens und des Baggerarms mit dem daran angeordneten Werkzeug in seiner Bewegung so zu limitieren, dass lokal vorhandene Gebäude, über oder auch unterirdisch vorhandene Versorgungsleitungen und dergleichen nicht aus Versehen beschädigt werden. Ein anderes Ziel solcher Anstrengungen kann es sein, dass der Bagger dazu geeignet ist, vorgegebene digitale Geländemodelle in die Realität umzusetzen. Eine andere Aufgabe ist auch das Messen von Distanzen auf der Baustelle. Um dies zu ermöglichen, sind beim Stand der Technik zahlreiche Einzellösungen bekannt, z.B. um automatisch die Relativposition zwischen einer Vorderkante eines Baggerlöffels oder eines anderen Werkzeugs und dem Oberwagen des Baggers zu erfassen. Letztendlich ist es aber Ziel solcher sogenannten Baggerassistenzsysteme, alle Komponenten des Baggers in einem einheitlichen Koordinatensystem darzustellen, um so den Bagger auch mit Hilfe von Positionsdaten eines globalen Navigationssatellitensystems global positionieren und orientieren zu können. Es ist beim Stand der Technik bereits bekannt, zur Positionierung des Oberwagens des Baggers GNSS-Antennen zum Empfang von Positionsdaten eines globalen Navigationssatellitensystems am Oberwagen des Baggers zu fixieren. Um die mit der zumindest einen GNSS-Antenne gemessenen Positionsdaten des globalen Navigationssatellitensystems für die oben genannten Aufgaben nutzen zu können, ist es aber notwendig, Kalibrierungen durchzuführen, die die Umrechnung dieser mit der GNSSAntenne empfangenen Positionsdaten des globalen Navigationssatellitensystems in ein lokales Baggerkoordinatensystem zu ermöglichen.

[0004] Diese Kalibrierung stellt beim Stand der Technik einen erheblichen Zusatzaufwand dar und wird beim Stand der Technik durch manuelles Vermessen des Baggers unter Verwendung von externen Messgeräten in der Regel von speziell geschultem Personal erledigt.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kalibrierung der globalen Position und Orientierung eines Baggers der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches vom Baggerfahrer selbst ohne fremde Hilfe und ohne zusätzlich Hilfsmittel durchgeführt werden kann.

[0006] Hierzu schlägt die Erfindung ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 vor.

[0007] Es ist somit vorgesehen, dass der Bagger auf einer Ebene auf einer Fahrstrecke in einer Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens gefahren und dabei mit der GNSS-Antenne ein erster Positionsdatensatz im GNSS-Koordinatensystem aufgezeichnet wird, wobei während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke ein Drehwinkel des Oberwagens um die Oberwagendrehachse relativ zum Unterwagen konstant gehalten wird, und wobei bei ortsfest ruhendem Unterwagen der Oberwagen um die Oberwagendrehachse gedreht wird, und dabei mit der GNSS-Antenne ein zweiter Positionsdatensatz im GNSS-Koordinatensystem aufgezeichnet wird und mit Hilfe des ersten Positionsdatensatzes und des zweiten Positionsdatensatzes eine GNSS-Bagger-Koordinatentransformation zur Umrechnung von mit der GNSS-Antenne empfangenen Positionsdaten in das Baggerkoordinatensystem berechnet und abgespeichert wird.

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[0008] Der Baggerfahrer kann dieses Verfahren zur Kalibrierung der globalen Position und Orientierung des Baggers ohne fremde Hilfsmittel mit dem Bagger allein durchführen. Er kann, soweit er zum Steuern des Baggers in einer Baggerkabine des Baggers sitzt, dies tun, ohne die Baggerkabine dazu verlassen zu müssen. Er benötigt hierzu lediglich den Bagger und eine Ebene, auf der die Kalibrierung durchgeführt werden kann. Der Baggerfahrer kann das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für eine Erst-Kalibrierung eines neuen Baggers als auch für eine neue bzw. Re-Kalibrierung eines bestehenden Baggers nützen. Das erfindungsgemäße Verfahren könnte auch als ein Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung des Oberwagens des Baggers bezeichnet werden.

[0009] Mit dem bislang geschilderten Verfahren wird somit eine GNSS-Bagger-Koordinatentransformation zur Verfügung gestellt, mit der anschließend die mit der GNSS-Antenne empfangenen Positionsdaten in das Baggerkoordinatensystem umgerechnet werden können. Die GNSS-Bagger-Koordinatentransformation ist eine Koordinatentransformation, wie sie in der Mathematik an sich bekannt ist. Zur Unterscheidung von nachfolgend noch genannten anderen Koordinatentransformationen wird sie als GNSS-Bagger-Koordinatentransformation bezeichnet. Es kann sich hier um eine an sich bekannte Transformationsmatrix, aber auch um andere Formen der Koordinatentransformation handeln. Die Abkürzung GNSS steht für globales Navigationssatellitensystem, wie es beim Stand der Technik in verschiedenen Ausgestaltungsformen bekannt ist. So gibt es z.B. das NAVSTAR GPS der Vereinigten Staaten von Amerika oder das GALILEO der Europäischen Union. Das von der russischen Föderation zur Verfügung gestellte globale Navigationssatellitensystem wird als GLONASS bezeichnet. Das von der Volksrepublik China zur Verfügung gestellte System heißt BEIDOU. Zur Realisierung der Erfindung können diese aber auch andere an sich bekannte globale Navigationssatellitensysteme genutzt werden.

[0010] Die GNSS-Antenne ist also die Antenne, die dem Empfang von Positionsdaten des jeweiligen globalen Navigationssatellitensystems dient. Das GNSS-Koordinatensystem ist das Koordinatensystem der GNSS-Antenne. Die GNSS-Koordinatensysteme sind grundsätzlich an sich bekannt und in der Regel entsprechend vorgegeben. In bevorzugten Ausgestaltungsformen ist aber vorgesehen, dass das GNSS-Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem ist, und das GNSS-Koordinatensystem eine in eine Himmelsrichtung weisende GNSS-x-Achse und eine vertikal verlaufende GNSS-z-Achse und eine orthogonal zur GNSS-x-Achse und orthogonal zur GNSS-z-Achse angeordnete GNSS-y-Achse aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei dem GNSSKoordinatensystem um ein kartesisches Koordinatensystem, welches durch eine Projektion auf eine Tangentialebene auf die Erdoberfläche entsteht. Dies ist an sich bekannt und muss nicht weiter erläutert werden. Bei der Himmelsrichtung, in der die GNSS-x-Achse, also in anderen Worten die x-Achse des GNSS-Koordinatensystems, weist, handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltungsform um Norden. Die GNSS-x-Achse könnte aber genauso gut nach Süden, Osten oder Westen oder auch in eine andere Himmelsrichtung weisen. Die GNSS-z-Achse verläuft bevorzugt parallel zur Gravitationsrichtung, also vertikal. Es kann sich beim GNSS-Koordinatensystem sowohl um ein rechtshändiges als auch ein linkshändiges kartesisches Koordinatensystem handeln. Die GNSS-y-Achse weist in bevorzugten Ausgestaltungsformen aber in Richtung Osten. Aber auch dies muss nicht zwingend so sein. Der Ursprung des GNSS-Koordinatensystems liegt bevorzugt in der GNSS-Antenne.

[0011] Auch das Bagger-Koordinatensystem, also in anderen Worten das Koordinatensystem, welches dem Bagger zugeordnet ist, ist bevorzugt ein kartesisches Koordinatensystem. Bevorzugt ist jedenfalls vorgesehen, dass das Bagger-Koordinatensystem eine parallel zu der Geradeausfahrt-Richtung des Unterwagens angeordnete Bagger-x-Achse, in anderen Worten die xAchse des Bagger-Koordinatensystems, und eine parallel zur Oberwagendrehachse angeordnete Bagger-z-Achse, also in anderen Worten z-Achse des Bagger-Koordinatensystems, und eine orthogonal zur Bagger-x-Achse und orthogonal zur Bagger-z-Achse angeordnete Bagger-yAchse, also in anderen Worten y-Achse des Bagger-Koordinatensystems, aufweist. Es kann sich beim Bagger-Koordinatensystem sowohl um ein rechtshändiges als auch ein linkshändiges kartesisches Koordinatensystem handeln. Der Ursprung des Baggerkoordinatensystems liegt bevorzugt in dem Schnittpunkt der Oberwagendrehachse mit der Ebene. Grundsätzlich können aber

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auch ganz andere Koordinatensysteme, wie z.B. Polarkoordinatensysteme, als Baggerkoordinatensystem verwendet werden.

[0012] Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zunächst zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes die Geradeausfahrt entlang der Fahrstrecke auf der Ebene und, vorzugsweise unmittelbar, anschließend die Aufzeichnung des zweiten Positionsdatensatzes beim Drehen des Oberwagens um die Oberdrehachse erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Aufzeichnung dieser Positionsdatensätze in der umgekehrten Reihenfolge aber auch unabhängig voneinander durchzuführen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Bagger bei der Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes sich auf derselben Ebene befindet, wie bei der Aufzeichnung des zweiten Positionsdatensatzes. Auch dies ist aber nicht zwingend notwendig. In bevorzugten Ausgestaltungsformen ist jedenfalls vorgesehen, dass das Drehen des Oberwagens um die Oberwagendrehachse bei ortsfest ruhendem Unterwagen am Anfang oder am Ende der Fahrstrecke durchgeführt wird. Hier ist aber darauf hinzuweisen, dass der Ort, an dem das Drehen des Oberwagens um die Oberwagen-Drehachse bei ortsfestem Unterwagen durchgeführt wird, auch unabhängig von der Fahrstrecke gewählt werden kann.

[0013] Bei der Ebene, auf der sich der Bagger zur Durchführung des Verfahrens zur Kalibrierung befindet, handelt es sich in bevorzugten Ausgestaltungsformen um eine horizontale Ebene. Dies muss aber nicht zwingend der Fall sein. Bei bekanntem Neigungswinkel kann das Verfahren mit dem Bagger auch auf einer entsprechend gegen die Horizontalen geneigten Ebene durchgeführt werden.

[0014] Bevorzugt ist auch vorgesehen, dass der Oberwagen während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke in Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens ausgerichtet ist. Auch dies ist aber nicht zwingend notwendig. Der Oberwagen kann auch um einen gewissen Drehwinkel um die Oberwagendrehachse relativ zum Unterwagen gedreht sein, wenn der Bagger zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes entlang der Fahrstrecke fährt. Wichtig ist nur, dass der Drehwinkel des Oberwagens um die Oberwagendrehachse relativ zum Unterwagen während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke konstant gehalten wird.

[0015] Der wie oben geschildert aufgezeichnete erste Positionsdatensatz enthält in der Regel zumindest die Positionsdaten des Anfangs und des Endes der Fahrstrecke, welche vom Bagger in der Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes auf der Ebene befahren wird. Bevorzugt ist aber vorgesehen, dass der erste Positionsdatensatz aus einer Vielzahl von Positionsdaten besteht, welche beim Fahren des Baggers entlang der Fahrstrecke aufgezeichnet werden.

[0016] Auch der zweite Positionsdatensatz enthält bevorzugt eine Abfolge eine Vielzahl von Positionsdaten, welche mit der GNSS-Antenne während des Drehens des Oberwagens um die Oberwagendrehachse relativ zum ortsfest ruhenden Unterwagen auf der Ebene aufgezeichnet wurden. Abgesehen von Messungenauigkeiten liegen diese Positionsdaten des zweiten Positionsdatensatzes somit auf einem Kreissegment oder einem vollständigen Kreis.

[0017] In der Praxis kann es beim Befahren der Fahrstrecke in Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes zu gewissen Abweichungen von einer idealen, exakt geraden Fahrstrecke kommen. Um diese in der Realität vorkommenden Abweichungen von der exakten Gerade zu korrigieren, sehen bevorzugte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke aufgezeichnete erste Positionsdatensatz vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation auf eine Gerade optimiert wird. Tut man dies, so wird also nicht der bei der Befahrung der Fahrstrecke aufgezeichnete, ursprüngliche erste Positionsdatensatz, sondern ein entsprechend optimierter erster Positionsdatensatz für die nachfolgende Berechnung der GNSSBagger-Koordinatentransformation verwendet. Sind die Abweichungen beim Befahren der Fahrstrecke von der idealen Geraden gering, so kann aber auch direkt der beim Befahren aufgezeichnete erste Positionsdatensatz für die Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation verwendet werden. Wird die genannte Optimierung des ersten Positionsdatensatzes durchgeführt, so können hierfür an sich bekannte Optimierungsalgorithmen wie z.B. ein Gradientenver-

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fahren, eine Kleinste-Quadrate-Methode, eine Quasi-Newton-Methode, ein Zufallssuchen oder andere, an sich bekannte Algorithmen verwendet werden.

[0018] Auch beim zweiten Positionsdatensatz kann eine entsprechende Optimierung durchgeführt oder auf diese auch verzichtet werden. Es ist also möglich, den, bei ortsfest ruhendem Unterwagen während des Drehens des Oberwagens um die Oberwagendrehachse aufgezeichneten, zweiten Positionsdatensatz direkt für die Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation zu verwenden. Es ist aber genauso gut möglich, eine entsprechend optimierte Fassung des zweiten Positionsdatensatzes hierfür einzusetzen. Tut man Letzteres, so kann also vorgesehen sein, dass der, bei ortsfest ruhendem Unterwagen während des Drehens des Oberwagens um die Oberwagendrehachse aufgezeichnete zweite Positionsdatensatz vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation auf ein Kreissegment oder einen Kreis optimiert wird. Auch hier können die oben bereits genannten, an sich bekannten Algorithmen zur Optimierung eingesetzt werden.

[0019] Beim, an die Kalibrierung anschließenden, Normalbetrieb des Baggers ist in bevorzugten Ausgestaltungsformen vorgesehen, dass am Oberwagen zusätzlich zu der bereits genannten GNSS-Antenne, welche dann in diesem Fall als erste GNSS-Antenne bezeichnet wird, eine zweite GNSS-Antenne distanziert und in fixer relativer Lage zur ersten GNSS-Antenne auf dem Oberwagen des Baggers fixiert ist. Diese zweite GNSS-Antenne wird für das Verfahren zur Kalibrierung zwar nicht benötigt. Im späteren Normalbetrieb des Baggers können die beiden am Oberwagen befestigten GNSS-Antennen aber dazu benutzt werden, den Gierwinkel und insbesondere den rechtsweisenden Steuerwinkel des Baggers zu bestimmen. Der rechtsweisende Steuerwinkel ist dabei der Winkel zwischen der Bagger-x-Achse des Baggerkoordinatensystems und geografisch Nord. Um diesen mittels der Positionsdaten der beiden GNSS-Antennen bestimmen zu können, muss man lediglich die relative Lage der beiden auf dem Oberwagen fixierten GNSS-Antennen zueinander kennen.

[0020] Trotzdem sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 auch mit der zweiten GNSS-Antenne durchgeführt werden kann.

[0021] Um zusätzlich im späteren Normalbetrieb des Baggers nach der Kalibrierung auch den Nickwinkel und den Rollwinkel des Baggers bestimmen und mit einbeziehen zu können, weist der Bagger bevorzugt zusätzlich noch einen am Oberwagen fixierten bevorzugt sechsachsigen Gyrosensor auf, mit dem wie an sich bekannt, das Verkippen bzw. die Drehung um die Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems bestimmt werden kann. Die Lage der drei Achsen des Gyrosensors wird bevorzugt mit Hilfe eines dreiachsigen Beschleunigungssensors bestimmt. Grundsätzlich können Beschleunigungssensor und Gyrosensor verschiedene Sensoren sein, solange sie dasselbe, nachfolgend als Beschleunigungskoordinatensystem bezeichnete Koordinatensystem verwenden. Bevorzugt verwendet man aber beim Stand der Technik an sich bekannte zumindest sechsachsige Gyrosensoren, welche den dreiachsigen Beschleunigungssensor und den dreiachsigen Gyrosensor in einem Sensor umfassen. Solche Sensoren sind am Markt erhältlich. Man kann sogar einen sogenannten neunachsigen Gyrosensor verwenden, welcher zusätzlich noch ein dreiachsiges Magnetometer in einem einzigen Modul mit umfasst. Solche Sensoren sind auch als neunachsige inertiale Messeinheiten, auch IMUs genannt, bekannt.

[0022] Um die Lage des Beschleunigungskoordinatensystems und damit auch die Lage der Achsen des zumindest dreiachsigen Gyrosensors bestimmen zu können, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung der globalen Position und Orientierung eines Baggers dahingehend erweitert werden, dass auf dem Oberwagen des Baggers zusätzlich ein zumindest dreiachsiger Beschleunigungssensor - oder eben gleich ein zumindest sechsachsiger Gyrosensor - mit einem Beschleunigungs-Koordinatensystem angeordnet ist, wobei die Richtung einer ersten Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungs-Koordinatensystem durch eine erste Beschleunigungsmessung mit dem Beschleunigungssensor in einem ruhenden Zustand des auf einer Ebene stehenden Baggers bestimmt wird, und der Bagger entlang der Ebene, vorzugsweise beim Fahren entlang der Fahrstrecke, beschleunigt und/oder abgebremst wird, und während des Beschleunigungsvorgangs und/oder des Abbremsvorgangs zumindest eine zweite Beschleuni-

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gungsmessung mit dem Beschleunigungssensor durchgeführt wird, wobei die Richtung einer zweiten Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungs-Koordinatensystem durch die zweite Beschleunigungsmessung bestimmt wird und die Richtung der dritten Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungs-Koordinatensystem als Orthogonale auf die erste Achse des Baggerkoordinatensystems und Orthogonale auf die zweite Achse des Baggerkoordinatensystems bestimmt wird und auf Basis der so bestimmten Richtungen der Achsen des Bagger-Koordinatensystems im Beschleunigungs-Koordinatensystem eine Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation zur Umrechnung von im Beschleunigungs-Koordinatensystem gemessenen Daten in das Baggerkoordinatensystem berechnet und abgespeichert wird.

[0023] Auch hier ist die Reihenfolge, ob man zunächst die erste Beschleunigungsmessung oder zunächst die zweite Beschleunigungsmessung durchführt, egal. Mit der ersten Beschleunigungsmessung im ruhenden Zustand des Baggers wird jedenfalls bevorzugt die Richtung der Schwerkraft als erste Achse des Baggerkoordinatensystems bestimmt.

[0024] Zur Durchführung der zweiten Beschleunigungsmessung kann man nur den Beschleunigungsvorgang oder nur den Abbremsvorgang beim Beschleunigen bzw. Abbremsen des Baggers entlang der Ebene betrachten. Man kann aber auch sowohl den Beschleunigungs- als auch den Abbremsvorgang zur weiteren Auswertung heranziehen. Mit der zweiten Beschleunigungsmessung wird jedenfalls bei der bevorzugten Weiterbildung dieses Verfahrens die Richtung einer zweiten Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungskoordinatensystem bestimmt. Bevorzugt ist dies die Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens. Bevorzugt ist somit vorgesehen, dass bei der oben genannten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die erste Achse des Baggerkoordinatensystems die Bagger-z-Achse und/oder die zweite Achse des Baggerkoordinatensystems die Bagger-x-Achse und/oder die dritte Achse des Baggerkoordinatensystems die Bagger-y-Achse ist. Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass das Beschleunigungs-Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem ist.

[0025] Bei der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation handelt es sich um eine Koordinatentransformation, welche zur Unterscheidung von der eingangs bereits erwähnten GNSSBagger-Koordinatentransformation eben als Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation bezeichnet wird. Die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation dient dann jedenfalls der Umrechnung der mit dem Beschleunigungssensor und auch mit dem Gyrosensor gemessenen Daten vom Beschleunigungs-Koordinatensystem in das Baggerkoordinatensystem. Hierzu kann sie in Form einer Transformationsmatrix aber auch in Form von an sich bekannten anderen Koordinatentransformationen ausgeführt sein. Auf diese Art und Weise können dann die mittels Gyrosensor im Beschleunigungs-Koordinatensystem bestimmten Roll- und Nickwinkel des Baggers auch in dessen Baggerkoordinatensystem umgerechnet und dort dann verwendet werden.

[0026] Zur Durchführung der zweiten Beschleunigungsmessung kann der Bagger entlang der Fahrstrecke zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 gefahren werden. Die zweite Beschleunigungsmessung kann somit in das Verfahren gemäß Anspruch 1 integriert sein, indem man den Bagger beim Befahren der Fahrstrecke entsprechend beschleunigt und/oder abbremst. Es ist aber auch möglich, die zweite Beschleunigungsmessung durch einen separaten Beschleunigungs- und/oder Abbremsvorgang des Baggers auf einer Ebene durchzuführen.

[0027] Um Sensorrauschen und andere Messfehler bei der Bestimmung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation, und vorzugsweise auch der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation, zu minimieren, kann eine Optimierung vorgesehen sein. Diese basiert bevorzugt auf einer iterativen Durchführung des nachfolgend genannten Verfahrens im Anschluss an die bislang geschilderten Schritte. Diese Optimierung wird mit zumindest einer Iteration, also einer zumindest zweimaligen Durchführung, vorzugsweise aber mit mehreren Iterationen durchgeführt. Vorzugsweise ist hierzu jedenfalls vorgesehen, dass während der Bagger auf einer Ebene steht, der Oberwagen in zumindest zwei Drehvorgängen um die Oberwagendrehachse gedreht wird, wobei bei jedem der Drehvorgänge mit der GNSS-Antenne Positionsdaten an verschiedenen Positionen der GNSS-Antenne aufgezeichnet werden und mit diesen, an den verschiedenen Positi-

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onen aufgezeichneten Positionsdaten für jeden Drehvorgang eine Streuung einer berechneten Lage der Oberwagendrehachse bestimmt wird, wobei durch eine iterative Minimierung dieser Streuung die GNSS-Bagger-Koordinatentransformation, und vorzugsweise auch die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation, optimiert wird bzw. werden. Dieses Verfahren kann mit einem ersten Drehvorgang und zumindest einer Wiederholung, also zumindest einer Iteration, des Drehvorgangs durchgeführt werden. Bevorzugt werden aber mehrere Iterationen durchgeführt, so lange bis die Streuung auf ein gewünschtes Maß minimiert ist.

[0028] Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die genannten Verfahrensschritte mit einer entsprechenden Recheneinheit und mit einem entsprechenden Datenspeicher durchgeführt werden können. Diese Recheneinheit kann direkt in den Bagger, z.B. in Form eines Baggerassistenzsystems integriert sein. Es ist aber auch möglich, sowohl die Rechenleistung als auch die Datenspeicherung ganz oder teilweise an externe Recheneinheiten auszulagern. Hierzu kann der Bagger in an sich bekannter Art und Weise über eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung mit der externen Recheneinheit in Verbindung stehen. Die Recheneinheit kann jedenfalls auch mit entsprechenden, an sich bekannten Eingabe-Einheiten wie z.B. Tastaturen, Touchscreens, Spracherkennung und dergleichen, wie auch mit entsprechenden Ausgabeeinheiten wie Bildschirmen, Lautsprechern, Touchscreens und dergleichen ausgerüstet sein. Geeignete Recheneinheiten bzw. Computer sind beim Stand der Technik bekannt und müssen nicht weiter erläutert werden.

[0029] Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen bevorzugten Ausgestaltungsformen betrifft die Erfindung auch, wie eingangs bereits erläutert, einen Bagger, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Dies bedeutet, dass der Bagger alle für die Durchführung des Verfahrens benötigten Komponenten aufweist und diese auch so ausgelegt und programmiert sind, dass das erfindungsgemäße Verfahren und seine bevorzugten Ausgestaltungsformen mit ihnen auch ausgeführt werden kann.

[0030] Weitere Merkmale und Einzelheiten bevorzugter Ausgestaltungsformen der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft anhand von schematischen Darstellungen erläutert. Es zeigen:

[0031] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zur Durchführung des Verfahrens konfigurierten Baggers auf einer horizontalen Ebene;

[0032] Fig. 2 den Bagger aus Fig. 1 auf einer relativ zur Horizontalen geneigten Ebene;

[0033] Fig. 3 und 4 Draufsichten auf den Bagger aus Fig. 1;

[0034] Fig. 5 eine schematische Darstellung zu einem GNSS-Koordinatensystem;

[0035] Fig. 6 eine Draufsicht, in der die zur Bestimmung des ersten Positionsdatensatzes

und des zweiten Positionsdatensatzes benötigten Bewegungen des Baggers schematisiert dargestellt sind;

[0036] Fig. 7 eine schematisierte Draufsicht zur Darstellung der Optimierung des ersten Positionsdatensatzes;

[0037] Fig. 8 eine schematisierte Darstellung zur Optimierung des zweiten Positionsdatensatzes;

[0038] Fig. 9 eine schematisierte Darstellung zur Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation;

[0039] Fig. 10 eine schematische Darstellung zur anschließenden Verwendung der GNSS-

Bagger-Koordinatentransformation;

[0040] Fig. 11 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Gierwinkels, des Rollwinkels und des Nickwinkels;

[0041] Fig. 12 eine schematische Darstellung zu einem als sechsachsiger Gyrosensor ausgeführten Beschleunigungssensor;

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[0042] Fig. 13 eine schematisierte Draufsicht zur Erläuterung der für die Berechnung der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation benötigten zweiten Beschleunigungsmessung des Baggers;

[0043] Fig. 14 ein beispielhaft dargestelltes Messergebnis der zweiten Beschleunigungsmessung;

[0044] Fig. 15 eine schematisierte Darstellung zur Berechnung der BeschleunigungsBagger-Koordinatentransformation;

[0045] Fig. 16 eine schematisierte Darstellung zur späteren Verwendung der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation ;

[0046] Fig. 17 eine schematisierte Draufsicht auf den Bagger zur Darstellung der für die iterative Minimierung der Streuung benötigten Drehbewegung des Baggers;

[0047] Fig. 18 den Bereich A aus Fig. 17 vergrößert;

[0048] In Fig. 1 ist schematisiert ein Bagger 1 dargestellt, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist und auf einer horizontalen Ebene 12 steht. Im Falle der horizontalen Ebene 12 verläuft der Gravitationsvektor 44 parallel zum Normalvektor 45, so wie dies in Fig. 1 auch dargestellt ist. Auf einer solchen Ebene 12 kann der Bagger 1 die Bewegungen durchführen, die für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen notwendig sind. Der in diesem Ausführungsbeispiel in der Kabine 62 des Baggers 1 sitzende Baggerfahrer muss für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungsform die Kabine 62 nicht verlassen. Er benötigt auch keine sonstigen Hilfsmittel.

[0049] Der Bagger 1 weist, wie an sich bekannt, einen Unterwagen 2 mit dem Fahrwerk 3 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Fahrwerk 3 um ein Raupenfahrwerk. Es kann sich aber genauso gut um ein an sich bekanntes Fahrwerk mit Rädern, z.B. mit einer Gummibereifung oder um ein anderes an sich bekanntes Fahrwerk 3 handeln. Der Oberwagen 4 des Baggers 1 ist um die Oberwagendrehachse 6 auf dem Unterwagen 2 drehbar gelagert. Am Oberwagen 4 ist in an sich bekannter Art und Weise ein Baggerarm 5 bewegbar gelagert. Dieser kann, wie hier dargestellt, aus zwei aber auch mehr Armgliedern bestehen, welche in an sich bekannter Art und Weise relativ zueinander und relativ zum Oberwagen 4 bewegt werden können. Am vom Oberwagen 4 abgewandten Ende des Baggerarms 5 befindet sich in an sich bekannter Art und Weise das Baggerwerkzeug 42, welches hier als Baggerlöffel dargestellt ist. Natürlich kann es sich auch um andere Baggerwerkzeuge 42 wie z.B. Greifer, Meißel usw. handeln.

[0050] Der Begriff des Baggers 1 ist weit aufzufassen. Er muss letztendlich eben nur die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und gegebenenfalls auch seiner bevorzugten Ausgestaltungsformen, So weit diese realisiert werden sollen, benötigen Komponenten aufweisen. Die Kabine 62 ist z.B. optional. Es könnte sich auch um einen Bagger 1 handeln, welcher vom Baggerfahrer ferngesteuert wird. Dann könnte die Kabine 62 eben entsprechend auch entfallen.

[0051] Am Oberwagen 4 des Baggers 1 ist zumindest eine GNSS-Antenne 8 fixiert. Bei den hier nachfolgend dargestellten bevorzugten Ausgestaltungsformen eines Baggers 1 ist am Oberwagen 4 zusätzlich noch eine zweite GNSS-Antenne 47 fixiert. Aus diesem Grund wird hier im Folgenden die GNSS-Antenne 8 auch als erste GNSS-Antenne 8 bezeichnet. Die beiden GNSSAntennen 8 und 47 sind in einer fixen und bekannten relativen Lage zueinander auf dem Oberwagen 4 des Baggers 1 fixiert.

[0052] In Fig. 1 ist schematisiert dargestellt, wie die GNSS-Antenne 8 Positionsdaten 10 eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) empfangen kann. Das globale Navigations-Satellitensystem 9 weist eine Vielzahl von Satelliten 43 auf. Drei davon sind hier schematisiert dargestellt. Wie eingangs bereits erläutert, können für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungsform verschiedene, beim Stand der Technik vor-

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handene und an sich bekannte globale Navigationssatellitensysteme 9 genutzt werden.

[0053] Bevorzugt werden die zur Messung der verschiedenen Daten bzw. Datensätze benötigten Bewegungen des Baggers 1 auf einer horizontalen Ebene 12 ausgeführt. Diese Bewegungen des Baggers 1 können grundsätzlich aber auch auf einer geneigten Ebene 12 ausgeführt werden, so wie dies schematisiert in Fig. 2 dargestellt ist. Bei solchen geneigten Ebenen 12 schließen der Gravitationsvektor 44 und der Normalvektor 45 auf die Ebene 12 einen Neigungswinkel 46 miteinander ein, der auch die Neigung der Ebene 12 gegen die Horizontale wiedergibt.

[0054] Wie eingangs bereits erläutert, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass während der Fahrt des Baggers 1 auf der Fahrstrecke 13 der Drehwinkel 16 des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 relativ zum Unterwagen 2 konstant gehalten wird. Bevorzugte Ausgestaltungsformen sehen hierbei vor, dass der Oberwagen 4 während der Fahrt des Baggers 1 auf der Fahrstrecke 13 in Geradeausfahrtrichtung 14 des Unterwagens 2 ausgerichtet ist, So wie dies in Fig. 3 in einer Draufsicht schematisiert dargestellt ist. Alternativ hierzu ist es, wie in Fig. 4 gezeigt, aber auch möglich, dass der Oberwagen 6 in einem anderen, konstanten Drehwinkel 16 gegen die Geradeausfahrtrichtung 14 des Unterwagens während der Befahrung der Fahrstrecke 13 gehalten wird.

[0055] Unabhängig davon sieht man in den Fig. 3 und 4 auch die beiden, in bekannter Lage voneinander distanziert auf dem Oberwagen 4 fixierten GNSS-Antennen 8 und 47. Zusätzlich ist die Lage der Oberwagendrehachse 6 eingezeichnet. Außerdem sieht man auch den hier in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ebenfalls in seiner Position am Oberwagen 4 fixierten Beschleunigungssensor 31 auf dessen Funktion weiter hinten noch im Detail eingegangen wird.

[0056] Fig. 5 zeigt eine schematisierte Darstellung zu einem, beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt zum Einsatz kommenden kartesischen GNSS-Koordinatensystem 11. Wie an sich bekannt, werden bei globalen Navigationssatellitensystemen 9 zunächst Raumkoordinaten gemessen, aus denen die geografische Länge, die geografische Breite und die Höhe des Standortes über einem definierten Referenzellipsoid berechnet werden. Diese Raumkoordinaten werden bei bevorzugten Ausgestaltungsformen erfindungsgemäßer Verfahren in Positionsdaten 10 in einem kartesischen GNSS-Koordinatensystem 11 umgerechnet. Diese Umrechnungen sind an sich bekannt. Fig. 5 zeigt hierzu eine gedachte, im Messort tangential auf der Erdoberfläche 48 angeordnete ebene Tangentialfläche 49. Der Ursprung 27 des im Weiteren bevorzugt verwendeten GNSS-Koordinatensystems 11 liegt am Messort in dieser ebenen Tangentialfläche 49. Die GNSS-x-Achse 24 weist bevorzugt in eine Himmelsrichtung, wie hier besonders bevorzugt nach Norden. Die GNSS-z-Achse 25 verläuft bevorzugt vertikal, also parallel zum Gravitationsvektor 44. Die GNSS-y-Achse 26 verläuft bevorzugt orthogonal zur GNSS-x-Achse 24 und zur GNSSz-Achse 25. Besonders bevorzugt weist die GNSS-y-Achse 26 nach Osten. Wie bereits gesagt, ist ein solches kartesisches GNSS-Koordinatensystem 11 aber nur eine bevorzugte Ausgestaltungsform. Jedes andere geeignete GNSS-Koordinatensystem 11 kann grundsätzlich für erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden.

[0057] Fig. 6 zeigt nun in einer schematischen Draufsicht von oben, wie der Bagger 1 zur Durchführung des erfindungsgemäß en Verfahrens auf der Ebene 12 auf der Fahrstrecke 13 in der Geradeausfahrtrichtung 14 gefahren wird. Dabei wird mit der GNSS-Antenne 8, hier der ersten GNSS-Antenne 8, ein erster Positionsdatensatz 15 im GNSS-Koordinatensystem 11 aufgezeichnet. Wie gesagt, wird während der Fahrt des Baggers 1 auf der Fahrstrecke 13 der Drehwinkel 16 des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 relativ zum Unterwagen 2 konstant gehalten. Fig. 6 zeigt den Bagger 1 am Anfang 19 und am Ende 20 der Fahrstrecke 13. Eingezeichnet sind beim, sich am Anfang 19 der Fahrstrecke 13 befindenden Bagger 1 auch das GNSS-Koordinatensystem 11 und das Baggerkoordinatensystem 7. In der hier gezeigten bevorzugten Ausgestaltungsformen handelt es sich bei diesen beiden Koordinatensystemen jeweils um kartesische Koordinatensysteme, was, wie eingangs erläutert, aber nicht zwingend so sein muss. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltungsform befindet sich der Ursprung 27 des GNSS-Koordinatensystems 11 in der ersten GNSS-Antenne 8. Die GNSS-z-Achse 25 verläuft hier vertikal. Die GNSS-x-Achse 24 weist bevorzugt nach Norden und die GNSS-y-Achse 26 bevorzugt nach Os-

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ten. Auch dies muss, wie erläutert, aber nicht zwingend so sein. Das Baggerkoordinatensystem 7 ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass die Bagger-z-Achse 22 parallel zur Oberwagendrehachse 6, hier sogar koaxial verläuft. Die Bagger-x-Achse 21 ist in bevorzugten Ausgestaltungsformen, wie hier dargestellt, parallel zur Geradeausfahrtrichtung 14 des Unterwagens 2 angeordnet. Die Bagger-y-Achse 23 verläuft orthogonal zur Bagger-x-Achse 21 und zur Bagger-z-Achse 22. Der Ursprung 28 des Bagger-Koordinatensystems 7 wird bevorzugt so gewählt, dass er im Schnittpunkt der Oberwagendrehachse 6 mit der Ebene 12, auf der sich der Bagger 1 befindet, liegt. Dies ist in Fig. 1 eingezeichnet. Auch auf unebenem Untergrund ist der Ursprung 28 des Baggerkoordinatensystems 7 definiert, da sich die Lage einer Ebene 12 immer aus den Kontaktpunkten des Fahrwerks 3 des Baggers 1 mit dem jeweiligen Untergrund ergibt.

[0058] Auf der rechten Seite von Fig. 6 ist schematisiert dargestellt, wie der Oberwagen 4 bei ortsfest ruhendem Unterwagen 2 um die Oberwagendrehachse 6 gedreht wird. Dabei wird beim erfindungsgemäßen Verfahren mit der GNSS-Antenne 8 ein zweiter Positionsdatensatz 17 im GNSS-Koordinatensystem 11 aufgezeichnet. Wie eingangs bereits erläutert, erfolgt dieses Drehen des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 bei ortsfest ruhendem Unterwagen 2 bevorzugt dann, wenn sich der Bagger 1 am Anfang 19 oder am Ende 20 der Fahrstrecke 13 befindet. Dies muss aber, wie bereits erläutert, nicht zwingend so sein. Es reicht, wenn der Bagger bei dieser Drehbewegung auf der Ebene 12 steht.

[0059] Grundsätzlich ist es möglich, den, wie erläutert, aufgezeichneten ersten Positionsdatensatz 15 und auch den, wie erläutert, aufgezeichneten zweiten Positionsdatensatz 17 in der aufgezeichneten Form für die Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 zu verwenden. Da es in der Praxis aber manchmal schwierig ist, den Bagger 1 wirklich exakt geradeaus zu fahren und die GNSS-Antenne 8 beim Drehen des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 auch nicht immer optimal auf einem Kreis bewegt wird, ist in bevorzugten Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass man den ersten Positionsdatensatz 15 und/oder den zweiten Positionsdatensatz 17 vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 optimiert. Fig. 7 zeigt in einer Draufsicht schematisiert die Optimierung des aufgezeichneten, eben nicht gerade verlaufenden ersten Positionsdatensatzes 15 auf eine Gerade 29. Hierfür verwendbare Optimierungsalgorithmen sind in der Mathematik an sich bekannt und eingangs bereits genannt worden. Anschließend kann der so optimierte erste Positionsdatensatz 15 dann für die Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 verwendet werden.

[0060] Fig. 8 zeigt beispielhaft, dass auch der beim Drehen des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 aufgezeichnete zweite Positionsdatensatz 17 in der Praxis nicht immer auf einem mathematisch exakten Kreis verläuft. Auch hier bietet es sich an, den zweiten Positionsdatensatz 17 vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 auf einen Kreis 30 zu optimieren. Auch hierfür können die eingangs bereits genannten, in der Mathematik bekannten, Optimierungsalgorithmen verwendet werden. In bevorzugten Ausgestaltungsformen der Erfindung wird dann der so auf einen Kreis 30 oder zumindest ein Kreissegment optimierte zweite Positionsdatensatz 17 zur Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 verwendet.

[0061] Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung zur Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18. Eingangsgrößen hierzu sind der erste Positionsdatensatz 15 und der zweite Positionsdatensatz 17. Der erste Positionsdatensatz 15 enthält, gegebenenfalls entsprechend optimiert, die Positionsdaten 10, die mit der ersten GNSS-Antenne 8 während der Fahrt des Baggers 1 auf der Fahrstrecke 13 aufgezeichnet wurden. Der zweite Positionsdatensatz 17 enthält die, gegebenenfalls optimierten, Positionsdaten 10, welche bei ortsfest ruhendem Unterwagen 2 beim Drehen des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 mit der ersten GNSS-Antenne 8 aufgezeichnet wurden. Wie aus diesen beiden Datensätzen 15 und 17 eine GNSS-BaggerKoordinatentransformation 18 berechnet werden kann, ist in der Mathematik an sich bekannt und muss nicht weiter erläutert werden. Mit der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 können dann anschließend jedenfalls, wie in Fig. 10 dargestellt, im GNSS-Koordinatensystem 11 gemes-

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sene Positionsdaten 10 in Positionsdaten 59 im Baggerkoordinatensystem 7 umgerechnet werden.

[0062] Fig. 11 zeigt eine Abbildung des Baggers 1, in der der Gierwinkel 50, der Rollwinkel 51 und der Nickwinkel 52 des Baggers 1 dargestellt sind. Nachfolgend wird erläutert wie diese Winkel in bevorzugten Ausgestaltungsformen der Erfindung berücksichtigt werden können.

[0063] Der Gierwinkel 50 beschreibt, wie weit der Bagger 1 gegen eine Himmelsrichtung gedreht ist. Bevorzugt wird hier der rechtsweisende Steuerwinkel betrachtet, welcher der Winkel zwischen der Bagger-x-Achse 21 des Baggerkoordinatensystems 7 und geografisch Nord ist. Der Rollwinkei 51 ist der Winkel, um den der Bagger 1 um eine Längsrichtung des Unterwagens 2 gekippt ist. Der Nickwinkel 52 beschreibt die Neigung bzw. das Verkippen des Baggers 1 um eine horizontale Querachse, welche orthogonal zur Längsrichtung des Unterwagens 2 steht.

[0064] Der Gierwinkel 50 kann im Normalbetrieb des Baggers 1 in an sich bekannter Art und Weise bestimmt werden, wenn, wie bereits gezeigt und in Fig. 11 auch eingezeichnet, zusätzlich zur ersten GNSS-Antenne 8 eine zweite GNSS-Antenne 47 von der ersten GNSS-Antenne 8 distanziert am Oberwagen 4 des Baggers 1 fixiert ist. Mit Hilfe der bekannten, relativen Lage der beiden GNSS-Sensoren 8 und 47 zueinander kann durch Messung entsprechender Positionsdaten 10 des globalen Navigationssatellitensystems 9 mittels der beiden GNSS-Sensoren 8 und 47 der Gierwinkel 50 bestimmt werden. Zur Bestimmung von Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 kommen in bevorzugten Ausgestaltungsformen Gyrosensoren zum Einsatz, mit welchen die in Fig. 12 schematisch dargestellte x-Winkelbeschleunigung 56 und entsprechende y-Winkelbeschleunigung 58 bestimmt werden können. Es handelt sich dabei bevorzugt um am Markt erhältliche, zumindest sechsachsige Gyrosensoren, mit denen sowohl translatorische Beschleunigungen als auch Winkelbeschleunigungen in jeweils drei Achsen gemessen werden können. Als solche Gyrosensoren können z.B. sogenannte IMUs, also initiale Messeinheiten, verwendet werden. Diese können, wie am Markt erhältlich, sogar als neunachsige Sensoren ausgeführt sein, indem sie noch ein dreiachsiges Magnetometer mit umfassen. Letzteres wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung aber nicht benötigt.

[0065] Um die zur Bestimmung von Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 benötigten Winkelbeschleunigungen 56 und 58 im späteren Normalbetrieb des Baggers 1 im Baggerkoordinatensystem 7 verwenden zu können, müssen die in einem Koordinatensystem des Gyrosensors gemessenen Winkelbeschleunigungen 56 und 58 in das Baggerkoordinatensystem 7 umgerechnet werden können. Hierfür benötigt man eine entsprechende Koordinatentransformation. Zur Bestimmung der Lage der drei Achsen des Koordinatensystems des Gyrosensors im Baggerkoordinatensystem 7 reicht es aus, die translatorischen Beschleunigungen zu betrachten. Daher reicht grundsätzlich auch ein dreiachsiger Beschleunigungssensor 31 aus, um diese Koordinatentransformation, welche hier als Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation 37 bezeichnet wird, berechnen zu können. Das vom Gyrosensor verwendete Koordinatensystem wird daher nachfolgend auch als Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 bezeichnet. Es handelt sich um ein kartesisches Koordinatensystem, dessen Achsen, wie in Fig. 12 auch dargestellt, hier als Beschleunigungs-x-Achse 53 als Beschleunigungs-z-Achse 54 und als Beschleunigungs-y-Achse 55 bezeichnet werden. Die x-Winkelbeschleunigung 56 bezieht sich, wie in Fig. 12 dargestellt, auf eine Drehung um die Beschleunigungs-x-Achse 53. Die y-Winkelbeschleunigung 58 bezieht sich, wie ebenfalls in Fig. 12 dargestellt, auf eine Drehung um die Beschleunigungs-y-Achse 55.

[0066] In den Figuren ist jeweils ein Beschleunigungssensor 31 eingezeichnet, da dieser für die nachfolgend beschriebene Weiterbildung des Verfahrens zur Kalibrierung ausreicht. Um dann anschließend in der Praxis zur Bestimmung von Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 aber auch die x-Winkelbeschleunigung 56 und die y-Winkelbeschleunigung 58 messen zu können, ist der Beschleunigungssensor 31 in der Praxis aber bevorzugt eben als ein sechs- oder neunachsiger Gyrosensor ausgeführt.

[0067] Wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung der globalen Position und Orientierung eines Baggers 1 dahingehend erweitert werden kann, dass die Beschleunigungs-BaggerKoordinatentransformation 37 berechnet werden kann, ist in den Fig. 13 bis 15 veranschaulicht.

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Fig. 13 zeigt, dass auf dem Oberwagen 4 des Baggers 1 zusätzlich der zumindest dreiachsige Beschleunigungssensor 31 - oder eben gleich ein zumindest sechsachsiger Gyrosensor - mit einem Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 angeordnet ist, wobei die Richtung einer ersten Achse des Baggerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-z-Achse 22, im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 durch eine erste Beschleunigungsmessung 33 mit dem Beschleunigungssensor 31 in einem ruhenden Zustand des auf der Ebene 13 stehenden Baggers 1 bestimmt wird. Bei dieser ersten Beschleunigungsmessung 33 bestimmt der Beschleunigungssensor 31 die Richtung des in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Gravitationsvektors 44, also der Schwerkraft.

[0068] Für eine, in Fig. 13 schematisiert angedeutete, zweite Beschleunigungsmessung 36 wird der Bagger 1 entlang einer Ebene 12 beschleunigt und/oder abgebremst, um während des Beschleunigungsvorgangs 34 und/oder des Abbremsvorgangs 35, vorzugsweise jeweils, die bzw. eine zweite Beschleunigungsmessung 36 mit dem Beschleunigungssensor 31 durchzuführen. Aus der zumindest einen zweiten Beschleunigungsmessung 36 kann dann die Richtung einer zweiten Achse des Baggerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-x-Achse 21, im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 bestimmt werden. Die Richtung der dritten Achse des Baggerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-y-Achse 23, im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 kann dann als Orthogonale auf die erste Achse des Baggerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-z-Achse 22, und Orthogonale auf die zweite Achse des Baggerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-x-Achse 21, bestimmt werden. Auf Basis der so bestimmten Richtungen der Achsen des Bagger-Koordinatensystems 7 im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 kann anschließend die BeschleunigungsBagger-Koordinatentransformation 37 zur Umrechnung von im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 gemessenen Daten in das Baggerkoordinatensystem 7 berechnet und abgespeichert werden.

[0069] Wie eingangs bereits erläutert, ist bei der beschriebenen Vorgehensweise egal, ob man zunächst die erste Beschleunigungsmessung 33 oder zunächst die zweite Beschleunigungsmessung 36 durchführt.

[0070] Die zweite Beschleunigungsmessung 36 kann, wie eingangs erläutert, gleich in das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 integriert sein, indem man den Bagger 1 beim, in Fig.6 dargestellten, Befahren der Fahrstrecke 13 entsprechend beschleunigt und/oder abbremst. Es ist aber auch möglich, die zweite Beschleunigungsmessung 36 durch einen separaten Beschleunigungsvorgang 34 und/oder Abbremsvorgang 35 des Baggers 1 auf einer Ebene 12 durchzuführen.

[0071] Fig. 14 zeigt ein Diagramm, in dem die bei der zweiten Beschleunigungsmessung 36 mit dem Beschleunigungssensor 31 gemessene Beschleunigung a gegen die Zeit t aufgetragen ist. Zur Durchführung der zweiten Beschleunigungsmessung 36 kann man nur den Beschleunigungsvorgang 34 oder nur den Abbremsvorgang 35 betrachten. Man kann aber auch sowohl den Beschleunigungsvorgang 34 als auch den Abbremsvorgang 35 zur Auswertung heranziehen.

[0072] Fig.15 veranschaulicht schematisch, dass mittels der ersten Beschleunigungsmessung 33 und der zweiten Beschleunigungsmessung 36 die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation 37 berechnet und zur weiteren Verwendung im Normalbetrieb des Baggers 1 abgespeichert werden kann. Die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation 37 dient dann im Normalbetrieb des Baggers der Umrechnung der mit dem Beschleunigungssensor 1 bzw. dem Gyrosensor gemessenen Daten 60 vom Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 in entsprechende Daten 61 im Baggerkoordinatensystem 7, so wie dies schematisch in Fig. 16 dargestellt ist. Auf diese Art und Weise können dann insbesondere die mittels Gyrosensor im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 bestimmten Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 des Baggers 1 auch in dessen Baggerkoordinatensystem 7 umgerechnet und dort verwendet werden.

[0073] Um Sensorrauschen und andere Messfehler bei der Bestimmung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 und vorzugsweise auch der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation 37 zu minimieren, kann eine Optimierung vorgesehen sein. Diese basiert bevorzugt auf einer iterativen Durchführung des nachfolgend anhand von Fig. 17 und 18 veranschau-

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lichten Verfahrens im Anschluss an die bislang geschilderten Schritte. Wie eingangs bereits erläutert wird diese Optimierung mit zumindest einer Iteration, also einer zumindest zweimaligen Durchführung, vorzugsweise aber mit mehreren Iterationen realisiert. Fig. 17 zeigt, dass hierzu, während der Bagger 1 auf einer Ebene 12 steht, der Oberwagen 4 in zumindest zwei Drehvorgängen um die Oberwagendrehachse 6 gedreht wird, wobei bei jedem der Drehvorgänge mit der GNSS-Antenne 8 Positionsdaten 10 an verschiedenen Positionen 38 der GNSS-Antenne 8 aufgezeichnet werden. Mit diesen, an den verschiedenen Positionen 38 aufgezeichneten Positionsdaten 10 kann dann für jeden Drehvorgang eine Streuung 39, 40 und 41 einer berechneten Lage der Oberwagendrehachse 6 bestimmt werden, wobei durch eine iterative Minimierung dieser Streuung die GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18, und vorzugsweise auch die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation 37, optimiert wird bzw. werden. Dieses Verfahren kann mit einem ersten Drehvorgang und zumindest einer Wiederholung, also zumindest einer Iteration, des Drehvorgangs durchgeführt werden. Bevorzugt werden aber mehrere Iterationen durchgeführt, so lange bis die Streuung auf ein gewünschtes Maß minimiert ist. Fig. 18 zeigt den Bereich A aus Fig. 17 vergrößert. In Fig. 18 ist gut zu sehen, wie die Streuung 39, 40 und 41 von Iteration zu Iteration kleiner wird.

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LEGENDE ZU DEN HINWEISZIFFERN:

1 Bagger 2 Unterwagen

3 Fahrwerk

4 Oberwagen

5 Baggerarm

6 Oberwagendrehachse

7 Baggerkoordinatensystem

8 erste GNSS-Antenne

9 globales Navigationssatellitensystem 10 Positionsdaten

11 GNSS-Koordinatensystem 12 Ebene

13 Fahrstrecke

14 Geradeausfahrtrichtung

15 erster Positionsdatensatz 16 Drehwinkel

17 zweiter Positionsdatensatz 18 GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 19 Anfang

20 Ende

21 Bagger-x-Achse

22 Bagger-z-Achse

23 Bagger-y-Achse

24 GNSS-x-Achse

25 GNSS-z-Achse

26 GNSS-y-Achse

27 Ursprung

28 Ursprung

29 Gerade

30 Kreis

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62

Beschleunigungssensor Beschleunigungs-Koordinatensystem erste Beschleunigungsmessung Beschleunigungsvorgang Abbremsvorgang

zweite Beschleunigungsmessung Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation Position

Streuung

Streuung

Streuung

Baggerwerkzeug

Satellit

Gravitationsvektor Normalvektor

Neigungswinkel

zweite GNSS-Antenne Erdoberfläche

ebene Tangentialfläche Gierwinkel

Rollwinkel

Nickwinkel Beschleunigungs-x-Achse Beschleunigungs-z-Achse Beschleunigungs-y-Achse x-Winkelbeschleunigung z-Winkelbeschleunigung y-Winkelbeschleunigung Positionsdaten

Daten

Daten

Kabine

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Claims (13)

A ‚hes AT 527 809 B1 2025-07-15 Ss N Patentansprüche

1. Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers (1), wobei der Bagger (1) einen Unterwagen (2) mit einem Fahrwerk (3) und einen Oberwagen (4) mit einem Baggerarm (5) aufweist, wobei der Oberwagen (4) um eine Oberwagendrehachse (6) drehbar auf dem Unterwagen (2) gelagert ist und dem Bagger (1) ein Baggerkoordinatensystem (7) zugeordnet ist und auf dem Oberwagen (4) zumindest eine GNSS-Antenne (8) zum Empfang von Positionsdaten (10) zumindest eines globalen Navigationssatellitensystems (9) fixiert ist, wobei mit der GNSS-Antenne (8) die Positionsdaten (10) des globalen Navigationssatellitensystems (9) empfangen werden und diese Positionsdaten (10) in einem GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Bagger (1) auf einer Ebene (12) auf einer Fahrstrecke (3) in einer Geradeausfahrtrichtung (14) des Unterwagens (2) gefahren und dabei mit der GNSS-Antenne (8) ein erster Positionsdatensatz (15) im GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet wird, wobei während der Fahrt des Baggers (1) auf der Fahrstrecke (13) ein Drehwinkel (16) des Oberwagens (4) um die Oberwagendrehachse (6) relativ zum Unterwagen (2) konstant gehalten wird, und wobei bei ortsfest ruhendem Unterwagen (2) der Oberwagen (4) um die Oberwagendrehachse (6) gedreht wird, und dabei mit der GNSS-Antenne (8) ein zweiter Positionsdatensatz (17) im GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet wird und mit Hilfe des ersten Positionsdatensatzes (15) und des zweiten Positionsdatensatzes (17) eine GNSS-Bagger-Koordinatentransformation (18) zur Umrechnung von mit der GNSS-Antenne (8) empfangenen Positionsdaten (10) in das Baggerkoordinatensystem (7) berechnet und abgespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Drehen des Oberwagens (4) um die Oberwagendrehachse (6) bei ortsfest ruhendem Unterwagen (2) am Anfang (19) oder am Ende (20) der Fahrstrecke (13) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Baggerkoordinatensystem (7) ein kartesisches Koordinatensystem ist, und das Baggerkoordinatensystem (7) eine parallel zu der Geradeausfahrtrichtung (14) des Unterwagens (2) angeordnete Bagger-x-Achse (21) und eine parallel zur Oberwagendrehachse (6) angeordnete Bagger-z-Achse (22) und eine orthogonal zur Bagger-x-Achse (21) und orthogonal zur Bagger-z-Achse (22) angeordnete Bagger-yAchse (23) aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das GNSS-Koordinatensystem (11) ein kartesisches Koordinatensystem ist, und das GNSS-Koordinatensystem (11) eine in eine Himmelsrichtung weisende GNSS-x-Achse (24) und eine vertikal verlaufende GNSS-zAchse (25) und eine orthogonal zur GNSS-x-Achse (24) und orthogonal zur GNSS-z-Achse (25) angeordnete GNSS-y-Achse (26) aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ursprung (27) des GNSS-Koordinatensystems (11) in der GNSS-Antenne (8) liegt und/oder wobei der Ursprung (28) des Baggerkoordinatensystems (7) in dem Schnittpunkt der Oberwagendrehachse (6) mit der Ebene (12) liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der, während der Fahrt des Baggers (1) auf der Fahrstrecke (13) aufgezeichnete, erste Positionsdatensatz (15) vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation (18) auf eine Gerade (24) optimiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der, bei ortsfest ruhendem Unterwagen (2) während des Drehens des Oberwagens (4) um die Oberwagendrehachse (6) aufgezeichnete, zweite Positionsdatensatz (17) vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation (18) auf ein Kreissegment oder einen Kreis (30) optimiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ebene (12) eine horizontale Ebene ist, und/oder wobei der Oberwagen (4) während der Fahrt des Baggers (1) auf der Fahrstrecke (13) in Geradeausfahrtrichtung (14) des Unterwagens (2) ausgerichtet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf dem Oberwagen (4) des Baggers (1) zusätzlich ein zumindest dreiachsiger Beschleunigungssensor (31) mit einem Beschleu-

nigungs-Koordinatensystem (32) angeordnet ist, wobei die Richtung einer ersten Achse des Baggerkoordinatensystems (7) im Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) durch eine erste Beschleunigungsmessung (33) mit dem Beschleunigungssensor (31) in einem ruhenden Zustand des auf einer Ebene (12) stehenden Baggers (1) bestimmt wird, und der Bagger (1) entlang der Ebene (12), vorzugsweise beim Fahren entlang der Fahrstrecke (13), beschleunigt und/oder abgebremst wird, und während des Beschleunigungsvorgangs (34) und/oder des Abbremsvorgangs (35) zumindest eine zweite Beschleunigungsmessung (36) mit dem Beschleunigungssensor (31) durchgeführt wird, wobei die Richtung einer zweiten Achse des Baggerkoordinatensystems (7) im Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) durch die zweite Beschleunigungsmessung (36) bestimmt wird und die Richtung der dritten Achse des Baggerkoordinatensystems (7) im Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) als Orthogonale auf die erste Achse des Baggerkoordinatensystems (7) und Orthogonale auf die zweite Achse des Baggerkoordinatensystems (7) bestimmt wird und auf Basis der so bestimmten Richtungen der Achsen des Bagger-Koordinatensystems (7) im Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) eine Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation (37) zur Umrechnung von im Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) gemessenen Daten (60) in das Baggerkoordinatensystem (7) berechnet und abgespeichert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) ein kartesisches Koordinatensystem ist.

11. Verfahren nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die erste Achse des Baggerkoordinatensystems (7) die Bagger-z-Achse (22) und/oder die zweite Achse des Baggerkoordinatensystems (7) die Bagger-x-Achse (21) und/oder die dritte Achse des Baggerkoordinatensystems (7) die Bagger-y-Achse (23) ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei während der Bagger (1) auf einer Ebene (12) steht, der Oberwagen (4) in zumindest zwei Drehvorgängen um die Oberwagendrehachse (6) gedreht wird, wobei bei jedem der Drehvorgänge mit der GNSS-Antenne (8) Positionsdaten (10) an verschiedenen Positionen (38) der GNSS-Antenne (8) aufgezeichnet werden und mit diesen, an den verschiedenen Positionen (38) aufgezeichneten Positionsdaten (10) für jeden Drehvorgang eine Streuung (39, 40, 41) einer berechneten Lage der Oberwagendrehachse (6) bestimmt wird, wobei durch eine iterative Minimierung dieser Streuung (39, 40, 41) die GNSS-Bagger-Koordinatentransformation (18), und vorzugsweise auch die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation (37), optimiert wird bzw. werden.

13. Bagger (1) der zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 konfiguriert ist.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

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