CN112567097B - 用于确定机器的作业设备的角度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弄用于确定机器的作业设备的角度的方法，所述机器具有底盘和可以相对于所述底盘旋转的上部结构，所述作业设备通过旋转接点固定到所述上部结构，使得所述旋转接点的旋转轴线正交于可旋转的上部结构的旋转轴线，所述作业设备具有IMU，即惯性测量单元，所述惯性测量单元设计成用于感测优选地彼此垂直的三个空间方向(x、y、z)上的角速度，并且通过IMU可感测平行于旋转接点的旋转轴线的三个空间方向中的第一个空间方向(y)的角速度(I)。所述方法的特征在于，通过IMU感测在所述上部结构旋转时发生的角速度(II)，并且基于感测到的上部结构角速度(II)确定作业设备相对于上部结构的旋转轴线的角度。

Description

用于确定机器的作业设备的角度的方法
技术领域
本发明涉及用于一种确定机器的作业设备的角度的方法以及相应的机器。对于作业机器，特别是对于挖掘机来说有利的是，它们可以精确地确定作业设备的角度，例如挖掘机臂元件的角度。确定这种角度的各种方式在本领域中是已知的，但是它们都不是稳定、便宜、精确且易于整合的。在这种情况下，期望在实施角度确定时还可以容易地对作业设备进行改装。
背景技术
借助惯性单元(IMU，英语：Inertial Measurement Unit惯性测量单元)进行的角度计算不能满足上述所有条件，因为它们的精度在高速下降低。另外，对作业机械，特别是挖掘机有特殊的影响作用，因此不能简单地例如像在飞行器或车辆中使用惯性导航系统那样来使用。
但是，通常使用IMU(惯性测量单元)，然后将其用于测量沿三个轴线的加速度。重力表述竖直加速度，因此可以使用IMU进行测量。观察该重力在加速度测量仪三个轴向上的投影的位置，可以得出IMU相对于竖直方向的角度。这种过程例如在US 9618338 B2中所描述。因此，通过在作业设备上安装IMU，可以大概准确地确定作业设备的角度。
问题在于，一旦发生运动，例如挖掘机或其他建筑机械的上部结构旋转，就将离心力加到由IMU测量的加速度上。因此，角度的计算是有缺陷的，因为经投影的力不再仅仅是竖直的，而是重力和离心力的组合。为了补偿这些影响，从现有技术中已知利用机器或挖掘机的几何模型，以便实时估计传感器上的离心力，并在计算竖直重力的定向时将它们考虑在内。这种过程公开在例如在AR 10 4232 A1中，其中给出相对可靠的结果，但前提是必须在创建和模拟具有所有长度、距离以及多个IMU的位置的机器或挖掘机的几何模型的情况下。另外，该解决方案需要或多或少复杂的校准阶段。
此外，从现有技术中还已知例如使用卡尔曼滤波器(Kalman-Filter)或高通和低通滤波器的组合来滤除动态影响(离心力等)。这使得由于作业设备或车辆的运动引起的动态影响被减弱。但是，这种实现方式并不能产生所有情况下需要的确切解决方案。此外，市场上所有可用方法的设计方式都要求它们需要进行初始校准，这会占用额外的资源。
总的来说，现有的方法旨在减弱特别是在上部结构旋转时的离心力的不良影响，以增强所使用的测量原理的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供克服上述缺点的确定作业设备的角度的方法。该目的通过本发明的方法或机器来实现。
本发明涉及一种用于确定机器、特别是挖掘机的作业设备的角度的方法，其中所述机器具有底盘和可以相对于底盘旋转的上部结构，所述作业设备通过旋转接点固定到上部结构，使得该旋转接点的旋转轴线正交于可旋转的上部结构的旋转轴线，所述作业设备设置有IMU，即惯性测量单元，所述IMU设计成用于感测优选地彼此垂直的三个空间方向上的角速度，其中可通过IMU感测到的所述三个空间方向中的第一个空间方向的角速度，所述三个空间方向中的第一个空间方向平行于旋转接点的旋转轴线。所述方法的特征在于，通过所述IMU感测在所述上部结构旋时发生的角速度，并且基于感测到的所述上部结构的角速度确定所述作业设备相对于上部结构的旋转轴线的角度。
与已知用于确定作业设备的角度的方法不同，本发明不试图抑制上部结构旋转的影响，而是利用其特性来确定角度。
经过进一步研究发现，从机器或确切地说挖掘机的角度看，上部结构的旋转就是角速度不断向上(或向下)。角速度或角速度的矢量始终垂直于由上部结构的旋转限定的平面。布置IMU的陀螺测试仪(即用于感测相应空间方向的角速度的装置)使得它们中的两个正交于作业设备的旋转接点的旋转轴线。最后，三个空间方向中的第一个空间方向平行于旋转接点的旋转轴线，通过IMU可以感测到所述三个空间方向中的第一个空间方向的角速度，使得其他两个空间方向必须正交于第一空间方向。借助垂直于旋转轴线布置的两个空间方向，这两个空间方向角速度可以借助IMU来感测，从而可以精确地测量由上部结构的旋转引起的角速度的投影。因此，可以使用所测量的角速度来精确地确定安装有IMU的作业设备相对于上部结构的旋转轴线的角度。
根据本发明的任选改进方案，在上部结构旋转时发生的角速度反映在IMU的与所述三个空间方向中的第一个空间方向不同的两个空间方向的角速度上，并可以由此确定作业设备的角度。
优选地，用于与所述三个空间方向中的第一个空间方向不同的空间方向的IMU的两个角速度用作数学函数atan2的自变量，以便确定作业设备的角度。函数atan2也称为arctan2，是反三角函数反正切的扩展，并采用两个实数作为自变量，因此与正常反正切相反，它具有足够的信息以能够在360度范围内输出函数值。因此本发明还必须包括：视情况而定将角速度求反正切函数以确定角度。
根据优选的实施形式，使用下式确定作业设备的角度：
Figure GDA0003859119010000031
其中：αG是作业设备相对于上部结构的旋转方向轴线的角度，
Figure GDA0003859119010000032
是上部结构旋转的角速度，
Figure GDA0003859119010000033
是IMU感测到的三个空间方向中的第二个空间方向上的角速度，和
Figure GDA0003859119010000034
是IMU感测到的三个空间方向中的第三个空间方向上的角速度。
除此之外，根据本发明的其他改进方案可以设置当上部结构旋转的角速度大于阈值时，作业设备的角度仅基于上部结构旋转的角速度来确定。
另外可以设置，当上部结构旋转的角速度小于阈值或等于阈值时，作业设备的角度通过替代的方法确定，优选地基于IMU感测到的加速度。
此外可以设置用于确定作业设备的角度的加权，并且基于角速度的确定具有随着上部结构的旋转角速度而变化的加权因子。例如，当上部结构旋转的角速度较高时，加权因子可以取较大的值，而当上部结构旋转的角速度较低时，加权因子可以取较低的值。
本发明还包括一种机器，其具有：底盘；可以相对于所述底盘旋转的上部结构；作业设备，其通过旋转接点固定到所述上部结构，使得所述旋转接点的旋转轴线正交于可旋转的所述上部结构的旋转轴线；以及IMU，即惯性测量单元，其设置在所述作业设备中，并设计成用于感测三个空间方向上的角速度，其中所述三个空间方向中的第一个空间方向平行于旋转接点的旋转轴线，通过所述IMU可以感测到所述三个空间方向中的第一个空间方向的角速度。所述机器的特征在于，设置用于确定所述作业设备相对于上部结构的旋转轴线的角度的角度确定单元，其中所述角度确定单元设计成，使得所述作业设备的角度基于通过市场上IMU感测到的、在上部结构旋转时发生的角速度确定。
再次使用了这样的手段，即角速度的矢量与由旋转所限定的平面正交，从而使得感测与旋转接点的旋转轴线平行的空间方向的角速度传感器在上部结构旋转时不记录任何偏转。这是因为旋转轴线和平行于该旋转轴线的空间方向布置成垂直于可旋转的上部结构的旋转轴线。因此，由于上部结构的旋转而产生的角速度映射到在其他空间方向中的两个另外的角速度传感器中，从而可以得出IMU和牢固连接到该IMU上的作业设备的位置。
优选清楚地表明由IMU感测到的空间方向彼此正交。
根据本发明的有利实施方案，在上部结构旋转时发生的角速度反映在IMU的与所述三个空间方向中的第一个空间方向不同的两个空间方向的角速度上，并所述角度确定单元设计成确定作业设备的角度。
优选地，所述机器的角度确定单元设计成，与所述三个空间方向中的第一个空间方向不同的空间方向的两个角速度用作数学函数atan2的自变量，以确定作业设备的角度。根据优选的实现方式，这通过下式来实现：
Figure GDA0003859119010000051
其中：αG是作业设备相对于上部结构的旋转方向轴线的角度，
Figure GDA0003859119010000052
是上部结构旋转的角速度，
Figure GDA0003859119010000053
是IMU感测到的三个空间方向中的第二个空间方向上的角速度，和
Figure GDA0003859119010000054
是IMU感测到的三个空间方向中的第三个空间方向上的角速度。
此外可以设置，所述角度确定单元设计成，使得当角速度大于阈值时，作业设备的角度仅基于上部结构旋转的角速度来确定，并且当上部结构旋转的角速度小于阈值或等于阈值时，作业设备的角度通过替代的方法确定，优选地基于IMU感测到的加速度。
根据本发明任选的改进方案，所述机器是挖掘机并且所述作业设备是挖掘机臂，所述挖掘机臂具有挖掘机斗、挖掘机斗杆和挖掘机悬臂，其中IMU布置在挖掘机臂的至少一个部件上，以便确定挖掘机臂的相应部件的角度。
此外可以设置，分别在上部结构、挖掘机斗、挖掘机斗杆和挖掘机悬臂上设置IMU，IMU优选地通过数据线与角度确定单元相连。所述角度确定单元可以设计成计算或导出具有各自的IMU的每个元件的角度。
根据本发明有利的改进方案，挖掘机臂的部件通过旋转接点彼此连接，旋转接点的旋转轴线彼此平行并因此都垂直于上部结构旋转的旋转轴线。
此外可以设置，所述角度确定单元是电子控制设备的一部分，所述电子控制设备与机器的控制装置保持连接。
附图说明
根据以下附图说明可以得出本发明的其他优点、细节和技术特征。其中：
图1示出具有设置有IMU的作业设备的机器的示意图；
图2示出具有不同的布置位置的各个IMU的采矿挖掘机的侧视图；
图3示出实现根据本发明的方法的抽象示意图。
具体实施方式
图1示出本发明的示意图。可以看出机器1，其仅示意性地示出上部结构4和固定在其上的作业设备2，例如挖掘机悬臂。
在挖掘机悬臂2上固定地安装IMU 8，IMU 8可以感测三个空间方向上的角速度。这三个空间方向彼此正交，这三个空间方向中的一个空间方向平行于旋转接点6的第一旋转轴线5，作业设备2借助于该旋转接点可枢转地布置在机器1的上部结构4上。旋转接点6在此可以对应于铰链接合(Scharniergelenk)。如果上部结构4现在以速度
Figure GDA0003859119010000061
围绕图1所示的第二旋转轴线7旋转，则这导致角速度，其矢量平行于第二旋转轴线7定向。相应的矢量当然也可以沿与第二旋转轴线7的箭头相反的方向延伸。感测角速度的元件，即正交于旋转接点6的第一旋转轴线5布置的IMU陀螺测试仪，可以精确地测量角速度的投影。这主要是借助角速度
Figure GDA0003859119010000062
实现。因此，可以通过使用这两个速度
Figure GDA0003859119010000063
参考上部结构4的旋转轴线来确定作业设备或牢固连接到作业设备的IMU 8的角度。在最简单的实施方式中，通过下式可以计算：
Figure GDA0003859119010000064
其中：αG是作业设备相对于上部结构的旋转方向轴线的角度，
Figure GDA0003859119010000065
是上部结构旋转的角速度，
Figure GDA0003859119010000066
是IMU感测到的三个空间方向中的第二个空间方向上的角速度，以及
Figure GDA0003859119010000067
是IMU感测到的三个空间方向中的第三个空间方向上的角速度。
该过程与在加速度测量中找出重力的方法非常相似，但是在此处不观察相同的物理值，因为此处目的在于在陀螺测试仪测量中找出上部结构的旋转速度。任何到申请日为止的现有技术都没有遵循这种方法。
这是有利的，因为没有寄生速度(
Figure GDA0003859119010000068
Geschwindigkeiten)可以干扰计算。这是由于上部结构的旋转速度垂直于作业设备2的旋转接点6。此外，陀螺测试仪不受颠簸和振动的干扰，因此与加速度相比，可以更容易地读取相关数据，且因此需要较少的滤波。
在机器的工作周期中，本发明可以使用在本文中说明的构思精确地确定作业设备的角度，而与相对于作业设备2的旋转接点6的任何动态速度无关。
为了在上部结构4不旋转时也能够确定作业设备2的角度，需要设置用于多个数据源的融合算法(Fusionsalgorithmus)，存在上部结构旋转速度时该算法一方面使用加速度测量单元(确定角度的常规类型)，另一方面使用陀螺测试仪(即角速度测量单元)确定角度。另外，可以在多个或一个旋转接点6上设置共线陀螺测试仪的陀螺测试仪集成。
图3中示出多种实施方式可能性之一，其中将上部结构的旋转速度与阈值B进行比较，如果速度低于阈值，则以常规方式和方法从加速度测量单元计算原始角度αB，如果速度超过或达到阈值时，则从陀螺测试仪计算原始角度αB。还可以设置，借助共线陀螺测试仪在旋转接点上使原始角度αB平滑。例如，如果α(t)是在时间t时获得的角度，则可以使用
Figure GDA0003859119010000072
来计算时间点α(t+1)的角度，其中
Figure GDA0003859119010000073
是相对角速度，Δt是时间步长(Zeitschritt)，c是系数，如果前一个角小于原始角αB，则x＝0，反之，则x＝1。
在图3中可以找到完整的实施方式，其中切换单元10根据上部结构的旋转速度来改变用于计算角度的基础。在切换单元10的所示位置中，以常规方式和方法基于加速度来计算角度。可替代地，可以借助速度来计算角度，这仅在上部结构旋转达到一定速度时才进行。
Figure GDA0003859119010000071
表示由IMU测量的角速度，其在运动学链(kinematischen Kette)中先行。
可以如图2所示地总结具有根据本发明的方法的优点的完整系统。在挖掘机斗11和挖掘机斗杆12以及挖掘机悬臂13上均设置有IMU。在上部结构4上还设置另一IMU 8。这四个IMU将其原始数据(加速度和角速度)发送到电子单元(ECU)，该电子单元包含用于计算挖掘机臂或上部结构的各部分之间的相对角度的算法。这意味着需要对挖掘机斗角度、挖掘机斗杆角度、挖掘机悬臂角度和上部结构倾角以及上部结构滚动角进行计算。电子控制单元ECU也可以计算与这些角度关联的所有相对速度。还可以设置，该控制单元与挖掘机电子设备建立通信连接，其通过合适的总线提供所有数据。这在图中用控制箱(转向)表示。

Claims (14)

1.一种用于确定机器（1）的作业设备（2）的角度的方法，其中，
所述机器（1）具有底盘和能够相对于所述底盘旋转的上部结构（4），
所述作业设备（2）通过旋转接点（6）固定到所述上部结构（4），使得所述旋转接点（6）的第一旋转轴线（5）正交于能够旋转的所述上部结构（4）的第二旋转轴线（7），
所述作业设备（2）具有IMU（8），即惯性测量单元，所述IMU设计成用于感测彼此垂直的三个空间方向（x、y、z）上的角速度，并且
所述三个空间方向中的第一个空间方向（y）平行于旋转接点（6）的第一旋转轴线（5），通过所述IMU（8）能够感测所述三个空间方向中的所述第一个空间方向（y）的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE002
），
其特征在于，
通过所述IMU（8）感测在所述上部结构（4）旋转时发生的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004
），并且
其中当所述角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
）大于阈值（B）时，仅基于感测到的上部结构角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
）确定所述作业设备（2）相对于所述上部结构（4）的第二旋转轴线（7）的角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述上部结构（4）旋转时发生的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
）反映在所述IMU（8）的与所述三个空间方向中的第一个空间方向（y）不同的两个空间方向（x、z）的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
）上，并由此确定所述作业设备（2）的角度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述IMU（8）在与所述三个空间方向中的所述第一个空间方向（y）不同的空间方向上的两个角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
）用作数学函数atan2的自变量，以确定所述作业设备（2）的角度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用以下式确定所述作业设备（2）的角度：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中：
αG为所述作业设备（2）相对于所述上部结构（4）的旋转方向轴线的角度，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAA
为所述上部结构（4）旋转的角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
为所述IMU（8）感测到的所述三个空间方向中的第二个空间方向上的角速度，和
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
为所述IMU（8）感测到的所述三个空间方向中的第三个空间方向上的角速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述上部结构（4）旋转的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004_5A
）小于所述阈值（B）或等于所述阈值（B）时，所述作业设备（2）的角度通过基于由所述IMU（8）感测到的角加速度的替代的方法确定。
6.一种机器（1），其包括：
底盘，
能够相对于所述底盘旋转的上部结构（4），
作业设备（2），其通过旋转接点（6）固定在上部结构（4）上，使得所述旋转接点（6）的第一旋转轴线（5）正交于能够旋转的所述上部结构（4）的第二旋转轴线（7），并且
IMU（8），即惯性测量单元，所述IMU设置在所述作业设备（2）上，并且设计成用于感测三个空间方向（x、y、z）上的角速度，其中
所述三个空间方向中的第一个空间方向（y）平行于所述旋转接点（6）的第一旋转轴线（5），通过所述IMU（8）能够感测所述三个空间方向中的第一个空间方向（y）的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
），
其特征在于，
角度确定单元，其用于确定所述作业设备（2）相对于所述上部结构（4）的第二旋转轴线（7）的角度，其中
所述角度确定单元设计成使得当所述IMU（8）感测到的、在所述上部结构（4）旋转时发生的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004_6A
）大于阈值（B）时，所述作业设备（2）的角度仅基于所述角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004_7A
）来确定。
7.根据权利要求6所述的机器（1），其中由所述IMU（8）感测到的空间方向彼此正交。
8.根据权利要求6或7所述的机器（1），其中在所述上部结构（4）旋转时发生的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004_8A
）反映在所述IMU（8）的与所述三个空间方向中的所述第一个空间方向（y）不同的两个空间方向（x、z）的角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
）上，并且所述角度确定单元设计成由此确定所述作业设备（2）的角度。
9.根据权利要求6或7所述的机器（1），其中所述角度确定单元设计成使得在与所述三个空间方向中的所述第一个空间方向（y）不同的空间方向（x、z）上两个角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAA
）用作数学函数atan2的自变量，以使用以下式确定所述作业设备（2）的角度：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，其中
αG为所述作业设备（2）相对于所述上部结构（4）的旋转方向轴线的角度，
Figure DEST_PATH_IMAGE008_5A
为所述上部结构（4）旋转的角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE006_5A
为所述IMU（8）感测到的所述三个空间方向中的第二个空间方向上的角速度，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE008_6A
为所述IMU（8）感测到的所述三个空间方向中的第三个空间方向上的角速度。
10.根据权利要求6或7所述的机器（1），其中所述角度确定单元设计成使得当所述上部结构（4）旋转的所述角速度（
Figure DEST_PATH_IMAGE004_9A
）小于所述阈值（B）或等于所述阈值（B）时，所述作业设备（2）的角度通过基于所述IMU（8）感测到的加速度的替代的方法确定。
11.根据权利要求6或7所述的机器（1），其中所述机器（1）是挖掘机，且所述作业设备（2）是挖掘机臂，所述挖掘机臂具有挖掘机斗（11）、挖掘机斗杆（12）和挖掘机悬臂（13），其中所述IMU（8）布置在所述挖掘机臂的部件的至少一个上，以确定所述挖掘机臂的相应的部件的角度。
12.根据权利要求11所述的机器（1），其中分别在所述上部结构（4）、所述挖掘机斗（11）、所述挖掘机斗杆（12）和所述挖掘机悬臂（13）上设置IMU（8），所述IMU通过数据线与所述角度确定单元相连。
13.根据权利要求11所述的机器（1），其中所述挖掘机臂的部件通过旋转接点相互连接，所述旋转接点的旋转轴线相互平行，并由此均垂直于上部结构旋转的第二旋转轴线（7）。
14.根据权利要求6或7所述的机器（1），其中所述角度确定单元是电子控制设备的一部分，所述电子控制设备与所述机器（1）的控制装置保持连接。
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