CN117146804A - 由若干imu形成的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由若干IMU(1、2、3、4、5)形成的系统，所述系统具有被配置来记录和传输数据的至少一个从IMU(1、2、3、4)。另外，提供具有分析计算单元的主IMU(5)，所述主IMU被配置来自行记录数据，并且从所述至少一个从IMU(1、2、3、4)接收数据，并且共同分析所述数据以计算运动链，并且将所分析的数据传输到机器的与所述系统相连接的电子控制装置。

Description

由若干IMU形成的系统
技术领域
本发明涉及由惯性测量单元(以下称为IMU)形成的系统，所述系统可测量旋转速率和/或加速度。由IMU形成的系统用在机械及其工具中。
背景技术
惯性测量单元由若干惯性传感器组成，特别是测量三个维度上的加速度的加速度传感器，以及测量三个维度上的旋转速率—即角速度—的陀螺仪。依据此数据，可测量其上固定有IMU的物体的位置和(角)速度。全局坐标系中的位置通过测量与IMU的位置相关的地球重力矢量来确定。如果物体移动，则由此在加速度传感器的测量时可发生误差，所述误差通过来自陀螺仪的数据由传感器融合来进行补偿。
如今，IMU的系统用于机械的自动化或半自动化控制。例如，IMU布置在机械的工具臂上，并且在所述工具臂处测量加速度和旋转速率。具体的应用示例是挖掘机、开凿机和类似者，其中IMU布置在挖掘机臂上并且任选地布置在上托架上。
用于控制和分析IMU的若干方法是已知的。一方面，可提供借助倾斜度记录工具臂的绝对位置的单独的IMU。据此，单独的IMU独立于机械上的其他IMU而运行，并且也不从这些IMU接收任何数据。因此，单独的IMU本身并不知道它们在机械上的位置，使得这些IMU无法最优地补偿发生的加速度。
另一方面，提供了IMU的组合式系统和另外的中央控制单元。IMU与中央控制单元相连接，并且向后者发送由单独的IMU测量的数据。数据可已经由IMU预处理，或者可作为原始数据—即所测量的加速度和所测量的旋转速率—直接发送到中央控制单元。然后，中央控制单元依据数据来计算IMU之间的位置、(角)速度、倾斜度和/或中间角。由此，中央控制单元是必须被专门安装在机械中的控制装置或已经存在于机械中的控制装置。此类具有另外的中央控制装置的组合式系统通常非常昂贵并且不能容易地改装。这种解决方案例如在US 10,724,842B2中已知。
本发明的目的是提供一种由IMU形成的系统，所述系统与另外的中央控制装置共同工作，但并不需要另外的中央控制装置。
发明内容
提出了一种由若干IMU形成的系统，所述系统具有至少一个从IMU以及主IMU。特别地，所述IMU通过CAN总线(控制器区域网)连接。所述至少一个从IMU被配置来记录数据并且在所述系统内传输数据。所述数据是其上布置有所述至少一个从IMU的物体的旋转速率和/或加速度。所述数据可直接从测量作为原始数据记录和传输。在这种情况下，所述从IMU利用其自己的分析和/或处理单元进行管理，这保持低生产成本。替代地，所述至少一个从IMU可具有处理单元，所述处理单元被配置来执行所记录的数据的预处理。例如，可依据所述原始数据来计算方向余弦矩阵(DCM)，然后传输所述方向余弦矩阵。通过预处理所述数据，这可在所述从IMU中以分散方式执行，简化了后续的中央分析。为了进行传输，所述从IMU可具有传输装置。
根据本发明，所述系统的所述IMU中的一个形成为所述主IMU，所述主IMU与所述从IMU的不同之处在于其具有分析计算单元。与所述从IMU一样，所述主IMU也被配置来自行记录数据。所述数据也是其上布置有所述主IMU的物体的旋转速率和/或加速度。另外，所述主IMU被配置来从所述至少一个上述从IMU接收数据。为此可使用所述分析计算单元。替代地，所述主IMU具有另外的传输装置，以便从所述至少一个从IMU接收所述数据。通过所述分析计算单元，所述主IMU被配置来共同分析所述至少一个从IMU的数据和自行记录的数据，以便确定运动链。由此，可计算所述主IMU和/或所述至少一个从IMU以及其上布置有所述至少一个从IMU或所述主IMU的所述物体的位置和角度。与所述传输装置和所述从IMU的预处理单元相比，所述主IMU的所述分析计算单元是显著更强大的计算单元。然后，所述主IMU将所分析的数据发送到与所述系统连接的机器的控制装置。所述主IMU可具有用于将所计算的数据传输到所述机器的所述控制装置的传输装置。
因此，为了实现根据本发明的系统，即使两个IMU，一个从IMU和一个主IMU也是足够的。然而，也可提供若干从IMU，所述从IMU与同一主IMU相连接并且将数据传输到所述同一主IMU。在优选的系统中，除了一个IMU外的所有IMU被形成为从IMU。由此，降低了成本，因为仅所述主IMU必须包括可执行分析的计算单元。在实践中，多达四个从IMU和一个主IMU已证明是特别有利的。然而，其他配置也是可能的，例如多于四个从IMU和一个主IMU。
由此，也可形成冗余系统，在所述冗余系统中，例如若干从IMU布置在所述运动链的同一链节上。部分冗余系统也是可能的，在所述部分冗余系统中，例如两个IMU系统安装在共享的外壳中，并且通过一个电源被供电，并且通过同一CAN总线进行通信。此类冗余系统增加了整体系统的功能安全。
在所述系统中，所述若干IMU彼此连接，并且所述数据被共同分析。然而，不需要与所述IMU相连接的另外的控制装置。所述分析在所述系统内部、在所述主IMU中进行。由此，所述系统可以简单的方式在机械中实现，而不必例如在所述机械的内部安装另外的控制装置，或者改变已经提供的所述机械的电子控制装置。所述从IMU优选地仅通过信令与所述主IMU连接。另外，所述主IMU可具有用户界面，或与一个用户界面相连接。
优选地，所述主IMU在分析之后将所述至少一个从IMU的位置数据传输到所述至少一个从IMU。在这种情况下，所述主IMU因此被配置来向所述至少一个从IMU发送数据，并且所述至少一个从IMU被配置来从所述主IMU接收数据。由此，所述至少一个从IMU接收关于其位置和地点的信息。然后，该信息可依次并入到所述预处理中。由此，所有IMU都可接收与其相关的信息。
任选地，可提供至少一个角度传感器，所述至少一个角度传感器记录其上布置有所述角度传感器的物体相对于所述运动链的邻近物体的角度。可提供不同类型的角度传感器。角度传感器优选地布置在所述物体的相应旋转中心中或至少与此相应旋转中心机械地连接。特别地，该角度传感器布置在所述运动链的始端处。另一角度传感器优选地形成为区段传感器。区段传感器通常在小于180°的角度范围内进行测量，并且不必布置在所述旋转中心中。特别地，所述区段传感器布置在所述运动链的末端处，因为特别是与IMU相比，这种区段传感器关于通常发生在所述运动链的末端上的强烈振动和冲击不太敏感。所述至少一个角度传感器的数据被传输到所述主IMU并且在所述主IMU处被包括在所述分析中。与通过仅使用IMU相比，通过所述角度传感器常常可更好地记录角位置和角速度。例如，当取向为水平时，也可记录角位置，而IMU则不是此情况。因此，向心加速度的更确切补偿是可能的。
如果提供了若干从IMU，则在所述分析期间，主IMU可依据共同分析的数据来计算所述单独的从IMU和/或所述主IMU之间的中间角。替代地，在所述分析期间，主IMU可依据共同分析的数据来计算单独的IMU相对于参考的绝对角度。特别地，竖直方向被用作参考。
根据本发明的由IMU形成的系统可用在挖掘机中。由此，所述挖掘机上的所述IMU布置在所述挖掘机的挖掘机臂上。通常地，所述主IMU可布置在所述挖掘机上的任何地方。优选地，所述主IMU布置在所述挖掘机的上托架上，并且所述从IMU布置在所述挖掘机臂上，并且任选地布置在工具上。由此，所述主IMU可记录所述上托架的位置和旋转速率，并因此记录所述运动链的第一链节的位置和旋转速率。
附图说明
图1示出具有根据本发明的由IMU形成的系统的挖掘机的示意性斜视图。
图2示出来自图1的挖掘机的示意性平面图。
具体实施方式
在图1和图2中，示出具有底盘11和可旋转地布置在底盘11上的上托架12的挖掘机10。挖掘机臂13布置在上托架12上，所述挖掘机臂此处由可朝向彼此倾斜并且朝向上托架12倾斜的四个区段构成。挖掘机铲斗14作为工具布置在挖掘机臂13的最后区段上。
根据本发明，提供若干IMU 1、2、3、4、5，所述IMU在上托架12和挖掘机臂13上实现。从IMU 1、2、3、4布置在挖掘机臂的每一区段上，所述从IMU记录挖掘机臂13的相应区段的特别是在X方向相对于地球的重力的加速度和挖掘机臂的相应区段的旋转速率。从IMU 1、2、3、4没有被配置用于对数据进行完整分析的分析计算单元。然而，从IMU可具有不太强大的处理单元，利用所述处理单元可对原始数据进行预处理。另外，从IMU可具有传输装置，利用所述传输装置可由CAN总线传输数据。记录上托架12的加速度和旋转速率的主IMU 5布置在上托架12上。从IMU1、2、3、4通过CAN总线与主IMU 5相连接，并且将所记录的数据发送到主IMU 5。数据可作为所记录的原始数据直接传输，或者可预先进行预处理，然后作为预处理数据例如作为DCM传输到主IMU 5。
另外，角度传感器6设置在上托架12上，所述角度传感器布置在旋转中心中，或者以其他方式与旋转中心机械地连接，并且记录在垂直于地球的重力的Y-Z平面中的相对于底盘11的角度。角度传感器6也与主IMU 5相连接并且向此主IMU发送角度数据。在铲斗14与挖掘机臂13之间的连接上，可提供另外的角度传感器来代替从IMU 4或除此之外提供另外的角度传感器，所述角度传感器优选地形成为区段传感器7。区段传感器7测量铲斗14与挖掘机臂13的最后部分之间的角度并且为此布置在旋转中心之外。区段传感器7也与主IMU 5相连接并且向此主IMU发送角度数据。在操作期间，在挖掘机铲斗14上发生剧烈振动和冲击。与从IMU 4相比，区段传感器7受此影响较小。主IMU 5具有传输装置，利用所述传输装置，从IMU 1、2、3、4和角度传感器6、7的数据通过CAN总线接收。另外，主IMU 5具有分析计算单元，利用所述分析计算单元，共同分析IMU 1、2、3、4的数据、主IMU 5的所记录的数据和角度传感器6的数据以及任选地区段传感器7的数据。所分析的数据通过传输装置传输到挖掘机10的控制装置(未示出)。
在图2中，示出计算挖掘机臂13的第二区段上的从IMU 2(以下称为第二IMU 2)的速度v2以及上托架12上的主IMU 5的速度v5的示例。挖掘机臂13随着并且通过上托架12相对于底盘11的旋转而旋转。因此，速度v2和v5与上托架12在其上转动的圆形路径相切，并且因此它们取决于上托架的角速度ω。主IMU 5使用角度传感器6的另外的数据来确定上托架12相对于底盘11的角度。另外，记录主IMU 5在全局坐标系(在图2中仅表示Y-Z平面)中的绝对位置P5。为此，主IMU 5可记录其在全局坐标系中的绝对角度。替代地或另外地，角度传感器6可记录所述主IMU的角度位置，依据所述角度位置可确定位置P5。据此，也可记录底盘11在行驶操作期间的移动，并且可将不同驱动类型(像例如履带驱动或轮驱动)的不同行为考虑在内。
在图2中，仅考虑了简单的情况，其中主IMU 5的速度v5仅仅是挖掘机10的旋转中心的半径的切向速度。对于主IMU 5的速度v5的计算，以本身已知的方式使用主IMU 5的位置P5和上托架12的角速度ω。计算直接在主IMU 5的分析计算单元中进行。第二IMU 2的速度v2也以本身已知的方式依据第二从IMU 2的位置P2和上托架12的角速度ω来计算。第二从IMU 2的位置P2依据第二区段上的第二从IMU 2、挖掘机臂13的第一区段上的从IMU 1以及上托架12上的主IMU 5的所记录的加速度和旋转速率数据来计算。从IMU 1、2的数据被转发到主IMU 5，并且计算也在主IMU 5的分析计算单元中进行。为了计算第二从IMU 2的位置P2，主IMU 5可计算第二从IMU 2相对于全局坐标系的X轴的绝对角度。特别是对于X方向上的位置分量，主IMU 5可替代地确定主IMU 5与第一区段上的从IMU 1之间的中间角度以及第一区段上的从IMU 1与第二从IMU 2之间的中间角度。关于位置P2的信息最后从主IMU 5传输到第二从IMU 2。

Claims (9)

1.一种由若干IMU(1、2、3、4、5)形成的系统，其具有被配置来记录和传输数据的至少一个从IMU(1、2、3、4)，其特征在于，具有分析计算单元的主IMU(5)，所述主IMU被配置来自行记录数据，并且从所述至少一个从IMU(1、2、3、4)接收数据，并且共同分析所述数据以计算运动链，并且将所分析的数据传输到机器的与所述系统相连接的电子控制装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主IMU具有传输装置，所述传输装置被配置来从所述至少一个从IMU接收所述数据和/或将所分析的数据传输到所述机器的所述电子控制装置。
3.如权利要求1或2中一项所述的系统，其特征在于，所述至少一个从IMU(1、2、3、4)具有处理单元，所述处理单元被配置来执行所记录的数据的预处理。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主IMU(5)将位置数据从所述至少一个从IMU(1、2、3、4)传输到所述至少一个从IMU。
5.如前述权利要求中一项所述的系统，其特征在于，至少一个角度传感器(6、7)，所述至少一个角度传感器确定所述运动链的两个链节之间的角度。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，角度传感器布置在所述运动链的末端处并且形成为区段传感器。
7.如前述权利要求中一项所述的系统，其特征在于，提供若干从IMU(1、2、3、4)，并且所述主IMU被配置来依据所共同分析的数据计算所述单独的从IMU(1、2、3、4)之间和/或所述主IMU(5)与所述单独的从IMU(1、2、3、4)之间的中间角度，或所述单独的从IMU(1、2、3、4、5)相对于参考的绝对角度。
8.如前述权利要求中一项所述的系统，其特征在于，所述IMU(1、2、3、4、5)布置在挖掘机(10)上。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主IMU(5)布置在所述挖掘机(10)的上托架(12)上。
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