CN118103667A - 用于监测机器的传感器设备和传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器设备(12)，其包括：陀螺仪传感器单元(20)和/或加速度传感器单元(22)，以及用于通过无线电信号进行数据传输的无线电接口(18)，以及用于监测机器(1)的传感器系统(10)，其包括多个这样的传感器设备(12)。根据本发明的传感器设备包括距离确定单元(26)，所述距离确定单元(26)被配置为分析接收到的无线电信号(FS)并且基于所述无线电信号(FS)来确定到从其发送接收到的无线电信号(FS)的天线设备(7)的天线距离(AA)。所确定的天线距离(AA)提供关于传感器设备(12)的空间位置的附加信息，而不需要附加传感器。这允许相对简单且可靠地监测机器运动。

Description

用于监测机器的传感器设备和传感器系统

技术领域

本发明涉及一种传感器设备，包括：陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元，以及用于经由无线电信号进行数据传输的无线电接口。本发明还涉及一种用于监测机器，特别是诸如挖掘机、起重机或推土机的建筑机器的传感器系统，其中传感器系统包括多个这样的传感器设备。

背景技术

具有陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的传感器设备也被称为例如角速率传感器、陀螺仪仪器、加速度计、加速度换能器、加速度计、振动换能器、振荡换能器、G传感器、B计或惯性测量单元。

这种传感器设备和具有这种传感器设备的传感器系统通常用于监测机器运动。在这种情况下，传感器系统的单独(individual)传感器设备通常布置在机器的可以相对于彼此移动的不同部分上。

在本上下文中，术语无线电接口是指允许无线数据传输的所有接口。典型的无线电接口例如是RFID接口、WLAN接口、移动无线电接口、蓝牙接口或IrDA接口。

从US2018/0372498 A1中，已知一种用于监测挖掘机的运动的传感器系统。传感器系统包括多个惯性测量单元，这些惯性测量单元布置在挖掘机的可以相对于彼此移动的部分上。使用复杂评估算法来融合多个传感器设备的传感器数据，以用于确定挖掘机和挖掘机的单独部分(特别是铲斗)的空间位置。为了提高传感器系统的精度，优选地使用其他类型的传感器设备，诸如GPS设备、雷达设备或相机。

在这种背景下，任务是允许相对简单且可靠地监测机器运动。

该任务通过具有权利要求1的特征的传感器设备来解决。

发明内容

根据本发明，传感器设备设置有距离确定单元，该距离确定单元被配置为分析接收到的无线电信号并且基于无线电信号确定到从其发送接收到的无线电信号的天线设备的天线距离。例如，可以分析无线电信号传播延迟和/或无线电信号幅度以用于距离确定。所确定的天线距离提供关于传感器设备的空间位置的附加信息，而不需要附加传感器。

特别是当在传感器系统中使用根据本发明的若干传感器设备时，附加位置信息允许相对简单且同时精确地确定单独机器部分相对于彼此的空间位置，并且因此允许相对简单且可靠地监测机器。附加位置信息还允许校正陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的测量数据，由此可以特别精确地确定单独传感器设备的空间定向，从而可以特别精确地确定相应机器部分的空间定向。

优选地，无线电数据接口是5G移动无线电接口，其一方面允许由于5G无线电信号的特性而相对精确地确定天线距离，并且另一方面允许传感器设备的直接、相对高带宽的互联网连接，而不必在传感器设备附近提供附加的无线电基站。

开头提到的技术任务还通过一种用于监测机器的传感器系统来解决，该传感器系统包括如前所述的根据本发明的多个传感器设备。

根据本发明，传感器系统包括位置确定单元，陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的测量数据和至少两个传感器设备的天线距离被提供给该位置确定单元，并且该位置确定单元被配置为基于所提供的陀螺仪传感器单元测量数据和/或加速度传感器单元测量数据和所提供的天线距离来确定至少两个传感器设备的位置数据，其中，所确定的位置数据指示至少两个传感器设备相对于彼此的空间位置。陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的测量数据通常指示相应传感器设备的空间定向。基于传感器设备的相应空间定向和传感器设备的相应天线距离，可以主要经由几何关系来确定位置数据。位置数据至少指示相应传感器设备之间的距离。优选地，位置数据指示相应传感器设备的相对3D坐标，意味着机器参考系中的3D坐标。如果传感器设备中的一个已知绝对3D坐标，即地球参考系中的3D坐标，则位置确定单元或随后的数据处理单元可以容易地将相对3D坐标转换为绝对3D坐标。不需要额外的传感器设备来确定位置数据，使得根据本发明的传感器系统允许相对简单且可靠地监测机器运动。

优选地，传感器系统包括至少一个传感器设备校准单元，其被配置为基于至少两个传感器设备的天线距离来执行至少一个传感器设备的陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的校准。如果两个传感器设备之间的距离和两个传感器设备的天线距离是已知的，则可以使用几何关系来确定两个传感器设备的空间定向。然后可以校准相应传感器设备的陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元，使得由陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的测量数据指示的空间位置与从距离确定的空间位置匹配。为了确保两个传感器设备之间的距离是已知的，例如，可以设置预定义的机器状态。可替代地，两个传感器设备之间的距离也可以经由一个或多个附加传感器设备来检测。传感器系统可以包括单个中央传感器设备校准单元，其可以例如被布置在中央数据处理设备中，并且其被配置为执行若干传感器设备、优选地所有传感器设备的校准。可替代地，还可以想到，每个传感器设备设置有独立的(separate)传感器设备校准单元，至少一个其他传感器设备的天线距离以及到至少一个其他传感器设备的距离被提供给该独立的传感器设备校准单元，并且该独立的传感器设备校准单元被配置为仅执行相应传感器设备本身的校准。传感器设备校准单元允许提供特别准确和可靠的测量数据，并且因此允许经由根据本发明的传感器设备特别可靠地监测机器。

有利地，传感器系统包括至少一个离心力补偿单元，其被配置为：基于至少一个传感器设备的位置数据，确定到待监测的机器的旋转轴的旋转轴距离，基于旋转轴距离和相应传感器设备的陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的测量数据，估计作用在相应传感器设备上的离心力，相应传感器设备的陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的测量数据的校正。特别地，离心力补偿单元被配置为校正陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元的测量数据，使得补偿由离心力的作用在陀螺仪传感器单元和/或加速度传感器单元中引起的测量误差。为了允许简单且可靠地确定旋转轴线距离，优选地，传感器设备中的一个被设计成安装在距机器旋转轴线的固定距离处，使得距旋转轴线的距离可以直接从距该传感器设备的距离导出。特别优选地，一个传感器设备被设计成直接安装在机器旋转轴线处，使得到该传感器设备的距离基本上与到机器旋转轴线的距离相同。传感器系统可以包括单个中央离心力补偿单元，该中央离心力补偿单元可以例如布置在中央数据处理设备中，并且被配置为执行若干传感器设备、优选地所有传感器设备的测量数据的校正。可替代地，还可以想到，每个传感器设备设置有独立的离心力补偿单元，该离心力补偿单元被配置为仅执行相应传感器设备本身的校准。离心力补偿单元允许提供特别准确和可靠的测量数据，并且因此允许经由根据本发明的传感器设备特别可靠地监测机器。

附图说明

下面参考附图描述具有根据本发明的多个传感器设备的根据本发明的传感器系统的实施例，其中

图1示意性地示出了根据本发明的传感器系统，其具有布置在挖掘机上的多个根据本发明的传感器设备和移动无线电天线设备，

图2示出了图1的传感器系统和移动无线电天线设备的示意性俯视图，其中，尤其指示了传感器系统的单独传感器设备与移动无线电天线设备之间的天线距离、传感器系统的单独传感器设备之间的传感器设备距离以及传感器设备与机器旋转轴之间的旋转轴距离，

图3示意性地示出了来自图1的传感器设备的结构，以及

图4示意性地示出了来自图1的传感器系统的中央数据处理单元的结构。

具体实施方式

图1示出了挖掘机1，其具有底盘2、支撑在底盘上使得其可以围绕旋转轴线D旋转的上托架3、可枢转地附接到上托架3的吊杆4、可枢转地附接到吊杆4的铲斗5和可枢转地附接到斗杆5的铲斗6。

图1还示出了天线设备7，其在本实施例中是5G移动无线电天线设备，这意味着它被配置为根据5G标准发送和接收移动无线电信号FS。

根据本发明的传感器系统10布置在挖掘机1上，用于检测挖掘机1以及挖掘机1的单独部分2-6的空间位置和定向。

在本实施例中，传感器系统10包括经由数据传输网络14互连的四个传感器设备12_1-12_4。第一传感器设备12_1布置在上托架3上，第二传感器设备12_2布置在吊杆4上，第三传感器设备12_3布置在斗杆5上，并且第四传感器设备12_4布置在铲斗6上。在本实施例中，第一传感器设备12_1直接布置在旋转轴D处。

图2示意性地示出了挖掘机1的俯视图，其中吊杆4完全延伸并且斗杆5完全延伸。图2还示意性地示出了单独传感器设备12_1-12_4与天线设备7之间的天线距离AA_1-AA_4、相邻传感器设备12_1-12_4之间的传感器设备距离SA_12、SA_23、SA_34、以及示例性地第四传感器设备12_4与旋转轴D之间的旋转轴距离DA_4。

图3示意性地示出了传感器设备12_1-12_4的结构。由于本实施例中的传感器设备12_1-12_4具有基本相同的结构，因此为了简化起见，在图3和以下描述中使用通用附图标记(表示没有索引1-5的附图标记)，只要它们涉及所有传感器设备12_1-12_4或传感器设备12_1-12_4中的任意一个。

每个传感器设备12包括用于连接到数据传输网络14的有线接口16和用于经由无线电信号FS进行数据传输的无线电接口18。在本实施例中，无线电接口18是5G移动无线电接口，这意味着它被配置为根据5G标准发送和接收移动无线电信号。

在本实施例中，每个传感器设备12还包括三轴陀螺仪传感器单元20和三轴加速度传感器单元22，三轴陀螺仪传感器单元20被配置为检测沿三个空间轴的旋转速度并提供相应的陀螺仪传感器单元测量数据，三轴加速度传感器单元22被配置为检测沿三个空间轴的加速度并提供相应的加速度传感器单元测量数据。

每个传感器设备12还包括计算单元24，计算单元24连接到陀螺仪传感器单元20和加速度传感器单元22，并且计算单元24被配置为处理陀螺仪传感器单元测量数据和加速度传感器单元测量数据。计算单元24包括距离确定单元26，距离确定单元26被配置为分析从天线设备7接收的无线电信号FS并且基于无线电信号FS确定从相应传感器设备12到天线设备7的天线距离AA。

在本实施例中，传感器系统10还包括布置在上托架3上的中央数据处理单元28。中央数据处理单元28经由数据传输网络14连接到所有传感器设备12，并且可以访问陀螺仪传感器单元20的陀螺仪传感器单元测量数据、加速度传感器单元22的加速度传感器单元测量数据和由距离确定单元26确定的每个单独传感器设备12的天线距离AA。

中央数据处理单元28包括位置确定单元30，位置确定单元30被配置为基于由传感器设备12提供的测量数据和天线距离AA来确定每个单独传感器设备12的单独位置数据，每个单独位置数据指示传感器设备相对于彼此的空间位置。位置确定单元30还被配置为向单独传感器设备12提供位置数据。

在本实施例中，单独位置数据尤其包括相应传感器设备12到相应其他传感器设备12的传感器设备距离SA。可以使用几何关系以简单的方式根据两个传感器设备12的天线距离AA和两个传感器设备的测量数据来确定任何两个传感器设备12之间的传感器设备距离SA。例如，图2中所示的传感器设备距离SA_12可以如下确定：

其中，角度α_12和β_12可以从第一传感器设备12_1的测量数据和第二传感器设备12_2的测量数据导出。类似地，可以基于相应传感器设备12的天线距离AA和可以从相应传感器设备12的测量数据导出的角度α和β来确定两个传感器设备12之间的所有其他传感器设备距离SA。

优选地，位置数据还包括相应传感器设备12的相对3D坐标，其表示相对于机器参考系的坐标，和/或绝对3D坐标，其表示相对于地球参考系的坐标。

中央数据处理单元28还包括传感器设备校准单元32，传感器设备校准单元32被配置为基于传感器设备12的天线距离AA来执行传感器设备12中的一个或多个的陀螺仪传感器单元20和/或加速度传感器单元22的校准。在两个传感器设备12之间的传感器设备距离SA是已知的情况下，例如当设定了限定的挖掘机状态时，图2中所示的角度α_12和β_12例如可以根据天线距离AA_1、天线距离AA_2和传感器设备距离SA_12确定如下：

基于所确定的角度α_12和β_12，第一传感器设备12_1和第二传感器设备12_2的陀螺仪传感器单元20和/或加速度传感器单元22可以各自被校准，使得可以从两个传感器设备12的测量数据导出的角度α_12和β_12与基于天线距离AA和传感器设备距离SA确定的角度α_12和β_12匹配。类似地，还可以基于相应的天线距离AA和相应传感器设备距离SA来校准所有其他传感器设备12的陀螺仪传感器单元20和/或加速度传感器单元22。

中央数据处理单元28还包括离心力补偿单元34，离心力补偿单元34被配置为基于由位置确定单元30确定的位置数据来确定单独传感器设备12距旋转轴D的旋转轴距离DA。由于在本实施例中第一传感器设备12_1直接布置在旋转轴D处，因此第一传感器设备12_1的旋转轴距离DA_1为零，并且其余传感器设备12_2、12_4的旋转轴距离DA_2-DA_4各自基本上等于相应传感器设备12和第一传感器设备12_1之间的传感器设备距离SA。离心力补偿单元34还被配置为基于所确定的旋转轴距离DA和单独传感器设备12的测量数据来确定在围绕旋转轴D旋转期间作用在单独传感器设备12上的离心力，并且基于所确定的离心力来执行单独传感器设备12的陀螺仪传感器单元测量数据和/或加速度传感器单元测量数据的校正。

明确注意，本实施例中提供的中央数据处理单元28的功能也可以全部或部分地由一个或更多个传感器设备12的计算单元24执行。特别地，位置确定单元30、传感器设备校准单元32和/或离心力补偿单元34也可以包括在传感器设备12中的一个的计算单元24中。此外，还可以想到，存在若干分散位置确定单元、传感器设备校准单元和/或离心力补偿单元，其仅对一些传感器设备12执行相应的功能。例如，每个传感器设备12可以具有独立的位置确定单元、传感器设备校准单元和/或离心力补偿单元，其仅对相应传感器设备12本身执行相应的功能。

此外，明确指出的是，根据本发明的传感器系统通常可以用于监测任何种类的机器。特别地，根据本发明的传感器系统还可以用于监测其他建筑机械，例如用于监测起重机或推土机。

附图标记列表

1挖掘机

2底盘

3上托架

4吊杆

5斗杆

6铲斗

7天线设备

10传感器系统

12传感器设备

14数据传输网络

16有线接口

18无线电接口

20陀螺仪传感器单元

22加速度传感器单元

24计算单元

26距离确定单元

28中央数据处理单元

30位置确定单元

32传感器设备校准单元

34离心力补偿设备

AA天线距离

D旋转轴

DA 旋转轴距离

FS 无线电信号

SA 传感器设备距离

Claims (5)

1.传感器设备(12)，包括：

-陀螺仪传感器单元(20)和/或加速度传感器单元(22)，以及

-用于经由无线电信号进行数据传输的无线电接口(18)，

其特征在于

提供了距离确定单元(26)，所述距离确定单元(26)被配置为分析接收到的无线电信号(FS)并且基于无线电信号(FS)确定到从其发送接收到的无线电信号(FS)的天线设备(7)的天线距离(AA)。

2.根据权利要求1所述的传感器设备(12)，其中，所述无线电数据接口(18)是5G移动无线电接口。

3.一种用于监测机器(1)的传感器系统(10)，包括：

-多个根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备(12)，以及

-位置确定单元(30)，所述陀螺仪传感器单元(20)和/或所述加速度传感器单元(22)的测量数据和所述传感器设备(12)中的至少两个的天线距离(AA)被提供给所述位置确定单元(30)，并且所述位置确定单元(30)被配置为基于所提供的测量数据和天线距离(AA)来确定所述至少两个传感器设备(12)的位置数据，所述位置数据指示所述至少两个传感器设备(12)相对于彼此的空间位置。

4.根据权利要求3所述的传感器系统(10)，还包括传感器设备校准单元(32)，所述传感器设备校准单元(32)被配置为基于所述传感器设备(12)中的至少两个传感器设备的天线距离(AA)来执行所述传感器设备(12)中的至少一个传感器设备的陀螺仪传感器单元(20)和/或加速度传感器单元(22)的校准。

5.根据权利要求3或4所述的传感器系统(10)，还包括离心力补偿单元(34)，所述离心力补偿单元(34)被配置为：

-基于至少一个传感器设备(12)的位置数据，确定到待监测的机器(1)的旋转轴线(D)的旋转轴线距离(DA)，

-基于所确定的旋转轴距离(DA)以及相应传感器设备(12)的陀螺仪传感器单元(20)和/或加速度传感器单元(22)的测量数据，估计作用在相应传感器设备(12)上的离心力，以及

-基于所估计的离心力，执行对相应传感器设备(12)的陀螺仪传感器单元(20)和/或加速度传感器单元(22)的测量数据的校正。