DE10158392A1

DE10158392A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Position und Ausrichtung einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE10158392A1
Application number: DE10158392A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey S Alig; James J Kalafut
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2002-08-01
Also published as: JP2002235341A; US6418364B1; US20020072840A1

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung einer Position und Ausrichtung einer Arbeitsmaschine mit einem steuerbar daran angebrachten Arbeitswerkzeug wird offenbart. Das Verfahren weist die Schritte auf, die Arbeitsmaschine an einer erwünschten Arbeitsstelle zu positionieren, eine anfängliche Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine in Geländekoordinaten zu bestimmen, eine Position des Arbeitswerkzeuges relativ zur Arbeitsmaschine zu bestimmen, das Arbeitswerkzeug an einem erwünschten Referenzpunkt zu positionieren, die Position des Arbeitswerkzeuges an den Referenzpunkt in Geländekoordinaten zu bestimmen, periodisch das Arbeitswerkzeug am Referenzpunkt während der Arbeitsvorgänge zu positionieren und eine neue Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine als Funktion der Position des Arbeitswerkzeuges relativ zur Arbeitsmaschine zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Position und einer Ausrichtung einer Arbeitsmaschine an einer Ar beitsstelle und insbesondere auf ein Verfahren zum periodischen Überprüfen der Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine durch Vergleich mit einem bekannten Referenzpunkt.

Technischer Hintergrund

Arbeitsvorgänge, die die Anwendung von Arbeitsmaschinen erfordern, bei spielsweise Erdbearbeitungsvorgänge, die Erdbearbeitungsmaschinen erfor dern, müssen mit einem gewissen Grad von Genauigkeit ausgeführt werden. Jedoch machen es die erforderliche Leistung zur Ausführung der Arbeit und die innewohnende Härte der Arbeitsumgebung oft schwierig, Genauigkeit zu erreichen. Es ist beispielsweise oft erwünscht, Gräben usw. unter Verwen dung einer Arbeitsmaschine wie beispielsweise eines Baggerladers zu gra ben. Der Baggerlader muß oft bewegt werden, wenn der Graben erzeugt wird. Wenn die Ausrichtung des Baggerladers sich während des Aushebens verschiebt, wie es oft der Fall beim Graben ist, muß der Bediener vorsichtig sein, nicht von dem beabsichtigten Kurs abzuweichen und den Graben ent lang der falschen Eingrenzungen zu graben.

Weiterhin werden Arbeitsmaschinen immer weiter abhängig von Fortschritten der Technologie. Beispielsweise werden elektrohydraulische Arbeitsmaschi nen, wie der oben dargestellte Baggerlader immer weiter viele der Arbeits funktionen automatisieren, die typischerweise durch ausgebildete Bediener ausgeführt wurden. Als ein Beispiel können Positions- und Ausrichtungsbe stimmungssysteme verwendet werden, um eine Arbeitsmaschine entlang eines vorgesehenen Pfades zu führen. Jedoch kann die Härte der Arbeits umgebung, beispielsweise Steine, Ton und andere Behinderungen im Erd boden die Arbeitsmaschine von ihrer bestimmten Ausrichtung wegverschie ben, beispielsweise während des Aushebens von Gräben. Wenn daher die Arbeitsmaschine sich bewegt, um der Grabenlinie zu folgen, die erzeugt wird, kann die Arbeitsmaschine von ihrem beabsichtigten Kurs abweichen, was somit Fehler beim Aushubvorgang einleitet.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Position und einer Ausrichtung einer Arbeitsmaschine mit einem steuerbar angebrachten Arbeitswerkzeug offenbart. Das Verfahren weist die Schritte auf, die Arbeitsmaschine an einer erwünschten Arbeitsstel le zu positionieren, eine Anfangsposition und Anfangsausrichtung der Ar beitsmaschine in Geländekoordinaten zu bestimmen, eine Position des Ar beitswerkzeuges relativ zur Arbeitsmaschine zu bestimmen, das Arbeits werkzeug an einem erwünschten Referenzpunkt zu positionieren, die Positi on des Arbeitswerkzeuges an dem Referenzpunkt in Geländekoordinaten zu bestimmen, periodisch das Arbeitswerkzeug am Referenzpunkt während der Arbeitsvorgänge zu positionieren, und eine neue Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine als eine Funktion der Position des Arbeitswerkzeuges relativ zur Arbeitsmaschine zu bestimmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsmaschine an einer Arbeitsstelle;

Fig. 2 ist eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsmaschine, die entlang einer Arbeitsstelle fährt;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren der vor liegenden Erfindung veranschaulicht.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere mit Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Arbeitsmaschine 102 an einer Arbeitsstelle 106 gezeigt. Vorzugs weise hat die Arbeitsmaschine 102 ein Arbeitswerkzeug 104, das steuerbar daran angebracht ist.

Die Arbeitsmaschine 102 in Fig. 1 ist als Erdbearbeitungsmaschine 110 gezeigt, in diesem Beispiel als Baggerlader. Jedoch können andere Arten von Arbeitsmaschinen bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, beispielsweise Bagger, Frontschaufellader, Grabenfräsen bzw. Grabenzieh maschinen (Trenchers) usw.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitswerkzeug 104 eine Schaufel 116. Jedoch können andere Arten von Arbeitswerkzeugen, bei spielsweise Schilde, Bohrwerkzeuge, Reißwerkzeuge usw. genauso verwen det werden. Vorzugsweise ist die Schaufel 116 an der Arbeitsmaschine 102 durch mindestens eine Verbindung bzw. ein Gelenk angebracht, beispiels weise einen Ausleger 112 und einen Vorderausleger 114, wie es gewöhnli cherweise bei Erdbearbeitungsmaschinen der in Fig. 1 abgebildeten Bauart angewandt wird.

Ein Referenzpunkt 108, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird verwendet, um eine Referenz für eine Position und eine Ausrichtung der Arbeitsmaschine 102 vorzusehen, wie genauer unten besprochen wird. Im bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel ist der Referenzpunkt 108 ein Punkt, der leicht von einem Be diener der Arbeitsmaschine 102 zu erkennen ist, der wahrscheinlich nicht von seiner gegenwärtigen Position an der Arbeitsstelle 106 wegbewegt wird, und der leicht vom Bediener in periodischen Intervallen als Bezug genom men werden kann. Beispiele von geeigneten Referenzpunkten sind bei spielsweise folgende, sind jedoch nicht auf diese beschränkt: Steine, Flag gen, Markierungsmittel, Bäume usw.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine Steu ervorrichtung 302, die vorzugsweise an der Arbeitsmaschine 102 gelegen ist, ist geeignet, um Informationen von verschiedenen Sensoren und Systemen aufzunehmen, und darauf ansprechend eine Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine 102 zu bestimmen.

Ein Maschinenpositionsbestimmungssystem 304, das an der Arbeitsmaschi ne 102 gelegen ist, ist geeignet, um die Position der Arbeitsmaschine 102 zu bestimmen, vorzugsweise in Geländekoordinaten, d. h. mit Bezugnahme auf ein Koordinatensystem bezüglich der Arbeitsstelle 106. Ein geeignetes Bei spiel eines Koordinatensystems ist ein kartesisches Koordinatensystem mit xyz-Koordinaten. Jedoch können andere Arten von Koordinatensystemen, beispielsweise Breite und Länge mit Bezug auf einen festgelegten Punkt, Polarkoordinaten und ähnliches genauso verwendet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Maschinenpositionsbestimmungssystem 304 ein globales Positionsbestimmungssatellitensystem (GPS) auf. Jedoch kön nen andere Arten von Positionsbestimmungssystemen verwendet werden, beispielsweise Laserreferenzsysteme, Leergangserkennungssysteme (dead reckoning) usw.

Mit Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein Beispiel einer Technik zur Bestimmung einer Anfangsposition und Anfangsausrichtung einer Arbeitsmaschine 102 gezeigt. Die Technik erfordert eine Vielzahl von Positionsbestimmungen der Arbeitsmaschine 102, beispielsweise an einer Position A und einer Position B. Die Position der Arbeitsmaschine 102 an jeder Position wird bestimmt. Aus der Vielzahl von Positionsbestimmungen wird eine Linie 202 bestimmt, die eine Laufrichtung anzeigt. Die Linie 202 bietet eine Anzeige einer an fänglichen Ausrichtung der Arbeitsmaschine 102. Es sei bemerkt, daß ob wohl nur zwei Positionen A und B gezeigt sind, die Vielzahl der Positionen irgend eine erwünschte Zahl sein kann, um die anfängliche Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine 102 zu bestimmen, wenn sich die Arbeits maschine 102 der erwünschten Arbeitsstelle 106 nähert.

Die Bestimmung der anfänglichen Ausrichtung muß vorgenommen werden, wenn die Arbeitsmaschine 102 zur erwünschten Arbeitsstelle 106 fährt. Die Ausrichtung kann nicht durch dieses Verfahren erreicht werden, wenn sich die Arbeitsmaschine 102 nicht bewegt, beispielsweise wenn die Arbeitsma schine 102 stoppt und positioniert wird, um Arbeitsvorgänge auszuführen. Ein System, um die Bestimmung der Ausrichtung zu gestatten, wenn eine Arbeitsmaschine 102 sich nicht bewegt, würde kompliziertere und somit teu rere Sensoren und Systeme erfordern. Beispielsweise würde die Anwendung von zwei GPS-Antennen die Bestimmung der Ausrichtung gestatten, wenn sich die Arbeitsmaschine 102 nicht bewegt, wäre jedoch teurer. Die vorlie gende Erfindung ist daher wie genauer unten beschrieben vorteilhaft bei Ar beitsmaschinen, die ein Maschinenpositionsbestimmungssystem 304 der oben beschriebenen Bauart verwenden.

Ein Neigungssensor 306, der an der Arbeitsmaschine 102 gelegen ist, wird verwendet, um einen Neigungswinkel der Arbeitsmaschine 102 zu bestim men, beispielsweise die Längsneigung (Neigung von vorne nach hinten) und die Rollneigung (Neigung von Seite zu Seite). Der Neigungssensor 306 ist vorzugsweise von einer Bauart, die in der Technik wohlbekannt ist, wie bei spielsweise ein Gyroskop.

Ein Werkzeugpositionsbestimmungssystem 308, das an der Arbeitsmaschi ne 102 gelegen ist, ist geeignet, um die Position des Arbeitswerkzeuges 104 relativ zur Arbeitsmaschine 102 zu bestimmen. Beispielsweise können der Ausleger 112, der Vorderausleger 114 und die Schaufel 116 der Fig. 1 eine Vielzahl von Winkelsensoren haben, wobei mindestens einer an jedem Ver bindungsgelenk gelegen ist, um eine Winkelposition von jeder Verbindung mit Bezug auf jede benachbarte Verbindung abzufühlen. Beispielsweise kann der Winkel des Auslegers 112 mit Bezug auf die Arbeitsmaschine 102 abgefühlt werden, der Winkel des Vorderauslegers 114 mit Bezug auf den Ausleger 112 kann abgefühlt werden, und der Winkel der Schaufel 116 mit Bezug auf den Vorderausleger 114 kann abgefühlt werden. Diese abgefühl ten Winkel werden dann zur Steuervorrichtung 302 geliefert, um die Position der Schaufel 116 mit Bezug auf einen bekannten festen Punkt an der Ar beitsmaschine 102 zu bestimmen. Die oben beschriebene Technik zur Be stimmung der Position eines Arbeitswerkzeuges 104 mit Bezug auf eine Ar beitsmaschine 102 ist in der Technik wohlbekannt und wird nicht weiter be sprochen.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein Flußdiagramm gezeigt, das ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

In einem ersten Steuerblock 402 ist die Arbeitsmaschine 102 an der er wünschten Arbeitsstelle 106 positioniert. Beispielsweise wird eine Erdbear beitungsmaschine 110, wie beispielsweise der in Fig. 1 abgebildete Bagger lader, zur Arbeitsstelle 106 gefahren und wird dort positioniert, um Grabvor gänge auszuführen. Typischerweise wird eine Erdbearbeitungsmaschine 110 zum Graben vorbereitet, in dem die Erdbearbeitungsmaschine 110 unter Verwendung von (nicht gezeigten) Stabilisierungsmitteln stabilisiert wird, die dabei helfen, die Erdbearbeitungsmaschine 110 an einer festen Position zu halten, wenn der Grabvorgang stattfindet. Jedoch tendiert die Belastung, die auf dem Arbeitswerkzeug 104 aufgebracht wird, dazu, die Erdbearbeitungs maschine 110 um ihre Position herum zu verschieben, was somit eine Not wendigkeit für die vorliegende Erfindung erzeugt, wie unten besprochen.

In einem zweiten Steuerblock 404 wird die Anfangsposition und Anfangs ausrichtung der Arbeitsmaschine 102 bestimmt, vorzugsweise durch ein Verfahren, das mit dem vergleichbar ist, das oben mit Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.

In einem dritten Steuerblock 406 wird die Position des Arbeitswerkzeuges 104 relativ zur Arbeitsmaschine 102 bestimmt. Vorzugsweise wird die Positi on des Arbeitswerkzeuges 104 durch ein Verfahren bestimmt, das genauso oder ähnlich wie die oben beschriebene Anwendung des Werkzeugpositi onsbestimmungssystems 308 ist. Alternativ kann die Anwendung von (nicht gezeigten) Zylinderpositionssensoren zur Abfühlung der Position einer Viel zahl von Hydraulikzylindern 118a, b, c verwendet werden, wobei die Hydrau likzylinder 118a, b, c verwendet werden, um die Positionen des Auslegers 112, des Vorderauslegers 114 und der Schaufel 116 zu steuern. Die Anwen dung von Zylinderpositionssensoren zur Abfühlung der Position von Hydrau likzylindern ist in der Technik wohlbekannt und wird nicht weiter besprochen.

In einem vierten Steuerblock 408 wird das Arbeitswerkzeug 104 an dem er wünschten Referenzpunkt 108 positioniert, vorzugsweise durch den Bedie ner der Arbeitsmaschine 102, der das Arbeitswerkzeug 104 zu dem Refe renzpunkt 108 bewegt, bis das Arbeitswerkzeug 104 den Referenzpunkt 108 berührt.

Die Position des Arbeitswerkzeuges 104 in Geländekoordinaten am Refe renzpunkt 108 wird dann in einem fünften Steuerblock 410 bestimmt. Die Geländekoordinaten des Referenzpunktes 108 werden dann ein Kalibrie rungs- bzw. Einstellpunkt zur zukünftigen Anwendung, da der Referenzpunkt 108 fest ist, und sich die Geländekoordinaten des Referenzpunktes 108 nicht verändern.

In einem sechsten Steuerblock 412 wird das Arbeitswerkzeug 104 periodisch am Referenzpunkt 108 während der Arbeitsvorgänge positioniert, und eine neue Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine 102 wird in einem sieb ten Steuerblock bestimmt, und zwar als eine Funktion der Position des Ar beitswerkzeuges 104 relativ zur Arbeitsmaschine 102. Alternativ kann die neue Position der Arbeitsmaschine 102 durch das Maschinenpositionsbe stimmungssystem 304 bestimmt werden, und die neue Ausrichtung der Ar beitsmaschine 102 kann als eine Funktion der Position des Arbeitswerkzeu ges 104 relativ zur Arbeitsmaschine 102 bestimmt werden. In einem Ausfüh rungsbeispiel wird das Arbeitswerkzeug 104 an dem Referenzpunkt 108 an sprechend darauf positioniert, daß sich die Arbeitsmaschine 102 in bekann ter Weise von der anfänglichen Position und Ausrichtung beispielsweise durch eine Verschiebung während eines schwer belasteten Arbeitszyklusses wegbewegt. In einem anderen Ausführungsbeispiel positioniert der Bediener der Arbeitsmaschine 102 periodisch das Arbeitswerkzeug 104 am Referenz punkt 108, um die Position und Ausrichtung der Arbeitsmaschine 102 als Routineteil des Arbeitsvorgangs zu kalibrieren. In noch einem weiteren Aus führungsbeispiel wird das Arbeitswerkzeug 104 am Referenzpunkt 108 zur Kalibrierung der Position und Ausrichtung positioniert, bevor die Arbeitsma schine 102 sich von ihrer festgelegten Position zu einer nächsten Arbeits position bewegt. Eine Kombination der obigen Ausführungsbeispiele kann zur Anwendung bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung bei der Anwendung wird ein Baggerlader üblicherweise verwendet, um Gräben und Löcher zu verschie denen Zwecken zu graben. Ein Baggerlader ist eine relativ leichtgewichtige Maschine und ist somit einer Verschiebung um ihre Anfangsposition und Anfangsausrichtung unterworfen, wenn die Schaufel des Laders auf schwere Lasten trifft, wie beispielsweise auf Felsbrocken, Tonablagerungen, Baum wurzeln usw.

Bei modernen elektrohydraulischen Systemen, die von einer steigenden An zahl von Baggerladern verwendet werden, ist es erwünscht, einige der Merkmale zu automatisieren, die zuvor von ausgebildeten Bedienern ausge führt wurden, obwohl manchmal mit einigen Schwierigkeiten. Wenn man bei spielsweise einen Graben gräbt, wird der Baggerlader an einer ersten Positi on und einer ersten Ausrichtung stabilisiert und wird dann geringfügig be wegt, wenn der Grabvorgang voranschreitet. Das Automatisieren dieses Prozesses unter Verwendung einer modernen Positionsbestimmungstechno logie hilft dabei, die Grabvorgänge entlang eines erwünschten Pfades beizu behalten. Wenn jedoch die Ausrichtung des Baggerladers aufgrund von un erwünschten Verschiebungen der Position verändert wird, tendiert die Be wegung des Baggerladers dazu, vom Kurs abzuweichen. Bei der vorliegen den Erfindung jedoch werden unerwünschte Veränderungen der Position und der Ausrichtung durch eine periodische Kalibrierung berücksichtigt, und der Baggerlader bleibt auf dem erwünschten Pfad.

Andere Aspekte, Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung einer Position und einer Ausrichtung einer Arbeitsmaschine mit einem steuerbar daran angebrachten Arbeits werkzeug, das folgende Schritte aufweist:
Positionieren der Arbeitsmaschine an einer erwünschten Arbeitsstelle;
Bestimmung einer Anfangsposition und Anfangsausrichtung der Ar beitsmaschine in Geländekoordinaten;
Bestimmung einer Position des Arbeitswerkzeuges relativ zur Ar beitsmaschine;
Positionierung des Arbeitswerkzeuges an einem erwünschten Refe renzpunkt;
Bestimmung der Position des Arbeitswerkzeuges an dem Referenz punkt in Geländekoordinaten;
Periodisches Positionieren des Arbeitswerkzeuges an dem Referenz punkt während der Arbeitsvorgänge; und
Bestimmung einer neuen Position und Ausrichtung der Arbeitsma schine als Funktion der Position des Arbeitswerkzeuges relativ zur Ar beitsmaschine.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung der Anfangsposi tion und Anfangsausrichtung der Arbeitsmaschine folgende Schritte aufweist:
Bestimmung einer Vielzahl von Positionen der Arbeitsmaschine in Geländekoordinaten, wenn sich die Arbeitsmaschine der erwünschten Arbeitsstelle nähert; und
Bestimmung der Anfangsposition und Anfangsausrichtung der Ar beitsmaschine an der erwünschten Arbeitsstelle als eine Funktion der Vielzahl von bestimmten Positionen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung einer Position des Arbeitswerkzeuges relativ zur Arbeitsmaschine den Schritt aufweist, eine Winkelposition von mindestens einem Gelenk abzufühlen, das das Arbeitswerkzeug mit der Arbeitsmaschine verbindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Positionierung des Arbeits werkzeuges an einem erwünschten Referenzpunkt den Schritt auf weist, das Arbeitswerkzeug zu einem Punkt nahe der Arbeitsstelle zu bewegen, die eine Referenz in festen Geländekoordinaten bietet, wo bei der erwünschte Referenzpunkt geeignet ist, um während der Ar beitsvorgänge fest und zugänglich zu bleiben.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das periodische Positionieren des Arbeitswerkzeuges am Referenzpunkt den Schritt aufweist, das Ar beitswerkzeug an dem Referenzpunkt ansprechend darauf zu posi tionieren, daß sich die Arbeitsmaschine aus der anfänglichen Position und Ausrichtung wegbewegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das periodische Positionieren des Arbeitswerkzeuges am Referenzpunkt durch einen Bediener der Ar beitsmaschine ausgeführt wird, um periodisch die Position und Aus richtung der Arbeitsmaschine zu kalibrieren.

7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bestimmung einer anfängli chen Position und Ausrichtung weiter die Bestimmung eines Nei gungswinkels der Arbeitsmaschine aufweist.