DE102007051198B4

DE102007051198B4 - System und Verfahren zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes

Info

Publication number: DE102007051198B4
Application number: DE102007051198.3A
Authority: DE
Inventors: Mark Edward Nichols; Adam John Gudat; Richard Piekutowski
Original assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Current assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: JP2008164590A; US9746329B2; SE532113C2; CN101201631A; SE0702447L; DE102007051198A1; US20080109141A1; CN101201631B

Abstract

Ein System (200) zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes (104) bezüglich einer das Arbeitsgerät (104) tragenden Maschine (100), welches umfasst: ein Trägheitsnavigationssystem (310), welches ausgelegt ist, um eine erste Positionsinformation (402) auszugeben, welche eine Position des Arbeitsgeräts (104) repräsentiert; einen Steuerungsprozessor (311), der ausgelegt ist, um die erste Positionsinformation (402) mit einer Sollposition zu vergleichen (404) und ansprechend darauf ein Vergleichssignal zu erzeugen; eine Ventilsteuereinheit (202), welche ausgelegt ist, um das Arbeitsgerät (104) bezüglich der das Arbeitsgerät (104) tragenden Maschine (100), basierend auf dem Vergleichssignal einzustellen (406); eine Vielzahl von Messvorrichtungen, die mit dem Trägheitsnavigationssystem (310) gekoppelt sind, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine der Messvorrichtungen ausgelegt ist, um eine zweite Positionsinformation an das Trägheitsnavigationssystem (310) auszugeben; wobei das Trägheitsnavigationssystem (310) periodisch von der mindestens einen der Messvorrichtungen aktualisiert wird, um die erste Positionsinformation (402) basierend auf einer Fehlerabschätzung zu modifizieren, wobei die Fehlerabschätzung als eine Funktion der ersten Positionsinformation (402) und der zweiten Positionsinformation erzeugt wird.

Description

Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung von Positionsinformationen mit einem Trägheitsnavigationssystem.
Stand der Technik
Erdbewegungsmaschinen wie Bulldozer, Radlader, und andere Erdbewegungsgerätschaften können die Landschaft eines Baugeländes in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Plan verändern. Der vorbestimmte Plan kann bestimmte Ausmaße und Spezifikationen angeben, und die Erdbewegungsmaschinen können die Landschaft dementsprechend verändern. Der vorbestimmte Plan kann es notwendig machen, dass Arbeit durch die Erdbewegungsmaschinen erledigt wird, wie beispielsweise das Überdecken des Baugeländes mit einem bestimmten Material, der Aushub von Material aus dem Baugelände, oder das Formen des Bodens des Baugeländes zu einem vorbestimmten Profil. Die Maschinen können ein Arbeitsgerät aufweisen (z. B. eine Planierschaufel), um diese Tätigkeiten auszuführen.
Erdbewegungsmaschinen können Vorrichtungen beinhalten, um Bediener beim Ausführen von Arbeit auf dem Baugelände zu unterstützen. Eine solche Vorrichtung bezieht sich auf eine Positionierausrüstung, die eingerichtet ist, um in Abständen eine horizontale Position (oder Standort) und eine vertikale Position (oder Höhe) der Maschine bezüglich der Bodenoberfläche zu empfangen. Unter Verwendung der empfangenen Information kann die Maschine automatische Steuermittel (z. B. ein automatisches Arbeitsgerätesteuersystem) aufweisen, um das Arbeitsgerät auf eine bestimmte Höhe einzustellen. Beispielsweise kann das automatische Arbeitsgerätesteuersystem die Schaufel eines Bulldozers basierend auf einem Unterschied zwischen einer detektierten Höhe der Maschine (z. B. einer vertikalen Position) und einer Zielhöhe der Schaufel (z. B. einer erwünschten vertikalen Position, abhängig von dem vorbestimmten Plan) in eine Aufwärts- oder Abwärtsrichtung zu bewegen. Wenn der vorbestimmte Plan beispielsweise angibt, dass die Höhe des Bodens ein bestimmtes Level haben sollte, kann die Schaufel herunter bewegt werden, um den Boden bis auf dieses Level herab zu planieren, oder herauf, um den Boden bis zu diesem Level hoch mit Material zu bedecken.
Derzeit kann die Positionsinformation, wie beispielsweise die Höhe (oder die vertikale Position) der Schaufel durch den Einsatz mehrerer verschiedener Techniken detektiert werden. Eine solche Technik bezieht das Empfangen einer Positionsinformation von einem Satellitenpositionierungssystem, wie beispielsweise dem globalen Positionierungssystem (Global Positioning System, GPS), GLONASS oder allgemein von jedem globalen Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System, GNSS). Satellitenpositionierungssysteme umfassen eine Konstellation von Satelliten und benötigen einen Satellitenpositionsempfänger, der sich auf der Erdbewegungsmaschine befindet. Der Positionierungsempfänger kann Positionierung kann möglicherweise eine Positionsinformation in einer Häufigkeit von 0,1 bis 100 Hz empfangen und kann in der Praxis mit 10 Hz bis 20 Hz betrieben werden.
Eine weitere Positionierungsvorrichtung ist eine Robotik-Totalstation oder automatische Totalstation (ATS). Das ATS umfasst ein Instrument, welches aus der Entfernung die Position des Arbeitsgeräts bestimmt, und ein Signal zu einem auf der Arbeitsmaschine vorgesehenen Empfänger sendet, um die Position des Arbeitsgeräts einzustellen.
Das Instrument des ATS verwendet einen Servomotor, um eine Maschine zu verfolgen, und Winkelgeber, um Winkel in einer horizontalen Ebene relativ zur Bodenoberfläche (x- und y-Koordinaten) und einer Hochachse (z-Koordinate) relativ zur Bodenoberfläche zu messen. Das Instrument umfasst einen elektronischen Entfernungsmesser, der einen Laserstrahl sichtbaren oder infraroten Lichts auf ein Prisma oder eine reflektierende Oberfläche lenkt, die auf einer Maschine vorgesehen ist. Das Licht wird dann zurück auf das Instrument reflektiert, welches seinerseits die Entfernung zwischen der Maschine und dem Instrument berechnet. Unter Verwendung der bekannten Position des ATS, der gemessenen Winkel, und der gemessenen Entfernung, kann die Positionsinformation der Maschine bestimmt werden. Im Allgemeinen rastet ein ATS auf dem Ziel ein, wenn dieses sich auf dem Arbeitsgelände umher bewegt, und aktualisiert ständig die Positionsinformation der Maschine, was verwendet wird, um das Gerät, wenn nötig, nachzustellen. Gegenwärtige Instrumente können mit einer Häufigkeit von 6 Hz aktualisieren.
Eine andere Positionsvorrichtung ist ein Rotationslaser, der einen Laserstrahl mit einer Häufigkeit von beispielsweise 600 Umdrehungen pro Minute rotieren lässt, um eine optische Bezugsebene über der Oberfläche des Arbeitsgeländes zu bilden. Die optische Bezugsebene kann vertikal, horizontal, oder in einer bestimmten Neigung in einer oder zwei Richtungen bezüglich der Oberfläche des Arbeitsgeländes geneigt sein. Eine Photodetektorvorrichtung, welche typischerweise auf der Erdbewegungsmaschine angebracht ist, empfängt durch den Laser ausgestrahltes Licht, mit einer Häufigkeit von beispielsweise einmal alle 100 Millisekunden, und erzeugt darauf ansprechend ein Positionierungssignal. Ein Prozessor steuert dann die Höhe des Arbeitsgeräts basierend auf dem Positionierungssignal.
Eine weitere Positionierungsvorrichtung ist ein Fächerlaser, der einen oder mehrere fächerförmige Laserstrahlen rotiert, um es einem Empfänger zu ermöglichen, einen vertikalen Winkel oder Unterschied in der Erhebung über der Oberfläche des Arbeitsgeländes mit einer Rate von beispielsweise 3000 Umdrehungen pro Minute zu detektieren. Eine Photodetektorvorrichtung, welche typischerweise auf der Erdbewegungsmaschine angebracht ist, empfängt durch den Laser ausgestrahltes Licht, bei einer Häufigkeit von beispielsweise einmal alle 20 Millisekunden, und erzeugt darauf ansprechend ein Positionierungssignal. Ein Prozessor steuert dann die Höhe des Arbeitsgeräts basierend auf dem Positionierungssignal. Ein Beispiel eines Fächerlasers ist in der US Anmeldung Nr. US 2004/0125365 A1 beschrieben, welche unten genauer besprochen wird.
Eine andere Art einer Positionierungsvorrichtung ist ein Trägheitsnavigationssystem (inertial navigation system, INS), das die Positions- und Lageinformationen der Erdbewegungsmaschine mit einer Häufigkeit von beispielsweise mehr als 100 mal pro Sekunde bestimmt. Das INS kann eine Trägheitsmesseinheit (inertial measurement unit, IMU) beinhalten, die einen Satz Sensoren aufweist, die sechs (6) Freiheitsgrade messen – drei (3) lineare Freiheitsgrade (wie beispielsweise die x-, y-, und z-Koordinaten im Raum) und drei (3) Drehfreiheitsgrade wie Nicken, Gieren und Rollen (pitch, yaw, roll). Die linearen Freiheitsgrade bestimmen eine Position, und die Drehfreiheitsgrade bestimmen die Lage.
Die IMU umfasst typischerweise drei (3) lineare Beschleunigungsmesser zur Bestimmung der Position und drei Drehratengyroskope (rate gyroscopes) zur Bestimmung der Lage. Basierend auf den Messungen von Position und Lage kann eine Berechnungseinheit, wie beispielsweise ein analoger Schaltkreis oder ein Mikrocontroller, die Positions- und Lageinformation der Erdbewegungsmaschine bestimmen. Mathematisch kann die Positionsinformation schnell durch zweimaliges Integrieren einer Reihe von durch die Beschleunigungsmesser erhaltenen Beschleunigungswerten bestimmt werden, und die Lageinformation wird durch einmaliges Integrieren einer Reihe von durch die Drehratengyroskope erhaltene Drehratenmessergebnisse bestimmt.
Jeder Beschleunigungsmesser- und Drehratengyroskopmesswert beinhaltet typischerweise einen vergleichsweise geringen Rauschbetrag, welcher sich über das Integrieren aufsummiert. Die berechnete Positions- und Lageinformation ist daher nicht präzise, kann aber mit einem bekannten Grad der Abweichung bekannt sein. Das INS bestimmt jedoch die Position des Arbeitsgeräts und aktualisiert die derzeitige Position und Lage der Maschine basierend auf der Positions- und Lageinformation. Daher kann sich der Fehler in solch einer Information, auch als Abweichung („drift”) bezeichnet, im Lauf der Zeit zu einem inakzeptablen Betrag ansammeln, obwohl Lage- und Positionsinformation innerhalb einer akzeptablen Fehlerspanne ermittelt werden können. Auf einem Arbeitsgelände wird jedoch eine genaue Positionsinformation der Maschine über eine längere Zeit hinweg benötigt. Dementsprechend wurden INS-Systeme bislang typischerweise nicht unabhängig zur Bestimmung der Position von Erdbewegungsmaschinen verwendet.
Typischerweise können Erdbewegungsmaschinen entweder GPS, ATS, Fächerlaser, oder Ebenenlaser-Positionierungsvorrichtungen bei der Ausführung von Erdbewegungstätigkeiten verwenden. Beispielsweise kann eine GPS-Positionierungsvorrichtung auf der Erdbewegungsmaschine vorgesehen sein, um die Standort- und Höheninformation der Maschine zu bestimmen. Obwohl die Standortinformation genau ermittelt werden kann, ist die Höheninformation beträchtlich ungenauer. Dementsprechend werden, wie in der oben erwähnten US 2004/0125365 A1 an Ohtomo et al., GPS- und Lasersysteme kombiniert, um eine genaue Höhen- und Standortinformation bereitzustellen.
Insbesondere offenbart Ohtomo et al. ein Positionsmesssystem, welches einen Fächersensor und einen Photodetektionssensor aufweist, der einen von der Rotationslaservorrichtung abgestrahlten Laserstrahl empfängt. Der Photodetektionssensor kann auf der Erdbewegungsmaschine angebracht sein und ansprechend auf das Licht von der Rotationslaservorrichtung die Höheninformation der Maschine bestimmen. Somit stellt das Rotationslasersystem in Ohtotmo et al. eine Höheninformation bereit, die genauer ist als das GPS-System. Die Erdbewegungsmaschine beinhaltet ebenfalls einen GPS-Empfänger, der Daten zur Bestimmung eines Standorts oder einer horizontalen Position empfängt. Zusätzlich wird eine Standort- oder horizontale Information basierend auf den empfangenen GPS-Daten gewonnen.
Das in Ohtomo et al. Offenbarte System kombinierte GPS- und Fächerlasersystem erzeugt Positions- und Höheninformationen jedoch weniger häufig, als es für die automatische Echtzeitsteuerung eines formenden Arbeitsgeräts, beispielsweise einer Schaufel, gewünscht ist. Dementsprechend gibt es einen Bedarf für ein Positionsüberwachungssystem, das eine genaue Positions- und Höheninformation in einer höheren Frequenz, und auch während Perioden, wenn entweder GPS-Signale oder Lasersignale oder beide blockiert sind, erzeugen kann.
Weiterhin offenbart US 2006/0041361 A1 eine Erdbewegungsmaschine mit einem Steuersystem, wobei an der Maschine verschiedene Satelliten-Navigationsantennen angebracht sind. In einer Ausführungsform ist die Erdbewegungsmaschine ein Bulldozer und das Betriebselement eine zugehörige Schaufel. Die Maschine weist ferner einen Schwerkraftreferenzsensor und eine Mehrzahl von Gyroskopen sowie einen Computerprozessor auf, der Steuersignale basierend auf den empfangenen Sensordaten erzeugt.
Das offenbarte System zielt auf die Überwindung eines oder mehrerer der Mängel der existierenden Technologie ab.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein System zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes nach Anspruch 12 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine Erdbewegungsmaschine, die Aspekte des offenbarten Systems enthält;
2 veranschaulicht ein beispielhaftes System zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes;
3 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes in Übereinstimmung mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine Erdbewegungsmaschine 100, welche hydraulische Mechanismen 102 und 103, ein Arbeitsgerät 104, einen Sensor 106, einen Mast 108, ein INS 107, und einen Empfänger 110 aufweist. Während dieses offenbarte Ausführungsbeispiel ein Traktor des Kettentyps ist, ist dies so zu verstehen, dass das offenbarte System auf eine große Vielzahl mobiler Maschinen anwendbar ist. Wenn die Maschine 100 auf einem Arbeitsgelände betrieben wird, können die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 wirken, um die Bewegung eines Arbeitsgeräts 104, das eine Bulldozerschaufel sein kann, zu steuern. So bewegt beispielsweise ein hydraulischer Mechanismus 102, der einen Hubaktuator beinhalten kann, das Arbeitsgerät 104 zwischen einer oberen Position und einer unteren Position. Zusätzlich neigt der hydraulische Mechanismus 103, der einen Neigungsaktuator beinhalten kann, das Arbeitsgerät 104 nach vorne und hinten. Die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 können gemäß elektrischer Signale wirken, die an sie von internen Vorrichtungen innerhalb der Maschine 100 (nicht gezeigt) geliefert werden. Beispielsweise können elektrische Signale den hydraulischen Mechanismus 102 betätigen, um ihn auf und ab zu bewegen, während andere elektrische Signale verursachen können, dass sich der hydraulische Mechanismus 103 nach vorne und hinten bewegt.
Der Empfänger 110 kann ein Signal empfangen, das sich auf seine Position bezieht (d. h., seine spezifische Position bezüglich der Erde), und kann auf einem Masten 108 angebracht sein, um das Signal von einem oder mehreren Satelliten, die mit GPS, GLONASS oder GNSS verbunden sind, zu empfangen. Die Position kann eine horizontale Position und eine vertikale Position des Empfängers 110 beinhalten. Weil die relative Position zwischen Empfänger 110 und INS 107 und dem Arbeitsgerät 104 bekannt ist, kann die Position des Arbeitsgeräts 104 berechnet werden. Insbesondere kann die Position basierend darauf berechnet werden, dass das INS 107 die unten in größerer Genauigkeit beschriebenen Positionsverarbeitungselemente verwendet.
In 1 ist das INS 107 auf dem Arbeitsgerät 104 gezeigt, es wird jedoch festgestellt, dass die Sensoren für das INS 107 auf dem Arbeitsgerät 104 angebracht sein können, und dass das INS 107 auch einen Steuerungsprozessor (z. B. einen Computer) beinhaltet, wie mit Bezug auf 2 weiter erläutert wird. Das Steuerungsverarbeitungselement verarbeitet Informationen von dem Sensor, der auf dem Arbeitsgerät 104 angebracht gezeigt ist, ebenso wie Informationen aus anderen Hilfsquellen.
Ebenso können die Positionssensoren in einem anderen Ausführungsbeispiel auf oder in den hydraulischen Mechanismen 102 und/oder 103 oder auf oder in anderen Bereichen der Erdbewegungsmaschine. Die Positionssensoren können beispielsweise verwendet werden, um die Position des Arbeitsgeräts zu bestimmen, indem der bekannte Abstand zwischen den Positionssensoren und dem Arbeitsgerät und/oder Sensoren verwendet wird, um den Winkel zwischen den Sensoren und dem Arbeitsgerät zu messen.
Der Sensor 106 kann auf dem Mast 108 angebracht sein. Der Sensor 106 empfängt ebenfalls ein Signal, das Positionsinformationen von anderen Positionierungsvorrichtungen wie einem Ebenenlaser, einem Fächerlaser oder einem automatischen Totalsystem (ATS) trägt. Die Positionierungsvorrichtungen können auch als Messvorrichtungen bekannt sein. Diese Positionierungsvorrichtungen können in Verbindung mit Überwachungsausrüstung eines Arbeitsgeländes verwendet werden. Der Sensor 106 kann optional an anderen Stellen der Erdbewegungsmaschine angebracht sein.
Während die Position unter Verwendung von GNSS-Signalen berechnet werden kann, die durch den Empfänger 110 erhalten wurden, kann die durch die GNSS-Signale bestimmte vertikale Position durch eine vertikale Positionsinformation ersetzt werden, die von einem oder mehreren der Rotationslaser, Fächerlaser, ATS, bodengestütztes funkbasiertes Entfernungsmesssystem, oder einer anderen Positionierungsvorrichtung berechnet wird. Der vertikale Anteil der GNSS-Position kann ersetzt werden, weil die aus dem GNSS-Signal errechnete vertikale Position möglicherweise weniger genau ist als das Errechnen der vertikalen Position aus einer der anderen Positionierungsvorrichtungen. In einem Ausführungsbeispiel kann der Austausch der vertikalen Positionsinformation in dem INS 107 und/oder in dem Empfänger 110 stattfinden.
Eine Alternative für das Ersetzen der durch das GNSS erlangten vertikalen Position ist das Kombinieren der Messungen der externen Messsysteme wie den GNSS-Messungen, den Ebenen- oder Fächerlasermessungen und/oder den ATS-Messungen in einer Berechnung, welche die Messungen angemessen gewichtet und eine gemischte Positionslösung bestimmt. Diese gemischte Positionslösung wird dem INS zur Verfügung gestellt.
Eine dritte Alternative ist das Kombinieren der externen Messungen und der Trägheitsmessungen in einem einzelnen Berechnungsvorgang, der die bestmögliche Position bestimmt.
Somit kann unter Verwendung des Empfängers 110, des Sensors 106, und/oder anderer Sensoren eine Position des Arbeitsgeräts 104 bestimmt werden, die die horizontale Position und die vertikale Position des Werkzeugs beinhaltet.
Unter Verwendung der zusammengefügten Position (beispielsweise eine Position aus dem GNSS, die vom Empfänger 110 empfangen wurde, und wahlweise beispielsweise eine Position von einem Fächerlaser oder einem Rotationslaser), kann eine Maschine 100 betrieben werden, um ein Arbeitsgelände in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Plan zu verändern. Beispielsweise kann die Maschine nötig sein, um die Bodenoberfläche des Arbeitsgeländes auf eine vorbestimmte Höhe abzutragen, oder das Arbeitsgelände bis zu einer bestimmten Höhe mit Material aufzuschütten. Ein Bediener kann die Position unter Verwendung von Anzeigevorrichtungen auf einer Steuertafel der Maschine 100 betrachten, und die Position des Arbeitsgeräts 104 und die Höhe des Arbeitsgeräts 104 manuell auf die dem vorbestimmten Plan entsprechende Höhe einstellen.
Die Maschine 100 kann das Arbeitsgerät 104 automatisch unter Verwendung eines automatischen Arbeitsgerätsteuerungssystem 200 (siehe 2) einstellen. Das automatische Arbeitsgerätsteuerungssystem 200 stellt das Arbeitsgerät 104 automatisch durch den Vergleich der vertikalen Position des Arbeitsgeräts 104 mit einer gewünschten Höhe (d. h., eine Höhe in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Plan). Das automatische Arbeitsgerätsteuerungssystem 200 wird als Nächstes unten genauer beschrieben werden.
Das automatische Steuerungssystem 200 weist einen Steuerungsrechner 302 auf, welcher die vertikale Position oder Höheninformation der Maschine 100 bestimmt.
Der Rechner 302 kann einen Kalman-Filter 309, ein INS 310 und einen Maschinensteuerungsprozessor, im Folgenden auch kurz Prozessor 311 beinhalten. Die Höheninformation wird in den Maschinensteuerungsprozessor 311 eingegeben, welcher ein Speicherelement wie beispielsweise ein EPROM, RAM oder andere geeignete Speichervorrichtungen enthält. Der Prozessor 311 kann die erwünschten Höhendaten entsprechend dem vorbestimmten Plan speichern. Der Prozessor 311 kann die gewünschten Höhendaten abrufen, und vergleicht sie mit den empfangenen Höheninformationen. Auf der Grundlage dieses Vergleichs wird ein Ausgangssignal an die Ventilsteuereinheit 202 ausgegeben, welche ihrerseits geeignete Steuerungssignale an die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 ausgibt. Die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 agieren ansprechend auf die Steuerungssignale, um hydraulisches Strömungsmittel zu empfangen oder auszugeben, um dadurch die in ihnen enthaltenen hydraulischen Zylinder aus- oder einzufahren. Als Ergebnis kann die Position des Arbeitsgeräts 104 auf eine gewünschte Höhe verändert werden.
Wie zuvor beschrieben kann das INS 310 Positions- und Lagemessungen von einer IMU, beispielsweise der IMU 107 empfangen. Zusätzlich empfängt der Kalman-Filter 309 Messungen/Positionsdaten von einer oder mehreren Quellen, welche einen ATS Sensor 304, einen Ebenenlaser 305, einen Fächerlaser 306, einen Sensor 312 eines bodenbasierten Funkentfernungsmessystems, und ein GNSS 308 umfassen können. Im Allgemeinen ist ein Kalman-Filter gemäß Stand der Technik bekannt und ist ein rekursiver, linearer Filter, der möglicherweise Fehler in einem Trägheitsnavigationssystem (z. B. INS 310) unter Verwendung von Messungen von Hilfsquellen, wie beispielsweise einem ATS-Sensor 304, einem Ebenenlaser 305, einem Fächerlaser 306, einem Sensor 312 eines bodenbasierten Funkentfernungsmessystems, und einem GNSS 308, korrigiert. Beispielsweise empfängt ein Kalman-Filter 309 absolute Messungen oder Positionen von den Hilfsquellen und die gegenwärtige Position von dem INS 310. Basierend auf einem Unterschied in diesen beiden Positions- oder Messdatensätzen wird eine Fehlerabschätzung an das INS 310 gesandt. Das INS 310 verwendet die Fehlerabschätzung, um geeignete Änderungen an der INS-Position vorzunehmen. Nach den geeigneten Änderungen (entweder das Addieren oder Subtrahieren der INS-Position in Abhängigkeit der Fehlerabschätzung), wird eine korrigierte Position bestimmt und an den Prozessor 311 gesandt. So wird die Position des INS 310 durch die Hilfsquellen mittels der von dem Kalman-Filter 309 gesendeten Fehlerabschätzung in effektiver Weise zurückgesetzt oder neu initialisiert. Wie oben festgestellt, schickt der Prozessor 311 in Abhängigkeit davon, ob diese korrigierte Position mit dem vorbestimmten Geländeplan übereinstimmt ein geeignetes Signal an die Ventilsteuereinheit 202, um das Arbeitsgerät 104 zu bewegen, falls nötig.
Somit stellt die vorliegende Offenbarung einen Computer 302 bereit, der eine Planierschaufel mittels einer aktualisierten Position der Planierschaufel basierend auf einer Positionsberechnung durch das INS mit einer Frequenz von beispielsweise mehr als 100 mal pro Sekunde oder öfter steuert, was die Dauer einer Berechnungsschleife des INS 310 darstellt. Verglichen mit anderen Positionierungssystemen, die die Position der Planierschaufel beispielsweise mit einer Frequenz von 10 mal pro Sekunde aktualisieren können, ermöglicht die vorliegende Offenbarung eine genauere Steuerung der Planierschaufel, weil die Position der Planierschaufel häufiger aktualisiert wird.
Ebenso kann die Höhen- und/oder die Lageinformation von dem INS 302 mit Höhen- und/oder Lageinformationen verglichen werden, die von einem oder mehreren des ATS-Sensors 304, des Ebenenlasersensors 305, des Fächerlasers 306, des bodenbasierten Funkentfernungsmesssystems 306, oder des GNSS-Empfängers 308 empfangen werden, um zu bestimmen, ob eine inakzeptable Abweichung in der Höhen- und/oder Lageinformation des INS 310 („grobe Abweichung”,) vorliegt. Falls eine grobe Abweichung vorliegt, kann der Computer 302 die Höheninformation des INS 310 neu einstellen, die Maschine abschalten, oder den Bediener vor der groben Abweichung warnen.
In ähnlicher Weise kann die INS-Position verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine oder mehrere der Positionierungsvorrichtungen eine grobe Abweichung aufweisen.
Industrielle Anwendbarkeit
Mit Bezug auf den Betrieb des automatischen Arbeitsgerätsteuereungssystems 200 verdeutlicht die 3 ein Flussdiagramm 400 für ein Verfahren, welches mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt.
In der Stufe 402 bestimmt ein automatisches Steuerungssystem (z. B. System 200) eine vertikale und/oder horizontale Position einer Erdbewegungsmaschine, welche das automatische Steuerungssystem aufweist, basierend auf von Sensoren, beispielsweise dem IMU 307, erzeugten Informationen. Die Position kann von dem INS mit einer Frequenz von beispielsweise 100 Hz empfangen werden. Zusätzlich kann eine Abweichung des INS beschränkt werden, indem Eingaben von anderen externen Mess- und/oder Positionierungsvorrichtungen, wie beispielsweise einem Laser, einem Fächerlaser, GNSS, und ATS durch einen Kalmanfilter untersucht werden. Die Position des INS kann neu eingestellt werden, indem Fehlerabschätzungen der tatsächlichen Position des INS verwendet werden, die durch den Kalman-Filter bereitgestellt werden, der die absolute Position von externen Positionierungsvorrichtungen wie oben beschrieben empfängt, oder der absolute Messungen empfängt und eine absolute Position durch das Zusammenfügen von Messungen von einer oder mehreren externen Vorrichtungen bestimmt.
In der Stufe 403 wird wahlweise bestimmt, ob eine grobe Abweichung vorliegt. Ein zusätzlicher Ausfallsicherungstest kann durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob eine oder mehrere der Hilfsquellen (d. h. die externe Mess- und/oder Positionierungsvorrichtung), die Informationen an den Kalman-Filter liefert, eine fehlerhafte Position bereitstellt. Von Zeit zu Zeit können möglicherweise von einer oder mehreren der Hilfsquellen stammende Informationen blockiert werden, und daher wird der Computer 302 die Lösung weiterverwenden, die auf dem von der IMU 107 empfangen Signal basiert. Falls eine fehlerhafte Position oder eine grobe Abweichung in der von einer oder mehreren der Hilfsquellen an den Kalman-Filter gelieferten Information vorliegt, kann der Steuerungscomputer möglicherweise weiterhin die auf den Signalen von der IMU basierten Positionsberechnungen verwenden, die Maschine abschalten, oder den Bediener vor der groben Abweichung warnen.
In der Stufe 404 vergleicht eine Schaltung innerhalb der Maschine (z. B. Prozessor 311) unter Verwendung von gespeicherten Informationen, die eine gewünschte vertikale Position des Arbeitsgeräts anzeigen die gewünschte vertikale Position des Arbeitsgeräts mit der von dem INS berechneten Position (der korrigierten Position). Ein Steuerungssignal, welches auf dem Vergleich basiert, wird an eine Ventilsteuereinheit (z. B. Ventilsteuereinheit 202) im automatischen Steuerungssystem ausgegeben.
In der Stufe 406 stellt die Ventilsteuereinheit das Arbeitsgerät, falls nötig, automatisch auf die gewünschte Höhe oder Lage ein, ansprechend auf das Steuerungssignal.
Das Verfahren 400 kann in Erdbewegungsmaschinen mittels Schaltkreisen und Elementen, wie mit Bezug auf die 1–2 beschrieben, umgesetzt werden. Ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass das Arbeitsgerät gemäß genaueren Positionsdaten eingestellt werden kann, weil das INS häufiger als andere Positionierungsvorrichtungen Positionsinformationen zur Verfügung stellen kann. Das INS leidet nicht unter dem Nachteil des unkontrollierten Abweichens, weil es in regelmäßigen Abständen durch andere Positionierungsvorrichtungen wie beispielsweise einem Ebenenlaser, einem Fächerlasrer, ATS, bodenbasiertes Funkentfernungsmessystem oder GNSS neu initialisiert wird, bevor der Betrag des Abweichens inakzeptabel wird. Somit stellt die vorliegende Offenbarung ein System bereit, welches die Fähigkeit des INS zur dynamischen Überwachung und die Genauigkeit der Positionsinformation des Ebenenlasers, des Fächerlasers, des ATS, des bodenbasierten Funkentfernungsmessystems oder des GNSS nutzt.
Zudem kann während kurzen Ausfällen des Ebenenlasers, des Fächerlasers, des ATS, des bodenbasierten Funkentfernungsmessystems, wenn beispielsweise eine andere Maschine den Signalweg versperrt, oder wenn die Maschine unter einem Hindernis, wie beispielsweise einem Baum, hindurchfährt, die genaue Position weiterhin ermittelt werden, weil das INS damit fortfährt, die Positionsdaten bereitzustellen, und der Betrag der Abweichung während einer kurzen Unterbrechung minimal ist. In Fällen, in denen zeitweilige Ausfälle des GNSS vorkommen, kann die Verfügbarkeit der Positionsinformation von beispielsweise einem Rotations- oder Fächerlaser verwendet werden, um die Abweichung des INS einzuschränken.
Es stellt einen weiteren Vorteil dar, dass ein System eine redundante Positionsbestimmung aufweist, um eine Abweichungsüberwachung und eine sichere Abschaltung jeglicher Maschine oder eine Alarmierung des Bedieners zu ermöglichen, falls die Abweichungsüberwachung ergibt, dass grobe Abweichungen (grobe Fehler) vorliegen. Insbesondere kann das INS ausgelegt sein, um Signale, die von einer Vielzahl von Positionierungsvorrichtungen empfangen wurden, zu kontrollieren, um zu bestimmen, ob grobe Abweichungen in der Positionsinformation aufgetreten sind.

Claims

Ein System (200) zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes (104) bezüglich einer das Arbeitsgerät (104) tragenden Maschine (100), welches umfasst: ein Trägheitsnavigationssystem (310), welches ausgelegt ist, um eine erste Positionsinformation (402) auszugeben, welche eine Position des Arbeitsgeräts (104) repräsentiert; einen Steuerungsprozessor (311), der ausgelegt ist, um die erste Positionsinformation (402) mit einer Sollposition zu vergleichen (404) und ansprechend darauf ein Vergleichssignal zu erzeugen; eine Ventilsteuereinheit (202), welche ausgelegt ist, um das Arbeitsgerät (104) bezüglich der das Arbeitsgerät (104) tragenden Maschine (100), basierend auf dem Vergleichssignal einzustellen (406); eine Vielzahl von Messvorrichtungen, die mit dem Trägheitsnavigationssystem (310) gekoppelt sind, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine der Messvorrichtungen ausgelegt ist, um eine zweite Positionsinformation an das Trägheitsnavigationssystem (310) auszugeben; wobei das Trägheitsnavigationssystem (310) periodisch von der mindestens einen der Messvorrichtungen aktualisiert wird, um die erste Positionsinformation (402) basierend auf einer Fehlerabschätzung zu modifizieren, wobei die Fehlerabschätzung als eine Funktion der ersten Positionsinformation (402) und der zweiten Positionsinformation erzeugt wird.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Messvorrichtungen aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Ebenenlaser (305), einem Fächerlaser (306), einer automatischen Totalstation (304), einem bodenbasierten Funkentfernungsmesssystem (312) und einem globalen Navigationssatellitensystem (308) besteht.
Das System (200) gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Positionsinformation eine horizontale Position umfasst.
Das System (200) gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Positionsinformation eine vertikale Position umfasst.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, wobei das System weiter ein Positionsverarbeitungselement umfasst, das ausgelegt ist, um eine horizontale Position des Arbeitsgeräts (104) bezüglich der Oberfläche eines Arbeitsgeländes basierend auf Informationen zu berechnen, die von einem globalen Navigationssatellitensystem (308) empfangen werden.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, wobei das System weiter ein Positionsverarbeitungselement umfasst, das ausgelegt ist, um eine vertikale Position des Arbeitsgeräts (104) bezüglich der Oberfläche eines Arbeitsgeländes basierend auf Informationen zu berechnen, die von einem globalen Navigationssatellitensystem (308) empfangen werden.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, wobei der Steuerungsprozessor (311) ausgelegt ist, um die Sollposition zu speichern, und wobei das System weiter einen Komparator umfasst, welcher ausgelegt ist, um auf das Speicherelement zuzugreifen.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, welches weiterhin einen oder mehrere hydraulische Mechanismen (102, 103) aufweist, wobei die Ventilsteuereinheit (202) ausgelegt ist, um ein Steuerungssignal an den einen oder die mehreren hydraulischen Mechanismen (102, 103) zu liefern, und wobei der eine oder die mehreren hydraulischen Mechanismen (102, 103) ansprechend auf das Steuerungssignal betätigt werden.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, wobei das System weiter Sensoren (106) umfasst, die ein Signal empfangen, das verwendet wird, um die erste Positionsinformation zu berechnen.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, welches weiterhin einen Empfänger (110) aufweist, der ausgelegt ist, um ein Signal von einem globalen Navigationssatellitensystem (308) zu empfangen, das eine Position der Maschine (104) anzeigt.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, wobei das System weiter einen Kalman-Filter (309) umfasst, der ausgelegt ist, um die Fehlerabschätzung (403) zu bestimmen.
Ein Verfahren zur automatischen Einstellung eines Arbeitsgerätes (104) bezüglich einer das Arbeitsgerät (104) tragenden Maschine (100), wobei das Verfahren umfasst: das Empfangen eines ersten Signals eines Trägheitsnavigationssystems (310), wobei das erste Signal des Trägheitsnavigationssystems (310) eine erste Positionsinformation des Arbeitsgerätes (104) darstellt und wobei das Trägheitsnavigationssystem (310) an eine Vielzahl von Messvorrichtungen gekoppelt ist; das Berechnen einer Position basierend auf dem ersten Signal (402); das Vergleichen der Position mit einer Sollposition (403); das Übermitteln eines zweiten Signals, das ein Ergebnis des Vergleichs darstellt (404); das Einstellen des Arbeitsgeräts (104) bezüglich einer das Arbeitsgerät (104) tragenden Maschine (100) basierend auf dem zweiten Signal (406); und das Aktualisieren der ersten Positionsinformation des Trägheitsnavigationssystems (310) unter Verwendung einer von einer der Messvorrichtungen basierend auf einer Fehlerabschätzung ausgegebenen zweiten Positionsinformation.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Aktualisieren das periodische Aktualisieren der ersten Positionsinformation mit der zweiten Positionsinformation basierend auf der Fehlerabschätzung umfasst (403), wobei die Vielzahl von Messvorrichtungen aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Ebenenlaser (305), einem Fächerlaser (306), einer automatischen Totalstation (304), einem bodenbasierten Funkentfernungsmesssystem (312) und einem globalen Navigationssatellitensystem (308) besteht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die erste Positionsinformation weiterhin eine horizontale Position basierend auf einer Position relativ zur Oberfläche eines Arbeitsgeländes umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die erste Positionsinformation weiterhin eine vertikale Position basierend auf einer Position relativ zur Oberfläche eines Arbeitsgeländes umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, welches weiterhin das Berechnen einer horizontalen Position des Arbeitsgeräts (104) relativ zu einer Oberfläche eines Arbeitsgeländes basierend auf Informationen umfasst, die von einem globalen Navigationssatellitensystem (308) empfangen werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, welches weiterhin das Berechnen einer vertikalen Position des Arbeitsgeräts (104) relativ zu einer Oberfläche eines Arbeitsgeländes basierend auf Informationen umfasst, die von einem globalen Navigationssatellitensystem (308) empfangen werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, welches weiterhin das Abrufen der Sollposition von einem Steuerungsprozessor (311) umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Einstellen des Arbeitsgeräts (406) das Senden eines Steuerungssignals an eines oder mehrere an das Arbeitsgerät (104) gekoppelte hydraulische Mechanismen (102, 103) umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Empfangen das Empfangen des ersten, mit der ersten Positionsinformation assoziierten Signals durch einen Sensor (106, 307) umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, welches weiterhin das Empfangen eines Signals von einem globalen Navigationssatellitensystem (308) umfasst, das eine Position bezüglich der Oberfläche des Arbeitsgeländes anzeigt.