DE102014107286A1

DE102014107286A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung von Vortriebskräften bei Fahrzeugen

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Publication number: DE102014107286A1
Application number: DE102014107286.3A
Authority: DE
Inventors: Pavel Osinenko; Mike Geißler; Thomas Herlitzius
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1, 1'), insbesondere eine Arbeitsmaschine, eine landwirtschaftliche Erntemaschine oder eine Zugmaschine, mit als Aktuatoren ausgebildeten Antrieben (9, 10, 35, 36, 37), Sensoren (4, 5, 6, 7, 8, 13) zur Bestimmung von Vortriebskräften und Bewegungswiderständen sowie einem Informationsverarbeitungssystem (2, 2'), einem Kontrollelement (17, 17') und mindestens einem Regelungssystem (11, 14, 42). Die Antriebe (9, 10, 35, 36, 37) sind mit einem angetriebenen Element gekoppelt, welches jeweils mit dem Boden in Eingriff steht. Das Informationsverarbeitungssystem (2, 2') und das Kontrollelement (17, 17') sind in Kombination derart konfiguriert, mittels modell-basierter Identifikationsverfahren und mathematischer Modelle eine Führungsgröße (23, 23') zu ermitteln. Das mit dem Informationsverarbeitungssystem (2, 2') und dem Kontrollelement (17, 17') gekoppelte Regelungssystem (11, 14, 42) ist ausgebildet, die Führungsgröße (23, 23') zu empfangen sowie eine Stellgröße (22, 22') zu ermitteln und an die Aktuatoren zu übertragen. Mit dem Regelungssystem (11, 14, 42) wird eine Antriebsleistung auf Basis einer dynamischen Echtzeitidentifikation variiert. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1, 1'). Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Informationsverarbeitungssystem (2, 2') der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1, 1') sowie ein Verfahren des Betriebes des Informationsverarbeitungssystems (2, 2').

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine Arbeitsmaschine, eine landwirtschaftliche Erntemaschine oder eine Zugmaschine, mit Antrieben, Sensoren zur Bestimmung von Vortriebskräften sowie einem Informationsverarbeitungssystem, einem Kontrollelement und mindestens einem Regelungssystem. Die Antriebe sind mit einem angetriebenen Element gekoppelt, wobei das angetriebene Element mit dem Boden in Eingriff steht. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Informationsverarbeitungssystem einer Vorrichtung, insbesondere einer Arbeitsmaschine, einer landwirtschaftlichen Erntemaschine oder einer Zugmaschine, sowie ein Verfahren des Betriebes des Informationsverarbeitungssystems.
Um den Produktivitätssteigerungen in der Landwirtschaft auch zukünftig gerecht zu werden, werden neue Maschinenkonzepte entwickelt und umgesetzt. Dabei stellt unter anderem der Trend der Erhöhung der Motorleistung von modernen Traktoren eine Herausforderung dar, insbesondere die höhere Zugleistung mit möglichst hohem Wirkungsgrad auf den Boden zu übertragen, größer werdende Arbeitsbreiten in der Landtechnik erfordern komplexere und aufwändigere Anbaugerätekonstruktionen. Die Arbeitsbreiten und die Manövrierbarkeit der Maschinen sind jedoch begrenzt, da insbesondere das Zugfahrzeug nicht genügend Lenkkräfte und Zugkräfte in geforderter Genauigkeit und Dynamik aufbringen kann. Die herkömmlichen Zugmaschinen stoßen dabei an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Zudem werden sich zukünftig vermehrt kleine autonome Arbeitsmodule ohne Ankopplung an eine Zugmaschine durchsetzen. Die Arbeitsmodule werden zur Verringerung der Komplexität keine oder stark vereinfachte Lenkmechanismen aufweisen. Die Radantriebe und die Werkzeugantriebe werden die präzise Führung des Moduls entlang eine Leitlinie ausführen.
Aus dem Stand der Technik bekannte Regelungssysteme für landwirtschaftliche Traktoren, welche meist als Zugmaschinen für ein mechanisch mit ihm verbundenes Arbeitsgerät dienen, für selbstfahrende Arbeitsmaschinen, insbesondere mit Radantrieben und Werkzeugantrieben, sowie für einige Nutzfahrzeuge, insbesondere für Geländefahrzeuge, berücksichtigen keine Optimierung nach Änderungen der Fahrbedingungen sowie der entsprechenden Vortriebskräfte und basieren auf einer festen Einstellung der Führungsgröße, zum Beispiel der Einstellung des Sollschlupfes. Da der Verlauf des Wirkungsgrades, welcher das Verhältnis zwischen der Nutzleistung und der Verlustleistung charakterisiert, und die Optima des Wirkungsgrades unter verschiedenen Fahrbedingungen unbekannt sind, ist die Regelung mit fester Führungsgröße ungünstig. Unter der Nutzleistung ist das Verhältnis zwischen der Antriebsleistung und der Zugleistung zu verstehen. Bei einer Planierraupe wird beispielsweise anstatt der Zugleistung die Leistung der vorderen Arbeitswiderstände berücksichtigt. Unter der Verlustleistung werden die gegen die Bewegungswiderstände aufzubringende Leistung, welche im Antrieb-Boden-Kontakt gegen die Fortbewegung wirken, und die durch den Antriebsschlupf aufzubringende Leistung verstanden. Bei einem Rad oder einem Gleisband betreffen die Bewegungswiderstände im Wesentlichen die Rollwiderstände. Die Traktionsregelung und die Lenkregelung arbeiten zudem getrennt voneinander. Bei der Traktionskontrolle wird die Querdynamik vernachlässigt, während bei der Lenkregelung die geforderte Antriebsleistung nicht berücksichtigt wird.
Eine Einstellung des Sollschlupfes wird herkömmlich empirisch angenommen und liegt bei etwa 20 % für Hinterradantriebmaschinen und bei etwa 10 % für Allradantriebmaschinen. Der Antrieb ist dabei jeweils mit einem Rad, einem Gleisband oder einem ähnlichen Element gekoppelt, welches im Eingriff mit dem Boden steht. Zudem sind einzelne Algorithmen zur Bestimmung von Traktionsparametern bekannt, welche das Zusammenwirken des angetriebenen Elements im Boden-Kontakt mittels der Rückkopplung des Antriebsdrehmoments charakterisieren, welche jedoch die dynamischen Prozesse, wie die Beschleunigungskraft oder die Änderung der Drehzahl, vernachlässigen und damit für eine Traktionsregelung nur eingeschränkt geeignet sind.
Im Bereich der Kraftfahrzeuge wird auch die aktive Beeinflussung des Gierwinkels beziehungsweise der Gierwinkelgeschwindigkeit angewandt. Dabei wird das Kraftfahrzeug zusätzlich über die Räder gelenkt, indem die Antriebsmomente des linken und des rechten Rads gezielt unterschiedlich verteilt werden, was auch als „Torque Vectoring“ bezeichnet wird. Die Wirkung beruht auf einer kontrollierten Verteilung der Antriebsmomente sowie der entsprechenden Vortriebskräfte und nicht auf der Änderung der Radstellung.
Das Regelungssystem am Traktor selbst wird bekanntlich als zusätzliche Funktion der elektronischen Hubwerksregelung des Dreipunkt-Krafthebers ausgebildet. Wenn der Antriebsschlupf über einen eingestellten Grenzwert ansteigt, verändert das Regelungssystem entweder die relative Höhe des Gerätes zum Traktor mittels der Lage-Regelung oder die Motorleistung mittels der Zugkraft-Regelung bei konstanter Arbeitstiefe. In ähnlicher Weise wird beispielsweise die Schlupfregelung bei Planierraupen umgesetzt.
Aus dem Stand der Technik ist ein Ansatz zur Schlupfregelung für Mähdrescher bekannt. Die Schlupfregelung verhindert dabei einen zu hohen Schlupf an einem einzelnen Rad mittels der Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung und Verstellmotoren. Bei einer Kurvenfahrt wird die Verdrängung des Rads einer Achse mit dem Verstellmotor mit höherer Drehzahl reduziert. Die Optimierung der Längsdynamik des Fahrzeugs wird nicht berücksichtigt. In vielen Situationen ist die Optimierung der Längsdynamik jedoch wichtig, denn die optimale Traktion sowie der Fahrzustand mit einer hohen Energieeffizienz können unterschiedliche Antriebsleistungen aufweisen. Zudem ist das Fahren bei nicht optimaler Antriebsleistung, beispielsweise bei maximaler Antriebsleistung, im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch sehr energieintensiv. Unter Traktion ist dabei jede Art von kraftbetriebener Fortbewegung oder Vortriebskraft bei Fahrzeugen zu verstehen. Im Speziellen stellt die Traktion eine Form der Zugkraft dar, welche bei Überwindung eines Rollwiderstandes zur Bewegung von Lasten in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird.
Aus der DE 10 2007 030 168 A1 geht eine elektronische Steuerungseinrichtung für eine Antriebseinheit eines Fahrzeugs, insbesondere einer selbstfahrenden landwirtschaftlichen Erntemaschine mit Allradantrieb, hervor. Das Fahrzeug weist einen Hauptmotor, eine Hydraulikpumpe und mindestens einen Hydraulikmotor auf. Der Hydraulikmotor treibt mindestens ein mit dem Boden im Eingriff stehendes Rad an. Durch eine einsatzabhängige Vorgabe des Drehmoments am Hydraulikmotor erfolgt eine Optimierung der Traktion und eine Verhinderung des Schlupfes an wenigstens einem Rad. Die Drehmomentregelung dient folglich dazu, einen hohen Schlupf der Räder zu verhindern, welche Traktion verlieren.
Bei einem herkömmlichen Traktor erfolgt die Lenkung des Gespanns aus Zugmaschinen und Arbeitsgerät oder Anhänger gegen alle Störgrößen, wie Seitenkräfte oder Rollwiderstände. Das Arbeitsgerät oder der Anhänger werden von der Zugmaschine aus gesteuert. Das Potenzial der aktiven Antriebe zur Unterstützung der Lenkung der Zugmaschine-Arbeitsgerät-Kombination wird bei herkömmlichen Systemen nicht ausgenutzt. Es sind zudem Systeme zur Navigation von Traktoren mittels globaler Positionsbestimmungssysteme, auch als „GPS“ abgekürzt, bekannt, welche die Traktoren innerhalb eines Verfahrens ortsdifferenzierter und zielgerichteter Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Nutzflächen als eine Funktion des sogenannten „Precision Farming“ an vorgegebenen Leitlinien entlangführen. Diese GPS-gestützten Systeme basieren auf einer automatischen Lenkung. Des Weiteren sind teilweise lenkbare Arbeitsgeräte bekannt. Die Lenkung basiert dabei auf unterschiedlichen Ansätzen, wie der relativen Verschiebung des Anhängepunktes des Arbeitsgerätes gegen den Traktor, der Achsschenkellenkung oder der relativen Verschiebung der Rahmensektionen oder der Werkzeugsektionen zum Traktor. Zur Unterstützung des Vortriebs sind angetriebene Achsen und achsschenkelgelenkte Einzelradantriebe ausgebildet. Bei Traktoren ist zudem ein aktives Differential vorgesehen.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen werden der Sollschlupf und/oder die Antriebsleistung als Führungsgrößen als feste Werte eingestellt. Da die Abhängigkeiten der Nutzleistung und der Verlustleistung von der Antriebsleistung bei verschiedenen Eigenschaften der Fahrbahn beziehungsweise der Rollwiderstände und der Vortriebskräfte in einem breiten Bereich liegen, ist eine feste Einstellung der Führungsgröße unvorteilhaft. Die bekannten Regelungssysteme werden in den Situationen uneffektiv oder verlustreich und liefern aufgrund fehlender Antriebsdrehmomente an einzelnen Antrieben keine Informationen über die Vortriebskräfte, sodass keine optimale Regelung möglich ist.
In der DE 41 34 831 A1 wird eine Anordnung zur Ermittlung einer den Reibbeiwert bei der Radhaftungsgrenze repräsentierenden Information für ein mehrere angetriebene Räder umfassendes Fahrzeug offenbart. Zumindest zwei der angetriebenen Räder sind Drehmomentsteuereinrichtungen zugeordnet, mittels derer das Verhältnis der Antriebsdrehmomente der angetriebenen Räder variierbar ist. Dabei erzeugen Drehmomenterfassungsmittel ein der Größe zumindest des größeren der beiden Antriebsdrehmomente der angetriebenen Räder entsprechendes Drehmomentsignal. Den angetriebenen Rädern ist eine Radschlupferkennungseinrichtung zugeordnet, welche einen Anstieg des Radschlupfes des Rads mit dem größeren Antriebsdrehmoment über eine vorbestimmte Schlupfgrenze hinaus feststellt. Die Reibbeiwertinformation wird abhängig von der Größe des erfassten Antriebsdrehmoments des über die Schlupfgrenze hinaus schlupfenden Rads erzeugt. Für die Ermittlung der Reibbeiwertinformation wird zweckmäßigerweise die Verteilung der Antriebsdrehmomente von Vorderachse und Hinterachse periodisch wechselnd erhöht.
Im Stand der Technik sind Ansätze zur Einschätzung der Vortriebskräfte bekannt, wobei keiner der Ansätze eine vollständige regelungstechnische Methode aufweist. Ohne die Betrachtung von dynamischen Komponenten, von Messfehlern sowie von Änderungen in der Umgebung ist jedoch keine vollständige Parameteridentifikation möglich. Zudem ist bekannt, dass beispielsweise die Bodenbeschaffenheit als ein Bodenparameter berücksichtigt wird, wobei relevante Informationen vom Bediener selbst geliefert werden.
Bei herkömmlichen Geländefahrzeugen fehlt eine echtzeitfähige Bestimmung von Vortriebskräften zur Charakterisierung der Nutzleistung und der Verlustleistung. Diese Größen werden jedoch benötigt, um optimale Regelungssysteme zu entwerfen und dem Fahrer die Informationen zum Maschinenzustand zu liefern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Regelungssystems für Fahrzeuge, insbesondere für Geländefahrzeuge, wie Arbeitsmaschinen, landwirtschaftliche Erntemaschinen oder Zugmaschinen, beziehungsweise eines solchen Fahrzeugs, bei welchem die Antriebsleistung anhand von Vortriebskräften geregelt und ein Kompromiss zwischen maximal möglicher Zugleistung und minimaler Verlustleistung und damit maximaler Effizienz erzielt werden.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände und Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere eine Arbeitsmaschine, eine landwirtschaftliche Erntemaschine oder eine Zugmaschine, im Speziellen auch selbstfahrende Arbeitsmodule, gelöst. Die Vorrichtung weist als Aktuatoren ausgebildete Antriebe, Sensoren zur Bestimmung von Vortriebskräften und Bewegungswiderständen sowie ein Informationsverarbeitungssystem, ein Kontrollelement und mindestens ein Regelungssystem auf. Die Antriebe sind jeweils mit einem angetriebenen Element gekoppelt, wobei das angetriebene Element mit dem Boden in Eingriff steht. Neben oder anstatt der Antriebe können als Aktuatoren auch Kraftheber oder ähnliche Komponenten ausgebildet sein. Unter einem angetriebenen Element ist beispielsweise ein Rad, ein Gleisband, ein Werkzeug oder ähnliches zu verstehen. Die Sensoren können neben der Bestimmung von Vortriebskräften auch zur Bestimmung von Querkräften ausgebildet sein.
Nach der Konzeption der Erfindung sind das Informationsverarbeitungssystem und das Kontrollelement in Kombination derart konfiguriert, mittels modell-basierter Identifikationsverfahren und mathematischer Modelle eine Führungsgröße zu ermitteln. Das Regelungssystem ist mit dem Informationsverarbeitungssystem und dem Kontrollelement derart gekoppelt und ausgebildet, die Führungsgröße zu empfangen, eine Stellgröße zu ermitteln und die Stellgröße an die Aktuatoren zu übertragen. Das Regelungssystem ist konzeptionsgemäß derart konfiguriert, eine Antriebsleistung auf Basis einer dynamischen Echtzeitidentifikation zu variieren. Das Kontrollelement ist dabei derart ausgebildet, ein Optimum der Antriebsleistung als eine Führungsgröße an das Regelungssystem zu senden, wobei die Führungsgröße mittels mathematischer Optimierungsalgorithmen bestimmt wird. Die Regelung der Antriebsleistung kann in Kombination mit der Verteilung der Vortriebskräfte, welche beispielsweise durch die Verteilung der Antriebsdrehmomente erfolgt, zur Erhöhung der Manövrierbarkeit und/oder zum Fahren auf vorgegebenen Leitlinien dienen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Echtzeitidentifikation der Vortriebskräfte und der Rollwiderstände zur Charakterisierung der Wirkung zwischen dem moduleigenen Antrieb oder angetriebenem Werkzeug und dem Boden für die Regelung von Arbeitsmodulen umgesetzt. Dabei werden die Messsignale, insbesondere zur Bestimmung der Drehzahl und der Fahrgeschwindigkeit sowie der Rückkopplung von den Antrieben in der Form des Antriebsdrehmoments, herangezogen. Mit Hilfe der identifizierten Größen wird eine optimale Führungsgröße für die Regelung mit dem Ziel bestimmt, den aus der jeweiligen Einsatzstrategie der Vorrichtung abgeleiteten Kompromiss zwischen der maximalen Nutzleistung und der minimalen Verlustleistung zu erreichen. Dabei wird die optimale Führungsgröße zum Beispiel einem elektronischen Hubwerksregelungssystem, einer Traktionskontrolle oder weiteren Regelungssystemen vorgegeben. Es wird eine adaptive, optimale Regelung der Vortriebskräfte erreicht. Unter der Echtzeitidentifikation beziehungsweise einer echtzeitigen Einschätzung ist die Ermittlung von relevanten Größen aus momentan verfügbaren Daten und Messsignalen zu verstehen, welche während des Fahrens und damit simultan mit den entsprechenden Prozessen in der Realität erfolgt.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Aufnehmen von Messsignalen mittels Sensoren und
– Übertragen der mit den Sensoren aufgenommenen Messsignale an ein Informationsverarbeitungssystem und mindestens ein Regelungssystem,
– Berechnen eines Antriebsschlupfes zur Charakterisierung von Schlupfverlusten, welche in eine Berechnung einer Verlustleistung eingehen,
– Auswerten der Messsignale im Informationsverarbeitungssystem zur Bestimmung von Vortriebskräften und Bewegungswiderständen sowie einer momentanen Nutzleistung und einer momentanen Verlustleistung zur Charakterisierung eines aktuellen Fahrzustandes der Vorrichtung anhand der Wirkung zwischen Antrieben und dem Boden,
– Übertragen der Informationen zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung an ein Kontrollelement und mindestens ein Regelungssystem,
– Übertragen eines aus einer der Vorrichtung vorgegebenen Einsatzstrategie resultierenden Kommandos an das Kontrollelement,
– Berechnen einer optimalen Antriebsleistung und/oder Vortriebskräften als Führungsgröße im Kontrollelement und Übertragen der Führungsgröße an mindestens ein Regelungssystem,
– Ermitteln von Stellgrößen im Regelungssystem und Übertragen der Stellgrößen an die Antriebsleistung und/oder die Vortriebskräfte beeinflussende Komponenten sowie
– Einstellen der Antriebsleistung und/oder der Vortriebskräfte mittels des Regelungssystems.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird neben den Vortriebskräften auch die Verteilung der Vortriebskräfte als Führungsgröße im Kontrollelement berechnet und an mindestens ein Regelungssystem übertragen. Zudem werden neben den Vortriebskräften auch die Verteilung der Vortriebskräfte mittels des Regelungssystems eingestellt.
Die Vortriebskraft beeinflussende Komponenten sind beispielsweise die Antriebe der Vorrichtung oder ein Dreipunkt-Kraftheber eines Hubwerks, falls die Vortriebskraft mittels eines Hubwerkregelungssystems erfolgt. Das Lastdrehmoment wird dabei anhand einer Echtzeitidentifikation unter Beachtung aller Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände sowie unter Nutzung der Informationen über die Antriebsdrehmomente eingeschätzt. Die Antriebsleistung wird, entsprechend einer von einem Bediener oder einer übergeordneten Steuerung vorgegebenen Einsatzstrategie, optimiert. Eine übergeordnete Steuerung kann dabei beispielsweise ein Teil des „Precision Farming“ sein. Das Verfahren weist eine vollständige regelungstechnische Methode mit Betrachtung von dynamischen Komponenten, Messfehlern sowie Änderungen in der Umgebung zur vollständigen Echtzeitidentifikation auf. Die Vorrichtung und das Verfahren sind insbesondere für eine Bodenbearbeitung oder ähnliche Operationen geeignet, wobei die Vortriebskräfte hoch sind. Sämtliche relevanten und notwendigen Größen werden automatisch, das heißt ohne Zutun eines Bedieners, eingeschätzt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird innerhalb des Informationsverarbeitungssystems mit Hilfe von modell-basierten Identifikationsverfahren, basierend auf hinterlegten Kennfeldern und/oder hinterlegten mathematischen Modellen und/oder einer Echtzeitkurvenanpassung, welche den Boden in einem weiten Parameterbereich charakterisieren, eine Verknüpfung zwischen der aufgewendeten Antriebsleistung und den Vortriebskräften, den Bewegungswiderständen sowie der Nutzleistung und der Verlustleistung bestimmt. Der Fahrzustand der Vorrichtung wird dabei vorteilhaft mittels eines im Informationsverarbeitungssystem integrierten Fahrdynamikmodells eingeschätzt. Die Einschätzung charakteristischer Kurven der Vortriebskräfte, der Bewegungswiderstände sowie der Nutzleistung und der Verlustleistung als Funktionen der aufgewendeten Antriebsleistung erfolgt dabei vorteilhaft mit Hilfe eines „offline“ aufgebauten Modells und/oder Kennfeldes oder einer „online“-Kurvenanpassung eingeschätzter Größen als Funktion der Antriebsleistung. Unter einer „offline“-Verfahrensweise einer Vorrichtung ist eine Verfahrensweise zu verstehen, welche vor der Ausführung von Verfahrensschritten durch die Vorrichtung ausgeführt wird. Im Vergleich dazu wird eine „online“-Verfahrensweise einer Vorrichtung innerhalb des Betriebes der Vorrichtung, insbesondere während der Fahrt, ausgeführt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden im Regelungssystem anhand der vom Kontrollelement übertragenen Führungsgröße, der vom Informationsverarbeitungssystem übertragenen Informationen über die Fahrzustände der Vorrichtung und der Messsignale der Sensoren die Stellgrößen berechnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine Verteilung der Vortriebskräfte berechnet wird und die Vortriebskraft der Antriebe geregelt wird, um einen geforderten Richtungsvektor einzustellen. Die Verteilung der Vortriebskräfte wird dabei bevorzugt als Drehmomentverteilung berechnet. Damit wird ein Regelungssystem zur Lenkung und/oder zum Fahren auf einer vorgegebenen Leitlinie, beispielsweise für ein selbstfahrendes Arbeitsmodul, bereitgestellt. Moduleigene Radantriebe und angetriebene Werkzeuge weisen eine entsprechende Regelung auf, welche das Arbeitsmodul an vorgegebenen Leitlinien führt, um die für eine teilflächenspezifische Bearbeitung notwendige Navigationsgenauigkeit zu erhalten. Die Regelung des einzelnen Arbeitsmoduls verbessert zudem dessen Manövrierbarkeit. Die Traktionsregelung erfüllt in Verbindung mit der Drehmomentverteilung beziehungsweise der Verteilung der Vortriebskraft eine vom Bediener oder von einer übergeordneten Steuerung nach Produktivität und Energieeffizienz vorgegebene und definierte Einsatzstrategie. Neben den Parametern des Antrieb-Boden-Kontaktes werden dynamische Komponenten der Fahrdynamik berücksichtigt. Die Traktionsregelung sowie die Verteilung der Vortriebskraft erfolgen anhand der Echtzeitidentifikation.
Die Leitlinien werden bevorzugt mittels eines Elements, entsprechend einem vom Bediener ausgewählten Musters bestimmt. Dabei werden vom Informationsverarbeitungssystem gelieferte Informationen über Fahrzustände charakterisierende Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände auf Gebieten des zu bearbeitenden Bereichs kartiert.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Regeln der Antriebsleistung mittels eines Hubwerksregelungssystems eine Stellgröße für einen Kraftheber bestimmt und an den Kraftheber übertragen. Der Kraftheber empfängt dabei die Stellgröße und passt die Lage eines Hubwerkes an, um die Antriebsleistung zu beeinflussen.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Informationsverarbeitungssystem einer Vorrichtung, insbesondere einer Arbeitsmaschine, einer landwirtschaftlichen Erntemaschine oder einer Zugmaschine, gelöst.
Das Informationsverarbeitungssystem weist ein Echtzeitidentifikationssystem mit einem echtzeitfähigen Zustandsbeobachtungselement zur Einschätzung eines aktuellen Fahrzustands der Vorrichtung, ein Kontrollelement und ein Regelungssystem auf. Das Zustandsbeobachtungselement ist dabei derart ausgebildet, Messsignale und Hilfssignale zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung zu empfangen, Informationen zu Vortriebskräften und Bewegungswiderständen zu identifizieren und Informationen zu einem aktuellen Fehler der Identifikation zu bestimmen sowie die Informationen zu Vortriebskräften und Bewegungswiderständen sowie die daraus resultierenden Nutzleistung und Verlustleistung an das Kontrollelement und Informationen der Fahrzustände an das Regelungssystem zu senden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Informationsverarbeitungssystem ein Hilfs-Informationsverarbeitungssystem auf. Das Hilfs-Informationsverarbeitungssystem enthält maschinenspezifische Parameter und ist derart ausgebildet, Messsignale zu empfangen sowie Hilfssignale zu berechnen und die Hilfssignale an das Zustandsbeobachtungselement zu senden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das echtzeitfähige Zustandsbeobachtungselement als Sigma-Punkt-Kalman-Filter ausgebildet.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Echtzeitidentifikationssystem ein Fuzzy-Logik-Kontrollelement auf. Das Fuzzy-Logik-Kontrollelement ist dabei derart ausgebildet, die Messsignale zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung zu empfangen und in eine spezielle, für Fuzzy-Logik geeignete Form umzuwandeln sowie einen Anpassungsfaktor zu erzeugen und den Anpassungsfaktor an das Zustandsbeobachtungselement zu senden. Die Umwandlung von Messsignalen in eine spezielle für Fuzzy-Logik geeignete Form wird im Folgenden auch als Quantifizieren bezeichnet.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Echtzeitidentifikationssystem ein Adaptionselement auf. Das Adaptionselement ist dabei derart konfiguriert, die Informationen zum aktuellen Fehler der Identifikation vom Zustandsbeobachtungselement zu empfangen sowie einen Adaptionsfaktor zu berechnen und den Adaptionsfaktor an das Zustandsbeobachtungselement zu senden.
Nach einer dritten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Echtzeitidentifikationssystem ein Fuzzy-Logik-Kontrollelement und ein Adaptionselement auf. Das Fuzzy-Logik-Kontrollelement ist derart ausgebildet, die Messsignale zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung zu empfangen und in eine spezielle, für Fuzzy-Logik geeignete Form umzuwandeln sowie einen Anpassungsfaktor zu erzeugen und den Anpassungsfaktor an das Adaptionselement zu senden. Das Adaptionselement ist derart konfiguriert, die Informationen zum aktuellen Fehler der Identifikation vom Zustandsbeobachtungselement und den Anpassungsfaktor vom Fuzzy-Logik-Kontrollelement zu empfangen sowie einen Adaptionsfaktor zu berechnen und den Adaptionsfaktor an das Zustandsbeobachtungselement zu senden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Informationsverarbeitungssystems weist folgende Schritte auf:

– Empfangen von Messsignalen zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung und Hilfssignalen durch ein echtzeitfähiges Zustandsbeobachtungselement eines Echtzeitidentifikationssystems,
– Einschätzen eines aktuellen Fahrzustands einer Vorrichtung und Identifizieren von Informationen zu Vortriebskräften und Bewegungswiderständen sowie von Informationen zum aktuellen Fehler der Identifikation durch das Zustandsbeobachtungselement,
– Senden der Informationen vom Zustandsbeobachtungselement an ein Kontrollelement und von Informationen der Fahrzustände vom Zustandsbeobachtungselement an ein Regelungssystem,
– Empfangen von Messsignalen und Berechnen der Hilfssignale durch ein Hilfs-Informationsverarbeitungssystem sowie
– Senden der Hilfssignale an das Zustandsbeobachtungselement.

Das Informationssystem bildet vorteilhaft erstens charakteristisch Kurven der Nutzleistung und der Verlustleistung als Funktionen der Antriebsleistung anhand der identifizierten Vortriebskräfte und der Bewegungswiderstände sowie des berechneten Antriebsschlupfes ab. Dabei wird anhand von Messdaten ein mathematisches Modell der Verhältnisse der Nutzleistung und der Verlustleistung entwickelt, welches einen Satz von Größen umfasst. Das mathematische Modell ist gut für Mikrocontroller mit kleinem Speicher geeignet. Das Verfahren zur Einschätzung der charakteristischen Kurven ist bevorzugt derart konfiguriert, maschinenspezifische Parameter, beispielsweise die Masse des Fahrzeugs, zu empfangen. Die Nutzleistung, die Verlustleistung und die Antriebsleistung werden dabei durch maschinenspezifische Parameter skaliert, um die Komplexität des mathematischen Modells durch die Reduzierung der Anzahl der internen Parameter zu verringern. Maschinenspezifische Parameter sind als Eingangsparameter für das mathematische Modell zu betrachten. Das mathematische Modell wird bevorzugt „offline“ entwickelt, das heißt das Informationssystem verfügt zwar über eine Kommunikationsschnittstelle, ist aber nicht bereit, Daten über die Schnittstelle zu empfangen oder zu senden. Die Kennfelder für charakteristische Kurven werden alternativ in einem breiten Bereich der Fahrzustände und Maschinenparameter angewendet. Nach einer weiteren Alternative werden charakteristische Kurven mittels einer Kurvenanpassung „online“ abgebildet, das heißt die Kommunikationsschnittstelle ist bereit, Daten zu empfangen oder zu senden.
Zweitens bilden die Identifikation der Vortriebskräfte und der Bewegungswiderstände, der berechnete Antriebsschlupf und das oben genannte mathematische Modell charakteristische Kurven abhängig von der Antriebsleistung ab. Die Abbildung der Kurve erfolgt vorteilhaft „online“.
Die Regelung der Vortriebskraft weist zudem eine „online“-Optimierung der Kostenfunktion auf, welche die charakteristischen Kurven der Nutzleistung und der Verlustleistung mit deren Parametersätzen abhängig von der Antriebsleistung aus der Identifikation der Vortriebskräfte und der Bewegungswiderstände sowie einen oder mehrere Parameter der Einsatzstrategie enthält. Die Priorität der Effizienz, welche den Anteil der Verlustleistung an der Antriebsleistung charakterisiert, oder der Produktivität, welche den Anteil der Nutzleistung an der Antriebsleistung charakterisiert, wird durch einen oder mehrere vom Bediener oder von einer übergeordneten Steuerung definierten Parameter eingestellt. Der Bediener kann verschiedene Einsatzstrategien anwenden. Die Optimierung erfolgt mittels mathematischer Algorithmen.
Die Gesamtmethode ist vorteilhaft robust in Bezug auf Änderungen der Bodenbedingungen.
Die Methoden zur Abbildung der charakteristischen Kurven der Nutzleistung und der Verlustleistung auf verschiedenen Böden für einen Traktor basieren zum Beispiel auf wiederholten Traktionsversuchen mit einer Bremsmaschine bei unterschiedlichen Leistungen. Zum Überwinden von Messfehlern und dynamischen Komponenten werden mehrere Arbeitspunkte „offline“ ermittelt.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgende zusätzliche Schritte auf:

– Empfangen der Messsignale zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung und Umwandeln der Messsignale in eine für Fuzzy-Logik geeignete Form,
– Erzeugen eines Anpassungsfaktors und
– Senden des Anpassungsfaktors an das Zustandsbeobachtungselement durch ein Fuzzy-Logik-Kontrollelement des Echtzeitidentifikationssystems.

Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgende zusätzliche Schritte auf:

– Empfangen der Informationen zum aktuellen Fehler der Identifikation,
– Berechnen eines Adaptionsfaktors sowie
– Senden des Adaptionsfaktors an das Zustandsbeobachtungselement durch ein Adaptionselement des Echtzeitidentifikationssystems.

Nach einer dritten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgende zusätzliche Schritte auf:

– Empfangen der Messsignale zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung und Umwandeln der Messsignale in eine für Fuzzy-Logik geeignete Form,
– Erzeugen eines Anpassungsfaktors und
– Senden des erzeugten Anpassungsfaktors an ein Adaptionselement

– Empfangen der Informationen zum aktuellen Fehler der Identifikation des Zustandsbeobachtungselements und des Anpassungsfaktors vom Fuzzy-Logik-Kontrollelement,
– Berechnen eines Adaptionsfaktors und
– Senden des Adaptionsfaktors an das Zustandsbeobachtungselement durch ein Adaptionselement des Echtzeitidentifikationssystems.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:

– Verbesserung der Manövrierbarkeit durch Zusammenwirkung von Lenkregelung und Traktionsregelung,
– Unterstützung von Lenkregelung und Traktionsregelung mit einer Echtzeitidentifikation,
– Koordination einzelner Module und Agieren der Module wie ein virtuelles Gesamtgerät,
– Reduktion der Ballastmassen am Traktor durch geringeren Zugkraftbedarf infolge der Nutzung angetriebener Arbeitsmodule,
– Ableiten agronomischer Informationen aus georeferenzierten Traktionsbedingungen,
– Ableiten gerätespezifischer Serviceinformationen aus akkumulierten Belastungswerten am Antrieb als auf einer regelmäßigen Erfassung des Maschinenzustands durch Messung und Analyse physikalischer Größen basierender Zustandsüberwachung, auch als „Condition Monitoring“ bezeichnet,
– Bestimmen eines Optimums zwischen der Produktivität und der Effizienz sowie aktives Regeln mittels Aktuatoren.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug in Form einer Zugmaschine oder eines Traktors, mit einem Informationsverarbeitungssystem,
2: ein Funktionaldiagramm der Vorrichtung gemäß 1,
3a bis 3c: eine Vorrichtung, insbesondere ein aus einem Arbeitsmodul und einem mit dem Arbeitsmodul gekoppelten Arbeitsgerät, mit einem Steuerungsblock und einem Informationsverarbeitungssystem,
4: ein Funktionaldiagramm der Vorrichtung gemäß den 3a bis 3c und
5: Funktionaldiagramm des Informationsverarbeitungssystems.
In 1 ist eine Vorrichtung 1, insbesondere ein Fahrzeug 3 in Form einer Zugmaschine beziehungsweise eines Traktors, dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist mit einem Informationsverarbeitungssystem 2, einem Hubwerksregelungssystem 14, welches die Vortriebskräfte und damit die Antriebsleistung beispielsweise durch die Lage und/oder die Zugkraftregelung beeinflussen kann, einem Antriebsregelungssystem 11, welches die Vortriebskräfte und damit die Antriebsleistung beispielsweise durch die Drehmomentregelung beeinflussen kann, ausgebildet. Die Antriebsleistung wird aus den Antriebsdrehmomenten und den Antriebsdrehzahlen bestimmt. Die Vortriebskraft ergibt sich aus dem Lastdrehmoment und dem dynamischen Rollradius am Rad abzüglich der inneren Rollwiderstände, welche beispielsweise aus der Walkenarbeit der Reifenverformung auftreten. Anstelle des Traktors könnte auch eine selbstfahrende Arbeitsmaschine, zum Beispiel ein Mähdrescher, oder eine Planierraupe oder ähnliches angesehen werden. Bei einer Planierraupe wirken die Arbeitswiderstände, im Vergleich zum dargestellten Traktor, als Zugkraft von vorne an der Maschine.
Das Informationsverarbeitungssystem 2 ist nach der Ausführungsform gemäß 1 in einem separaten, von dem Antriebsregelungssystem 11 und dem Hubwerksregelungssystem 14 getrennten Mikrokontroller im Fahrzeug 3 integriert. Die von verschiedenen Sensoren 4, 5, 6, 7, 8, 13 aufgenommenen Signale werden an das Informationsverarbeitungssystem 2 übertragen. Die Wege der Übertragung der Signale zwischen den Komponenten der Vorrichtung 1 werden mittels gestrichelter Linien und die Richtung der Übertragung anhand der Pfeile verdeutlicht. Als Sensoren 4, 5, 6, 7, 8, 13 werden Fahrgeschwindigkeitssensoren 4, 5 zum Ermitteln der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 3, Antriebsdrehzahlsensoren 7, 8 zum Ermitteln der Drehzahlen der Antriebe 9, 10, insbesondere verschiedener Achsen beziehungsweise Räder mit unterschiedlichen Durchmessern, ein Zugkraftsensor 13 sowie optional Stützkraftsensoren 6 verwendet.
Die beispielsweise als GPS-Antenne und Radar ausgebildeten Fahrgeschwindigkeitssensoren 4, 5 liefern zur Berechnung des Antriebsschlupfes und zur Identifikation der Längsdynamik die gemessene Fahrgeschwindigkeit an das Informationsverarbeitungssystem 2. Einer der beiden Fahrgeschwindigkeitssensoren 4, 5 ist dabei optional.
Am Fahrgestell des Fahrzeugs 3 ist optional ein Stützkraftsensor 6 angeordnet. Das Fahrgestell weist an dieser Stelle ein Fahrwerk mit einem Hydraulikzylinder auf. Mittels des Stützkraftsensors 6, beispielsweise einem Öldrucksensor oder einem Lagesensor eines hydraulischen Federzylinders, werden die vertikalen Radlasten der Räder bestimmt und an ein nicht dargestelltes Hilfs-Informationsverarbeitungssystem des Informationsverarbeitungssystem 2 gesendet. Mit der vertikalen Radlast der Räder einer Achse und dem Wert der Masse des Fahrzeugs 3 ist auch die Radlast der Räder der anderen Achse ermittelbar. Die berechneten Radlasten dienen beispielsweise dazu, die dynamischen Rollradien, die Reifenfederung und die entsprechenden inneren Rollwiderstände durch die Walkenarbeit einzuschätzen. Alternativ können die Stützkräfte durch eine Echtzeitidentifikation der Rolldynamik, der Vertikaldynamik und/oder der Längsdynamik bestimmt werden. Zudem können die Stützkräfte aus der Messung der Kolbenlage im Hydraulikzylinder des Krafthebers 12 berechnet werden. Alternativ kann das Hilfs-Informationsverarbeitungssystem Informationen über die statischen Radien aufweisen, anstatt die dynamischen Rollradien zu berechnen und diese Informationen an ein nicht dargestelltes Echtzeitidentifikationssystem des Informationssystems 2 senden. Die Werte des inneren Rollwiderstandes können auch ohne Messung der dynamischen Stützkraft beispielsweise anhand der statischen Stützkräfte, des Reifentyps, des Reifendrucks und weiteren maschinenspezifischen Parametern approximiert werden. Die Genauigkeit der Berechnung kann durch die Berücksichtigung des Messsignals der vertikalen Beschleunigung erhöht werden. Die Masse des Fahrzeugs 3 kann zudem aus den dynamischen Komponenten der Messungen der Sensoren 4, 5, 6, 7, 8, 13 berechnet werden, wenn die Radlast an allen Fahrgestellen bestimmt wird. Die relevanten Hilfs-Signale und die maschinenspezifischen Parameter werden an das nicht dargestellte Echtzeitidentifikationssystem und ein nicht dargestelltes Kontrollelement des Informationsverarbeitungssystems 2 übertragen. Im Echtzeitidentifikationssystem werden die Vortriebskräfte und die Bewegungswiderstände eingeschätzt sowie die Nutzleistung und die Verlustleistung berechnet. Die rotatorische Dynamik des Rads und die translatorische Dynamik des Fahrzeugs 3 werden im Echtzeitidentifikationssystem abgeschätzt und daraus die hinterlegten physikalischen Prozesse der Fortbewegung, welche durch die Vortriebskräfte und die Bewegungswiderstände charakterisiert sind, bestimmt. Mittels des Echtzeitidentifikationssystems werden die dynamischen Komponenten der rotatorischen Bewegung der Antriebe 9, 10 sowie der Längsbewegung des Fahrzeugs 3 vom Verlauf der Vortriebskräfte und der Bewegungswiderstände getrennt. Das Kontrollelement empfängt die Signale der berechneten Nutzleistung und der Verlustleistung, bildet deren charakteristische Kurven mit Hilfe von maschinenspezifischen Parametern ab und berechnet eine optimale Führungsgröße der Antriebsleistung.
Die mittels der Antriebsdrehzahlsensoren 7, 8 ermittelten Drehzahlen der Antriebe 9, 10 sowie die Messsignale der Fahrgeschwindigkeitssensoren 4, 5 werden ebenfalls an das Kontrollelement übertragen, um daraus den Antriebsschlupf und die entsprechenden Schlupfverluste zu berechnen.
Die zumeist als Räder oder Gleisbänder ausgebildeten Antriebe 9, 10 dienen der Übertragung der Energie des Motors auf den Untergrund des Fahrzeugs 3 beziehungsweise auf den Boden. Das Zusammenwirken der Räder mit dem Untergrund bewirkt die entsprechende Traktionsdynamik, welche durch die Vortriebskräfte und die Bewegungswiderstände charakterisiert wird. Die Informationen zu den Antriebsdrehmomenten sind durch Messungen, modell-basierte Rückkopplung oder ähnliche Maßnahmen verfügbar.
Die vom Zugkraftsensor 13 ermittelte Zugkraft am Hubwerk wird auch an das Informationsverarbeitungssystem 2 übertragen und im Hilfs-Informationsverarbeitungssystem und/oder im Echtzeitidentifikationssystem als ein Hilfssignal verwendet. Beim Einsatz einer nicht dargestellten Planierraupe werden am vorderen Anbaugerät, beispielsweise einem Stahlschild als vorderer Teil der Vorrichtung 1, Kraftsensoren angeordnet.
Die von den Fahrgeschwindigkeitssensoren 4, 5 und den Antriebsdrehzahlsensoren 7, 8 ermittelten Signale werden gleichfalls entweder an das Antriebsregelungssystem 11 oder an das Hubwerksregelungssystem 14 oder an beide, das heißt sowohl an das Antriebsregelungssystem 11 als auch an das Hubwerksregelungssystem 14, übertragen. Die vom Zugkraftsensor 13 ermittelten Werte werden auch an das Hubwerksregelungssystem 14 übermittelt. Die Übertragungswege der Signale an das Antriebsregelungssystem 11 oder an das Hubwerksregelungssystem 14 sind in 1 nicht dargestellt.
Nach dem Empfangen der Signale der Sensoren 4, 5, 6, 7, 8, 13 und dem Berechnen des Antriebsschlupfes aus Werten der Fahrgeschwindigkeit und der Antriebsdrehzahlen zur Ermittlung der Schlupfverluste bestimmt das Informationsverarbeitungssystem 2 den aktuellen Zustand des Fahrzeugs 3, wobei sich der Zustand im Wesentlichen aus den Lastdrehmomenten, resultierenden Längskräften und entsprechenden Vortriebskräften und Bewegungswiderständen ergibt. Das Informationsverarbeitungssystem 2 dient der Einschätzung der Vortriebskräfte und der Bewegungswiderstände. Das Kontrollelement des Informationsverarbeitungssystems 2 definiert mit Hilfe von modell-basierten Identifikationsverfahren beziehungsweise eines hinterlegten mathematischen Modells oder mit Hilfe von Kennfeldern, welche das Zusammenwirken des Bodens und der Vorrichtung 1 in einem weiten Parameterbereich charakterisiert, eine Verknüpfung zwischen der Antriebsleistung und der Nutzleistung sowie der Verlustleistung, aus welcher die optimale Antriebsleistung als optimale Führungsgröße berechnet wird, welche anschließend als Führungsgröße an das Antriebsregelungssystem 11 und/oder an das Hubwerksregelungssystem 14 übermittelt wird. Die Wege der Übertragung der Kommandos zwischen den Komponenten der Vorrichtung 1 werden mittels durchgezogener Linien dargestellt.
Des Weiteren berechnet das Antriebsregelungssystem 11 anhand der identifizierten Lastdrehmomente eine Stellgröße, welche als Kommando an die Antriebe 9, 10 übertragen wird. Das Antriebsregelungssystem 11 empfängt dabei die Informationen über die Fahrzustände des Fahrzeugs 3 vom Informationsverarbeitungssystem 2. Die Stellgröße berücksichtigt das Lastdrehmoment am Antrieb 9, 10. Das Antriebsregelungssystem 11 verwendet die optimale Antriebsleistung als Führungsgröße.
Das Antriebsregelungssystem 11 ist dem Hubwerksregelungssystem 14 zur Regelung der Antriebsleistung vorzuziehen. Wenn beispielsweise das Antriebsregelungssystem 11 nicht zur Verfügung steht, kann das Hubwerksregelungssystem 14 zur Regelung der Antriebsleistung dienen. Das Hubwerksregelungssystem 14 bestimmt dann die Stellgröße, entsprechend der vom Informationsverarbeitungssystem 2 berechneten optimalen Antriebsleistung, für den Kraftheber. Das Stellsignal wird an den Kraftheber 12 gesendet. Der Kraftheber 12 empfängt das Stellsignal als Stellgröße vom Hubwerksregelungssystem 14, um die Lage des Hubwerkes und/oder die Zugkraft, beispielsweise durch die Änderung der Motorleistung anzupassen und damit die Antriebsleistung zu beeinflussen.
Das jeweilige Regelungssystem aus Antriebsregelungssystem 11 und Hubwerksregelungssystem 14 empfängt die vorgegebene Führungsgröße in Form der Antriebsleistung jeweils vom Informationsverarbeitungssystem 2.
2 zeigt ein Funktionaldiagramm der Vorrichtung 1 gemäß 1 mit dem Fahrzeug 3, dem Informationsverarbeitungssystem 2 sowie dem Regelungssystem 11, 14.
Der Bediener 15 steuert die Lenkung des Fahrzeugs 3 und gibt durch eine Pedalstellung die Motorleistung vor. Die Stellsignale 25 werden an die Antriebe 9, 10 des Fahrzeugs 3 übertragen. Die Antriebsleistung wird zudem durch das Regelungssystem 11, 14, entsprechend dem berechneten optimalen Arbeitszustand der Vorrichtung 1, angepasst. Der Bediener 15 bestimmt auch die Einsatzstrategie der Vorrichtung 1 je nach gewünschter Produktivität und Effizienz. Die aus der Einsatzstrategie resultierenden Kommandos 16 werden an das Kontrollelement 17 zur Berechnung von Führungsgrößen 23, das heißt der optimalen Antriebsleistung, übertragen. Der Bediener 15 erhält wiederum vom Kontrollelement 17 Informationen 24 über die Fahrzustände des Fahrzeugs 3. Das Kontrollelement 17 empfängt dabei zudem zum einen vom Informationsverarbeitungssystem 2 Informationen 18 zu identifizierten Vortriebskräften und Bewegungswiderständen mit berechneter Nutzleistung und Verlustleistung, um die Informationen 18 in einer aufbereiteten und angemessen Form als Informationen 24 über die Fahrzustände des Fahrzeugs 3 an den Bediener 15 zu übermitteln. Zum anderen bestimmt das Kontrollelement 17 den optimalen Arbeitszustand in Form der Antriebsleistung als die Führungsgröße 23 für das Regelungssystem 11, 14.
Das Informationsverarbeitungssystem 2 erhält die zu 1 beschriebenen Messsignale 19 des Fahrzeugs 3, wie die Fahrgeschwindigkeit, die Antriebsdrehzahlen, die Zugkraft und/oder die Kolbenlage im Hydraulikzylinder des Krafthebers 12 beziehungsweise die Stützkraft.
Das Regelungssystem 11, 14 erhält vom Fahrzeug 3 Messsignale 20 der Antriebsdrehzahl sowie der Rückkopplung des Antriebsdrehmoments, berechnet daraus die aktuelle Antriebsleistung und vergleicht den Wert der aktuellen Antriebsleistung mit dem Wert der optimalen Antriebsleistung, welcher vom Kontrollelement 17 bestimmt wird. Anschließend erzeugt das Regelungssystem 11, 14 ein Stellsignal. Das Regelungssystem 11, 14 berechnet folglich anhand der vom Kontrollelement 17 übertragenen Führungsgrößen 23, der vom Informationsverarbeitungssystem 2 übertragenen Informationen 21 über die notwendigen Fahrzustände und der Messsignale 20 der Sensoren des Fahrzeugs die Stellgrößen 22.
Zudem wird die Kolbenlage im Hydraulikzylinder des Krafthebers 12 als Kennzeichen für die Lage eines an der Vorrichtung 1 angebrachten Arbeitsgerätes an das Hubwerksregelungssystem 14 gesendet. Falls die Antriebsleistung mittels des Antriebsregelungssystems 11 geregelt wird, kann zugleich das Lastdrehmoment am Antrieb 9, 10 kompensiert werden. Die Kompensation erfolgt dabei mittels Aufnahme des identifizierten Lastdrehmoments in das Stellsignal des Antriebsregelungssystems 11. Das Regelungssystem 11, 14 sendet, wie zu 1 beschrieben, die Stellgrößen 22 an die Aktuatoren des Fahrzeugs 3. Zudem werden die Stellsignale 25, welche die Motorleistung und die Lenkung des Fahrzeugs 3 betreffen, vom Bediener 15 an das Fahrzeug 3 beziehungsweise an die Lenkelemente des Fahrzeugs 3 übertragen. Eine vom Bediener 15 vorgegebene, die Motorleistung beeinflussende Pedalstellung erzeugt eine entsprechende Antriebsleistung, welche durch die optimale Antriebsleistung mittels des Regelungssystems 11, 14 begrenzt wird.
Der Bediener 15 passt durch die Pedalstellung die Antriebsleistung des Fahrzeugs 3 an, während gleichzeitig durch die Steuerung des Hubwerkes die Lage eines am Hubwerk gehalterten Arbeitsgerätes veränderbar ist. Bei den Zuständen, bei welchen die Regelung beziehungsweise der Regelkreis aus Informationsverarbeitungssystem 2, Kontrollelement 17 und Regelungssystem 11, 14 in Betrieb ist, werden die Antriebsleistung und die Lage des Arbeitsgerätes zusätzlich geregelt, um den optimalen Arbeitszustand einzustellen. Dabei werden beispielsweise die Antriebsdrehmomente begrenzt.
Die Vorrichtung 1, insbesondere das Informationsverarbeitungssystem 2 in Verbindung mit dem Regelungssystem 11, 14, variiert, entsprechend der vom Bediener 15 gewählten Einsatzstrategie, die Fahrzeugparameter für eine maximale Nutzleistung bei minimaler Verlustleistung. Anhand der identifizierten Längskräfte, der gemessenen Zugkraft, der Masse sowie der geometrischen Parameter des Fahrzeugs 3 wird mittels einer Drehmomentbilanz um die Querachse ein Aufbäummoment des Fahrzeugs 3 bestimmt. Dabei kann eine charakteristische Kurve der Vortriebskräfte abhängig von der Antriebsleistung abgebildet werden, um ein kritisches Aufbäummoment zu prognostizieren, bei welchem die vordere Achse des Fahrzeugs 3 den Kontakt mit dem Boden verliert. Die Einschätzung erfolgt dabei mit der Analyse von Vortriebskräften an den Antrieben 9, 10, welche mit Hilfe der charakteristischen Kurve der Vortriebskräfte abhängig von der Antriebsleistung bestimmt werden können. Die charakteristischen Kurven werden dabei in Echtzeit ermittelt, wobei die Methode die dynamischen Änderungen der Bodeneigenschaften berücksichtigt wird. Die identifizierten Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände zur Charakterisierung der Wirkung zwischen den Antrieben 9, 10 und dem Boden können auch für die optimale Ballastierung der Vorrichtung 1 genutzt werden. Das Regelungssystem 11, 14 hält ansonsten immer die vom Bediener 15 gewählten, der Einsatzstrategie entsprechende Antriebsleistung.
Die Vorrichtung 1 ist derart ausgebildet, mittels einer Echtzeitidentifikation für eine Regelung, Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände zur Charakterisierung der Wirkung zwischen den Antrieben 9, 10 und dem Boden zu ermitteln. Dabei wird die Antriebsleistung anhand der Echtzeitidentifikation unter Beachtung aller relevanten Zustände und unter Nutzung der Rückkopplung vom Fahrantrieb, um das Lastdrehmoment am Fahrantrieb einzuschätzen, optimiert. Das Regelungssystem 11, 14 ist dabei mit dem Informationsverarbeitungssystem 2 gekoppelt. Das Informationsverarbeitungssystem 2 bildet mit einem integrierten Fahrdynamikmodell den Zustand des Fahrzeugs 3 nach und ermittelt die notwendigen Systemzustände, wie die Vortriebskräfte, Bewegungswiderstände und andere, welche an das Kontrollelement 17 beziehungsweise an das Regelungssystem 11, 14 gesendet werden, um die optimale Antriebsleistung, entsprechend der Einsatzstrategie, zu berechnen. Die Antriebsleistung wird mittels des Regelungssystems 11, 14, bei einem optimalen Wert gehalten.
In den 3a bis 3c ist eine Vorrichtung 1' dargestellt, welche als Fahrzeug aus einem Arbeitsmodul 3' beziehungsweise einer Zugmaschine mit einem optionalen Tank 31 und einem mit dem Arbeitsmodul 3' gekoppelten Arbeitsgerät 30 ausgebildet ist. In dem Tank 31 ist ein Arbeitsmaterial für spezifische landtechnische Operationen, wie Spritzen oder Düngen, speicherbar. Zur besseren Übersichtlichkeit ist lediglich ein mit dem Arbeitsmodul 3' gekoppeltes Arbeitsgerät 30 gezeigt. Alternativ kann das Fahrzeug weitere Arbeitsgeräte aufweisen beziehungsweise das Arbeitsmodul 3' mit weiteren Arbeitsgeräten verbunden sein.
Das Arbeitsmodul 3' ist eine autonome Maschine, welche als Basiskomponente für alle Elemente der Vorrichtung 1' dient und das Arbeitsgerät 30 führt. An den Antrieben 35 des Arbeitsmoduls 3' und den Antrieben 36 des Arbeitsgerätes 30 werden die Drehzahl, optional die Stützkraft und andere Parameter ermittelt, welche als Signale weitergeleitet werden, um das Antriebsdrehmoment zu regeln. Die Antriebe 35, 36 liefern somit die Informationen über die Drehzahl und die Stützkraft und empfangen die Stellgröße der Drehmomente.
Das die Antriebe 36 und angetriebene Werkzeuge 37, auch als Arbeitsorgane bezeichnet, aufweisende Arbeitsgerät 30 führt die landtechnischen Operationen aus und kann auf verschiedene Weisen mit dem Arbeitsmodul 3' mechanisch gekoppelt werden. Die Kopplung könnte einerseits beispielsweise über einen Dreipunktanbau oder einen Haken realisiert sein. Alternativ ist das Arbeitsgerät 30 nicht mit dem Arbeitsmodul 3' mechanisch gekoppelt, wobei dann lediglich Informationskanäle zur Übertragung von Messsignalen vom Arbeitsgerät 30 zu einem Steuerungsblock 34 und von Stellsignalen vom Steuerungsblock 34 zum Arbeitsgerät 30 zu erstellen sind. Die Informationskanäle können als elektrische Leitungen oder drahtlose Verbindungen ausgebildet sein. Die angetriebenen Werkzeuge 37 sind ebenfalls mit Sensoren versehen, um mit Hilfe der mit den Sensoren ermittelten Parameter die Arbeitswiderstände einzuschätzen. Bei elektrisch oder hydraulisch angetriebenen Werkzeugen 37 können damit die entsprechenden Drehmomente zum Antreiben der Werkzeuge 37 bestimmt werden. Die Werkzeuge 37 empfangen die Stellgröße des Drehmoments und/oder der Drehzahl vom Steuerungsblock 34. Wenn die moduleigenen Antriebe 35, 36 und angetriebenen Werkzeuge 37 elektrisch oder hydraulisch angetrieben sind, ist somit die Rückkopplung der Antriebsdrehmomente und Arbeitswiderstände verfügbar.
Der Energieversorgungsblock 32 des Arbeitsmoduls 3' ist mit einer nicht dargestellten Energiequelle verbunden und liefert die Energie für die Antriebe 35, 36 der Vorrichtung 1' sowie die angetriebenen Werkzeuge 37. Als Energiequelle kann beispielsweise ein Traktor mit einem leistungsfähigen Antriebsmotor eingesetzt werden.
Das Arbeitsmodul 3' und das Arbeitsgerät 30 werden mittels des Steuerungsblockes 34 mit integriertem, nicht dargestellten Informationsverarbeitungssystem 2' gesteuert und geregelt. Das Informationsverarbeitungssystem 2' ist dabei ähnlich dem Informationsverarbeitungssystem 2 nach 2 zur Identifikation der notwendigen Fahrzustände des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgeräts 30 ausgebildet. Das Informationsverarbeitungssystem 2' basiert lediglich auf einem Modell eines Arbeitsmoduls 3' anstatt einer Arbeitsmaschine, einer landwirtschaftlichen Erntemaschine oder einer Zugmaschine. Die von den am Antrieb 35 des Arbeitsmoduls 3' und am Antrieb des Arbeitsgerätes 30 ausgebildeten Sensoren, wie Drehzahlsensor oder Stützkraftsensor, sowie die vom Fahrgeschwindigkeitssensor und Positionssensor der Antenne 33, beispielsweise als Sensoren eines GPS-Systems, ermittelten Werte werden an das Informationsverarbeitungssystem 2' des Steuerungsblockes 34 übertragen. Zudem werden ermittelte Werte für die Antriebsdrehmomentrückkopplung von den Antrieben 35, 36 und der angetriebenen Werkzeuge 37 an das Informationsverarbeitungssystem 2' gesendet.
Der Steuerungsblock 34 empfängt die Signale, identifiziert die Fahrzustände und regelt die Antriebe 35, 36, 37 der Vorrichtung 1' mit einer optimalen Antriebsleistung anhand von vorgegebenen Leitlinien, welche den Richtungsvektor bestimmen. Aus den an das Informationsverarbeitungssystem 2' übertragenen Werten der Sensoren ermittelt das Informationsverarbeitungssystem 2' folglich alle notwendigen Fahrzustände des Arbeitsmoduls 3'. Der Antriebsschlupf wird dabei aus den Messsignalen der Fahrgeschwindigkeit und der Antriebsdrehzahl berechnet, um die entsprechenden Schlupfverluste zu bestimmen. Um eine vorgegebene Leitlinie, entsprechend der Einsatzstrategie, zu fahren, definiert das Informationsverarbeitungssystem 2' Verknüpfungen zwischen der Antriebsleistung und den aktuellen Nutzleistung sowie Verlustleistung, aus welchen die optimale Antriebsleistung des Arbeitsmoduls 3' sowie die Verteilung der Vortriebskräfte berechnet werden, welche wiederum dem Steuerungsblock 34 als Führungsgrößen zugeführt werden. Die identifizierten Vortriebskräfte werden somit zur Bestimmung der optimalen Führungsgrößen 23' für die Traktionskontrolle und für die notwendige Drehmomentverteilung genutzt. Die Traktionsregelung sowie die Drehmomentverteilung erfolgen anhand der dynamischen Echtzeitidentifikation der Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände. Die Lenkregelung und die Traktionsregelung kooperieren miteinander.
Die Kombination aus dem Arbeitsmodul 3' und dem Arbeitsgerät 30 ist zusätzlich auch mit Beschleunigungssensoren ausrüstbar, welche insbesondere für die Ermittlung von Stützkräften sowie in Verbindung mit der Antenne 33 für die Ermittlung des Richtungsvektors der Arbeitsmodul-Arbeitsgerät-Kombination genutzt werden. Die Stützkräfte können alternativ auch mittels Stützkraftsensoren, beispielsweise an den Antrieben 35, 36 ausgebildeten Hydraulikdrucksensoren, bestimmt werden.
Die tatsächlich wirkende Vortriebskraft oder Traktion wird an einem einzelnen Antrieb 35 des Arbeitsmoduls 3' mit Messsignalen des Antriebsdrehmoments beziehungsweise der Drehzahl in Verbindung mit gerätespezifischen Parametern, wie den Arbeitswiderständen, der Fahrgeschwindigkeit beziehungsweise der Position mittels der dynamischen Echtzeitparameterbestimmung des Antrieb-Boden-Kontaktes ermittelt. Da quer zur Fahrtrichtung des Arbeitsmoduls 3' beziehungsweise des Arbeitsgeräts 30 mehr als ein Antrieb 35, 36 angeordnet ist, das heißt die Vorrichtung 1' verteilte Traktionsantriebe aufweist, ist die Vortriebskraft der Antriebe 35, 36 derart regelbar, dass der von der Navigation geforderte Richtungsvektor eingestellt werden kann. Die Traktionsverhältnisse an den einzelnen Antrieben 35, 36 werden somit genutzt, um den Richtungsvektor zu beeinflussen.
Die Vorrichtung 1' ist derart ausgebildet, mittels einer Echtzeitidentifikation für eine Regelung von Arbeitsmodulen in einer Gruppe Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände zur Charakterisierung der Wirkung jeweils zwischen den Antrieben 35 des Arbeitsmoduls 3', den Antrieben 36 des Arbeitsgeräts 30 oder den angetriebenen Werkzeugen 37 und dem Boden zu ermitteln.
4 zeigt ein Funktionaldiagramm der Vorrichtung 1' gemäß den 3a bis 3c mit dem Arbeitsmodul 3' und dem Arbeitsgerät 30, dem Informationsverarbeitungssystem 2' sowie dem Regelungssystem 42.
Der Bediener 15' bestimmt die Einsatzstrategie der Vorrichtung 1' je nach gewünschter Produktivität und Effizienz. Das aus der Einsatzstrategie resultierende Kommando 16' wird an das Kontrollelement 17' zur Berechnung von Führungsgrößen 23' übertragen. Der Bediener 15' erhält vom Kontrollelement 17' Informationen 24' über die Fahrzustände des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgeräts 30. Der Bediener 15' wählt zudem ein Muster zur Bestimmung der Menge von Leitlinien für den durch das Arbeitsgerät 30 zu bearbeitenden Bereich, beispielsweise eines Feldes, aus. Das ausgewählte Muster wird anschließend als Information 40 vom Bediener 15' an ein Element 41 zur Bestimmung des Musters der Leitlinien gesendet. Das Element 41 bestimmt die Leitlinien, entsprechend dem vom Bediener 15' ausgewählten Muster sowie den vom Informationsverarbeitungssystem 2' gelieferten Informationen über die Fahrbedingungen auf verschiedenen Gebieten des zu bearbeitenden Bereichs.
Das Informationsverarbeitungssystem 2' des Steuerungsblockes 34 der Vorrichtung 1' empfängt die Messsignale 19' des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgeräts 30 bezüglich der Fahrgeschwindigkeit, der Drehzahlen der Antriebe 35, 36 und der Werkzeuge 37, der Koordinaten des Arbeitsmoduls 30 von der Antenne 33, der Gierwinkelgeschwindigkeit des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgeräts 30 von Drehratesensoren sowie die Längsbeschleunigungen und die Querbeschleunigungen des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgeräts 30, welche mit Beschleunigungssensoren gemessen werden, sowie optional die Stützkräfte an den Antrieben 35, 36. Anhand der Messsignale 19' identifiziert das Informationsverarbeitungssystem 2' die relevanten Systemzustände und sendet die identifizierten Lastdrehmomente der Antriebe 35, 36 und der Werkzeuge 37 sowie die resultierenden Längskräfte und Querkräfte als Informationen 21' über notwendige Fahrzustände an das Regelungssystem 42. Die identifizierten Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände sowie die daraus berechnete Nutzleistung und Verlustleistung werden als Informationen 18' der Traktion beziehungsweise identifizierte Fahrzustände an das Kontrollelement 17' gesendet.
Das Kontrollelement 17' bestimmt die Führungsgrößen 23' anhand einer numerischen Optimierung. Dabei werden anhand der über die Nutzleistung und die Verlustleistung vorliegenden Informationen 18' die optimalen Antriebsleistungen an den Antrieben 35, 36 und den Werkzeugen 37 berechnet und eine notwendige Drehmomentverteilung, auch als „Torque Vectoring“ bezeichnet, bestimmt, um den Richtungsvektor der Kombination aus dem Arbeitsmodul 3' und dem Arbeitsgerät 30 tangential zur Leitlinie auszurichten. Zudem speichert das Kontrollelement 17' Informationen 43 über notwendige Fahrzustände beziehungsweise Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände verschiedener Bereiche des Feldes und damit von Bereichen 45 mit verschiedenen identifizierten Fahrzuständen innerhalb einer Datenbank der Zustandsüberwachung und sendet die Informationen 43 an das Element 41 zur Bestimmung des Musters der Leitlinien. Das Element 41 liefert wiederum eine vorgegebene Leitlinie 44 an das Kontrollelement 17', um den Richtungsvektor der Kombination aus dem Arbeitsmodul 3' und dem Arbeitsgerät 30 zu bestimmen.
Das Regelungssystem 42 des Steuerungsblockes 34 berechnet anhand der vom Kontrollelement 17' übertragenen Führungsgrößen 23', der vom Informationsverarbeitungssystem 2' übertragenen Informationen 21' über die notwendigen Fahrzustände und der Messsignale 20' der Sensoren des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgeräts 30 die Stellgrößen 22'. Die Stellgrößen 22' werden an das Arbeitsmodul 3' und das Arbeitsgerät 30 übertragen. Das Regelungssystem 42 kompensiert zudem die Rückkopplung aller wichtigen Störgrößen, insbesondere der Lastdrehmomente. Die gemessenen Signale der Drehzahlen der Antriebe 35, 36 und der Werkzeuge 37, die von der Antenne 33 ermittelten Koordinaten des Arbeitsmoduls 3' und die von Drehratesensoren ermittelte Gierwinkelgeschwindigkeit des Arbeitsmoduls 3' sowie des Arbeitsgerätes 30 werden als Messsignale 20' an das Regelungssystem 42 übertragen. Die Kompensation der Rückkopplung erfolgt mittels Aufnahme des identifizierten Lastdrehmoments in das Stellsignal des Regelungssystems 42.
Das Arbeitsmodul 3' und das Arbeitsgerät 30 empfangen wiederum die vom Regelungssystem 42 des Steuerungsblocks 34 ausgesendeten Stellgrößen 22', das heißt insbesondere die Lastdrehmomente der Antriebe 35, 36 und der Werkzeuge 37.
Aus 5 geht ein Funktionaldiagramm des Informationsverarbeitungssystems 2, 2' der Vorrichtung 1, 1' mit dem Kontrollelement 17, 17' und dem Fahrzeug 3 beziehungsweise dem Arbeitsmodul 3' hervor.
Das Kontrollelement 17, 17' empfängt die Informationen 18, 18' der identifizierten Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände von einem Echtzeitidentifikationssystem 60 zur Einschätzung des Fahrzeugzustands und berechnet die Führungsgrößen 23, 23', wie den optimalen Arbeitszustand in Form der Antriebsleistung und optional in Form der Verteilung der Antriebsleistung. Das Echtzeitidentifikationssystem 60 identifiziert die Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände anhand der Messsignale 19, 19' der Antriebsdrehzahl und der Fahrgeschwindigkeit, sowie der Hilfssignale 58 der optional gemessenen, berechneten oder identifizierten Stützkräfte, der berechneten dynamischen Rollradien und weiterer Signale beziehungsweise maschinenspezifischer Parameter. Vom Echtzeitidentifikationssystem 60 werden die identifizierten Lastdrehmomente und Querkräfte als Informationen 59 der Fahrzustände an das Regelungssystem 11, 42 und die identifizierten Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände sowie die entsprechende Nutzleistung und Verlustleistung als Informationen 18, 18' an das Kontrollelement 17, 17' übertragen. Das Echtzeitidentifikationssystem 60 ist nach der Ausführungsform gemäß 5 aus einem echtzeitfähigen Zustandsbeobachtungselement 50, einem Adaptionselement 52 sowie einem Fuzzy-Logik-Kontrollelement 55 ausgebildet. Das Echtzeitidentifikationssystem 60 kann dabei auch lediglich ein Zustandsbeobachtungselement 50 oder ein Zustandsbeobachtungselement 50 mit einem Adaptionselement 52 oder einem Fuzzy-Logik-Kontrollelement 55 aufweisen. Das echtzeitfähige Zustandsbeobachtungselement 50 ist beispielsweise als ein Sigma-Punkt-Kalman-Filter ausgebildet. Das Zustandsbeobachtungselement 50 sendet Informationen 51 zum aktuellen Fehler der Identifikation beziehungsweise zur Abweichung zwischen den vorhergesagten und gemessenen Raddrehzahlen und Fahrgeschwindigkeiten an das Adaptionselement 52. Zusätzlich werden, insbesondere bei der Ausführungsform gemäß der 3a bis 3c, mit Hilfe des Zustandsbeobachtungselementes 50 anhand von mit Drehratesensoren ermittelten Gierwinkelgeschwindigkeiten des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgerätes 30 sowie anhand von mit Beschleunigungssensoren ermittelten Längsbeschleunigungen und Querbeschleunigungen des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgerätes 30 Schwimmwinkel des Arbeitsmoduls 3' und des Arbeitsgerätes 30 eingeschätzt. Der Schwimmwinkel ist dabei der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung und der Längsachse des Arbeitsmoduls 3' beziehungsweise des Arbeitsgerätes 30.
Das Adaptionselement 52 berechnet anhand der vom Zustandsbeobachtungselement 50 gesendeten Informationen 51 zum Fehler der Identifikation und vom Fuzzy-Logik-Kontrollelement 55 gesendeten Anpassungsfaktoren 54 einen Adaptionsfaktor 53 in Form einer Matrix für interne Parameter des Zustandsbeobachtungselementes 50. Das Fuzzy-Logik-Kontrollelement 55 zur Anpassung der Adaption erzeugt einen Anpassungsfaktor 54 für das Adaptionselement 52 anhand eines Takagi-Sugeno-Fuzzy-Inference-Systems, welches wiederum die Messsignale 19, 19' der Antriebsdrehzahl und der Fahrgeschwindigkeit empfängt und quantifiziert. Die quantifizierten Größen werden vom Fuzzy-Inference-System zum Klassifizieren des aktuellen Fahrzustands, gekennzeichnet durch starke Dynamik, stationären Modus oder einen Messfehler, und zum Berechnen der entsprechenden Anpassungsfaktor 54 verwendet.
Neben den Messsignalen 19, 19' der Antriebsdrehzahl und der Fahrgeschwindigkeit an das Echtzeitidentifikationssystem 60 beziehungsweise an das Zustandsbeobachtungselement 50 und das Fuzzy-Logik-Kontrollelement 55 werden vom Fahrzeug 3 beziehungsweise vom Arbeitsmodul 3' optional auch Messsignale 56 der Stützkraft am vorderen Fahrwerk und/oder der Zugkraft an ein Hilfs-Informationsverarbeitungssystem 57 übertragen, um mit dem Hilfs-Informationsverarbeitungssystem 57 alle Stützkräfte und dynamischen Rollradien zu berechnen, welche als Hilfssignale 58 an das Echtzeitidentifikationssystem 60 beziehungsweise an das Zustandsbeobachtungselement 50 gesendet werden können.
Das Hilfs-Informationsverarbeitungssystem 57 kann dabei auf verschiedene Weisen ausgebildet sein. Dabei können zum Beispiel verschiedene empirische Formeln und Ansätze zur Einschätzung der Rollradien sowie zur Bestimmung der Stützkräfte benutzt werden.
Das Regelungssystem 11, 42 regelt die Antriebsdrehmomente an den Antrieben 7, 8, 35, 36 und den Werkzeugen 37, um die entsprechende optimale Antriebsleistung zu erreichen und den entsprechenden Richtungsvektor einzustellen.
Bezugszeichenliste

1, 1': Vorrichtung
2, 2': Informationsverarbeitungssystem
3: Fahrzeug
3': Arbeitsmodul
4, 5': Sensor, Fahrgeschwindigkeitssensor
6: Sensor, Stützkraftsensor am Fahrgestell
7, 8': Sensor, Antriebsdrehzahlsensor
9, 10': Antrieb
11: Regelungssystem, Antriebsregelungssystem
12: Kraftheber
13: Sensor, Zugkraftsensor
14: Regelungssystem, Hubwerkregelungssystem
15, 15': Bediener
16, 16': Kommando der gewählten Einsatzstrategie
17, 17': Kontrollelement zur Berechnung von Führungsgrößen
18, 18': Informationen an Kontrollelement 17, 17'
19, 19': Messsignale an Informationsverarbeitungssystem 2, 2'
20, 20': Messsignale an Regelungssystem 11, 14, 42
21, 21': Informationen an Regelungssystem 11, 14, 42
22, 22': Stellgröße vom Regelungssystem 11, 14, 42
23, 23': Führungsgröße an Regelungssystem 11, 14, 42
24, 24': Information über Fahrzustände an Bediener 15, 15'
25: Stellsignale vom Bediener 15, 15'
30: Arbeitsgerät
31: Tank mit Arbeitsmaterial
32: Energieversorgungsblock
33: Antenne
34: Steuerungsblock mit Informationsverarbeitungssystem 2'
35: Antrieb des Arbeitsmoduls 3'
36: Antrieb des Arbeitsgeräts 30
37: angetriebene Werkzeuge
40: Information zur Auswahl des Musters von Leitlinien
41: Element zur Bestimmung des Musters der Leitlinien
42: Regelungssystem
43: Informationen zu notwendigen Fahrzuständen
44: vorgegebene Leitlinie
45: Bereiche mit verschiedenen identifizierten Fahrzuständen
50: echtzeitfähiges Zustandsbeobachtungselement
51: Informationen zum aktuellen Fehler der Identifikation
52: Adaptionselement
53: Adaptionsfaktor
54: Anpassungsfaktor
55: Fuzzy-Logik-Kontrollelement
56': Messsignale
57: Hilfs-Informationsverarbeitungssystem
58: Hilfssignale der Stützkräfte und dynamischen Rollradien
59: Informationen zu Fahrzuständen
60: Echtzeitidentifikationssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007030168 A1 [0008]
DE 4134831 A1 [0011]

Claims

Vorrichtung (1, 1'), insbesondere Arbeitsmaschine, landwirtschaftliche Erntemaschine oder Zugmaschine, aufweisend – als Aktuatoren ausgebildete Antriebe (9, 10, 35, 36, 37), welche jeweils mit einem angetriebenen Element gekoppelt sind, wobei das angetriebene Element mit dem Boden in Eingriff steht, – Sensoren (4, 5, 6, 7, 8, 13) zur Bestimmung von Vortriebskräften und Bewegungswiderständen, – ein Informationsverarbeitungssystem (2, 2'), ein Kontrollelement (17, 17') und mindestens ein Regelungssystem (11, 14, 42) dadurch gekennzeichnet, dass – das Informationsverarbeitungssystem (2, 2') und das Kontrollelement (17, 17') in Kombination derart konfiguriert sind, mittels modell-basierter Identifikationsverfahren und mathematischer Modelle eine Führungsgröße (23, 23') zu ermitteln, – das Regelungssystem (11, 14, 42) mit dem Informationsverarbeitungssystem (2, 2') und dem Kontrollelement (17, 17') derart gekoppelt und ausgebildet ist, die Führungsgröße (23, 23') zu empfangen, eine Stellgröße (22, 22') zu ermitteln und an die Aktuatoren zu übertragen, sowie – das Regelungssystem (11, 14, 42) derart konfiguriert ist, eine Antriebsleistung auf Basis einer dynamischen Echtzeitidentifikation zu variieren.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1, 1') nach Anspruch 1, aufweisend folgende Schritte: – Aufnehmen von Messsignalen mittels Sensoren (4, 5, 6, 7, 8, 13) und – Übertragen der mit den Sensoren (4, 5, 6, 7, 8, 13) aufgenommenen Messsignale (19, 19', 20, 20') an ein Informationsverarbeitungssystem (2, 2') und mindestens ein Regelungssystem (11, 14, 42), – Berechnen eines Antriebsschlupfes zur Charakterisierung von Schlupfverlusten, welche in eine Berechnung einer Verlustleistung eingehen, – Auswerten der Messsignale (19, 19') im Informationsverarbeitungssystem (2, 2') zur Bestimmung von Vortriebskräften und Bewegungswiderständen sowie einer momentanen Nutzleistung und einer momentanen Verlustleistung zur Charakterisierung eines aktuellen Fahrzustands der Vorrichtung (1, 1') anhand der Wirkung zwischen Antrieben (9, 10, 35, 36, 37) und dem Boden, – Übertragen der Informationen (18, 18', 21, 21') zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung (1, 1') an ein Kontrollelement (17, 17') und mindestens ein Regelungssystem (11, 14, 42), – Übertragen eines aus einer der Vorrichtung (1, 1') vorgegebenen Einsatzstrategie resultierenden Kommandos (16, 16') an das Kontrollelement (17, 17'), – Berechnen einer optimalen Antriebsleistung und/oder Vortriebskräften als Führungsgröße (23, 23') im Kontrollelement (17, 17') und Übertragen der Führungsgröße (23, 23') an mindestens ein Regelungssystem (11, 14, 42), – Ermitteln von Stellgrößen (22, 22') im Regelungssystem (11, 14, 42) und Übertragen der Stellgrößen (22, 22') an die Antriebsleistung und/oder die Vortriebskräfte beeinflussende Komponenten sowie – Einstellen der Antriebsleistung und/oder der Vortriebskräfte mittels des Regelungssystems (11, 14, 42).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Informationsverarbeitungssystems (2, 2') eine Verknüpfung zwischen der Antriebsleistung und den Vortriebskräften, den Bewegungswiderständen sowie der Nutzleistung und der Verlustleistung mit Hilfe von modell-basierten Identifikationsverfahren, basierend auf hinterlegten Kennfeldern und/oder mathematischen Modellen, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Regelungssystem (11, 14, 42) anhand der vom Kontrollelement (17, 17') übertragenen Führungsgröße (23, 23'), der vom Informationsverarbeitungssystem (2, 2') übertragenen Informationen (21, 21') über die Fahrzustände der Vorrichtung (1, 1') und der Messsignale (20, 20') der Sensoren die Stellgrößen (22, 22') berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilung der Vortriebskräfte berechnet wird und die Vortriebskraft der Antriebe (35, 36) derart geregelt wird, den geforderten Richtungsvektor einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Elements (41) Leitlinien, entsprechend eines von einem Bediener (15') ausgewählten Musters, bestimmt werden, wobei vom Informationsverarbeitungssystem (2') gelieferte Informationen (43) über Vortriebskräfte und Bewegungswiderstände auf Gebieten des zu bearbeitenden Bereichs im Element (41) kartiert werden.
Informationsverarbeitungssystem (2, 2') einer Vorrichtung (1, 1'), insbesondere einer Arbeitsmaschine, einer landwirtschaftlichen Erntemaschine oder einer Zugmaschine, aufweisend ein Echtzeitidentifikationssystem (60) mit einem echtzeitfähigen Zustandsbeobachtungselement (50) zur Einschätzung eines aktuellen Fahrzustands der Vorrichtung (1, 1'), ein Kontrollelement (17, 17') und ein Regelungssystem (11, 42), wobei das Zustandsbeobachtungselement (50) derart ausgebildet ist, Messsignale (19, 19') und Hilfssignale (58) zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung (1, 1') zu empfangen, Informationen (18, 18') zu Vortriebskräften und Bewegungswiderständen zu identifizieren und Informationen (51) zu einem aktuellen Fehler der Identifikation zu bestimmen sowie die Informationen (18, 18') zu Vortriebskräften und Bewegungswiderständen an das Kontrollelement (17, 17') und Informationen (59) der Fahrzustände an das Regelungssystem (11, 42) zu senden.
Informationsverarbeitungssystem (2, 2') einer Vorrichtung (1, 1') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfs-Informationsverarbeitungssystem (57) ausgebildet ist, welches derart konfiguriert ist, Messsignale (56) zu empfangen sowie Hilfssignale (58) zu berechnen und an das Zustandsbeobachtungselement (50) zu senden.
Informationsverarbeitungssystem (2, 2') einer Vorrichtung (1, 1') nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das echtzeitfähige Zustandsbeobachtungselement (50) als Sigma-Punkt-Kalman-Filter ausgebildet ist.
Informationsverarbeitungssystem (2, 2') einer Vorrichtung (1, 1') nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Echtzeitidentifikationssystem (60) ein Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55) aufweist, wobei das Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55) derart ausgebildet ist, die Messsignale (19, 19') zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung (1, 1') zu empfangen und in eine für Fuzzy-Logik geeignete Form umzuwandeln sowie einen Anpassungsfaktor (54) zu erzeugen und den Anpassungsfaktor (54) an das Zustandsbeobachtungselement (50) zu senden.
Informationsverarbeitungssystem (2, 2') einer Vorrichtung (1, 1') nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Echtzeitidentifikationssystem (60) ein Adaptionselement (52) aufweist, wobei das Adaptionselement (52) derart ausgebildet ist, die Informationen (51) zum aktuellen Fehler der Identifikation vom Zustandsbeobachtungselement (50) zu empfangen sowie einen Adaptionsfaktor (53) zu berechnen und den Adaptionsfaktor (53) an das Zustandsbeobachtungselement (50) zu senden.
Informationsverarbeitungssystem (2, 2') einer Vorrichtung (1, 1') nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Echtzeitidentifikationssystem (60) ein Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55) und ein Adaptionselement (52) aufweist, wobei – das Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55) derart ausgebildet ist, die Messsignale (19, 19') zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung (1, 1') zu empfangen und in eine für Fuzzy-Logik geeignete Form umzuwandeln sowie einen Anpassungsfaktor (54) zu erzeugen und den Anpassungsfaktor (54) an das Adaptionselement (52) zu senden und – das Adaptionselement (52) derart ausgebildet ist, die Informationen (51) zum aktuellen Fehler der Identifikation vom Zustandsbeobachtungselement (50) und den Anpassungsfaktor (54) vom Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55) zu empfangen sowie einen Adaptionsfaktor (53) zu berechnen und den Adaptionsfaktor (53) an das Zustandsbeobachtungselement (50) zu senden.
Verfahren des Betriebes eines Informationsverarbeitungssystems (2, 2') nach einem der Ansprüche 7 bis 9, aufweisend folgende Schritte: – Empfangen von Messsignalen (19, 19') zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung (1, 1') und Hilfssignalen (58) durch ein echtzeitfähiges Zustandsbeobachtungselement (50) eines Echtzeitidentifikationssystems (60), – Einschätzen eines aktuellen Fahrzustands einer Vorrichtung (1, 1') und Identifizieren von Informationen (18, 18') zu Vortriebskräften und Bewegungswiderständen sowie von Informationen (51) zum aktuellen Fehler der Identifikation durch das Zustandsbeobachtungselement (50), – Senden der Informationen (18, 18') vom Zustandsbeobachtungselement (50) an ein Kontrollelement (17, 17') und von Informationen (59) der Fahrzustände vom Zustandsbeobachtungselement (50) an ein Regelungssystem (11, 42), – Empfangen von Messsignalen (56) und Berechnen der Hilfssignale (58) durch ein Hilfs-Informationsverarbeitungssystem (57) sowie – Senden der Hilfssignale (58) an das Zustandsbeobachtungselement (50).
Verfahren des Betriebes nach Anspruch 13 eines Informationsverarbeitungssystems (2, 2') nach Anspruch 10, aufweisend folgende zusätzliche Schritte: – Empfangen der Messsignale (19, 19') zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung (1, 1') und Umwandeln der Messsignale (19, 19') in eine für Fuzzy-Logik geeignete Form, – Erzeugen eines Anpassungsfaktors (54) und – Senden des Anpassungsfaktors (54) an das Zustandsbeobachtungselement (50) durch ein Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55) des Echtzeitidentifikationssystems (60).
Verfahren des Betriebes nach Anspruch 13 eines Informationsverarbeitungssystems (2, 2') nach Anspruch 11, aufweisend folgende zusätzliche Schritte: – Empfangen der Informationen (51) zum aktuellen Fehler der Identifikation, – Berechnen eines Adaptionsfaktors (53) sowie – Senden des Adaptionsfaktors (53) an das Zustandsbeobachtungselement (50) durch ein Adaptionselement (52) des Echtzeitidentifikationssystems (60).
Verfahren des Betriebes nach Anspruch 13 eines Informationsverarbeitungssystems (2, 2') nach Anspruch 12, aufweisend folgende zusätzliche Schritte: – Empfangen der Messsignale (19, 19') zum aktuellen Fahrzustand der Vorrichtung (1, 1') und Umwandeln der Messsignale (19, 19') in eine für Fuzzy-Logik geeignete Form, – Erzeugen eines Anpassungsfaktors (54) und – Senden des erzeugten Anpassungsfaktors (54) an ein Adaptionselement (52) durch ein Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55) des Echtzeitidentifikationssystems (60) sowie – Empfangen der Informationen (51) zum aktuellen Fehler der Identifikation des Zustandsbeobachtungselements (50) und des Anpassungsfaktors (54) vom Fuzzy-Logik-Kontrollelement (55), – Berechnen eines Adaptionsfaktors (53) und – Senden des Adaptionsfaktors (53) an das Zustandsbeobachtungselement (50). durch ein Adaptionselement (52) des Echtzeitidentifikationssystems (60).