DE102016014759A1

DE102016014759A1 - Verfahren und System zur Schätzung eines Winkels sowie Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102016014759A1
Application number: DE102016014759.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wolff; Alexander Johannes Sema
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2016-12-10
Filing date: 2016-12-10
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Ein Verfahren zur Schätzung eines Winkels θ̂zwischen mindestens einem Paar von Gliedern einer kinematischen Kette, die über eine Gelenkstelle schwenkbar miteinander verbunden sind und denen jeweils eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung einen Drehraten- und einen Beschleunigungssensor aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten:- Messen der Winkelgeschwindigkeitenund der Beschleunigungendes ersten und des zweiten Gliedes durch den jeweils zugeordneten Drehraten- und Beschleunigungssensor,- Schätzen der Ableitung der Winkelgeschwindigkeitendes ersten und des zweiten Gliedes, basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeitendurch einen Schätzalgorithmus (110), und- Ermitteln des Winkels θ̂, basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeitenden gemessenen Beschleunigungenund den geschätzten Ableitungen der Winkelgeschwindigkeitenunter Verwendung eines Bewegungsmodells (112) der kinematischen Kette.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Winkels zwischen mindestens einem Paar von Gliedern einer kinematischen Kette, nämlich einem ersten Glied und einem zweiten Glied, die über eine Gelenkstelle schwenkbar miteinander verbunden sind und denen jeweils eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein System zur Schätzung eines Winkels und eine Arbeitsmaschine.
Durch die US 2016/0160472 A1 ist eine mobile Arbeitsmaschine mit einem System sowie einem zugehörigen Schätzverfahren zur Positionsbestimmung eines Gliedes eines zweigliedrigen Arbeitsarms in Relation zu dem anderen Glied des Arbeitsarms bekannt, der mit seinem einen freien Ende mit einem Oberwagen der Arbeitsmaschine gelenkig verbunden und an seinem anderen freien Ende ein bewegbares Werkzeug, wie eine Baggerschaufel, trägt. An den beiden über eine Gelenkstelle schwenkbar miteinander gekoppelten Gliedern des Arbeitsarms ist in der Nähe der Gelenkstelle jeweils ein als Beschleunigungssensor ausgebildeter Neigungswinkelsensor vorhanden. Die beiden Beschleunigungssensoren, die von einer Bauart sind, messen die Beschleunigung des jeweiligen Arbeitsarms und übermitteln diese einer Recheneinheit des Systems, die unter anderem zur Verarbeitung der Positionsdaten der Sensoren dient und basierend auf diesen die Position des einen Gliedes in Relation zu der Position des anderen Gliedes, insbesondere durch das Bilden der Differenz zwischen den Positionsdaten der Sensoren, berechnet.
Bei der bekannten Lösung sind die beiden vorstehend genannten Beschleunigungssensoren paarweise zwingend räumlich eng beieinander anzuordnen, damit sie etwaig auftretenden Störfaktoren gleichermaßen ausgesetzt sind, wie Vibrationen oder sonstigen ungewollt auftretenden Bewegungen am Arbeitsarm, die sie messtechnisch auch jeweils erfassen, und die sich hieraus ergebenden Fehlergrößen lassen sich bei der anschließenden Differenzbildung der erhaltenen Messwerte beider Sensoren im Rahmen des bekannten Schätzverfahrens eliminieren. Um die paarweise zusammenwirkenden Beschleunigungssensoren, die an jeweils einem Glied oder Armteil des Arbeitsarmes angeordnet sind, benachbart zueinander anordnen zu können, müssen diese dann zwangsläufig in der Nähe einer Gelenkstelle am Arbeitsarm vorgesehen sein. Dort sind sie aber regelmäßig einer erhöhten Verschmutzung durch etwaiges Austreten von Schmierstoffen an der Gelenkstelle sowie der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt durch bewegbare Komponenten der Arbeitsmaschine, wie hydraulische Arbeitszylinder und Hydraulikleitungen. Sofern weiter Elektroleitungen an der genannten Gelenkstelle vorbeizuführen sind, kann es im Betrieb zu Störfeldern kommen, die die Messwerterfassung durch das jeweilige Paar von Beschleunigungssensoren beeinträchtigen kann. Dadurch, dass nur eine Art von Beschleunigungssensoren eingesetzt wird, ist darüber hinaus die Güte der Messwerterfassung beeinträchtigt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Konzept zur Schätzung des Bewegungszustandes des Arbeitsarmes bei einer Arbeitsmaschine der betrachteten Art, ohne Informationen über die eigentliche Steuerung seitens der Arbeitsmaschine zu erhalten, zur Verfügung zu stellen.
Eine dahingehende Aufgabe löst ein Verfahren zur Schätzung eines Winkels mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein System mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 sowie eine Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 10.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Sensoreinrichtung einen Drehratensensor und einen Beschleunigungssensor aufweist und die Winkelbestimmung mit den Verfahrensschritten

- Messen der Winkelgeschwindigkeit des ersten Gliedes und des zweiten Gliedes durch den jeweils zugeordneten Drehratensensor und Messen der Beschleunigung des ersten Gliedes und des zweiten Gliedes durch den jeweils zugeordneten Beschleunigungssensor,
- Schätzen der Ableitung der Winkelgeschwindigkeit des ersten Gliedes und des zweiten Gliedes, basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeiten, durch einen Schätzalgorithmus, und
- Ermitteln des Winkels zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied, basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeiten, den gemessenen Beschleunigungen und den geschätzten Ableitungen der Winkelgeschwindigkeiten, unter Verwendung eines Bewegungsmodells der kinematischen Kette,

Dieses Verfahren ist mittels des Systems gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9 durchführbar. Der unabhängige, eine Arbeitsmaschine betreffende Patentanspruch 10 bezieht ein mittels des Systems nach Patentanspruch 9 durchgeführtes Verfahren nach Patentanspruch 1 mit ein.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Arbeitsmaschine mit einem System zur Positionsschätzung eines Gliedes eines zweigliedrigen Arbeitsarmes der Arbeitsmaschine in Relation zu einem anderen Glied des Arbeitsarms nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung der Arbeitsmaschine mit einem erfindungsgemäßen System zur Schätzung eines Winkels zwischen dem einen Glied des zweigliedrigen Arbeitsarmes der Arbeitsmaschine und dem anderen Glied des Arbeitsarms;
3 eine schematische Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schätzung eines Winkels zwischen dem einen Glied des zweigliedrigen Arbeitsarmes der Arbeitsmaschine und dem anderen Glied des Arbeitsarms unter Verwendung eines Komplementärfilters; und
4 eine schematische Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schätzung eines Winkels zwischen dem einen Glied des zweigliedrigen Arbeitsarmes der Arbeitsmaschine und dem anderen Glied des Arbeitsarms unter Verwendung eines Kalman-Filters.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Positionsschätzung eines ersten Gliedes 12 eines zweigliedrigen Arbeitsarmes 14 einer Arbeitsmaschine 16 in Relation zu einen zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14 nach dem Stand der Technik ( US 2016/0160472 A1 ) gezeigt. Die Arbeitsmaschine 16 ist als Bagger mit dem mehrgliedrigen Arbeitsarm 14 ausgebildet, der mit seinem einen freien Ende mit einem Oberwagen 20 der Arbeitsmaschine 16 gelenkig verbunden ist und an seinem anderen freien Ende ein bewegbares Werkzeug 22, wie beispielsweise eine Baggerschaufel, trägt. Das erste Glied 12 des Arbeitsarmes 14 ist mit dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarmes 14 über eine Gelenkstelle 24 schwenkbar verbunden.
Eine in 1 nicht näher dargestellte Betätigungseinrichtung steuert die einzelnen Glieder 12, 18 des Arbeitsarmes 14 mittels hydraulischer Aktuatoren 26 in Form von hydraulischen Arbeitszylindern in aus dem Stand der Technik bekannter, üblicher Art und Weise an.
Das System 10 zur Positionsschätzung des ersten Gliedes 12 in Relation zu dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14 nach dem Stand der Technik umfasst eine Recheneinheit 28 und zwei mit der Recheneinheit 28 kommunizierend gekoppelte, als Beschleunigungssensoren ausgebildete Neigungswinkelsensoren 30, 32 gleicher Bauart, von denen der eine Sensor 30 an dem ersten Glied 12 und der andere Sensor 32 an dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarmes 14 ortsnah zueinander angeordnet ist.
Zur Bestimmung der Position des ersten Gliedes 12 in Relation zu dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14 nach dem Stand der Technik werden die Messwerte des am ersten Glied 12 angeordneten Sensors 30, der die Neigung des ersten Gliedes 12 in Relation zu der Schwerkraft erfasst, und des am zweiten Glied 18 angeordneten Sensors 32, der die Neigung des zweiten Gliedes 18 in Relation zur Schwerkraft erfasst, an die Recheneinheit 28 weitergeleitet, die unter anderem zur Verarbeitung der Positionsdaten der Sensoren 30, 32 dient und basierend auf diesen die Position des ersten Gliedes 12 in Relation zu der Position des zweiten Gliedes 18 bestimmt. Dabei wird insbesondere die Differenz zwischen den Positionsdaten der Sensoren 30, 32 gebildet. Hierfür ist von ganz besonderer Bedeutung, dass die Sensoren 30, 32 paarweise räumlich eng beieinander angeordnet sind, gezwungenermaßen in unmittelbarer Nähe der die beiden Glieder 12, 18 des Arbeitsarms 14 schwenkbar verbindenden Gelenkstelle 24, damit die Sensoren 30, 32 etwaig auftretenden Störfaktoren gleichermaßen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Vibrationen oder sonstigen ungewollt auftretenden Bewegungen am Arbeitsarm 14. Die sich aus diesen Störfaktoren ergebenden Fehlergrößen lassen sich bei einer derartigen Anordnung mittels der anschließenden Differenzbildung der erhaltenen Messwerte beider Sensoren 30, 32 im Rahmen des bekannten Schätzverfahrens entsprechend eliminieren, wobei mit zunehmendem Abstand der beiden Sensoren 30, 32 voneinander, die Genauigkeit der Positionsbestimmung des ersten Gliedes 12 in Relation zu dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14 abnimmt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird nunmehr die erfindungsgemäße Lösung anhand der 2 ff. näher beschrieben. Sofern für nachfolgend beschriebene Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden wie für die bekannte Lösung, gelten die insoweit bisher getroffenen Ausführungen entsprechend auch für die erfindungsgemäße Lösung.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 100 zur Schätzung eines Winkels θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied 12 des zweigliedrigen Arbeitsarmes 14 der Arbeitsmaschine 16 und einem zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14, das sich von der bekannten Lösung nach 1 wesentlich unterscheidet. So weist das erfindungsgemäße System 100 eine Recheneinheit 102 und jeweils eine dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14 zugeordnete, bspw. am jeweiligen Arbeitsarm angeordnete, Sensoreinrichtung 104 auf, die in einem handelbaren Gehäuse zusammengefasst, einen Drehratensensor 106 und einen Beschleunigungssensor 108 umfasst. Die Recheneinheit 102 ist mit den Drehratensensoren 106 und den Beschleunigungssensoren 108 der gezeigten beiden Sensoreinrichtungen 104 kommunizierend gekoppelt und dient zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schätzung des Winkels θ̂_i,inv (s. 3 und 4) zwischen dem ersten Glied 12 des zweigliedrigen Arbeitsarmes 14 und dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14. Der jeweilige Drehratensensor 106 ist als dreiachsiges mikro-elektro-mechanisches Gyroskop ausgebildet, durch den zumindest drei rotatorische Freiheitsgrade bestimmbar sind, und der jeweilige Beschleunigungssensor 108 ist vorzugsweise dreiachsig mikro-elektro-mechanisch ausgebildet, durch den zumindest drei weitere Freiheitsgrade bestimmbar sind, und zwar derart, dass die jeweilige Sensoreinrichtung 104 eine inertiale Messeinheit mit zumindest sechs Freiheitsgraden ausbildet.
3 und 4 zeigen eine schematische Blockdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schätzung des Winkels θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied 12 des zweigliedrigen Arbeitsarmes 14 der Arbeitsmaschine 16 und dem zweiten Glied 18 des Arbeitsarms 14. In einem ersten Verfahrensschritt werden die Winkelgeschwindigkeit $ω_{i}^{i},$
des ersten Gliedes 12 und die Winkelgeschwindigkeit $ω_{i - 1}^{i - 1},$
des zweiten Gliedes 18 durch den jeweils zugeordneten Drehratensensor 106 sowie die Beschleunigung $a_{i}^{i}$
des ersten Gliedes 12 und die Beschleunigung $a_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes 18 durch den jeweils zugeordneten Beschleunigungssensor 108 gemessen. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Ableitung der Winkelgeschwindigkeit ${\dot{ω}}_{i}^{i}$
des ersten Gliedes 12 und die Ableitung der Winkelgeschwindigkeit ${\dot{ω}}_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes 18, basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1},$
durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Schätzalgorithmus 110, wie beispielsweise durch einen Kalman-Filter, geschätzt. In einem dritten Verfahrensschritt wird der Winkel θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18, basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1},$
den gemessenen Beschleunigungen $a_{i}^{i},$
$a_{i - 1}^{i - 1}$
und den geschätzten Ableitungen der Winkelgeschwindigkeiten ${\dot{ω}}_{i}^{i},$
${\dot{ω}}_{i - 1}^{i - 1}$
unter Verwendung eines Bewegungsmodells 112 des mehrgliedrigen Arbeitsarms 14 ermittelt. In diesen Verfahrensschritten finden durch die Drehratensensoren 106 gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1}$
in jeweils drei Freiheitsgraden und die durch die Beschleunigungssensoren 108 gemessenen Beschleunigungen $a_{i}^{i},$
$a_{i - 1}^{i - 1}$
in jeweils drei Freiheitsgraden Verwendung.
Zur Erstellung des Bewegungsmodells 112 des Arbeitsarms 14 im Sinne einer Beschreibung der Bewegungszustände des Arbeitsarmes 14 wird der physikalische Aufbau der Arbeitsmaschine 16, insbesondere des Arbeitsarmes 14 der Arbeitsmaschine 16 betrachtet und vorzugsweise die Bewegung für jedes Gelenk 12, 18 des Arbeitsarmes 14 einzeln hergeleitet. Die Darstellung der Bewegung bezogen auf jedes Gelenk einzeln hat zum Vorteil, dass das Modell 112 an eine unterschiedliche Anzahl von Gliedern schnell anpassbar ist, dass die relativen Winkel θ̂_i,inv, θ̂_i der Glieder zueinander direkt berechnet werden können, und dass das Modell 112 eine geringe Komplexität aufweist. In das Bewegungsmodell 112 fließen insbesondere die Bewegungsmöglichkeiten der Arbeitsmaschine 16, die Länge der einzelnen Glieder 12, 18 des Arbeitsarmes 14 sowie ihre Bewegungsmöglichkeiten zueinander und in Relation zu dem Oberwagen 20 mit ein.
Hierbei ist von ganz besonderer Bedeutung, dass das voranstehend genannte Verfahren eine Anordnung der jeweiligen Sensoreinrichtung 104 in beliebigem Abstand zu der jeweiligen Gelenkstelle 24 an dem jeweiligen Arbeitsarm 14 erlaubt.
Darüber hinaus können Fehler bei der Bestimmung des Winkels θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18, insbesondere Fehler bei der Schätzung der Ableitungen der gemessenen Winkelgeschwindigkeiten ${\dot{ω}}_{i}^{i},$
${\dot{ω}}_{i - 1}^{i - 1},$
durch einen Referenzwinkel θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 kompensiert werden, der durch Integration der Differenz zwischen der gemessenen Winkelgeschwindigkeit $ω_{i}^{i}$
des ersten Gliedes 12 und der gemessenen Winkelgeschwindigkeit $ω_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes 18 in Block 114 ermittelt wird. Zur Bestimmung des Referenzwinkels θ̂_i,int werden die durch die Drehratensensoren 106 gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1}$
jeweils in einem Freiheitsgrad verwendet.
Der Winkel θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 und der Referenzwinkel θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 werden entweder, wie in 3 gezeigt, einem Komplementärfilter 116 oder, wie in 4 gezeigt, einem weiteren Kalman-Filter 122 zugeführt, wodurch nicht nur die voranstehend genannten Fehler bei der Schätzung der Ableitungen der gemessenen Winkelgeschwindigkeiten ${\dot{ω}}_{i}^{i},$
${\dot{ω}}_{i - 1}^{i - 1}$
bei der Ermittlung des Winkels θ̂_i,inv kompensierbar sind, sondern auch Fehler bei der Integration der Differenz zwischen der gemessenen Winkelgeschwindigkeit $ω_{i}^{i}$
des ersten Gliedes 12 und der gemessenen Winkelgeschwindigkeit $ω_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes 18 bei der Ermittlung des Referenzwinkels θ̂_i,int.
Das Komplementärfilter (3) ist als Wiener Filter mit zwei Eingängen, einem Tiefpass-Filter 118 und einem Hochpass-Filter 120, vorzugsweise jeweils erster Ordnung, ausgebildet. Der ermittelte Winkel θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 wird dem Eingang des Komplementärfilters 116, der an den Tiefpass 118 angeschlossen ist, und der Referenzwinkel θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 wird dem anderen Eingang des Komplementärfilters 116, der an den Hochpass 120 angeschlossen ist, zugeführt.
Dem Ausgang des Komplementärfilters 116 (3) oder des weiteren Kalman-Filters 122 (4) ist der korrigierte, geschätzte Winkel θ̂_i zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 entnehmbar.
Vorzugsweise wird der Winkel θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 aus in jeweils drei Freiheitsgraden durch die Drehratensensoren 106 gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1}$
und in jeweils drei Freiheitsgraden durch die Beschleunigungssensoren 108 gemessenen Beschleunigungen $a_{i}^{i},$
$a_{i - 1}^{i - 1}$
ermittelt und der Referenzwinkel θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied 12 und dem zweiten Glied 18 aus in jeweils einem Freiheitsgrad durch die Drehratensensoren 106 gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1}$
bestimmt.
Auch liegen noch Lösungen im Bereich der Erfindung mit Drehratensensoren mit zwei Freiheitsgraden und Beschleunigungssensoren mit einem Freiheitsgrad.
Die Ermittlung des Winkels θ̂_i,inv, θ̂_i zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied wird informationsfrei hinsichtlich einer Ansteuerung der Glieder 12, 18 des Arbeitsarms 14 durch die Aktuatoren 26 der Arbeitsmaschine durchgeführt, wodurch der jeweilige Winkel θ̂_i,inv, θ̂_i durch das voranstehend genannte erfindungsgemäße Verfahren basierend auf einer passiven Beobachtung des Arbeitsarms 14 ermittelt wird. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0160472 A1 [0002, 0009]

Claims

Verfahren zur Schätzung eines Winkels θ̂_i,inv zwischen mindestens einem Paar von Gliedern (12, 18) einer kinematischen Kette (14), nämlich einem ersten Glied (12 und einem zweiten Glied (18), die über eine Gelenkstelle (24) schwenkbar miteinander verbunden sind und denen jeweils eine Sensoreinrichtung (104) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (104) einen Drehratensensor (106) und einen Beschleunigungssensor (108) aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: - Messen der Winkelgeschwindigkeit $ω_{i}^{i}$
des ersten Gliedes (12) und der Winkelgeschwindigkeit $ω_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes (18) durch den jeweils zugeordneten Drehratensensor (106) und Messen der Beschleunigung $a_{i}^{i}$
des ersten Gliedes (12) und der Beschleunigung $a_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes (18) durch den jeweils zugeordneten Beschleunigungssensor (108), - Schätzen der Ableitung der Winkelgeschwindigkeit ${\dot{ω}}_{i}^{i}$
des ersten Gliedes (12) und der Ableitung der Winkelgeschwindigkeit ${\dot{ω}}_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes (18), basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1},$
durch einen Schätzalgorithmus (110), und - Ermitteln des Winkels θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18), basierend auf den gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1},$
den gemessenen Beschleunigungen $a_{i}^{i},$
$a_{i - 1}^{i - 1}$
und den geschätzten Ableitungen der Winkelgeschwindigkeiten ${\dot{ω}}_{i}^{i},$
${\dot{ω}}_{i - 1}^{i - 1},$
unter Verwendung eines Bewegungsmodells (112) der kinematischen Kette (14).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Sensoreinrichtung (104) in beliebigem Abstand zu der jeweiligen Gelenkstelle (24) angeordnet wird, wobei der Abstand in das Bewegungsmodell (112) der kinematischen Kette (14) miteinfließt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Referenzwinkels θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18) die Differenz zwischen der gemessenen Winkelgeschwindigkeit $ω_{i}^{i}$
des ersten Gliedes (12) und der gemessenen Winkelgeschwindigkeit $ω_{i - 1}^{i - 1}$
des zweiten Gliedes (18) integriert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18) aus in jeweils mindestens einem Freiheitsgrad durch die Drehratensensoren (106) gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1}$
und in jeweils mindestens einem Freiheitsgrad durch die Beschleunigungssensoren (108) gemessenen Beschleunigungen $a_{i}^{i},$
$a_{i - 1}^{i - 1}$
ermittelt wird und der Referenzwinkel θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18) aus in jeweils einem Freiheitsgrad durch die Drehratensensoren (106) gemessenen Winkelgeschwindigkeiten $ω_{i}^{i},$
$ω_{i - 1}^{i - 1}$
bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere zur Kompensation von Fehlern bei der Integration und der Schätzung der Ableitung der gemessenen Winkelgeschwindigkeiten ${\dot{ω}}_{i}^{i},$
${\dot{ω}}_{i - 1}^{i - 1},$
der Winkel θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18) und der Referenzwinkel θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18 einem Komplementärfilter (116) oder einem weiteren Kalman-Filter (122) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Komplementärfilter (116) als Wiener Filter mit zwei Eingängen, einem Tiefpass-Filter (118) und einem Hochpass-Filter (120), vorzugsweise jeweils erster Ordnung, ausgebildet ist, dass der ermittelte Winkel θ̂_i,inv zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18) dem einen Eingang des Komplementärfilters (116), der an den Tiefpass (118) angeschlossen ist, zugeführt wird, und dass der Referenzwinkel θ̂_i,int zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18) dem andere Eingang des Komplementärfilters (116), der an den Hochpass (120) angeschlossen ist, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen dem ersten Glied (12) und dem zweiten Glied (18) informationsfrei hinsichtlich einer Ansteuerung der Glieder (12, 18) der kinematischen Kette 14 durch Aktuatoren (26) ermittelt wird, so dass der Winkel basierend auf einer passiven Beobachtung der kinematischen Kette (14) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Drehratensensor (106) vorzugsweise als dreiachsiges mikro-elektro-mechanisches Gyroskop ausgebildet ist, durch den zumindest drei rotarische Freiheitsgrade bestimmbar sind und der jeweilige Beschleunigungssensor (108) vorzugsweise dreiachsig mikro-elektro-mechanisch ausgebildet ist, durch den zumindest drei weitere Freiheitsgrade derart bestimmbar sind, dass die Sensoreinrichtung (104) eine inertiale Messeinheit mit zumindest sechs Freiheitsgraden ausbildet.
System (100) zur Schätzung eines Winkels zwischen mindestens einem Paar von Gliedern (12, 18) einer kinematischen Kette (14), nämlich einem ersten Glied (12) und einem zweiten Glied (18), die über eine Gelenkstelle (24) schwenkbar miteinander verbunden sind, wobei das System eine Recheneinheit (28), auf der das Verfahren zur Schätzung des Winkels nach einem der voranstehenden Ansprüche durchführbar ist, und mindestens zwei Sensoreinrichtungen (104) umfasst, von denen eine dem ersten Glied (12) und eine andere dem zweiten Glied (18) zuordenbar ist und die jeweils als Baueinheit in einem handelbaren Gehäuse zusammengefasst einen Drehratensensor (106) und einen Beschleunigungssensor (108) umfassen, wobei die Recheneinheit mit den Drehratensensoren (106) und den Beschleunigungssensoren (108) kommunizierend gekoppelt ist.
Arbeitsmaschine (16), die ein System nach Anspruch 6 aufweist, mit einem Arbeitsarm (14), der mindestens ein Paar von Gliedern (12, 18) aufweist, nämlich ein erstes Glied (12) und ein zweites Glied (18), die über eine Gelenkstelle (24) schwenkbar miteinander verbunden sind, und mindestens zwei Sensoreinrichtungen (104), von denen die eine dem ersten Glied (12) und die andere dem zweiten Glied (18) zugeordnet ist und die jeweils einen Drehratensensor (106) und einen Beschleunigungssensor (108) umfassen.