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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Bekannt sind Mess- und Positionssysteme für Baumaschinen, bei denen mittels Neigungs- oder Winkelsensoren an einem Baggerarm und einer Schaufel deren Position relativ zu einer Kabine oder absolut zur Umgebung oder zum Gelände bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die Position dem Baggerfahrer auf Displays angezeigt werden.
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Ferner sind Messvorrichtungen bekannt, die den Weg von Stellzylindern am Baggerarm mittels induktiver, magnetischer oder ohmscher Messprinzipien bestimmen können. Über die bekannten geometrischen Daten von Baggerarm und Schaufel kann dann auf die Position einer Schneidkante der Zähne der Schaufel relativ zum Fahrzeug geschlossen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms mittels eines an einem Bagger angeordneten LIDAR-Systems, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms mittels eines an einem Bagger angeordneten LIDAR-Systems vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Aussenden einer Mehrzahl von Laserstrahlen, um eine Mehrzahl von Messpunkten am Baggerarm anzustrahlen;
- Empfangen von von den Messpunkten reflektierten Laserstrahlen; und
- Ermitteln einer Position des Baggerarms relativ zu zumindest einem dem Bagger zugeordneten Bezugspunkt unter Verwendung der reflektierten Laserstrahlen.
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Unter einem Bagger kann beispielsweise ein Ein- oder Mehrgefäßbagger, ein Flachbagger, eine Fels- oder Bodenfräse oder ein Saugbagger verstanden werden. Unter einem Baggerarm kann beispielsweise ein hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch verstellbarer Arm verstanden werden. Der Baggerarm kann je nach Ausführungsform zumindest zwei gelenkig miteinander verbundene Teilelemente und ein Anbauteil, etwa eine Schaufel, umfassen. Unter einem LIDAR-System (LIDAR = Light Detection And Ranging) kann ein System zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung unter Verwendung von Laserstrahlen verstanden werden. Das LIDAR-System kann beispielsweise an einer Kabine oder einem Fahrgestell des Baggers angeordnet sein. Unter einem Messpunkt kann beispielsweise ein Punkt an einem Gelenk, einem Stellzylinder oder einer Schaufel des Baggerarms oder auch ein Punkt an einer Zahnspitze eines Schaufelzahns der Schaufel verstanden werden. Der Bezugspunkt kann beispielsweise durch eine Kabine oder ein Fahrgestell des Baggers repräsentiert sein. Unter einem Bezugspunkt kann alternativ auch ein Punkt einer Aufstandsfläche des Baggers verstanden werden.
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Unter einem LIDAR-Messverfahren kann ein optisches Messverfahren zur Ortung und Messung der Entfernung von Objekten im Raum verstanden werden. Dabei können Ultraviolett- oder Infrarotstrahlen oder Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts verwendet werden. Die Entfernung kann beispielsweise durch eine Time-of-Flight-Messung ermittelt werden, bei der ein oder mehrere Lichtpulse ausgesendet und an einem vorhandenen Objekt reflektiert werden. Die Zeit bis zum Empfang des reflektierten Signals ist proportional zur Entfernung des Objekts. Bei einer indirekten Time-of-Flight-Messung kann beispielsweise die Laufzeit des Lichts mithilfe einer Phasenmessung zwischen ausgesandtem und empfangenem Lichtsignal ermittelt werden. Mittels eines LIDAR-Messverfahren können auch Triangulationsverfahren realisiert werden, die insbesondere bei kurzen Distanzen im Sinne einer Rechenbedarfsreduzierung vorteilhaft sein können.
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Grundsätzlich können LIDAR-Sensoren zusätzlich zur reinen Abstandsmessung auch zur eingeschränkten visuellen Erkennung von Objekten verwendet werden. Dabei wird zusätzlich eine Lichtintensität entsprechend ausgewertet.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Position eines Baggerarms unter Verwendung eines LIDAR-Systems mit hoher Genauigkeit bei verhältnismäßig geringem konstruktivem Aufwand ermittelt werden kann. Durch eine optische Sensierung der Baggerarm- oder Schaufelposition mittels LIDAR können beispielsweise eine Position und eine Stellung des Baggerarms bis zur Schnittkante der Zähne einer Schaufel relativ zur Kabine, zum Bagger oder zur Umwelt berührungslos gemessen werden. Hierzu können die LIDAR-Sensoren beispielsweise an der Kabine oder dem Fahrgestell des Baggers verbaut werden.
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Im Gegensatz zu einer direkten Sensierung bietet eine indirekte Sensierung mittels LIDAR den Vorteil, dass die Robustheitsanforderungen an die Sensoren geringer ausfallen können, da diese abseits von Werkzeugen und eines Arbeitsbereichs des Baggerarms verbaut werden können und somit vor Beschädigungen durch Schüttelbelastungen, Stöße oder bestimmte Medien besser geschützt sind. Des Weiteren kann eine Anpassung der Sensoren an konkret mögliche und notwendige Anbaubedingungen bezüglich Gehäuse und Interface entfallen, d. h., es können unabhängig von Hersteller, Baggerarm- oder Schaufeltyp jeweils die gleichen LIDAR-Sensoren verwendet werden. Durch die Verwendung von LIDAR-Sensoren kann ferner die Verlegung von Sensorkabeln über Schaufel, Baggerarm und zugehörigen Gelenken zur Kabine oder zum Drehgestell entfallen. Zudem ist es dadurch möglich, Werkzeuge am Baggerarm ohne Neukalibrierung des Messsystems einfach und schnell zu wechseln. Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns die Position relativ zu einer Kabine, einem Fahrgestell, einer Aufstandsfläche oder einer Umgebung des Baggers als dem Bezugspunkt ermittelt werden. Durch diese Ausführungsform kann die Position des Baggerarms genau und zuverlässig ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns eine Position eines an dem Baggerarm montierten Anbauteils, insbesondere einer Schnittkante von Zähnen einer Schaufel, ermittelt werden. Dadurch kann die Position des Anbauteils genau und zuverlässig ermittelt werden.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn im Schritt des Ermittelns eine Entfernung zwischen den Messpunkten und dem Bezugspunkt bestimmt wird, um die Position zu ermitteln. Dadurch kann die Position des Baggerarms relativ einfach und genau mittels Laufzeitmessungen ermittelt werden.
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Es kann im Schritt des Ermittelns ein entweder vertikaler oder horizontaler oder sowohl vertikaler als auch horizontaler Abstand zwischen den Messpunkten und dem Bezugspunkt bestimmt werden, um die Position zu ermitteln. Dadurch kann die Position des Baggerarms mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ermittelns die Position unter Verwendung vorgegebener Geometriedaten oder, zusätzlich oder alternativ, unter Verwendung vorgegebener Bewegungsdaten des Baggerarms, beispielsweise eines Bewegungsmodells des Baggers oder des Baggerarms, ermittelt werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht werden.
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Zudem kann im Schritt des Ermittelns aus den vorgegebenen Geometrie- und/oder Bewegungsdaten eine Position eines außerhalb eines Erfassungsbereiches des LIDAR-Systems befindlichen Abschnitts des Baggerarms extrahiert werden. Dadurch ist es möglich, die Position des Baggerarms auch dann zuverlässig zu bestimmen, wenn Teile des Baggerarms, beispielsweise beim Tiefgraben, verdeckt sind.
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Weiterhin kann im Schritt des Ermittelns die Position in Abhängigkeit von einer vorhergehenden Bewegung des Baggerarms ermittelt werden. Dadurch wird eine zuverlässige Erfassung von Bewegungsabläufen des Baggerarms ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Aussendens zumindest ein weiterer Laserstrahl ausgesandt werden, um zumindest ein Objekt im Umfeld des Baggers anzustrahlen. Dabei kann im Schritt des Empfangens zumindest ein von dem Objekt reflektierter weiterer Laserstrahl empfangen werden. Im Schritt des Ermittelns kann unter Verwendung des reflektierten weiteren Laserstrahls eine das Objekt repräsentierende Objektinformation ermittelt werden. Dadurch kann zusätzlich zur Position des Baggerarms das Umfeld des Baggers mittels des LIDAR-Systems erfasst werden.
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Hierbei kann in einem Schritt des Erstellens unter Verwendung der Objektinformation ein Ist-Oberflächenprofil des Umfelds erstellt werden und in einem Schritt des Vergleichens das Ist-Oberflächenprofil mit einem Soll-Oberflächenprofil verglichen werden, um einen Ab- oder Auftragsbereich, in dem Material ab- oder aufgetragen werden soll, zu ermitteln. Dadurch kann das Ab- oder Auftragen von Material durch den Bagger beschleunigt werden.
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Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Ausgebens eines Steuersignals zum Steuern des Baggers unter Verwendung der Position des Baggerarms oder, zusätzlich oder alternativ, der Objektinformation umfassen. Dadurch kann der Bagger oder der Baggerarm teil- oder vollautomatisiert gesteuert werden.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung des Baggers. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Stellzylinder, Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Baggers mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung eines Baggers aus 1 in der Draufsicht;
- 4 eine schematische Darstellung eines Baggers auf 1 in der Seitenansicht;
- 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Baggers 100 mit einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Vorrichtung 102 handelt es sich um ein LIDAR-System, das ausgebildet ist, um eine Position eines Baggerarms 104 des Baggers 100 berührungslos zu bestimmen. Beispielhaft ist die Vorrichtung 102 an einer Kabine des Baggers 100 angeordnet. Um die Position des Baggerarms 104 zu bestimmen, sendet die Vorrichtung 102 eine Mehrzahl von Laserstrahlen 106 in unterschiedliche Richtungen aus, um eine Mehrzahl von Messpunkten 108 am Baggerarm 104 anzustrahlen. Wie aus 1 ersichtlich, befinden sich die Messpunkte 108 beispielsweise an Gelenkpunkten des Baggerarms 104, an einer am Baggerarm 104 montierten Schaufel 110 oder auch an Zähnen der Schaufel 110. Ein Teil der ausgesandten Laserstrahlen 106 wird an den Messpunkten 108 reflektiert. Diese reflektierten Laserstrahlen 106 werden von der Vorrichtung 102 empfangen und verwendet, um die Position des Baggerarms 104 relativ zu einem entsprechenden Bezugspunkt, beispielsweise der Kabine oder einem Fahrgestell des Baggers 100, zu ermitteln.
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Beispielsweise ist der Baggerarm 104 gegenüber der Kabine in der Flucht und in der Höhe verstellbar, wie dies bei Standardbaggern der Fall ist. Bei Minibaggern kann der Baggerarm 104 zusätzlich auch in einem bestimmten Winkel in der Ebene gegenüber der Kabine drehbar sein. Unter dem Begriff Baggerarm können auch einzelne Auslegerelemente des Baggerarms 104 verstanden werden.
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Die Vorrichtung 102 ist mit berührungslosen Sensoren ausgestattet, die eine anwendungsbezogen geforderte Genauigkeit zur Erkennung der räumlichen Position und Stellung von Baggerarm 104 und Schaufel 110 bis zur Schnittkante in Relation zur Umgebung bzw. zum Gelände erfüllen. Beispielsweise liegt der Messbereich der Vorrichtung 102 zwischen 1 cm und 10 cm bei Messfrequenzen bis 100 MHz. Je nach Ausführungsbeispiel wird auch eine Genauigkeit von unter 1 cm erreicht.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Vorrichtung 102 handelt es sich beispielsweise um eine vorangehend anhand von 1 beschriebene Vorrichtung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel repräsentiert die Vorrichtung 102 eine LIDAR-Anwendung nach dem Mehrstrahlprinzip. Gezeigt sind eine Aussendeeinheit 210 zum Aussenden eines Strahlenbündels aus einzelnen Laserstrahlen 106 sowie eine Empfangseinheit 220 zum Empfangen des von den Messpunkten des Baggerarms reflektierten Anteils der Laserstrahlen 106.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Baggers 100 aus 1 in der Draufsicht. Wie aus 3 ersichtlich, weist die Vorrichtung 102 beispielsweise einen Erfassungsbereich von 180 Grad auf. Je nach Ausführungsbeispiel kann der Erfassungsbereich der Vorrichtung 102 auch kleiner oder größer als 180 Grad sein und eine sowohl vertikale als auch horizontale Ausdehnung aufweisen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Baggers 100 aus 1 in der Seitenansicht. Gezeigt sind drei Positionen des Baggerarms 104, die je sowohl durch einen vertikalen Abstand der einzelnen Messpunkte 108 zu einer Aufstandsfläche des Baggers 100 als auch durch einen horizontalen Abstand der einzelnen Messpunkte 108 zum Fahrgestell des Baggers 100 definiert sind. Die Ermittlung der drei Positionen anhand der jeweiligen vertikalen und horizontalen Abstände der Messpunkte 108 erfolgt anhand von Laufzeitmessungen der Laserstrahlen 106 mittels der Vorrichtung 102.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 4 beschrieben ist. Die Vorrichtung 102 umfasst, wie bereits erwähnt, die Aussendeeinheit 210 zum Aussenden der Laserstrahlen 106 sowie die Empfangseinheit 220 zum Empfangen der von den Messpunkten reflektierten Laserstrahlen 106. Die Empfangseinheit 220 überträgt ansprechend auf das Empfangen der reflektierten Laserstrahlen 106 ein entsprechendes Messsignal 500 an eine Ermittlungseinheit 510 der Vorrichtung 102. Die Ermittlungseinheit 510 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Messsignals 500 die Position des Baggerarms relativ zum Bezugspunkt zu ermitteln und einen die Position des Baggerarms repräsentierenden Positionswert 512 auszugeben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Aussendeeinheit 210 ausgebildet, um eine Mehrzahl weiterer Laserstrahlen 514 auszusenden. Die weiteren Laserstrahlen 514 dienen hierbei zur Beleuchtung von Objekten im Umfeld des Baggers, an denen die weiteren Laserstrahlen 514 zumindest teilweise reflektiert werden. Die weiteren Laserstrahlen 514 sind in 5 mit gestrichelten Pfeilen markiert. Entsprechend empfängt die Empfangseinheit 220 einen von den Objekten reflektierten Anteil der weiteren Laserstrahlen 514 und überträgt ein entsprechendes weiteres Messsignal 516 an die Ermittlungseinheit 510. Die Ermittlungseinheit 510 ist ausgebildet, um unter Verwendung des weiteren Messsignals 516 eine die Objekte repräsentierende Objektinformation 518 zu erzeugen und auszugeben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel leitet die Ermittlungseinheit 510 die Objektinformation 518 an eine Erstellungseinheit 520 weiter, die ausgebildet ist, um unter Verwendung der Objektinformation 518 ein Ist-Oberflächenprofil 522 des Umfelds des Baggers zu erstellen und dieses an eine Vergleichseinheit 530 zu übertragen. Die Vergleichseinheit 530 vergleicht das Ist-Oberflächenprofil 522 mit einem vorgegebenen Soll-Oberflächenprofil, um einen Arbeitsbereich im Umfeld des Baggers zu ermitteln, in dem Material ab- oder aufgetragen werden soll. Als Ergebnis des Vergleichs stellt die Vergleichseinheit 530 eine den Arbeitsbereich repräsentierende Arbeitsbereichsinformation 532 bereit. Eine optionale Ausgabeeinheit 540 ist ausgebildet, um sowohl den Positionswert 512 als auch die Arbeitsbereichsinformation 532 einzulesen und unter deren Verwendung ein Steuersignal 542 zum Steuern des Baggers auszugeben.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 600 zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms kann beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 5 beschrieben ist, durchgeführt werden. Hierbei werden in einem Schritt 610 die Laserstrahlen ausgesandt. In einem Schritt 620 werden die von den Messpunkten reflektierten Laserstrahlen empfangen. Schließlich wird in einem Schritt 630 die Position des Baggerarms relativ zum Bezugspunkt durch Auswertung von Laufzeiten der ausgesandten Laserstrahlen unter Verwendung der reflektierten Laserstrahlen ermittelt.
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Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes anhand der 1 bis 6 beschrieben.
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Beispielsweise ist die Vorrichtung 102 als eine kompakte Einheit in Form eines LIDAR-Sensormoduls aus einer CMOS-Kamera und einem LIDAR realisiert. Der Aufbau ist je nach Fahrzeugklasse und Leistungsanforderungen skalierbar.
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Mit dem beschriebenen optischen 3D-System in Form der Vorrichtung 102 ist es möglich, berührungslos die Stellung und Position des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 bis zur Schneidkante im Zentimeterbereich zu bestimmen. Unter Verwendung vorgegebener Daten bezüglich der geometrischen Abmessungen von Teilsegmenten des Baggerarms 104, des Auslegers oder der Schaufel 110 kann ein vollständiges räumliches Bild der Stellung und Position des Baggerarms 104 bis zur Schneidkante der Zähne der Schaufel 110 ermittelt werden, selbst bei lückenhaften Messungen, etwa infolge von Überdeckungen, beispielsweise wenn Messstrahlen und Baggerarm in einer Flucht sind, aber die Sichtbarkeit der Schaufel oder wenigstens von Teilen der Schaufel infolge einer Beladung mit Erdreich sichtbar sind.
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Befinden sich weitere Gegenstände im möglichen Bewegungsbereich des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 oder tritt die Schaufel 110 aus dem Scanfeld der Vorrichtung 102 heraus, etwa aufgrund einer Abdeckung der Schaufel 110 durch eine Erdkante beim Tiefgraben, so werden beispielsweise der Baggerarm 104 und die Schaufel 110 mittels Verfahren der Bildverarbeitung extrahiert, fehlende Teile durch Kenntnis der bekannten geometrischen Daten ergänzt und dann deren Stellung und Position abgeleitet.
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Eine ergänzende Möglichkeit, die Stellung und Position zu vervollständigen, besteht beispielsweise in der Prädiktion anhand eines Bewegungsmodells, das eine bisherige Bewegung und Dynamik des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 oder, zusätzlich oder alternativ, die Stellungen von Bedienhebeln des Baggers 100 berücksichtigt.
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Des Weiteren können die Laserstrahlen mittels Laser-Umlenktechniken in vorbestimmter Form am Baggerarm 104 in Richtung Schaufel 110 umgelenkt werden und die Reflexionssignale in ähnlicher Art und Weise zurückgeführt werden, um damit die Position der Schaufel 110 zu ermitteln.
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Alternativ werden ganze Flächen mittels Flash-LIDAR simultan beleuchtet, wobei das reflektierte Licht simultan, gegebenenfalls zeitlich mehrfach hintereinander, erfasst wird, sodass synchrone Tiefenbilder (Tiefe basierend auf dem Erfassungszeitpunkt) erzeugt werden. Insbesondere bei im Vergleich zur Messfrequenz schnell bewegten Objekten wird hierdurch möglichen Bildverzerrungen vorgebeugt.
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Die Vorrichtung 102 ist beispielsweise seitlich außerhalb einer Flucht Kabine-Baggerarm und seitlich hinter oder vor einer Kabinenscheibe angebracht. Bei Minibaggern, wo der Baggerarm zusätzlich auch in einem bestimmten Winkel in der Ebene gegenüber der Kabine drehbar ist, ist es vorteilhaft, wenn ein weiteres Messsystem auf der anderen Seite der Kabinenscheibe angeordnet ist, etwa für den Fall, dass Strahlen und Baggerarm in einer Flucht sind. Alternativ sind die Messsysteme am Fahr- oder Drehgestell des Baggers 100 angeordnet, wodurch tote Winkel oder blinde Flecken im Bewegungsraum des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 vermieden oder reduziert werden können.
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Ein weiterer Anbauort ist beispielsweise ein oberer Teil eines Auslegerelements des Baggerarms 104. Dies kann sinnvoll sein, wenn Arbeiten außerhalb des Sichtbereichs der Kabine oder des Fahrers durchgeführt werden, etwa bei tiefen Baugruben oder Arbeiten unterhalb des Baggers 100 mit entsprechend langen Armen.
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Verfügt der Bagger 100 über ein GPS-System, vorzugsweise mit Korrektursignal, so wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Stellung von Baggerarm 104 und Schaufel 110 nicht nur relativ zum Fahrzeug, sondern auch relativ zur Umgebung oder zum Gelände bestimmt. Darauf basierend werden sowohl der senkrechte Abstand zwischen der Schneidkante der Zähne und der Schaufel 110 zum Boden als auch eine Tiefe im Sinne eines waagrechten Abstands zu einem Referenzpunkt im oder am Bagger 100 bestimmt, wie dies in 4 gezeigt ist. Entsprechende Positionswerte werden beispielsweise auf einem Display im Bagger 100 angezeigt oder auch für Begrenzungen in der Auslenkung des Baggerarms 104 oder für eine teil- oder vollautomatisierte Baggerarm- und Schaufelsteuerung verwendet.
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Die Stellungs- und Positionserkennung kann durch eine geometrische, nicht homogene Gestaltung des Baggerarms 104 zusätzlich erleichtert werden. Ebenso können zusätzliche Reflektoren oder reflektierende Materialien am Baggerarm 104 oder an der Schaufel 110 angebracht sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden mittels der Vorrichtung 102 in Verbindung mit einer entsprechenden Objekt- und Bildverarbeitung zusätzlich Personen oder Gegenstände im Umfeld des Baggers 100 sensiert und eindeutig vom detailliert bekannten Baggerarm 104 unterschieden. Zur Vermeidung von Kollisionen mit der Umgebung, etwa mit Gebäuden, anderen Fahrzeugen, Personen oder Hochspannungsleitungen, ist die Kenntnis der Stellung und Position des gesamten Baggerarms 104, insbesondere hervorstehender Bauteile, von Wichtigkeit.
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Zur Automatisierung von Arbeitsvorgängen wird beispielsweise das Ist-Oberflächenprofil 522 des zu bearbeitenden Geländes erkannt und mit einem bekannten Soll-Oberflächenprofil verglichen. Hierbei können dem Fahrer zum einen noch zu bearbeitende, d. h. auf- oder abzutragende Bereiche angezeigt werden oder auch die Grundlage für einen automatisierten Auf- oder Abtrag bilden. Die Teilautomatisierung ist beispielsweise auf den eigentlichen Auf- oder Abtragsvorgang beschränkt, d. h., der Baggerführer wird von der Aufgabe des hochgenauen Steuerns entbunden. Nach dem Auf- oder Abtragsvorgang wird der Baggerarm 104 beispielsweise noch automatisch um einen bestimmten Wert angehoben, bis er zum Halten kommt. Ab hier kann dann der Baggerführer wieder die Steuerung übernehmen.
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Ist die komplette Geländeform des Auf- und Abtragsbereiches bekannt, so kann auch der Arbeitsvorgang für einen kompletten Geländebereich automatisiert werden. Der Auf- und Abtragsbereich kann dabei auch eine Ladefläche eines Fahrzeugs sein.
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Im Bewegungsbereich des Baggerarms 104, beispielsweise zwischen Auf- und Abtragsbereich, können sich beim Bewegungsvorgang Hindernisse befinden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden diese vom LIDAR-System der Vorrichtung 102 erkannt und durch eine entsprechende Steuerung der Teilsegmente des Baggerarms 104 oder optional durch Bewegen des gesamten Baggers 100 umgangen. Lässt sich ein Hindernis nicht umgehen, so stoppt das System von selbst. Optional werden dem Fahrer nur optimale Bewegungstrajektorien des Baggers 100 oder des Baggerarms 104 angezeigt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der hier beschriebene Ansatz eine Tag-Nacht-Erkennung. Die im Empfänger messbare Hintergrundbeleuchtung unterscheidet sich signifikant zwischen Tag und Nacht, da die Sonne eine um mehrere Größenordnungen höhere Infrarotstrahlung aussendet als der LIDAR.
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Dieses Signal, geeignet aufbereitet, wird beispielsweise zusätzlich zur Steuerung von Fahrlicht oder Arbeitslicht am Bagger 100 verwendet.
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Zu den Grundfunktionen einer Selbstdiagnose eines Abstandssensors zählt etwa auch die Erkennung eines Verschmutzungsgrades des Sensors an dessen Sender und Empfänger. Zwar führt dieses Signal in den meisten Fällen nicht zu einer Aufforderung, den Sensor zu reinigen, jedoch kann das Signal zu einer automatischen Triggerung der Reinigung der Scheinwerfer oder der Windschutzscheibe genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt mittels des LIDAR-Systems die automatische Erkennung eines Schaufeltyps, etwa wenn die Schaufel 110 oder sonstige Anbauteile ausgetauscht wurden, ohne dass der Fahrer entsprechende Daten in das System eingibt oder direkte Sensoren kontaktiert.
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Optional ist eine Kabel- oder Rohleitungserkennung vorgesehen. Wenn die Schaufel 110 oder der Baggerarm 104 Gegenstände mit der Bewegung der Schaufel 110 oder des Baggerarms 104 mitnimmt und die Gegenstände eine definierte Größe oder Form oder Lokalisierung in Relation zur Schaufel 110 überschreiten, so wird dies über die Daten und die Bildverarbeitung erkannt, etwa durch Assoziation oder Verknüpfung von Objekten.
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In einer optionalen Baustellenvermessung wird auf Anforderung oder während der Bautätigkeit ein Umfeldscan der Baustelle um den Bagger herum durchgeführt. Hierfür wird das Messsystem 102 im relevanten Bereich geschwenkt und das sensierbare Umfeld vermessen. Die Messdaten werden dann in eine 3D-Karte der Baustelle eingespeist. Somit kann der Kartenstand aktualisiert und der Baufortschritt fortlaufend dokumentiert werden.
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Die Sensierung erfolgt optional über weitere Teile der ganzen Baustelle, um einen weiteren Kartenausschnitt zu aktualisieren. Hierbei kann auch ein von außen mitgeteilter Messauftrag im Rahmen von autonomen Fahrbefehlen berücksichtigt werden.
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Optional erfolgt die Baustellenvermessung mit einem geschlossenen Regelkreis zur Fahrzeugpositionierung bei von außen gesteuerten oder autonomen Fahrbewegungen. Dabei wird eine redundante Umfelderkennung bereitgestellt, wenn das autonome Fahrsystem eine eingeschränkte Umfelderkennung aufweist, etwa in Einsatzgebieten mit ionisierender Strahlung.
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Die Messsignale können innerhalb eines Fahrzeugverbunds oder über Internetof-Things-Schnittstellen übertragen werden, um anderen Systemen oder Dritten die Möglichkeit der Umfeldsensierung zu eröffnen.
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Aufgrund der indirekten Messmethode kann das Messsystem mit unterschiedlichsten Baggerarmen und Schaufeln kombiniert werden und somit in größeren Stückzahlen sowohl in der Erstausrüstung als auch in der Nachausrüstung bei verschiedenen Herstellern von Baggerfahrzeugen verbaut werden.
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Die Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes bestehen darin, dass aufgrund der geringeren Robustheitsanforderungen an die Sensoren auch empfindlichere Sensortechnologien verwendet werden können, keine Anpassungen der Sensoren an Baggerarm- und Schaufel-Konstruktionen erforderlich sind, die Sensoranbau- und Gehäusevarianz und damit Kosten reduziert werden können, keine Verkabelung der Sensoren über Schaufel, Baggerarm und die zugehörigen Gelenke zur Kabine oder zum Drehgestell erforderlich sind, eine direkte Messung der Baggerarm- und Schaufelpositionen aufgrund des hochauflösenden, bildgebenden Verfahrens ermöglicht wird, eine zusätzliche Erfassung der umgebenden Szene und gegebenenfalls bearbeiteter Objekte oder verwendeter Werkzeuge ohne zusätzlichen Aufwand mithilfe des räumlichen Sichtfelds ermöglicht wird, eine zusätzliche Erfassung des Umfelds zur Kollisionsvermeidung, Baggerarmführung und Sichtunterstützung des Fahrers über eine Objektbildung aus einer 3D-Punktewolke aufgrund der hohen Winkelauflösung ermöglicht wird, die Schwenkbarkeit des Sichtfelds oder der Bildfokussierung durch adaptive Optiken und Ablenkeinheiten gewährleistet werden kann und Hintergrundlicht aufgrund der Möglichkeit einer optischen Filterung des Hintergrundlichts besser unterdrückt werden kann.
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Das LIDAR-System kann auch nachträglich verbaut werden. Mit vorliegender Kenntnis der Abmessungen und möglichen Bewegungsbahnen des Baggerarms 104 inklusive der Schaufel 110 kann die Position und Stellung bis zur Schneidkante berührungslos bestimmt werden. Darauf basierend sind Anzeigen für den Fahrer, Bewegungsbegrenzungen zum Kollisionsschutz oder zur Begrenzung einer Materialweg- oder -zugabe im Arbeitsbereich, Teilautomatisierungen einzelner Arbeitsabläufe des Baggerarms 104 und der Schaufel 110, etwa für 1D-Tiefen oder 2D-flächige Neigungen, eine räumliche Abmessungen des Materials in der Umgebung mittels GPS und Korrektursignalen denkbar. Durch Vernetzung des Sensorsystems 102 mit einer elektronifizierten Hydrauliksteuerung können teil- und vollautomatisierte Prozesse umgesetzt werden.
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Nachfolgend werden verschiedene berührungslose Messverfahren im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit zur Erfassung eines Baggerarms und einer Schaufel zu Informationszwecken kurz beschrieben (Quelle: ATZ/MTZ Fachbuch; Handbuch Fahrerassistenzsysteme).
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Mikrowellensensoren eignen sich insbesondere für die Vermessung relativ weit entfernter Objekte in Szenen mit einer vergleichsweise geringen Ortsfrequenz. Für eine hoch aufgelöste dreidimensionale Objektdetektion reicht im Allgemeinen die beugungsbegrenzte Winkelauflösung nicht aus. Selbst bei einer extrem kurzen Wellenlänge l = 3 mm (f = 100 GHz) und einer relativ großen Strahlungsapertur von beispielsweise D = 12,2 cm beträgt mit ɑ = 30 mrad ein minimaler Strahldurchmesser 6 cm in einem Abstand von 1 m. Radarsysteme sind damit für eine lateral hoch aufgelöste Objektdetektion schon in Entfernungen von einigen wenigen Metern ungeeignet. Gleiches gilt grundsätzlich für die Strahlungskeule eines Ultraschallsenders; hier kommen zusätzlich die Druck- und Temperaturempfindlichkeit der Schallgeschwindigkeit und die hohe Reflexivität bzw. Spiegelung technischer Oberflächen erschwerend hinzu.
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Durch die sehr viel kleinere Wellenlänge der Lichtwellen, selbst bis in den fernen Infrarotbereich hinein, besitzen optische 3D-Messsysteme eine hohe Lateral- bzw. Winkelauflösung. Die Gewinnung der Tiefeninformation beruht hier im Wesentlichen auf dem Triangulations- oder Laufzeitprinzip.
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Eine große Herausforderung bei der Lasermesstechnik nach dem Einstrahlprinzip besteht darin, die wegen der Anforderung an die Augensicherheit stark limitierte Energie nach der Reflexion an einem Objekt wieder zu empfangen. Dabei ist zu beachten, dass gewöhnlich das Objekt, hier Baggerarm und Schaufel, ähnlich einem Lambert-Reflektor seine Energie diffus in den halben Raumwinkel abstrahlt. Beim Lambert-Reflektor ist die Rückstreuung der Energie nicht gerichtet, sondern wird im Raumwinkel inhomogen verteilt. Genutzt werden kann nur der Teil der zurückgestreuten Energie, der direkt in den Empfänger des Sensors zurückgestrahlt wird. Dies sind in der Praxis bestenfalls 20 Prozent der am Objekt reflektierten Energie, in der Regel deutlich weniger. Da wie erwähnt die mittlere Sendeleistung beschränkt ist, kann man als Abhilfemaßnahme den Strahl stärker bündeln, um die Energiedichte zu erhöhen, oder einen höher verstärkenden Empfänger einsetzen. Die Bündelung hat den Nachteil, dass bei kleinen Raumwinkeln der Strahl auf eine homogene Fläche, etwa am Baggerarm oder an der Schaufel, treffen kann und infolgedessen durch Totalreflexion der gesamte Strahl wegreflektiert werden kann. Totalreflexion tritt dann auf, wenn schmale Strahlen eingesetzt werden, die auf eine schräge Fläche treffen. Abhilfe kann durch aufgeweitete Strahlen oder, wie weiter unten beschrieben, durch mehrere Strahlen geschaffen werden. Optimal ist es dabei, wenn im Erfassungsbereich Kanten zur Streuung oder senkrecht zum Sensor gerichtete Teile zur direkten Reflexion beleuchtet werden.
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Ein einzelner Strahl ist infolge der erforderlichen Strahlaufweitung und der damit verbundenen Messungenauigkeit für die Messung von Baggerarm und Schaufel nicht ausreichend.
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Das Problem mehrerer Empfangsstrahlen wird durch die Verwendung scannender Systeme mit vielen Sende- und Empfangskanälen, beispielsweise mehrere Hundert, teilweise kompensiert, führt aber zu höheren Kosten. Da der Baggerarm in seiner Position in einem größeren räumlichen Bereich ständig verändert wird, sind entweder sehr viele Empfangsstrahlen erforderlich oder aber es kann ein scannendes System eingesetzt werden.
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Beim Mehrstrahlprinzip werden mehrere unabhängige Sende- und Empfangskanäle verwendet. Dabei wird ein Array von Laserdioden im Multiplexverfahren angesteuert und es werden über eine Empfangsoptik Informationen über ein PIN-Dioden-Array erfasst. Die Winkelauflösung entspricht dabei in etwa einer Strahlbreite der einzelnen Sende- und Empfangskanäle. Bis zu einigen Dutzend dieser Paarungen können eingesetzt werden, um den entsprechenden lateralen Öffnungswinkel zu generieren. Für die zum Erfassen von Baggerarm und Schaufel geforderte Messgenauigkeit von unter 1 cm erscheint das Mehrstrahlprinzip deshalb nicht kostengünstig anwendbar.
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Ein weiteres in der Praxis eingesetztes Verfahren ist das sogenannte Sweepen von Strahlbündeln. Dabei können beispielsweise mehrere unabhängige Sende- und Empfangskanäle über den beweglichen Baggerarm lateral in Abhängigkeit zum möglichen Bewegungsraum des Baggerarms und der Schaufel geschwenkt werden. Die Sende- und Empfangskanäle können mittels Lichtleiter modelliert werden. Dabei können je nach Kanal unterschiedliche Öffnungswinkel in lateraler und horizontaler Lage erzeugt werden. Die Blickrichtung des Strahlenbündels kann aufgrund des geschätzten Bewegungsverlaufs des Baggerarms nachgeführt werden, etwa in Abhängigkeit von einer elektrisch erfassten Bedienhebelbetätigung. Dazu sind nur wenige Laserdioden und wenige bewegte Teile erforderlich. Allerdings ist die Detektion von der Güte der Trajektorienschätzung des Baggerarms und der Schaufel abhängig.
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Bei sweependen Systeme mit sogenanntem Microscan wird ein dem Sweep-Bereich überlagerter Mikroscan verwendet, der eine exakte Bestimmung von Objektkanten möglich macht. Eine Spiegeloptik ermöglicht eine flache Bauweise des Sensors, der direkt, wie ein Regensensor, an die Windschutzscheibe angebracht werden kann. Es entstehen keine ungenutzten optischen Freiräume wie etwa Sichttrichter vor dem Sende- und Empfangsbereich, sodass der Sensor platzsparend in einen Rückspiegelbereich integriert werden kann. Dieser Einbauort liegt im Wischbereich der Scheibenwischer und wird daher stets vor Verschmutzung geschützt. Im Gegensatz dazu sollten Lasersensoren im Außeneinbau im Winter durch die starke Versalzung oder im Regen durch die Wassertröpfchen eine erhebliche Dämpfung verkraften. Unterschiedliche Reichweiten, je nach Witterung, sind die Folge.
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Durch scannende Systeme kann der Erfassungsbereich auf beispielsweise 30 mal 10 Grad erweitert werden. Das Sweepen wird zum Scannen, wobei immer der gesamte laterale Erfassungsbereich detektiert und somit auch vermeintlich nicht interessante Bildausschnitte erfasst werden. Dabei besteht die Möglichkeit, zwei weitere Ebenen in horizontaler Richtung zu detektieren. Der Mechanismus ist so robust wie einfach: Ähnlich wie ein schwingender Scherkopf eines Rasierapparats werden dabei ausschließlich die Optiken der Sende- und Empfangskanäle stimuliert.
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In PMD-Kamerasystemen (PMD = Photonic Mixer Device) kann ein elektrooptischer Mischprozess und ein anschließender Integrationsprozess durchgeführt werden. Die Kombination aus Mischung und Integration wird auch als Korrelation bezeichnet. Diese Eigenschaft erlaubt die pixelweise Korrelation eines modulierten optischen Signals mit einer elektronischen Referenz und damit eine 3D-Entfernungsmessung nach dem Lichtlaufzeitverfahren in jedem Video-Frame. Ein derartiger PMD-Abstandssensor kann zusätzlich zu konventionellen Helligkeitsinformationen ein Amplitudenbild einer aktiven Infrarotbeleuchtung und die Abstandsinformation zum betrachteten Objekt in jedem Pixel liefern. Dabei ist insbesondere die inhärente Unterdrückung von unkorrelierten Lichtsignalen, vor allem von Sonnenlicht, aber auch von eventuellen Störsendern, ein Alleinstellungsmerkmal, das die PMD-Technologie von anderen Time-of-Flight-Ansätzen deutlich unterscheidet. PMD-Systeme gewinnen die Entfernungswerte direkt in jedem Pixel, d. h., sie erfordern keine hohe Rechenleistung in der Nachbearbeitung. Dies und der monokulare Aufbau des Systems machen PMD-Systeme kostengünstiger und kompakter in der Baugröße als herkömmliche Technologien. Die mittels einer 3D-PMD-Kamera sofort und ohne massiven Rechenaufwand detektierbaren 3D-Time-of-Flight-Szenenparameter ermöglichen eine zuverlässige Plausibilisierung von Objekten und deren relativer Bewegungsvektoren. Da die Position von Objekten und die zugehörigen möglichen Trajektorien frühzeitig erkannt werden, steigt die Zuverlässigkeit der Situationsinterpretation. Mit aktuellen PMD-Systemen werden Reichweiten zwischen 50 m und 70 m bei 100 Hz Framerate erreicht. Bei geringeren Reichweiten lässt sich eine Genauigkeit bis in den Millimeterbereich erreichen.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
