DE102017203576A1

DE102017203576A1 - Ultrabreitband-funkfrequenz-tracking eines werkzeugs an einem arbeitsfahrzeug

Info

Publication number: DE102017203576A1
Application number: DE102017203576.5A
Authority: DE
Inventors: Michael G. Kean; Mark J. Cherney
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2018-07-19
Also published as: RU2723429C2; US20190387359A1; US11082801B2; AU2017202092A1; US20180206072A1; US10469988B2; US10952021B2; RU2017110463A3; US20190387360A1; AU2017202092B2; RU2017110463A

Abstract

Ein Verfahren und System zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Position eines ersten Radiofrequenz (RF)-Geräts relativ zu einem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und mindestens einem zusätzlichen RF-Gerät. Das erste RF-Gerät ist an einen festen Ort auf dem Werkzeug gekoppelt und das zusätzliche RF-Gerät ist an einem festen Ort relativ zu dem lokalen Referenzrahmen angebracht. Das Werkzeug kann steuerbar relativ zu dem lokalen Referenzrahmen bewegt werden. Eine Position und Ausrichtung des Werkzeugs wird relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mindestens teilweise basierend auf der bestimmten Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen bestimmt.

Description

HINTERGRUND
Einige Arbeitsfahrzeuge können mit Positionssensoren ausgestattet sein, die eine Positionsveränderung eines Werkzeugs des Arbeitsfahrzeugs entlang einer vorgegebenen Richtung erkennen. Beispielsweise kann ein Arbeitsfahrzeug mit Rotationssensoren oder Zylinderpositionssensoren ausgestattet sein, die Positionsveränderungen von Werkzeugen an dem Arbeitsfahrzeug erkennen (beispielsweise einer Schaufel an einem Straßengrader oder eines Arms an einem Bagger). Positionssensoren bieten jedoch eventuell eine eingeschränkte Genauigkeit beim Erkennen der Position aufgrund der Hysterese beim Schalten oder der Verbindung, die die Bewegung des Werkzeugs steuert.
Ein weiteres Verfahren der Positionsbestimmung eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug besteht darin, einen Global Positioning System (GPS)-Empfänger an dem Werkzeug anzubringen. Beispielsweise kann ein Straßengrader einen oder mehrere Masten beinhalten, die sich von der Schaufel aus erstrecken, auf welchen ein GPS-Empfänger installiert ist. Der GPS-Empfänger übermittelt dem Arbeitsfahrzeug den ungefähren Standort des Mastes. Die Verwendung von GPS-Technologie bietet jedoch nur einen groben Näherungswert für die Position des Werkzeugs, und die Größe und Position des Mastes können die Bewegung, Verwendung und das Design des Werkzeugs einschränken.
ZUSAMMENFASSUNG
Einige hierin beschriebene Ausführungsformen stellen Systeme und Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug mit Bezug auf einen lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Entfernungsmessung (Ranging) dar. Das System kann GPS verwenden, um den lokalen Referenzrahmen mit Bezug auf einen globalen Referenzrahmen zu definieren. Das System bietet eine Mast-freie Lösung, die eine hochpräzise Positionsbestimmung ermöglicht. Insbesondere kann das System die Position des Werkzeugs mit einer Genauigkeit von nahezu 2 mm bestimmen. Durch das Festlegen des lokalen Referenzrahmens mit hochpräziser Positionsbestimmung bietet das System eine gesteigerte Genauigkeit bei der Positionssteuerung des Werkzeugs an dem Arbeitsfahrzeug.
Eine Ausführungsform stellt ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug dar. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Position eines ersten Radiofrequenz (RF)- Geräts relativ zu einem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und mindestens einem zusätzlichen RF-Gerät. Das zusätzliche RF-Gerät ist an einem festen Ort relativ zu dem lokalen Referenzrahmen angebracht und das erste RF-Gerät ist an einen festen Ort auf dem Werkzeug gekoppelt. Das Werkzeug kann steuerbar relativ zu dem lokalen Referenzrahmen bewegt werden. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Position und einer Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen basierend mindestens zum Teil auf der bestimmten Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein System für das Bestimmen einer Position eines Werkzeugs auf einem Arbeitsfahrzeug dar. Das System beinhaltet ein erstes Radiofrequenz (RF)-Gerät, welches an einen festen Ort auf dem Werkzeug gekoppelt ist, und mindestens ein zusätzliches RF-Gerät, welches an einem festen Ort relativ zu einem lokalen Referenzrahmen angebracht ist. Das System beinhaltet weiter einen elektronischen Prozessor, der kommunikativ an das erste RF-Gerät und das mindestens eine zusätzliche RF-Gerät gekoppelt ist. Der elektronische Prozessor ist derart konfiguriert, dass er eine Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzliches RF-Gerät bestimmt. Die elektronische Steuereinheit bestimmt eine Position und eine Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mindestens teilweise basierend auf der bestimmten Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen.
Weitere Aspekte der Offenbarung werden ersichtlich, wenn man sich mit der detaillierten Beschreibung sowie den dazugehörigen Zeichnungen befasst.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine perspektivische Sicht eines Arbeitsfahrzeugs, das mit dem Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem aus 1 gemäß einer Ausführungsform ausgestattet ist..
3 ist eine Draufsicht eines lokalen Bereichs einschließlich des Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems aus 1 gemäß einer Ausführungsform.
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug mittels des Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems aus 1 gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug aus 2 gemäß einer Ausführungsform.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs innerhalb des lokalen Bereichs von 3 gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor Ausführungsformen im Detail erklärt werden, sollte verstanden werden, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen nicht auf die Baudetails und die Komponentenanordnung beschränkt sind, welche in der folgenden Beschreibung erläutert oder in den folgenden Zeichnungen dargestellt sind. Ausführungsformen können anders konfiguriert sein und auf verschiedene Weisen angewendet oder ausgeführt werden.
Eine Vielzahl von Hardware- und Software-basierten Geräten sowie eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturkomponenten können verwendet werden, um verschiedene Ausführungsformen umzusetzen. Zusätzlich können Ausführungsformen Hardware, Software und elektronische Komponenten oder Module beinhalten, die zu Diskussionszwecken gezeichnet und beschrieben sein können, als wären sie in ihrer Vielzahl lediglich in Hardware implementiert. Jedoch würde der Durchschnittsfachmann basierend auf der Lektüre dieser detaillierten Beschreibung erkennen, dass in mindestens einer Ausführungsförm unterschiedliche Aspekte in Software implementiert sein können (z. B. auf einem nicht-transitorischen Computerlesbaren Medium gespeichert), die auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden kann. Demgemäß sollte bedacht werden, dass eine Vielzahl von Hardware- und Software-basierten Geräten, sowie eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturkomponenten verwendet werden können, um unterschiedliche Ausführungsformen zu implementieren. Beispielsweise können in der Spezifikation beschriebene „Steuereinheiten“ und „Steuerungen“ einen oder mehrere elektronische Prozessoren, ein oder mehrere Speichermodule einschließlich nicht-transitorischer Computer-lesbarer Medien, eine oder mehrere Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellen und verschiedene Verbindungen beinhalten (z. B., einen System-Bus), welche die Komponenten verbinden.
1 illustriert ein Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform. In dem illustrierten Beispiel beinhaltet das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 eine elektronische Steuereinheit 105, ein erstes Radiofrequenz (RF)-Gerät 110, ein zweites Radiofrequenz (RF)-Gerät 115, ein Global Positioning-Gerät 120 (beispielsweise einen GPS-Empfänger), und eine Arbeitsfahrzeug-Schnittstelle 125. In einigen Ausführungsformen ist das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100, wie unten beschrieben, auf oder in einem Arbeitsfahrzeug angebracht. In anderen Ausführungsformen ist das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 teilweise auf oder in dem Arbeitsfahrzeug und teilweise außerhalb des Arbeitsfahrzeugs angebracht (beispielsweise innerhalb einer Baustelle). Ähnlich kann die elektronische Steuereinheit 105 des Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems 100 in oder innerhalb des Arbeitsfahrzeugs oder außerhalb des Arbeitsfahrzeugs angebracht sein (beispielsweise auf der Baustelle).
In einigen Ausführungsformen ist die elektronische Steuereinheit 105 kommunikativ an sowohl das erste RF-Gerät 110 als auch das zweite RF-Gerät 115 gekoppelt. So ist beispielsweise in einer Ausführungsform die elektronische Steuereinheit 105 kommunikativ sowohl mit dem ersten RF-Gerät 110 als auch mit dem zweiten RF-Gerät 115 über eine kurzreichweitige RF-Verbindung (beispielsweise ein Lokal Area Network, Bluetooth, und ähnliche) verbunden. In anderen Ausführungsformen sind das erste RF-Gerät 110 und das zweite RF-Gerät 115 über eine drahtgebundene Verbindung kommunikativ verbunden. In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuereinheit 105 als das zweite RF-Gerät 115 fungieren, indem sie die Ultrabreitband-RF-Signale mittels eines einzelnen RF-Senders mit mehreren Antennen ausgibt (die an verschiedenen Orten angebracht sind) oder mittels multipler RF-Sender oder Sendeempfänger, die an vielen verschiedenen Orten angebracht sind.
Zusätzlich ist in einigen Ausführungsformen das erste RF-Gerät 110 nicht kommunikativ an die elektronische Steuereinheit 105 gekoppelt, sondern es ist lediglich an das zweite RF-Gerät 115 kommunikativ gekoppelt. Insbesondere kann das zweite RF-Gerät 115 Datenkommunikation mit der elektronischen Steuereinheit 105 liefern und so als Haupteinheit mit dem ersten RF-Gerät als Nebeneinheit fungieren. In diesem Fall kann das erste RF-Gerät 110 ein untergeordnetes oder passives Gerät sein, das auf die von dem zweiten RF-Gerät 115 empfangenen Signale antwortet. Insbesondere kann das erste RF-Gerät 110 mehrere Empfänger, Repeater, Reflektoren und ähnliche beinhalten, die derart konfiguriert sind, dass sie ein Signal nur als Antwort auf Signale erzeugen, die sie von dem zweiten RF-Gerät 115 empfangen haben. In einigen Ausführungsformen werden die von dem zweiten RF-Gerät 115 erzeugten Ultrabreitband-RF-Signale an das erste RF-Gerät 110 übertragen und veranlassen das erste RF-Gerät 110, ein Ultrabreitband-RF-Signal zu erzeugen, das von dem zweiten RF-Gerät 115 empfangen werden soll. So kommunizieren das erste RF-Gerät 110 und das zweite RF-Gerät 115 miteinander über Ultrabreitband-RF-Signale, während die elektronische Steuereinheit 105 über andere drahtlose oder drahtgebundene Signale kommunizieren kann. Insbesondere können die Ultrabreitband-RF-Signale eine Bandbreite von über 20 % einer arithmetischen Mittenfrequenz oder über 500 MHz belegen. In einigen Ausführungsformen ist die Leistungsamplitude des Ultrabreitband-Ranging derart konfiguriert, dass sie einen Tracking-Bereich liefert, der geringer ist als die Länge des Arbeitsfahrzeugs, und das Ultrabreitband-Ranging ist derart konfiguriert, dass eine Verkleinerung des Tracking-Bereichs zu einer entsprechenden Vergrößerung der Tracking-Genauigkeit führt.
Die elektronische Steuereinheit 105 ist auch kommunikativ mit dem Global Positioning-Gerät 120 und der Arbeitsfahrzeug-Schnittstelle 125 verbunden. In einigen Ausführungsformen stellt das Global Positioning-Gerät 120 einen Ort des Arbeitsfahrzeugs mit Bezug auf den globalen Referenzrahmen dar. In anderen Ausführungsformen stellt das Global Positioning-Gerät 120 einen Ort einer Baustelle mit Bezug auf den globalen Referenzrahmen dar. Ein Lageplan kann Referenzen auf Orte innerhalb des globalen Referenzrahmens beinhalten, um Informationen hinsichtlich eines gewünschten Terrains oder gewünschter Veränderungen zu liefern, die von dem Arbeitsfahrzeug an bestimmten Orten innerhalb der Baustelle ausgeführt werden sollen. Insbesondere kann der Lageplan Arbeiten enthalten, die an mehreren Orten basierend auf den globalen Koordinaten dieser mehreren Orte ausgeführt werden sollen. Die Arbeitsfahrzeug-Schnittstelle 125 kann derart konfiguriert sein, dass sie Eingabe-/Ausgabefunktionen für einen Bediener des Arbeitsfahrzeugs durchführen kann. Beispielsweise kann die Arbeitsfahrzeug-Schnittstelle 125 eine Touchscreen-Anzeige beinhalten, die dem Bediener Indikatoren für den Status des Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems 100 liefert. Insbesondere kann die Arbeitsfahrzeug-Schnittstelle 125 Indikatoren einschließlich Audio-, Video-, Haptik-Indikatoren oder eine Kombination dieser zur Positionierung des Arbeitsfahrzeugs und der Anordnung der Werkzeuge auf dem Arbeitsfahrzeug enthalten.
Die elektronische Steuereinheit 105 beinhaltet eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Komponenten, welche den Komponenten und Modulen in der elektronischen Steuereinheit 105 Strom, Bediensteuerung und Schutz liefern. Die elektronische Steuereinheit 105 beinhaltet unter anderem einen elektronischen Prozessor 130 (etwa einen programmierbaren elektronischen Mikroprozessor, eine Mikrosteuerung oder ein ähnliches Gerät), einen Speicher 135 (z.B. einen nicht-transitorischen, Maschinen-lesbaren Speicher), und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 140. Der elektronische Prozessor 130 ist kommunikativ an den Speicher 135 gekoppelt und führt Befehle aus, die auf dem Speicher 135 gespeichert werden können. Der elektronische Prozessor 130 ist derart konfiguriert, dass er unter anderem Befehle aus dem Speicher 135 holt und ausführt, die sich auf die hier beschriebenen Prozesse und Verfahrens beziehen. In anderen Ausführungsformen beinhaltet die elektronische Steuereinheit 105 zusätzliche, weniger oder andere Komponenten. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinheit 105 in mehreren unabhängigen elektronischen Steuereinheiten implementiert sein, von denen jede so konfiguriert ist, dass sie bestimmte Funktionen oder Unterfunktionen ausführt. Zusätzlich kann die elektronische Steuereinheit 105 Untermodule enthalten, die Steuersignale generieren oder an das erste RF-Gerät 110 und an das zweite RF-Gerät 115 übertragen. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinheit 105 ein Steuersignal an das zweite RF-Gerät 115 senden, um die Übertragung des Ultrabreitband-RF-Signals, wie hierin beschrieben, zu starten. In anderen Ausführungsformen kann die elektronische Steuereinheit 105 Ultrabreitband-RF-Signale generieren und über eine oder mehrere Antennen übertragen, die als das zweite RF-Gerät 115 fungieren.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Arbeitsfahrzeugs 200, das mit dem Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 ausgestattet ist. In dem gezeigten Beispiel beinhaltet das Arbeitsfahrzeug 200 ein Werkzeug 205. Das Werkzeug 205 beinhaltet einen kontrolliert bewegbaren Anhang, eine Schaufel, einen Arm, einen Löffel und ähnliches, der gesteuert wird, um einen Arbeitsschritt auszuführen. Beispielsweise kann das Arbeitsfahrzeug 200 ein Straßengrader mit einem Schaufel-Werkzeug sein, das gesteuert wird, um die Bodenfläche zu formen. In diesem Beispiel wird das Werkzeug 205 relativ zu dem Arbeitsfahrzeug 200 auf eine gewünschte Höhe, einen Winkel oder eine Neigung und ähnliche bewegt. In dem dargestellten Beispiel ist das Arbeitsfahrzeug 200 mit dem ersten RF-Gerät 110 und dem zweiten RF-Gerät 115 ausgestattet. Das erste RF-Gerät 110 ist so positioniert, dass es sich mit dem Werkzeug 205 bewegt. In einigen Ausführungsformen ist das erste RF-Gerät 110 an dem Werkzeug durch direkte Befestigung auf dem Werkzeug 205 angebracht. Das zweite RF-Gerät 115 kann auf dem Arbeitsfahrzeug angebracht sein, indem es an einer festen Position auf dem Arbeitsfahrzeug 200 befestigt wird. Zusätzlich zu dem zweiten RF-Gerät 115 können auch mehrere zusätzliche Sendeempfänger 210 an mehreren Stellen auf dem Arbeitsfahrzeug 200 positioniert sein, die ähnlich dem zweiten RF-Gerät 115 betrieben werden, um die Position des erstes RF-Geräts 110 relativ zu dem Arbeitsfahrzeug 200 zu bestimmen. Wie in dem Beispiel von 2 gezeigt, sind die mehreren zusätzlichen Sendeempfänger 210 an Orten rund um das erste RF-Gerät 110 und auf gegenüberliegenden Seiten des ersten RF-Geräts 110 angebracht, um die Fähigkeit des Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems 100 zur genauen Bestimmung der Position des ersten RF-Geräts 110 (z.B. durch Triangulation) zu verbessern.
3 zeigt eine alternative Implementierung des Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems 100, in der das zweite RF-Gerät 115 und die zusätzlichen Sendeempfänger 210 an mehreren unterschiedlichen Orten innerhalb eines lokalen Bereiches (z.B. einer Baustelle) positioniert und nicht direkt auf oder an dem Arbeitsfahrzeug 200 angebracht sind. Das zweite RF-Gerät 115 und die mehreren zusätzlichen Sendeempfänger 210 sind an unbeweglichen Orten relativ zu der Baustelle angebracht. In dem Beispiel von 3 sind die mehreren Geräte an Orten auf mehreren Seiten der Orte positioniert, an denen das Arbeitsfahrzeug 200 zum Einsatz kommen wird (d. h. die Baustelle). In diesem Fall übertragen die mehreren Geräte Signale an das erste RF-Gerät 110, welches sich auf dem Werkzeug 205 des Arbeitsfahrzeugs 200 befindet. Wenn die Signale empfangen werden, überträgt das erste RF-Gerät 110 Signale zurück an das zweite RF-Gerät 115. Dadurch kann die elektronische Steuereinheit 105 den Ort des Werkzeugs 205 relativ zu dem zweites RF-Gerät 115 und so auch den Ort des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Bereich bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann jedes der mehreren Geräte ein GPS-Modul beinhalten, um damit ein Local-Area-Koordinatensystem mit Bezug auf ein globales Koordinatensystem, etwa GPS-Koordinaten, zu definieren.
In dem Beispiel von 2 wird ein lokaler Referenzrahmen mit Bezug zu dem Arbeitsfahrzeug 200 definiert und die Position des Werkzeugs 205 (wie durch die Position des ersten RF-Geräts 110 definiert) relativ zu dem Arbeitsfahrzeug 200 definiert (in dem lokalen Referenzrahmen, der durch die Platzierung des zweiten RF- Geräts 115 und etwaiger weiterer zusätzlicher Sendeempfänger 210 definiert wird). In dem Beispiel von 3 wird der lokale Referenzrahmen mit Bezug auf die Baustelle definiert und die Position des Werkzeugs 205 (wie durch die Position des ersten RF-Geräts 110 definiert) wird relativ zu der Baustelle definiert (in dem lokalen Referenzrahmen, der durch die Platzierung des zweiten RF- Geräts 115 und etwaiger weiterer zusätzlicher Sendeempfänger 210 definiert wird). In einigen Implementierungen des in 3 illustrierten Systems wird die Position des Werkzeugs 205 relativ zu der Baustelle ohne Bezug auf die Position des Arbeitsfahrzeugs 200 selbst definiert. In beiden Fällen (und wie weiter unten noch genauer beschrieben) wird die Position des Werkzeugs 205 relativ zu dem lokalen Referenzrahmen bestimmt, ohne Verwendung von GPS, und nach dem Bestimmen einer Position des lokalen Referenzrahmens relativ zu einem globalen Referenzrahmen (beispielsweise mittels GPS) kann die Position des Werkzeugs 205 in dem globalen Referenzrahmen bestimmt und nachverfolgt werden.
Das erste RF-Gerät 110 und das zweite RF-Gerät 115 können verschiedene Techniken verwenden, um den relativen Ort des ersten RF-Geräts 110 mit Bezug auf das zweite RF-Gerät 115 zu bestimmen. Das zweite RF-Gerät 115 generiert, ganz gleich, ob es auf dem Arbeitsfahrzeug 200 oder innerhalb des lokalen Bereichs positioniert ist, mehrere Signale auf mehreren Seiten des ersten RF-Geräts 110, um eine Positionsbestimmung des ersten RF-Geräts 110 zu erreichen. Beispielsweise kann das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 Berechnungen von Flugzeiten (d. h. Ankunftszeiten) mit einbeziehen, um eine Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät 110 und dem zweiten RF-Gerät 115 zu bestimmen. Mehrere Flugzeit-Bestimmungen zwischen mehreren RF-Geräten, die als zweites RF-Gerät 115 fungieren, und multiplen RF-Geräten, die als erstes RF-Gerät 110 fungieren, können eine dreidimensionale Ortsbestimmung innerhalb des lokalen Bereichs und eine Bestimmung der Ausrichtung des Werkzeug 205 ermöglichen. In diesem ersten Beispiel sind die elektronische Steuereinheit 105, das erste RF-Gerät 110 und das zweite RF-Gerät 115 zeitlich synchronisiert, um die Berechnung der Flugzeiten zu ermöglichen. In einem anderen Beispiel kann das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 bei der Berechnung der Ankunftszeiten Zeitunterschiede mit einbeziehen. In diesem zweiten Beispiel sind die Transmitter zeitlich synchronisiert, jedoch nicht notwendigerweise das erste RF-Gerät 110 und die elektronische Steuereinheit 105. In einem weiteren Beispiel kann das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 Ankunftswinkel-Berechnungen verwenden. In diesem dritten Beispiel beinhaltet das zweite RF-Gerät 115 eine Antennenanordnung, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Empfangswinkel des übertragenen Ultrabreitband-RF-Signals erkennen kann. In einem weiteren Beispiel kann das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 die Berechnungen zur Stärke des empfangenen Signals verwenden, um die Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät 110 und dem zweiten RF-Gerät 115 zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen ist das Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystem 100 ist derart konfiguriert, dass es eine Kombination der vorangehenden Techniken verwendet, um das Ultrabreitband-Ranging durchzuführen.
Obgleich die Beispiele der 2 und 3 nur ein einziges RF-Gerät 110 zeigen, das auf dem Werkzeug 205 angebracht ist, beinhaltet in einigen Ausführungsformen das erste RF-Gerät 110 mehrere Geräte, die an verschiedenen Orten des Werkzeugs 205 angebracht sind. Jedes dieser Geräte kann unabhängig als Antwort auf Signale agieren, die von dem zweiten RF-Gerät 115 empfangen werden. Die elektronische Steuereinheit 105 kann basierend auf den unabhängigen Antworten mittels der oben beschriebenen Techniken den Aufenthaltsort eines jeden der mehreren Geräte bestimmen. Beispielsweise kann jedes der mehreren Geräte an einer vorbestimmten Position auf dem Werkzeug 205 angebracht sein, wodurch eine Positionsbeziehung zwischen den mehreren Geräten hergestellt wird. Da die relative Position der mehreren Geräte auf dem Werkzeug 205 bekannt ist, kann die elektronische Steuereinheit 105 die präzise Ausrichtung des Werkzeugs 205 bestimmen. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinheit 105 Höhe, Winkel, Tiefe und ähnliches des Werkzeugs 205 bestimmen.
4 zeigt ein Verfahren 400 für das Bestimmen einer Position des Werkzeugs 205 auf dem Arbeitsfahrzeug 200 unter Verwendung des Ultrabreitband-Positionsverfolgungssystems 100 gemäß einer Ausführungsform. Vor Durchführung des Verfahrens 400 wird das erste RF-Gerät 110 auf dem Werkzeug 205 angebracht und das zweite RF-Gerät 115 wird an einem festen Ort relativ zu dem lokalen Referenzrahmen positioniert. In dem Verfahren 400 wird der lokale Referenzrahmen von der elektronischen Steuereinheit 105 (Block 405) definiert. Als ein Koordinatensystem, das mit Bezug auf das zweite RF- Geräts 115 fest ist, stellt der lokale Referenzrahmen einen Mechanismus dar, mit dem eine Position des ersten RF-Geräts 110 lokal (d. h. ohne GPS) definiert werden kann. Beispielsweise kann der lokale Referenzrahmen einen Ursprung haben an dem zweiten RF-Gerät 115, an der elektronische Steuereinheit 105, an einem festen Ort auf dem Arbeitsfahrzeug 200 oder an einem festen Ort in dem lokalen Bereich. Die Position des ersten RF-Geräts 110 wird mittels Ultrabreitband-RF-Ranging relativ zu dem lokalen Referenzrahmen bestimmt (Block 410). Wie oben diskutiert kann die Position unter Verwendung verschiedener Ultrabreitband-Ranging-Techniken bestimmt werden, einschließlich Ankunftszeit, Ankunftswinkel, Ankunftszeit-Differenz, empfangene Signalstärke, oder aus einer Kombination der vorangehenden. Die Position des Werkzeugs 205 wird dann relativ zu dem lokalen Referenzrahmen definiert, basierend auf der bestimmten Position des ersten RF-Geräts 110 (Block 415). In Ausführungsformen, die mehrere RF-Geräte als erstes RF-Gerät 110 beinhalten, wird ebenfalls die Ausrichtung des Werkzeugs 205 bestimmt.
5 zeigt ein Verfahren für das Bestimmen der Position des Werkzeugs 205, wenn das zweite RF-Gerät 115 auf dem Arbeitsfahrzeug 200 positioniert ist, wie in dem Beispiel von 2 gezeigt. Vor der Durchführung des Verfahrens 500 wird das erste RF-Gerät 110 auf dem Werkzeug 205 angebracht und das zweite RF-Gerät 115 wird an einem festen Ort auf dem Arbeitsfahrzeug 200 positioniert. In dem Verfahren 500 wird der lokale Referenzrahmen definiert (Block 505). Die Position des ersten RF-Geräts 110 relativ zu dem Arbeitsfahrzeug 200 wird durch die elektronische Steuereinheit 105 mittels Ultrabreitband-RF-Ranging bestimmt (Block 510). Die Position des Werkzeugs 205 relativ zu dem Arbeitsfahrzeug 200 wird basierend auf der Position des ersten RF-Geräts 110 definiert (Block 515). Die Position des Werkzeugs 205 relativ zu einem globalen Referenzrahmen wird bestimmt (Block 520). Diese Bestimmung kann basierend auf der Position des Werkzeugs 205 relativ zu dem Arbeitsfahrzeug 200 und der Position des Arbeitsfahrzeugs 200 relativ zu dem globalen Referenzrahmen durchgeführt werden. Insbesondere die Position des Arbeitsfahrzeugs 200 relativ zu dem globalen Referenzrahmen kann basierend auf Signalen erfolgen, die von dem Global Positioning-Gerät 120 empfangen wurden.
In einigen Ausführungsformen wird auch die Zielposition des Werkzeugs 205 bestimmt (Block 525). Die Zielposition kann mindestens teilweise basierend auf der bestimmten Position des Werkzeugs relativ zu dem globalen Referenzrahmen und dem Lageplan bestimmt werden, wie oben beschrieben. Dann wird eine Differenz (z. B. ein Positionierungsfehler) zwischen der Zielposition und der Position des Werkzeugs 205 relativ zu dem globalen Referenzrahmen bestimmt (Block 530). Die elektronische Steuereinheit 105 ist dann in der Lage, basierend auf dieser Differenz verschiedene Funktionen auszuführen. Beispielsweise steuert in einer Ausführungsform die elektronische Steuereinheit 105 automatisch die Position des Werkzeugs 205 mittels der Steuersysteme in dem Arbeitsfahrzeug 200 (Block 535). In einem anderen Beispiel kann die elektronische Steuereinheit 105 dann einen Indikator generieren, wenn die Differenz größer als ein Schwellenwert ist (Block 540). Insbesondere kann die elektronische Steuereinheit 105 ein Signal an die Arbeitsfahrzeug-Schnittstelle 125 übertragen, die eine Benachrichtigung für den Bediener des Arbeitsfahrzeugs 200 generiert. Die Benachrichtigung kann den Bediener darauf aufmerksam machen, dass das Werkzeug 205 sich außerhalb eines vordefinierten Bereichs befindet, welcher angepasst werden kann, indem man unterschiedliche Werte für den Schwellenwert definiert. Der Bediener kann das Werkzeug 205 dann manuell neu positionieren.
6 zeigt ein Verfahren für das Bestimmen der Position des Werkzeugs 205, wenn das zweite RF-Gerät 115 innerhalb des lokalen Bereichs positioniert ist, jedoch nicht an dem Arbeitsfahrzeug 200 selbst angebracht ist, wie in dem Beispiel von 3 gezeigt. Vor der Durchführung des Verfahrens 600 wird das erste RF-Gerät 110 auf dem Werkzeug 205 angebracht und das zweite RF-Gerät 115 wird an einem festen Ort relativ zu dem lokalen Bereich positioniert. In dem Verfahren 600 wird der lokale Referenzrahmen definiert (Block 605). Die Position des ersten RF-Geräts 110 relativ zu dem lokalen Bereich wird durch die elektronische Steuereinheit 105 mittels Ultrabreitband-RF-Ranging bestimmt (Block 610). Die Position des Werkzeugs 205 relativ zu dem lokalen Bereich wird basierend auf der Position des ersten RF-Geräts 110 bestimmt (Block 615). Dann wird die Position des Werkzeugs 205 relativ zu einem globalen Referenzrahmen bestimmt (Block 620). Diese Bestimmung kann basierend auf der Position des Werkzeugs 205 relativ zu dem lokalen Referenzrahmen und zu der Position des lokalen Bereichs relativ zu dem globalen Referenzrahmen durchgeführt werden. Insbesondere kann die Position des lokalen Bereichs relativ zu dem globalen Referenzrahmen basierend auf Signalen bestimmt werden, die von dem Global Positioning-Gerät 120 empfangen werden.
In einigen Ausführungsformen wird auch die Zielposition des Werkzeugs 205 bestimmt (Block 625). Ähnlich dem Verfahren 500 kann die Zielposition mindestens teilweise basierend auf der bestimmten Position des Werkzeugs relativ zu dem globalen Referenzrahmen und dem Lageplan bestimmt werden. Dann wird eine Differenz (d. h. ein Positionierungsfehler) zwischen der Zielposition und der Position des Werkzeugs 205 relativ zu dem globalen Referenzrahmen bestimmt (Block 630). Die elektronische Steuereinheit 105 ist dann in der Lage, basierend auf dieser Differenz verschiedene Funktionen auszuführen. Beispielsweise steuert in einer Ausführungsform die elektronische Steuereinheit 105 automatisch die Position des Werkzeugs 205 mittels der Steuersysteme in dem Arbeitsfahrzeug 200 (Block 635). Dies kann die Übertragung von Steuerinformationen an eine andere elektronische Steuereinheit innerhalb des Arbeitsfahrzeugs 200 beinhalten, die derart konfiguriert ist, dass sie eine automatische Steuerung des Werkzeugs 205 durchführt. In einer anderen Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit 105 dann einen Indikator generieren, wenn die Differenz größer als ein Schwellenwert ist (Block 540). Insbesondere kann die elektronische Steuereinheit 105 ein Signal an die Arbeitsfahrzeug-Schnittstelle 125 übertragen, die eine Benachrichtigung für den Bediener des Arbeitsfahrzeugs 200 generiert. Die Benachrichtigung kann den Bediener darauf aufmerksam machen, dass das Werkzeug 205 sich außerhalb eines vordefinierten Bereichs befindet, welcher angepasst werden kann, indem man unterschiedliche Werte für den Schwellenwert definiert. Wie oben kann der Bediener dann das Werkzeug 205 manuell neu positionieren.
So stellen die Ausführungsformen unter anderem ein System und ein Verfahren für das Bestimmen einer Position eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug mittels Ultrabreitband-Ranging dar. Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Beansprucht wird:
Ein Verfahren für die Positionsbestimmung eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Das Bestimmen einer Position eines ersten Radiofrequenz (RF)- Geräts relativ zu einem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und mindestens einem zusätzlichen RF-Gerät, das an einem festen Ort relativ zu dem lokalen Referenzrahmen angebracht ist, wobei das erste RF-Gerät an einen festen Ort auf dem Werkzeug gekoppelt ist und das Werkzeug steuerbar relativ zu dem lokalen Referenzrahmen bewegt werden kann; und das Bestimmen einer Position und einer Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen basierend mindestens teilweise auf der bestimmten Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der lokale Referenzrahmen relativ zu dem Arbeitsfahrzeug fest ist, und wobei das Bestimmen der Position und der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen das Bestimmen der Position und der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Arbeitsfahrzeug beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Position des erstes RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen das Bestimmen der Position des erstes RF-Geräts relativ zu dem Arbeitsfahrzeug mittels des Ultrabreitband-Rangings zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät beinhaltet, wobei das mindestens eine zusätzliche RF-Gerät auf dem Arbeitsfahrzeug an einem festen Ort relativ zu dem Arbeitsfahrzeug angebracht ist.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Leistungsamplitude des Ultrabreitband-Ranging derart konfiguriert ist, dass sie einen Tracking-Bereich erzeugt, der kleiner ist als die Länge des Arbeitsfahrzeugs, und wobei das Ultrabreitband-Ranging derart konfiguriert ist, dass eine Verkleinerung des Tracking-Bereichs zu einer entsprechenden Vergrößerung der Tracking-Genauigkeit führt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der lokale Referenzrahmen relativ zu einer Baustelle fest ist, auf der das Arbeitsfahrzeug im Einsatz ist, und wobei das Bestimmen der Position und der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen das Bestimmen der Position und der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu der Baustelle beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen der Position des erstes RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen das Bestimmen der Position des erstes RF-Geräts relativ zu der Baustelle mittels des Ultrabreitband-Rangings zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät beinhaltet, wobei das mindestens eine zusätzliche RF-Gerät außerhalb des Arbeitsfahrzeugs und stationär relativ zu der Baustelle angebracht ist.
Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Leistungsamplitude des Ultrabreitband-Ranging derart konfiguriert ist, dass sie einen Tracking-Bereich erzeugt, der kleiner ist als eine Länge der Baustelle, und wobei das Ultrabreitband-Ranging derart konfiguriert ist, dass eine Verkleinerung des Tracking-Bereichs zu einer entsprechenden Vergrößerung der Tracking-Genauigkeit führt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiter Folgendes umfasst: das Bestimmen einer Position des mindestens einen zusätzlichen RF-Geräts relativ zu einem globalen Koordinatensystem; und das Bestimmen einer Position des Werkzeugs relativ zu dem globalen Koordinatensystem basierend auf der Position des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen und der Position des mindestens einen zusätzlichen RF-Geräts relativ zu dem globalen Koordinatensystem.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren weiter Folgendes umfasst: das Bestimmen einer gewünschten Position des Werkzeugs relativ zu dem globalen Koordinatensystem; das Bestimmen eines Positionierungsfehlers basierend auf der gewünschten Position des Werkzeugs relativ zu dem globalen Koordinatensystem und der bestimmten Position des Werkzeugs relativ zu dem globalen Koordinatensystem.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren weiter Folgendes umfasst: das Bereitstellen eines Indikators für den Positionierungsfehler für einen Bediener des Arbeitsfahrzeugs.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren weiter das Anpassen der Position und der Ausrichtung des Werkzeugs basierend auf dem Positionierungsfehler umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiter Folgendes umfasst: das Bestimmen einer Position eines zweiten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem zweites RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät, wobei das zweite RF-Gerät an einer anderen festen Stelle an das Werkzeug gekoppelt ist, wobei das Bestimmen der Position und der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mindestens teilweise auf der bestimmten Position des erstes RF-Gerät relativ zu dem lokalen Referenzrahmen und der bestimmten Position des zweiten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen basiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine zusätzliche RF-Gerät ein erstes zusätzliches RF-Gerät, ein zweites zusätzliches RF-Gerät, und ein drittes zusätzliches RF-Gerät beinhaltet; und wobei das Bestimmen der Position des erstes Radiofrequenz (RF)- Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging das Bestimmen einer ersten Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät und dem ersten zusätzlichen RF-Gerät, das Bestimmen einer zweiten Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät und dem zweiten zusätzlichen RF-Gerät und das Bestimmen einer dritten Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät und dem dritten zusätzlichen RF-Gerät beinhaltet, wobei das erste zusätzliche RF-Gerät, das zweite zusätzliche RF-Gerät und das dritte zusätzliche RF-Gerät auf mehreren Seiten des ersten RF-Geräts positioniert sind.
Ein System für das Bestimmen einer Position eines Werkzeugs an einem Arbeitsfahrzeug, wobei das System Folgendes umfasst: ein erstes Radiofrequenz (RF)-Gerät, das an einen festen Ort auf dem Werkzeug gekoppelt ist; mindestens ein zusätzliches RF-Gerät, das an einem festen Ort relativ zu einem lokalen Referenzrahmen angebracht ist; einen elektronischen Prozessor, der kommunikativ an das erste RF-Gerät gekoppelt ist, und das mindestens eine zusätzliche RF-Gerät, wobei der elektronische Prozessor derart konfiguriert ist, dass er eine Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät bestimmt, und derart, dass er eine Position und eine Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen basierend mindestens teilweise auf der Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzplan bestimmt.
Das System nach Anspruch 14, wobei der lokale Referenzrahmen relativ zu dem Arbeitsfahrzeug fest ist, und wobei der elektronische Prozessor derart konfiguriert ist, dass er die Position und die Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Arbeitsfahrzeug bestimmt.
Das System nach Anspruch 15, wobei mindestens ein zusätzliches RF-Gerät auf dem Arbeitsfahrzeug an einem festen Ort relativ zu dem Arbeitsfahrzeug angebracht ist, und wobei der elektronische Prozessor derart konfiguriert ist, dass er die Position des ersten RF-Geräts relativ zu dem Arbeitsfahrzeug mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät bestimmt.
Das System nach Anspruch 14, wobei der lokale Referenzrahmen relativ zu einer Baustelle fest ist, in der das Arbeitsfahrzeug zum Einsatz kommt, und wobei der elektronische Prozessor derart konfiguriert ist, dass er die Position und die Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu der Baustelle bestimmt.
Das System nach Anspruch 17, wobei das mindestens eine zusätzliche RF-Gerät außerhalb des Arbeitsfahrzeugs und stationär relativ zu der Baustelle angebracht ist, und wobei der elektronische Prozessor derart konfiguriert ist, dass er die Position des ersten RF-Geräts relativ zu der Baustelle mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät bestimmt.
Das System nach Anspruch 14, wobei das System weiter Folgendes umfasst: ein zweites RF-Gerät, welches an einen anderen festen Ort an dem Werkzeug gekoppelt ist; und ein drittes RF-Gerät, welches an einen weiteren anderen festen Ort an dem Werkzeug gekoppelt ist, wobei der elektronische Prozessor derart konfiguriert ist, dass er eine Position des zweiten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät bestimmt, eine Position des dritten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen mittels Ultrabreitband-Ranging zwischen dem zweiten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzlichen RF-Gerät bestimmt, die Position und die Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem lokalen Referenzrahmen basierend mindestens teilweise auf der bestimmten Position des erstes RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen, der bestimmten Position des zweites RF-Gerät relativ zu dem lokalen Referenzrahmen, und der bestimmten Position des dritten RF-Geräts relativ zu dem lokalen Referenzrahmen bestimmt.
Das System nach Anspruch 14, wobei das System weiter Folgendes umfasst: ein zweites zusätzliches RF-Gerät, welches auf einer anderen Seite des ersten RF-Geräts als das mindestens eine zusätzliches RF-Gerät angebracht ist; und ein zusätzliches RF-Gerät, welches auf wieder einer anderen Seite des ersten RF-Geräts als das mindestens eine zusätzliche RF-Gerät und das zweite zusätzliches RF-Gerät angebracht ist, wobei der elektronische Prozessor derart konfiguriert ist, dass er eine erste Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät und dem mindestens einen zusätzliches RF-Gerät bestimmt, eine zweite Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät und dem zweiten zusätzlichen RF-Gerät bestimmt, und eine dritte Distanz zwischen dem ersten RF-Gerät und dem dritten zusätzlichen RF-Gerät bestimmt.