DE102018200060B4 - Method for operating a mobile work machine and mobile work machine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine (100, 100'), die einen Manipulator (110) aufweist, der beweglich an einer Komponente (120) der mobilen Arbeitsmaschine (100, 100') angeordnet ist,
wobei unter Verwendung wenigstens eines an dem Manipulator (110) angeordneten Sensors (111, 112, 113, 114, 114) eine Position des Manipulators (110) relativ zu der Komponente (120) ermittelt wird,
wobei unter Verwendung eines in Bezug zu der Komponente (120) ortsfest angeordneten Drehratensensors (121) eine Drehung (D) der Komponente (120) um eine Hochachse (H) der mobilen Arbeitsmaschine (100, 100') erfasst wird, und
wobei anhand der Position des Manipulators (110) relativ zu der Komponente (120) und der Drehung (D) der Komponente (120) um die Hochachse (H) eine Position des Manipulators (110) innerhalb der mobilen Arbeitsmaschine (100, 100') ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung (D) der Komponente (120) um die Hochachse (H) weiterhin unter Verwendung wenigstes einer an der mobilen Arbeitsmaschine (100, 100') angeordneten Kamera (125, 126, 127) erfasst wird.
Method for operating a mobile work machine (100, 100') having a manipulator (110) movably arranged on a component (120) of the mobile work machine (100, 100'),
wherein a position of the manipulator (110) relative to the component (120) is determined using at least one sensor (111, 112, 113, 114, 114) arranged on the manipulator (110),
wherein a rotation (D) of the component (120) about a vertical axis (H) of the mobile work machine (100, 100') is detected using a rotation rate sensor (121) arranged in a fixed position with respect to the component (120), and
wherein a position of the manipulator (110) within the mobile work machine (100, 100') is determined based on the position of the manipulator (110) relative to the component (120) and the rotation (D) of the component (120) about the vertical axis (H),
characterized in that the rotation (D) of the component (120) about the vertical axis (H) is further detected using at least one camera (125, 126, 127) arranged on the mobile work machine (100, 100').
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine, die einen Manipulator aufweist, sowie eine Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens und eine solche mobile Arbeitsmaschine.The present invention relates to a method for operating a mobile work machine having a manipulator, as well as a computing unit for carrying out the method and such a mobile work machine.
Stand der TechnikState of the art
Kinematiken bzw. Manipulatoren mobiler Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise ein Arbeitsarm eines Baggers, können rein hydraulisch angesteuert werden, allerdings gibt es einen Trend zur Elektrifizierung der Hydraulik bei mobilen Arbeitsmaschinen, insbesondere bei Baumaschinen und speziell bei Baggern. Zudem kann mittels Assistenzsystemen, bei denen ein Fahrer auf Displays angezeigt bekommt, wie genau er beispielsweise baggern muss, oder bei denen Linien oder Konturen vorgegeben werden, die der Fahrer nicht überschreiten darf, die Bedienung verbessert werden. Fortgeschrittene Systeme können beispielsweise auch in die Steuerung der Hydraulik eingreifen, falls der Fahrer eine Grenzlinie überschreitet oder sie führen Teilaufgaben automatisch aus.Kinematics or manipulators of mobile work machines, such as the working arm of an excavator, can be controlled purely hydraulically, but there is a trend towards electrification of hydraulics in mobile work machines, particularly construction machines and excavators in particular. In addition, operation can be improved by means of assistance systems that show a driver on displays how exactly he has to dig, for example, or that specify lines or contours that the driver must not cross. Advanced systems can, for example, also intervene in the control of the hydraulics if the driver crosses a boundary line, or they carry out subtasks automatically.
Grundlage solcher Funktionen ist die Möglichkeit, den Zustand der Kinematik bzw. des Manipulators und im Speziellen den sog. Tool-Center-Point (TCP), einen Referenzpunkt für das Werkzeug am Manipulator, beispielsweise am Baggerarm, exakt in Relation zur mobilen Arbeitsmaschine, also beispielsweise zum Oberwagen eines Baggers, und absolut auf der Erdkugel zu bestimmen.The basis of such functions is the ability to determine the state of the kinematics or the manipulator and in particular the so-called tool center point (TCP), a reference point for the tool on the manipulator, for example on the excavator arm, exactly in relation to the mobile work machine, for example to the upper carriage of an excavator, and absolutely on the globe.
Die Position eines Oberwagens eines Baggers als mobile Arbeitsmaschine auf dem Globus wird meist über ein GPS-basiertes System ermittelt. Zur Bestimmung des Tool-Center-Points auf der Erdkugel ist daher noch die Position des Tool-Center-Points relativ zum GPS-Referenzpunkt auf dem Oberwagen zu ermitteln. Hierzu gibt es verschiedene Ansätze, wie beispielsweise die Berechnung des Tool-Center-Points anhand der Kinematik des Baggerarms und an den Zylindern verbauter Wegsensoren, an den Gelenken installierten Winkelsensoren oder auch Inertialsensoren an den einzelnen Teilen des Baggerarms. Insbesondere sind Intertialsensoren und Drehwinkelgeber oder Drehratensensoren verbreitet.The position of an excavator's upper carriage as a mobile work machine on the globe is usually determined using a GPS-based system. To determine the tool center point on the globe, the position of the tool center point relative to the GPS reference point on the upper carriage must therefore be determined. There are various approaches to this, such as calculating the tool center point based on the kinematics of the excavator arm and displacement sensors installed on the cylinders, angle sensors installed on the joints or inertial sensors on the individual parts of the excavator arm. Inertial sensors and angle encoders or yaw rate sensors are particularly common.
Aus der
Weiterer Stand der Technik kann der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine solche mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for operating a mobile work machine, a computing unit for carrying it out and such a mobile work machine with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine, die einen Manipulator aufweist, der beweglich an einer Komponente der mobilen Arbeitsmaschine angeordnet ist. Als solche Komponente kommt im Falle eines Baggers als mobile Arbeitsmaschine ein Oberwagen des Baggers in Frage. Im Falle eines Ladekrans eines Lastkraftwagens kann es sich beispielsweise auch um eine Gelenkvorrichtung am Lastkraftwagen handeln, an dem der Manipulator bzw. Kranarm befestigt ist.The invention is based on a method for operating a mobile work machine that has a manipulator that is movably arranged on a component of the mobile work machine. In the case of an excavator as a mobile work machine, such a component can be an upper carriage of the excavator. In the case of a loading crane on a truck, it can also be, for example, an articulated device on the truck to which the manipulator or crane arm is attached.
Dabei wird unter Verwendung wenigstens eines an dem Manipulator angeordneten Sensors eine Position des Manipulators relativ zu der Komponente ermittelt. Als solche Sensoren kommen insbesondere Wegsensoren, Winkelsensoren und Inertialsensoren, hier dann wiederum insbesondere Drehratensensoren und/oder Beschleunigungssensoren, in Betracht. Unter Verwendung eines in Bezug zu der Komponente ortsfest angeordneten Drehratensensors wird dann eine Drehung der Komponente um eine Hochachse der mobilen Arbeitsmaschine erfasst. Anhand der Position des Manipulators relativ zu der Komponente und der Drehung der Komponente um die Hochachse wird dann eine Position des Manipulators innerhalb der mobilen Arbeitsmaschine ermittelt.In this case, a position of the manipulator relative to the component is determined using at least one sensor arranged on the manipulator. Such sensors include in particular displacement sensors, angle sensors and inertial sensors, in particular rotation rate sensors and/or acceleration sensors. Using a rotation rate sensor arranged in a fixed position relative to the component, a rotation of the component about a vertical axis of the mobile work machine is then detected. A position of the manipulator within the mobile work machine is then determined based on the position of the manipulator relative to the component and the rotation of the component about the vertical axis.
Im Folgenden soll das Verfahren anhand eines Baggers als mobiler Arbeitsmaschine mit einem Baggerarm bzw. Arbeitsarm als Manipulator näher beschrieben und erläutert werden. Es versteht sich jedoch, dass ein solches Verfahren entsprechend auch bei anderen mobilen Arbeitsmaschinen mit Manipulator verwendet werden kann.In the following, the method will be described and explained in more detail using an excavator as a mobile work machine with an excavator arm or work arm as a manipulator. However, it goes without saying that such a method can also be used with other mobile work machines with a manipulator.
Die erwähnten Sensoren können bei einem Bagger nun an den einzelnen Gliedern des Arbeitsarms angeordnet sein, der Drehratensensor dann am Oberwagen oder einem Teil davon als der erwähnten Komponente. Bei den Sensoren kann es sich insbesondere um Inertialsensoren handeln, welche sowohl die Beschleunigungen als auch die Drehraten um bestimmte, vorzugsweise um alle drei Raumachsen messen können. Eine resultierende gemessene Beschleunigung kann im Stillstand des Baggers und seiner Kinematik bzw. seines Manipulators als die Erdbeschleunigung interpretiert werden, woraus dann auf einen Winkel des entsprechenden Inertialsensors absolut zum Erdschwerefeld geschlossen werden kann.The sensors mentioned can now be installed on the individual parts of the excavator arms, the yaw rate sensor then on the upper carriage or a part of it as the mentioned component. The sensors can in particular be inertial sensors, which can measure both the accelerations and the yaw rates around certain, preferably all three spatial axes. A resulting measured acceleration can be interpreted as the acceleration due to gravity when the excavator and its kinematics or manipulator are at a standstill, from which an absolute angle of the corresponding inertial sensor to the earth's gravitational field can be deduced.
Da dieses Signal in der Regel stark verrauscht ist und bei Bewegung des Oberwagens durch die durch die Bewegung verursachten Beschleunigungen sehr stark verfälscht werden kann, kann das aus den Beschleunigungssignalen resultierende Winkelsignal mit einer in Richtung der Drehachse des Oberwagens bzw. der Hochachse des Baggers gemessenen Drehrate bzw. dessen Integral über einen Kalman-Filter fusioniert werden. Mit der Kenntnis aller Absolutwinkel der einzelnen Glieder des Arbeitsarms können die Relativwinkel zwischen den jeweiligen Gliedern bestimmt werden, sodass (unter Berücksichtigung der übrigen Abmessungen) auf die Position des Manipulators bzw. auf den Tool-Center-Point (TCP) geschlossen werden kann.Since this signal is usually very noisy and can be very distorted by the accelerations caused by the movement of the upper carriage, the angle signal resulting from the acceleration signals can be fused with a rotation rate measured in the direction of the rotation axis of the upper carriage or the vertical axis of the excavator or its integral via a Kalman filter. With knowledge of all the absolute angles of the individual links of the working arm, the relative angles between the respective links can be determined so that (taking the other dimensions into account) the position of the manipulator or the tool center point (TCP) can be determined.
Da sich jedoch die Drehachse bzw. Hochachse in der Regel (oder zumindest in den meisten Situationen) immer parallel zum Erdschwerefelds orientiert, kann für eine Positionsbestimmung des Oberwagens, und somit auch die Positionsbestimmung des Tool-Center-Points im Raum, nur die entsprechende mit dem Drehratensensor am Oberwagen gemessene Drehrate genutzt werden. Eine Abstützung dieses Signals mit einem Beschleunigungssensor bezüglich des Erdschwerefelds kann nicht erfolgen. Da der Drehratensensor meist einen unbekannten Offset und/oder ein Rauschen aufweist, wird durch die für die Positionsbestimmung notwendige Integration der Drehrate ein etwaiger Fehler immer weiter aufsummiert und somit vergrößert (es entsteht ein sog. Drift).However, since the rotation axis or vertical axis is usually (or at least in most situations) always oriented parallel to the earth's gravitational field, only the corresponding rotation rate measured with the rotation rate sensor on the upper carriage can be used to determine the position of the upper carriage, and thus also the position of the tool center point in space. This signal cannot be supported with an acceleration sensor with respect to the earth's gravitational field. Since the rotation rate sensor usually has an unknown offset and/or noise, any error is continually added up and thus increased by the integration of the rotation rate required for position determination (a so-called drift occurs).
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die Drehung der Komponente um die Hochachse weiterhin (d.h. zusätzlich) unter Verwendung wenigstes einer an der mobilen Arbeitsmaschine angeordneten Kamera erfasst wird. Somit kann das Drehratensignal (also das Signal des Drehratensensors) gestützt, d.h. verbessert werden bzw. entsprechend mit einem anderen Signal für die Bestimmung der Position, nämlich dem Signal der Kamera, fusioniert werden.According to the invention, it is now provided that the rotation of the component around the vertical axis is further (i.e. additionally) recorded using at least one camera arranged on the mobile work machine. In this way, the rotation rate signal (i.e. the signal from the rotation rate sensor) can be supported, i.e. improved, or fused with another signal for determining the position, namely the signal from the camera.
Da beispielsweise Bagger oder andere mobile Arbeitsmaschinen oftmals schon mit Rückfahrkameras ausgestattet sind und auch ein Trend für eine Erfassung des Umfelds besteht, werden zukünftige Bagger oder andere mobile Arbeitsmaschinen ohnehin vermehrt mit Kameras ausgestattet sein. Um anhand eines Signals einer solchen Kamera die Oberwagendrehrate stützen zu können bzw. um die anhand des Drehratensensors erfasste bzw. ermittelte Drehung zu verbessern, kann die Geschwindigkeit des Oberwagens absolut zum Umfeld und/oder relativ zum Unterwagen ermittelt und beispielsweise einem schon vorhandenen Fusionsalgorithmus (z.B. einem Kalman-Filter) zugeführt werden.Since, for example, excavators or other mobile work machines are often already equipped with rear-view cameras and there is also a trend towards recording the surroundings, future excavators or other mobile work machines will increasingly be equipped with cameras anyway. In order to be able to support the upper carriage rotation rate using a signal from such a camera or to improve the rotation recorded or determined using the rotation rate sensor, the speed of the upper carriage can be determined absolutely in relation to the surroundings and/or relative to the undercarriage and fed, for example, to an existing fusion algorithm (e.g. a Kalman filter).
Insofern ist es auch bevorzugt, unter Verwendung der wenigstes einen an der mobilen Arbeitsmaschine angeordneten Kamera weiterhin eine translatorische Bewegung der mobilen Arbeitsmaschine zu erfassen.In this respect, it is also preferred to continue to record a translational movement of the mobile work machine using the at least one camera arranged on the mobile work machine.
Eine Position der mobilen Arbeitsmaschine im Raum kann, wie erwähnt, vorzugsweise funkgestützt und/oder satellitengestützt, insbesondere unter Verwendung von GPS und/oder Mobilfunk-Triangulation, ermittelt werden. Die ermittelte Position der mobilen Arbeitsmaschine im Raum kann dann anhand der erfassten translatorischen Bewegung verbessert werden. Dies kann sowohl bei satellitengestützter Ermittlung der Position als auch bei anderweitig ermittelter Position, ggf. auch nur relativ, erfolgen.As mentioned, a position of the mobile work machine in space can preferably be determined using radio and/or satellite support, in particular using GPS and/or mobile phone triangulation. The determined position of the mobile work machine in space can then be improved using the recorded translational movement. This can be done both with satellite-supported determination of the position and with another method of determining the position, possibly only relatively.
Anhand der Position des Manipulators innerhalb der mobilen Arbeitsmaschine und der Position der mobilen Arbeitsmaschine im Raum kann dann besonders bevorzugt eine Position des Manipulators (bzw. des Tool-Center-Points) im Raum ermittelt werden.Based on the position of the manipulator within the mobile work machine and the position of the mobile work machine in space, a position of the manipulator (or the tool center point) in space can then be determined in a particularly preferred manner.
Besonders bevorzugt ist, wenn die mobile Arbeitsmaschine einen Bagger umfasst, bei dem die Komponente, an dem der als Baggerarm ausgebildete Manipulator angeordnet ist, Teil eines Oberwagens ist. Alternativ ist es aber ebenso bevorzugt, wenn die mobile Arbeitsmaschine einen Teleskophandler, einen Lastkraftwagen mit Ladekran oder eine Forstmaschine umfasst, die auch jeweils einen Manipulator bzw. Arbeitsarm aufweisen.It is particularly preferred if the mobile work machine comprises an excavator in which the component on which the manipulator designed as an excavator arm is arranged is part of a superstructure. Alternatively, however, it is also preferred if the mobile work machine comprises a telehandler, a truck with a loading crane or a forestry machine, each of which also has a manipulator or working arm.
Zweckmäßig ist es bei solchen mobilen Arbeitsmaschinen dann auch, wenn, wie bereits erwähnt, anhand der ermittelten Position des Manipulators ein Fahrer der mobilen Arbeitsmaschine geführt wird, beispielsweise indem auf einem Anzeigemittel (bzw. einem Display) die Position des Manipulators oder Tool-Center-Points im Verhältnis zu vorgegebenen Arbeitsbereichen, die beispielsweise anhand von Linien dargestellt werden, angezeigt wird. Dies vereinfacht die Arbeit mit der mobilen Arbeitsmaschine und erhöht die Sicherheit. Denkbar ist dabei auch, dass automatisch und aktiv in die Bewegung des Manipulators eingegriffen wird, um den vorgegebenen Arbeitsbereich einzuhalten. Durch die vorgeschlagene Verwendung der Kamera werden die Vorteile einer solchen geführten Bewegung nochmals erhöht, da die Position des Manipulators deutlich besser bzw. genauer ermittelt werden kann.It is also useful for such mobile work machines if, as already mentioned, a driver of the mobile work machine is guided based on the determined position of the manipulator, for example by displaying the position of the manipulator or tool center point in relation to specified work areas, which are shown using lines, for example, on a display device (or a screen). This simplifies working with the mobile work machine and increases safety. It is also conceivable that the movement of the manipulator is automatically and actively intervened in order to maintain the specified work area. The proposed use of the camera further increases the advantages of such a guided movement, as the position of the manipulator can be determined much better and more precisely.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer mobilen Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a mobile work machine, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine mobile Arbeitsmaschine mit einem Manipulator, der an einer Komponente der mobilen Arbeitsmaschine angeordnet ist, wenigstens einem an dem Manipulator angeordneten Sensor, einem in Bezug zu der Komponente ortsfest angeordneten Drehratensensor, wenigstens einer Kamera und einer erfindungsgemäßen Recheneinheit, also beispielsweise einer Steuereinheit oder einem Steuergerät, mit dem die erwähnten Schritte des Verfahrens durchführbar sind.The invention further relates to a mobile work machine with a manipulator which is arranged on a component of the mobile work machine, at least one sensor arranged on the manipulator, a rotation rate sensor arranged in a fixed position with respect to the component, at least one camera and a computing unit according to the invention, that is to say, for example, a control unit or a control device with which the aforementioned steps of the method can be carried out.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.The implementation of the method in the form of a computer program is also advantageous, as this causes particularly low costs, especially if an executing control unit is also used for other tasks and is therefore already available. Suitable data storage devices for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical storage devices, such as hard disks, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using an embodiment and is described in detail below with reference to the drawing.
FigurenbeschreibungCharacter description
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine in einer bevorzugten Ausführungsform, mit der entsprechend ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.1 shows schematically a mobile work machine according to the invention in a preferred embodiment, with which a method according to the invention can be carried out. -
2 zeigt schematisch einen Ablauf eines Teils eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.2 shows schematically a sequence of part of a method according to the invention in a preferred embodiment. -
3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.3 shows schematically a sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment. -
4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.4 shows schematically a mobile work machine according to the invention in a further preferred embodiment.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
In
Der Bagger 100 weist einen Manipulator 110 in Form eines Baggerarms bzw. Arbeitsarms auf, der an einem Teil eines Oberwagens 120 als Komponente der mobilen Arbeitsmaschine beweglich angeordnet bzw. befestigt ist. Der Oberwagen 120 wiederum ist um eine Hochachse H des Baggers drehbar mit einem Unterwagen 130 verbunden.The
An dem Manipulator 110 sind nun hier beispielhaft fünf Sensoren 111, 112, 113, 114 und 115 angeordnet, jeweils an einem Glied des Manipulators 110. Bei diesen Sensoren kann es sich um Inertialsensoren, insbesondere Beschleunigungs- und Drehratensensoren, handeln. An dem Oberwagen 120 ist ein Drehratensensor 121 angeordnet, mit dem eine Drehrate bzw. eine Drehung D (dann durch Integration der Drehrate) um die Hochachse H erfasst werden kann. Weiterhin ist eine Kamera 125, hier in Form einer Rückfahrkamera, auf dem Oberwagen 120 angeordnet.Five
Hierbei ist die Rückfahrkamera 125 dazu vorgesehen, das hintere Umfeld des Baggers 100 aufzunehmen. Hierzu ist sie auch auf den Boden gerichtet. Durch eine geeignete Auswertung der Bildsignale kann sowohl auf die Fahrzeuggeschwindigkeit als auch auf die Rotationsgeschwindigkeit (also die Geschwindigkeit der Drehung um die Hochachse) des Baggers bzw. des Oberwagens geschlossen werden. In geeigneter Weise können diese Signale zur stützung der aus den Inertialsensoren erhaltenen Messsignale zur Verbesserung der Abschätzung der Position des Tool-Center-Points herangezogen werden, wie nachfolgend detaillierter erläutert werden soll. Ein solches Verfahren kann dabei insbesondere mittels einer Recheneinheit 140, beispielsweise in Form eines Steuergeräts des Baggers 100, durchgeführt werden.The
Ein mögliches Verfahren, um kamerabasiert auf die Fahrzeuggeschwindigkeit oder die Oberwagenrotation schließen zu können, kann in der Auswertung des optischen Flusses gesehen werden. Hierfür stehen merkmalbasierte Methoden (z.B. Matching-Verfahren) oder identitätsbasierte Methoden (differentielle Techniken, beispielsweise mittels Gradient oder Strukturtensor, Korrelationstechniken oder filterbasierte Techniken) zur Verfügung. Da die Echtzeitfähigkeit garantiert werden muss, sei insbesondere auf das Matching-Verfahren verwiesen, wie es beispielsweise in dem „Handbuch Fahrerassistenzsysteme: Grundlagen, Komponenten und Systeme für aktive Sicherheit und Komfort“, Springer-Verlag, 2015, von Hermann Winner, Stephan Hakuli, Felix Lotz und Christina Singer beschrieben wird.One possible method for making camera-based conclusions about the vehicle speed or the rotation of the upper carriage can be seen in the evaluation of the optical flow. Feature-based methods (e.g. matching methods) or identity-based methods (differential techniques, for example using gradients or structure tensors, correlation techniques or filter-based techniques) are available for this. Since real-time capability must be guaranteed, particular reference is made to the matching method, as described, for example, in the "Handbook of Driver Assistance Systems: Basics, Components and Systems for Active Safety and Comfort", Springer-Verlag, 2015, by Hermann Winner, Stephan Hakuli, Felix Lotz and Christina Singer.
Hierbei werden Korrespondenzen nur innerhalb der durch das Bildraster vorgegebenen Bildposition gesucht. Die Korrespondenz ergibt sich durch die im Sinne eines bestimmten Maßes oder Objekts ähnlichste Region. Der Suchraum kann dabei auf markante Bildstrukturen eingeschränkt werden (z.B. markante, immer mit aufgezeichnete Punkte des Baggers und/oder seiner Umgebung). Aus den Bildfolgen und den entstandenen Abstand der durch den Algorithmus ausgewerteten, gleichen Merkmale aufeinanderfolgender Bilder kann auf die Geschwindigkeit geschlossen werden.In this case, correspondences are only searched for within the image position specified by the image grid. The correspondence is determined by the region that is most similar in terms of a certain dimension or object. The search space can be restricted to distinctive image structures (e.g. distinctive points of the excavator and/or its surroundings that are always recorded). The speed can be determined from the image sequences and the resulting distance between the identical features of successive images evaluated by the algorithm.
Prinzipiell lässt sich die Oberwagendrehung D durch eine Integration der Drehrate um die z-Achse, hier die Hochachse H, bestimmen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass Drehratensensoren, welche beispielsweise auf einer MEMS-Technologie basieren, einen Offset zusätzlich zu der gemessenen Drehrate aufweisen. Dies würde bei der Integration bereits nach kurzer Zeit zu einer großen Drift des errechneten Winkels führen und von der tatsächlichen Oberwagendrehung stark abweichen.In principle, the upper carriage rotation D can be determined by integrating the rotation rate around the z-axis, here the vertical axis H. However, this has the disadvantage that rotation rate sensors, which are based on MEMS technology, for example, have an offset in addition to the measured rotation rate. This would lead to a large drift of the calculated angle after a short time during integration and would deviate significantly from the actual upper carriage rotation.
Dementsprechend wird bislang eine Stützung mit Beschleunigungssensoren durchgeführt, um die Drift kompensieren zu können. Dies hat jedoch den Nachteil, dass keine Stützinformation für die Gierbewegung, d.h. die Drehung um die Hochachse H, zur Verfügung steht, wie eingangs bereits erläutert. Unter der Annahme einer ebenen Positionierung des Baggers fällt die Gierachse (z-Achse) mit der Richtung der Erdbeschleunigung g, wie in
Dieser Sensor nimmt das Erdmagnetfeld als Referenz zur Berechnung der aktuellen Orientierung in Bezug zum Erdmagnetfeld. Ein Problem stellen jedoch die vielen Metallkomponenten der mobilen Arbeitsmaschine, hier des Baggers, dar, welche die Sensorik maßgeblich beeinflussen.This sensor uses the earth's magnetic field as a reference to calculate the current orientation in relation to the earth's magnetic field. However, one problem is the many metal components of the mobile work machine, in this case the excavator, which have a significant influence on the sensor technology.
Das vom Sensor gemessene Magnetfeld
Um eine Stützung des offsetbehafteten Drehratensensors ermöglichen zu können, wird nun die Oberwagendrehung mit Hilfe der erwähnten Kamera detektiert und einem Fusionsalgorithmus, z.B. einem Kalman-Filter, zugeführt. Die visuelle Erfassung der aktuellen Drehung des Oberwagens kann mittels spezieller Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen. Diesbezüglich kann ein Gesamtmodell bestehend aus Beschleunigungssensor, Drehratensensor und Kamera erstellt werden:
Dabei bezeichnet qnb das Einheitsquaternion, welches die eigene Orientierung im Navigationskoordinatensystem (sog. n-Frame) relativ zum sensoreigenen Koordinatensystem (sog. b-Frame) beschreibt. rn und ṙn beschreiben die Position und Geschwindigkeit des Oberwagens im n-Frame. Die Abtastrate wird mit dem Sampling-Intervall T angegeben. ⌷ entspricht der Quaternionen-Multiplikation. Die resultierende Beschleunigung
Die Kamera-Pose kann als Projektion ℘ beschrieben werden gemäß
Die Fusion kann mit Hilfe eines Kalman-Filters erfolgen. Die Funktion des Kalman-Filters ist unterteilt in einen Prädiktionsschritt und einen Korrekturschritt. Das zuvor beschriebene Gesamtmodell wird in einen Vektor x̂k zusammengefasst, welcher die aktuelle Pose (d.h. Position r, Geschwindigkeit ṙ und Orientierung q) und die Sensoroffsets b beinhaltet:
In
Dies fließt in Schritt 210 in eine Berechnung der Kalman-Verstärkung ein, hier mit den Eingangsgrößen
Dieses Verfahren kann in zwei Situationen genutzt werden. Es ermöglicht eine driftfreie Stützung der Oberwagendrehung im Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine, sowie die Stützung der Gelenkwinkelberechnung im Fall überlagerter Beschleunigungen bedingt durch eine (translatorische) Bewegung der gesamten mobilen Arbeitsmaschine. Eine Trennung der beiden Fälle sollte gewährleistet sein, da im Fall einer kombinierten Bewegung (d.h. Oberwagendrehung und translatorische Bewegung) in der Regel keine Separierung der Geschwindigkeitsvektoren im optischen Fluss erzielt werden kann. Um diesen Fall ebenfalls abdecken zu können, könnten jedoch beispielsweise Steuereingaben (beispielsweise durch einen Joystick) ebenfalls in die Fusion einbezogen werden.This method can be used in two situations. It enables drift-free support of the upper carriage rotation when the mobile work machine is at a standstill, as well as support of the joint angle calculation in the case of superimposed accelerations caused by a (translational) movement of the entire mobile work machine. A separation of the two cases should be ensured, since in the case of a combined movement (i.e. upper carriage rotation and translational movement) it is usually not possible to separate the velocity vectors in the optical flow. In order to cover this case as well, control inputs (e.g. from a joystick) could also be included in the fusion.
In
In einem Schritt 310 kann dann unter Verwendung des Drehratensensors eine Drehung D des Oberwagens um die Hochachse H (vgl. auch
In
Die beiden Kameras 126 und 127 sind hier an der Unterseite des Oberwagens 120 angeordnet. Insgesamt können auf eine solche Weise insbesondere auch vier auf die jeweiligen Ecken des Unterwagens 130 gerichtete Kameras angeordnet sein. In vorteilhafter Weise sind diese als Fischaugenkameras ausgeführt und können somit in einem großen Bereich sowohl das Umfeld als auch den Unterwagen erfassen. Durch die Erfassung des Unterwagens ist es möglich, direkt die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Oberwagen und dem Unterwagen zu bestimmen und somit von der Gesamtfahrzeuggeschwindigkeit zu trennen. Dadurch kann die Abstützung der Drehratensignale des Inertialsensors bzw. Drehratensensors am Oberwagen signifikant verbessert werden, da keine Unterscheidung getroffen werden muss, ob die durch die Kamera gemessene Geschwindigkeit von der Drehung des Oberwagens oder der translatorischen Bewegung des Baggers herrührt.The two
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