DE102018208642A1

DE102018208642A1 - Verfahren zur automatisierten Steuerung eines Baggers

Info

Publication number: DE102018208642A1
Application number: DE102018208642.7A
Authority: DE
Inventors: Kai Liu; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-12-05
Also published as: JP7101825B2; JP2021524893A; US20210198866A1; WO2019228699A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Steuerung eines Baggers (10) mit einer Baggerschaufel (11), die über einen Arm (12) beweglich mit dem Bagger (10) verbunden ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zu Beginn wird eine semantische Karte mit den Koordinaten eines zu verändernden Untergrunds (20) für den Bagger (10) und eine Materialbearbeitungstrajektorie (70) für den Bagger (10) bereitgestellt. Die Materialbearbeitungstrajektorie (70) wird aus der semantischen Karte ermittelt und umfasst einen Startpunkt und eine Richtung zur Bearbeitung des Untergrunds durch die Baggerschaufel (11). Dann wird der Startpunkt angefahren. Im Anschluss erfolgen ein Berechnen einer Bewegungstrajektorie abhängig vom Startpunkt mittels der semantischen Karte und ein Berechnen einer Baggerschaufeltrajektorie mittels der semantischen Karte. Schließlich wird ein Arbeitsschritt gemäß der Materialbearbeitungstrajektorie (70), der Bewegungstrajektorie und der Baggerschaufeltrajektorie ausgeführt und letztlich die semantischen Karte aktualisiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Steuerung eines Baggers unter Verwendung einer semantischen Karte. Ferner betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Ein Bagger mit einer Baggerschaufel, die über einen Arm beweglich mit dem Bagger verbunden ist, ist hinlänglich bekannt. Heutzutage werden verschiedene Assistenzfunktionen verwendet, um die Bedienung von Baggern zu erleichtern. Eine Endlagerdämpfung verhindert, dass die Zylinder des Arms an die mechanischen Anschläge anstoßen. Zudem werden Arbeitsraumgrenzen vorgegeben, die vom Bagger nicht überschritten werden dürfen. Durch diese Arbeitsraumbegrenzung wird verhindert, dass der Bagger bzw. die Baggerschaufel gegen Hindernisse, wie z. B. eine Wand, stößt. Bei einer Koordinatensteuerung steuert der Baggerführer nicht die einzelnen Zylinder des Arms an, sondern gibt die Bahn der Baggerschaufel direkt vor. Für die genannten Assistenzsysteme werden Sensoren benötigt, um die Stellung des Arms und der Baggerschaufel zu ermitteln. Hierzu gehören vor allem Intertialsensoren und optische Sensoren, wie z. B Kameras.
Darüber hinaus gibt es Bestrebungen, die Arbeitsweise von Baggern zu automatisieren. Neben der Bewegung des Baggers selbst steht hierbei vor allem die Arbeitsbewegung der Baggerschaufel im Fokus.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur automatisierten Steuerung eines Baggers mit einer Baggerschaufel vorgeschlagen, wobei die Baggerschaufel über einen Arm beweglich mit dem Bagger verbunden ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Zu Beginn des Verfahrens wird eine semantische Karte mit den Koordinaten eines zu verändernden Untergrunds für den Bagger bereitgestellt. Eine semantische Karte stellt eine metrische Karte dar, bei der neben geometrischen Informationen auch semantische Bezeichnungen für Objekte aus Sensordaten von optischen Sensoren (klassifizierte Objekte) erhalten werden. Die optischen Sensoren sind bevorzugt Kameras und können am Bagger und/oder an einer Infrastruktur in der Umgebung des Baggers angeordnet sein. Beispielsweise wird ein Untergrund, auf welcher der Bagger fährt, als Boden gekennzeichnet und eine Fläche, die senkrecht zum Untergrund nach oben hervorsteht, als Wand gekennzeichnet. Die Koordinaten des zu verändernden Untergrunds werden vorzugsweise aus einem Modell berechnet und in die semantische Karte eingetragen. Das Modell kann dabei ein sogenanntes „Building Information Model“ (BIM) sein, bei dem Daten für ein Bauwerk digital modelliert werden, sodass das Bauwerk als virtuelles Modell zur Verfügung steht. Der zu verändernde Untergrund kann einerseits eine vorgesehene Vertiefung, die ausgehoben werden soll, im Boden sein. In diesem Fall kann die vorgesehene Vertiefung als Baugrube gekennzeichnet sein. Andererseits kann der zu verändernde Untergrund eine vorgesehene Erhöhung sein, die aufgeschüttet werden soll und die beispielsweise als Böschung gekennzeichnet werden kann. Mit anderen Worten weist die semantische Karte die Koordinaten und daraus folgend die Position und die Abmessungen der Baugrube, die ausgehoben werden soll, bzw. der Erhöhung, die aufgeschüttet werden soll, auf. Es werden bevorzugt dreidimensionale Koordinaten (3D-Koordinaten) verwendet, welche die Position, die Länge, die Breite und die Tiefe der Baugrube bzw. die Höhe der Aufschüttung oder auch die Form der Erhöhung wiedergeben.
Optional kann neben der semantischen Karte auch eine globale Karte mit den Koordinaten des zu verändernden Untergrunds für den Bagger bereitgestellt werden. Diese globale Karte gibt die Position des zu verändernden Untergrunds in einem größeren Umfeld, beispielsweise innerhalb der gesamten Baustelle, wieder. Dabei werden bevorzugt beide Karten fusioniert, was bedeutet, dass die Objekte in der semantischen Karte auch global referenziert sind. Die Positionen von geplanten und bereits existierenden Objekten in der globalen Karte kann in die semantische Karte transferiert werden. Dadurch kann sich der Bagger anhand der semantischen Karte und z.B. mittels optischer Sensoren orientieren. In diesem Fall kann auf einen Empfänger für ein globales Navigationssatellitensystem (global navigation satellite system - GNSS) am Bagger verzichtet werden.
Des Weiteren wird eine Materialbearbeitungstrajektorie für den Bagger bereitgestellt. Die Materialbearbeitungstrajektorie wird aus der semantischen Karte gegebenenfalls unter Einbeziehung der globalen Karte ermittelt und umfasst einen Startpunkt und eine Richtung zur Bearbeitung des Untergrunds durch die Baggerschaufel. Damit wird mindestens eine grobe Orientierung für eine erste Bearbeitung bzw. eine genauere Vorgabe des dreidimensionalen Materialflusses im Sinne der Materialentnahme bzw. Materialzugabe bezüglich des Untergrunds durch die Baggerschaufel aufgestellt. Eine detailliertere Beschreibung wird weiter unten in Bezug auf den Fall des Aushubs einer Baugrube und auf den Fall des Aufschüttens einer Erhöhung gegeben. Bei der Ermittlung der Materialbearbeitungstrajektorie werden Arbeitseigenschaften, wie z. B. die Bewegungsmöglichkeiten, die Aufnahmefähigkeit, die Arbeitsbreite und/oder die Arbeitstiefe bzw. die Arbeitshöhe, der Baggerschaufel berücksichtigt.
Im Anschluss wird eine Antriebseinheit, beispielsweise ein Motor, des Baggers gesteuert, sodass der Bagger den durch die Materialbearbeitungstrajektorie gegebenen Startpunkt anfährt. Dabei kann sich der Bagger vorteilhafterweise selbsttätig mittels Routenplanung zu dem Startpunkt bewegen. Für die Routenplanung kann der Bagger ein Modell der Umgebung, vorzugsweise das aus dem oben erwähnte „Building Information Model“ verwenden. Alternativ kann die Routenplanung auf einem elektronischen Steuergerät des Baggers ablaufen. Dabei kann die Routenplanung mittels festgelegter Fahrgassen und/oder anhand von befahrbaren Freiflächen erfolgen. Die Freiflächen können aus den Sensordaten der optischen Sensoren ermittelt werden. Alternativ können die Freiflächen aus der semantischen Karte ermittelt werden. Bei der Ermittlung der Freiflächen wird zwischen dem Befahren und den Bewegungsfenstern für die Arbeitswerkzeuge unterschieden. Die Freiflächen bzw. die Fahrgassen sind speziell für den Bagger ausgelegt und können sich von anderen, wie z. B. für ein Transportfahrzeug unterscheiden. Taucht innerhalb der Route zum Startpunkt ein Hindernis auf, so wird die Routenplanung entsprechend angepasst, um das Hindernis zu umfahren.
Abhängig vom Startpunkt wird mittels der semantischen Karte und gegebenenfalls abhängig von der globalen Karte eine Bewegungstrajektorie berechnet, entlang der sich der Bagger zur bzw. bei bzw. während der Bearbeitung des Untergrunds bewegt, wobei sowohl die Fahrbewegung als auch die Arbeitsbewegung wiedergegeben wird. Zudem kann aus den Sensordaten der optischen Sensoren ein 3D-Profil der Umgebung ermittelt werden, welches in die Berechnung der Bewegungstrajektorie einfließt. Bei der Berechnung der Bewegungstrajektorie kann die vorstehend genannte Routenplanung verwendet werden. Taucht innerhalb der Baggerschaufeltrajektorie ein Hindernis auf, so wird die Bewegungstrajektorie entsprechend angepasst, um das Hindernis zu umfahren. Auch hier werden Arbeitseigenschaften, wie z. B. die Bewegungsmöglichkeiten, die Aufnahmefähigkeit, die Arbeitsbreite und/oder die Arbeitstiefe bzw. die Arbeitshöhe, der Baggerschaufel sowie gegebenenfalls die Ausmaße der Baugrube bzw. der Erhöhung berücksichtigt.
Des Weiteren wird mittels der semantischen Karte eine Baggerschaufeltrajektorie berechnet bzw. geplant, welche die Bewegung der Baggerschaufel wiedergibt. Die Berechnung der Baggerschaufeltrajektorie erfolgt vorzugweise durch ein elektronisches Steuergerät des Baggers. Anhand der Baggerschaufeltrajektorie und der Position der Baggerschaufel wird die Baggerschaufel ausgerichtet und die Schneidkante der Baggerschaufel genau gesteuert. Eine detailliertere Beschreibung wird weiter unten in Bezug auf den Fall des Aushubs einer Baugrube und auf den Fall des Aufschüttens einer Erhöhung gegeben. Zudem kann aus den Sensordaten der optischen Sensoren ein 3D-Profil der Umgebung ermittelt werden, welches in die Berechnung der Baggerschaufeltrajektorie einfließt. Auch hier werden Arbeitseigenschaften, wie z. B. die Bewegungsmöglichkeiten, die Aufnahmefähigkeit, die Arbeitsbreite und/oder die Arbeitstiefe bzw. die Arbeitshöhe der Baggerschaufel sowie gegebenenfalls die Ausmaße der Baugrube bzw. der Erhöhung berücksichtigt.
Sind die Trajektorien ermittelt, führt der Bagger einen Arbeitsschritt gemäß der Materialbearbeitungstrajektorie, der Bewegungstrajektorie und der Baggerschaufeltrajektorie aus. Hierzu erhält der Bagger ein Steuersignal von dem das erfindungsgemäße Verfahren steuernden Steuergerät. Genauer gesagt positionieren sich der Bagger und die Baggerschaufel abhängig von der Materialbearbeitungstrajektorie und bewegt die Baggerschaufel dann entlang der Materialbearbeitungstrajektorie, um entweder Material aufzunehmen oder abzuladen. Anschließend wird die Baggerschaufel entlang der Baggerschaufeltrajektorie zu einem neuen Bearbeitungspunkt oder zum gleichen Bearbeitungspunkt bewegt. Hier bewegt sich die Baggerschaufel dann wieder entlang der Materialbearbeitungstrajektorie. Diese Schritte können sich mehrmals wiederholen, bis der Untergrund an den vorgegebenen Stellen, die von der aktuellen Position des Baggers aus zu erreichen sind, bearbeitet wurde. Schließlich bewegt sich der Bagger entlang der Bewegungstrajektorie zu einer neuen Position hin fort und beginnt von Neuem.
Typischerweise hat sich der Untergrund nach dem Arbeitsschritt verändert. Um sich an den geänderten Untergrund anpassen zu können, ist vorgesehen, dass die Baggerschaufeltrajektorie nach Ausführen des Arbeitsschritts erneut berechnet wird. Vorzugsweise wird ein Hindernis, das während der Bearbeitung des Untergrunds beim Ausführen des Arbeitsschritts auftaucht, bei der erneuten Berechnung der Baggerschaufeltrajektorie berücksichtigt.
Schließlich wird die semantische Karte auf Grundlage der Sensordaten der optischen Sensoren aktualisiert. Das ausgehobene Material bzw. das ausgeschüttete Material ist in den Sensordaten sichtbar. Im Zuge dessen kann die Baggerschaufeltrajektorie mit Kenntnis des zuvor ausgehobenen Materials bzw. des aufgeschütteten Materials, der aktualisierten semantischen Karte, der Materialbearbeitungstrajektorie und/oder der Arbeitseigenschaften, insbesondere der Aufnahmefähigkeit der Baggerschaufel neu berechnet werden. Die Steuerung der Baggerschaufel kann dadurch dahingehend optimiert werden, dass möglichst viel Material aufgenommen wird, ohne dass Material verloren geht, dass Material nicht bloß verschoben wird, sondern tatsächlich transportiert wird und dass die Baggerschaufel möglichst wenig nachfassen muss.
Gemäß einem Aspekt dient die automatische Steuerung des Baggers zum Aushub eines Teils des Untergrunds. Mit anderen Worten werden der Bagger und die Baggerschaufel so gesteuert, dass Material aus einer Baggergrube abgetragen wird. Damit kann ein Großteil der für einen Bagger zu erledigenden Aufgaben abgedeckt werden. In diesem Fall ist die oben beschriebene Materialbearbeitungstrajektorie eine Materialentnahmetrajektorie, welche als Startpunkt den Anstichort der Baggerschaufel und die Richtung der Bewegung der Baggerschaufel umfasst. Die Materialentnahmetrajektorie beschreibt das Fortschreiten des Materialschwunds in der Baugrube und dient als grobe Orientierung der Baggerschaufel für den Moment des Abschneidens zur Aufnahme des Materials. Des Weiteren ist die Baggerschaufeltrajektorie eine Baggerschaufelaufnahmetrajektorie, welche die Bewegung der Baggerschaufel zum Abschneiden und Aufnehmen von Material angibt. Dementsprechend wird der Arbeitsschritt gemäß der Materialentnahmetrajektorie, der oben beschriebenen Bewegungstrajektorie und der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie ausgeführt.
Zusätzlich kann eine Baggerschaufelentladetrajektorie berechnet werden. Die Baggerschaufelentladetrajektorie beschreibt eine Bewegung der Baggerschaufel zum Abladen des Materials, das im Zuge des vorstehend beschriebenen Arbeitsschritts aufgenommen wurde, an einem Abladeort. Der Abladeort kann entweder ein fester Ort sein oder beispielsweise ein Transportfahrzeug sein und kann in an sich bekannter Weise gewählt werden. Die Baggerschaufelentladetrajektorie wird vorzugsweise aus der Position des Baggers, der Position des Abladeorts und dem Startpunkt berechnet. Auch können die oben bereits genannten Arbeitseigenschaften der Baggerschaufel bei der Berechnung der Baggerschaufelentladetrajektorie berücksichtigt werden. Nach der Materialentnahme wird ein Arbeitsschritt zur Entladung der Baggerschaufel an dem Abladeort zumindest gemäß der Baggerschaufelentladetrajektorie ausgeführt werden. Als Resultat können der Aushub des Materials aus der Baugrube und das darauffolgende Abladen des Materials gemeinsam automatisiert gesteuert werden. Vorzugsweise ist die Bewegung der Baggerschaufel von dem Abladeort zum neuen Abschneideort, wenn die Materialentnahme entsprechend der Materialentnahmetrajektorie auf der vormaligen Baggerschaufelaufnahmetrajektorie vollständig erfolgte oder zum gleichen Abschneideort, wenn die Materialentnahme entsprechend der Materialentnahmetrajektorie auf der vormaligen Baggerschaufelaufnahmetrajektorie nicht vollständig erfolgte bzw. nicht abgeschlossen wurde, in der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie vorgesehen.
Um keine Schäden in der Umgebung der Baugrube zu verursachen, ist es vorgesehen, dass die Materialentnahmetrajektorie und/oder die Baggerschaufelaufnahmetrajektorie so berechnet werden, dass ein vorgegebenes Aushubfenster von der Baggerschaufel nicht überschritten wird. Mittels den optischen Sensoren wird überwacht, ob sich die Baggerschaufel der Grenze des Aushubfensters nähert. Bevor die Baggerschaufel das Aushubfenster verlässt, wird die Baggerschaufel abgebremst, wobei die Baggerschaufel vorzugsweise ohne Überschwingen zum Stehen kommt. Das Aushubfenster kann entweder durch das Building Information Model vorgegeben werden oder im elektronischen Steuergerät des Baggers, insbesondere in Form einer Arbeitsraumbegrenzung, abgelegt sein.
Bei der Berechnung der Materialentnahmetrajektorie wird berücksichtigt, dass der Bagger in den ausgehobenen Teil des Untergrunds, d. h. in die Baugrube, hinein und wieder hinausfahren kann. Gleichermaßen wird bei der Berechnung der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie und/oder bei der Berechnung der Baggerschaufelentladetrajektorie berücksichtigt, ob der Bagger in die Baugrube fährt oder nicht. Dies ist vor allem abhängig von den Ausmaßen der Baugrube und den Spezifikationen des Baggers, insbesondere den Ausmaßen des Baggers und der Reichweite des Arms. Vor allem wird bei der Materialentnahmetrajektorie berücksichtigt, dass zumindest ein Abschnitt der Seiten der Baugrube so bearbeitet wird, dass der Bagger auf diesem Abschnitt fahren kann. Als Beispiel ist hier eine Rampe genannt, über die der Bagger aus der Baugrube heraus fahren kann. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest der letzte Arbeitsschritt von außerhalb der Baugrube ausgeführt wird, um zu vermeiden, dass der Bagger in der Baugrube gefangen ist. Im genannten Beispiel fährt der Bagger zuerst über die Rampe aus der Baugrube, bevor er schließlich die Rampe selbst von außerhalb der Baugrube ausbaggert.
Gemäß einem weiteren Aspekt dient die automatische Steuerung des Baggers zur Erhöhung des Untergrunds. Mit anderen Worten werden der Bagger und die Baggerschaufel so gesteuert, dass Material aufgeschüttet wird, um beispielsweise eine Böschung zu bilden. Damit kann ein weiterer großer Teil der für einen Bagger zu erledigenden Aufgaben abgedeckt werden. In diesem Fall ist die oben beschriebene Materialbearbeitungstrajektorie eine Materialzugabetrajektorie, welche den Abladeort der Baggerschaufel und die Richtung der Bewegung Baggerschaufel umfasst. Die Materialzugabetrajektorie beschreibt das Fortschreiten der Materialzunahme am Abladeort. Des Weiteren ist die Baggerschaufeltrajektorie eine Baggerschaufelentladetrajektorie, welche die Bewegung der Baggerschaufel zum Abladen von Material, welches in der Baggerschaufel aufgenommen wurde, angibt. Dementsprechend wird der Arbeitsschritt gemäß der Materialzugabetrajektorie, der oben beschriebenen Bewegungstrajektorie und der Baggerschaufelentladetrajektorie ausgeführt.
Die automatische Steuerung des Baggers zum Aushub eines Teils des Untergrunds und die automatische Steuerung des Baggers zur Erhöhung des Untergrunds können sowohl separat voneinander verwendet werden, als auch kombiniert werden. In letzterem Fall wird Material beim Aushub aus der Baugrube aufgenommen und an einem anderen Ort, dem Abladeort, zur Erhöhung des Untergrunds wieder abgeladen. Es ist ersichtlich, dass der Abladeort zur Erhöhung des Untergrunds ein fester Ort ist und damit kein Transportfahrzeug im oben beschriebenen Sinne ist.
Die Berechnung der vorstehend genannten Trajektorien kann zum einen zumindest teilweise durch das Building Information Model erfolgen. Vorzugsweise wird hierbei der Ist-Zustand des zu bearbeitenden Untergrunds über die optischen Sensoren ermittelt und mit einem Soll-Zustand des Building Information Models verglichen. Dieser Vergleich kann einerseits zur Leistungsbewertung des Building Information Models dienen und andererseits verwendet werden, um das Building Information Model zu verbessern. Alternativ kann die Berechnung der Trajektorien von einem Steuergerät des Baggers durchgeführt werden.
Material, welches aus der Baggerschaufel gefallen ist und/oder lediglich verschoben wurde, kann erkannt werden und durch Wiederholung der Trajektorien aufgenommen werden.
Das bisherige Verfahren ist auf einen Bagger bezogen. Allerdings können auch mehrere Bagger simultan am gleichen Bauprojekt eingesetzt werden und insbesondere mit der gleichen Aufgabe bedacht werden. In diesem Fall werden die Trajektorien für mehrere Bagger gleichzeitig berechnet. Dabei ist bei der Berechnung der Trajektorien darauf zu achten, dass Kollisionen und gegenseitige Behinderungen vermieden werden. Liegen Abschnitte von Trajektorien zweier oder mehrerer Bagger nahe beieinander oder kreuzen sich, ist darauf zu achten, dass sich die Bagger nicht zur gleichen Zeit in diesen Abschnitten befinden.
Ein elektronisches Steuergerät ist eingerichtet, das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen. Hierfür kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, welches jeden Schritt des Verfahrens durchführt. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu kann es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Bagger und eine Baugrube, in der eine Bewegungstrajektorie und eine Baggerschaufelaufnahmetrajektorie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingetragen sind.
2 zeigt die schematische Darstellung aus 1 mit einem zusätzlichen Hindernis in der Route des Baggers.
3 a-c zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf den Bagger und die Baugrube aus 1, in der eine Materialentnahmetrajektorie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingetragen ist.
4 a-c zeigen die schematische Darstellung aus 3 mit einem zusätzlichen Hindernis in der Baugrube.
5 zeigen die schematische Darstellung aus 3 mit einem weiteren Bagger.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Bagger 10 und eine Baugrube 20. In dieser Darstellung ist derselbe Bagger 10 zu mehreren Zeitpunkten dargestellt. Der Bagger 10 weist eine Baggerschaufel 11 auf, die über einen Arm 12 beweglich mit dem Bagger 10 verbunden ist (Bezugszeichen sind der Übersicht wegen nur für einen Bagger dargestellt). Des Weiteren weist der Bagger 10 ein elektronisches Steuergerät 15 und damit verbundene optische Sensoren in Form von Kameras 16 - von denen hier nur eine dargestellt ist, aber mehrere vorhanden sein können - auf. Dem elektronischen Steuergerät 15 des Baggers 10 wird auf Grundlage eines Building Information Model eine semantische Karte und optional eine globale Karte bereitgestellt (nicht gezeigt), in welche Koordinaten der vorgesehenen Baugrube 20 eingetragen sind. Dabei sind die Karten insbesondere fusioniert und die globale Position von geplanten und bereits existierenden Objekten sind in die semantische Karte transferiert. Auf Grundlage der semantischen Karte und einer Position des Baggers 10 wird eine Materialentnahmetrajektorie - die in Zusammenhang mit 3 näher beschrieben ist - bereitgestellt. Der Bagger 10 fährt selbsttätig auf einer mittels Routenplanung ermittelten Route 30 von einer Ausgangsposition 31 des Baggers aus eine durch die Materialbearbeitungstrajektorie gegebene Startposition 32 an. Die Routenplanung kann auf dem elektronischen Steuergerät 15 ablaufen oder das Building Information Model verwenden. Die Route 30 verläuft auf festgelegten Fahrgassen oder auf befahrbaren Freiflächen, die durch die Kameras 16 erkannt werden oder aus der semantischen Karte ermittelt werden.
In 1 ist zudem eine Baggerschaufelaufnahmetrajektorie 40 eingetragen, entlang der sich die Baggerschaufel 11 bewegt, wobei die Baggerschaufel 11 von der Startposition 32 aus abhängig von der Länge des Arms 12 und der Beweglichkeit einen durch den Kreisausschnitt 41 markierten Bereich ausheben kann. Als Startpunkt für die Materialentnahmetrajektorie sind Anstichorte 42 entlang der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie 40 auf dem Kreisausschnitt 41 angeordnet, an denen die Baggerschaufel 11 mit einer vorgegebenen Richtung den Boden ansticht und Material abträgt. Eine detailliertere Beschreibung hierzu wird in Bezug auf 3 gegeben. Die Anstichorte 42 sind abhängig von den Bewegungsmöglichkeiten, der Aufnahmefähigkeit und vor allem der Arbeitsbreite der Baggerschaufel angeordnet. Der Bagger 10 hebt mit der Baggerschaufel 11 an jedem Anstichort 42 gemäß der Materialentnahmetrajektorie - die in Zusammenhang mit 3 näher beschrieben ist - Material aus. In hier nicht gezeigten Ausführungsformen bewegt sich die Baggerschaufel 11 dann entlang einer Baggerschaufelentladetrajektorie zu einem Abladeort, der entweder fest sein kann oder ein Transportfahrzeug, wie z. B. ein LKW, sein kann. Die Baggerschaufelaufnahmetrajektorie wird nach dem Ausführen des Arbeitsschritts erneut berechnet. Im Anschluss bewegt sich die Baggerschaufel 11 entlang der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie 40 zum nächsten Anstichort 42 und trägt dort erneut Material ab.
Ist der markierte Bereich auf diese Art ausgehoben, fährt der Bagger 10 entlang der eingetragenen Bewegungstrajektorie 50 jeweils zum nächsten Punkt 51, 52, 53 weiter bis er einen Endpunkt 54 erreicht und führt an diesen Stellen jeweils den vorstehend beschriebenen Aushub aus. Dabei bewegt sich der Bagger 10 innerhalb des bereits ausgehobenen Abschnitts der Baugrube 20. Die Bewegungstrajektorie 50 kann auf dem elektronischen Steuergerät 15 ablaufen oder das Building Information Model verwenden und dabei auf festgelegten Fahrgassen oder auf befahrbaren Freiflächen verlaufen, die durch die Kameras 16 erkannt werden oder aus der semantischen Karte ermittelt werden. Der Endpunkt 54 ist so gewählt, dass der Bagger 10 außerhalb der Baugrube 20 steht, wenn er den letzten Aushub durchführt. Der Übersicht wegen sind für die weiteren Punkte 51, 52, 53, 54 lediglich die Kreisausschnitte, über die sich die Baggerschaufel bewegen kann (ohne gesonderte Bezugszeichen) dargestellt, nicht jedoch die jeweiligen Baggerschaufelaufnahmetrajektorien 40 selbst. Es ist zu erkennen, dass die Baggerschaufel 11 auch auf der Hinterseite des Baggers 10 - entgegen der bevorzugten Fahrtrichtung des Baggers 10 - Material abtragen kann. Dies ist besonders für den Endpunkt 54 von Bedeutung, da der Bagger 10 hier, wenn er die Baugrube 20 verlassen hat, den restlichen vorgesehenen Bereich ausheben kann.
Im Folgenden sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, sodass auf deren erneute Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Es gilt es anzumerken, dass in den 1 und 2 die Route 30 und die Bewegungstrajektorie 50 unterhalb des Baggers 10 und der Baugrube 20 dargestellt sind. Diese Darstellung wurde aus Übersichtsgründen gewählt, um die Route 30, die Bewegungstrajektorie 50 und vor allem die Punkte 31, 32, 51, 52, 53, 54 auf der Route 30 bzw. auf der Bewegungstrajektorie 50 deutlich erkennbar darzustellen. Die Route 30 und die Bewegungstrajektorie 50 verläuft in der Anwendung durch die drei Positionen, an denen der Bagger 10 in den 1 und 2 jeweils dargestellt ist. In der Praxis verläuft die Route 30 und die Bewegungstrajektorie 50 meist zweidimensional in der dargestellten Ebene und gegebenenfalls dreidimensional.
Die 2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf den Bagger 10 und die Baugrube 20. Im Vergleich zu 1 ist in 2 ein Hindernis 60 dargestellt, das sich zwischen dem Bagger 10 und der Startposition 32 befindet. Das Hindernis 60 wird durch die Kameras 16 des Baggers 10 erkannt und die Routenplanung so angepasst, dass die ursprüngliche Route 30 zu einer neuen Route 35 verändert wird, entlang welcher sich der Bagger 10 vom Ausgangsposition 31 zur Startposition 32 bewegt.
Die 3 a-c zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf den Bagger 10 und die Baugrube 20 aus 1. In 3a ist der Bagger 10 im Ausgangspunkt 31 gezeigt und die geplante Baugrube 20 dargestellt. Der Bagger bewegt sich von der Ausgangsposition 31 zur Startposition 32, den er in 3b erreicht. In 3b ist außerdem eine Materialentnahmetrajektorie 70 dargestellt, entlang dieser die Baggerschaufel 11 aus einer Anfangslage 71, über eine Lage 72 am Anstichort bis zu einer Endlage 73 bewegt wird. Die Materialentnahmetrajektorie 70 umfasst neben dem Startpunkt, daher dem Anstichort 42 (siehe 2), auch die Richtung zum Abschneiden des Materials vom Untergrund durch die Baggerschaufel 11 am Anstichort. Durch das Abschneiden des Materials wird der gezeigte Abschnitt 21 der Baugrube erhalten. In 3c ist die tatsächlich ausgehobene Baugrube 22 dargestellt, die in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen der geplanten Baugrube 20 entspricht. Die tatsächliche Baugrube 22 wird von der Kamera 16 erfasst und der Ist-Zustand der tatsächlichen Baugrube 22 mit dem Soll-Zustand der geplanten Baugrube 20 verglichen. Dieser Vergleich kann einerseits zur Leistungsbewertung des Building Information Models dienen und andererseits verwendet werden, um das Building Information Model zu verbessern.
Die 4 a-c zeigen ebenfalls eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf den Bagger 10 und die Baugrube 20. Die 4a entspricht hierbei der 3a. Im Vergleich zu der 3b ist in der 4b ein Hindernis 80 - z. B. ein Kabel - in der Baugrube 20 dargestellt, welches beim Ausheben des gezeigten Abschnitts 21 aufgetaucht ist. Das Hindernis 80 wird bei der Berechnung der Baggerschaufeltrajektorie 40, der Bewegungstrajektorie 50 und/oder der Materialbearbeitungstrajektorie 70 berücksichtigt. 4c zeigt nun eine geänderte tatsächliche Baugrube 23, die im Vergleich zur geplanten Baugrube 20 verschoben ist, allerdings das Hindernis 80 nicht weiter berührt. Die Ausmaße der geänderten tatsächlichen Baugrube 23 entsprechen denen der geplanten Baugrube 20. Die Verschiebung der tatsächlichen Baugrube 23 wird in Einklang mit dem Building Information Model durchgeführt und kann auch verhindert werden, wenn die Baugrube 20 beispielsweise an einem genau vorgeschriebenen Ort ausgehoben werden soll. Auch hier wird die geänderte tatsächliche Baugrube 23 von der Kamera 16 erfasst und das Building Information Model entsprechend der neuen Position der tatsächlichen Baugrube 23 angepasst. Außerdem ist in 4c nochmals gezeigt, dass sich der Bagger 10 innerhalb des bereits ausgehobenen Abschnitts 21 befinden kann und sich wieder aus diesem hinausbewegen kann.
Die 5 a-c zeigen ebenfalls eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf den Bagger 10 und die Baugrube 20. Die 5a entspricht hierbei der 3a. Im Vergleich zu der 3b ist in der 5b ein zusätzlicher Bagger 100 dargestellt, der dem Bagger 10 entspricht, und ebenfalls eine Baggerschaufel 101, einen Arm 102, ein elektronisches Steuergerät 105 und Kameras 106 umfasst. Der zusätzliche Bagger 100 wird verwendet, um in Zusammenarbeit mit dem bereits beschriebenen Bagger 10 die Baugrube 20 auszuheben. Für den zusätzlichen Bagger 100 werden in Analogie zu dem Bagger 10 ebenfalls eine Baggerschaufeltrajektorie, eine Bewegungstrajektorie und eine Materialbearbeitungstrajektorie berechnet. Zur Beschreibung der Arbeitsweise des zusätzlichen Baggers 100 wird auf die Beschreibung des Baggers 10 verwiesen. 5c zeigt den Abschnitt 21 der Baugrube, der vom Bagger 10 ausgehoben wurde und den Abschnitt 121 der Baugrube, der vom zusätzlichen Bagger 100 ausgehoben wurde.
In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen dient die automatische Steuerung des Baggers 10 zur Erhöhung des Untergrunds. Hierbei wird eine Materialzugabetrajektorie anstelle der Materialentnahmetrajektorie 70 verwendet, welche den Abladeort des Materials der Baggerschaufel 11 und die Richtung der Bewegung der Baggerschaufel 11 umfasst, sowie eine Baggerschaufelentladetrajektorie anstelle der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie 40 verwendet, welche die Bewegung der Baggerschaufel 11 angibt. Außerdem wird die Bewegungstrajektorie 20 entsprechend angepasst. Die Arbeitsschritte werden dann gemäß der Materialzugabetrajektorie der Baggerschaufelentladetrajektorie und der angepassten Bewegungstrajektorie ausgeführt.

Claims

Verfahren zur automatisierten Steuerung eines Baggers (10) mit einer Baggerschaufel (11), die über einen Arm (12) beweglich mit dem Bagger (10) verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bereitstellen einer semantischen Karte mit den Koordinaten eines zu verändernden Untergrunds (20) für den Bagger (10); - Bereitstellen einer Materialbearbeitungstrajektorie (70) für den Bagger (10), wobei die Materialbearbeitungstrajektorie (70) aus der semantischen Karte ermittelt wird und einen Startpunkt und eine Richtung zur Bearbeitung des Untergrunds durch die Baggerschaufel (11) umfasst; - Steuern einer Antriebseinheit des Baggers zum Anfahren des Startpunkts; - Berechnen einer Bewegungstrajektorie (50) abhängig vom Startpunkt mittels der semantischen Karte; - Berechnen einer Baggerschaufeltrajektorie (40) mittels der semantischen Karte; - Ausgeben eines Steuersignals zum Ausführen eines Arbeitsschritts gemäß der Materialbearbeitungstrajektorie (70), der Bewegungstrajektorie (50) und der Baggerschaufeltrajektorie (40); und - Aktualisierung der semantischen Karte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Steuerung des Baggers (10) zum Aushub eines Teils des Untergrunds (20, 21, 22, 23) dient, wobei die Materialbearbeitungstrajektorie eine Materialentnahmetrajektorie (70) ist, welche als Startpunkt den Anstichort (42) der Baggerschaufel (11) und die Richtung der Bewegung der Baggerschaufel (11) umfasst, und wobei die Baggerschaufeltrajektorie eine Baggerschaufelaufnahmetrajektorie (40) ist, welche die Bewegung der Baggerschaufel (11) angibt, und der Arbeitsschritt gemäß der Materialentnahmetrajektorie (70), der Bewegungstrajektorie (50) und der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie (40) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialentnahmetrajektorie (70) und/oder die Baggerschaufelaufnahmetrajektorie (40) so berechnet werden, dass ein Aushubfenster von der Baggerschaufel (11) nicht überschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Baggerschaufelentladetrajektorie aus der Position des Baggers (10), der Position eines Abladeorts und dem Startpunkt berechnet wird und nach der Materialentnahme ein Arbeitsschritt zur Entladung der Baggerschaufel (11) zumindest gemäß der Baggerschaufelentladetrajektorie ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Materialentnahmetrajektorie (70), bei der Berechnung der Baggerschaufelaufnahmetrajektorie (40) und/oder bei der Berechnung der Baggerschaufelentladetrajektorie berücksichtigt wird, dass der Bagger (10) in den ausgehobenen Teil (21) des Untergrunds hinein und wieder hinaus fahren kann, wobei zumindest der letzte Arbeitsschritt von außerhalb des ausgehobenen Teils (21) des Untergrunds ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Steuerung des Baggers (10) zur Erhöhung des Untergrunds dient, wobei die Materialbearbeitungstrajektorie eine Materialzugabetrajektorie ist, welche den Abladeort der Baggerschaufel (11) und die Richtung der Bewegung Baggerschaufel (11) umfasst, und wobei die Baggerschaufeltrajektorie eine Baggerschaufelentladetrajektorie ist, welche die Bewegung der Baggerschaufel (11) angibt, und der Arbeitsschritt gemäß der Materialzugabetrajektorie, der Bewegungstrajektorie und der Baggerschaufelentladetrajektorie ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der semantischen Karte auch eine globale Karte mit den Koordinaten des zu verändernden Untergrunds (20) für den Bagger (10) bereitgestellt wird und dass bei der Ermittlung der Trajektorien (40, 50, 70) die globale Karte berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bagger (10) selbsttätig mittels Routenplanung durch ein Modell der Umgebung oder durch ein elektronisches Steuergerät (15) des Baggers (10) selbst zu einer Startposition (32) bewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein 3D-Profil der Umgebung mittels optischen Sensoren (16) ermittelt wird und das 3D-Profil der Umgebung zur Berechnung der Bewegungstrajektorie (50) und/oder zur Berechnung der Baggerschaufeltrajektorie (40) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitseigenschaften der Baggerschaufel (11) bei der Ermittlung der Trajektorien (40, 50, 70) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baggerschaufeltrajektorie (40) nach Ausführen des Arbeitsschritts erneut berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auftauchende Hindernisse (60, 80) bei der Berechnung der Baggerschaufeltrajektorie (40) und/oder der Bewegungstrajektorie (50) und/oder der Materialbearbeitungstrajektorie (70) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Trajektorien (40, 50, 70) zumindest teilweise durch ein Building Information Model erfolgt oder von einem elektronischen Steuergerät (15) des Baggers (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien (40, 50, 70) für mehrere Bagger (10, 100) berechnet werden, wobei die Bagger (10, 100) ihre Arbeitsschritte gemäß den berechneten Trajektorien (40, 50, 70) ausführen.
Elektronisches Steuergerät (15), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 einen Bagger (10) automatisch zu steuern.