DE102019207161A1 - Method for determining the space requirements of a construction machine, a working arm and a tool - Google Patents

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Christian Krause
Kai Liu
Horst Wagner
Bilge Manga
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Platzbedarfs (PBx1, PBx2, PBz1, PBz2) einer Baumaschine (1), eines Arbeitsarms (3) und eines Werkzeugs (2) der Baumaschine (1) mit Hilfe eines oder mehrerer der Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensoren, Linearsensoren durch einen Algorithmus zur Bestimmung einer kinematischen Kette unter Berücksichtigung bekannter Maße der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und des Werkzeugs (2). Der Platzbedarf (PBx1, PBx2, PBz1, PBz2) wird dann verwendet, um Funktionen der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) abhängig von dem der Baumaschine (1), dem Arbeitsarm (3) und dem Werkzeug (2) zur Verfügung stehenden freien Raum zu steuern und/oder zu unterbinden.The invention relates to a method for determining the space requirement (PBx1, PBx2, PBz1, PBz2) of a construction machine (1), a working arm (3) and a tool (2) of the construction machine (1) with the aid of one or more of the inertial measuring units, Angle sensors, linear sensors using an algorithm to determine a kinematic chain, taking into account known dimensions of the construction machine (1), the working arm (3) and the tool (2). The space requirement (PBx1, PBx2, PBz1, PBz2) is then used to perform functions of the construction machine (1), the working arm (3) and / or the tool (2) depending on the construction machine (1), the working arm (3) and to control and / or prevent the free space available to the tool (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Platzbedarfs einer Baumaschine, eines Arbeitsarms und eines Werkzeugs durch Bestimmen der Position und der Orientierung des Werkzeugs und zur Verwendung des Platzbedarfs, um Funktionen der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs abhängig von dem der Baumaschine und dem Werkzeug zur Verfügung stehenden freien Raum zu steuern und/oder zu unterbinden. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The present invention relates to a method for determining the space requirement of a construction machine, a working arm and a tool by determining the position and orientation of the tool and for using the space requirement to perform functions of the construction machine, the working arm and / or the tool depending on that of the construction machine and to control and / or prevent the free space available to the tool. The invention also relates to a computer program that executes each step of the method when it runs on a computing device, as well as a machine-readable storage medium that stores the computer program. Finally, the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Bei autonom betriebenen Baumaschinen mit einem Werkzeug, das über einen Arbeitsarm mit der Arbeitsmaschine verbunden ist, ist es von großer Bedeutung den Platzbedarf der Baumaschine und des Werkzeugs zu kennen, um diesen ins Verhältnis zum zur Verfügung stehenden freien Raum zu setzen. Nur wenn ein genügend großer freier Raum zur Verfügung steht, der den Platzbedarf abdeckt, können im autonomen Betrieb bestimmte Funktionen ausgeführt werden.In the case of autonomously operated construction machines with a tool that is connected to the work machine via a work arm, it is of great importance to know the space requirements of the construction machine and the tool in order to put this in relation to the available free space. Certain functions can only be carried out in autonomous operation if there is enough free space available to cover the space requirements.

Es sind Algorithmen zur Bestimmung der kinematischen Kette bekannt. An jedem Glied des Werkzeugarms ist hierfür einer oder mehrere der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit (IMU, inertial measuring unit), Winkelsensoren, Linearsensoren angeordnet, welche Sensordaten an ein Rechengerät senden. Die so ermittelten Sensordaten werden für jeden Sensor individuell gefiltert und zur Zustandsschätzung der Orientierung des jeweiligen Sensors relativ zu einem ortsfesten Inertialkoordinatensystem fusioniert. Ein solcher Algorithmus wird bei der Tool Center Point Estimation verwendet. Die Tool Center Point Estimation ist ein Algorithmus zur Zustandsschätzung von Orientierung und Position eines Endeffektors. Der Endeffektor ist insbesondere ein Werkzeug oder ein Teil eines Werkzeugs, das einen Werkzeugarm mit mehreren Gliedern, die über Gelenke verbunden sind, aufweist.Algorithms for determining the kinematic chain are known. For this purpose, one or more of the following sensors, inertial measuring unit (IMU), angle sensors, linear sensors, which send sensor data to a computing device, are arranged on each link of the tool arm. The sensor data determined in this way are filtered individually for each sensor and merged to estimate the state of the orientation of the respective sensor relative to a stationary inertial coordinate system. Such an algorithm is used in the Tool Center Point Estimation. The Tool Center Point Estimation is an algorithm for the state estimation of the orientation and position of an end effector. The end effector is, in particular, a tool or a part of a tool that has a tool arm with several links that are connected by joints.

Typischerweise verwendete Verfahren sind in der Abhandlung von Nikolas Trawny und Stergios I. Roumeliotis. „Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation“ University of Minnesota, Dept. of Comp. Sci. & Eng., Tech. Rep 2 (2005) , in der Abhandlung von Robert Mahony, Tarek Hamel, und Jean-Michel Pflimlin, „Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group“, IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218 , sowie in der Abhandlung von Sebastian Madgwick, „An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays“ Report x-io and University of Bristol (UK) 25 (2010), beschrieben, auf die insoweit verwiesen wird.Typically used procedures are in the treatise of Nikolas Trawny and Stergios I. Roumeliotis. "Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation" University of Minnesota, Dept. of Comp. Sci. & Eng., Tech. Rep 2 (2005) , in the treatise of Robert Mahony, Tarek Hamel, and Jean-Michel Pflimlin, "Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group", IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218 , as well as in the paper by Sebastian Madgwick, "An efficient orientation filter for inertial and inertial / magnetic sensor arrays" Report x-io and University of Bristol (UK) 25th (2010), to which reference is made.

Aus der so geschätzten Orientierung des Sensors wird zunächst die Orientierung des Glieds, an dem der Sensor angeordnet ist, bestimmt. Dies wird für alle Glieder des Werkzeugarms durchgeführt. Aus der relativen Orientierung zweier aufeinanderfolgender Glieder lässt sich bei bekannter Kinematik (zum Beispiel bei bekannten Denavit-Hartenberg Parametern) der Gelenkwinkel des Gelenks, das die beiden Glieder verbindet, berechnen. Sind schließlich alle Gelenkwinkel und die Maße der Glieder bekannt, kann die gesamte Konfiguration des Werkzeugarms direkt aus der Vorwärtskinematik und somit die Orientierung und Position des Endeffektors bestimmt werden.From the orientation of the sensor estimated in this way, the orientation of the member on which the sensor is arranged is first determined. This is done for all links of the tool arm. With known kinematics (for example with known Denavit-Hartenberg parameters) the joint angle of the joint that connects the two links can be calculated from the relative orientation of two successive links. Finally, if all the joint angles and the dimensions of the links are known, the entire configuration of the tool arm can be determined directly from the forward kinematics and thus the orientation and position of the end effector.

Für eine detaillierte Beschreibung wird auf die Abhandlung von Mark W. Spong, Seth Hutchinson und Mathukumalli Vidyasagar, „Robot modeling and control“, Vol. 3. New York: Wiley, 2006 , verwiesen.For a detailed description, see the treatise of Mark W. Spong, Seth Hutchinson and Mathukumalli Vidyasagar, “Robot modeling and control”, Vol. 3. New York: Wiley, 2006 , referenced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung des Platzbedarfs der Baumaschine, des Arbeitsarms und des Werkzeugs vorgeschlagen. Das Werkzeug ist über den Arbeitsarm mit der Baumaschine verbunden und die Baumaschine, der Arbeitsarm und das Werkzeug bilden eine kinematische Kette. Die Baumaschine ist insbesondere eine autonom betriebene Baumaschine. Als Platzbedarf ist der von der Baumaschine mitsamt ihren Aufbauten, dem Arbeitsarm und dem Werkzeug im Umfeld eingenommene Raum anzusehen. Hierfür wird die kinematische Kette mit Hilfe eines oder mehrerer der Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensoren, Linearsensoren durch einen Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette bestimmt. Der Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette basiert auf Sensorsignalen der Sensoren, die wenigstens an dem zumindest einen Teil des Werkzeugs und bevorzugt an jedem Glied der kinematischen Kette zwischen der Baumaschine und dem Werkzeug angeordnet sind. Es gilt hierbei zu beachten, dass einerseits der Arbeitsarm mehrgliedrig ausgebildet sein kann und andererseits die Baumaschine einen Unterbau, der auf dem Boden aufsteht, und einen Oberbau, der in Bezug zum Unterbau um die Hochachse drehbar ist, umfassen kann. In diesem Fall kann das Werkzeug in drei Dimensionen bewegt werden. Mittels diesen Sensoren können z. B. Gelenkwinkel zwischen den Gliedern der kinematischen Kette gemessen werden. Inertiale Messeinheiten lassen sich leicht und kostengünstig nachrüsten und können für andere Verfahren verwendet werden.A method is proposed for determining the space required by the construction machine, the working arm and the tool. The tool is connected to the construction machine via the working arm and the construction machine, the working arm and the tool form a kinematic chain. The construction machine is in particular an autonomously operated construction machine. The space taken up by the construction machine and its superstructures, the working arm and the tools in the vicinity is to be regarded as the space requirement. For this purpose, the kinematic chain is determined with the help of one or more of the sensors inertial measuring unit, angle sensors, linear sensors by an algorithm for determining the kinematic chain. The algorithm for determining the kinematic chain is based on sensor signals from the sensors which are arranged at least on the at least one part of the tool and preferably on each link of the kinematic chain between the construction machine and the tool. It should be noted here that, on the one hand, the working arm can be designed in multiple sections and, on the other hand, the construction machine can comprise a substructure that stands on the ground and a superstructure that can be rotated around the vertical axis in relation to the substructure. In this case the tool can be moved in three dimensions. By means of these sensors, for. B. Joint angles between the links of the kinematic chain can be measured. Inertial measurement units can be easily and Retrofit inexpensively and can be used for other processes.

Um aus der kinematischen Kette den Platzbedarf zu ermitteln, werden zudem bekannte Maße der Baumaschine, des Arbeitsarms und des Werkzeugs berücksichtigt. Die Maße sind unter anderem die Abmessungen der Baumaschine, die Größe der Aufbauten, die Größe des Werkzeugs, die Länge der Verbindungsstücke des Arbeitsarms, die Länge und Gelenkachsenrichtungen sonstiger beweglicher Teile usw. und können in einem Modell, insbesondere in Konstruktionszeichnungen, hinterlegt sein oder im Vorfeld gemessen werden.In order to determine the space requirement from the kinematic chain, known dimensions of the construction machine, the working arm and the tool are also taken into account. The dimensions include the dimensions of the construction machine, the size of the superstructures, the size of the tool, the length of the connecting pieces of the working arm, the length and joint axis directions of other moving parts, etc. and can be stored in a model, especially in construction drawings, or in To be measured in advance.

Mit Hilfe der bekannten Maße der Baumaschine und ihrer Anordnung untereinander aus der kinematischen Kette kann jeder Punkt des Arbeitsarms und des Werkzeugs bezüglich der Baumaschine im Raum ermittelt werden und somit auch der von der Baumaschine, dem Arbeitsarm und dem Werkzeug eingenommene Raum, d. h. der Platzbedarf, ermittelt werden.With the help of the known dimensions of the construction machine and their arrangement with one another from the kinematic chain, each point of the working arm and the tool with respect to the construction machine in space can be determined and thus also the space occupied by the construction machine, the working arm and the tool, i.e. H. the space requirement, can be determined.

Bevorzugt können die Position und/oder die Orientierung des Werkzeugs, besonders bevorzugt beide, bestimmt werden und in die Ermittlung des Platzbedarfs einfließen. Dabei werden die Position und die Orientierung des Werkzeugs vorzugsweise mit Hilfe derselben Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensoren durch den Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette bestimmt. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das Werkzeug in Bezug auf den Arbeitsarm in mehrere Dimensionen bewegt werden kann. Besonders bevorzugt werden die Position und die Orientierung des Werkzeugs aus dem Drehwinkel des Oberbaues und den Gelenkwinkeln der Glieder des Arbeitsarms unter Berücksichtigung der Längen der Glieder ermittelt.The position and / or the orientation of the tool, particularly preferably both, can preferably be determined and be included in the determination of the space requirement. The position and the orientation of the tool are preferably determined with the aid of the same sensors, inertial measuring unit, angle sensors, by the algorithm for determining the kinematic chain. This is particularly advantageous when the tool can be moved in several dimensions with respect to the working arm. The position and the orientation of the tool are particularly preferably determined from the angle of rotation of the superstructure and the joint angles of the links of the working arm, taking into account the lengths of the links.

Schließlich wird der ermittelte Platzbedarf verwendet, um Funktionen der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs abhängig von dem der Baumaschine, dem Arbeitsarm und dem Werkzeug zur Verfügung stehenden freien Raum zu steuern und/oder zu unterbinden.Finally, the determined space requirement is used to control and / or prevent functions of the construction machine, the working arm and / or the tool depending on the free space available to the construction machine, the working arm and the tool.

Solche Funktionen sind z. B. eine Bewegung der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs. Hierbei können abhängig vom zur Verfügung stehenden freien Raum Bewegungstrajektorien ermittelt werden. Zudem können die werkzeugspezifischen Funktionen gesteuert und/oder unterbunden werden. Hierzu gehören z. B. das Anheben und Abladen von Lasten.Such functions are e.g. B. a movement of the construction machine, the working arm and / or the tool. Movement trajectories can be determined depending on the available free space. In addition, the tool-specific functions can be controlled and / or prevented. These include B. lifting and unloading loads.

Der Platzbedarf kann verwendet werden, um eine Kollision der Baumaschine und/oder des Werkzeugs mit einem Hindernis in der Umgebung der Baumaschine zu verhindern. Wenn der Platzbedarf höher als der zur Verfügung stehende freie Raum ist, kann die Bewegung der Baumaschine und/oder des Werkzeugs gestoppt oder unterbunden werden. Dadurch wird eine Nothalt-Funktion implementiert. Neben dem Stoppen der Bewegung kann beim Unterbinden der Bewegung auch die manuelle Steuerung verhindert werden. Die Unterbindung der Bewegung kann wieder aufgehoben werden. Insbesondere kann dies direkt durch den Bediener oder eine andere verantwortliche Person veranlasst werden. Alternativ kann, wenn der Platzbedarf höher als der zur Verfügung stehende freie Raum ist, eine automatische Steuerung der Baumaschine und/oder des Werkzeugs erfolgen, durch welche die Bewegung in anderer Weise ausgeführt wird. Zum Beispiel kann die Richtung der Bewegung und/oder die Geschwindigkeit verändert werden. Alternativ kann die Abfolge in einer Arbeitssequenz - wenn möglich - verändert werden. Als Beispiel kann bei einem Bagger der Oberbau gedreht werden, bevor der Arbeitsarm ausgefahren wird.The space requirement can be used to prevent the construction machine and / or the tool from colliding with an obstacle in the vicinity of the construction machine. If the space requirement is higher than the available free space, the movement of the construction machine and / or the tool can be stopped or prevented. This implements an emergency stop function. In addition to stopping the movement, manual control can also be prevented when the movement is prevented. The restriction of movement can be lifted again. In particular, this can be initiated directly by the operator or another responsible person. Alternatively, if the space requirement is greater than the available free space, the construction machine and / or the tool can be controlled automatically, by means of which the movement is carried out in a different way. For example, the direction of movement and / or the speed can be changed. Alternatively, the sequence can be changed in a work sequence - if possible. As an example, the superstructure of an excavator can be rotated before the working arm is extended.

Es können im Vorfeld Zonen definiert werden, in denen sich die Baumaschine, der Arbeitsarm und/oder das Werkzeug bewegen darf. Diese Zonen weisen Grenzen auf und sind vorzugsweise dreidimensional vorgesehen und hängen vorzugsweise zusammen. Die Zonen sind so ausgestaltet, dass Hindernisse, Gefahrenbereiche oder Bereiche, die anderweitig nicht für die Baumaschinen zugänglich sind bzw. sein sollen, außerhalb der Zonen liegen. Vorteilhafterweise werden diese Zonen für eine Fahrt der Baumaschine zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt entlang eines vorgebbaren Fahrwegs als Fahrkorridor ausgebildet, wobei der Fahrkorridor Kurven, Kreuzungen, Abzweigungen und Ähnliches aufweisen kann. Die als Fahrkorridor ausgebildeten Zonen sind zwischen dem Startpunkt und dem Zielpunkt in Richtung des Fahrtwegs miteinander verbunden und sind in den anderen Richtungen begrenzt. In der Praxis können mehrere Fahrkorridore vorgesehen sein, in denen unterschiedliche Baumaschinen fahren. Der ermittelte Platzbedarf wird zumindest mit den Grenzen dieser Zonen verglichen. Die oben beschriebenen Funktionen der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkezugs können dann abhängig von dem durch die Zonen zur Verfügung stehenden Platz gesteuert und/oder unterbunden werden.Zones can be defined in advance in which the construction machine, the working arm and / or the tool may move. These zones have boundaries and are preferably provided three-dimensionally and are preferably connected. The zones are designed in such a way that obstacles, danger areas or areas that are otherwise not or should not be accessible to the construction machines are outside the zones. These zones are advantageously designed as a driving corridor for the construction machine to travel between a starting point and a destination along a predeterminable route, the driving corridor being able to have curves, intersections, junctions and the like. The zones designed as a driving corridor are connected to one another between the starting point and the destination point in the direction of the route and are delimited in the other directions. In practice, several driving corridors can be provided in which different construction machines are driving. The determined space requirement is compared at least with the boundaries of these zones. The functions of the construction machine, the working arm and / or the tools described above can then be controlled and / or prevented depending on the space available through the zones.

Insbesondere können innerhalb der Zonen nur bestimmte Bewegungen der Baumaschine und/oder des Werkzeugs ausgeführt werden dürfen. Es können z. B. nur vorgebbare Bewegungen, beispielsweise ein Bewegen der Baumaschine, nicht jedoch des Werkzeugs, zugelassen werden oder die Bewegungen können beschränkt werden. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit reduziert werden oder die Gelenkwinkel limitiert werden.In particular, only certain movements of the construction machine and / or the tool can be carried out within the zones. It can e.g. B. only predeterminable movements, for example moving the construction machine, but not the tool, are permitted or the movements can be restricted. For example, the speed can be reduced or the joint angle limited.

Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.The computer program is set up to carry out every step of the procedure, especially if it is carried out on a computing device or control unit. It enables the implementation of the method in a conventional electronic control unit without having to make structural changes to it. For this purpose it is stored on the machine-readable storage medium.

Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, eine Ermittlung des Platzbedarfs durchzuführen und die Funktionen zu steuern und/oder zu unterbinden.By uploading the computer program to a conventional electronic control device, the electronic control device is obtained, which is set up to determine the space requirement and to control and / or prevent the functions.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Baumaschine, deren Platzbedarf mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht der Baumaschine aus 1.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 5 zeigt eine schematische Ansicht der Baumaschine aus 1 in einem Fahrkorridor.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the description below.
  • 1 shows a schematic side view of a construction machine, the space requirement of which can be determined by means of the method according to the invention.
  • 2 FIG. 11 shows a schematic top view of the construction machine from FIG 1 .
  • 3 shows a flow chart of a first embodiment of the method according to the invention.
  • 4th shows a flow chart of a second embodiment of the method according to the invention
  • 5 FIG. 11 shows a schematic view of the construction machine from FIG 1 in a driving corridor.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht und die 2 eine schematische Draufsicht einer Baumaschine 1 in Form eines Baggers mit einem als Schaufel ausgebildeten Werkzeug 2. Das Werkzeug 2 ist über einen Arbeitsarm 3 mit der Baumaschine 1 verbunden. Der Arbeitsarm 3 ist mehrgliedrig ausgebildet, wobei jeweils ein Gelenk 4 zwischen den einzelnen Armgliedern sowie zwischen dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2 und zwischen dem Arbeitsarm 3 und der Baumaschine 1 ausgebildet ist, über das die Komponenten zueinander beweglich sind. Die Baumaschine 1, der Arbeitsarm 3 und das Werkzeug 2 bilden eine kinematische Kette. Für jedes Glied der kinematischen Kette ist an den Gelenken 4 jeweils ein Gelenkwinkelsensor (nicht dargestellt) angeordnet, der den Winkel θ des Gelenks 4 (Gelenkwinkel) zwischen zwei miteinander verbundenen Gliedern misst. In anderen Ausführungsformen ist an jedem Glied der kinematischen Kette ein inertialer Sensor einer inertialen Messeinheit angeordnet. Darüber hinaus sind Umgebungssensoren 5, wie beispielsweise Näherungssensoren, Ultraschallsensoren, Radar, Lidar, Kameras oder Ähnliches vorgesehen. Alle genannten Sensoren sind mit einem elektronischen Steuergerät 6 der Baumaschine 1 verbunden.The 1 shows a schematic side view and FIG 2 a schematic top view of a construction machine 1 in the form of an excavator with a tool designed as a shovel 2 . The tool 2 is about a working arm 3 with the construction machine 1 connected. The working arm 3 is multi-link, each with a joint 4th between the individual arm links and between the working arm 3 and the tool 2 and between the working arm 3 and the construction machine 1 is designed, via which the components are movable to one another. The construction machine 1 , the working arm 3 and the tool 2 form a kinematic chain. For each link of the kinematic chain is at the joints 4th in each case a joint angle sensor (not shown) is arranged, which determines the angle θ of the joint 4th (Joint angle) between two linked links. In other embodiments, an inertial sensor of an inertial measuring unit is arranged on each link of the kinematic chain. In addition, there are environmental sensors 5 , such as proximity sensors, ultrasonic sensors, radar, lidar, cameras or the like are provided. All sensors mentioned come with an electronic control unit 6th the construction machine 1 connected.

Darüber hinaus sind zur Beschreibung der Figuren eine X-Richtung, eine Y-Richtung und eine Z-Richtung festgelegt. Die X-Richtung zeigt in Vorzugsrichtung des Arbeitsarms 3 parallel zum Boden, die Y-Richtung ist parallel zum Boden und steht senkrecht zur X-Richtung und die Z-Richtung steht senkrecht zu den beiden anderen Richtungen.In addition, an X direction, a Y direction and a Z direction are defined for describing the figures. The X direction points in the preferred direction of the working arm 3 parallel to the floor, the Y-direction is parallel to the floor and is perpendicular to the X-direction, and the Z-direction is perpendicular to the other two directions.

In den 1 und 2 sind für den Arbeitsarm 3 vier Gelenke 4 dargestellt. Die Gelenkwinkel Θ ändern die Stellung des Arms 3 sowie die Position und die Orientierung des Werkzeugs 2. In 1 sind zwei verschiedene Zustände a, b dargestellt, bei denen sich die Stellung des Arms 3 und die Position des Werkzeugs 2 unterscheiden. Zur Unterscheidung der beiden Zustände a, b sind für einen ersten Zustand a die beweglichen Komponenten - also der Arbeitsarm 3, das Werkzeug 2 und die Gelenke 4 - gestrichelt gezeichnet und die zugehörigen Bezugszeichen sind mit einem Strich (') gekennzeichnet. Für einen zweiten Zustand b sind die beweglichen Komponenten durchgehend gezeichnet und die Bezugszeichen weisen keinen Strich auf. Die Darstellung der Baumaschine und der fest montierten Komponenten (die ebenfalls durchgehend gezeichnet sind und deren zugehörige Bezugszeichen ebenfalls keine Striche aufweisen) bezieht sich auf beide Zustände. Beim Vergleich der beiden Zustände a, b sind die Gelenkwinkel θ1 ', θ2 ', θ3 ', θ4 ' im ersten Zustand a stumpfer, sodass der Arbeitsarm 3 gestreckt ist, die Gelenkwinkel θ1 , θ2 , θ3 , θ4 im zweiten Zustand b sind spitzer, sodass der Arbeitsarm 3 angewinkelt ist. Aus den Gelenkwinkeln θ1 ', θ2 ', θ3 ', θ4 ' bzw. θ1 , θ2 , θ3 , θ4 lässt sich der Platzbedarf PB berechnen, wie weiter unten beschrieben wird. Als Platzbedarf wird der von der Baumaschine 1 mitsamt dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2 im Umfeld eingenommene Raum angesehen. Aufbauten, die hier nicht gezeigt sind, aber an der Baumaschine 1 vorhanden sein können, werden beim Platzbedarf PB berücksichtigt.In the 1 and 2 are for the working arm 3 four joints 4th shown. The joint angles Θ change the position of the arm 3 as well as the position and orientation of the tool 2 . In 1 two different states a, b are shown, in which the position of the arm 3 and the position of the tool 2 distinguish. To distinguish between the two states a, b, the movable components - that is, the working arm - are used for a first state a 3 , the tool 2 and the joints 4th - Drawn in dashed lines and the associated reference numerals are marked with a dash ('). For a second state b, the movable components are drawn continuously and the reference symbols do not have a dash. The representation of the construction machine and the permanently mounted components (which are also drawn continuously and whose associated reference symbols also do not have any dashes) relates to both states. When comparing the two states a, b are the joint angles θ 1 ', θ 2 ', θ 3 ', θ 4 'in the first state a more blunt, so that the working arm 3 is stretched, the joint angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 in the second state b are more pointed, so that the working arm 3 is angled. From the joint angles θ 1 ', θ 2 ', θ 3 ', θ 4 ' or. θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 the space requirement PB can be calculated, as described below. The space required by the construction machine 1 including the working arm 3 and the tool 2 the space occupied in the environment. Superstructures that are not shown here, but on the construction machine 1 may be present are taken into account in the space requirement PB.

In der 1 ist der Platzbedarf PBx1, PBx2 in X-Richtung und der Platzbedarf PBz1, PBz2 in Z-Richtung für die beiden Zustände a, b gezeigt. Der Platzbedarf in X-Richtung PBx1, PBx2 reicht von der Hinterseite der Baumaschine 1 bis zur äußeren Spitze des Werkzeugs 2. Der Platzbedarf in Z-Richtung PBz1, PBz2 reicht vom Boden bis zum höchsten Teil des Arbeitsarms 3 (oder des Werkzeugs 2). Da die Gelenkwinkel θ1 ', θ2 ', θ3 ', θ4 ' im ersten Zustand stumpfer sind als die Gelenkwinkel θ1 , θ2 , θ3 , θ4 im zweiten Zustand, ist der Platzbedarf PBx1 in X-Richtung für den ersten Zustand größer als der Platzbedarf PBx2 in X-Richtung für den zweiten Zustand. Gleichzeitig ist der Platzbedarf PBz1 in Z-Richtung für den ersten Zustand kleiner als der Platzbedarf PBx2 in Z-Richtung für den zweiten Zustand.In the 1 is the space requirement PBx1, PBx2 in the X direction and the space requirement PBz1 , PBz2 shown in the Z-direction for the two states a, b. The space requirement in the X direction PBx1, PBx2 extends from the rear of the construction machine 1 to the outer tip of the tool 2 . The space required in the Z direction PBz1 , PBz2 extends from the floor to the highest part of the working arm 3 (or the tool 2 ). Because the joint angle θ 1 ', θ 2 ', θ 3 ', θ 4 'are more obtuse than the joint angles in the first state θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 in the second state, the space requirement PBx1 in the X direction for the first state is greater than the space requirement PBx2 in the X direction for the second state. At the same time is the space requirement PBz1 in the Z direction for the first state less than the space requirement PBx2 in the Z direction for the second state.

Bei einem Werkzeug 2, das nur in der X-Z-Ebene bewegt werden kann, sind in der Y-Richtung die Abmessungen der Baumaschine 1 selbst meist deutlich größer als die Abmessungen des Werkzeugs 2 bzw. des Arbeitsarms 3 in dieser Richtung. Folglich wird der Platzbedarf PBy in Y-Richtung (für dieses Beispiel nicht gezeigt) maßgeblich von der Breite der Baumaschine 1 und der Aufbauten in Y-Richtung bestimmt.With a tool 2 , which can only be moved in the XZ plane, are the dimensions of the construction machine in the Y direction 1 itself usually significantly larger than the dimensions of the tool 2 or the working arm 3 in this direction. Consequently, the space requirement becomes PBy in the Y direction (not shown for this example) largely depends on the width of the construction machine 1 and the superstructures in the Y direction.

In 2 ist ein dritter Zustand dargestellt, bei dem das Werkzeug 2 gegenüber der X-Richtung am äußersten Gelenk 4 um den Gelenkwinkel θ5 gedreht ist. Der Platzbedarf PBy in Y-Richtung ist ebenfalls gezeigt und dieser reicht von der äußeren Spitze des gedrehten Werkzeugs 2 bis zur gegenüberliegenden Seite der Baumaschine 1.In 2 a third state is shown in which the tool 2 opposite to the X direction at the outermost joint 4th around the joint angle θ 5 is rotated. The space requirement PBy in the Y direction is also shown and this extends from the outer tip of the rotated tool 2 to the opposite side of the construction machine 1 .

3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Während des gesamten Verfahrens werden die Position P und die Orientierung O (z. B. die Drehung des Werkzeugs in 2) des Werkzeugs 2 bestimmt 10. Hierfür wird die an sich bekannte Tool Center Point Estimation verwendet, welche die Position P und die Orientierung O im dreidimensionalen Raum aus den von den Gelenkwinkelsensoren gemessenen Gelenkwinkel θ1 ', θ2 ', θ3 ', θ4 ', θ5 bzw. θ1 , θ2 , θ3 , θ4 , θ5 der gesamten kinematischen Kette ermittelt 10. Die Ermittlung 10 der Position P und der Orientierung O wird für ein Inertialsystem durchgeführt, wobei eine Koordinatentransformation zwischen einem fahrzeugfesten Koordinatensystem, in dem die gemessenen Gelenkwinkel θ1 ', θ2 ', θ3 ', θ4 , θ5 bzw. θ1 , θ2 , θ3 , θ4 , θ5 gemessen werden, und dem Inertialsystem erfolgt. Dabei werden die Abmessungen des Arbeitsarms 3 verwendet, die in einem Modell M der Baumaschine 1 hinterlegt sind. Die Abmessungen können alternativ im Vorhinein direkt gemessen werden. Aus der Position P und der Orientierung O des Werkzeugs 2 und der Stellung des Arbeitsarms 3 wird der von der Baumaschine 1, dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2 eingenommene Raum und somit der Platzbedarf PB ermittelt 11 3 shows a flow chart of a first embodiment of the method according to the invention. The position P and the orientation O (e.g. the rotation of the tool in 2 ) of the tool 2 certainly 10 . For this purpose, the tool center point estimation known per se is used, which determines the position P and the orientation O in three-dimensional space from the joint angle measured by the joint angle sensors θ 1 ', θ 2 ', θ 3 ', θ 4 ', θ 5 or. θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 , θ 5 of the entire kinematic chain 10 . The investigation 10 the position P and the orientation O is carried out for an inertial system, with a coordinate transformation between a vehicle-fixed coordinate system in which the measured joint angle θ 1 ', θ 2 ', θ 3 ', θ 4 , θ 5 or. θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 , θ 5 are measured, and the inertial system takes place. The dimensions of the working arm 3 used in a Model M of the construction machine 1 are deposited. Alternatively, the dimensions can be measured directly in advance. From position P and orientation O of the tool 2 and the position of the working arm 3 becomes that of the construction machine 1 , the working arm 3 and the tool 2 occupied space and thus the space requirement PB determined 11

Außerdem wird während des gesamten Verfahrens der zur Verfügung stehende freie Raum FR aus Daten der Umgebung ermittelt 12. Der freie Raum FR wird ebenfalls im Inertialsystem angegeben. Zu den Daten der Umgebung gehören die Sensordaten der Umgebungssensoren 5, mit denen Hindernisse in der Umgebung erkannt werden. Zudem können Sicherheitsabstände zu den Hindernissen vorgesehen sein. Der freie Raum FR wird so beschränkt, dass die Hindernisse außerhalb des freien Raums liegen und um den Sicherheitsabstand beabstandet sind. Des Weiteren können die Daten der Umgebung Kartendaten umfassen. In den Kartendaten können Bereiche definiert sein, die für die Baumaschine 1 nicht zugänglich sind. Diese gesperrten Bereiche werden dann vom freien Raum FR ausgenommen.In addition, the available free space FR is determined from data from the surroundings during the entire process 12 . The free space FR is also given in the inertial system. The data of the environment includes the sensor data of the environment sensors 5 with which obstacles in the vicinity are recognized. In addition, safety distances to the obstacles can be provided. The free space FR is restricted so that the obstacles are outside the free space and are spaced apart by the safety distance. Furthermore, the data of the environment can include map data. Areas for the construction machine can be defined in the map data 1 are not accessible. These blocked areas are then excluded from the free space FR.

In einer kontinuierlichen Abfrage 13 wird der Platzbedarf PB mit dem zur Verfügung stehenden freien Raum FR verglichen. Wenn der Platzbedarf PB geringer als der zur Verfügung stehende freie Raum FR ist, wird das Verfahren fortgeführt und weiterhin die Position P und die Orientierung des Werkzeugs 2 ermittelt 10 sowie der freie Raum FR ermittelt 12. Wenn der Platzbedarf höher als der zur Verfügung stehende freie Raum ist, wird eine der folgenden Funktionen ausgeführt, um eine Kollision der Baumaschine 1 mit einem Hindernis in der Umgebung zu verhindern oder um zu verhindern, dass die Baumaschine in die gesperrten Bereiche fährt. Zum einen kann die Bewegung der Baumaschine 1, des Arbeitsarms 3 und/oder des Werkzeugs 2 in eine andere Richtung und/oder mit einer anderen Geschwindigkeit gesteuert 14 werden. Zum anderen kann die Bewegung der Baumaschine 1, des Arbeitsarms 3 und/oder des Werkzeugs 2 gestoppt werden bzw. unterbunden 15 werden, d. h. eine weitere Bewegung verhindert werden, bis die Unterbindung aufgehoben wird.In one continuous query 13 the space requirement PB is compared with the available free space FR. If the space requirement PB is less than the available free space FR, the method is continued and the position P and the orientation of the tool continue 2 determined 10 and the free space FR is determined 12 . If the space requirement is more than the available free space, one of the following functions is performed to prevent the construction machine from colliding 1 with an obstacle in the area or to prevent the construction machine from entering the restricted areas. For one, the movement of the construction machine 1 , the working arm 3 and / or the tool 2 steered in a different direction and / or at a different speed 14th will. Second, the movement of the construction machine 1 , the working arm 3 and / or the tool 2 stopped or prevented 15th that is, prevent further movement until the ligature is released.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel werden während des gesamten Verfahrens die Position P und die Orientierung O des Werkzeugs 2 bestimmt 20 und daraus und aus der Stellung des Arbeitsarms 3 wird der Platzbedarf PB ermittelt 21. Außerdem werden im Vorhinein Zonen ZN, in denen sich die Baumaschine 1, der Arbeitsarm 3 und das Werkzeug 2 beispielsweise auf einer Baustelle bewegen darf, definiert 22. Diese Zonen ZN geben somit den für die Baumaschine 1, den Arbeitsarm 3 und das Werkzeug 2 zur Verfügung stehenden freien Raum an. 4th shows a flow chart of a second embodiment of the method according to the invention. Analogously to the first exemplary embodiment, the position P and the orientation O of the tool are set during the entire process 2 certainly 20th and from this and from the position of the working arm 3 the space requirement PB is determined 21st . In addition, zones ZN in which the construction machine is located 1 , the working arm 3 and the tool 2 for example, may move on a construction site, defines 22. These zones ZN thus give the construction machine 1 , the working arm 3 and the tool 2 available free space.

In 5 sind die Zonen ZN zu einem Fahrkorridor 30 ausgebildet, in dem sich die obengenannte Baumaschine 1 von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt bewegen kann. Typischerweise sind auf der Baustelle mehrere solcher Fahrkorridore 30 ausgebildet und unterschiedliche Baumaschinen fahren entlang dieser Fahrkorridore 30. Der Fahrkorridor 30 ist so ausgebildet, dass sich Hindernisse 35 (hier nur schematisch dargestellt) außerhalb des Fahrkorridors 30 befinden. Alternativ können auch hier Bereiche definiert sein, die für die Baumaschine 1 nicht zugänglich sind. Der Fahrkorridor 30 ist dann außerhalb dieser Bereiche gebildet. Es können hierbei Kurven, Kreuzungen, Abzweigungen und Ähnliches gebildet sein. Die Größe des Fahrkorridors 30 ist in diesem Fall in zwei Dimensionen begrenzt und wird abhängig vom zur Verfügung stehenden Raum gewählt. In 5 wird der Fahrkorridor 30 vom ersten Abschnitt 31 zum zweiten Abschnitt 32 hin kleiner.In 5 the ZN zones are a driving corridor 30th trained, in which the above-mentioned construction machine 1 can move from a starting point to a destination point. Typically there are several such corridors on the construction site 30th trained and different construction machines drive along these corridors 30th . The driving corridor 30th is designed to avoid obstacles 35 (only shown schematically here) outside the driving corridor 30th are located. Alternatively, areas can also be defined here that are for the construction machine 1 are not accessible. The driving corridor 30th is then formed outside of these areas. Curves, crossings, branches and the like can be formed here. The size of the driving corridor 30th is in this case limited in two dimensions and will selected depending on the space available. In 5 becomes the driving corridor 30th from the first section 31 to the second section 32 smaller.

Wie in 4 weiter dargestellt, wird eine kontinuierliche Abfrage 23 durchgeführt, bei welcher der Platzbedarf PB mit den Grenzen der Zonen ZN verglichen wird. Abhängig von dem durch die Zonen ZN zur Verfügung stehenden Platz, wird eine der folgenden Funktionen ausgeführt. Zum einen kann die Bewegung der Baumaschine 1, des Arbeitsarms 3 und/oder des Werkzeugs 2 in eine vorgegebene Richtung und/oder mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gesteuert 24 werden. Innerhalb der Zonen ZN sind beispielsweise nur vorgegebene Bewegungen der Baumaschine 1, des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs erlaubt, beispielsweise ein Bewegen der Baumaschine 1, nicht jedoch des Werkzeugs 2. Zudem werden die Bewegungen beschränkt, z. B. indem die erlaubte Geschwindigkeit limitiert wird oder die Gelenkwinkel Θ limitiert werden. Zum anderen können bestimmte Funktionen, wie z. B. ein Ausfahren des Arbeitsarms 3 oder ein Drehen des Arbeitsarms 3 unterbunden 25 werden.As in 4th further shown is a continuous query 23 carried out, in which the space requirement PB is compared with the boundaries of the zones ZN. One of the following functions is carried out depending on the space available through the zones ZN. For one, the movement of the construction machine 1 , the working arm 3 and / or the tool 2 can be controlled 24 in a predetermined direction and / or at a predetermined speed. For example, there are only predetermined movements of the construction machine within the zones ZN 1 , the working arm and / or the tool allowed, for example moving the construction machine 1 but not the tool 2 . In addition, the movements are limited, e.g. B. by limiting the allowed speed or limiting the joint angle Θ. On the other hand, certain functions, such as B. an extension of the working arm 3 or rotating the working arm 3 be prevented 25.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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  • Robert Mahony, Tarek Hamel, und Jean-Michel Pflimlin, „Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group“, IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218 [0004]Robert Mahony, Tarek Hamel, and Jean-Michel Pflimlin, "Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group", IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218 [0004]
  • Mark W. Spong, Seth Hutchinson und Mathukumalli Vidyasagar, „Robot modeling and control“, Vol. 3. New York: Wiley, 2006 [0006]Mark W. Spong, Seth Hutchinson and Mathukumalli Vidyasagar, "Robot modeling and control", Vol. 3. New York: Wiley, 2006 [0006]

Claims (9)

Verfahren zur Ermittlung (11; 21) des Platzbedarfs (PB) einer Baumaschine (1), eines Arbeitsarms (3) und eines Werkzeugs (2) der Baumaschine (1) mit Hilfe eines oder mehrerer der Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensoren, Linearsensoren durch einen Algorithmus zur Bestimmung einer kinematischen Kette der Baumaschine (1) unter Berücksichtigung bekannter Maße der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und des Werkzeugs (2), wobei der ermittelte Platzbedarf (PB) verwendet wird, um Funktionen der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) abhängig von dem der Baumaschine (1), dem Arbeitsarm (3) und dem Werkzeug (2) zur Verfügung stehenden freien Raum (FR) zu steuern (14; 24) und/oder zu unterbinden (15; 25).Method for determining (11; 21) the space requirement (PB) of a construction machine (1), a working arm (3) and a tool (2) of the construction machine (1) with the aid of one or more of the sensors inertial measuring unit, angle sensors, linear sensors by a Algorithm for determining a kinematic chain of the construction machine (1) taking into account known dimensions of the construction machine (1), the working arm (3) and the tool (2), the determined space requirement (PB) being used to perform functions of the construction machine (1) controlling (14; 24) the free space (FR) available to the construction machine (1), the working arm (3) and the tool (2) of the working arm (3) and / or the tool (2) and / or to prevent (15; 25). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung (11) des Platzbedarfs (PB) eine Position (P) und/oder eine Orientierung (O) des Werkzeugs (2) bestimmt (10; 20) wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a position (P) and / or an orientation (O) of the tool (2) is determined (10; 20) to determine (11) the space requirement (PB). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maße der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und des Werkzeugs (2) aus einem Modell (M) ermittelt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the dimensions of the construction machine (1), the working arm (3) and the tool (2) are determined from a model (M). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Platzbedarf (PB) verwendet wird, um eine Kollision der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) mit einem Hindernis in der Umgebung der Baumaschine (1) zu verhindern, indem die Bewegung der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) gestoppt wird, unterbunden (15) wird oder in anderer Weise gesteuert (14) wird, wenn der Platzbedarf (PB) höher als der zur Verfügung stehenden freien Raum (FR) ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the space requirement (PB) is used to avoid a collision of the construction machine (1), the working arm (3) and / or the tool (2) with an obstacle in the vicinity of the construction machine ( 1) by the movement of the construction machine (1), the working arm (3) and / or the tool (2) being stopped, prevented (15) or otherwise controlled (14) if the space requirement (PB ) is higher than the available free space (FR). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zonen (ZN) definiert (22) werden, in denen sich die Baumaschine (1), der Arbeitsarm (3) und/oder das Werkzeug bewegen darf, und der Platzbedarf (PB) zumindest mit den Grenzen dieser Zonen (ZN) verglichen (23) wird, um die Funktionen der Baumaschine und/oder des Werkezugs abhängig von dem durch die Zonen (ZN) zur Verfügung stehenden Platz zu steuern (24) und/oder zu unterbinden (25).Method according to one of the preceding claims, characterized in that zones (ZN) are defined (22) in which the construction machine (1), the working arm (3) and / or the tool may move, and at least the space requirement (PB) is compared (23) with the boundaries of these zones (ZN) in order to control (24) and / or prevent (25) the functions of the construction machine and / or the tools depending on the space available through the zones (ZN) . Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur bestimmte Bewegungen der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) innerhalb der Zonen (ZN) ausgeführt werden dürfen.Procedure according to Claim 5 , characterized in that only certain movements of the construction machine (1), the working arm (3) and / or the tool (2) may be carried out within the zones (ZN). Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.Computer program which is set up, each step of the method according to one of the Claims 1 to 6th perform. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which a computer program is based Claim 7 is stored. Elektronisches Steuergerät (6), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eine Ermittlung des Platzbedarfs (PB) durchzuführen.Electronic control device (6) which is set up to use a method according to one of the Claims 1 to 6th to determine the space requirements (PB).
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