DE102019220557A1

DE102019220557A1 - Verfahren und Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine

Info

Publication number: DE102019220557A1
Application number: DE102019220557.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Schulz; Dominik Weber; Ankur Srivastava
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine, wobei eine Vielzahl von Lokalisierungselementen an relativ zueinander gemäß einer vorgegebenen Kinematik beweglichen Strukturelementen der Maschine angeordnet ist, wobei bevorzugt zumindest zwei der Lokalisierungselemente ein jeweiliges RTLS-Modul aufweisen, mit den Schritten: Ermitteln einer Vielzahl von Abständen zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente, wobei das Ermitteln der Abstände bevorzugt ein Messen von mindestens einem Abstand zwischen RTLS-Modulen umfasst, Ermitteln von mindestens einem Winkel, welcher durch jeweils drei der Lokalisierungselemente definiert ist, unter Verwendung der ermittelten Abstände; und Lokalisieren der mindestens einen Komponente, unter Verwendung des mindestens einen ermittelten Winkels, wobei das Ermitteln der Vielzahl von Abständen und/oder das Ermitteln des mindestens einen Winkels unter Berücksichtigung der vorgegebenen Kinematik erfolgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine.
Stand der Technik
Um genaues Arbeiten zu ermöglichen, ist eine genaue Lokalisierung von bestimmten Komponenten einer Maschine erforderlich. Etwa soll die genaue Position der Schaufel eines Baggers oder des Hakens eines Krans exakt bestimmt werden. Diese Daten sollen insbesondere auch dann zur Verfügung stehen, wenn eine direkte Sichtverbindung nicht möglich ist.
Zur Lokalisierung sind aus der Funknavigation bzw. Funkortung Real-Time-Localization-System (RTLS)-Sensoren bekannt, welche zur Ermittlung der relativen Lage von Objekten eingesetzt werden können. Derartige Sensoren können vorzugsweise mit Ultrabreitband-Technologie (englisch: ultra-wideband, UWB) kombiniert werden, wobei extrem große Frequenzbereiche einer Bandbreite von mindestens 500 Megahertz verwendet werden. Vorteilhaft ist die Bereitstellung extrem preisgünstiger und energieeffizienter Geräte bei moderaten Datenraten.
Aus der US 9,227,820 B2 ist ein Verfahren zur Detektion von Sensoreinheiten, insbesondere für Baumaschinen bekannt. Hierbei werden RTLS-Module zur Positionsbestimmung eingesetzt.
Die Bestimmung von Komponenten einer Maschine kann auch mittels Inertialsensoren oder mittels Sensoren, welche einen Weg oder Winkel messen, erfolgen.
Weiter sind Time-Difference-of-Arrival-Verfahren bekannt, wobei Tags ein Signal aussenden, welches einen Zeitstempel und eine Identifikationsnummer des Tags umfasst. Weiter sind Anker vorgesehen, welche die Signale empfangen. Basierend auf einer Synchronisierung der Anker kann die genaue Position des Tags berechnet werden.
Bei Two-Way-Ranging-Verfahren sendet ein Tag ein Abfragesignal (englisch: poll signal), welches von einem Anker empfangen wird. Der Anker sendet ein Antwortsignal, welches von dem Tag empfangen wird, welcher wiederum ein finales Signal an den Anker sendet. Indem die Signale die jeweiligen Empfangszeiten der vorherigen Signale umfassen, kann die Gesamtlaufzeit (englisch: time-of-flight) berechnet werden.
Neben Sternstrukturen und Baumstrukturen sind selbstheilende Meshnetzwerke bekannt. Die meisten Module werden als Router konfiguriert, sodass alle Knotenpunkte miteinander Daten austauschen können. Alle Knoten sind über mehrere Wege erreichbar, sodass bei Abschattung eines Knotens, etwa durch Metall oder ähnliche Gegebenheiten, ein anderer Datenübertragungsweg gewählt werden kann, um den Knoten zu erreichen. Weiter ist ein Koordinator vorgesehen, welcher die Wege der Datenkommunikation verwaltet. Da auch bei Abschattung eine Lokalisierung weiter möglich ist, wird die Robustheit der Lokalisierung erhöht.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 bereit.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine, wobei eine Vielzahl von Lokalisierungselementen an relativ zueinander gemäß einer vorgegebenen Kinematik beweglichen Strukturelementen der Maschine angeordnet ist, wobei bevorzugt zumindest einige der Lokalisierungselemente ein jeweiliges RTLS-Modul aufweisen. Eine Vielzahl von Abständen zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente wird ermittelt bzw. gemessen, wobei das Ermitteln bzw. Messen der Vielzahl von Abständen bevorzugt ein Messen von mindestens einem Abstand zwischen RTLS-Modulen umfasst. Mindestens ein Winkel, welcher durch jeweils drei der Lokalisierungselemente definiert ist, wird unter Verwendung der ermittelten Abstände ermittelt. Die mindestens eine Komponente wird unter Verwendung des mindestens einen berechneten Winkels lokalisiert. Das Ermitteln bzw. Messen der Vielzahl von Abständen und/oder das Ermitteln bzw. Messen des mindestens einen Winkels erfolgen unter Berücksichtigung der vorgegebenen Kinematik.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine, mit einer Vielzahl von Lokalisierungselementen, welche an relativ zueinander gemäß einer vorgegebenen Kinematik beweglichen Strukturelementen der Maschine angeordnet oder anordenbar sind. Bevorzugt weisen zumindest einige der Lokalisierungselemente ein jeweiliges RTLS-Modul auf. Eine Ermittlungseinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Vielzahl von Abständen zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente zu ermitteln, wobei das Ermitteln der Abstände bevorzugt ein Messen von mindestens einem Abstand zwischen RTLS-Modulen umfasst. Die Ermittlungseinrichtung ermittelt unter Verwendung der ermittelten Abstände mindestens einen Winkel, welcher durch jeweils drei der Lokalisierungselemente definiert ist. Die Ermittlungseinrichtung lokalisiert die mindestens eine Komponente unter Verwendung des mindestens einen berechneten Winkels. Die Ermittlungseinrichtung führt das Ermitteln der Vielzahl von Abständen und/oder das Ermitteln des mindestens einen Winkels unter Berücksichtigung der vorgegebenen Kinematik durch.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, unter Berücksichtigung der vorgegebenen Kinematik Komponenten einer Maschine zu lokalisieren. Insbesondere kann die Komponente auch bei Abschattungen lokalisiert werden, indem sich die Berechnung unter Berücksichtigung der Kinematik beispielsweise an bestimmten Strukturelementen „entlanghangelt“, folglich eine Position eines entfernteren Strukturelementes anhand von Abständen und/oder Winkeln zu näheren Strukturelementen ermittelt, ohne dass die relative Lage zu sämtlichen der näheren Strukturelemente bekannt sein muss.
Unter einem „Tag“ ist im Sinne dieser Erfindung ein Gerät zu verstehen, welches Teil eines Lokalisierungselementes ist. Der Tag ist ausgebildet, ein Funksignal, insbesondere ein UWB-Signal, abzugeben. Die Kenntnis der Position des Tags ermöglicht die Kenntnis der Position des Objekts, auf welchem der Tag positioniert ist. Der Tag ist fest an dem Objekt fixiert.
Unter einem „Anker“ ist im Sinne dieser Erfindung ein fest installiertes Gerät zu verstehen, welches der Positionsermittlung dient. Der Anker ist ausgebildet, ein Funksignal, insbesondere ein UWB-Signal, von einem Tag zu empfangen. Ein Anker stellt ein Referenzobjekt dar, wobei die Position eines Tags relativ zu dem Anker berechnet wird. Der Anker kann Teil des Lokalisierungselements sein.
Unter einem „RTLS-Modul“ kann ein Modul verstanden werden, welches sowohl einen Tag als auch einen Anker umfasst. Das RTLS-Modul ist ausgebildet, ein Funksignal, insbesondere ein UWB-Signal, abzugeben und ein Funksignal, insbesondere ein UWB-Signal, zu empfangen.
Unter einer „Komponente“ der Maschine kann insbesondere ein Werkzeug oder Werkelement, etwa eine Baggerschaufel, ein Kranhaken oder dergleichen zu verstehen sein.
Unter „Kinematik“ sind die zulässigen Bewegungsmöglichkeiten und/oder Abmessungen der Strukturelemente der Maschine zu verstehen, etwa feste Abmessungen oder Abstände. Die Bewegungsmöglichkeiten können durch die Art der Gelenke, durch feste Strukturen, mögliche Rotationen und Ähnliches vorgegeben werden. Insbesondere können auch Beschränkungen hinsichtlich einer zeitlichen Veränderung berücksichtigt werden. Ändert sich etwa die Position eines Lokalisierungselements sprungartig, kann anhand der Kinematik geschlossen werden, dass eine derartige Bewegung nicht möglich ist. Anhand von Filterverfahren kann die Messung gegebenenfalls korrigiert werden.
Unter „Lokalisieren“ kann verstanden werden, dass die relative Position und/oder Lage der Komponente zu einem vorgegebenen Punkt an der Maschine ermittelt wird. Es kann auch vorgesehen sein, die absolute Position der Komponente zu ermitteln. Etwa kann die Position des vorgegebenen Punktes an der Maschine mittels Inertialsensoren oder GPS-Sensoren berechnet werden, um die absolute Position der Komponente zu ermitteln.
Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass durch die Kenntnis der Stellung und/oder Orientierung aller Glieder eine räumliche Ausdehnung der Arbeitsmaschine samt Werkzeuge bestimmbar wird, wodurch eine automatisierte oder assistierte Kollisionsvermeidung mit der Umgebung bzw. mit Objekten möglich wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine ist das RTLS-Modul ein Ultrabreitband, UWB, -Modul.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine weist zumindest eines der Lokalisierungselemente mindestens einen Inertialsensor auf, wobei der Inertialsensor dazu ausgebildet ist, Sensordaten bereitzustellen, und wobei das Messen der Vielzahl von Abständen zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente unter Verwendung der von dem mindestens einen Inertialsensor bereitgestellten Sensordaten zusammen mit Daten des RTLS-Moduls erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine umfasst der Inertialsensor einen Drehratensensor und/oder Beschleunigungssensor.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine umfasst das RTLS-Modul den mindestens einen Inertialsensor. Die Position des Lokalisierungselements kann somit sowohl mittels RTLS-Verfahren als auch mittels Inertialsensoren bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine werden Sensordaten des mindestens einen Inertialsensors mit Sensordaten der RTLS-Module fusioniert. Durch Fusionierung der Sensordaten, etwa durch Kalmanfilter, kann die Genauigkeit gegebenenfalls erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine befinden sich zumindest einige der Lokalisierungselemente in Drehpunkten oder leicht versetzt. In letzterem Fall wird die verschobene Anbauposition bei der Berechnung der Abstände und Winkel berücksichtigt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine sind ausreichend viele RTLS-UWB-Module vorgesehen, um eine Nicht-Sichtverbindung auszuschließen. Durch die gegebenenfalls resultierende Überbestimmtheit kann die Genauigkeit erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine sind an sämtlichen Drehpunkten RTLS-UWB-Module vorgesehen, optional mit Inertialsensoren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine wird die vorgegebene Kinematik anhand einer Sensorik, insbesondere anhand von Bilderkennung, automatisch ermittelt. Somit muss die Kinematik nicht manuell vorgegeben werden, sondern kann automatisch gelernt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine erfolgt das Messen des Abstandes zwischen RTLS-Modulen mittels eines Two-Way-Ranging, TWR, -Verfahrens. Ein RTLS-Modul kann als Tag und/oder Anker konfiguriert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine erfolgt das Berechnen des mindestens einen Winkels unter Verwendung des Kosinus-Satzes und/oder Sinus-Satzes. Allgemein kann anhand von trigonometrischen Identitäten von den Abständen auf die Winkel geschlossen werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine erfolgt das Berechnen des mindestens einen Winkels unter Verwendung einer Methode der kleinsten Quadrate, insbesondere einer gewichteten Methode der kleinsten Quadrate. Dieses Verfahren kann insbesondere bei einer Unterbestimmtheit zum Einsatz kommen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Lokalisieren der mindestens einen Komponente der Maschine ist die Maschine eine Baumaschine, insbesondere ein Bagger, oder ein Kran. Die Maschine kann auch eine Landmaschine oder ein Flurförderfahrzeug, etwa ein Gabelstapler oder eine Hubarbeitsbühne sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann zusätzlich eine Relativposition zwischen der Maschine und zumindest einem der beweglichen Strukturelemente beim Lokalisieren der mindestens einen Komponente berücksichtigt werden. Denkbar ist bspw., dass zum Ermitteln einer Pose in Bezug auf die Arbeitsmaschine, z.B. den Bagger bzw. eine Kabine des Baggers, eine Orientierung von Baggerarm und Kabine berücksichtigt wird. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn, die Relativposition zwischen der Maschine und dem zumindest einem beweglichen Strukturelement mittels eines Lokalisierungselement und/oder mittels eines Beschleunigungssensors, insbesondere einer IMU-Einheit, erfasst wird. Durch diese Ausgestaltung kann die Komponente besonders einfach relativ zu der Maschine lokalisiert werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Schrägansicht einer Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Seitenansicht einer Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen der Lokalisierungselemente gemäß 2;
4 eine Darstellung zur Erläuterung des Sinussatzes und des Kosinussatzes;
5 eine weitere schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen der Lokalisierungselemente gemäß 2;
6 eine weitere schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen der Lokalisierungselemente gemäß 2 unter Berücksichtigung von Sensordaten eines Inertialsensors;
7 eine schematische Seitenansicht einer Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen der Lokalisierungselemente gemäß 7;
9 eine schematische Seitenansicht und Draufsicht einer Messanordnung zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
10 ein Flussdiagramm zu Erläuterung eines Verfahrens zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Schrägansicht einer Messanordnung 1a zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Ein Bagger umfasst hierbei mehrere Komponenten, nämlich einen als Monoblock ausgestalteten Ausleger 41, einen mit diesem mittels eines Gelenks verbundenen Stil 42 und einen mit diesem mittels eines weiteren Gelenks verbundenen Löffel 43. Im Bereich eines Motors und einer Kabine sind erste bis vierte Lokalisierungselemente 21 bis 24 fixiert, welche als statische Anker ausgebildet sind. Weiter sind in einem Joch und an dem Löffelzylinder fünfte bzw. sechste Lokalisierungselemente 25, 26 angeordnet. Weiter umfasst der Bagger eine Ermittlungseinrichtung 3.
Die Ermittlungseinrichtung 3 ist vorzugsweise als Recheneinrichtung ausgestaltet, umfasst insbesondere mindestens einen Prozessor, Mikroprozessor, integrierten Schaltkreis oder dergleichen. Weiter kann die Ermittlungseinrichtung 3 einen Speicher aufweisen, um empfangene und berechnete Daten zu speichern.
Es ist nicht erforderlich, dass eines der Lokalisierungselemente 21-26 an einer Schaufelschneidekante direkt verbaut ist, um die Schneidkante zu lokalisieren. Die Lokalisierungselemente 21-26 können an zumindest einem von einem Löffelzylinder, Joch, Löffel, Gelenken und dergleichen angeordnet sein.
Die fünften und sechsten Lokalisierungselemente 25, 26 sind an Gelenken angeordnet, welche zusammen mit zwei weiteren Gelenken G1 und G2 ein kinematisches Parallelogramm bilden. An diesem Parallelogramm sind über die Gelenkstellen der Baggerstil, Löffelzylinder und Löffel montiert. Die Stellung der Schneidkante bzw. des Löffels lässt sich aus der Lage der vier Gelenkstellen 25, 26, G1, G2 zueinander bzw. der Form des Parallelogramms und der Kinematik bzw. Geometrie ableiten. Die Gelenkstellen 25, G2 sind durch den Baggerstil örtlich festgelegt. Wird bspw. der Löffel entladen, so ist der Löffelzylinder eingezogen, wodurch sich die Gelenkstelle G1 von G2 entfernt und die Gelenkstelle 26 der Gelenkstelle 25 annähert. Letztlich lässt sich aus den gemessenen Diagonalen im Parallelogramm die Stellung der Baggerschaufel (Löffel mit Schneidkante) in Relation zum Baggerstil bestimmen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Abstand von einem der örtlich festgelegten Gelenke 25, G2 zu einem Lokalisierungselement 21-26 am Drehgestell bzw. der Kabine und den Abstand von einem der örtlich veränderlichen Gelenke 26, G1 zu einem Lokalisierungselement 21-26 am Drehgestell bzw. der Kabine zu bestimmen. Aus der Kinematik und Geometrie von Bagger und Lokalisierungselementen 21-26 lässt sich die Diagonale im Parallelogramm bzw. die Stellung der Baggerschaufel bestimmen. Dieses Verfahren ist dann vorteilhaft, wenn zu kurze Abstände zwischen den Lokalisierungselemente 21-26 zu Problemen in der Messung an sich und der Genauigkeit führen.
Das beschriebene Prinzip ist analog auf eine ähnliche Werkzeugkinematik mit veränderlichen Geometrien der Arbeitsmechanik übertragbar.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Messanordnung 1b zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ein Bagger umfasst mehrere Komponenten, nämlich einen ersten Auslegerabschnitt 51, einen zweiten Auslegerabschnitt 52, einen Stil 53 und einen Löffel 54, welche jeweils mittels Gelenken miteinander verbunden sind. Weiter sind erste bis fünfte Lokalisierungselemente 21 bis 25 vorgesehen, welche jeweils in Gelenken angeordnet sind. Die Lokalisierungselemente 21 bis 25 sind jeweils als RTLS-UWB-Module ausgelegt. Weiter umfasst der Bagger eine Ermittlungseinrichtung 3.
3 zeigt eine schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen von Lokalisierungselementen 21 bis 25 zur Lokalisierung des Löffels 54, wobei ein Koordinatensystem x-y angegeben ist. Während die Bestimmung im Folgenden für die in 2 gezeigte Messanordnung 1b genauer beschrieben werden soll, ist die Erfindung analog auf weitere Messanordnungen anwendbar, wobei sich die Positionen und die Anzahl der Lokalisierungselemente unterscheiden können. Eingezeichnet ist ein erster Abstand d1 zwischen dem ersten Lokalisierungselement 21 und dem zweiten Lokalisierungselement 22, ein zweiter Abstand d2 zwischen dem zweiten Lokalisierungselement 22 und dem dritten Lokalisierungselement 23, ein dritter Abstand d3 zwischen dem dritten Lokalisierungselement 23 und dem vierten Lokalisierungselement 24, ein vierter Abstand d4 zwischen dem ersten Lokalisierungselement 21 und dem dritten Lokalisierungselement 23, ein fünfter Abstand d5 zwischen dem zweiten Lokalisierungselement 22 und dem vierten Lokalisierungselement 24, ein sechster Abstand d6 zwischen dem ersten Lokalisierungselement 21 und dem vierten Lokalisierungselement 24, ein siebter Abstand d7 zwischen dem zweiten Lokalisierungselement 22 und dem fünften Lokalisierungselement 25, ein achter Abstand d8 zwischen dem dritten Lokalisierungselement 23 und dem fünften Lokalisierungselement 25, ein neunter Abstand d9 zwischen dem ersten Lokalisierungselement 21 und dem fünften Lokalisierungselement 25 und ein zehnter Abstand d10 zwischen dem vierten Lokalisierungselement 24 und dem fünften Lokalisierungselement 25.
Das vierte Lokalisierungselement 24, das erste Lokalisierungselement 21 und das zweite Lokalisierungselement 22 schließen einen ersten Winkel α1 ein. Das erste Lokalisierungselement 21, das zweite Lokalisierungselement 22 und das dritte Lokalisierungselement 23 schließen einen zweiten Winkel α2 ein. Das zweite Lokalisierungselement 22, das dritte Lokalisierungselement 23 und das vierte Lokalisierungselement 24 schließen einen dritten Winkel α3 ein.
Die Abstände können mittels des Two-Way-Ranging (TWR)-Prinzips ermittelt werden. Jedes RTLS-UWB-Modul ist in der Lage, über TWR den Abstand zwischen sich selbst und den anderen RTLS-Modulen zu bestimmen.
Die ersten bis dritten Abstände d1 bis d3 sind fest vorgegeben und bekannt, sind also durch die Kinematik der Strukturelemente vorgegeben. Die ersten bis dritten Abstände d1 bis d3 werden während der Anbringung der RTLS-UWB-Module gemessen und können sich nicht ändern. Die ersten bis dritten Abstände d1 bis d3 können als vorgegebene Kinematik zum Ermitteln weitere Abstände und/oder zum Ermitteln von Winkeln berücksichtigt werden.
4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung des Sinussatzes und des Kosinussatzes. Demnach gilt der Kosinussatz: $c^{2} = a^{2} + b^{2} - 2 \cdot a \cdot b \cdot cos (γ)$
$b^{2} = a^{2} + c^{2} - 2 \cdot a \cdot c \cdot cos (β)$
$a^{2} = b^{2} + c^{2} - 2 \cdot b \cdot c \cdot cos (α)$
Der Sinussatz besagt: $a/sin (α) = b/sin (β) = c/sin (γ) = abc/2A = 2 R .$
die Ermittlungseinrichtung 3 kann dazu ausgebildet sein, anhand der gemessenen Abstände d1 bis d9 unter Verwendung des Sinussatzes und Kosinussatzes Winkel zu bestimmen, welche durch jeweils drei der Lokalisierungselemente 21 bis 25 definiert sind.
Für die Bestimmung der Lage des Baggerstils gegenüber Lokalisierungselement 21, d.h. bzgl. des dritten Abstands d3, reicht die Bestimmung der ersten und zweiten Winkel α1, α2 oder die Bestimmung der zweiten und dritten Winkel α2, α3 oder die Bestimmung der ersten und dritten Winkel α1,α3 aus. Im Beispiel reicht somit die Bestimmung zweier Dreiecke mit den jeweiligen drei Lokalisierungselementen aus, um die Lage von d3 (Baggerstil) gegenüber Lokalisierungselement 21 zu bestimmen.
D.h. durch den jeweils dritten Winkel (bzw. das jeweils dritte Dreieck) ist das System überbestimmt, was dazu genutzt werden kann, um die Messwerte zu plausibilisieren oder für eine höhere Genauigkeit zu fusionieren.
Um eine Pose in Bezug auf den Bagger bzw. die Kabine des Baggers zu bestimmen, kann zusätzlich die Orientierung von Baggerarm und Kabine bestimmt und berücksichtigt werden. Beispielsweise kann mindestens eines der Lokalisierungselemente 22, 23, 24 mittels einer IMU eine absolute Orientierung bestimmen. Weiter kann auch die Orientierung des Baggers selbst berücksichtigt werden.
Um die Orientierung des Baggerarms gegenüber der Kabine bzw. des Drehgestells zu bestimmen, kann alternativ zur Verwendung von IMU Prinzipien auch ein RTLS Messanordnung kombiniert aus 1 und 2 verwendet werden. D.h. es wird mindestens der Abstand zwischen einem der RTLS Module 21 bis 24 aus 1 zu mindestens einem der RTLS Module 22 bis aus 2 bestimmt.
Weiterführend kann in Analogie dazu auch mittels IMU und/oder RTLS Modulen an dem Fahrgestell eine Orientierung des Drehgestells bzw. der Kabine gegenüber dem Fahrgestell bestimmt werden, usw.
Weitere Freiheitsgrade in der Kinematik infolge weiterer Lagerstellen können mittels weiterer RTLS Module und/oder IMU gemessen bzw. bestimmt werden. So ist es möglich, dass in einem bestimmten Abstand unterhalb des RTLS Moduls 21 in 2 sich eine weitere Lagerstelle befindet, die den Baggerarm waagrecht nach rechts oder links gegenüber der Kabine schwenken lassen kann.
Um die Schaufelposition, d.h. die Position des fünften Lokalisierungselements 25 und somit des Löffels 54 zu bestimmen, d.h. den Löffel 54 zu lokalisieren, muss zusätzlich die Position vom vierten Lokalisierungselement 24 zum fünften Lokalisierungselement 25 (d10) gemessen werden. Alternativ können zusätzlich von den anderen Lokalisierungselementen 21, 22, 23 aus zum fünften Lokalisierungselement 25 die Entfernungen d7, d8, d9 gemessen werden. Hierzu werden die Winkel β1, β2 anhand der gemessenen Abstände d7, d8, d9 berechnet.
Auch hierbei liegt eine Überbestimmtheit vor, d.h. dass eines der Dreiecke mit β1 (aus d7 und d9) oder β2 (aus d7 und d8) ausreichend ist. Die Überbestimmtheit kann dazu genutzt werden, um die Messwerte zu plausibilisieren oder für eine höhere Genauigkeit zu fusionieren.
Die ersten bis dritten Winkel α1 bis α3 können zusammen mit den ersten bis dritten Abständen d1 bis d3 zur Positionsbestimmung des Lokalisierungspunktes 24 herangezogen werden. Die Positionsbestimmungen der Lokalisierungspunkte 24 und 25 ergeben den Abstand d10 zueinander, wodurch die Position der Baggerschaufel 54 ( Löffel mit Schneidkante) bestimmt werden kann.
Falls der kurze Abstand d10 direkt gemessen werden kann, dann kann die Positionsbestimmung über die Messlinien d7, d8, d9 entfallen.
5 zeigt eine weitere schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen der ersten bis fünften Lokalisierungselemente 21 bis 25 Weiter erstrecken sich Winkel β1, β2 zwischen dem fünften, ersten und zweiten Lokalisierungselement 25, 21, 22 bzw. zwischen dem fünften, dritten und zweiten Lokalisierungselement 25, 23, 22.
Es müssen nicht sämtliche Abstände d1 bis d10 gemessen werden, sodass auch bei Nicht-Sichtverbindung (englisch: non-line-of-sight) eine Lokalisierung möglich bleibt. Bei Nicht-Sichtverbindung gibt es keinen direkten Pfad zwischen Sender und Empfänger. Obwohl ein UWB-Signal im Vergleich zu Bluetooth oder ähnlichen Technologien weniger störempfindlich ist, kann ein derartiger Fall auftreten. Dadurch ist die ermittelte Distanz größer als die reelle Distanz. Eine Nicht-Sichtverbindung kann entweder über das UWB-Signal oder ein anderes Sensorsystem, etwa ein Kamerasystem detektiert werden.
Ist die zum sechsten Abstand d6 gehörende Messlinie zwischen den Lokalisierungselementen 21 und 24 verdeckt, so reichen die zu den vierten und fünften Abständen d4, d5 gehörenden Messlinien aus und ist gleichzeitig die zum neunten Abstand d9 gehörende Messlinie zwischen Lokalisierungselement 21 und 25 verdeckt, so reichen die zu den siebten und achten Abständen d7, d8 gehörenden Messlinien aus.
Bei mehreren Möglichkeiten kann ein überbestimmtes Gleichungssystems gelöst werden, etwa mittels der Methode der kleinsten Quadrate. Bei Nicht-Sichtverbindung kann das überbestimmte Gleichungssystem mit einer gewichteten Methode der kleinsten Quadrate gelöst werden, um die Genauigkeit zu verbessern. Der NLOS-Abstand kann auch weggelassen werden. Falsch gemessene bzw. berechnete Abstände können vor der Berechnung durch Filter entfernt werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen von fünf Lokalisierungselementen 21 bis 25. Das vierte Lokalisierungselement 24 kann wie oben beschrieben lokalisiert werden. Das fünfte Lokalisierungselement 25 weist einen Inertialsensor, etwa einen Beschleunigungssensor und/oder Drehratensensor auf. Die Position des fünften Lokalisierungselementes 25 relativ zum vierten Lokalisierungselement 24 wird anhand von Sensordaten des Inertialsensors bestimmt.
Kann die Beschleunigung und Drehrate des Lokalisierungselementes 24 nicht aus der Kinematik und Dynamik der Ansteuerung der Elemente des Baggerarms berechnet werden, so kann auch das Lokalisierungselement 24 einen Inertialsensor aufweisen.
Weiter kann vorgesehen, dass mehrere oder sogar sämtliche Lokalisierungselemente 21 bis 25 Inertialsensoren aufweisen, um die Position und/oder Lage der Baggerarmelemente d1, d2, d3, d10 zur Bestimmung der Position und Lage des Löffels 54 zu ermitteln, d.h. den Löffel zu lokalisieren.
Um die dreidimensionale Lage der Baggerschaufel gegenüber dem Drehgestell zu bestimmen, muss die Lage der Winkel zwischen Ausleger und Drehgestell bestimmt werden. Dies kann mittels zusätzlicher Lokalisierungselemente am Drehgestell bzw. mittels starr damit verbundener Aufbauten, wie z.B. der Kabine erfolgen, oder aber der Winkel ist aus anderen Sensordaten wie Winkel und/oder Wegesensoren bekannt.
7 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Messanordnung 1c von Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine, wobei es sich bei der Maschine um einen Kran handelt. Dieser umfasst als Komponenten einen Kranturm 61 mit einem ersten Lokalisierungselement 21, einen Drehkranz 62 mit einem zweiten Lokalisierungselement 22, einen Ausleger 63 mit einem dritten Lokalisierungselement 23, eine Seilwinde 64 und einen Krankhaken 65 mit einem vierten Lokalisierungselement 24. Die Positionen der ersten und zweiten Lokalisierungselemente 21, 22 sind fest vorgegeben, da diese Lokalisierungselemente 21, 22 fixiert sind. Die Positionen der dritten und vierten Lokalisierungselemente 23, 24 werden wie oben berechnet. Dadurch kann etwa der Krankhaken 65 lokalisiert werden.
Zumindest einige und vorzugsweise sämtliche Lokalisierungselemente 21 bis 24 weisen RTLS-UWB-Module auf. Weiter können Inertialsensoren vorgesehen sein.
8 zeigt eine schematische Darstellung der relativen Lagebeziehungen der Lokalisierungselemente gemäß 7. Eingetragen sind beispielhafte Abstände d1 bis d6 sowie Winkel α1 bis α6. Beispielsweise kann die Position des vierten Lokalisierungselements 24 bestimmt werden, indem ein erster Winkel α1, welcher durch das zweite, dritte und vierte Lokalisierungselement 22 bis 24 definiert ist, berechnet wird, unter Verwendung der gemessenen zweiten, dritten und fünften Abstände d2, d3, d5 und des Sinussatzes oder Kosinussatzes. Hierbei erstreckt sich der zweite Abstand d2 zwischen dem zweiten Lokalisierungselement 22 und dem dritten Lokalisierungselement 23. Der dritte Abstand d3 erstreckt sich zwischen dem dritten Lokalisierungselement 23 und dem vierten Lokalisierungselement 24. Der fünfte Abstand d5 erstreckt sich zwischen dem zweiten Lokalisierungselement 22 und dem vierten Lokalisierungselement 24.
9 zeigt eine schematische Seitenansicht und Draufsicht einer weiteren Messanordnung 1d zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine, wobei es sich bei der Maschine um einen Kran handelt. Gemäß dieser Messanordnung 1d sind vier Lokalisierungselemente 21 bis 24 in einer rechteckigen Verteilung an einem Ausleger 63 des Krans an der Unterseite angeordnet, während ein fünftes Lokalisierungselement 25 an einem Kranhaken 65 des Krans angeordnet ist. Die ersten bis vierten Lokalisierungselemente 21 bis 24 sind als statische Anker ausgebildet und das fünfte Lokalisierungselement 25 als zu lokalisierender Tag. Die ersten bis vierten Lokalisierungselemente 21 bis 24 sind derart angeordnet, dass es zu keiner direkten Positionsveränderung der Anker kommt. Weiter sollen zwischen Ankern und Tag möglichst wenige UWB-störende Materialien liegen. Die Anker sind am Kranarm bzw. Ausleger 63 fixiert, ohne die Schienen der Laufkatze zu berühren. Die Lokalisierung des am Kranhaken 65 befestigten Tags 25 ermöglich es dem Kranfahrer, die genaue dreidimensionale Position des Kranhakens 65 zu tracken.
Die Lokalisierungselemente 21 bis 24 umfassen RTLS-Module, um den Kranhaken 65 zu lokalisieren. Vorteilhafterweise sind die Dehnungseigenschaften bzw. die Elastizität der Seile für die Berechnung nicht relevant. Positionsunsicherheiten aufgrund von Alter und Machart der Seile können vermieden werden. Außerdem ist es möglich, Schwingungen des Kranhakens 65 zu messen.
10 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente einer Maschine. Eine Vielzahl von Lokalisierungselementen 21 bis 26 ist an relativ zueinander gemäß einer vorgegebenen Kinematik beweglichen Strukturelementen der Maschine angeordnet. Zumindest einige der Lokalisierungselemente 21 bis 26 weisen ein jeweiliges RTLS-Modul auf.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine Vielzahl von Abständen zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente 21 bis 26 ermittelt, wobei das Ermitteln der Abstände ein Messen eines Abstandes zwischen RTLS-Modulen umfasst.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird mindestens ein Winkel ermittelt, welcher durch jeweils drei der Lokalisierungselemente 21 bis 26 definiert ist, unter Verwendung der ermittelten Abstände.
In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird mindestens eine Komponente unter Verwendung des mindestens einen ermittelten Winkels lokalisiert.
Das Ermitteln der Vielzahl von Abständen und/oder das Ermitteln des mindestens einen Winkels erfolgen unter Berücksichtigung der vorgegebenen Kinematik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9227820 B2 [0004]

Claims

Verfahren zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente (43; 54; 65) einer Maschine, wobei eine Vielzahl von Lokalisierungselementen (21-26) an relativ zueinander gemäß einer vorgegebenen Kinematik beweglichen Strukturelementen (41-43; 51-54; 61-65) der Maschine angeordnet ist, mit den Schritten: Ermitteln einer Vielzahl von Abständen (d1-d10) zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente (21-26); Ermitteln von mindestens einem Winkel (α1-α6, β1, β2), welcher durch jeweils drei der Lokalisierungselemente (21-26) definiert ist, unter Verwendung der ermittelten Abstände (d1-d10); und Lokalisieren der mindestens einen Komponente (43; 54; 65), unter Verwendung des mindestens einen ermittelten Winkels (α1-α6, β1, β2), wobei das Ermitteln der Vielzahl von Abständen (d1-d10) und/oder das Ermitteln des mindestens einen Winkels (α1-α6, β1, β2) unter Berücksichtigung der vorgegebenen Kinematik erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei der Lokalisierungselemente (21-26) ein jeweiliges Real-Time-Locating-Modul (RTLS-Modul) aufweisen und das Ermitteln der Abstände (d1-d10) ein Messen von mindestens einem Abstand (d1-d10) zwischen RTLS-Modulen umfasst,
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das RTLS-Modul ein Ultrabreitband, UWB, -Modul ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest eines der Lokalisierungselemente (21-26) mindestens einen Inertialsensor aufweist, wobei der Inertialsensor dazu ausgebildet ist, Sensordaten bereitzustellen, und wobei das Messen der Vielzahl von Abständen (d1-d10) zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente (21-26) unter Verwendung der von dem mindestens einen Inertialsensor bereitgestellten Sensordaten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Inertialsensor einen Drehratensensor und/oder einen Beschleunigungssensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei Sensordaten des mindestens einen Inertialsensors mit Sensordaten der RTLS-Module fusioniert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die vorgegebene Kinematik anhand einer Sensorik automatisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Messen des Abstandes (d1-d10) zwischen RTLS-Modulen mittels eines Two-Way-Ranging, TWR, -Verfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des mindestens einen Winkels (α1-α6, β1, β2) unter Verwendung einer Methode der kleinsten Quadrate erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Maschine eine Baumaschine, eine Landmaschine oder ein Flurförderfahrzeug ist.
Messanordnung (1a; 1b; 1c; 1d) zum Lokalisieren von mindestens einer Komponente (43; 54; 65) einer Maschine, mit: einer Vielzahl von Lokalisierungselementen (21-26), welche an relativ zueinander gemäß einer vorgegebenen Kinematik beweglichen Strukturelementen (41-43; 51-54; 61-65) der Maschine angeordnet oder anordenbar sind; und einer Ermittlungseinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist: - eine Vielzahl von Abständen (d1-d10) zwischen jeweils zwei der Lokalisierungselemente (21-26) zu ermitteln, - unter Verwendung der ermittelten Abstände (d1-d10) mindestens einen Winkel (α1-α6, β1, β2) zu ermitteln, welcher durch jeweils drei der Lokalisierungselemente (21-26) definiert ist, und - die mindestens eine Komponente (43; 54; 65) unter Verwendung des mindestens einen berechneten Winkels (α1-α6, β1, β2) zu lokalisieren, wobei die Ermittlungseinrichtung (3) dazu ausgebildet ist, das Ermitteln der Vielzahl von Abständen (d1-d10) und/oder das Ermitteln des mindestens einen Winkels (α1-α6, β1, β2) unter Berücksichtigung der vorgegebenen Kinematik durchzuführen.
Messanordnung (1a; 1b; 1c; 1d) nach Anspruch 11, wobei zumindest zwei der Lokalisierungselemente (21-26) ein jeweiliges RTLS-Modul aufweisen; und wobei das Ermitteln der Abstände (d1-d10) ein Messen von mindestens einem Abstand (d1-d10) zwischen RTLS-Modulen umfasst.
Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen und/oder zu steuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.