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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Grabvorgangs mittels eines um eine Baggerhochachse drehbar gelagerten Löffels eines Baggers, insbesondere zum Beladen einer Ladefläche eines Transportfahrzeugs zum Transport von Schüttgut, eine entsprechende Steuereinheit sowie einen Bagger mit einem um eine Baggerhochachse drehbar gelagerten Löffel mit zumindest einer optischen Sensoreinheit zum Erfassen eines abzutragenden Schüttguthaufens, und einer entsprechenden Steuereinheit.
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Bei modernen Arbeitsmaschinen finden automatisierte- oder teilautomatisierte Arbeitsprozesse immer mehr Einsatz.
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Die
DE 198 58 402 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zum Planen einer Strategie zum Durchführen eines Aushubvorgangs durch eine Erdbewegungsmaschine, und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Aushubstrategie zum Bewerten einer Reihe möglicher Aushubdurchführungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Grabvorgangs mittels eines um eine Baggerhochachse drehbar gelagerten Löffels eines Baggers, insbesondere zum Beladen einer Ladefläche eines Transportfahrzeugs zum Transport von Schüttgut.
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Das Verfahren umfasst einen Schritt des Erfassens eines abzutragenden Schüttguthaufens mittels einer optischen Sensoreinheit, um eine Bildinformation mit einer Höheninformation, insbesondere einem Höhenprofil des Schüttguthaufens zu erhalten. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Segmentierens eines relativ zu der Baggerhochachse in radialer Richtung und Umfangsrichtung definierten Grabsektors des Schüttguthaufens in sich radial erstreckende Grabsegmente mit einer definierten Breite in der erhaltenen Bildinformation mittels einer Steuereinheit. Das Verfahren umfasst außerdem einen Schritt des Ermittelns eines Zielgrabsegments für den nachfolgenden Grabvorgang in Abhängigkeit von einer unter Verwendung der Höheninformation aus der Bildinformation ermittelten Schüttgutvolumeninformation der Grabsegmente; einem Winkelabstand der Grabsegmente zu einem Entladeort für das Schüttgut, insbesondere der Ladefläche; und einem radialen Abstand ermittelter Einstechpositionen des Löffels in den Grabsegmenten zur Baggerhochachse, wobei die Einstechpositionen die der Baggerhochachse nächstgelegene Einstechpositionen in den Grabsegmenten sind, an denen eine im Wesentlichen vollständige Befüllung des Löffels möglich ist, mittels der Steuereinheit. Das Verfahren umfasst des Weiteren einen Schritt eines Ausgebens eines Signals in Abhängigkeit von dem ermittelten Zielgrabsegment mittels der Steuereinheit, um den Grabvorgang zu steuern.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, die folgenden Schritte durchzuführen:
- - Segmentieren eines relativ zu einer Baggerhochachse eines Baggers mit einem um die Baggerhochachse drehbar gelagerten Löffel in radialer Richtung und Umfangsrichtung definierten Grabsektors eines mittels einer optischen Sensoreinheit erfassten abzutragenden Schüttguthaufens in sich radial erstreckende Grabsegmente mit einer definierten Breite in einer von der optischen Sensoreinheit erhaltenen Bildinformation mit einer Höheninformation, insbesondere einem Höhenprofil des Schüttguthaufens;
- - Ermitteln eines Zielgrabsegments für den nachfolgenden Grabvorgang des Löffels in Abhängigkeit von
- ○ einer unter Verwendung der Höheninformation aus der Bildinformation ermittelten Schüttgutvolumeninformation der Grabsegmente;
- ○ einem Winkelabstand der Grabsegmente zu einem Entladeort für das Schüttgut, insbesondere der Ladefläche; und
- ○ einem radialen Abstand ermittelter Einstechpositionen des Löffels in den Grabsegmenten zur Baggerhochachse, wobei die Einstechpositionen die der Baggerhochachse nächstgelegene Einstechpositionen in den Grabsegmenten sind, an denen eine im Wesentlichen vollständige Befüllung des Löffels möglich ist; und
- - Ausgeben eines Signals in Abhängigkeit von dem ermittelten Zielgrabsegment, um einen Grabvorgang zu steuern.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Bagger, insbesondere autonomer Bagger, mit einem um eine Baggerhochachse drehbar gelagerten Löffel mit zumindest einer optischen Sensoreinheit, insbesondere Kamera zum Erfassen eines abzutragenden Schüttguthaufens, um eine Bildinformation mit einer Höheninformation, insbesondere einem Höhenprofil des Schüttguthaufens zu erhalten, und einer vorangehend beschriebenen Steuereinheit.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren ein Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen und/oder zu steuern, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Unter einem Grabvorgang ist hierbei insbesondere ein Abgraben und Verladen eines Haufwerks, bspw. auf ein Transportfahrzeug, zu verstehen.
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Der Bagger ist bevorzugt ein mobiler Bagger. Der Bagger kann jedoch auch stationär ausgebildet sein. Der Bagger kann ein vollautonomer bzw. vollautomatisierter Bagger oder ein halbautonomer bzw. halbautomatisierter Bagger sein. Unter vollautonom bzw. vollautomatisiert ist hierbei gemeint, dass kein Baggerführer vorhanden ist, weder in einer Baggerkabine noch an einer Fernsteuerung. Der Bagger kann für bauwirtschaftliche, landwirtschaftliche, forstwirtschaftliche und/oder logistische Zwecke ausgebildet bzw. eingerichtet sein. Der Bagger ist bevorzugt ein Löffelbagger.
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Die Bagger weist einen Löffel zum Aufnehmen und Entladen von Schüttgut, wie bspw. Sand, Erde, Festgestein oder Lockergestein auf. Der Löffel ist drehbar um eine Baggerhochachse gelagert. Der Löffel kann bspw. an einem Ausleger des Baggers angeordnet und durch Drehung eines Oberwagens des Baggers um die Baggerhochachse drehbar gelagert sein. Der Löffel ist bevorzugt ein Tieflöffel.
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Der Bagger befindet sich bevorzugt in einem Abbaugebiet, bspw. von Sand, Erde, Festgestein oder Lockergestein. D.h., dass der Grabvorgang bevorzugt in einem Abbaugebiet, insbesondere als Teil eines Beladevorgangs eines Transportfahrzeugs, durchgeführt wird.
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Das Transportfahrzeug ist zum Transport von Schüttgut ausgebildet. Hierfür weist das Transportfahrzeug eine entsprechende Ladefläche auf. Das Transportfahrzeug kann bspw. ein Muldenkipper sein. Der Muldenkipper kann hierbei als fester Aufbau oder Anhänger ausgebildet sein.
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Ein abzutragender Schüttguthaufen wird mittels einer optischen Sensoreinheit erfasst, um eine Bildinformation mit einer Höheninformation, insbesondere einem Höhenprofil des Schüttguthaufens zu erhalten. Das aufgenommene und entladene Schüttgut kann bspw. Sand, Erde, Festgestein oder Lockergestein aufweisen oder daraus bestehen.
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Unter einer Bildinformation ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung bspw. ein dreidimensionales Abbild oder ein digitales Bild zu verstehen.
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Demnach ist die Sensoreinheit ausgebildet, ein dreidimensionales Abbild bzw. eine 3D-Kontur und/oder ein digitales Bild zu erzeugen. Die Sensoreinheit kann einen Sensor oder mehrere Sensoren umfassen. Ein Sensor ist bevorzugt eine Kamera bzw. 3D-Kamera, insbesondere TOF-Kamera, Stereokamera oder Monokamera, oder ein LiDAR bzw. 3D-LiDAR. Zumindest ein Sensor, bevorzugt alle Sensoren der Sensoreinheit ist/sind bevorzugt an dem Bagger, bspw. an einer Vorderseite bzw. Kabinenvorderseite des Baggers angeordnet. Weiter bevorzugt ist die Sensoreinheit bzw. der zumindest eine Sensor eine maschineneigene Einheit, welche zur Durchführung weiterer Aufgaben eingerichtet ist, insbesondere zumindest einer der folgenden Aufgaben: Navigation, Hinderniserkennung, Ermittlung Schüttguteigenschaften, Ermittlung Beladestrategie, Ermittlung Entladestrategie, Assistenz Beladevorgänge und Entladevorgänge, Koordinierung von Transportfahrzeugen.
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Mittels einer Steuereinheit wird ein definierter Grabsektor des Schüttguthaufens in Grabsegmente segmentiert. Hierbei ist der Grabsektor als der Bereich zu verstehen, in dem gegraben werden soll. Der Grabsektor ist relativ zu der Baggerhochachse in radialer Richtung und Umfangsrichtung definiert. Der Grabsektor ist bevorzugt in radialer Richtung durch eine minimale und eine maximale Reichweite des Löffels des Baggers begrenzt und/oder definiert. Der Grabsektor ist bevorzugt in Umfangsrichtung durch Vorgabe eines definierten Winkels oder durch den Blickwinkel der optischen Sensoreinheit begrenzt und/oder definiert. Die Grabsegmente erstrecken sich radial und weisen eine definierte Breite auf. Die Breite der Grabsegmente ist bevorzugt in Abhängigkeit von einer Breite des Löffels gewählt, insbesondere entspricht im Wesentliche einer Breite des Löffels.
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Die Steuereinheit ermittelt ein Zielgrabsegment für den nachfolgenden Grabvorgang in Abhängigkeit von einer unter Verwendung der Höheninformation aus der Bildinformation ermittelten Schüttgutvolumeninformation der Grabsegmente. Hierbei werden bevorzugt die Grabsegmente ermittelt, welche zur im Wesentlichen vollständigen Befüllung des Löffels ausreichend Schüttgut aufweisen. Die Ermittlung der Schüttgutvolumeninformation erfolgt hierbei insbesondere unter Berücksichtigung von Höheninformationen bzw. Verlaufsinformationen des Bodens/Untergrunds.
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Die Steuereinheit ermittelt das Zielgrabsegment für den nachfolgenden Grabvorgang ferner in Abhängigkeit von einem Winkelabstand der Grabsegmente zu einem Entladeort bzw. einem definierten Punkt am Entladeort und/oder einem definierten Entladepunkt für das Schüttgut. Der Entladeort ist bevorzugt die Ladefläche des Transportfahrzeugs. Als Winkelabstand ist hierbei der Winkel um die Baggerhochachse gemeint. Hierbei können beispielsweise nur Grabsegmente bis zu einem definierten Winkelabstand zum Entladeort und/oder in einem aktuellen Blickwinkelbereich der optischen Sensoreinheit liegende Grabsegmente ausgewertet bzw. berücksichtigt werden. Der Winkelabstand ist hierbei im Wesentlichen proportional zu einer Drehzeit des Löffels um die Baggerhochachse, sodass geringere Winkelabstände bevorzugt sind. Verständlicherweise werden geringe Winkelabstände bevorzugt.
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Die Steuereinheit ermittelt das Zielgrabsegment für den nachfolgenden Grabvorgang außerdem in Abhängigkeit von einem radialen Abstand ermittelter Einstechpositionen des Löffels in den Grabsegmenten zur Baggerhochachse, wobei die Einstechpositionen die der Baggerhochachse nächstgelegene Einstechpositionen in den Grabsegmenten sind, an denen eine im Wesentlichen vollständige Befüllung des Löffels möglich ist.
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Vorteilhafterweise wird im Schritt des Ermittelns unter Verwendung des Winkelabstands und des radialen Abstands der Einstechposition jeweils ein Segmentwert S für die Grabsegmente zur Ermittlung des Zielgrabsegments ermittelt. Hierbei wird bevorzugt das Grabsegmente mit dem geringsten Winkelabstand (geringste Drehzeit/geringere Beladungszeit) zu dem Entladeort und Segmentwert S in einem definierten Wertbereich als Zielgrabsegment ermittelt. Ferner bevorzugt wird im Schritt des Ermittelns des Zielgrabsegments unter Verwendung des Winkelabstands der Grabsegmente jeweils eine Drehzeit des Löffels von dem Entladeort bis zur Erreichung des jeweiligen Grabsegments für den nachfolgenden Grabvorgang ermittelt.
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Vorteilhafterweise wird ferner im Schritt des Ermittelns des Zielgrabsegments, insbesondere bei der Ermittlung des Segmentwerts S, der radiale Abstand der Einstechposition mit einem Steuerungsfaktor f gewichtet wird, wobei je größer der radiale Abstand ist desto negativer die Gewichtung ausfällt. Hierbei kann nur radiale Abstände ab oder über einem definierten Schwellenwert mit dem Steuerungsfaktor f gewichtet werden. Beispielsweise kann bei der Gewichtung der Steuerungsfaktor f zu dem radialen Abstand addiert werden, mit dem radialen Abstand multipliziert werden oder als Exponent des radialen Abstands eingehen. Somit werden bei der Ermittlung des Zielgrabsegment Grabsegmente mit kleinem radialen Abstand zu der Einstechposition bevorzugt, wobei der radiale Abstand stärker gewichtet wird als der Winkelabstand.
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Hierdurch kann eine Steuerbarkeit des Löffels, welche in einem Nahbereich, d.h. einem geringeren radialen Abstand zu der Baggerhochachse besser ist als bei größeren Abständen, bei der Ermittlung bzw. Auswahl des Zielgrabsegments berücksichtigt werden, insbesondere stärker berücksichtigt werden als die Drehzeit, sodass Einstechpositionen mit einem geringen radialen Abstand bevorzugt werden.
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Der Schritt des Ermittelns des Zielgrabsegments für den nachfolgenden Grabvorgang erfolgt bevorzugt vor einer Entladung des Löffels, insbesondere während der Beladung des Löffels.
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Der Schritt des Ausgebens eines Signals erfolgt in Abhängigkeit von dem ermittelten Zielgrabsegment mittels der Steuereinheit, um den Grabvorgang zu steuern. Hierbei wird bevorzugt mittels des Signals eine Sendeeinheit gesteuert, welche Informationen zu dem ermittelten Zielgrabsegment zur Durchführung eines optimierten Grabvorgangs, an eine Anzeigeeinheit, insbesondere ein Display oder Head-Up-Display oder eine Datenbrille, ausgibt. Die Anzeigeeinheit kann an dem Bagger angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt mittels des Signals der Bagger derart angesteuert, dass der Grabvorgang unter Berücksichtigung der nacheinander ermittelten Zielgrabsegmente automatisiert bzw. vollautomatisiert durchgeführt wird.
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Das Verfahren und die entsprechende Steuereinheit bieten eine Möglichkeit der Durchführung einer optimierten Grabstrategie bzw. Aushubstrategie. Hierdurch kann ein Grabvorgang und somit gesamter Beladevorgang steuerungs- und kinematikoptimiert sowie autonom gesteuert werden, wobei die Grabstrategie einfachen Regeln folgt, sodass ein autonom arbeitender Algorithmus zu ähnlicher Effizienz kommt wie ein Mensch und gleichzeitig der Implementierungsaufwand möglichst klein gehalten werden kann. Vorteilhaft ist hierbei ferner, dass das Verfahren auch mittels einer bereits vorhandenen optischen Sensoreinheit durchführbar ist, welche bereits an dem Bagger für andere Aufgaben vorhanden ist.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Steuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfassten Schüttguthaufens mit einem definierten Grabsektor;
- 2 eine schematische Darstellung des Schüttguthaufens aus 1 mit Grabsegmenten;
- 3 eine schematische Schnittansicht A-A des Schüttguthaufens aus 1 und 2 zur Ermittlung der nächstgelegenen Einstechposition; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Grabvorgangs mittels eines um eine Baggerhochachse drehbar gelagerten Löffels eines Baggers.
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1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines mittels einer (nicht gezeigten) optischen Sensoreinheit bzw. Kamera erfassten Schüttguthaufens 10 von Lockergestein 12 bzw. Sand 12. Die von der Kamera erhaltene Bildinformation bzw. Bild einhält hierbei ein Höhenprofil bzw. Höhenlinien 14 des Schüttguthaufens 10.
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Wie nachfolgend in 3 näher gezeigt, soll hierbei mittels eines um eine Baggerhochachse drehbar gelagerten Löffels eines (nicht gezeigten) Baggers in den Schüttguthaufen 10 gegraben werden zum Beladen einer Ladefläche eines (nicht gezeigten) Transportfahrzeugs mit Schüttgut. Der Bagger ist als Löffelbagger einem Tieflöffel ausgebildet. Das Transportfahrzeug ist als Muldenkipper ausgebildet.
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Wie aus 1 ersichtlich, wird in der Bildinformation mittels einer (nicht gezeigten) Steuereinheit ein Grabsektor 16 definiert, in dem Gegraben werden soll. Der Grabsektor 16 ist relativ zu der Baggerhochachse in radialer Richtung 18 und Umfangsrichtung 20 definiert. Der Grabsektor 16 ist in gezeigten Ausführungsbeispiel in radialer Richtung 18 durch eine maximale Reichweitenlinie 22 und eine minimale Reichweitenlinie 24 definiert bzw. begrenzt. Die Reichweitenlinien 22, 24 repräsentieren hierbei die radialen Arbeitsbereichsgrenzen des Löffels. Der Grabsektor 16 ist in Umfangsrichtung 20 durch einen definierten Winkelbereich 26 definiert.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich, wird ferner in der Bildinformation der Grabsektor 16 in Grabsegmente 28 segmentiert. Die Grabsegmente 28 erstrecken sich in Radial Richtung 18 und weisen eine definierte Breite 29 auf. Die Breite 29 der Grabsegmente 28 ist entspricht im Wesentliche einer Breite des Löffels.
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Die Steuereinheit ermittelt anschließend ein Zielgrabsegment 30 für den nachfolgenden Grabvorgang. Hierbei werden zunächst die Grabsegmente 28 ermittelt, welche zur im Wesentlichen vollständigen Befüllung des Löffels ausreichend Schüttgut aufweisen. Die Ermittlung erfolgt hierbei insbesondere unter Berücksichtigung von Höheninformationen bzw. Verlaufsinformationen des Bodens/Untergrunds. Hierbei weisen die ersten drei Grabsegmente 28a, 28b, 28c des Grabsektors 18 keine ausreichende Schüttgutmenge zur vollständigen Befüllung des Löffels auf. Die darauffolgenden vier Grabsegmente 28d, 28e, 28f, 28g weisen jedoch eine ausreichende Schüttgutmenge auf.
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3 zeigt schematisch, wie anschließend die Steuereinheit in diesen Grabsegmenten 28 die nächstgelegenen Einstechpositionen für den Löffel 31, d.h. die Einstechpositionen mit jeweils dem geringsten radialen Abstand 32 zur Baggerhochachse 34 in den Grabsegmenten 28, erfolgt.
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Für die Ermittlung des Zielsegments 30 wird außerdem ein Winkelabstand 36 der Grabsegmente 28 zu einem Entladeort 38 für das Schüttgut 12 berücksichtigt. Der Entladeort 38 ist hierbei die Ladefläche 38 des Transportfahrzeugs. Hierbei werden verständlicherweise Grabsegmente 28 geringem Winkelabstand und somit geringer Drehzeit bzw. Beladungszeit bevorzugt.
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Da die Steuerbarkeit des Löffels 31 jedoch in einem Nahbereich, d.h. einem geringeren radialen Abstand 32 zu der Baggerhochachse 34 besser ist als bei größeren Abständen 32, werden bei der Ermittlung des Zielgrabsegment 30 Grabsegmente 28 mit kleinem radialen Abstand 32 zu der Einstechposition bevorzugt, wobei der radiale Abstand 32 stärker gewichtet wird als der Winkelabstand 36. Daher wird in dem Ausführungsbeispiel aus 2 als Zielsegment 30 das Grabsegment 28g ermittelt bzw. gewählt, bei dem die Einstechposition einen wesentlich geringeren radialen Abstand 32 aufweist als die Einstechposition im Grabsegments 28f.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zur Steuerung eines Grabvorgangs mittels eines um eine Baggerhochachse 34 drehbar gelagerten Löffels 31 eines Baggers, insbesondere zum Beladen einer Ladefläche 38 eines Transportfahrzeugs zum Transport von Schüttgut 12. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt des Erfassens 102 eines abzutragenden Schüttguthaufens 10 mittels einer optischen Sensoreinheit, um eine Bildinformation mit einer Höheninformation, insbesondere einem Höhenprofil des Schüttguthaufens zu erhalten. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Segmentierens 104 eines relativ zu der Baggerhochachse 34 in radialer Richtung 18 und Umfangsrichtung 20 definierten Grabsektors 16 des Schüttguthaufens 10 in sich radial erstreckende Grabsegmente 28 mit einer definierten Breite 29 in der erhaltenen Bildinformation mittels einer Steuereinheit. Das Verfahren umfasst außerdem einen Schritt des Ermittelns 106 eines Zielgrabsegments 30 für den nachfolgenden Grabvorgang in Abhängigkeit von einer unter Verwendung der Höheninformation aus der Bildinformation ermittelten Schüttgutvolumeninformation der Grabsegmente 28; einem Winkelabstand 36 der Grabsegmente 28 zu einem Entladeort 38 für das Schüttgut 12, insbesondere der Ladefläche 38; und einem radialen Abstand 32 ermittelter Einstechpositionen des Löffels 31 in den Grabsegmenten 28 zur Baggerhochachse 34, wobei die Einstechpositionen die der Baggerhochachse 34 nächstgelegene Einstechpositionen in den Grabsegmenten 28 sind, an denen eine im Wesentlichen vollständige Befüllung des Löffels 31 möglich ist, mittels der Steuereinheit. Das Verfahren umfasst des Weiteren einen Schritt eines Ausgebens 108 eines Signals in Abhängigkeit von dem ermittelten Zielgrabsegment 30 mittels der Steuereinheit, um den Grabvorgang zu steuern.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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