DE102021002707B4 - Method and measuring device for determining the position of a movable machine part of a machine - Google Patents
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Abstract
Verfahren für eine Positionsbestimmung eines beweglichen Maschinenteils (20) einer Maschine (10), wobei an der Maschine (10) eine Mehrzahl von optischen Sensoren (122) angeordnet sind, die jeweils ein festes Sensorblickfeld (126) in Bezug zu ihrer Anordnung an der Maschine (10) aufweisen, und an dem beweglichen Maschinenteil (20) eine Mehrzahl von Referenzobjekten (130) angeordnet sind und jedes einzelne der Referenzobjekte (130) an einer festen Referenzposition auf dem Maschinenteil (20) fixiert ist, wobei jeweils die Sensorblickfelder (126) der optischen Sensoren (122) in Richtung der Referenzobjekte (130) ausgerichtet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:- Bereitstellen eines virtuellen Modells der Maschine (10'), das virtuelle optische Sensoren (122`) mit virtuellen Sensorblickfeldern (126') und virtuelle Referenzobjekte (130') aufweist, wobei die Ausrichtung der virtuellen optischen Sensoren (122') der der optischen Sensoren (122) entspricht und die Positionierung der virtuellen Referenzobjekte (130') der der Referenzobjekte (130) entspricht;- in einem Initialisierungsschritt (t0):- Bestimmen einer initialen Sensorblickfeldposition der einzelnen Referenzobjekte (130) in den jeweiligen Sensorblickfeldern (126) der jeweiligen optischen Sensoren (122) und Anpassen des virtuellen Modells der Maschine (10') an die initiale Sensorblickfeldpositionen der einzelnen Referenzobjekte (130);- in einem dem Initialisierungsschritt nachfolgenden ersten Zeitintervall (t1):- Aktivieren der Referenzobjekte (130) und Aufnehmen von Aufnahmen durch die optischen Sensoren (122);- Ermitteln der neuen Sensorblickfeldposition der einzelnen aktivierten Referenzobjekte (130) in den einzelnen Aufnahmen der optischen Sensoren (122);- Anpassen des virtuellen Modells der Maschine (10') an die neuen Sensorblickfeldpositionen der einzelnen Referenzobjekte (130), indem eine Minimierungsfunktion ausgeführt wird;- Bestimmen der Position des beweglichen Maschinenteils (20) durch Auslesen der virtuellen Position des virtuellen Maschinenteils (20') aus dem virtuellen Modell, wobei das Bestimmen der initialen Sensorblickfeldposition der einzelnen Referenzobjekte (130) die folgenden Schritte aufweist:- Aktivieren eines der Referenzobjekte (130) und Aufnehmen von Aufnahmen durch alle optischen Sensoren (122) während das Referenzobjekt (130) aktiviert ist;- Auswerten der jeweiligen Aufnahmen der optischen Sensoren (122) in denen das Referenzobjekt (130) aktiviert ist, wodurch die initiale Sensorblickfeldposition des Referenzobjekts (130) bestimmt wird;- Wiederholen der vorgenannten Verfahrensschritte mit allen weiteren Referenzobjekten (130), wodurch alle initialen Sensorblickfeldpositionen der Referenzobjekte (130) bestimmt werden.Method for determining the position of a movable machine part (20) of a machine (10), a plurality of optical sensors (122) being arranged on the machine (10), each of which has a fixed sensor field of view (126) in relation to its arrangement on the machine (10), and a plurality of reference objects (130) are arranged on the movable machine part (20) and each individual reference object (130) is fixed at a fixed reference position on the machine part (20), the respective sensor fields of view (126) of the optical sensors (122) are aligned in the direction of the reference objects (130), the method having the following steps: - providing a virtual model of the machine (10'), the virtual optical sensors (122`) with virtual sensor fields of view (126') and virtual reference objects (130'), wherein the orientation of the virtual optical sensors (122') corresponds to that of the optical sensors (122) and the positioning of the virtual reference objects (130') corresponds to that of the reference objects (130);- in an initialization step (t0):- Determining an initial sensor field of view position of the individual reference objects (130) in the respective sensor fields of view (126) of the respective optical sensors (122) and adapting the virtual model of the machine (10') to the initial sensor field of view positions of the individual reference objects (130) ;- in a first time interval (t1) following the initialization step:- activating the reference objects (130) and recording by the optical sensors (122);- determining the new sensor field of view position of the individual activated reference objects (130) in the individual recordings of the optical sensors (122);- adapting the virtual model of the machine (10') to the new sensor field of view positions of the individual reference objects (130) by performing a minimization function;- determining the position of the movable machine part (20) by reading the virtual position of the virtual Machine part (20') from the virtual model, wherein the determination of the initial sensor field of view position of the individual reference objects (130) has the following steps: - activating one of the reference objects (130) and taking pictures by all optical sensors (122) while the reference object ( 130) is activated;- evaluating the respective recordings of the optical sensors (122) in which the reference object (130) is activated, whereby the initial sensor field of view position of the reference object (130) is determined;- repeating the aforementioned method steps with all other reference objects (130) , whereby all initial sensor field of view positions of the reference objects (130) are determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung für eine Positionsbestimmung eines beweglichen Maschinenteils einer Maschine.The invention relates to a method and a measuring device for determining the position of a movable machine part of a machine.
Industrielle Maschinen weisen häufig ein Maschinenteil oder eine Mehrzahl von Maschinenteilen auf, die in Bezug zur Maschine beweglich und steuerbar angeordnet sind. Beispielhaft können hierzu Baumaschinen wie zum Beispiel Erdbewegungsmaschinen oder Bohrwägen mit Tragarmen genannt werden. Weiter beispielhaft können Werkzeugmaschinen mit beweglichen Werkzeugtragarmen genannt werden.Industrial machines often have a machine part or a plurality of machine parts that are movably and controllably arranged in relation to the machine. Examples of this are construction machines such as earthmoving machines or drilling rigs with support arms. Machine tools with movable tool support arms can also be mentioned by way of example.
Bei derartigen Maschinen ist eine Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils oder der beweglichen Maschinenteile oder eine Positionsbestimmung der Maschine selbst in Bezug zu einem vordefinierten Bezugskoordinatensystem wichtig, um die gewünschten Arbeiten wie beispielsweise Erdbewegungsarbeiten oder Bohrarbeiten mit der gewünschten Genauigkeit und Qualität durchführen zu können, wobei insbesondere eine hohe zeitliche Auflösung gefordert ist. Wird beispielsweise ein Bohrwagen im Tunnelbau dafür verwendet Bohrungen zur Einführung von Sprengstoff in einer Ortsbrust des Tunnelbauwerks zu bohren, ist die genaue Positionierung der die Bohrvorrichtung tragenden Tragarme von großer Bedeutung, damit die Bohrungen derart eingebracht werden können, dass die Sprengung wie gewünscht durchgeführt werden kann.In machines of this type, it is important to determine the position of the movable machine part or machine parts or to determine the position of the machine itself in relation to a predefined reference coordinate system in order to be able to carry out the desired work, such as earthmoving work or drilling work, with the desired accuracy and quality, with a high level of temporal resolution is required. If, for example, a drill rig is used in tunneling to drill holes for the introduction of explosives in a working face of the tunnel structure, the exact positioning of the support arms carrying the drilling device is of great importance so that the holes can be drilled in such a way that the blasting can be carried out as desired .
Herkömmlich wird die Position derartiger Maschinenteile, wie beispielsweise die oben genannten Tragarme, mittels Vermessung der einzelnen Antriebe der beweglichen Maschinenteile bestimmt. Wird beispielsweise die Position des beweglichen Maschinenteils mittels Linearmotoren und / oder Schrittmotoren gesteuert, dann kann die Position der einzelnen Antriebe überwacht und bestimmt werden, wodurch anschließend auf die Position des beweglichen Maschinenteils geschlossen werden kann.Conventionally, the position of such machine parts, such as the support arms mentioned above, is determined by measuring the individual drives of the moving machine parts. If, for example, the position of the movable machine part is controlled by means of linear motors and/or stepping motors, the position of the individual drives can be monitored and determined, which means that the position of the movable machine part can then be deduced.
Weist allerdings die Positionsbestimmung einer der Antriebe, die den beweglichen Maschinenteil bewegen, einen Fehler oder eine Ungenauigkeit auf, kann dies zu einer fehlerhaften oder ungenauen Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils führen. Zudem kann sich ein solcher Fehler aufgrund der Kombination mehrerer Antriebe zur Bewegung des Maschinenteils potenzieren bzw. fortsetzen, sodass die Position des beweglichen Maschinenteils mit zunehmender Anzahl an Bewegungsmotoren zunehmend ungenau bestimmt werden kann.However, if the determination of the position of one of the drives that move the movable machine part has an error or is inaccurate, this can lead to an incorrect or inaccurate determination of the position of the movable machine part. In addition, such an error can multiply or continue due to the combination of several drives for moving the machine part, so that the position of the movable machine part can be determined increasingly imprecisely with an increasing number of movement motors.
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Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es daher, ein Verfahren und eine Messvorrichtung zu schaffen, mit dem beziehungsweise mit der es möglich ist, eine Positionsbestimmung von beweglichen Maschinenteilen einer Maschine mit hoher Genauigkeit und Robustheit durchzuführen.The object of the present disclosure is therefore to create a method and a measuring device with which it is possible to determine the position of moving machine parts of a machine with high accuracy and robustness.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung sind in den anhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.The object is solved by the features of the independent patent claims. Advantageous developments of the present disclosure are specified in the dependent claims and the description.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren für eine Positionsbestimmung eines beweglichen Maschinenteils einer Maschine die nachfolgend aufgezählten Schritte auf. An der Maschine sind eine Mehrzahl von optischen Sensoren angeordnet, die jeweils ein festes Sensorblickfeld in Bezug zu ihrer Anordnung an der Maschine aufweisen, und an dem beweglichen Maschinenteil sind eine Mehrzahl von Referenzobjekten angeordnet und jedes einzelne der Referenzobjekte ist an einer festen Referenzposition auf dem Maschinenteil fixiert, wobei jeweils die Sensorblickfelder der optischen Sensoren in Richtung der Referenzobjekte ausgerichtet sind. Die Verfahrensschritte sind:
- - Bereitstellen eines virtuellen Modells der Maschine, das virtuelle optische Sensoren mit virtuellen Sensorblickfeldern und virtuelle Referenzobjekte aufweist, wobei die Ausrichtung der virtuellen optischen Sensoren der der optischen Sensoren entspricht und die Positionierung der virtuellen Referenzobjekte der der Referenzobjekte entspricht. Das virtuelle Modell bildet die Maschine mit dem beweglichen Maschinenteil, ggf. mit mehreren beweglichen Maschinenteilen, virtuell ab und entspricht demgemäß einem virtuellen Zwilling der realen Maschine. Die Bewegungsmöglichkeiten des beweglichen Maschinenteils können in dem virtuellen Modell auch abgebildet werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung bildet das virtuelle Modell insbesondere auch die optischen Sensoren und die Referenzobjekte an der Maschine ab. In anderen Worten, so wie die optischen Sensoren und die Referenzobjekte an der realen Maschine angeordnet sind, sind sie auch in dem virtuellen Modell der Maschine angeordnet.
- - in einem Initialisierungsschritt:
- - Bestimmen einer initialen Sensorblickfeldposition der einzelnen Referenzobjekte in den jeweiligen Sensorblickfeldern der jeweiligen optischen Sensoren und Anpassen des virtuellen Modells der Maschine an die initiale Sensorblickfeldpositionen der einzelnen Referenzobjekte. Die Sensorblickfeldposition ist jene Position in dem Sensorblickfeld, an welcher das Referenzobjekt sich gerade befindet. Sie kann gemäß einer Ausführungsform mittels kartesischer oder polarer Koordinaten oder einer Pixelposition angegeben werden. Mittels der bestimmten initialen Sensorblickfeldposition wird das virtuelle Modell der Maschine entsprechend ausgerichtet / angepasst, indem die virtuellen Sensorblickfeldposition der ermittelten initialen Sensorblickfeldposition angeglichen wird. In anderen Worten, die virtuellen Referenzobjekte werden so verschoben, dass die virtuelle Sensorblickfeldposition der virtuellen Referenzobjekte der Sensorblickfeldposition der realen Referenzobjekte entspricht. Dies kann gemäß einer Ausführungsform mittels einer Minimierungsfunktion durchgeführt werden. Mittels dieses Verfahrensschritts wird die Initialisierung, die Bestimmung der initialen Position des beweglichen Maschinenteils, erreicht.
- - in einem dem Initialisierungsschritt nachfolgenden ersten Zeitintervall:
- - Aktivieren der Referenzobjekte und Aufnehmen von Aufnahmen durch die optischen Sensoren. Die einzelnen Referenzobjekte werden aktiviert bzw. eingeschaltet, und gleichzeitig werden die Aufnahmen mit den optischen Sensoren gemacht, während die Referenzobjekte eingeschaltet sind. Gemäß einer Ausführungsform werden alle Referenzobjekte gleichzeitig oder nacheinander aktiviert und entsprechend von den optischen Sensoren die Aufnahmen gemacht. Nach der Initialisierung erfolgte beispielsweise eine Bewegung des beweglichen Maschinenteils, sodass mindestens eines der Referenzobjekte auch bewegt wurde.
- - Ermitteln der neuen Sensorblickfeldposition der einzelnen aktivierten Referenzobjekte in den einzelnen Aufnahmen der optischen Sensoren. Die einzelnen Aufnahmen der optischen Sensoren werden dahingehend ausgewertet, dass die neue Sensorblickfeldposition der einzelnen aktivierten Referenzobjekte ermittelt wird. Aus dem Initialisierungsschritt ist die initiale Sensorblickfeldposition der jeweiligen Referenzobjekte bekannt. Hat sich das bewegliche Maschinenteil verschoben, also entsprechend auch das Referenzobjekt, ist in der neuen Aufnahme auch die Sensorblickfeldposition des verschobenen Referenzobjekts eine andere. Die zeitliche Auflösung wird derart gewählt, dass die Zuordnung der Referenzobjekte dauerhaft möglich bleibt.
- - Anpassen des virtuellen Modells der Maschine an die neuen Sensorblickfeldpositionen der einzelnen Referenzobjekte, indem eine Minimierungsfunktion ausgeführt wird. Ähnlich zum Initialisierungsschritt wird auch gemäß dieses Verfahrensschrittes das virtuelle Modell der Maschine mittels der ermittelten Sensorblickfeldposition angepasst, indem die virtuelle Sensorblickfeldposition an die ermittelten neuen Sensorblickfeldposition angeglichen wird. In anderen Worten, die virtuellen Referenzobjekte werden so verschoben, dass die virtuelle Sensorblickfeldposition der virtuellen Referenzobjekte der neuen Sensorblickfeldposition der realen Referenzobjekte entspricht. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird dies mittels der Minimierungsfunktion durchgeführt. Die Minimierungsfunktion ermittelt demgemäß die wahrscheinlichste Position und Ausrichtung des virtuellen Maschinenteils. Dafür werden der Minimierungsfunktion als Eingangsgrößen die neuen Sensorblickfelspositionen zugeführt.
- - Bestimmen der Position und Ausrichtung des beweglichen Maschinenteils durch auslesen der virtuellen Position des virtuellen Maschinenteils aus dem virtuellen Modell. Die Position und Ausrichtung des beweglichen Maschinenteils kann unmittelbar aus der virtuellen Position und Ausrichtung des virtuellen Maschinenteils bestimmt werden, indem die virtuelle Position ausgelesen wird. Die vorliegende Offenbarung schafft demgemäß ein sehr einfaches, robustes und genaues Verfahren zur Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils.
- - providing a virtual model of the machine comprising virtual optical sensors with virtual sensor fields of view and virtual reference objects, the orientation of the virtual optical sensors corresponding to that of the optical sensors and the positioning of the virtual reference objects corresponding to that of the reference objects. The virtual model virtually depicts the machine with the moving machine part, optionally with several moving machine parts, and accordingly corresponds to a virtual twin of the real machine. The possible movements of the moving machine part can also be mapped in the virtual model. According to the present disclosure, the virtual model in particular also depicts the optical sensors and the reference objects on the machine. In other words, just as the optical sensors and the reference objects are arranged on the real machine, they are also arranged in the virtual model of the machine.
- - in an initialization step:
- - Determining an initial sensor field of view position of the individual reference objects in the respective sensor fields of view of the respective optical sensors and adapting the virtual model of the machine to the initial sensor field of view positions of the individual reference objects. The sensor field of view position is that position in the sensor field of view at which the reference object is currently located. According to one embodiment, it can be specified using Cartesian or polar coordinates or a pixel position. The virtual model of the machine is aligned/adjusted accordingly by means of the determined initial sensor field of view position, in that the virtual sensor field of view position is adjusted to the determined initial sensor field of view position. In other words, the virtual reference objects are shifted such that the virtual sensor field of view position of the virtual reference objects corresponds to the sensor field of view position of the real reference objects. According to one embodiment, this can be performed by means of a minimization function. The initialization, the determination of the initial position of the movable machine part, is achieved by means of this method step.
- - in a first time interval following the initialization step:
- - Activating the reference objects and taking pictures through the optical sensors. The individual reference objects are activated or switched on, and at the same time the recordings are made with the optical sensors while the reference objects are switched on. According to one embodiment, all reference objects are activated simultaneously or one after the other and the recordings are made accordingly by the optical sensors. After the initialization, for example, the movable machine part moved, so that at least one of the reference objects was also moved.
- - Determination of the new sensor field of view position of the individual activated reference objects in the individual recordings of the optical sensors. The individual recordings of the optical sensors are evaluated in such a way that the new sensor field of view position of the individual activated reference objects is determined. The initial sensor field of view position of the respective reference objects is known from the initialization step. If the moving machine part has shifted, i.e. the reference object as well, the sensor field of view position of the shifted reference object is also different in the new recording. The temporal resolution is selected in such a way that the assignment of the reference objects remains permanently possible.
- - Adjusting the virtual model of the machine to the new sensor field of view positions of each reference object by performing a minimization function. Similar to the initialization step, the virtual model of the machine is also adapted according to this method step using the determined sensor field of view position by the virtual sensor field of view position being adjusted to the new sensor field of view position determined. In other words, the virtual reference objects are shifted such that the virtual sensor field of view position of the virtual reference objects corresponds to the new sensor field of view position of the real reference objects. According to the present disclosure, this is done using the minimize function. Accordingly, the minimization function determines the most probable position and orientation of the virtual machine part. For this purpose, the new sensor field of view positions are fed to the minimization function as input variables.
- - Determining the position and orientation of the movable machine part by reading the virtual position of the virtual machine part from the virtual model. The position and orientation of the movable machine part can be determined directly from the virtual position and orientation of the virtual machine part by reading out the virtual position. Accordingly, the present disclosure provides a very simple, robust and accurate method for determining the position of the moving machine part.
Die optischen Sensoren sind gemäß der vorliegenden Offenbarung an der Maschine angeordnet. Die optischen Sensoren können gemäß einer Ausführungsform an einem nicht beweglichen Bereich der Maschine angeordnet sein oder gemäß einer anderen Ausführungsform zumindest teilweise an einem der beweglichen Maschinenteile angeordnet sein. Ist beispielsweise die Maschine eine Baumaschine kann der bewegliche Maschinenteil ein Tragarm sein. Der Tragarm als bewegliches Maschinenteil ist demgemäß in Bezug zur Baumaschine beweglich. Zudem ist die Baumaschine in Bezug zu einem externen Referenzkoordinatensystem beweglich.The optical sensors are located on the machine in accordance with the present disclosure. According to one embodiment, the optical sensors can be arranged on a non-moving area of the machine or, according to another embodiment, can be arranged at least partially on one of the moving machine parts. For example, if the machine is a construction machine, the movable machine part can be a support arm. The support arm as a moving machine part is therefore movable in relation to the construction machine. In addition, the construction machine can be moved in relation to an external reference coordinate system.
Das feste Sensorblickfeld der optischen Sensoren gemäß der vorliegenden Offenbarung wird durch die Ausrichtung der optischen Sensoren und demgemäß durch die Anordnung der optischen Sensoren an der Maschine festgelegt. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist das Sensorblickfeld der optischen Sensoren in Richtung von zumindest einem der Referenzobjekte ausgerichtet, dies ist nicht so zu verstehen, dass das Sensorblickfeld der optischen Sensoren immer / dauerhaft mindestens eines der Referenzobjekte erfassen muss. Es ist durchaus möglich, dass zumindest zeitweise das Sensorblickfeld eines der optischen Sensoren kein Referenzobjekt erfasst. Eine sinnvolle Anordnung und Ausrichtung der optischen Sensoren trägt Sorge dafür, dass in jeder möglichen Position und Ausrichtung des beweglichen Maschinenteils mindestens eines der Referenzobjekte durch einen der optischen Sensoren gesichtet werden kann.The fixed sensor field of view of the optical sensors according to the present disclosure is determined by the orientation of the optical sensors and accordingly by the placement of the optical sensors on the machine. According to the present disclosure, the sensor field of view of the optical sensors is aligned in the direction of at least one of the reference objects. This should not be understood to mean that the sensor field of view of the optical sensors must always/permanently capture at least one of the reference objects. It is quite possible that at least temporarily the sensor field of view of one of the optical sensors does not detect a reference object. A sensible arrangement and alignment of the optical sensors ensures that at least one of the reference objects can be viewed by one of the optical sensors in every possible position and alignment of the moving machine part.
Demgemäß wird durch die optischen Sensoren zumindest eines der Referenzobjekte erfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist das Sensorblickfeld mindestens eines der optischen Sensoren in Richtung von mehreren der Referenzobjekte ausgerichtet. In anderen Worten, in zumindest einer Position des beweglichen Maschinenteils kann mindestens eines der Referenzobjekte durch den entsprechenden optischen Sensor erfasst werden. Dadurch, dass das bewegliche Maschinenteil sich in Bezug zu den Blickfeldern der optischen Sensoren bewegt, kann sich die Anzahl der Referenzobjekte in dem Blickfeld der jeweiligen optischen Sensoren ändern.Accordingly, at least one of the reference objects is detected by the optical sensors. According to one embodiment, the sensor field of view of at least one of the optical sensors is aligned in the direction of several of the reference objects. In other words, in at least one position of the movable machine part, at least one of the reference objects can be detected by the corresponding optical sensor. Due to the fact that the moving machine part moves in relation to the fields of view of the optical sensors, the number of reference objects in the field of view of the respective optical sensors can change.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es demgemäß möglich die Position des beweglichen Maschinenteils sehr genau mittels eines vergleichsweise einfachen Aufbaus bestehend aus den Referenzobjekten und den optischen Sensoren ermitteln.Accordingly, according to the present disclosure, it is possible to determine the position of the movable machine part very precisely by means of a comparatively simple structure consisting of the reference objects and the optical sensors.
Zur Bestimmung der Position der einzelnen Referenzobjekte ist es vorteilhaft, dass die einzelnen Referenzobjekte in dem Sensorblickfeld von zwei oder mehreren optischen Sensoren sind. Je höher die Anzahl, desto größer ist die Redundanz, wodurch die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöht werden kann. Zusätzlich kann bei mehreren Aufnahmen eine Auswahl aus den Aufnahmen getroffen werden, die zur Positionsbestimmung herangezogen werden. Dadurch kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Referenzobjekte erhöht werden.In order to determine the position of the individual reference objects, it is advantageous for the individual reference objects to be in the sensor field of view of two or more optical sensors. The higher the number, the greater the redundancy, which can increase the accuracy of the position determination. In addition, if there are several recordings, a selection can be made from the recordings that are used to determine the position. As a result, the accuracy of the position determination of the reference objects can be increased.
Es ist denkbar, dass die einzelnen Referenzobjekte durch Bewegung des beweglichen Maschinenteils das Blickfeld eines der optischen Sensoren verlässt und sich in das Blickfeld eines anderen der optischen Sensoren bewegt. Dies kann gemäß einer Ausführungsform durch Auswertung der einzelnen Aufnahmen der optischen Sensoren erkannt und sogar vorherberechnet werden, indem eine prognostizierte Bewegung des beweglichen Maschinenteils ermittelt wird. Dadurch, dass dies berücksichtigt wird, kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung der optischen Referenzobjekte weiter vorteilhaft erhöht werden.It is conceivable that the individual reference objects leave the field of view of one of the optical sensors due to the movement of the movable machine part and move into the field of view of another of the optical sensors. According to one embodiment, this can be recognized and even calculated in advance by evaluating the individual recordings of the optical sensors by determining a predicted movement of the movable machine part. Because this is taken into account, the accuracy of the position determination of the optical reference objects can be further advantageously increased.
Gemäß einer Ausführungsform wird kontinuierlich die Position des beweglichen Maschinenteils ermittelt, indem das Verfahren des ersten Zeitintervalls kontinuierlich wiederholt wird. Dadurch ist eine kontinuierliche Positionsbestimmung der einzelnen Referenzobjekte möglich ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird dabei für die einzelnen nachfolgenden Zeitintervalle, die Messrate möglichst hoch und die Messzeit möglichst kurz gewählt, sodass die Positionsbestimmung vorteilhaft genau durchgeführt werden kann, da sich das bewegliche Maschinenteil in vergleichsweise kurzer Zeit weniger bewegen kann, sodass die Zuordnung einfach ist und der Messfehler insgesamt klein ist.According to one embodiment, the position of the movable machine part is continuously determined by continuously repeating the method of the first time interval. This enables a continuous determination of the position of the individual reference objects. According to a further embodiment, the measuring rate is selected as high as possible and the measuring time as short as possible for the individual subsequent time intervals, so that the position determination can advantageously be carried out precisely, since the movable machine part can move less in a comparatively short time, so that the assignment is simple and the overall measurement error is small.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die initiale Sensorblickfeldposition der einzelnen Referenzobjekte wie folgt ermittelt:
- - Aktivieren eines einzigen der Referenzobjekte und Aufnehmen von Aufnahmen durch alle optischen Sensoren während das Referenzobjekt aktiviert ist. Die weiteren Referenzobjekte sind dabei nicht aktiviert bzw. ausgeschaltet.
- - Auswerten der jeweiligen Aufnahmen der optischen Sensoren in denen das Referenzobjekt aktiviert ist, wodurch die initiale Sensorblickfeldposition des Referenzobjekts bestimmt wird. Während das eine Referenzobjekt aktiviert ist, werden mit allen der optischen Sensoren eine Aufnahme gemacht. Diese Aufnahmen werden ausgewertet, wodurch die initiale Sensorblickfeldposition des aktivierten Referenzobjekts der unterschiedlichen optischen Sensoren ermittelt wird.
- - Wiederholen der vorgenannten Verfahrensschritte mit allen weiteren Referenzobjekten, wodurch alle initialen Sensorblickfeldpositionen der Referenzobjekte bestimmt werden. Sobald die erste Sensorblickfeldposition des ersten Referenzobjekts ermittelt wurde, wird ein zweites Referenzobjekt aktiviert, eingeschaltet, während die anderen Referenzobjekte ausgeschaltet bleiben. Der Vorgang wird für das zweite Referenzobjekt und anschließend für die weiteren Referenzobjekte wiederholt, bis für alle Referenzobjekte die initiale Sensorblickfeldposition ermittelt worden ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die initiale Zuordnung der Referenzobjekte und die initiale Sensorblickfeldposition aller Referenzobjekte vorteilhaft einfach möglich.
- - Activating a single one of the reference objects and taking pictures through all optical sensors while the reference object is activated. The other reference objects are not activated or switched off.
- - Evaluation of the respective recordings of the optical sensors in which the reference object is activated, whereby the initial sensor field of view position of the reference object is determined. While one reference object is activated, a picture is taken with all of the optical sensors. These recordings are evaluated, whereby the initial sensor field of view position of the activated reference object of the different optical sensors is determined.
- - Repeating the aforementioned method steps with all further reference objects, whereby all initial sensor field of view positions of the reference objects are determined. Once the first sensor field of view position of the first reference object is determined, a second reference object is activated, turned on while the other reference objects remain off. The process is repeated for the second reference object and then for the further reference objects until the initial sensor field of view position has been determined for all reference objects. According to this embodiment, the initial assignment of the reference objects and the initial sensor field of view position of all reference objects is advantageously possible in a simple manner.
Gemäß einer Ausführungsform werden zusätzlich zu den Aufnahmen in denen das jeweilige Referenzobjekt aktiviert wird eine weitere Schwarzaufnahme mit jedem der optischen Sensoren aufgenommen und mit den Aufnahmen in denen das jeweilige Referenzobjekt aktiviert ist, verglichen, wodurch Umgebungseinflüsse herausgefiltert werden. Schwarzaufnahmen sind Aufnahmen der optischen Sensoren, in denen keines der Referenzobjekte aktiviert ist, demgemäß weisen diese Schwarzaufnahmen lediglich Umgebungseinflüsse wie Strahlung von Strahlern oder Lampen, beispielsweise Baustrahlern, auf. Derartige Umgebungseinflüsse werden gemäß dieser Ausführungsform identifiziert, als solche klassifiziert und können entsprechend bei der Bestimmung der Sensorblickfeldposition der aktivierten Referenzobjekte berücksichtigt werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Verfahren zur Positionsbestimmung genauer und robuster. Ist beispielsweise in dem Blickfeld eines der optischen Sensoren eine Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Lampe / Strahler, eingeschaltet, kann diese in der Schwarzaufnahme detektiert werden. Referenzobjekte, die in einer ähnlichen Blickfeldposition als die Störquelle sind, können bei darauffolgenden Aufnahmen nicht oder nur eingeschränkt herangezogen werden, bis diese Referenzobjekte durch Bewegung des beweglichen Maschinenteils bzw. der Maschine in eine andere Blickfeldposition fern der Störquelle bewegt wurden. In der Zwischenzeit kann die Positionsvermessung mittels weiterer / anderer Referenzobjekte erfolgen. Dadurch kann die Erhöhung der Robustheit / Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen bei der Positionsbestimmung zusätzlich vorteilhaft erhöht werden.According to one embodiment, in addition to the recordings in which the respective reference object is activated, a further black recording is recorded with each of the optical sensors and compared with the recordings in which the respective reference object is activated, whereby environmental influences are filtered out. Black recordings are recordings of the optical sensors in which none of the reference objects is activated. Accordingly, these black recordings only show environmental influences such as radiation from radiators or lamps, for example construction site spotlights. According to this embodiment, such environmental influences are identified, classified as such and can be taken into account accordingly when determining the sensor field of view position of the activated reference objects. According to this embodiment, the position determination method becomes more accurate and robust. For example, if a radiation source, such as a lamp/radiator, is switched on in the field of view of one of the optical sensors, it can be detected in the black recording. Reference objects that are in a similar field of view position as the source of interference cannot be used for subsequent recordings, or only to a limited extent, until these reference objects have been moved to a different field of view position away from the source of interference by moving the movable machine part or the machine. In the meantime, the position can be measured using other reference objects. As a result, the increase in robustness/stability with respect to environmental influences when determining the position can be additionally advantageously increased.
Gemäß einer Ausführungsform wird mittels der Minimierungsfunktion zunächst ein lineares Gleichungssystem gelöst, um einen optimalen Startpunkt für eine nachfolgende numerische Optimierung zu ermitteln, wobei anschließen die numerische Optimierung ausgehend von dem Startpunkt das globale Minimum oder das globale Maximum ermittelt, wodurch das virtuelle Modell der Maschine mittels der neuen Sensorblickfeldpositionen der einzelnen Referenzobjekte angepasst wird. Der Minimierungsfunktion werden als Eingangsgrößen die aktuell ermittelten Sensorblickfeldpositionen bereitgestellt. Die Minimierungsfunktion versucht anschließend ein Residuum zu minimieren, wobei zunächst die Lage der Referenzobjekte im virtuellen Modell bestimmt wird. Anschließend werden die einzelnen 3D Kemstrahlen aus den Sensorblickfeldpositionen der optischen Sensoren berechnet, daraufhin werden die Abstände zwischen den 3D Kernstrahlen und den dazugehörigen virtuellen Referenzobjekte berechnet. Anschließend wird der quadratische Mittelwert aus den einzelnen Abständen berechnet. Der resultierende quadratische Mittelwert stellt das Residuum dar, welches minimiert wird. Sobald bestimmte Parameter erreicht werden, wird die Minimierungsfunktion abgebrochen und das Ergebnis von der Minimierungsfunktion ausgegeben.According to one embodiment, a system of linear equations is first solved by means of the minimization function in order to find an optimal starting point for a subsequent numerical optimization tion, with the numerical optimization then determining the global minimum or the global maximum starting from the starting point, as a result of which the virtual model of the machine is adapted using the new sensor field of view positions of the individual reference objects. The currently determined sensor field of view positions are provided to the minimization function as input variables. The minimization function then tries to minimize a residue, first determining the position of the reference objects in the virtual model. The individual 3D core rays are then calculated from the sensor field of view positions of the optical sensors, after which the distances between the 3D core rays and the associated virtual reference objects are calculated. The root mean square of the individual distances is then calculated. The resulting root mean square represents the residual, which is minimized. As soon as certain parameters are reached, the minimization function is aborted and the result is returned by the minimization function.
Gemäß einer Ausführungsform ist an dem beweglichen Maschinenteil mindestens ein Lagesensor angeordnet, wobei der Lagesensor ein Beschleunigungssensor und / oder ein Gyroskop ist, wobei mittels des Lagesensors Richtungsdaten zum Gravitationsvektor ermittelt werden und diese Richtungsdaten bei der Bestimmung der Position des beweglichen Maschinenteils zusätzlich herangezogen werden. Gemäß einer Ausführungsform sind an dem beweglichen Maschinenteil mehrere Lagesensoren angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind an mehreren beweglichen Maschinenteilen jeweils mindestens ein Lagesensor angeordnet. Die Lagesensoren sind an dem beweglichen Maschinenteil fixiert bzw. verschraubt. Die Lagesensoren liefern als Output detaillierte Informationen zur Richtung zum Gravitationsvektor und / oder detaillierte Informationen einer linearen Bewegung, Beschleunigung und / oder einer Rotation des beweglichen Maschinenteils, an welchem sie angeordnet sind. Diese Informationen werden gemäß dieser Ausführungsform als zusätzliche Eingangsgrößen der Minimierungsfunktion zugeführt, wodurch die Genauigkeit des Ergebnisses der Minimierungsfunktion erhöht werden kann, wodurch wiederum die Genauigkeit und Robustheit der Bestimmung der Position des beweglichen Maschinenteils erhöht werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Lagesensor auch in einem der Referenzobjekte integriert sein.According to one embodiment, at least one position sensor is arranged on the movable machine part, with the position sensor being an acceleration sensor and/or a gyroscope, with direction data relating to the gravitational vector being determined by means of the position sensor and these direction data also being used when determining the position of the movable machine part. According to one embodiment, several position sensors are arranged on the movable machine part. According to a further embodiment, at least one position sensor is arranged on a plurality of movable machine parts. The position sensors are fixed or screwed to the moving machine part. As an output, the position sensors provide detailed information on the direction of the gravitational vector and/or detailed information on a linear movement, acceleration and/or rotation of the movable machine part on which they are arranged. According to this embodiment, this information is supplied to the minimization function as additional input variables, which means that the accuracy of the result of the minimization function can be increased, which in turn can increase the accuracy and robustness of the determination of the position of the movable machine part. According to a further embodiment, the position sensor can also be integrated in one of the reference objects.
Gemäß einer Ausführungsform ist zusätzlich an der Maschine mindestens ein Lagesensor angeordnet, mittels dem Referenzdaten ermittelt werden, die zur Kompensation der Position der Maschine bei der Bestimmung der Position des beweglichen Maschinenteils herangezogen werden. Bewegt sich beispielsweise die Maschine selbst von einer horizontalen Ausrichtung zum Gravitationsvektor in eine davon abweichende Ausrichtung zum Gravitationsvektor, beispielsweise aufgrund Geländeunebenheiten, kann dies mittels des Lagesensors, der an der Maschine selbst angeordnet, fixiert ist, ermittelt werden. In anderen Worten, die Abweichung der Ausrichtung der Maschine selbst zum Gravitationsvektor kann mittels des Lagesensors an der Maschine ermittelt werden. Diese Informationen dienen dazu, die Daten aus den Lagesensoren an dem beweglichen Maschinenteil zu korrigieren, wodurch Fehler reduziert werden und insgesamt die Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils erhöht wird. Die Informationen aus dem oder den Lagesensoren können gemäß einer weiteren Ausführungsform dazu dienen die zukünftige Position der Referenzobjekte aufgrund der Bewegung des beweglichen Maschinenteils und / oder der Maschine vorherzubestimmen. Dadurch kann die kontinuierliche Positionsbestimmung der Referenzobjekte weiter vorteilhaft erhöht werden.According to one embodiment, at least one position sensor is additionally arranged on the machine, by means of which reference data are determined, which are used to compensate for the position of the machine when determining the position of the movable machine part. For example, if the machine itself moves from a horizontal orientation to the gravitational vector into a different orientation to the gravitational vector, for example due to uneven terrain, this can be determined using the position sensor, which is arranged on the machine itself and is fixed. In other words, the deviation of the alignment of the machine itself from the gravitational vector can be determined using the position sensor on the machine. This information is used to correct the data from the position sensors on the moving machine part, thereby reducing errors and increasing the overall position determination of the moving machine part. According to a further embodiment, the information from the position sensor or sensors can be used to predict the future position of the reference objects on the basis of the movement of the movable machine part and/or the machine. As a result, the continuous position determination of the reference objects can be further advantageously increased.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Richtungsdaten und / oder die Referenzdaten der Lagesensoren der Minimierungsfunktion bereitgestellt, wodurch mittels einer Sensordatenfusion der Daten aus den Lagesensoren und der neuen Sensorblickfeldpositionsdaten der optischen Sensoren die Anpassung des virtuellen Modells der Maschine durchgeführt wird. Die Sensordatenfusion besteht gemäß einer Ausführungsform aus einem Kalman Filter. Ein Kalman Filter dient dazu, aus verschiedenen Messwerten ein Messergebnis zu berechnen, in welchem die Varianz der einzelnen Messwerte minimiert, also optimal, ist. Hierbei ist es irrelevant, ob es sich bei den Messwerten um Blickfeldpositionen, Winkelgeschwindigkeiten der Lagesensoren oder Beschleunigungen der Lagesensoren handelt. Diese Daten werden mit den bereits aufgestellten Modellgleichungen verknüpft und die einzelnen Varianzen über die sogenannte Kovarianzmatrix miteinander verbunden. Die Form der Kovarianzmatrix selbst hängt wiederum von den Modellgleichungen ab. Zustände des eingesetzten Kalman Filters umfassen die 3D Position und 3D Rotation des virtuellen Modells, sowie jeweils deren erste und zweite Ableitung, als (Winkel-)Geschwindigkeit und (Winkel-)Beschleunigung. Der Status des Kalmans Filters kann in 3 Abschnitte unterteilt werden, wobei sich Abschnitt 2 und 3 laufend wiederholen:
- Der erste Abschnitt betrifft die Initialisierung. Es wird angenommen, dass sich die Maschine in Ruhe befindet, also werden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen auf Null gesetzt. Die Position und Lage wird den aus der Initialisierungsroutine gewonnenen Werten gleichgesetzt.
- Der zweite Abschnitt umfasst eine Prädiktion. In diesem Schritt werden die vorhergesagten Zustände aus dem Kalman Filter zu einem bestimmten Zeitpunkt errechnet. Dieser Zeitpunkt kann sowohl in Zukunft, Gegenwart oder Vergangenheit liegen. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Genauigkeit mit steigendem zeitlichem Abstand zur Gegenwart vermindert.
- Der dritte Abschnitt umfasst eine Korrektur: Liegt ein Messwert aus dem Messsystem vor, so werden die Zustände und die Kovarianzmatrix um den Messwert korrigiert. Neben dem Messwert selbst wird hierbei auch der Zeitstempels des Messwertes verwendet, um die Dynamik des Systems besser beschreiben zu können.
- The first section concerns the initialization. The machine is assumed to be at rest, so velocities and accelerations are set to zero. The position and position are set equal to the values obtained from the initialization routine.
- The second section includes a prediction. In this step, the predicted states from the Kalman filter are calculated at a specific point in time. This point in time can be in the future, present or past. It should be noted here that the accuracy decreases as the time between the present and the present increases.
- The third section includes a correction: if there is a measured value from the measuring system, the states and the covariance matrix are corrected by the measured value. In addition to the measured value itself, the time stamp of the measured value is also used in order to be able to better describe the dynamics of the system.
Gemäß einer Ausführungsform wird bei der Aktivierung der Referenzobjekte in den nachfolgenden Zeitintervallen eine Auswahl der zur Verfügung stehenden Referenzobjekte getroffen, wobei bei der Auswahl die aus der vorangegangenen Positionsbestimmung bekannte Position der Referenzobjekte und / oder Geschwindigkeit der Referenzobjekte und /oder Beschleunigung der Referenzobjekte und / oder ein geometrischer Aufbau des beweglichen Maschinenteils und / oder ein geometrischer Aufbau der Maschine berücksichtigt wird. Wie bereits ausgeführt wird während des Initialisierungsschritts die Initialposition der Referenzobjekte ermittelt, also ist deren initiale Sensorblickfeldposition der einzelnen optischen Sensoren bekannt. Demgemäß ist bekannt, welche Referenzobjekte von welchen optischen Sensoren erfasst werden können, also zur Verfügung stehen. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils kann erhöht werden, indem Referenzobjekte herangezogen werden, die beispielsweise gut sichtbar sind und in der Gesamtschau der Position des beweglichen Maschinenteils vorteilhaft positioniert sind.According to one embodiment, when the reference objects are activated in the subsequent time intervals, a selection is made from the available reference objects, with the selection being based on the position of the reference objects known from the previous position determination and/or the speed of the reference objects and/or the acceleration of the reference objects and/or a geometric structure of the movable machine part and/or a geometric structure of the machine is taken into account. As already explained, the initial position of the reference objects is determined during the initialization step, ie their initial sensor field of view position of the individual optical sensors is known. Accordingly, it is known which reference objects can be detected by which optical sensors, ie are available. The accuracy of the position determination of the movable machine part can be increased by using reference objects that are clearly visible, for example, and are advantageously positioned in the overall view of the position of the movable machine part.
Ist beispielsweise das bewegliche Maschinenteil ein langes Objekt und sind drei Referenzobjekte, nahe an den optischen Sensoren angebracht und ein Referenzobjekt weit weg von den optischen Sensoren angebracht, so ist es nicht zielführend, nur die drei nahen zu aktivieren und auszuwerten, da die gemessenen Winkel zwischen diesen drei Referenzobjekten klein sind, im Vergleich zum Winkel, den das vordere Referenzobjekt zusammen mit den hinteren Objekten aufspannt. Es kommt also auf die Kombination der aktivierten Referenzobjekte drauf an. Große Distanzen zwischen den Referenzobjekten sind immer vorteilhaft, da man dadurch große Winkel erhält. Zudem ist die Anordnung des Sensorblickfelds des jeweiligen optischen Sensors relevant. Ist ein optischer Sensor so angeordnet, dass sich zwei Referenzobjekte mit einem großen Abstand zueinander in einer Linie befinden, ist der messbare Winkel sehr klein und folglich ist die Messung dieses Sensors unvorteilhaft. Wird dieselbe Messung an einem optischen Sensor durchgeführt, der beispielsweise um ca. 90 Grad gedreht auf die beiden Referenzobjekte blickt, hat man hier einen vorteilhaft großen Winkel. Dasselbe gilt, wenn zwei optische Sensoren herangezogen werden. In diesem Beispiel sind die Winkel aber nicht alleine ausschlaggebend, da sie sich auf zwei getrennte Koordinatensysteme beziehen können. Referenzobjekte die nahe an den Sensoren sind, sind grundsätzlich besser, aber nicht allein für den Wert der Messung entscheidend. Optimiert wird gemäß einer Ausführungsform auf eine vom Aufbau des Messsystems abhängige gewichtete Kombination der aktuellen Parameter wie eine Abstandsmatrix (Abstand optischer Sensor N zu Referenzobjekte M), eine Blickfeldmatrix (geschätzte Blickfeldposition optischer Sensor N zu Referenzobjekte M, eine Blickfeldpositionen in Aufnahmenmitte, Bildmitte wird bevorzugt, da hier besser gemessen werden kann), eine Ausrichtungsmatrix (Ausrichtung des optischen Sensors N zu Referenzobjekte M, da der optischen Sensors eine Richtungsempfindlichkeit hat) und / oder Informationen aus einer Messhistorie (Störquellen, Überdeckungen in der Nähe, Dreck, störende Spiegelungen.)If, for example, the moving machine part is a long object and three reference objects are attached close to the optical sensors and one reference object is attached far away from the optical sensors, it is not expedient to only activate and evaluate the three close ones, since the measured angles between these three reference objects are small compared to the angle that the front reference object subtends together with the rear objects. So it depends on the combination of the activated reference objects. Large distances between the reference objects are always advantageous, as this results in large angles. In addition, the arrangement of the sensor field of view of the respective optical sensor is relevant. If an optical sensor is arranged in such a way that two reference objects are in a line at a large distance from each other, the measurable angle is very small and consequently the measurement of this sensor is disadvantageous. If the same measurement is carried out on an optical sensor which, for example, looks at the two reference objects rotated by approx. 90 degrees, the angle here is advantageously large. The same applies if two optical sensors are used. In this example, however, the angles are not the only decisive factor, since they can refer to two separate coordinate systems. Reference objects that are close to the sensors are generally better, but are not solely decisive for the value of the measurement. According to one embodiment, optimization is based on a weighted combination of the current parameters that depends on the structure of the measuring system, such as a distance matrix (distance of optical sensor N to reference objects M), a field of view matrix (estimated field of view position of optical sensor N to reference objects M, a field of view position in the center of the recording, the center of the image is preferred , since it is easier to measure here), an alignment matrix (alignment of the optical sensor N to reference objects M, since the optical sensor has directional sensitivity) and/or information from a measurement history (sources of interference, nearby overlaps, dirt, disturbing reflections.)
Die Messhistorie setzt sich gemäß einer Ausführungsform aus der vorangegangenen Positionsbestimmung bekannte Position und / oder eine Geschwindigkeit der Referenzobjekte und / oder eine Beschleunigung der Referenzobjekte und / oder eine Geometrie des beweglichen Maschinenteils und / oder eine Geometrie der Maschine zusammen. Mittels der Positionsveränderung von den Referenzobjekten kann die aktuelle Geschwindigkeit der Referenzobjekte und die aktuelle Beschleunigung der Referenzobjekte ermittelt werden. Diese Werte können gemäß dieser Ausführungsform zur Vorbestimmung der zukünftigen Position der Referenzobjekte herangezogen werden, indem die Aktivierung der Referenzobjekte und die dazugehörige Auswahl der optischen Sensoren zur Aufnahme der Aufnahmen entsprechend gesteuert wird. Sofern sich die Positionsveränderung der Referenzobjekte nicht wie vorherbestimmt verhält, beispielsweise aufgrund einer anderen Steuerung der Bewegung des beweglichen Maschinenteils, kann die neue aktuelle Geschwindigkeit und neue aktuelle Beschleunigung neu ermittelt werden und bei der nachfolgenden Positionsbestimmung neu berücksichtigt werden. Die aktuelle Bewegungsrichtung der Referenzobjekte kann ebenso berücksichtigt werden. Die Geometrie der Maschine und die Geometrie des beweglichen Maschinenteils sind bekannt und bestimmen mit, wann welches der Referenzobjekte in welchem Sensorblickfeld der optischen Sensoren ist. Wird beispielsweise das bewegliche Maschinenteil bewegt, ist es denkbar, dass eines der Referenzobjekte aus dem Blickfeld eines der optischen Sensoren herausgedreht wird bzw. von dem beweglichen Maschinenteil bzw. von der Maschine verdeckt wird. Dadurch, dass die Geometrie bekannt ist, kann diese bei der Aktivierung der Referenzobjekte berücksichtigt werden bzw. bei der Auswahl der optischen Sensoren berücksichtigt werden, wodurch fehlerhafte Aufnahmen bzw. eine fehlerhafte Zuordnung vermieden werden kann, wodurch wiederum die Positionsbestimmung vorteilhaft genau und robust durchgeführt werden kann. Zusätzlich können Reflektionen der Referenzobjekte an dem beweglichen Maschinenteil, welche die optischen Sensoren stören können, zuverlässig erkannt und entfernt werden, was sich vorteilhaft auf die Genauigkeit und Robustheit der Positionsbestimmung auswirkt.According to one embodiment, the measurement history is made up of a position known from the previous position determination and/or a speed of the reference objects and/or an acceleration of the reference objects and/or a geometry of the movable machine part and/or a geometry of the machine. The current speed of the reference objects and the current acceleration of the reference objects can be determined by means of the change in position of the reference objects. According to this embodiment, these values can be used to predetermine the future position of the reference objects by appropriately controlling the activation of the reference objects and the associated selection of the optical sensors for recording the recordings. If the change in position of the reference objects does not behave as predetermined, for example due to a different control of the movement of the movable machine part, the new current speed and new current acceleration can be re-determined and taken into account again in the subsequent position determination. The current direction of movement of the reference objects can also be taken into account. The geometry of the machine and the geometry of the moving machine part are known and help determine when which of the reference objects is in which sensor field of view of the optical sensors. If, for example, the moving machine part is moved, it is conceivable that one of the reference objects is out of the field of view of one of the optical sensors is turned or is covered by the moving machine part or by the machine. Since the geometry is known, it can be taken into account when activating the reference objects or when selecting the optical sensors, which means that faulty recordings or faulty assignment can be avoided, which in turn means that the position determination can advantageously be carried out precisely and robustly can. In addition, reflections from the reference objects on the moving machine part, which can interfere with the optical sensors, can be reliably detected and removed, which has an advantageous effect on the accuracy and robustness of the position determination.
Gemäß einer Ausführungsform wird zwischen mindestens einem der Referenzobjekte bzw. zwischen mindestens einem der Strahlungssender und mindestens einem der optischen Sensoren ein Gewichtungsfaktor berechnet, der bei der Bestimmung der Position des beweglichen Maschinenteils herangezogen wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, dass zwischen jedem der optischen Sensoren und jedem der Referenzobjekte bzw. jedem der Strahlungssender, die in dem Blickfeld der optischen Sensoren sind ein Gewichtungsfaktor berechnet wird, der bei der Bestimmung der Position des beweglichen Maschinenteils herangezogen wird. Der Gewichtungsfaktor gibt gemäß dieser Ausführungsform an, wie hoch die Ergebnisse der entsprechenden Blickfeldpositionsbestimmung im Vergleich zu den Ergebnissen anderer Blickfeldpositionsbestimmungen gewichtet werden soll. Mittels des Gewichtungsfaktors kann die Genauigkeit und Robustheit der Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils zusätzlich vorteilhaft erhöht werden.According to one embodiment, a weighting factor is calculated between at least one of the reference objects or between at least one of the radiation transmitters and at least one of the optical sensors, which weighting factor is used to determine the position of the movable machine part. According to a further embodiment, it is conceivable that a weighting factor is calculated between each of the optical sensors and each of the reference objects or each of the radiation transmitters that are in the field of view of the optical sensors, which weighting factor is used to determine the position of the movable machine part. According to this embodiment, the weighting factor indicates how highly the results of the corresponding field of view position determination should be weighted in comparison to the results of other field of view position determinations. The accuracy and robustness of the position determination of the movable machine part can also advantageously be increased by means of the weighting factor.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes der Referenzobjekte mindestens einen Strahlungssender auf und das Aktivieren der jeweiligen Referenzobjekte darin besteht, den Strahlungssender zu aktivieren. Der Strahlungssender ist gemäß einer Ausführungsform dazu ausgebildet Strahlung in Form von elektromagnetischen Wellen auszusenden. Durch die Aktivierung werden gemäß dieser Ausführungsform die elektromagnetischen Wellen für eine bestimmte Zeit ausgesendet. In den Aufnahmen der optischen Sensoren ist die Strahlung vorteilhaft gut erkennbar, woraufhin die Blickfeldposition der einzelnen Referenzobjekte vorteilhaft gut ermittelbar ist. Die Positionsbestimmung ist demgemäß sehr genau durchführbar.According to one embodiment, each of the reference objects has at least one radiation emitter and the activation of the respective reference objects consists in activating the radiation emitter. According to one embodiment, the radiation transmitter is designed to emit radiation in the form of electromagnetic waves. According to this embodiment, the activation causes the electromagnetic waves to be emitted for a specific time. In the recordings of the optical sensors, the radiation can advantageously be seen well, whereupon the position of the field of view of the individual reference objects can advantageously be well determined. The position determination can accordingly be carried out very precisely.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der mindesten eine Strahlungssender ein LED-Strahlungssender. Derartige LED-Strahlungssender sind vergleichsweise günstig und vorteilhaft gut mittels der optischen Sensoren detektierbar.According to a further embodiment, the at least one radiation emitter is an LED radiation emitter. Such LED radiation emitters are comparatively inexpensive and can advantageously be easily detected by means of the optical sensors.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes der Referenzobjekte mehrere Seiten auf. Zusätzlich ist an mindestens zwei der Seiten jeweils einer der Strahlungssender angeordnet. Zusätzlich kann gemäß dieser Ausführungsform bei dem Aktivieren der Referenzobjekte unterschieden werden, welcher der Strahlungssender je Referenzobjekt eingeschaltet wird. Sind die Referenzobjekte gemäß einer Ausführungsform beispielsweise quaderförmig ausgebildet, dann weisen sie sechs Seiten auf. An einer dieser Seiten sind sie an dem beweglichen Maschinenteil angeordnet. An den anderen fünf Seiten kann jeweils einer der Strahlungssender angeordnet sein. Durch die Bewegung des beweglichen Maschinenteils kann beispielsweise die für die optischen Sensoren sichtbare Seite eines der Referenzobjekte wechseln. Dadurch, dass an mehreren Seiten des entsprechenden Referenzobjekts gemäß dieser Ausführungsform Strahlungssender angeordnet sind, bleibt mittels eines Wechsels des Aktivierens des nunmehr sichtbaren Strahlungssenders des Referenzobjekts das Referenzobjekt für die optischen Sensoren sichtbar. Dadurch kann trotz Bewegung des beweglichen Maschinenteils die Position des Referenzobjekts weiterhin vorteilhaft bestimmt werden. Dadurch kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils zusätzlich vorteilhaft erhöht werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es denkbar, dass das Referenzobjekt pyramidenförmig oder andersförmig mit mehreren Seiten ausgebildet ist.According to one embodiment, each of the reference objects has multiple sides. In addition, one of the radiation transmitters is arranged on at least two of the sides. In addition, according to this embodiment, when activating the reference objects, a distinction can be made as to which of the radiation transmitters is switched on for each reference object. If, according to one embodiment, the reference objects are cuboid, for example, then they have six sides. On one of these sides they are arranged on the moving machine part. One of the radiation transmitters can be arranged on each of the other five sides. For example, the side of one of the reference objects that is visible to the optical sensors can change as a result of the movement of the movable machine part. Due to the fact that radiation transmitters are arranged on several sides of the corresponding reference object according to this embodiment, the reference object remains visible for the optical sensors by changing the activation of the now visible radiation transmitter of the reference object. As a result, the position of the reference object can continue to be advantageously determined despite the movement of the movable machine part. As a result, the accuracy of the position determination of the movable machine part can also be advantageously increased. According to another embodiment, it is conceivable that the reference object is configured in the shape of a pyramid or some other shape with a plurality of sides.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Messvorrichtung für eine Positionsbestimmung eines beweglichen Maschinenteils einer Maschine angegeben. An der Maschine sind eine Mehrzahl von optischen Sensoren angeordnet, die jeweils ein festes Sensorblickfeld in Bezug zu ihrer Anordnung an der Maschine aufweisen und an dem beweglichen Maschinenteil eine Mehrzahl von Referenzobjekten angeordnet sind und jedes einzelne der Referenzobjekte ist an einer festen Referenzposition auf dem Maschinenteil fixiert, wobei jeweils die Sensorblickfelder der optischen Sensoren in Richtung der Referenzobjekte ausgerichtet sind und wobei die Messvorrichtung eine Recheneinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, eines der oben genannten Verfahren auszuführen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Recheneinheit ein echtzeitfähiges Betriebssystem auf, wodurch eine konstante Updaterate erreicht werden kann. Die Recheneinheit steuert die Referenzobjekte bzw. die jeweiligen Strahlungssender und die optischen Sensoren an, und bestimmt dadurch, welche Referenzobjekte wann aktiviert werden und mit welchen optischen Sensoren bzw. mit welchen optischen Sensoren das aktivierte Referenzobjekt (der aktivierte Strahlungssender) erfasst wird. Hierzu kann gemäß einer Ausführungsform ein echtzeitfähiger Feldbus (z.B.: ein EtherCAT Protokoll) verwendet werden.According to a further aspect of the present disclosure, a measuring device for determining the position of a movable machine part of a machine is specified. A plurality of optical sensors are arranged on the machine, each of which has a fixed sensor field of view in relation to their arrangement on the machine and a plurality of reference objects are arranged on the movable machine part and each of the reference objects is fixed at a fixed reference position on the machine part , wherein in each case the sensor fields of view of the optical sensors are aligned in the direction of the reference objects and wherein the measuring device has a computing unit which is designed to carry out one of the above-mentioned methods. According to one embodiment, the processing unit has a real-time capable operating system, which means that a constant update rate can be achieved. The computing unit controls the reference objects or the respective radiation transmitters and the optical sensors, and thereby determines which reference objects are activated when and with which optical sensors or with which optical sensors the activated reference object (the activated radiation transmitter) is detected. For this purpose, according to one embodiment a real-time capable fieldbus (e.g. an EtherCAT protocol) can be used.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Recheneinheit eine Mehrzahl von verteilten Subeinheiten auf, die dazu eingerichtet sind, miteinander zu kommunizieren und Daten auszutauschen, wobei die Recheneinheit dazu eingerichtet ist mit einer Pipeline zu arbeiten, um die zur Verfügung stehende Rechenkapazität optimal auszunutzen. Gemäß dieser pipelinebasierter Ausführungsform können mehrere Rechenschritte und Aufnahme-Vorgänge der optischen Sensoren parallel durchgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann eine neue Aufnahme mit einer direkt an dem optischen Sensor angeordneten Subeinheit (Subrecheneinheit) ausgewertet werden. Während der Auswertung kann bereits die nächste Aufnahme mit dem optischen Sensor für den nächsten Zeitschritt gemacht werden. Die Sensorblickfeldpositionen der einzelnen Referenzobjekte in den Aufnahmen können demgemäß parallel ermittelt werden. Das Berechnen und das Optimieren des Aktivierens der einzelnen Referenzobjekte und das Steuern des Aufnehmens von Aufnahmen durch die optischen Sensoren kann demgemäß mittels der Ergebnisse der vorangegangenen Auswertungen vorgenommen werden. Die Recheneinheit ist gemäß einer Ausführungsfrom eine zentrale Recheneinheitl, die die Ergebnisse der einzelnen Subrecheneinheiten zusammenführt und die Berechnung der Position und die Optimierung vornimmt und auf welcher das echtzeitfähiges Betriebssystem läuft. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung auch nur eine einzige Recheneinheit aufweisen, die sämtliche Aufgaben ausführt. Mittels des Pipelineverfahrens können alle zur Verfügung stehende Ressourcen parallel genutzt werden, sodass die „Stillstandzeiten“ von Ressourcen reduziert werden, wodurch das gesamte Verfahren schnell und effizient durchgeführt werden kann. Ein potenzieller Nachteil einer Totzeit von einem Zeitschritt kann durch eine höhere Updaterade der Messung, mittels des Pipelineverfahrens, kompensiert werden.In accordance with one embodiment, the arithmetic unit has a plurality of distributed sub-units which are set up to communicate with one another and to exchange data, the arithmetic unit being set up to work with a pipeline in order to optimally utilize the available computing capacity. According to this pipeline-based embodiment, several calculation steps and recording processes of the optical sensors can be carried out in parallel. According to one embodiment, a new recording can be evaluated with a sub-unit (sub-computing unit) arranged directly on the optical sensor. During the evaluation, the next recording can already be made with the optical sensor for the next time step. The sensor field of view positions of the individual reference objects in the recordings can accordingly be determined in parallel. The calculation and the optimization of the activation of the individual reference objects and the control of the taking of pictures by the optical sensors can accordingly be carried out using the results of the preceding evaluations. According to one embodiment, the processing unit is a central processing unit that combines the results of the individual sub-processing units and calculates the position and optimizes it, and on which the real-time operating system runs. According to a further embodiment, the device can also only have a single computing unit that executes all tasks. With the pipeline method, all available resources can be used in parallel, so that the "downtimes" of resources are reduced, which means that the entire method can be carried out quickly and efficiently. A potential disadvantage of a dead time of one time step can be compensated for by a higher update rate of the measurement using the pipeline method.
Gemäß einer Ausführungsform sind die optischen Sensoren Infratorkameras. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die optischen Sensoren als Infrarotkameras einen CMOS-Sensor, ein Objektiv und einen Infrarot-Bandpassfilter auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die optischen Sensoren in einem wasserdichten Gehäuse verbaut, sodass sie auch bei Regen oder nassen Bedingungen verwendet werden können. Gemäß einer Ausführungsform sind die Referenzobjekte bzw. die Strahlungssender dazu ausgebildet Infrarotstrahlung auszusenden, die von den Infrarotkameras erfasst werden kann. Mittels der Infrarotstrahlung und den Infrarotkameras kann die Positionsbestimmung des beweglichen Maschinenteils vorteilhaft genau durchgeführt werden.According to one embodiment, the optical sensors are infrared cameras. According to a further embodiment, the optical sensors have a CMOS sensor, a lens and an infrared bandpass filter as infrared cameras. According to a further embodiment, the optical sensors are installed in a waterproof housing so that they can also be used in rain or wet conditions. According to one embodiment, the reference objects or the radiation transmitters are designed to emit infrared radiation that can be detected by the infrared cameras. By means of the infrared radiation and the infrared cameras, the position of the movable machine part can advantageously be determined precisely.
Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments and developments of the method according to the present disclosure are shown in the figures and are explained in more detail on the basis of the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Maschine mit beweglichen Maschinenteilen und einer Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, -
2 eine weitere schematische Darstellung der Maschine mit den beweglichen Maschinenteilen und der Messvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, -
3 eine schematische Darstellung der Maschine mit den beweglichen Maschinenteilen und einer Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, -
4 eine schematische Darstellung des virtuellen Modells der Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform, -
5 eine schematische Darstellung von Seitenansichten eines Referenzobjekts gemäß einer ersten Ausführungsform, -
6 eine schematische Darstellung einer räumlichen Ansicht des Referenzobjekts gemäß der ersten Ausführungsform.
-
1 a schematic representation of a machine with moving machine parts and a measuring device according to a first embodiment, -
2 a further schematic representation of the machine with the moving machine parts and the measuring device according to the first embodiment, -
3 a schematic representation of the machine with the moving machine parts and a measuring device according to a second embodiment, -
4 a schematic representation of the virtual model of the machine according to a first embodiment, -
5 a schematic representation of side views of a reference object according to a first embodiment, -
6 a schematic representation of a spatial view of the reference object according to the first embodiment.
Die
Dementsprechend ist die Sensoranordnung 120 fest an der Baumaschine 12 angeordnet. Die Sensoranordnung 120 weist gemäß dieser Ausführungsform mehrere optische Sensoren 122 auf, deren Sensorblickfeld 126 (nicht in
Die Referenzobjekte 130 sind gemäß dieser Ausführungsform an mehreren Punkten der beweglichen Maschinenteile 20 angeordnet. Vorliegend sind die Referenzobjekte 130 auch an den Tragarmen 22 der beweglichen Maschinenteile 20 angeordnet. Die Referenzobjekte sind dabei derart an den beweglichen Maschinenteilen 20 angeordnet, sodass sie vorteilhaft in den jeweiligen Sensorblickfeldern 126 der optischen Sensoren 122 sichtbar sind. Aufgrund einer Bewegung der beweglichen Maschinenteile 20 ist es denkbar, dass zunächst sichtbare Referenzobjekte 130 nicht mehr sichtbar werden und zunächst nicht sichtbare Referenzobjekte 130 sichtbar werden. Die Referenzobjekte 130 pro beweglichem Maschinenteil 20 sind jedoch in Kombination mit den optischen Sensoren 122 derart angeordnet, dass möglichst für jede mögliche Position der beweglichen Maschinenteile 20 die für eine genaue Positionsbestimmung notwendige Anzahl von den Referenzobjekten 130 für die Sensoranordnung 120 sichtbar ist.According to this embodiment, the reference objects 130 are arranged at a plurality of points on the
Die Recheneinheit 110 weist gemäß dieser Ausführungsform mehrere Rechensubeinheiten 112 auf, die Teile der Berechnung zur Positionsbestimmung der beweglichen Maschinenteile 20 vornehmen können. Die Recheneinheit 110 weist zusätzlich eine zentrale Recheneinheit auf, die die von den Rechensubeinheiten 112 bereitgestellten Ergebnisse zur Positionsbestimmung der beweglichen Maschinenteile 20 zusammenfasst.According to this embodiment, the
Die Recheneinheit 110 ist dementsprechend dazu ausgebildet das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen, wodurch die Position der beweglichen Maschinenteile 20 ermittelt wird.The
Die
Die in der
Die in der
Die
Die
Eine weitere Ausführungsform für das Referenzobjekt 130 ist eine LED in einem Metallgehäuse, mit einem Gewinde an der Rückseite (Zur einfachen und platzsparenden Befestigung auf einem der beweglichen Maschinenteile 20). Zur Abdichtung wird eine Glasscheibe verwendet, die ggf. zusätzliche einen Farbfilter für Infrarotes Licht aufweist. Der Farbfilter kann für alle Ausführungsformen verwendet werden. Mittels eines Sacklochs kann die LED flächenbündig in dem beweglichen Maschinenteil 20 versenkt werden, wodurch überstehende Anbauelemente vermieden werden können und eine Beschädigung der Referenzobjekte 130 im Falle von Kollisionen der beweglichen Maschinenteile 20 verhindert werden kann. Werden gemäß einer weiteren Ausführungsform LEDs in mehrere Richtungen benötigt können entsprechende Aufsatzadapter gebaut werden.A further embodiment for the
Eine weitere Ausführungsform sieht eine zusätzliche Diffusor-Schicht an der Glasscheibe vor. Dadurch wird die punktförmige Lichtquelle der LED aufgeweitet und dessen Blickfeldposition kann von den optischen Sensoren besser gemessen werden. Dies ist besonders bei schräger Draufsicht der optischen Sensoren auf die LEDs relevant wodurch die Messung robuster und genauer wird.A further embodiment provides an additional diffuser layer on the glass pane. As a result, the point light source of the LED is expanded and its field of view position can be better measured by the optical sensors. This is particularly relevant when the optical sensors are viewed from the LEDs at an angle, making the measurement more robust and accurate.
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