DE102022207943A1

DE102022207943A1 - Laserreferenzverfolgung und Zielkorrekturen für Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE102022207943A1
Application number: DE102022207943.4A
Authority: DE
Inventors: Michael G. Kean; Bryan J. Rausch
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2021-09-20
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2023-03-23
Also published as: AU2022218543A1; US20230092265A1

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine bereitgestellt, die einen Laserempfänger und ein Gerät zum Bearbeiten eines Geländes umfasst. In Reaktion auf die Bewegung des Laserempfängers wird eine Laserreferenz an mehreren Positionen bezüglich einer sendenden Laserquelle empfangen, wobei die Laserreferenz in der Neigung und der Richtung einem definierten Höhenversatz bezüglich eines Zieloberflächenprofils des bearbeiteten Geländes entspricht. Aus Datenpunkten, die den mehreren Positionen, an denen die Laserreferenz empfangen wird, entsprechen, wird eine Ebene der Laserreferenz bestimmt, wobei die Bewegung wenigstens des Gerätes bezüglich wenigstens der bestimmten Ebene der Laserreferenz und des definierten Höhenversatzes gesteuert wird.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Arbeitsmaschinen, wie z. B. hydraulische Planiergeräte, und z. B. auf Planiersteuersysteme und -verfahren für derartige Arbeitsmaschinen ohne Antennen des Globalen Navigationssatellitensystem (GNSS), die unter Verwendung einer Laserebene arbeiten.
HINTERGRUND
Arbeitsmaschinen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung können z. B. nicht nur Hydraulikbagger, sondern Lader, Raupen, Motorplaniergeräte, Löffelbagger, Forstmaschinen, Frontschaufelmaschinen und andere enthalten. Diese Arbeitsmaschinen können typischerweise Rad- oder Raupen-Bodeneingriffseinheiten aufweisen, die einen Rahmen und/oder eine Bodengruppe von der Bodenoberfläche tragen, wobei aber die Arbeitsmaschinen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung außerdem stationäre Rahmen mit einer oder mehreren relativ dazu beweglichen Komponenten enthalten können. Die hier offenbarten Arbeitsmaschinen können z. B. ein Arbeitsgerät enthalten, das eine oder mehrere Komponenten enthält, die verwendet werden, um basierend auf Steuersignalen von und/oder in Koordination mit der Bewegung der Arbeitsmaschine das Gelände zu modifizieren.
Im speziellen Kontext der Planiersteueranwendungen können derartige Systeme im Allgemeinen in zwei umfassende Kategorien aufgeteilt sein. Bei der zweidimensionalen Planiersteuerung wird erwartet, dass die Arbeitsmaschine eine Fläche in einer Richtung schneidet. Die beiden Dimensionen, die durch das Planiersteuersystem gesteuert werden, sind die Schnitttiefe und die Schnittneigung. Die dreidimensionale Planiersteuerung wird verwendet, wenn das Planiersteuersystem eine zusammengesetzte Neigung schneiden muss, oder in Situationen verwendet, in denen die seitliche Positionierung der Arbeitsmaschine wichtig ist. Dreidimensionale Anwendungen erfordern zusätzlich zu allen anderen Sensoren, die für eine zweidimensionale Planiersteueranwendung erforderlich sind, typischerweise entweder eine GNSS-Antenne oder eine Roboter-Vermessungsstation. Es ist eine der herkömmlichen Herausforderungen bei zweidimensionalen Planieranwendungen, wie eine gemeinsame Höhenreferenz aufrechtzuerhalten ist, wenn die Bodeneingriffseinheiten der Arbeitsmaschine bewegt werden. Das dreidimensionale Planiersteuersystem verwendet sein externes Referenzsystem, um dies zu erreichen, wohingegen zweidimensionale Systeme oft einen gemeinsamen Berührungspunkt vor und nach dem Bewegen der Bodeneingriffseinheiten oder die Verwendung einer Laserebene erfordern.
Wenn eine Laserebene verwendet wird, kann das Planiersteuersystem die Tiefe der Solloberfläche aus der Laserebene bestimmen. Ein Sensor, wie z. B. ein herkömmlicher Laserempfänger, z. B. am Arm eines Baggers als die vorliegenden Arbeitsmaschine, tastet den Laser ab und korrigiert jede Änderung der vertikalen Referenz aufgrund der Raupenkettenbewegung. Wenn die Laserebene geneigt ist, kann die Arbeitsmaschine eine geneigte Fläche schneiden. Dies erfordert jedoch, dass die Arbeitsmaschine entweder parallel oder senkrecht bezüglich der Neigung der Laserebene orientiert ist. Falls die Arbeitsmaschine falsch ausgerichtet ist, ist die Neigung, die sie schneidet, nicht zur Laserebene parallel, weil das Planiersteuersystem nicht weiß, wie sein interner Neigungsbefehl bezüglich der Höhe der Laserebene zu orientieren ist, und nur die Schnitttiefe einstellen kann.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Die aktuelle Offenbarung stellt wenigstens teilweise durch das Einführen eines neuartigen Planiersteuersystems und eines Verfahrens zum Verfolgen einer Laserreferenz und zum Berechnen von Steuerkursen bezüglich des Arbeitsmaschinen-Koordinatensystems in einer Weise, die bezüglich des Typs (oder des Vorhandenseins) eines Trägheitsnavigationssystems agnostisch ist und ferner keine GNSS-Implementierung erfordert, eine Verbesserung herkömmlicher Systeme bereit.
In einem Beispiel dreht ein Anwender einen Laserempfänger einer Arbeitsmaschine durch eine Laserebene, die eine Zielneigung und -richtung aufweist und ferner einen definierten Höhenversatz bezüglich eines Zieloberflächenprofils aufweist. Das System kann dementsprechend die Neigung, die Richtung und die Höhe automatisch berechnen. Beispielhafte Vorteile einer derartigen Lösung können enthalten, dass die Bedienungsperson nur den Höhenversatz bezüglich der gemessenen Höhe, die Neigung und die Richtung kennen muss, wobei die Maschine selbst konfiguriert ist, den Lasereinstellungen zu entsprechen.
Wenn sich z. B. die Arbeitsmaschine mit dem Laserempfänger in der Laserreferenzebene dreht, kann eine Wolke von dreidimensionalen Punkten entlang dem Rotationsbogen gesammelt werden. Diese Punkte können bezüglich des unabhängigen Koordinatensystems der Arbeitsmaschine gemessen werden. Durch beste Anpassung einer Ebene an diese dreidimensionalen Punkte können ferner die Neigung, die Richtung und die Höhe der Laserebene erhalten oder anderweitig im Maschinenkoordinatensystem berechnet werden. Diese können dann mit einem vorgegebenen oder anderweitig erhaltenen vertikalen Versatz kombiniert und als ein Entwurfsziel für eine Planiersteueroperation verwendet werden.
In einer speziellen und beispielhaften Ausführungsform wird hier ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine offenbart, die einen Laserempfänger und wenigstens ein Gerät zum Bearbeiten eines Geländes umfasst. Das Verfahren enthält in Reaktion auf die Bewegung des Laserempfängers das Empfangen einer von einer Laserquelle übertragenen Laserreferenz über den Laserempfänger an mehreren Positionen bezüglich der Laserquelle, wobei die Laserreferenz in der Neigung und der Richtung einem definierten Höhenversatz bezüglich eines Zieloberflächenprofils des bearbeiteten Geländes entspricht. Aus Datenpunkten, die den mehreren Positionen entsprechen, an denen die Laserreferenz von dem Laserempfänger empfangen wird, wird eine Ebene der Laserreferenz bestimmt, wobei die Bewegung von wenigstens des wenigstens einen Geräts zum Bearbeiten des Geländes wenigstens teilweise basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und dem definierten Höhenversatz gesteuert wird.
In einem beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform wird das Zieloberflächenprofil in einem Arbeitsmaschinen-Koordinatensystem basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und dem definierten Höhenversatz bestimmt, wobei die Bewegung von wenigstens des wenigstens einen Geräts zum Bearbeiten des Geländes bezüglich des bestimmten Zieloberflächenprofils gesteuert wird.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform wird basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und dem definierten Höhenversatz eine Position der Arbeitsmaschine in einem Zieloberflächen-Koordinatensystem bestimmt, wobei die Bewegung von wenigstens des wenigstens einen Geräts zum Bearbeiten des Geländes bezüglich des bestimmten Zieloberflächenprofils gesteuert wird.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform umfasst die Arbeitsmaschine einen Rahmen, der durch mehrere Bodeneingriffseinheiten getragen ist, wobei das wenigstens eine Gerät konfiguriert ist, sich um eine dem Rahmen zugeordnete Achse selektiv zu drehen. Die Bewegung der mehreren Bodeneingriffseinheiten kann detektiert werden, wobei das Verfahren ferner das Vorhersagen wenigstens einer Position, an der die Laserreferenz durch den Laserempfänger empfangen wird, und das Bestimmen eines Verfolgungsfehlers darauf basierend, ob die Laserreferenz an der vorhergesagten wenigstens einen Position empfangen wird, enthält.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform werden in Reaktion auf das Bestimmen eines Spurverfolgungsfehlers Aufforderungen für eine Bedienungsperson über eine bordinterne Anwenderschnittstelle erzeugt, um eine Verfolgungskorrekturroutine einzuleiten, die die Bewegungen des Laserempfängers umfasst, wobei die Laserreferenz bezüglich des Empfangs an mehreren Positionen zum Bestimmen einer korrigierten Ebene der Laserreferenz überwacht wird.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform sind wenigstens zwei der mehreren Positionen in der Verfolgungskorrekturroutine vorgegeben.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform entsprechen wenigstens zwei der mehreren Positionen in der Verfolgungskorrekturroutine den Schwenkwinkeln des Geräts bezüglich des Rahmens in wenigstens einem vorgegebenen Abstand.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform wird in Reaktion auf das Bestimmen eines Verfolgungsfehlers eine Verfolgungskorrekturroutine automatisch eingeleitet, wobei die Laserreferenz zum Bestimmen einer korrigierten Ebene der Laserreferenz bezüglich des Empfangs an mehreren Positionen überwacht wird.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform umfasst die Arbeitsmaschine einen Rahmen, der durch mehrere Bodeneingriffseinheiten getragen ist, und ist das wenigstens eine Gerät konfiguriert, sich um eine dem Rahmen zugeordnete Achse selektiv zu drehen. Beim Detektieren z. B. einer Bewegung der mehreren Bodeneingriffseinheiten werden Aufforderungen für eine Bedienungsperson über eine bordinterne Anwenderschnittstelle erzeugt, um in Reaktion auf die detektierte Bewegung eine Verfolgungskorrekturroutine einzuleiten, wobei der Laserempfänger zum Bestimmen einer korrigierten Ebene der Laserreferenz bewegt wird, um die Laserreferenz an mehreren Positionen zu empfangen.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform können mehrere vom Anwender wählbare Betriebsarten ermöglicht sein. In einer Betriebsart kann das System automatisch versuchen, die Ebene der Laserreferenz in Reaktion auf irgendeine Bewegung des Laserempfängers zu bestimmen und basierend auf einem Zustand der bestimmten Ebene der Laserreferenz und/oder des bestimmten Zieloberflächenprofils Ausgangssignale an eine bordeigene Anwenderschnittstelle zu erzeugen. Es kann z. B. eine Warnung erzeugt werden, falls es eine Unbestimmtheit hinsichtlich der Orientierung der Laserebene bezüglich der Arbeitsmaschinenkoordinaten gibt und/oder falls eine erhebliche Fehlausrichtung detektiert worden ist. In einer weiteren Betriebsart kann die Laserreferenz zum Bestimmen einer Ebene der Laserreferenz automatisch bezüglich des Empfangs an mehreren Positionen überwacht werden, ohne ein Ausgangssignal zu erzeugen, um eine Bedienungsperson zu warnen.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt gemäß der obenerwähnten Ausführungsform kann das Verfahren, z. B. wenn ein visuelles Trägheitsnavigationssystem (VINS) bereitgestellt ist, ferner das Abtasten und Klassifizieren eines oder mehrerer statischer Elemente in einem die Arbeitsmaschine umgebenden Bereich, das Beziehen des einen oder der mehreren statischen Elemente auf die Ebene der Laserreferenz und das Verfolgen wenigstens des einen oder der mehreren statischen Elemente enthalten, um die Bewegungen der Arbeitsmaschine zu bestimmen und die Ebene der Laserreferenz bezüglich des Arbeitsmaschinen-Koordinatensystems weiter zu verfolgen.
Nach dem Bestimmen der Bewegung der Arbeitsmaschine basierend auf wenigstens dem/den verfolgten einen oder mehreren statischen Elementen kann das beispielhafte Verfahren ferner das Vorhersagen basierend auf dem/den verfolgten einen oder mehreren statischen Elementen wenigstens einer Position, an der die Laserreferenz durch den Laserempfänger empfangen wird, und das Bestimmen eines Verfolgungsfehlers darauf basierend, ob die Laserreferenz an der vorhergesagten wenigstens einen Position empfangen wird, enthalten.
Nach dem Detektieren der Laserreferenz in einer Position, die sich von einer vorhergesagten entsprechenden Position unterscheidet, kann das beispielhafte Verfahren ferner das selektive Anwenden des bestimmten Verfolgungsfehlers enthalten, um das Navigationssystem zu korrigieren.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann eine Arbeitsmaschine, wie sie hier offenbart ist, einen Laserempfänger, wenigstens ein Gerät zum Bearbeiten eines Geländes und einen Controller enthalten, der funktional mit dem Laserempfänger und dem wenigstens einen Gerät verbunden ist. Der Controller kann konfiguriert sein, die Ausführung eines Verfahrens gemäß der obenerwähnten Ausführungsform und optional jedes der zugehörigen beispielhaften Aspekte zu lenken.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Computerprogrammprodukt z. B. über einen Prozessor implementiert sein, der konfiguriert ist, Programmanweisungen auszuführen, die sich in einem nicht transitorischen computerlesbaren Medium befinden, wobei eine derartige Ausführung die Schritte eines Verfahrens gemäß der obenerwähnten Ausführungsform und optional jedes der zugeordneten beispielhaften Aspekte erzeugen kann. Das Computerprogrammprodukt kann zur verteilten und/oder gemeinsamen Ausführung der Schritte einem Arbeitsmaschinen-Controller zugeordnet sein oder einen kommunikationstechnisch mit dem Arbeitsmaschinen-Controller verbundenen Prozessor umfassen und kann in bestimmten Ausführungsformen über ein entferntes Server-Netz, eine mobile Rechenvorrichtung oder dergleichen implementiert sein.
Zahlreiche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der hier dargelegten Ausführungsformen werden für die Fachleute auf dem Gebiet beim Lesen der folgenden Offenbarung, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, leicht offensichtlich.
Figurenliste

1 ist eine Seitenansicht, die einen Bagger als eine beispielhafte Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 ist eine Seitenansicht, die die Arbeitsmaschine nach 1 in Bezug auf eine Laserreferenzquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
3 ist ein Blockschaltplan, der ein beispielhaftes Steuerungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
4 ist ein Ablaufplan, der eine beispielhafte Ausführungsform eines hier offenbarten Verfahrens darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 stellt eine repräsentative selbstfahrende Arbeitsmaschine 20 z. B. in der Form einer Raupenbagger-Maschine dar. Die Arbeitsmaschine 20 enthält eine Bodengruppe 22, die eine erste und eine zweite Bodeneingriffseinheit 24 enthält, die einen ersten und einen zweiten Fahrmotor (die nicht gezeigt sind) zum Antreiben der ersten bzw. der zweiten Bodeneingriffseinheit 24 enthalten. Ein Hauptrahmen 32 ist durch ein Schwenklager 34 so an der Bodengruppe 22 getragen, dass der Hauptrahmen 32 um eine Schwenkachse 36 bezüglich der Bodengruppe 22 schwenkbar ist. Die Schwenkachse 36 ist im Wesentlichen vertikal, wenn eine durch die Bodeneingriffseinheiten 24 angegriffene Bodenfläche 38 im Wesentlichen horizontal ist. Ein (nicht gezeigter) Schwenkmotor ist konfiguriert, den Hauptrahmen 32 am Schwenklager 34 um die Schwenkachse 36 bezüglich der Bodengruppe 22 zu schwenken.
In einer Ausführungsform kann ein (nicht gezeigter) Schwenkwinkelsensor einen oberen Sensorabschnitt, der am Hauptrahmen 32 angebracht ist, und einen unteren Sensorabschnitt, der an der Bodengruppe 22 angebracht ist, enthalten. Ein derartiger Schwenkwinkelsensor kann konfiguriert sein, ein Schwenkwinkelsignal (oder Drehwinkelsignal) bereitzustellen, das einer Drehposition des Hauptrahmens 32 bezüglich der Bodengruppe 22 um die Schwenkachse 36 entspricht. Der Schwenkwinkelsensor kann z. B. ein Hall-Effekt-Drehsensor sein, der ein Hall-Element, eine Drehwelle und einen Magneten enthält, wobei, wenn sich die Winkelposition des Hall-Elements ändert, die entsprechenden Änderungen des Magnetfelds zu einer linearen Änderung der Ausgangsspannung führen. Andere geeignete Typen von Drehpositionssensoren enthalten Drehpotentiometer, Drehmelder, optische Codierer, induktive Sensoren und dergleichen.
Ein Arbeitsgerät 42 im Kontext der erwähnten Arbeitsmaschine 20 ist eine Auslegeranordnung mit zahlreichen Komponenten in der Form eines Auslegers 44, der an einem Verbindungsgelenk 105 schwenkbar mit dem Hauptrahmen 32 verbunden ist, eines Arms 46, der an einem Verbindungsgelenk 106 schwenkbar mit dem Ausleger 44 verbunden ist, und eines Arbeitswerkzeugs 48. Der Ausleger 44 ist schwenkbar am Hauptrahmen 32 befestigt, um um eine im Allgemeinen horizontale Achse bezüglich des Hauptrahmens 32 zu schwenken. Das Arbeitswerkzeug 48 in dieser Ausführungsform ist eine Baggerschaufel, die an einem Verbindungsgelenk 110 schwenkbar mit dem Arm 46 verbunden ist. Ein Ende eines „Dogbone“ 47 ist an einem Verbindungsgelenk schwenkbar mit dem Arm 46 verbunden, während weiteres Ende des „Dogbone“ 47 schwenkbar mit einer Werkzeugverbindung 49 verbunden ist. Eine Werkzeugverbindung 49 ist im Kontext der hier erwähnten Arbeitsmaschine 20 eine Löffelverbindung 49.
Die Auslegeranordnung 42 erstreckt sich von dem Hauptrahmen 32 entlang einer Arbeitsrichtung der Auslegeranordnung 42. Die Arbeitsrichtung kann außerdem als eine Arbeitsrichtung des Auslegers 44 beschrieben werden. Wie hier beschrieben ist, kann sich die Steuerung des Arbeitsgeräts 42 auf die Steuerung irgendeiner oder mehrerer der zugeordneten Komponenten (z. B. des Auslegers 44, des Arms 46, des Werkzeugs 48) beziehen.
Abermals in der Ausführungsform von nach 1 sind die erste und die zweite Bodeneingriffseinheit 24 Raupen-Bodeneingriffseinheiten, die aber in verschiedenen Ausführungsformen Räder sein können. Jede der Raupen-Bodeneingriffseinheiten 24 enthält ein vorderes Laufrad 52, ein Antriebskettenrad 54 und eine Raupenkette 56, die sich um das vordere Laufrad 52 und das Antriebskettenrad 54 erstreckt. Der Fahrmotor jeder Raupen-Bodeneingriffseinheit 24 treibt ihr jeweiliges Antriebskettenrad 54 an. Jede Raupen-Bodeneingriffseinheit 24 weist eine Vorwärtsfahrtrichtung 58 auf, die vom Antriebskettenrad 54 in Richtung des vorderen Laufrades 52 definiert ist. Die Vorwärtsfahrtrichtung 58 der Raupen-Bodeneingriffseinheiten 24 definiert außerdem eine Vorwärtsfahrtrichtung 58 der Bodengruppe 22 und folglich der Arbeitsmaschine 20.
Auf dem Hauptrahmen 32 kann sich eine Kabine 60 der Bedienungsperson befinden. Die Kabine 60 der Bedienungsperson und die Auslegerbaugruppe 42 können beide am Hauptrahmen 32 angebracht sein, so dass die Kabine 60 der Bedienungsperson in die Arbeitsrichtung 58 der Auslegerbaugruppe weist. In der Kabine 60 der Bedienungsperson kann sich eine Steuerstation 62 befinden.
Außerdem ist an dem Hauptrahmen 32 eine Kraftmaschine 64 zum Antreiben der Arbeitsmaschine 20 angebracht. Die Kraftmaschine 64 kann eine DieselBrennkraftmaschine sein. Die Kraftmaschine 64 kann eine Hydraulikpumpe antreiben, um den verschiedenen Betriebssystemen der Arbeitsmaschine 20 hydraulische Leistung bereitzustellen.
Wie in 3 schematisch veranschaulicht ist, kann die Arbeitsmaschine 20 ein Steuersystem enthalten, das einen Controller 112 enthält. Der Controller kann ein Teil des Maschinensteuersystems der Arbeitsmaschine sein, oder er kann ein separates Steuermodul sein. Der Controller 112 kann eine Anwenderschnittstelle 114 enthalten und optional in der Kabine 60 der Bedienungsperson an der Steuerstation 62 angebracht sein.
Der Controller 112 ist konfiguriert, Eingangssignale von einigen oder allen der verschiedenen Sensoren 102, 104, 108 zu empfangen, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. Die verschiedenen Sensoren 102, 104, 108 können typischerweise diskreter Art sein, wobei aber Signale, die mehr als einen Eingangsparameter repräsentieren, von demselben Sensor bereitgestellt werden können, wobei ein Sensorsystem 102, 104, 108, wie es hier offenbart ist, ferner Signale enthalten oder sich anderweitig auf Signale beziehen kann, die von dem Maschinensteuersystem bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform kann ein Satz von Sensoren 104 eines Trägheitsnavigationssystems (INS) an der Arbeitsmaschine 20 angebracht sein, der als im Allgemeinen mehrere Sensoren 104a, 104b, 104c, 104d, 104e enthaltend dargestellt ist, die am Hauptrahmen 32, am Ausleger 44, am Arm 46, am „Dogbone“ 47 bzw. am Werkzeug 48 angebracht sind.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform, die als veranschaulichend und nicht einschränkend vorgesehen ist, wenn es hier nicht anderes spezifisch angegeben ist, kann ein Sensorsystem 104 einen am Hauptrahmen 32 angebrachten Sensor 104a, einen am Ausleger 44 angebrachten Sensor 104b, einen am Arm 46 angebrachten Sensor 104c, einen am „Dogbone“ 47 angebrachten Sensor 104d und einen am Werkzeug 48 angebrachten Sensor 104e enthalten. Die jeweiligen Sensoren können z. B. auf gegenüberliegenden Seiten wenigstens eines Verbindungsgelenkes angebracht sein. Eine gegenüberliegende Seite des wenigstens einen Verbindungsgelenkes kann durch das Anbringen oder Befestigen des Sensorsystems 104 auf beiden Seiten des wenigstens einen Verbindungsgelenkes bestimmt sein, das als ein als Drehpunkt dienendes Verbindungsgelenk definiert ist, das die eine oder die mehreren Komponenten des Arbeitsgerätes 42 verbindet.
Das wenigstens eine Verbindungsgelenk kann z. B. an einem Verbindungsgelenk 106 definiert sein, das eine als Drehpunkt dienende Verbindung zwischen dem Ausleger 44 und dem Arm 46 bildet. In diesem Beispiel kann das Sensorsystem 104 in einer derartigen Weise angebracht sein, dass die gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Verbindungsgelenkes wie folgt definiert sind: der am Ausleger 44 angebrachte Sensor 104b liegt dem am Arm 46 angebrachten Sensor 104c gegenüber; der am Ausleger 44 angebrachte Sensor 104b liegt dem am „Dogbone“ 47 angebrachten Sensor 104d gegenüber; oder der am Ausleger 44 angebrachte Sensor 104b liegt dem am Werkzeug 48 angebrachten Sensor 104e gegenüber.
Als ein weiteres Beispiel kann das wenigstens eine Verbindungsgelenk an einer als Drehpunkt dienenden Verbindung des Arms 46 mit dem „Dogbone“ 47 definiert sein. In diesem Beispiel kann das Sensorsystem 104 in einer derartigen Weise angebracht sein, dass die gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Verbindungsgelenkes wie folgt definiert sind: der am Arm 46 angebrachte Sensor 104c liegt dem am „Dogbone“ 47 angebrachten Sensor 104d gegenüber; der am Arm 46 angebrachte Sensor 104c liegt dem am Werkzeug 48 angebrachten Sensor 104e gegenüber; der am Ausleger 44 angebrachte Sensor 104b liegt dem am „Dogbone“ 47 angebrachten Sensor 104d gegenüber; oder der am Ausleger 44 angebrachte Sensor 104b liegt dem am Werkzeug 48 angebrachten Sensor 104e gegenüber.
Als ein weiteres Beispiel kann das wenigstens eine Verbindungsgelenk an einem Verbindungsgelenk 110 definiert sein, das eine als Drehpunkt dienende Verbindung zwischen dem Arm 46 und dem Werkzeug 48 bildet. In diesem Beispiel kann das Sensorsystem 104 in einer derartigen Weise angebracht sein, dass die gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Verbindungsgelenkes wie folgt definiert sind: der am „Dogbone“ 47 angebrachte Sensor 104d liegt dem am Werkzeug 48 angebrachten Sensor 104e gegenüber; der am Arm 46 angebrachte Sensor 104c liegt dem am Werkzeug 48 angebrachten Sensor 104e gegenüber; oder der am Ausleger 44 angebrachte Sensor 104b liegt dem am Werkzeug 48 angebrachten Sensor 104e gegenüber.
Das Sensorsystem 104 kann in einem Koordinatensystem mit einer x-, y- und z-Achse orientiert sein. Unter Verwendung des Sensors 104c, der am Arm 46 angebracht ist, und des Sensors 104d, der am „Dogbone“ 47 angebracht ist, als ein Beispiel können die jeweiligen (nicht gezeigten) Körperrahmen der Sensoren 104c und 104d so angebracht sein, dass die x-Achsen der obenerwähnten Körperrahmen entlang der Richtung des Arbeitsgeräts 42 zeigen. Alternativ können der Körperrahmen des Sensors 104c und der Körperrahmen des Sensors 104d in einer Weise angebracht sein, so dass die z-Achsen der obenerwähnten Körperrahmen in der Richtung des Hauptrahmens 32 der Arbeitsmaschine 20 (d. h., des Baggers) zeigen. Weil ein Koordinatensystem mit einer x-, y- und z-Achse beliebig definiert werden kann, ist das Vorhergehende nicht als einschränkend vorgesehen. Das Koordinatensystem mit einer x-, y- und z-Achse bezieht sich auf die mechanischen Drehachsen für Rollen (d. h., Drehung um die x-Achse), Nicken (d. h., Drehung um die y-Achse) und Gieren (d. h., Drehung um die z-Achse), obwohl es beliebig definiert sein kann.
Einige oder alle der Sensoren 104 im Kontext der erwähnten Arbeitsmaschine 20 können Trägheitsmesseinheiten (jeweils eine IMU) enthalten. Die IMUs sind Werkzeuge, die verschiedene bewegungs- und lagebasierte Messungen, einschließlich der, aber nicht eingeschränkt auf die Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung erfassen.
Die IMUs können eine Anzahl von Sensoren einschließlich Beschleunigungsmessern, die (unter anderem) die Geschwindigkeit und die Beschleunigung messen, Gyroskopen, die (unter anderem) die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung messen, und Magnetometern, die (unter anderem) die Stärke und die Richtung eines Magnetfeldes messen, enthalten, sind aber nicht auf diese eingeschränkt. Im Allgemeinen stellt ein Beschleunigungsmesser Messwerte bezüglich (unter anderem) der Kraft aufgrund der Schwerkraft bereit, während ein Gyroskop Messwerte bezüglich (unter anderem) einer starren Körperbewegung bereitstellt. Das Magnetometer stellt Messwerte der Stärke und der Richtung des Magnetfeldes bezüglich (unter anderem) bekannter interner Konstanten oder bezüglich eines bekannten, genau gemessenen Magnetfeldes bereit. Das Magnetometer stellt Messwerte eines Magnetfelds bereit, um die Informationen über eine Lage- oder Winkelorientierung der IMU zu liefern; ähnlich zum Magnetometer liefert das Gyroskop Informationen über eine Lage- oder Winkelorientierung der IMU. Dementsprechend kann das Magnetometer anstelle des Gyroskops oder in Kombination mit dem Gyroskop und ergänzend zum Beschleunigungsmesser verwendet werden, um lokale Informationen und Koordinaten über die Position, die Bewegung und die Orientierung der IMU zu erzeugen.
Wie in der Technik herkömmlich bekannt ist, ist ein Beschleunigungsmesser eine elektromechanische Vorrichtung oder ein elektromechanisches Werkzeug, die bzw. das verwendet wird, um eine Beschleunigung (m/s²) zu messen, die als die Änderungsrate der Geschwindigkeit (m/s) eines Objekts definiert ist. Die Beschleunigungsmesser tasten entweder statische Kräfte (z. B. die Schwerkraft) oder dynamische Beschleunigungskräfte (z. B. eine Schwingung und eine Bewegung) ab. Ein Beschleunigungsmesser kann Abtastelemente aufnehmen, die die Kraft aufgrund der Schwerkraft messen. Durch das Messen der Größe der statischen Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft der Erde kann ein Beschleunigungsmesser Daten bezüglich des Winkels, den das Objekt bezüglich der Erde geneigt ist, bereitstellen, wobei der Winkel in einem Koordinatensystem mit einer x-, y- und z-Achse festgestellt werden kann. Wenn das Objekt jedoch in einer speziellen Richtung beschleunigt, so dass die Beschleunigung dynamisch (im Gegensatz zu statisch) ist, erzeugt der Beschleunigungsmesser Daten, die die dynamischen Bewegungskräfte nicht wirksam von der Kraft aufgrund der Schwerkraft der Erde unterscheiden. Wie außerdem in der Technik herkömmlich bekannt ist, ist ein Gyroskop eine Vorrichtung, die verwendet wird, um Änderungen der Orientierung basierend auf der Winkelgeschwindigkeit (rad/s) oder der Winkelbeschleunigung (rad/s²) des Objekts zu messen. Ein Gyroskop kann ein mechanisches Gyroskop, ein Gyroskop eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), ein Ringlasergyroskop, ein Faseroptikgyroskop und/oder andere Gyroskope, die in der Technik bekannt sind, sein. Grundsätzlich wird ein Gyroskop eingesetzt, um Änderungen der Winkelposition eines sich bewegenden Objekts zu messen, wobei dessen Winkelposition in einem Koordinatensystem mit einer x-, y- und z-Achse festgestellt werden kann.
In einer Ausführungsform können für jedes von wenigstens einem Verbindungsgelenk, wie oben erwähnt worden ist, Abtastelemente aus den empfangenen Sensorausgangssignalen in einem unabhängigen Koordinatensystem verschmolzen werden, das wenigstens teilweise dem jeweiligen Verbindungsgelenk zugeordnet ist, wobei dessen unabhängiges Koordinatensystem von einem globalen Navigationsrahmen für die Arbeitsmaschine 20 unabhängig ist, wobei z. B. die Messwerte, die durch das Sensorsystem 104 empfangen werden, verschmolzen werden können, um eine gewünschte Ausgabe in dem Arbeitsgerät 42 der Arbeitsmaschine 20 zu erzeugen.
Ferner können an der Arbeitsmaschine 20 ein oder mehrere Laserempfänger 102, wie sie in der Technik herkömmlich bekannt sind, zum Erfassen einer Laserreferenz 72 angebracht sein, wie in 2 dargestellt ist. Die Laserreferenz 72 kann von einer Laserquelle 70 erzeugt werden, die entfernt und in einer stationären Weise bezüglich der Arbeitsmaschine 20 positioniert ist. Eine Ebene der Laserreferenz 72 kann eine Neigung, eine Richtung und eine Höhe oder einen vorgegebenen/definierten Höhenversatz 78 bezüglich eines Zieloberflächenprofils 76 enthalten, wobei das Zieloberflächenprofil 76 ferner einer Menge an Material entspricht, die von einem anfänglichen oder aktuellen Oberflächenprofil 74 weg planiert werden soll.
Der Controller 112 kann konfiguriert sein, Ausgaben für eine Anwenderschnittstelle 114 zur Anzeige für die menschliche Bedienungsperson oder einen anderen geeigneten Anwender zu erzeugen, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. Der Controller 112 kann konfiguriert sein, Eingaben von der Anwenderschnittstelle 114, wie z. B. Anwendereingaben, die über die Anwenderschnittstelle 114 bereitgestellt werden, zu empfangen. In 3 ist nicht spezifisch dargestellt, dass der Controller 112 der Arbeitsmaschine 20 in einigen Ausführungsformen ferner Eingaben von entfernten Vorrichtungen und Ausgaben für entfernte Vorrichtungen, die einem Anwender zugeordnet sind, über eine entsprechende Anwenderschnittstelle, z. B. eine Anzeigevorrichtung mit einer Berührungsschirmschnittstelle, empfangen bzw. erzeugen kann. Die Datenübertragung zwischen z. B. einem Fahrzeugsteuersystem und einer entfernten Anwenderschnittstelle kann die Form eines drahtlosen Kommunikationssystems und zugehöriger Komponenten annehmen, wie sie in der Technik herkömmlich bekannt sind. In bestimmten Ausführungsformen können eine entfernte Anwenderschnittstelle und die Fahrzeugsteuersysteme für die jeweiligen Arbeitsmaschinen 20 ferner mit einem entfernten Server oder einer anderen Rechenvorrichtung für die Ausführung von Operationen in einem System, wie es hier offenbart ist, koordiniert werden oder anderweitig wechselwirken.
Der Controller 112 kann ferner oder alternativ konfiguriert sein, Steuersignale zum Steuern des Betriebs der jeweiligen Aktuatoren oder Signale zur indirekten Steuerung über dazwischenliegende Steuereinheiten zu erzeugen, die einem Maschinenlenkungs-Steuersystem 126, einem Maschinengerät-Steuersystem 128 und/oder einem Kraftmaschinendrehzahl-Steuersystem 130 zugeordnet sind. Die Steuersysteme 126, 128, 130 können unabhängig voneinander sein oder anderweitig zusammen oder als Teil einer Maschinensteuerungseinheit in verschiedenen Weisen, die in der Technik bekannt sind, integriert sein. Der Controller 112 kann z. B. Steuersignale zum Steuern des Betriebs verschiedener Aktuatoren, wie z. B. Hydraulikmotoren oder hydraulischer Kolben-Zylinder-Einheiten 41, 43, 45, erzeugen, wobei die elektronischen Steuersignale von dem Controller 112 tatsächlich durch elektrohydraulische Steuerventile empfangen werden können, die den Aktuatoren zugeordnet sind, so dass die elektrohydraulischen Steuerventile die Strömung eines Hydraulikfluids zu und von den jeweiligen Hydraulikaktuatoren steuern, um deren Betätigung in Reaktion auf das Steuersignal von dem Controller 112 zu steuern. In einer Ausführungsform kann der Controller 112 als Teil einer obenerwähnten Steuereinheit 126, 128, 130 oder optional als eine separate und/oder integrierte Steuereinheit innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung im Kontext einer Steueroperation ferner ein Schwenkwinkelsignal von einem Schwenkwinkelsensor empfangen, wie oben beschrieben worden ist, und einen Schwenkmotor automatisch selektiv ansteuern, um den Hauptrahmen 32 um die Schwenkachse 36 bezüglich der Bodengruppe 22 in eine Soll-Schwenkposition des Hauptrahmens 32 bezüglich der Bodengruppe 22 zu drehen.
Der Controller 112 kann einen Prozessor 150, ein computerlesbares Medium 152, eine Kommunikationseinheit 154, einen Datenspeicher 156, wie z. B. ein Datenbanknetz, und die obenerwähnte Anwenderschnittstelle 114 oder Steuertafel mit einer Anzeige 118 enthalten oder diesen zugeordnet sein. Eine Eingabe-/Ausgabevorrichtung, wie z. B. eine Tastatur, ein Joystick oder ein anderes Anwenderschnittstellenwerkzeug 116, ist bereitgestellt, so dass die menschliche Bedienungsperson Anweisungen in den Controller 112 eingeben kann. Es wird erkannt, dass der hier beschriebene Controller 112 ein einzelner Controller sein kann, der die gesamte beschriebene Funktionalität aufweist, oder mehrere Controller enthalten kann, wobei die beschriebene Funktionalität unter den mehreren Controllern verteilt ist.
Verschiedene „computerimplementierte“ Operationen, Schritte oder Algorithmen, wie sie in Verbindung mit dem Controller 112 oder alternativen, aber äquivalenten Rechenvorrichtungen oder -systemen beschrieben sind, können direkt in Hardware, in einem Computerprogrammprodukt, wie z. B. einem Softwaremodul, das durch den Prozessor 150 ausgeführt wird, oder in einer Kombination aus den beiden verkörpert sein. Das Computerprogrammprodukt kann in einem RAM-Speicher, einem Flash-Speicher, einem ROM-Speicher, einem EPROM-Speicher, einem EEPROM-Speicher, in Registern, auf einer Festplatte, einer abnehmbaren Platte oder irgendeiner anderen Form eines computerlesbaren Mediums 152 gespeichert sein, die in der Technik bekannt ist. Ein beispielhaftes computerlesbares Medium 152 kann an den Prozessor 150 gekoppelt sein, so dass der Prozessor 150 Informationen aus dem und in den/das Speicher/Speichermedium 152 lesen bzw. schreiben kann. Alternativ kann das Medium 152 mit dem Prozessor 150 einteilig sein. Der Prozessor 150 und das Medium 152 können sich in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) befinden. Die ASIC kann sich in einem Anwenderendgerät befinden. Alternativ können sich der Prozessor 150 und das Medium 152 als diskrete Komponenten in einem Anwenderendgerät befinden.
Der Begriff „Prozessor“ 150, wie er hier verwendet wird, kann sich auf wenigstens eine Universal- oder Spezialverarbeitungsvorrichtung und/oder -logik beziehen, wie durch einen Fachmann auf dem Gebiet erkannt werden kann, einschließlich eines Mikroprozessors, eines Mikrocontrollers, einer Zustandsmaschine und dergleichen, ist aber nicht auf diese eingeschränkt. Ein Prozessor 150 kann außerdem als eine Kombination von Rechenvorrichtungen, z. B. eine Kombination aus einem digitalen Signalprozessor (DSP) und einem Mikroprozessor, mehreren Mikroprozessoren, einem oder mehreren Mikroprozessoren in Verbindung mit einem DSP-Kern oder irgendeine andere derartige Konfiguration, implementiert sein.
Die Kommunikationseinheit 154 kann die Kommunikation zwischen dem Controller 112 und externen Systemen oder Vorrichtungen unterstützen oder bereitstellen und/oder eine Kommunikationsschnittstelle bezüglich interner Komponenten der selbstfahrenden Arbeitsmaschine 20 unterstützen oder bereitstellen. Die Kommunikationseinheit 154 kann Komponenten eines drahtlosen Kommunikationssystems (z. B. über ein Zellenmodem, WiFi, Bluetooth oder dergleichen) enthalten und/oder kann einen oder mehrere drahtgebundene Kommunikationsanschlüsse, wie z. B. Anschlüsse des universellen seriellen Busses, enthalten.
Der Datenspeicher 156, wie er im Folgenden weiter beschrieben wird, kann, wenn es nicht anders angegeben ist, im Allgemeinen sowohl Hardware, wie z. B. flüchtige oder nichtflüchtige Speichervorrichtungen, Laufwerke, Speicher oder andere Speichermedien, als auch eine oder mehrere darin befindliche Datenbanken umfassen.
In 4 stellt der dargestellte Ablaufplan eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern von Bewegungen (die z. B. Planieroperationen zugeordnet sind) eines oder mehrerer Arbeitsgeräte 42 für eine Arbeitsmaschine 20 dar, deren Arbeitsgerät 42 eine oder mehrere Komponenten enthält, die an einen Hauptrahmen 32 der Arbeitsmaschine 20 gekoppelt sind. Im Kontext des in 1 dargestellten beispielhaften Arbeitsgeräts 42 der Arbeitsmaschine 20 können die eine oder die mehreren Komponenten einen Ausleger 44, einen Arm 46 und ein Werkzeug 48 enthalten.
Das beispielhafte Verfahren kann hier bezüglich dreier beispielhafter Ausführungsformen beschrieben werden, die im Allgemeinen einer Arbeitsmaschine 20 ohne ein Trägheitsnavigationssystem (beginnend mit dem Schritt 410), einer Arbeitsmaschine 20, die ein Trägheitsnavigationssystem enthält, (beginnend mit Schritt dem 420) und einer Arbeitsmaschine 20, die ferner ein visuelles Trägheitsnavigationssystem enthält, (beginnend mit dem Schritt 430) entsprechen. Es kann erkannt werden, dass die dargestellten Ausführungsformen nicht einschränkender Art sind und dass sich verschiedene Alternativen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung befinden und durch einen Fachmann auf dem Gebiet nach Prüfung der hier enthaltenen Lehren in Betracht gezogen werden können.
Wenn für Veranschaulichungszwecke mit dem Schritt 420 beginnend ein zweidimensionales Planiersystem einen Satz von Sensoren 104 enthält, die z. B. einen Schwenkwinkelsensor umfassen, weist es die Fähigkeit auf, eine Orientierung der Bodeneingriffseinheiten 24 der Arbeitsmaschine 20 bezüglich der Ebene der Laserreferenz 72 durch das Erfassen des durch die Laserquelle 70 gesendeten Laser an jeder von mehreren Stellen zu berechnen, die unterschiedlichen Schwenkwinkeln entsprechen können. In der Praxis kann das System die Trägheitsnavigation z. B. basierend auf zuvor gespeicherten Navigationseinstellungen verwenden, um zu berechnen, wie sich die Bodeneingriffseinheiten 24 bewegt haben (Schritt 422), und darauf basierend vorherzusagen, wann die Ebene der Laserreferenz 72 abgetastet wird (Schritt 436). Das System überwacht dann die Signale von dem Laserempfänger 102 bezüglich des Empfangs der Laserreferenz 72 (Schritt 438).
Falls die Laserebene entweder nicht abgetastet wird, wenn dies erwartet wird, oder abgetastet wird, wenn dies nicht erwartet wird, kann das System konfiguriert sein, entsprechend zu identifizieren, dass es einen Verfolgungsfehler im INS gegeben hat (d. h., „ja“ als Antwort auf die Abfrage im Schritt 440). Es kann z. B. den aktuellen Messwert der Ebene der Laserreferenz 72 verwenden, um zu versuchen, diesen Verfolgungsfehler über eine Verfolgungskorrekturroutine automatisch zu korrigieren (Schritt 460). Als eine Alternative kann das System die Bedienungsperson über eine bordinterne Anwenderschnittstelle oder dergleichen auffordern, die Laserebene bei mehreren anderen Schwenkwinkeln zu erfassen, um die Neigung der Laserebene bezüglich der Maschine zu berechnen. Wenn die Arbeitsmaschine 20 so bewegt wird, dass sie die Laserebene an mehreren Positionen (z. B. drei Positionen, einschließlich wenigstens zwei wesentlich verschiedenen Schwenkwinkeln) erfasst, kann sie die Orientierung der Laserebene bezüglich des neuen Raupenkettenortes auflösen.
In einer Ausführungsform können zwei oder mehr der Positionen in der Verfolgungskorrekturroutine vorgegeben sein, wobei das System das Gerät automatisch durch eine Folge von Schwenkwinkeln lenkt, oder kann die Bedienungsperson aufgefordert werden, das Gerät entsprechend zu lenken. Eine bevorzugte Routine kann z. B. enthalten, dass wenigstens zwei der Schwenkwinkel wenigstens in einem vorgegebenen Abstand voneinander implementiert sind. Derartige Positionen und/oder Schwenkwinkel können gemäß einer gespeicherten und festen Einstellung dargestellt werden oder können dynamischer Art sein, so dass z. B. die bevorzugte Verfolgungsroutine im Hinblick auf aktuelle Bedingungen und/oder erlernte Korrelationen im Laufe der Zeit bestimmt werden kann.
Wenn die Schwenkwinkel der Verfolgungskorrekturroutine implementiert sind, kann das System dann die Signale von dem Schwenkwinkelsensor in Kombination mit den empfangenen Signalen der Laserreferenz 72 verwenden, um die aktuelle Neigung der Ebene in einem unabhängigen Koordinatensystem der Arbeitsmaschine 20 ungeachtet dessen aufzulösen, wie sich der Hauptrahmen 32 (oder der obere) bezüglich der Raupenketten dreht. In dieser Weise kann die Arbeitsmaschine vorzugsweise die richtige Neigung ungeachtet der Raupenkettenorientierung bezüglich der Laserebene aufrechterhalten.
Falls kein Verfolgungsfehler bestimmt wird (d. h., „nein“ als Antwort auf die Abfrage im Schritt 440) oder nach einem zufriedenstellenden Abschluss der Verfolgungskorrekturroutine im Schritt 460, bestimmt das System die Orientierung und die aktuelle Neigung der Ebene der Laserreferenz 72 im Arbeitsmaschinen-Koordinatensystem (Schritt 470). Wenn sich z. B. die Arbeitsmaschine 20 mit dem Laserempfänger 102 in der effektiven Ebene der Laserreferenz 72 dreht, kann eine Wolke dreidimensionaler Punkte entlang dem entsprechenden Bogen gesammelt werden. Diese Punkte können gemessen oder anderweitig bezüglich des Koordinatensystems der Arbeitsmaschine 20 umgesetzt werden, wobei durch die beste Anpassung (oder das beste Äquivalent) einer Ebene an diese dreidimensionalen Punkte die Neigung, die Richtung und die Höhe der Laserebene in Arbeitsmaschinenkoordinaten gefunden werden können. Wenn diese Informationen mit einem Versatzhöhenwert 78 kombiniert werden, der der Laserreferenz 72 zugeordnet ist, kann das System das Zieloberflächenprofil 76 bestimmen (Schritt 480).
In einer Ausführungsform wird das Zieloberflächenprofil dementsprechend in einem Arbeitsmaschinen-Koordinatensystem basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und dem definierten Höhenversatz bestimmt, wobei, wie im Folgenden weiter beschrieben wird, die Bewegung einer oder mehrerer Komponenten des Arbeitsgeräts 42 bezüglich des bestimmten Zieloberflächenprofils 76 gesteuert wird. In einer weiteren Ausführungsform innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung kann basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und dem definierten Höhenversatz eine Position der Arbeitsmaschine 20 in einem Zieloberflächen-Koordinatensystem bestimmt werden, wobei die Bewegung einer oder mehrerer Komponenten des Arbeitsgeräts 42 bezüglich des bestimmten Zieloberflächenprofils 76 gesteuert wird.
Das Planiersteuersystem kann dann (im Schritt 490) die Steuerung einer Planieroperation gemäß dem bestimmten Zieloberflächenprofil 76 lenken, wobei z. B. die Bewegung der Arbeitsmaschine 20 und/oder einer oder mehrerer Komponenten des Arbeitsgeräts wenigstens teilweise basierend auf dem bestimmten Zieloberflächenprofil 76 und ferner im Hinblick auf die verfolgten Positionen des Arbeitsgeräts 42 gesteuert oder gelenkt wird. Die verfolgten Positionen können wenigstens eine Gelenkeigenschaft, wie z. B. einen Gelenkwinkel, für ein jeweiliges Verbindungsgelenk enthalten. Der Controller 112 kann konfiguriert sein, die Bewegung des einen oder der mehreren Arbeitsgeräte der Auslegerbaugruppe 42 der Arbeitsmaschine 20 über eine oder mehrere einer Lenksteuereinheit 126, einer Schwenkwinkel- oder äquivalenten Gerätesteuereinheit 128 und einer Kraftmaschinendrehzahl-Steuereinheit 130 automatisch zu steuern. Die menschliche Bedienungsperson kann die Bewegung oder die Richtung der Bodeneingriffseinheiten 24 und/oder eines oder mehrerer Arbeitsgeräte durch oder über das Anwenderschnittstellenwerkzeug 116 der Anwenderschnittstelle 114 bewirken. Der Controller 112 kann z. B. Steuersignale zum Steuern des Betriebs verschiedener Aktuatoren, wie z. B. Hydraulikmotoren oder hydraulischer Kolben-Zylinder-Einheiten 41, 43 und 45, wie in 1 dargestellt ist, erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Anzeige erzeugt werden, die ein bestimmtes Zieloberflächenprofil 76 oder dessen Merkmale enthält, das ferner optional durch die verfolgte Laserreferenz 72, das anfängliche oder aktuelle Oberflächenprofil 74, wie es z. B. einem unbearbeitetem Gelände entspricht, und/oder die Gelenkeigenschaften, wie z. B. die Gelenkwinkel, für entsprechende Verbindungsgelenke der Auslegerbaugruppe 42 ergänzt wird.
In einer Ausführungsform, in der die Arbeitsmaschine 20 kein INS aufweist, kann das System (beginnend mit dem Schritt 410) z. B. einen Vorschub der Arbeitsmaschine detektieren (Schritt 412), aber nicht imstande sein, die Bewegungen der Bodeneingriffseinheiten 24 bezüglich des Maschinenrahmens 32 oder des Arbeitsgeräts (der Arbeitsgeräte) 42 in der gleichen Weise wie eine mit einem INS ausgestattete Arbeitsmaschine zu detektieren. In diesem Fall kann das System die Bedienungsperson auffordern, die Bewegungen der Arbeitsmaschine und dementsprechend des Laserempfängers 102 zu lenken, um die Laserebene in mehreren (z. B. drei) Positionen jedes Mal zu erfassen, wenn die Bodeneingriffseinheiten 24 vorgeschoben werden, (Schritt 414). Dieser Schritt ermöglicht den Empfang der Laserreferenz 72 und die Bestimmung von Verfolgungsfehlern in einer ähnlichen Weise wie bezüglich der mit dem Schritt 420 beginnenden Ausführungsform, selbst wenn der Arbeitsmaschine, der die INS-Sensoren fehlen, ebenfalls die Fähigkeit fehlt, vorherzusagen, wann der Laserempfänger 102 positioniert ist, um die Laserreferenz 72 zu erfassen.
In einer weiteren (mit dem Schritt 430 beginnenden) Ausführungsform kann die Arbeitsmaschine 20 ferner ein visuelles Trägheitsnavigationssystem (VINS) enthalten, das konfiguriert ist, stationäre Merkmale/statische Elemente um die Arbeitsmaschine abzutasten, zu klassifizieren und zu verfolgen, (Schritt 432). Das System kann dann diese visuellen Markierungen auf die Neigung der Laserebene beziehen. Wenn die Bodeneingriffseinheiten 24 bewegt werden, kann der Controller 112 oder ein Äquivalent die visuellen Markierungen und/oder Trägheitsdaten verwenden, um die Bewegung der Arbeitsmaschine zu berechnen und die Orientierung und den Ort der Laserebene bezüglich der Arbeitsmaschinenkoordinaten zu verfolgen, (Schritt 434). Das System kann dann den Ort und die Neigung der Laserebene bezüglich des neuen Ortes der Raupenketten nach der Bewegung vorhersagen (Schritt 436). In einer Ausführungsform kann, wenn die Laserebene tatsächlich detektiert wird (Schritt 438), der Fehler, falls er (z. B. unter Bezugnahme auf einen Schwellenbetrag oder anderweitig außerhalb eines definierten Bereichs) relativ klein ist, z. B. verwendet werden, um das VINS-System bezüglich kleiner Verfolgungsfehler zu korrigieren. Falls der Fehler groß war, kann das System konfiguriert sein, die Bedienungsperson zu warnen, die Verfolgung der Laserebene neu zu initialisieren. Die Bedienungsperson kann z. B. durch das System aufgefordert werden, die Ebene in mehreren (z. B. drei) verschiedenen Maschinenstellungen zu erfassen, wobei die Verfolgungs- und Planiersteueroperationen wie vorher wiederaufgenommen werden können.
Ein beispielhaftes VINS kann INS-Sensoren 104 enthalten, wie zuvor erörtert worden ist, und sich ferner in funktionaler Zuordnung mit einem oder mehreren Sensoren 108 und Kommunikations- und/oder Rechenmodulen, die wirksam sind, um Bilddaten oder Ähnliches von dort zu verarbeiten, befinden. Die VINS-Sensoren 108 können z. B. Videokameras enthalten, die konfiguriert sind, einen Originalbildstrom aufzuzeichnen und entsprechende Daten zu dem Controller 112 zu übertragen. Alternativ oder zusätzlich können die VINS-Sensoren 108 eine oder mehrere einer Infrarotkamera, einer Stereokamera, einer PMD-Kamera oder dergleichen enthalten. Ein Fachmann auf dem Gebiet kann erkennen, dass hochauflösende Lichtdetektions- und Ortungs-Scanner (LiDAR-Scanner), Radardetektoren, Laserscanner usw. ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung implementiert sein können. Die Anzahl und die Orientierung der Sensoren 108 kann gemäß dem Typ der Arbeitsmaschine 20 und der relevanten Anwendungen variieren. Die Position und die Größe eines durch eine jeweilige Kamera als ein VINS-Sensor 108 aufgezeichneten Bildbereichs können z. B. von der Anordnung und der Orientierung der Kamera und dem Kameraobjektivsystems, insbesondere der Brennweite des Objektivs der Kamera, abhängen. Ein Fachmann auf dem Gebiet kann ferner erkennen, dass die Bilddatenverarbeitungsfunktionen diskret an einer gegebenen Bilddatenquelle ausgeführt werden können, falls sie richtig konfiguriert ist, wobei sie aber außerdem oder andernfalls im Allgemeinen wenigstens etwas Bilddatenverarbeitung durch den Controller oder einen anderen stromabwärts gelegenen Datenprozessor enthalten können. Die Bilddaten von irgendeiner oder mehreren Bilddatenquellen können z. B. für die Erzeugung dreidimensionaler Punktwolken, die Bildsegmentierung, die Objektabgrenzung und -klassifikation und dergleichen unter Verwendung von Bilddatenverarbeitungswerkzeugen, wie sie in der Technik bekannt sind, in Kombination mit den offenbarten Aufgaben bereitgestellt werden.
Verschiedene Sensoren 108 können allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der obenerwähnten Sensoren gemeinsam ein Objektdetektionssystem zur verbesserten Datensammlung definieren, deren verschiedene Beispiele Ultraschallsensoren, Laserscanner, Radarwellensender und -empfänger, thermische Sensoren, Bildgebungsvorrichtungen, strukturierte Lichtsensoren, andere optische Sensoren und dergleichen enthalten können. Die Typen und Kombinationen von Sensoren zur Objektdetektion können für einen Typ der Arbeitsmaschine 20, des Arbeitsbereichs und/oder der Anwendung variieren, können aber im Allgemeinen bereitgestellt und konfiguriert sein, die Erkennung von Objekten unmittelbar oder anderweitig in Zuordnung zu einem bestimmten Arbeitsbereich der Arbeitsmaschine zu optimieren.
In verschiedenen hier offenbarten Ausführungsformen können mehrere Betriebsarten bezüglich automatisierter oder Warn-/Benachrichtigungsfunktionen ermöglicht sein. Die Betriebsarten können typischerweise manuell gemäß einer Anwendereingabe auswählbar sein (Schritt 450), können aber in anderen Ausführungsformen ohne eine manuelle Auswahl z. B. automatisch durch das System ausgewählt werden. In bestimmten beispielhaften vom Anwender ausgewählten Betriebsarten kann das System automatisch versuchen, die Ebene der Laserreferenz 72 in Reaktion auf irgendeine Bewegung des Laserempfängers 102 zu bestimmen und basierend auf einem Zustand der bestimmten Ebene der Laserreferenz 72 und/oder des bestimmten Zieloberflächenprofils 76 Ausgangssignale für eine bordinterne Anwenderschnittstelle 114 zu erzeugen. Es kann z. B. eine Warnung erzeugt werden, falls es eine Unbestimmtheit hinsichtlich der Orientierung der Laserebene bezüglich der Arbeitsmaschinenkoordinaten gibt (Schritt 454) und/oder falls eine erhebliche Fehlausrichtung detektiert worden ist (Schritt 456). In einer weiteren vom Anwender gewählten Betriebsart (Schritt 452) kann die Laserreferenz 72 automatisch bezüglich des Empfangs an mehreren Positionen zum Bestimmen einer Ebene der Laserreferenz 72 überwacht werden, ohne ein Ausgangssignal zu erzeugen, um eine Bedienungsperson zu warnen.
Wie er hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „eines oder mehrere von“, wenn er mit einer Liste von Elementen verwendet wird, dass verschiedene Kombinationen aus einem oder mehreren der Elemente verwendet werden können und nur eines von jedem Element in der Liste erforderlich sein kann. „Ein oder mehrere“ eines Elements A, eines Elements B und eines Elements C kann z. B. ohne Einschränkung Element A oder Element A und Element B enthalten. Dieses Beispiel kann außerdem Element A, Element B und Element C oder Element B und Element C enthalten.
Es ist folglich ersichtlich, dass die Vorrichtung und die Verfahren der vorliegenden Offenbarung sowohl die erwähnten Ziele und Vorteile als auch jene, die darin inhärent sind, einfach erreichen. Während bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung für die vorliegenden Zwecke veranschaulicht und beschrieben worden sind, können zahlreiche Änderungen in der Anordnung und der Konstruktion von Abschnitten und Schritten durch die Fachleute auf dem Gebiet vorgenommen werden, wobei diese Änderungen in den Schutzumfang und Erfindungsgedanken der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen sind, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind. Jedes offenbarte Merkmal oder jede offenbarte Ausführungsform kann mit jedem der anderen offenbarten Merkmale oder Ausführungsformen kombiniert werden.

Claims

Verfahren (400) zum Betreiben einer Arbeitsmaschine (20), die einen Laserempfänger (102) und wenigstens ein Gerät (42) zum Bearbeiten eines Geländes (74) umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: in Reaktion auf eine Bewegung des Laserempfängers Empfangen einer von einer Laserquelle (70) gesendeten Laserreferenz (72) über den Laserempfänger an mehreren Positionen bezüglich der Laserquelle, wobei die Laserreferenz in der Neigung und der Richtung einem definierten Höhenversatz (74) bezüglich eines Zieloberflächenprofils (76) des bearbeiteten Geländes (438) entspricht; Bestimmen einer Ebene der Laserreferenz aus Datenpunkten, die den mehreren Positionen entsprechen, an denen die Laserreferenz durch den Laserempfänger (470) empfangen wird; und Steuern der Bewegung wenigstens des wenigstens einen Geräts zum Bearbeiten des Geländes wenigstens teilweise basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und der definierten Höhe (490).
Verfahren nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: Bestimmen des Zieloberflächenprofils in einem Arbeitsmaschinen-Koordinatensystem basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und dem definierten Höhenversatz (480); wobei die Bewegung wenigstens des wenigstens einen Geräts zum Bearbeiten des Geländes bezüglich des bestimmten Zieloberflächenprofils (490) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das Folgendes umfasst: Bestimmen einer Position der Arbeitsmaschine in einem Zieloberflächen-Koordinatensystem basierend auf der bestimmten Ebene der Laserreferenz und dem definierten Höhenversatz; wobei die Bewegung wenigstens des wenigstens einen Geräts zum Bearbeiten des Geländes bezüglich des bestimmten Zieloberflächenprofils gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Arbeitsmaschine einen Rahmen (32) umfasst, der durch mehrere Bodeneingriffseinheiten (24) getragen ist, und das wenigstens eine Gerät konfiguriert ist, sich selektiv um eine dem Rahmen zugeordnete Achse (36) zu drehen, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Detektieren der Bewegung der mehreren Bodeneingriffseinheiten (422); Vorhersagen wenigstens einer Position, an der die Laserreferenz von dem Laserempfänger (436) empfangen wird; und Bestimmen eines Verfolgungsfehlers (440) darauf basierend, ob die Laserreferenz an der vorhergesagten wenigstens einen Position empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner das Erzeugen von Aufforderungen für eine Bedienungsperson über eine bordinterne Anwenderschnittstelle umfasst, um in Reaktion auf das Bestimmen eines Verfolgungsfehlers eine Verfolgungskorrekturroutine einzuleiten, die Bewegungen des Laserempfängers umfasst, wobei die Laserreferenz zum Bestimmen einer korrigierten Ebene der Laserreferenz bezüglich des Empfangs an mehreren Positionen überwacht wird, (460).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenigstens zwei der mehreren Positionen in der Verfolgungskorrekturstufe vorgegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei wenigstens zwei der mehreren Positionen in der Verfolgungskorrekturroutine Schwenkwinkeln des Gerätes bezüglich des Rahmens in wenigstens einem vorgegebenen Abstand entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, das ferner das automatische Einleiten einer Verfolgungskorrekturroutine in Reaktion auf das Bestimmen eines Verfolgungsfehlers umfasst, wobei die Laserreferenz zum Bestimmen einer korrigierten Ebene der Laserreferenz bezüglich des Empfangs an mehreren Positionen überwacht wird, (460).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Arbeitsmaschine einen Rahmen (32) umfasst, der durch mehrere Bodeneingriffseinheiten (24) getragen ist, und das wenigstens eine Gerät konfiguriert ist, sich selektiv um eine dem Rahmen zugeordnete Achse (36) zu drehen, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Detektieren der Bewegung der mehreren Bodeneingriffseinheiten (412); Erzeugen von Aufforderungen für eine Bedienungsperson über eine bordinterne Anwenderschnittstelle, um eine Verfolgungskorrekturroutine einzuleiten, in Reaktion auf die detektierte Bewegung, wobei der Laserempfänger zum Bestimmen einer korrigierten Ebene der Laserreferenz bewegt wird, um die Laserreferenz an mehreren Positionen zu empfangen, (414).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner Folgendes umfasst: automatisches Versuchen, die Ebene der Laserreferenz in Reaktion auf irgendeine Bewegung des Laserempfängers zu bestimmen; und Erzeugen von Ausgangssignalen für eine bordinterne Anwenderschnittstelle basierend auf einem Zustand der bestimmten Ebene der Laserreferenz und/oder des bestimmten Zieloberflächenprofils und ferner im Hinblick auf eine vom Anwender gewählte Betriebsart aus mehreren wählbaren Betriebsarten (454, 456).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: gemäß einer ersten vom Anwender auswählbaren Betriebsart die Laserreferenz automatisch bezüglich des Empfangs an mehreren Positionen zum Bestimmen einer Ebene der Laserreferenz überwacht wird, ohne ein Ausgangssignal zu erzeugen, um eine Bedienungsperson zu warnen (452); gemäß einer zweiten vom Anwender auswählbaren Betriebsart ein Ausgangssignal erzeugt wird, um eine Bedienungsperson gemäß einer detektierten Unbestimmtheit hinsichtlich einer Orientierung der Ebene der Laserreferenz bezüglich eines Maschinenkoordinatensystems zu alarmieren (454); und gemäß einer dritten vom Anwender auswählbaren Betriebsart ein Ausgangssignal erzeugt wird, um eine Bedienungsperson gemäß einem Verfolgungsfehler, der größer als ein Schwellenbetrag ist, von einer aktuellen Ebene der Laserreferenz und einer erwarteten Ebene der Laserreferenz zu warnen (456).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das Folgendes umfasst: Abtasten und Klassifizieren eines oder mehrerer statischer Elemente in einem die Arbeitsmaschine umgebenden Bereich unter Verwendung eines der Arbeitsmaschine zugeordneten Navigationssystems (432); Beziehen des einen oder der mehreren statischen Elemente auf die Ebene der Laserreferenz; und Verfolgen wenigstens des einen oder der mehreren statischen Elemente, um Bewegungen der Arbeitsmaschine zu bestimmen und ferner die Ebene der Laserreferenz bezüglich eines Arbeitsmaschinen-Koordinatensystems zu verfolgen (434).
Verfahren nach Anspruch 12, das Folgendes umfasst: nach dem Bestimmen der Bewegung der Arbeitsmaschine basierend auf wenigstens dem/den verfolgten einen oder mehreren statischen Elementen ferner Vorhersagen basierend auf dem/den verfolgten einen oder mehreren statischen Elementen wenigstens einer Position, an der die Laserreferenz durch den Laserempfänger empfangen wird, (436); und Bestimmen eines Verfolgungsfehlers darauf basierend, ob die Laserreferenz an der vorhergesagten wenigstens einen Position empfangen wird (440).
Verfahren nach Anspruch 13, das Folgendes umfasst: nach dem Detektieren der Laserreferenz an einer Position, die sich von einer vorhergesagten entsprechenden Position unterscheidet, selektives Anwenden des bestimmten Verfolgungsfehlers, um das Navigationssystem zu korrigieren, (460).
Arbeitsmaschine (20), die Folgendes umfasst: einen Laserempfänger (102), der konfiguriert ist, in Reaktion auf seine Bewegung eine von einer Laserquelle (70) gesendete Laserreferenz (72) an mehreren Positionen bezüglich der Laserquelle zu empfangen, wobei die Laserreferenz in der Neigung und der Richtung einem definierten Höhenversatz (74) bezüglich eines Zieloberflächenprofils (76) eines bearbeiteten Geländes entspricht (438); wenigstens ein Gerät zum Bearbeiten des Geländes (42); und einen Controller (112), der funktional mit dem Laserempfänger und dem wenigstens einen Gerät verbunden ist und konfiguriert ist, die Ausführung der Schritte in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zu lenken.