DE102022210212A1

DE102022210212A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Drehgelenks einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102022210212A1
Application number: DE102022210212.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Bender
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels (6) eines Drehgelenks (4) einer Arbeitsmaschine (2), wobei ein Drehratensensor (12) vorgesehen ist, der Drehraten (28) des Drehgelenks misst; wobei die Drehraten (28) für aufeinanderfolgende Zeitpunkte erfasst werden (110); wobei Zustandsdaten (22, 24) der Arbeitsmaschine ausgewertet werden, um zu bestimmen, ob oder ob nicht das Drehgelenk (4) bewegt wird; wobei, wenn ein erster Zeitraum bestimmt wird (130), in dem das Drehgelenk nicht bewegt wird, ein Offset (44) des Drehratensensors basierend auf den während des ersten Zeitraums erfassten Drehraten bestimmt wird (140); wobei für wenigstens einen Zeitpunkt in einem zweiten Zeitraum nach dem ersten Zeitraum der Drehwinkel durch zeitliche Integration und/oder Summierung basierend auf den erfassten Drehraten während des zweiten Zeitraums und dem Offset bestimmt wird (170).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Drehgelenks einer Arbeitsmaschine, sowie eine Recheneinheit und Computerprogramm zu dessen Ausführung.
Hintergrund der Erfindung
Mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere Bagger, Krane, Telehandler sowie Forstmaschinen, verfügen häufig über Drehgelenke wie z.B. einen Oberwagen, der gegenüber einem Unterwagen rotatorisch angeordnet ist, oder weiteren Gelenken wie Ausleger, Stiel, Löffel. Die Bewegung wird z.B. über hydraulische oder elektrische Antriebe realisiert und beruht auf einer Sollwertvorgabe durch den Fahrer, typischerweise anhand eines Joysticks oder Pedals. Auf dem Oberwagen sind dabei typischerweise bewegliche Elemente als Teil der Arbeitsausrüstung angeordnet, z.B. Ausleger, Stiel, Löffel, Tiltrotator etc. Auch diese Elemente werden über Bedienelemente, ebenfalls Joysticks oder Pedale aktuiert.
Die Kenntnis der jeweiligen Gelenkwinkel, z.B. der Ausrichtung des Oberwagens, relativ zu einer Unterwagenposition oder einer zu einem früheren Zeitpunkt eingenommenen Stellung ist häufig von Interesse, z.B. im Rahmen von Assistenzfunktionen, die den Fahrer bei der Umsetzung seiner Arbeitsaufgabe unterstützen sollen. Typische Beispiele für solche Funktionen sind anzeigende Funktionen (Anzeige im Display, so dass der Fahrer die Information abrufen und nutzen kann) oder Funktionen zur (Teil)-Automatisierung wie z.B. dem automatisierten Anfahren einer bestimmten Position. Ebenfalls können Funktionen zur Begrenzung des Arbeitsraumes vorgesehen sein, d.h. der Oberwagen darf sich nur innerhalb eines definierten Winkelbereichs bewegen. Nähert sich der Oberwagen den definierten Grenzen, so erfolgt eine (akustische oder visuelle) Warnung des Nutzers, evtl. auch ein entsprechender Eingriff ins Antriebssystem, um die Maschine rechtzeitig vor Erreichen der Grenzen zum Stilltand zu bringen. Auch Funktionen zur Anzeige der aktuellen Löffelposition, Funktionen zur Erfassung der Zuladung und Funktionen zum vereinfachten Planieren benötigen die Kenntnis der Gelenkwinkel bzw. der Gelenkwinkel-Änderungsrate.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Drehgelenks einer Arbeitsmaschine sowie eine Recheneinheit und Computerprogramm zu dessen Ausführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, einen Offset eines Drehratensensors, der mit dem Drehgelenk verbunden ist, zu bestimmen, indem Drehraten ausgewertet werden, die in einem ersten Zeitraum erfasst wurden, in dem sich das Drehgelenk in einem unbewegten Zustand befindet. Der Zeitraum wird durch Auswerten von Zustandsdaten der Arbeitsmaschine, also in der Arbeitsmaschine vorliegenden Daten, die mit Bewegungen der Arbeitsmaschine in Zusammenhang stehen und/oder diese anzeigen, bestimmt. Der Drehwinkel wird anschließend durch zeitliche Integration bzw. Summierung aus während eines zweiten Zeitraums, der zeitlich nach dem ersten Zeitraum liegt, erfassten Drehraten unter Berücksichtigung des Offsets bestimmt. Durch diese Vorgehensweise kann eine Verbesserung der Genauigkeit des Drehwinkels gegenüber einer Berechnung ohne Berücksichtigung des Offsets erreicht werden. Insbesondere erlauben die bei unbewegtem Drehgelenk gemessenen Drehraten eine Schätzung des Offsets, da davon ausgegangen werden kann, dass im unbewegten Zustand erfasste Drehraten aus dem Offset und einer Störgröße zusammengesetzt sind.
Der Drehratensensor kann z.B. Teil einer inertialen Messeinheit (englisch: inertial measurement unit, IMU) sein, die zusätzlich Beschleunigungssensoren umfassen kann. Solche Drehratensensoren bzw. inertialen Messeinheiten können kostengünstig als Mikrosystem (MEMS: mikro-elektro-mechanisches System) ausgeführt sein. Solche MEMS-Sensoren können einen Offset von einigen 10° je Stunde aufweisen. Drehratensensoren (für rotatorische Beschleunigungen) und (Linear-)Beschleunigungssensoren (für lineare Beschleunigungen) stellen Inertialsensoren dar. Eine inertiale Messeinheit umfasst wenigstens einen Inertialsensor.
Der Offset kann als eine Sensor-Drift bzw. als systematische Abweichung der Messwerte von dem wahren Wert der Drehrate, d.h. als ein systematischer Fehler, angesehen werden.
Zustandsdaten der Arbeitsmaschine, im Weiteren vereinfacht auch als „Maschine“ bezeichnet, sind allgemein Daten und/oder Signale, die es ermöglichen, den Bewegungszustand eines oder mehrerer Elemente der Maschine und/oder der Maschine als Ganzes zu bestimmen, insbesondere von Elementen, die durch das Drehgelenk verbunden sind und/oder die eine relative Bewegung der durch das Drehgelenk verbunden Elemente bewirken (z.B. ein Aktor, etwa ein Hydraulikzylinder, ein Hydraulikmotor, oder ein Elektromotor. Bei den Zustandsdaten kann es sich um Daten (z.B. Maschinensignale und/oder Sensorsignale) handeln, die in der Maschine bzw. einem Steuergerät, etwa einer elektronischen Steuerung, ohnehin vorliegen. Auf das Anbringen weiterer Sensoren kann verzichtet werden.
Optional schließen die Zustandsdaten Maschinensignale ein, die wenigstens ein Bediensignal und/oder wenigstens ein Steuersignal einschließen, wobei insbesondere das wenigstens eine Bediensignal und/oder das wenigstens eine Steuersignal ein oder mehrere Signale einschließt bzw. einschließen, die durch das Drehgelenk verbundene Elemente der Maschine betreffen. Bei dem Bediensignal kann es sich beispielsweise um ein Bediensignal handeln, das mittels einer Bedienvorrichtung (z.B. Joystick, Pedal usw.) basierend auf einer Bedienereingabe erfasst bzw. erzeugt wird. Steuersignale können beispielsweise basierend auf einer Bedienereingabe durch ein Steuergerät bestimmte Steuersignale sein, die zur Ansteuerung von Aktoren der Maschine dienen. Die Verwendung von Bedien-/Steuersignalen ist zweckmäßig, da diese unabhängig von Sensordaten sind.
Optional schließen die Zustandsdaten Sensordaten von wenigstens einem weiteren Sensor, der vom Drehratensensor verschieden ist, ein, wobei der wenigstens eine weitere Sensor einen Inertialsensor und/oder eine Kamera und/oder einen Positionssensor einschließt. Die Verwendung von Sensordaten kann zweckmäßig sein, da diese eine unmittelbare Aussage über den tatsächlichen Bewegungszustand erlauben. Zeitlich gedämpfte Bewegungen/ Schwingungen, die z.B. noch bestehen, nachdem ein entsprechender Steuervorgang abgeschlossen ist, können so erkannt werden.
Optional werden für den zweiten Zeitraum korrigierte Drehraten für aufeinanderfolgende Zeitpunkte basierend auf den erfassten Drehraten und dem Offset bestimmt. Neben der Bestimmung des Drehwinkels können die korrigierten Drehraten etwa zur Steuerung der Maschine verwendet werden, etwa einem Bediener angezeigt werden oder für automatische Steuerungsfunktionen verwendet werden.
Optional erfolgt die zeitliche Integration und/oder Summierung über die korrigierten Drehraten, um den Drehwinkel zu bestimmen. Ebenso optional schließt die zeitliche Integration und/oder Summierung ein Integral bzw. eine Summe über die erfassten Drehraten und ein Integral bzw. eine Summe über den Offset ein, wobei der Drehwinkel als Differenz oder Summe der beiden Integrale bzw. Summen bestimmt wird. Dies stellt verschiedene Implementierungen der Integration dar.
Optional wird, wenn ein dritter Zeitraum, der nach dem zweiten Zeitraum liegt, bestimmt wird, in dem das Drehgelenk nicht bewegt wird, basierend auf den während des dritten Zeitraums erfassten Drehraten ein aktualisierter Offset des Drehratensensors bestimmt, wobei für einen Zeitpunkt in einem vierten Zeitraum nach dem dritten Zeitraum der Drehwinkel durch zeitliche Integration und/oder Summierung basierend auf den erfassten Drehraten während des vierten Zeitraums und dem aktualisierten Offset bestimmt wird. Eine Aktualisierung des Offsets ist vorteilhaft, da der Offset im Allgemeinen zeitlich nicht konstant ist.
Optional weisen der erste Zeitraum und/oder gegebenenfalls der dritte Zeitraum eine vorbestimmte zeitliche Mindestlänge auf. Mit anderen Worten werden nur solche Zeiträume als erster bzw. dritter Zeitraum bestimmt und für die Offsetbestimmung verwendet, die ausreichend lang bzw. die Mindestlänge lang sind. Zweckmäßig wird so eine möglichst genaue Bestimmung des Offsets erreicht.
Optional wird eine Zeitabhängigkeit des Offsets bestimmt, insbesondere mittels einer Regression oder einem Kalman-Filter, wobei der Offset als zeitabhängiger Offset bestimmt wird. Dies ist zweckmäßig, um eine zeitliche Änderung des Offsets zu berücksichtigen, so dass der Drehwinkel für eine längere Zeit relativ genau ist.
Optional wird beim Auswerten der Zustandsdaten der Maschine, um zu bestimmen, ob oder ob nicht das Drehgelenk bewegt wird, wenigstens eine Ruhe-Zeitspanne bestimmt, die mindestens eine vorbestimmte erste zeitliche Länge aufweist und während der das Drehgelenk nicht bewegt wird; wobei der erste Zeitraum und/oder gegebenenfalls der dritte Zeitraum als Teilmenge der wenigstens einen Ruhe-Zeitspanne bestimmt wird bzw. werden. Mit anderen Worten werden nur solche Zeiträume als Ruhe-Zeitspanne bestimmt, die mindestens die vorbestimmte erste zeitliche Länge aufweisen, wobei die erste zeitliche Länge wiederum mindestens der Mindestlänge entspricht, damit der erste bzw. dritte Zeitraum in die Ruhe-Zeitspanne passt. Durch eine Ruhe-Zeitspanne kann sichergestellt werden, dass das Drehgelenk hinreichend lange nicht bewegt wurde bzw. anhand der Zustandsdaten davon ausgegangen werden kann, dass es nicht bewegt wurde. Der erste/dritte Zeitraum kann die gesamte wenigstens eine Ruhe-Zeitspanne umfassen oder lediglich eine echte Teilmenge der wenigstens eine Ruhe-Zeitspanne umfassen. Durch Letzteres können eventuelle Nachschwingvorgänge der Maschine abgewartet werden, wobei die jeweilige echte Teilmenge (erster/dritter Zeitraum) zeitlich am Ende der wenigstens eine Ruhe-Zeitspanne liegen sollte.
Optional wird, wenn für eine erste Bewegt-Zeitspanne, die zeitlich länger ist als eine vorbestimmte zweite zeitliche Länge, und/oder gegebenenfalls für eine zweite Bewegt-Zeitspanne, die zeitlich länger ist als eine vorbestimmte dritte zeitliche Länge, kein erster Zeitraum bzw. kein dritter Zeitraum bestimmt werden kann (bzw. wird; d.h. die Bedingung für den ersten bzw. Zeitraum kann nicht erfüllt werden), eine Benachrichtigung erzeugt, die anzeigt, dass kein Offset bzw. kein aktualisierter Offset bestimmt wurde; wobei die Benachrichtigung insbesondere auf einer Anzeigevorrichtung der Maschine angezeigt wird. Diese Situation kann auftreten, wenn das Drehgelenk ununterbrochen oder mit nur kurzzeitigen Unterbrechungen bewegt wird, was beim Auswerten der Zustandsdaten der Maschine, um zu bestimmen, ob oder ob nicht das Drehgelenk bewegt wird, festgestellt werden kann. Kurzzeitige Unterbrechungen können insbesondere Unterbrechungen mit einer zeitlichen Länge kürzer als die vorbestimmte zeitliche Mindestlänge bzw. bei Vorsehen einer Ruhe-Zeitspanne kürzer als die vorbestimmte erste zeitliche Länge sein.
Die erste Bewegt-Zeitspanne betrifft den Fall, dass (etwa nach Start der Maschine) noch kein Offset bestimmt wurde bzw. werden konnte. Die zweite Bewegt-Zeitspanne betrifft eine Zeitspanne, innerhalb derer der Offset aktualisiert werden sollte. Die vorbestimmte dritte zeitliche Länge kann z.B. länger als die vorbestimmte zweite zeitliche Länge sein. Durch Anzeigen der Benachrichtigung kann der Bediener der Maschine einerseits gewarnt werden, dass kein genauer Drehwinkel bestimmt werden kann, und andererseits optional darauf hingewiesen werden, dass ein Zustand, in dem das Drehgelenkt nicht bewegt wird, hergestellt werden sollte, etwa durch Einstellen von Bedienungsanweisungen mittels Bedienelementen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung

1 zeigt eine beispielhafte Arbeitsmaschine, bei der das Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Drehgelenks zum Einsatz kommen kann.
2 illustriert die Eingangs- und Ausgangswerte des Verfahrens zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Drehgelenks.
3 zeigt ein Schema gemäß einem beispielhaften Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Drehgelenks.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine beispielhafte mobile Arbeitsmaschine 2, nämlich einem Bagger, bei der das Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels 6 eines Drehgelenks 4 zum Einsatz kommen kann. Die Arbeitsmaschine 2 weist einen Oberwagen 8 und einen Unterwagen 10 auf, zwischen denen das Drehgelenk 4 angeordnet ist, so dass der Oberwagen 8, der ein Beispiel für ein drehbares Element darstellt, gegenüber den Unterwagen 10, der ein Beispiel für ein Trägerelement darstellt, gedreht werden kann.
Am Oberwagen 8 ist ein Drehratensensor 12 angeordnet, der dazu eingerichtet ist die Drehrate bzw. Winkelgeschwindigkeit des Oberwagens um das Drehgelenk 4 zu messen bzw. zu erfassen. Der Drehratensensor 12 ist so angeordnet, dass die Drehrate, wie auch der Drehwinkel, um die Drehachse des Drehgelenks gemessen wird.
Weiterhin ist am Oberwagen 8 ein Ausleger mit mehreren Armelementen angebracht, die mittels weiterer Drehgelenke miteinander verbunden sind. Für diese weiteren Drehgelenke wäre es ebenfalls denkbar, dass wenigstens ein entsprechender Drehratensensor vorgesehen ist, der eine Drehrate misst, die einer Änderung des Drehwinkels mindestens eines dieser weiteren Drehgelenke entspricht. Ebenso ist die Anwendung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens für diese weiteren Gelenke denkbar. Allgemein kann das Verfahren für Elemente einer Arbeitsmaschine angewendet werden, die durch ein Drehgelenk drehbar miteinander verbunden sind.
2 illustriert die Eingangswerte 22, 24 und Ausgangswerte 26 des Verfahrens zur Bestimmung eines Drehwinkels 6 eines Drehgelenks.
Die Eingangswerte umfassen die vom Drehratensensor fortlaufend bzw. für eine Vielzahl aufeinanderfolgender Zeitpunkte (z.B. regelmäßig beabstandete Zeitpunkte) gemessenen Werte für die Drehrate, d.h. die gemessene bzw. erfasste Drehrate 28 als eine Funktion der Zeit. Weiter werden Daten und/oder Signale der Maschine (sogenannte Zustandsdaten) erfasst, anhand derer ein Bewegungszustand der Maschine und/oder eines oder mehrerer Elemente der Maschine ableitbar ist erfasst. Beispielsweise wird bzw. werden wenigstens ein Bediensignal 30 (etwa ein Joystick-Signal) und/oder wenigstens ein Steuersignal 32 und/oder Daten bzw. Messwerte wenigstens eines weiteren Sensors, der vom Drehratensensor verschieden ist, als Eingangswert(e) erfasst. Beispielsweise können Inertial-Daten 34 erfasst werden, die von wenigstens einem Inertialsensor gemessen werden, und/oder Kamera-Daten 36 erfasst werden, die von wenigstens einer Kamera erfasst werden, und/oder Positions-Daten 38 erfasst werden, die von einem Positions-Sensor, z.B. einem GPS-Sensors, erfasst werden.
Die Eingangswerte 22, 24 werden beispielsweise von einem Auswertemodul 40, das als Software- und/oder Hardware-Modul in einer Steuerung oder Recheneinheit (z.B. Steuergerät) der Arbeitsmaschine vorgesehen ist, erfasst bzw. empfangen (z.B. über einen Feldbus) und vom Auswertemodul 40 ausgewertet, um die Ausgangsgrößen 26 zu bestimmen bzw. zu berechnen.
Ausgangswerte 26 können insbesondere eines oder mehreres sein von: dem Drehwinkel 6, einer korrigierten Drehrate 42, einem geschätzten Offset 44.
Die Auswertung der Eingangswerte 22, 24 durch das Auswertemodul 40, um die Ausgangswerte 26 zu bestimmen bzw. zu berechnen, erfolgt dabei, indem zunächst anhand der Eingangswerte 22, 24 (d.h. anhand der Zustandsdaten) bestimmt wird, ob die Maschine, insbesondere das Drehgelenk, bewegt wird oder sich in Ruhe befindet. Zeigen Bediensignale 30 etwa an, dass bedienerseitig keine Bewegung angefordert wird, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Maschine in Ruhe befindet. Ähnliches gilt für Steuersignale 32, anhand derer bestimmt werden kann, ob ein (z.B. elektrischer und/oder hydraulischer Aktor der Maschine, betätigt wird, d.h. seinen Zustand ändert. Im Falle von Drehratensensoren und/oder Inertialsensoren (gemessene Drehrate 28, Inertial-Daten 34) kann z.B. geprüft werden, ob deren Messwerte nur eine sehr geringe Schwankungsbreite aufweisen, wobei zusätzlich gefordert werden kann, dass sich die Messwerte in einem bestimmten Wertebereich befinden (bei einem Drehratensensor etwa nahe null), um eine sehr gleichmäßige Bewegung auszuschließen. Ähnlich kann im Fall einer Kamera und/oder eines GPS-Sensors geprüft werden, ob sich die entsprechenden Daten nicht ändern.
Entsprechend können anhand der Auswertung der Eingangswerte (bzw. Zustandsdaten) Zeitpunkte und/oder Zeiträume bestimmt werden, an bzw. in denen von einem unbewegten Zustand (Ruhezustand) der Maschine ausgegangen werden kann, d.h. ein unbewegter Zustand der Maschine angenommen bzw. vermutet wird. Während eines solchen angenommen unbewegten Zustands der Maschine wird entsprechend davon ausgegangen, dass die tatsächliche Drehrate ω_z des Drehgelenks gleich null ist, d.h. für Zeitpunkte t, die in einem Zeitraum liegen, in dem ein Ruhezustand der Maschine vorliegt, gilt: $ω_{z} (t) = 0$
Daraus folgt, dass während des Ruhezustands die vom Drehratensensor gemessene Drehrate ω_z,mess gleich dem Offset b_z des Drehratensensors sein muss: $ω_{z, m e s s} (t) = b_{z} (t)$
Durch Auswertung der gemessenen Drehrate ω_z,mess(t) des Drehratensensors während eines Zeitraums, in dem von einem Ruhezustand ausgegangen wird, kann also der Offset geschätzt bzw. bestimmt werden. Der geschätzte Offset wird auch als Offset-Schätzung b_z,estim(t) bezeichnet. Die Offset-Schätzung kann ein einzelner Wert sein, der z.B. durch Mittelwertbildung der gemessenen Drehrate ω_z,mess(t) über den Zeitraum, in dem der Ruhezustand vorliegt. Die Offset-Schätzung b_z,estim(t) als Funktion der Zeit aufgefasst wäre dann eine Konstante (zumindest bis eine erneute Schätzung erfolgt). Auch ist denkbar, dass eine zeitliche Abhängigkeit des Offsets bei der Auswertung der gemessenen Drehrate ω_z,mess(t) während des Zeitraums, in dem der Ruhezustand vorliegt, bestimmt bzw. geschätzt wird, z.B. mittels Regression. In diesem Fall kann die Offset-Schätzung b_z,estim(t) nichtkonstant sein, d.h. als Funktion der Zeit veränderlich sein.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Zeitraum, der zur Auswertung der gemessenen Drehrate ω_z,mess(t) verwendet wird, um die Offset-Schätzung b_z,estim(t) zu bestimmen, eine vorbestimmte zeitliche Mindestlänge aufweisen muss. Insbesondere können so kurzeitige Ruhezustände, z.B. während einer Bewegungsumkehr der Maschine, ausgeschlossen werden, die zu einer Offset-Schätzung mit geringer Güte führen könnten. Die vorbestimmte zeitliche Mindestlänge kann beispielsweise einige Sekunden betragen, etwa 1 s, 2 s, 3 s, 5 s, 7 s oder 10 s, wobei an sich auch beliebige andere Werte denkbar sind.
Aus der gemessenen Drehrate ω_z,mess(t) des Drehratensensors und der Offset-Schätzung b_z,estim(t) lässt sich durch Differenzbildung eine korrigierte Drehrate ω_z,korr(t) bestimmen: $ω_{z, k o r r} (t) = ω_{z, m e s s} (t) - b_{z, e s t i m} (t)$
Die korrigierte Drehrate kann als eine um den Offset kompensierte Drehrate betrachtet werden. Da davon ausgegangen werden kann, dass die Offset-Schätzung b_z,estim(t) für zumindest eine gewisse Zeit (zweiter Zeitraum) nach dem Zeitraum (erster Zeitraum), in dem der Ruhezustand vorlag und der zur Bestimmung der Offset-Schätzung herangezogen wurde, stellt die korrigierte Drehrate ω_z,korr(t) (entsprechend der vorstehenden Gleichung) eine gegenüber der unkorrigierten, gemessenen Drehrate ω_z,mess(t) verbesserte Schätzung für die tatsächliche Drehrate des Drehgelenks dar.
Der Drehwinkel Ψ(t) für Zeitpunkte t im zweiten Zeitraum kann durch Integration bzw. Summierung bestimmt werden: $Ψ (t) = \int_{0}^{t} ω_{z, k o r r} (τ) d τ + Ψ (0)$
Dieser Drehwinkel Ψ(t) kann als verbesserte Schätzung (gegenüber der Nichtberücksichtigung des Offsets) des tatsächlichen Drehwinkels des Drehgelenks angesehen werden. Der Zeitpunkt 0 im obigen Integral kann z.B. dem Ende des ersten Zeitraums bzw. dem Anfang des zweiten Zeitraums entsprechen. Der Anfangswert Ψ(0) des Drehwinkels kann etwa gleich dem letzten Drehwinkel gesetzt werden, der vor dem ersten Zeitraum, d.h. dem Zeitraum für den von einem Ruhezustand der Maschine ausgegangen wird, vorlag. Klarerweise könnten alternativ zur Integration über die korrigierte Drehrate ω_z,korr(t) ebenso ein Integral über die gemessene Drehrate ω_z,mess(t) und ein Integral über die Offset-Schätzung b_z,estim(t) berechnet werden und dann die Differenz dieser beiden Integrale berechnet werden, um den Drehwinkel Ψ(t) zu bestimmen.
Da, etwa in einer elektronischen Steuerung, typischerweise die Drehraten und entsprechend die korrigierten Drehraten zu bestimmten aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, insbesondere auf (wenigstens) einem Zeitraster, erfasst bzw. bestimmt werden, liegen die erfassten Drehraten und die korrigierten Drehraten typischerweise in Form von Zeitreihen vor. Entsprechend handelt es sich bei Integralen typischerweise um Summen, da diese letztendlich Integrale auf bzw. über der Menge der Zeitpunkte, die durch die aufeinanderfolgenden Zeitpunkte bzw. das Zeitraster bestimmt ist, sind (wobei z.B. jedem Zeitpunkt ein Maß entsprechend dem zeitlichen Abstand zu benachbarten Zeitpunkten zugewiesen ist). Der Einfachheit halber wird der Begriff „Integration“ bzw. „Integral“ verwendet, der auch „Summierung“ bzw. „Summe“ einschließen soll.
Im Allgemeinen treten während der Operation der Maschine abwechselnd Zeiträume auf, in denen ein Ruhezustand der Maschine vorliegt, und Zeiträume auf, in denen eine Bewegung der Maschine vorliegt. Es kann dann vorgesehen sein, dass mit jedem Zeitraum, in dem ein Ruhezustand der Maschine vorliegt bzw. von diesem ausgegangen wird, der geschätzte Offset (Offset-Schätzung b_z,estim(t)) basierend auf den für den jeweiligen letzten dieser Zeiträume gemessenen Drehraten ω_z,mess(t) aktualisiert wird. In einem Zeitraum, in dem eine Bewegung der Maschine erfolgt, wird dann der letzte aktualisierte geschätzte Offset verwendet, um den Drehwinkel zu bestimmen. Der für die Bestimmung des (aktualisierten) geschätzten Offsets herangezogene Zeitraum kann im einfachsten Fall jeweils ein einzelner (zusammenhängender) Zeitraum, in dem ein Ruhezustand der Maschine vorliegt bzw. von diesem ausgegangen wird, sein. Allgemeiner können auch mehrere (nichtzusammenhängende) Zeiträume, in denen ein Ruhezustand der Maschine vorliegt bzw. von diesem ausgegangen wird, verwendet werden, um den (aktualisierten) geschätzten Offset zu bestimmen. Insbesondere kann auf diese Weise eine Zeitabhängigkeit des Offsets bestimmt werden. Beispielsweise können jeweils zwei aufeinanderfolgende solcher Zeiträume verwendet werden, wobei für jeden der beiden Zeiträume ein Mittelwert der gemessenen Drehrate bestimmt wird und aus der Differenz der beiden Mittelwerte und dem zeitlichen Abstand der beiden Zeiträume eine Änderungsrate des Offsets bestimmt bzw. geschätzt wird, die als Zeitabhängigkeit in die Offset-Schätzung eingeht. Allgemeiner kann ein Kalman-Filter verwendet werden, den Offset zu schätzen, und insbesondere, um die Zeitabhängigkeit des Offsets zu bestimmen.
3 zeigt ein Schema gemäß einem beispielhaften Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Drehgelenks.
Dabei wird insbesondere von einer als Box 100 dargestellten Situation ausgegangen, in der der Offset des Drehratensensors unbekannt ist, d.h. in dem keine Schätzung des Offsets vorliegt. In dieser Situation ist erfolgt keine Bestimmung des Drehwinkels, so dass eine Drehwinkelausgabe nicht möglich ist.
In Schritt 110 erfolgt ein Einlesen bzw. Erfassen der Eingangswerte (vgl. 2), wobei die Eingangswerte die vom Drehratensensor gemessenen Drehraten und die Daten und/oder Signale der Maschine (etwa Bediensignale, z.B. Joysticksignale), anhand derer der Bewegungszustand der Maschine ableitbar ist, umfassen. Schritt 110 kann fortlaufend während des Verfahrens durchgeführt werden.
In Schritt 120 wird basierend auf den erfassten Daten und/oder Signalen der Maschine), anhand derer der Bewegungszustand der Maschine ableitbar ist, der Zustand der Maschine ermittelt bzw. bestimmt, d.h. es wird bestimmt, ob die Maschine oder zumindest ein Element der Maschine bewegt wird oder ob sich die Maschine in einem unbewegten Zustand (Ruhezustand) befindet.
In Schritt 130 wird geprüft, ob sich die Maschine für eine Ruhe-Zeitspanne, die mindestens eine vorbestimmte zeitliche Länge aufweise, in einem (anhand der Ermittlung in Schritt 120 angenommenen) Ruhezustand befindet. Die v Ruhe-Zeitspanne kann einige Sekunden betragen, z.B. 1 s, 2 s, 3 s, 5 s, 7 s oder 10 s, wobei an sich beliebige Werte denkbar sind. Die Ruhe-Zeitspanne kann entsprechend technischer Eigenschaften der Maschine, für die das Verfahren implementiert werden soll, und/oder entsprechend der Daten (Eingangswerte), die in Schritt 120 zur Bestimmung des Zustands der Maschine verwendet werden, gewählt werden. Erfolgt die Ermittlung etwa basierend auf Bediensignalen (z.B. Joystick-Signalen), kann es je nach Art der Maschine eine gewisse Zeit dauern, bis davon ausgegangen werden kann, dass die Maschine tatsächlich zur Ruhe gekommen ist (z.B. können Maschinenelemente nachschwingen oder es dauert eine gewisse Zeit, bis eine durch ein Bediensignal ausgelöste Bewegung tatsächlich zu Ende geführt ist). Insbesondere oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Ruhe-Zeitspanne in Abhängigkeit von der vorbestimmten zeitlichen Mindestlänge (vgl. z.B. die Beschreiung der 2) gewählt wird.
Wenn in Schritt 130 festgestellt wird, dass sich die Maschine für mindestens die Ruhe-Zeitspanne in einem Ruhezustand befindet, erfolgt in Schritt 140 eine Aktualisierung (bzw. falls dieser noch unbekannt ist, eine erstmalige Bestimmung) des geschätzten Offsets 44. Dabei kann wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben vorgegangen werden. Als Zeitraum, der für die Bestimmung des geschätzten Offsets verwendet wird, kann die gesamte Ruhe-Zeitspanne oder ein Teil davon verwendet werden. Insbesondere kann, wenn die vorbestimmte zeitliche Mindestlänge kürzer als die Ruhe-Zeitspanne ist, der für die Bestimmung des geschätzten Offsets verwendete Zeitraum zeitlich am Ende der Ruhe-Zeitspanne liegen. Der geschätzte Offset 44 kann einerseits ausgegeben werden und wird andererseits im weiteren Verlauf (Schritt 160) des Verfahrens verwendet. Nachdem der Offset in Schritt 140 geschätzt wurde, wird mit Schritt 110, dem Erfassen der Eingangswerte, fortgefahren (Pfeil 145).
Wenn in Schritt 130 festgestellt wird, dass sich die Maschine nicht für mindestens die Ruhe-Zeitspanne in einem Ruhezustand befindet, wird in Schritt 150 zunächst geprüft, ob bereits eine Schätzung für den Offset vorliegt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird liegt weiterhin die Situation, in der der Offset des Drehratensensors unbekannt ist, d.h. es wird im Ablauf des Verfahrens wieder zu Box 100 gesprungen (Pfeil 155).
Wenn andererseits in Schritt 150 festgestellt wird, dass bereits eine Schätzung für den Offset vorliegt (Pfeil 157), wird mit Schritt 160 fortgefahren, in dem die korrigierte Drehrate 42, d.h. die um den Offset kompensierte Drehrate, basierend auf der gemessenen Drehrate und dem geschätzten Offset bestimmt wird. Dabei kann wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben vorgegangen werden. Die korrigierte Drehrate 42 kann optional ausgegeben werden, z.B. könnte sie zur Steuerung der Maschine verwendet werden.
In Schritt 160 wird der Drehwinkel 6 durch zeitliche Integration ermittelt bzw. bestimmt. Dabei kann wieder wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben vorgegangen werden. Der Drehwinkel 6 kann optional ausgegeben werden, z.B. um zur Steuerung der Maschine verwendet zu werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels (6) eines Drehgelenks (4) einer Arbeitsmaschine (2), wobei ein Drehratensensor (12) vorgesehen ist, der Drehraten (28) des Drehgelenks misst; wobei die Drehraten (28) für aufeinanderfolgende Zeitpunkte erfasst werden (110); wobei Zustandsdaten (22, 24) der Arbeitsmaschine ausgewertet werden, um zu bestimmen, ob oder ob nicht das Drehgelenk (4) bewegt wird; wobei, wenn ein erster Zeitraum bestimmt wird (130), in dem das Drehgelenk nicht bewegt wird, ein Offset (44) des Drehratensensors basierend auf den während des ersten Zeitraums erfassten Drehraten bestimmt wird (140); wobei für wenigstens einen Zeitpunkt in einem zweiten Zeitraum nach dem ersten Zeitraum der Drehwinkel durch zeitliche Integration und/oder Summierung basierend auf den erfassten Drehraten während des zweiten Zeitraums und dem Offset bestimmt wird (170).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zustandsdaten Maschinensignale einschließen, die wenigstens ein Bediensignal (30) und/oder wenigstens ein Steuersignal (32) einschließen; wobei insbesondere das wenigstens eine Bediensignal und/oder das wenigstens eine Steuersignal ein oder mehrere Signale einschließen, die durch das Drehgelenk (4) verbundene Elemente (8, 10) der Arbeitsmaschine betreffen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zustandsdaten Sensordaten (34, 36, 38) von wenigstens einem weiteren Sensor, der vom Drehratensensor verschieden ist, einschließen; wobei der wenigstens eine weitere Sensor einen Inertialsensor und/oder eine Kamera und/oder einen Positionssensor einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für den zweiten Zeitraum korrigierte Drehraten (42) für aufeinanderfolgende Zeitpunkte basierend auf den erfassten Drehraten (28) und dem Offset (44) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zeitliche Integration und/oder Summierung über die korrigierten Drehraten (42) erfolgt, um den Drehwinkel (6) zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zeitliche Integration und/oder Summierung ein Integral bzw. eine Summe über die erfassten Drehraten (28) und ein Integral bzw. eine Summe über den Offset (42) einschließt; und wobei der Drehwinkel (6) als Differenz oder Summe der beiden Integrale bzw. Summen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn ein dritter Zeitraum, der nach dem zweiten Zeitraum liegt, bestimmt wird, in dem das Drehgelenk (4) nicht bewegt wird (130), basierend auf den während des dritten Zeitraums erfassten Drehraten ein aktualisierter Offset des Drehratensensors bestimmt wird (140); wobei für einen Zeitpunkt in einem vierten Zeitraum nach dem dritten Zeitraum der Drehwinkel durch zeitliche Integration und/oder Summierung basierend auf den erfassten Drehraten während des vierten Zeitraums und dem aktualisierten Offset bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Zeitraum und/oder, soweit abhängig von Anspruch 7, der dritte Zeitraum eine vorbestimmte zeitliche Mindestlänge aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Offset (44) als ein Mittelwert der während des ersten Zeitraums erfassten Drehraten bestimmt wird und/oder wobei, soweit abhängig von Anspruch 7, der aktualisierte Offset als ein Mittelwert der während des dritten Zeitraums erfassten Drehraten bestimmt wird; und/oder wobei ein Kalman-Filter zur Bestimmung der Offsets bzw. des aktualisierten Offsets verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Zeitabhängigkeit des Offsets (44) bestimmt wird, insbesondere mittels einer Regression oder eines Kalman-Filters; und wobei der Offset als zeitabhängiger Offset bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Auswerten der Zustandsdaten (22, 24) der Arbeitsmaschine (2), um zu bestimmen, ob oder ob nicht das Drehgelenk (4) bewegt wird, wenigstens eine Ruhe-Zeitspanne bestimmt wird, die mindestens eine vorbestimmte erste zeitliche Länge aufweist und während der das Drehgelenk nicht bewegt wird; wobei der erste Zeitraum und/oder soweit abhängig von Anspruch 7, der dritte Zeitraum als Teilmenge der wenigstens einen Ruhe-Zeitspanne bestimmt wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn für eine erste Bewegt-Zeitspanne, die zeitlich länger ist als eine vorbestimmte zweite zeitliche Länge, und/oder, soweit abhängig von Anspruch 7, für eine zweite Bewegt-Zeitspanne, die zeitlich länger ist als eine vorbestimmte dritte zeitliche Länge, kein erster Zeitraum bzw. kein dritter Zeitraum bestimmt werden kann, eine Benachrichtigung erzeugt wird, die anzeigt, dass kein Offset bzw. kein aktualisierter Offset bestimmt wurde; wobei die Benachrichtigung insbesondere auf einer Anzeigevorrichtung der Arbeitsmaschine (2) angezeigt wird.
Recheneinheit umfassend einen Prozessor, die so konfiguriert ist, dass sie das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.
Computerprogramm umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 1 bis 12 auszuführen.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.