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Die Offenbarung betrifft allgemein ein adaptives Steuerungssystem und -verfahren für eine Arbeitsmaschine mit Planiersteuerung.
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Planierarbeiten mit Arbeitsmaschinen sind eine spezielle Phase des Bauprozesses. Eine ordnungsgemäße Bodenvorbereitung gewährleistet die erwarteten Ergebnisse bei der Bauausführung, der Steuerung des Wasserabflusses, dem Straßenbau, der Umweltbelastung und der Einhaltung der Bodennormen. Bei Verwendung von Lasersystemen kann es vorkommen, dass Gegenstände die Kommunikation zwischen einer Laserbake, die sich außerhalb der Arbeitsmaschine befindet, und dem Laserempfänger an einer Arbeitsmaschine vorübergehend stören. Darin liegt die Chance für eine bessere Planiersteuerung, um eine gleichbleibende Leistung zu erzielen.
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Es wird ein adaptives Steuerungssystem und -verfahren für eine Arbeitsmaschine offenbart. Das adaptive Steuerungssystem steuert automatisch die Position eines Anbaugeräts beim Planieren einer Fläche. Das System umfasst einen Rahmen, ein Anbaugerät, einen ersten Sensor, einen zweiten Sensor, einen Laserempfänger und eine Steuervorrichtung. Der erste Sensor ist dazu konfiguriert, ein erstes Sensorsignal zu erzeugen, das einen Winkel des Rahmens relativ zur Schwerkraftrichtung angibt. Der zweite Sensor ist dazu konfiguriert, ein zweites Sensorsignal zu erzeugen, das einem Winkel des Anbaugeräts für die Bodenbearbeitung in Bezug auf eines des Rahmen und der Schwerkraftrichtung angibt. Der Laserempfänger ist dazu konfiguriert, ein Lasersignal aus einer Laserbake zu empfangen. Der Laserempfänger erzeugt ein Höhensignal basierend auf dem Lasersignal, wobei das Höhensignal eine Position entweder des Anbaugeräts oder des Rahmens relativ zum Lasersignal angibt. Die Steuervorrichtung weist ein nichtflüchtiges, computerlesbares Medium mit Programmanweisungen zum Planieren der Fläche auf. Die Programmanweisungen veranlassen beim Ausführen einen Prozessor der Steuervorrichtung dazu, eine Sollplanierung basierend auf einer gewünschten Planierung der Fläche festzulegen; eine Position des Anbaugeräts in Bezug auf den Rahmen, die Fläche oder das Lasersignal zu identifizieren; das erste Sensorsignal aus dem ersten Sensor zu empfangen; das zweite Sensorsignal aus dem zweiten Sensor zu empfangen; und das Lasersignal aus der Laserbake zu empfangen. Der Prozessor kann ein erstes Steuersignal basierend auf dem Höhensignal erzeugen. Das erste Steuersignal betätigt das +, um das Anbaugerät beim Fahren der Arbeitsmaschine in einer Position zu halten, die der Sollplanierung entspricht. Bei Fehlen des Höhensignals kann der Prozessor eine zweite Steuerung basierend entweder auf dem ersten Sensorsignal oder dem zweiten Sensorsignal erzeugen. Das zweite Steuersignal veranlasst einen oder mehrere Aktuatoren, die das Anbaugerät mit der Arbeitsmaschine koppeln, das Anbaugerät beim Fahren der Arbeitsmaschine in einer Position zu halten, die dem früheren Wert eines Planierprofils des Anbaugeräts entspricht.
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Der Laserempfänger kann einen ersten und einen zweiten Empfänger umfassen, wobei sich die Empfänger jeweils an einem ersten bzw. einem zweiten Lasermast befinden. Der Lasermast ragt von einer relativ zum Rahmen festen Position nach oben. Der erste Empfänger und der zweite Empfängt erzeugen ein erstes Höhensignal bzw. ein zweites Höhensignal. Das erste Höhensignal und das zweite Höhensignal ermöglichen der Steuervorrichtung die Berechnung des Planierprofils des Anbaugeräts. Fehlt entweder das erste oder das zweite Höhensignal, kann die Steuervorrichtung ein drittes Steuersignal basierend auf dem ersten Sensorsignal, dem zweiten Sensorsignal und dem verbleibenden Höhensignal erzeugen.
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Der frühere Wert kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. In einer ersten Ausführungsform wird der laufende Mittelwert aus einem vorbestimmten Zeitraum ermittelt. In einer zweiten Ausführungsform wird der laufende Mittelwert aus einem vorbestimmten Toleranzband ermittelt. In einer dritten Ausführungsform wird der laufende Mittelwert aus einer vorbestimmten Anzahl von Durchgängen ermittelt. In einer vierten Ausführungsform basiert der laufende Mittelwert auf einer Abtastrate, die entweder von einer Baustellenbedingung oder einer Auftragsfunktion abhängt.
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Der Prozessor kann ferner dazu konfiguriert sein, nach einer vorgegebenen Zeitspanne, in der das zweite Steuersignal den einen oder die mehreren Aktuatoren betätigt, ein Warnsignal für eine Leistungsverschlechterung des Planiervorgangs zu erzeugen.
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Der Prozessor kann ferner dazu konfiguriert sein, den automatischen Steuerungsmodus zur Aufrechterhaltung des Anbaugeräts für den Planiervorgang nach einer vorbestimmten Zeitspanne, in der das zweite Steuersignal den einen oder die mehreren Aktuatoren betätigt, auszusetzen.
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Das Höhensignal steuert automatisch die Höhe des Laserempfängers, um beim Fahren der Arbeitsmaschine der Höhe des Lasersignals zu entsprechen.
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Das Verfahren zur automatischen Steuerung der Position eines Anbaugeräts an einer Arbeitsmaschine während eines Planiervorgangs einer Fläche beinhaltet die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt beinhaltet das Verfahren das Festlegen einer Sollplanierung, um eine gewünschte Planierung der Fläche festzulegen. Als Nächstes beinhaltet das Verfahren das Identifizieren einer Position des Anbaugeräts in Bezug auf einem vom Rahmen, von der Fläche und vom Lasersignal. Das Verfahren beinhaltet auch das Empfangen eines ersten Sensorsignals aus einem ersten Sensor, das Empfangen eines zweiten Sensorsignals aus einem zweiten Sensor, das Empfangen eines Lasersignals aus einer Laserbake und das Erzeugen eines Höhensignals basierend auf dem empfangenen Lasersignal, wobei das Höhensignal eine Position von einem des Anbaugeräts und des Rahmens relativ zum Lasersignal angibt. Das erste Sensorsignal gibt einen Winkel des Rahmens relativ zur Schwerkraftrichtung an. Das zweite Sensorsignal gibt einen Winkel des Anbaugeräts für die Bodenbearbeitung relativ zu einem vom Rahmen oder von der Schwerkraftrichtung an. Das Verfahren beinhaltet dann das Erzeugen eines ersten Steuersignals basierend auf dem Höhensignal, wobei das erste Steuersignal einen oder mehrere Aktuatoren, die das Anbaugerät mit der Arbeitsmaschine koppeln, veranlasst, das Anbaugerät beim Fahren der Arbeitsmaschine in einer Position entsprechend der Sollplanierung zu halten. Bei Fehlen des Höhensignals beinhaltet das Verfahren dann das Erzeugen eines zweiten Steuersignals basierend auf einem vom ersten Sensorsignal und vom zweiten Sensorsignal. Das zweite Steuersignal steuert den einen oder die mehreren Aktuatoren, um das Anbaugerät beim Fahren der Arbeitsmaschine in einer Position zu halten, die dem früheren Wert eines Planierprofils entspricht.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Durchführungsweisen der Lehren in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht hervor.
- 1 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Arbeitsmaschine, die als Kompaktlader gezeigt wird.
- 2 ist ein Blockdiagramm der Systemarchitektur und des Ablaufs des adaptiven Planiersteuerungssystems.
- 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur automatischen Steuerung eines Anbaugeräts an einer Arbeitsmaschine mit dem adaptiven Steuerungssystem zur Planiersteuerung.
- 4 ist ein logisches Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des adaptiven Steuerungssystems für die Planierung zeigt.
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Für den Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass Begriffe, wie z. B. „über“, „unter“, „nach oben“, „nach unten“, „obere/r/s“, „untere/r/s“ usw., deskriptiv für die Figuren verwendet werden und keine Beschränkungen des Schutzumfangs der Offenbarung, der durch die anhängigen Ansprüche definiert wird, darstellen. Des Weiteren können die Lehren hier hinsichtlich funktionaler und/oder logischer Blockkomponenten und/oder verschiedener Verarbeitungsschritte beschrieben werden. Es versteht sich, dass solche Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl an Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten, die zur Durchführung der angegebenen Funktionen konfiguriert sind, gebildet sein können.
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Begriffe hinsichtlich eines Grads, wie z. B. „allgemein“, „im Wesentlichen“ oder „ungefähr“ beziehen sich gemäß dem Verständnis des Durchschnittsfachmanns auf angemessene Bereiche außerhalb eines angegebenen Werts oder einer angegebenen Ausrichtung, z. B. allgemeine Toleranzen oder Positionsbeziehungen, die mit der Herstellung, Montage und Verwendung der beschriebenen Ausführungsformen verbunden sind.
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Darüber hinaus ist der hier verwendete Begriff „oder“ ein umfassender „oder“-Operator und entspricht dem Begriff „und/oder“, es sei denn, aus dem Kontext ergibt sich eindeutig etwas anderes. Der Begriff „basierend auf“ ist nicht ausschließlich und kann auf zusätzlichen, nicht beschriebenen Faktoren beruhen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
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So wie hier verwendet, geben Listen mit Elementen, die durch Bindewörter (z. B. „und“) getrennt werden und denen des Weiteren die Formulierung „eines oder mehrere von“ oder „mindestens eines von“ vorangestellt ist, insofern sie nicht anderweitig beschränkt oder modifiziert werden, Konfigurationen oder Anordnungen an, die möglicherweise einzelne Elemente der Liste oder eine beliebige Kombination daraus umfassen. Beispielsweise geben „mindestens eines von A, B und C“ oder „eines oder mehrere von A, B und C“ die Möglichkeiten von lediglich A, lediglich B, lediglich C oder eine beliebige Kombination aus zwei oder mehr von A, B und C (z. B. A und B; B und C; A und C; oder A, B und C) an.
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Der hier verwendete Begriff „Steuervorrichtung“ 10 soll in Übereinstimmung mit der Verwendung des Begriffs durch einen Fachmann verwendet werden und bezieht sich auf eine Computerkomponente mit Verarbeitungs-, Speicher- und Kommunikationsfähigkeiten, die verwendet wird, um Anweisungen auszuführen (d. h. im Speicher 20 gespeichert sind oder über die Kommunikationsfähigkeiten empfangen werden), um eine oder mehrere andere Komponenten zu steuern oder mit ihnen zu kommunizieren. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Steuervorrichtung 10 dazu konfiguriert sein, Eingangssignale in verschiedenen Formaten (z. B. als Hydrauliksignale, Spannungssignale, Stromsignale, CAN-Nachrichten, optische Signale, Funksignale) zu empfangen und Befehls- oder Kommunikationssignale in verschiedenen Formaten (z. B. als Hydrauliksignale, Spannungssignale, Stromsignale, CAN-Nachrichten, optische Signale, Funksignale) auszugeben.
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Die Steuervorrichtung 10 kann mit anderen Komponenten an der Arbeitsmaschine 100 wie beispielsweise hydraulischen Komponenten, elektrischen Komponenten und Bedienereingaben in einer Bedienerstation einer zugehörigen Arbeitsmaschine in Kommunikation stehen. Die Steuervorrichtung 10 kann beispielsweise über einen Kabelbaum mit diesen anderen Komponenten elektrisch verbunden sein, sodass Nachrichten, Befehle und elektrische Leistung zwischen der Steuervorrichtung 10 und den anderen Komponenten übertragen werden können. Obgleich die Steuervorrichtung 10 im Singular angeführt ist, können bei alternativen Ausführungsformen die Konfiguration und die Funktionalität, die hier beschrieben werden, unter Verwendung von einem Durchschnittsfachmann bekannten Techniken auf mehrere Vorrichtungen aufgeteilt sein. Die Steuervorrichtung 10 enthält den greifbaren, nichtflüchtigen Speicher 20, in dem computerausführbare Anweisungen einschließlich eines adaptiven Steueralgorithmus aufgezeichnet sind. Der Prozessor 30 der Steuervorrichtung 10 ist dazu konfiguriert, den adaptiven Steueralgorithmus 40 auszuführen.
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Die Steuervorrichtung 10 kann als ein oder mehrere digitale Computer oder Host-Maschinen mit jeweils einem oder mehreren Prozessoren, Festwertspeicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM), elektrisch programmierbarem Festwertspeicher (EPROM), optischen Laufwerken, magnetischen Laufwerken usw., einem Hochgeschwindigkeitstaktgeber, einer Analog/Digital-Schaltungsanordnung (A/D-Schaltungsanordnung), einer Digital/Analog-Schaltungsanordnung (D/A-Schaltungsanordnung) und beliebigen erforderlichen Eingabe/Ausgabe-Schaltungsanordnungen (I/O-Schaltungsanordnungen) sowie Kommunikationsschnittstellen und Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik ausgestaltet sein.
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Der computerlesbare Speicher 20 kann ein beliebiges nichtflüchtiges/greifbares Medium umfassen, das an der Bereitstellung von Daten oder computerlesbaren Anweisungen beteiligt ist. Der Speicher 20 kann nichtflüchtig oder flüchtig sein. Nichtflüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Platten und anderen persistenten Speicher beinhalten. Beispielhafte flüchtige Medien können dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM), der einen Hauptspeicher bilden kann, beinhalten. Andere Beispiele für Ausführungsformen für den Speicher 20 beinhalten Disketten, flexible Platten oder Festplatten, Magnetband oder andere magnetische Medien, eine CD-ROM, DVD und/oder irgendein anderes optisches Medium sowie andere mögliche Speichervorrichtungen wie z. B. Flashspeicher.
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So kann ein Verfahren 300 als Programm oder Algorithmus 40 realisiert sein, das/der auf der Steuervorrichtung 10 ausführbar ist. Es sollte auf der Hand liegen, dass die Steuervorrichtung 10 eine beliebige Vorrichtung beinhalten kann, die in der Lage ist, Daten aus verschiedenen Sensoren zu analysieren, Daten zu vergleichen, Entscheidungen zu treffen und die erforderlichen Aufgaben auszuführen.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen, zeigt 1 eine Seitenansicht einer Arbeitsmaschine 100, die als Kompaktlader mit einem Anbaugerät 105 dargestellt ist, das betriebsmäßig mit der Arbeitsmaschine 100 gekoppelt ist. Es verseht sich jedoch, dass die Arbeitsmaschine 100 eine von vielen Arten von Arbeitsmaschinen sein kann, einschließlich und ohne Einschränkung eines Kompaktladers, eines Baggerladers, eines Frontladers, eines Bulldozers und anderer Bau- oder landwirtschaftlicher Fahrzeuge mit Planierfähigkeit. Die abgebildete Arbeitsmaschine 100 weist einen Rahmen 110 mit einem vorderen Abschnitt und einem hinteren Abschnitt 125 auf. Die Arbeitsmaschine 100 enthält einen Mechanismus zur Bodenbearbeitung 155, der den Rahmen 110 stützt, und eine Bedienerkabine 160, die auf dem Rahmen 110 gestützt wird. Die Bedienerkabine 160 ist optional, falls die Kabine aus der Ferne und/oder autonom betrieben wird. Der Mechanismus zur Bodenbearbeitung 155 kann dazu konfiguriert sein, den Rahmen 110 auf einer Fläche 135 zu tragen. Die Arbeitsmaschine100 kann so betrieben werden, dass sie in den Boden eingreift und Material schneidet und bewegt, um einfache oder komplexe Bodenmerkmale auf dem Boden zu erzeugen. Die Richtung in Bezug auf die Arbeitsmaschine ist hier die Richtung, in die der Bediener blickt. Die Arbeitsmaschine kann Bewegungen in drei Richtungen und Drehungen in drei Richtungen erfahren. Die Richtung der Arbeitsmaschine kann auch in Bezug auf die Länge 45 oder die Längsrichtung, die Breite 50 oder die Querrichtung und die Vertikale 55 der Vertikalrichtung angegeben werden. Die Drehung der Arbeitsmaschine kann als Rollen oder Rollrichtung 60, Nicken 65 oder Nickrichtung und Gieren 70 oder Gierrichtung oder Kurs bezeichnet werden.
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Eine Energiequelle ist mit dem Rahmen 110 gekoppelt und kann die Arbeitsmaschine 100 bewegen. Die dargestellte Arbeitsmaschine 100 enthält Räder, aber andere Ausführungsformen können ein(e) oder mehrere Ketten oder Räder enthalten, die mit der Fläche 135 in Eingriff gelangen. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Mechanismus zur Bodenbearbeitung 155 auf der linken Seite der Arbeitsmaschine 100 mit einer anderen Geschwindigkeit oder in einer anderen Richtung als der Mechanismus zur Bodenbearbeitung 155 auf der rechten Seite der Arbeitsmaschine 100 betrieben werden.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, umfasst die Arbeitsmaschine 100 die Auslegeranordnung 170, die mit dem Rahmen 110 gekoppelt ist. Das Anbaugerät 105 (kann auch als Arbeitsgerät bezeichnet werden) kann mit einem vorderen Teil der Auslegeranordnung 170 (z. B. einem Schild) gekoppelt sein, während der hintere Teil der Auslegeranordnung 170 schwenkbar mit dem Rahmen 110 gekoppelt ist. Das Anbaugerät 105 am vorderen Teil der Auslegeranordnung 170 kann über eine Anbaugerätekupplung (nicht gezeigt), eine Industriestandardkonfiguration oder eine universell für viele Deere-Anbaugeräte und verschiedene Anbaugeräte auf dem Nachrüstungsmarkt verwendbare Kupplung gekoppelt werden.
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Die Auslegeranordnung 170 der beispielhaften Ausführungsform umfasst ein erstes Paar von Auslegerarmen 175 (jeweils einen auf einer linken und einer rechten Seite), die schwenkbar mit dem Rahmen 110 gekoppelt und durch ein Paar hydraulischer Auslegeraktuatoren (nicht gezeigt) relativ zum Rahmen 110 bewegbar sind. Während eines Planiervorgangs bleiben die Auslegerarme 175 feststehend. Der Anbaugerätekoppler ist mit einem vorderen Abschnitt der Auslegerarme 175 gekoppelt und durch ein Paar von Nick-/Hubaktuatoren 185 relativ zum Rahmen 110 bewegbar. Der Rahmen 110 der Arbeitsmaschine 100 umfasst ferner einen Hilfsanschluss am vorderen Teil der Arbeitsmaschine, um einen oder mehrere hydraulische Hilfsaktuatoren (d. h. hydraulische Aktuatoren, die sich an dem Anbaugerät befinden) zu koppeln, um die Bewegung eines Anbaugeräts anzutreiben oder dessen Hilfsfunktionen zu betätigen. Die Anbaugerätekupplung (nicht gezeigt) ermöglicht die mechanische Kopplung des Anbaugeräts 105 mit dem Rahmen 110. Der Hilfsanschluss 195 ermöglicht im Gegensatz zur Anbaugerätekupplung die hydraulische Kopplung von hydraulischen Schwenkantrieben 198 an dem Anbaugerät 105 mit dem Hydrauliksystem. Die hydraulischen Schwenkaktuatoren 198 am Anbaugerät 105 (z. B. ein Planierschild) enthalten einen einzelnen hydraulischen Kippaktuator 187 und ein Paar von hydraulischen Schwenkaktuatoren 198. Der hydraulische Kippaktuator 187 kippt das Anbaugerät 105 relativ zur Arbeitsmaschine 100, was auch als Bewegen des Anbaugeräts 105 in Rollrichtung 60 bezeichnet werden kann. Das heißt, das Betätigen der hydraulischen Schwenkaktuatoren 198 (insbesondere des hydraulischen Kippaktuators 187) betätigt das Anbaugerät und kippt das Anbaugerät in eine radiale Bewegung um den vorderen Teil der Auslegeranordnung 170. Die beiden hydraulischen Schwenkaktuatoren 198 ermöglichen es dem Anbaugerät 105, sich in Gierrichtung 70 zu bewegen oder das Anbaugerät 1050 relativ zum Rahmen 110 in Gierrichtung 70 zu neigen.
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2 ist ein Blockdiagramm der Systemarchitektur der Arbeitsmaschine und des Ablaufs des adaptiven Steuerungssystems 200 für die Planiersteuerung. Ein bekanntes System für die Planiersteuerung wird von Deere & Company in Moline, Illinois, als Integrated Grade Control (IGC)-System angeboten, bei dem es sich im Allgemeinen um ein Schildsteuerungssystem handelt, das eine Kombination aus Sensoreingaben (z. B. GPS) und gespeicherten Daten (z. B. Karten) verwendet. Das IGC-System kann auch die Steuerung einer Anfangsposition durch den Bediener ermöglichen, wie z. B. die Anfangshöhe eines Schildanbaugeräts. Das IGC-System kann auch eine Kombination aus Bediener- und automatisierter Positionssteuerung ermöglichen. Beispielsweise kann der Winkel des Schildanbaugeräts anfänglich oder kontinuierlich durch Bediener über eine Benutzeroberfläche gesteuert werden, und die Neigung des Schilds kann automatisch gemäß den Eingaben aus Sensoren und Datenspeicherung gesteuert werden.
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Das adaptive Planiersteuerungssystem umfasst einen ersten Sensor 205, einen zweiten Sensor 210, einen Laserempfänger 215 und eine Steuervorrichtung 10. Der erste Sensor 205 ist am Rahmen 110 der Arbeitsmaschine 100 befestigt und dazu konfiguriert, ein erstes Sensorsignal 220 zu liefern, das die Bewegung und Ausrichtung des Rahmens 110 angibt. In einer alternativen Ausführungsform kann der erste Sensor 205 nicht direkt am Rahmen 110 befestigt, sondern stattdessen über Zwischenkomponenten oder -strukturen mit dem Rahmen verbunden sein. Bei dieser alternativen Ausführungsform ist der erste Sensor 205 nicht direkt am Rahmen 110 befestigt, aber dennoch an einer festen relativen Position mit dem Rahmen verbunden, sodass er die gleiche Bewegung wie der Rahmen 110 erfährt. Der erste Sensor 205 ist dazu konfiguriert, ein erstes Sensorsignal 220 zu erzeugen, das einen Winkel des Rahmens relativ zur Schwerkraftrichtung, d. h. eine Winkelmessung in Nickrichtung 65, angibt. Dieses erste Sensorsignal 220 kann als Rahmenneigungssignal bezeichnet werden. Die Steuervorrichtung 10 kann ein Arbeitsgerät basierend auf dem Rahmenneigungswinkel betätigen. Der erste Sensor 205 kann auch dazu konfiguriert sein, ein erstes Sensorsignal 220 oder Sensorsignale zu liefern, das/die andere Positionen oder Geschwindigkeiten des Rahmens 110 angeben, einschließlich dessen Winkelposition, Geschwindigkeit oder Beschleunigung in einer Richtung wie der Rollrichtung 60, Nickrichtung 65, Gierrichtung 70 oder seiner linearen Beschleunigung in einer Richtung wie der Längenrichtung 45, Breitenrichtung 50 und Vertikalrichtung 55. Der erste Sensor 205 kann dazu konfiguriert sein, direkt die Neigung zu messen, die Winkelgeschwindigkeit zu messen und zu integrieren, um die Neigung zu erhalten, oder die Neigung zu messen und daraus die Winkelgeschwindigkeit abzuleiten.
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Der zweite Sensor 210 kann ein Schildneigungssignal liefern, das den Winkel des Schilds relativ zur Schwerkraft 220 angibt. Der zweite Sensor 210 ist dazu konfiguriert, ein zweites Sensorsignal 225 zu erzeugen, das einen Winkel des Anbaugeräts für die Bodenbearbeitung 105 relativ zu einem des Rahmens 110 und der Schwerkraftrichtung angibt. Der zweite Sensor 210 ist am Anbaugerät 105 (hier als Beispielausführung als Schild dargestellt) befestigt. Der zweite Sensor 205 kann wie der erste Sensor 205 dazu konfiguriert sein, die Winkelposition (Neigung oder Ausrichtung), die Geschwindigkeit, die Beschleunigung oder die Linearbeschleunigung zu messen. In alternativen Ausführungsformen kann der zweite Sensor 210 dazu konfiguriert sein, stattdessen einen Gestängewinkel, z. B. einen Winkel zwischen der Auslegeranordnung 170 und dem Rahmen 110, zu messen, um eine Position des Anbaugeräts 105 zu bestimmen. In alternativen Ausführungsformen ist der zweite Sensor 210 eventuell nicht direkt am Anbaugerät 105 befestigt, sondern stattdessen über Zwischenkomponenten oder -strukturen mit dem Anbaugerät 105 verbunden. In diesen alternativen Ausführungsformen ist der zweite Sensor 210 nicht direkt am Anbaugerät 105 befestigt, aber dennoch mit dem Anbaugerät in einer festen relativen Position verbunden, sodass er dieselbe Bewegung wie das Anbaugerät erfährt.
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Der Laserempfänger 215 ist dazu konfiguriert, ein Lasersignal 235 aus einer Laserbake 237 zu empfangen. Der Laserempfänger 215 erzeugt ein Höhensignal 240 basierend auf dem Lasersignal 235, wobei das Höhensignal 240 eine Position von einem des Anbaugeräts 105 und des Rahmens 110 relativ zur Laserbake 237 angibt. Der Laserempfänger 215, der sich an einem Lasermast 115 befindet und das Lasersignal 235 aus der Laserbake 237 erfasst, kann dazu konfiguriert sein, die Höhe der Arbeitsmaschine 100 relativ zur Laserbake 237 zu überwachen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Laserbake 237 dazu konfiguriert sein, ein Lasersignal 235 zu liefern, z. B. einen Laserstrahl mit geringer Intensität, der über eine Baustelle geführt werden kann, um eine Laserebene zu definieren. Die Laserbake 237 kann an einer vorgewählten Koordinatenposition mit der Baustelle 245 positioniert sein. Der Laserstrahl kann die Laserebene über der Baustelle in einer vorgegebenen Höhenposition definieren, wobei die Laserebene im Wesentlichen parallel zu einer gewünschten Flächenplanierung verläuft. Der Abstand zwischen der Laserebene und der Sollplanierung kann dabei eine Höhenkoordinatenposition in Vertikalrichtung 55 festlegen.
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Die Steuervorrichtung 10 verfügt über ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium mit Programmanweisungen 40 zum Planieren der Fläche 135, wobei die Programmanweisungen 40 bei ihrer Ausführung einen Prozessor 30 der Steuervorrichtung 10 veranlassen, die folgenden Schritte durchzuführen. Der Prozessor 30 legt eine Sollplanierung 305 basierend auf einer gewünschten Planierung der Fläche 135 fest und ermittelt anschließend eine Position des Anbaugeräts 105 in Bezug auf eines des Rahmens 110, der Fläche 135 und des Lasersignals 235. Der Prozessor 30 kann dann das erste Sensorsignal 220 aus dem ersten Sensor 205, das zweite Sensorsignal 225 aus dem zweiten Sensor 210 und das Lasersignal 235 aus der Laserbake 237 empfangen. Der Prozessor 30 kann dann ein erstes Steuersignal 335 basierend auf dem Höhensignal 240 erzeugen, wobei das erste Steuersignal 335 einen oder mehrere Aktuatoren 197, die das Anbaugerät mit der Arbeitsmaschine koppeln, veranlasst, das Anbaugerät 105 in einer Position zu halten, die der Sollplanierung 305 entspricht, während die Arbeitsmaschine 100 eine Baustelle 245 abfährt. In der offenbarten Ausführungsform umfasst der eine oder die mehreren Aktuatoren 197 die Nick- oder Hubaktuatoren 185, die hydraulischen Kippaktuatoren 187 und die hydraulischen Schwenkaktuatoren 198. Andere Maschinen können einen anderen Satz von Aktuatoren enthalten, die das Anbaugerät zum Betrieb des Gestängekinematik mit der Arbeitsmaschine koppeln.
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Bei Fehlen des Höhensignals 240 kann der Prozessor 30 ein zweites Steuersignal 340 basierend auf einem des ersten Sensorsignals 220 und des zweiten Sensorsignals 225 erzeugen, wobei das zweite Steuersignal 340 einen oder mehrere Aktuatoren 197, die das Anbaugerät mit der Arbeitsmaschine koppeln, veranlasst, das Anbaugerät 105 in einer Position zu halten, die dem früheren Wert 284 des Planierprofils 262 (z. B. Querneigung und Gradiente) des Anbaugeräts 105 entspricht, während die Arbeitsmaschine 100 eine Baustelle abfährt. Die Gradiente kann die Neigung sein, in die sich die Arbeitsmaschine bewegt. In anderen Ausführungsformen kann das zweite Steuersignal 340 außer aus einem früheren Wert 284 auch auf andere Weise ermittelt werden. Der frühere Wert 284 des Planierprofils 262 umfasst eines von einer Momentaufnahme in der Gegenwart, in der unmittelbaren Vergangenheit, in der Vergangenheit oder alternativ in einem vergangenen Zeitabschnitt. In einer Ausführungsform kann das zweite Steuersignal 260 auf einem gefilterten Wert oder einem Kalman-Filter oder anderen Sensorfusionen basieren. In einer anderen Ausführungsform kann das zweite Steuersignal 260 beispielsweise auf einem Algorithmus basieren, der die Neigung des Lasersignals 235 (d. h. der Laserebene) und die Bewegung der Arbeitsmaschine 100 verfolgt und anschließend den ersten Sensor 205 und den zweiten Sensor 210 (z. B. die IMUs) verwendet, um die Bewegung der Arbeitsmaschine bei Fehler des Lasersignals 235 relativ zu einer abgesteckten Laserebene vorherzusagen. Alternativ kann das zweite Steuersignal 340 auf einem des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals und der Kinematik zwischen dem Rahmen und dem Anbaugerät basieren, um die Höhenabweichung des Arbeitsgeräts von den früheren Werten der Laserebene, z. B. mittels eines Kalman-Filters, zu schätzen und zu steuern.
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In dieser besonderen Ausführungsform umfasst der Laserempfänger 215 einen ersten Empfänger 275 und einen zweiten Empfänger 280, wobei die Empfänger jeweils an einem ersten Lasermast 115 bzw. einem zweiten Lasermast 115 angeordnet sind. Die Lasermasten 115 erstrecken sich von einer relativ zum Rahmen 110 fixierten Stelle nach oben. Der erste Empfänger 275 und der zweite Empfänger 280 erzeugen ein erstes Höhensignal 240a bzw. ein zweites Höhensignal 240b. Das erste Höhensignal 240a und das zweite Höhensignal 240b ermöglichen es der Steuervorrichtung 10, eines oder mehrere der Attribute eines Planierprofils 262 (wie Querneigung und Gradiente) des Anbaugeräts 105 zu berechnen. Wenn entweder das erste Höhensignal 240a oder das zweite Höhensignal 240b unterbrochen ist, erzeugt die Steuervorrichtung 10 das zweite Steuersignal 340 basierend auf dem ersten Sensorsignal 220, dem zweiten Sensorsignal 225 und dem verbleibenden Höhensignal. Das Höhensignal (240a, 240b) kann möglicherweise die Höhe des Laserempfängers 280 automatisch so steuern, dass es der Höhe eines Lasersignals beim Fahren der Arbeitsmaschine 100 entspricht.
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Der frühere Wert 284 kann aus einem vorbestimmten Zeitraum 285 abgeleitet werden. Der Prozessor 30 zeichnet die Ausgaben des ersten Sensors 205 und des zweiten Sensors 210 (z. B. Querneigung und Gradiente) auf, indem er eine Folge von Mittelwerten aufeinanderfolgender Zahlen über einen bestimmten Zeitraum ermittelt und dadurch kurzzeitige Schwankungen ausgleicht und Trends im Planierprofil 262 (z. B. Querneigung und Gradiente) verdeutlicht. Alternativ kann der frühere Wert 284 aus einem vorbestimmten Toleranzband 286 abgeleitet werden, wodurch Ausreißer ignoriert werden. In einer anderen Ausführungsform kann der frühere Wert 284 aus einer vorbestimmten Anzahl von Durchgängen 287 ermittelt werden, die die Arbeitsmaschine beim Planieren einer Fläche 135 durchführt. Beispielsweise kann ein letzter Durchgang über eine Fläche eine höhere Abtastrate als ein erster Durchgang erfordern.
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Der frühere Wert 284 kann aus einer Abtastrate ermittelt werden, die entweder von einer Baustellenbedingung 287 oder der Auftragsfunktion 289 abhängt. Zum Beispiel kann eine architektonische Planierung große Änderungen der Konturen eines Grundstücks für eine Wohnbebauung erfordern. Bei der Landschaftsgestaltung oder der Entwicklung von Rasenflächen kann es hingegen erforderlich sein, ein Gefälle festzulegen, um einen gewünschten Entwässerungsfluss durch Grobplanierung zu erreichen. Beim Feinplanieren, d. h. bei der abschließenden Bearbeitung einer Fläche durch Entfernen großer Erd-, Stein- oder Schuttbrocken, ist unter Umständen eine größere Genauigkeit und damit eine höhere Abtastrate erforderlich. Dies sind nur einige Beispiele für mehrere Anwendungen bei der Erfassung eines laufenden Mittelwerts des Planierprofils 262 unter Verwendung des ersten Sensors 205 und des zweiten Sensors 210 bei einem Planiervorgang.
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Die Steuervorrichtung 10 kann ferner dazu konfiguriert sein, den automatischen Steuerungsmodus 438, bei dem das Anbaugerät 105 in einer Position gehalten wird, nach einer Zeitspanne auszusetzen, in der das zweite Steuersignal 340 den einen oder die mehreren Aktuatoren 197 bedient. Falls der Laserempfänger 215 weiterhin, z. B. durch Beschädigung, ausfällt, oder falls die Laserbake 237 ihren Betrieb einstellt, sodass über einen längeren Zeitraum kein Lasersignal mehr übertragen wird, kann der automatische Steuerungsmodus 438 ausgesetzt werden. Alternativ kann die Steuervorrichtung 10 den Bediener über die Arbeitsverschlechterung informieren und ihm die Entscheidung überlassen, ob die Planiersteuerung unterbrochen werden soll.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur automatischen Steuerung der Position eines Anbaugeräts 105 an einer Arbeitsmaschine 100 während eines Planiervorgangs einer Fläche 135, wobei das Anbaugerät 105 über eine Auslegeranordnung 170 bewegbar mit dem Rahmen 110 gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte. In Schritt 305 beinhaltet das Verfahren das Festlegen einer Sollplanierung, um eine gewünschte Planierung der Fläche festzulegen. Als Nächstes, in Schritt 310, erfordert das Verfahren 300 das Identifizieren einer Position des Anbaugeräts 105 in Bezug auf entweder den Rahmen 110, die Fläche 135 oder das Lasersignal 235. Anschließend, in Schritt 315, umfasst das Verfahren 300 das Empfangen eines ersten Sensorsignals 220 aus einem ersten Sensor 205, wobei das erste Sensorsignal 220 einen Winkel des Rahmens 110 relativ zur Schwerkraftrichtung angibt. Dann, in Schritt 320, umfasst das Verfahren 300 das Empfangen eines zweiten Sensorsignals 225 aus einem zweiten Sensor 210, das einen Winkel des Anbaugeräts für die Bodenbearbeitung 105 in Bezug auf eines des Rahmens 110 und der Schwerkraftrichtung angibt. Im nächsten Schritt 325 wird ein Lasersignal 235 aus einer Laserbake 237 empfangen. In Schritt 330 beinhaltet das Verfahren 300 das Erzeugen eines Höhensignals 240 basierend auf dem Lasersignal 235, wobei das Höhensignal 240 eine Position von einem des Anbaugeräts 105 und des Rahmens 110 relativ zum Lasersignal 220 angibt. In Schritt 335 beinhaltet das Verfahren 300 dann das Erzeugen eines ersten Steuersignals 255 basierend auf dem Höhensignal 240, wobei das erste Steuersignal 255 einen oder mehrere Aktuatoren 197, die das Anbaugerät mit der Arbeitsmaschine koppeln, dazu veranlasst, das Anbaugerät 105 in einer Position zu halten, die der Sollplanierung 305 entspricht, während die Arbeitsmaschine 100 die Baustelle 245 abfährt. Schließlich beinhaltet das Verfahren in Schritt 340 das Erzeugen eines zweiten Steuersignals 340 basierend auf einem des ersten Sensorsignals 220 und des zweiten Sensorsignals 225 bei Fehlen des Höhensignals 240, wobei das zweite Steuersignal 340 den einen oder die mehreren Aktuatoren 197 betätigt, um das Anbaugerät 105 in einer Position zu halten, die dem früheren Wert 284 eines Planierprofils (z. B. Querneigung und Gradiente) entspricht, während die Arbeitsmaschine 100 eine Baustelle 245 abfährt.
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4 zeigt ein logisches Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des adaptiven Steuerungssystems zur Planiersteuerung 200 veranschaulicht. Das System 200 beinhaltet eine Reihe von Verarbeitungsanweisungen oder -schritten, die in Form eines Flussdiagramms dargestellt sind. Der Prozess beginnt bei 410, wo das Planierprofil 262 des Anbaugeräts 105 (z. B. Querneigung und Gradiente) berechnet wird. Einzelne Eingaben für Schritt 410 beinhalten den ersten Laserempfänger 215 (auch als LR1 bezeichnet), der ein erstes Lasersignal 235 aus einer Laserbake in Schritt 402 empfängt, den zweiten Laserempfänger 215 (auch als LR2 bezeichnet), der ein zweites Lasersignal 235 aus der Laserbake 237 in Schritt 404, ein erstes Sensorsignal 220 aus einem ersten Sensor 205 in Schritt 406 und ein zweites Sensorsignal 225 aus einem zweiten Sensor 210 in Schritt 408 empfängt. In Schritt 410, während der Systemeinrichtung, gibt ein Benutzer, ein Bediener, ein Baustellenplan oder eine andere Person Informationen in Zusammenhang mit dem Planiersteuerungssystem 200 ein, und es wird eine Sollplanierung eingegeben. Schritt 410 beinhaltet auch das Berechnen des früheren Wertes 284 eines oder mehrerer der Planierprofile 262 basierend auf der Zeit 285, Toleranz 286, Anzahl der Durchgänge 287, Baustellenbedingung 288 oder Auftragsfunktion 289. Die Informationen bezüglich des Höhenprofils 262 aus dem ersten Sensor 205 und dem zweiten Sensor 210 werden im Speicher 20 abgelegt. In Schritt 418, falls der erste Laserempfänger 275 ein Höhensignal 240a erzeugt, setzt die Logik den Wert in Schritt 422 auf Wahr. Liegt jedoch ein Hindernis oder ein Geräteausfall vor, der dazu führt, dass kein Höhensignal erzeugt wird, setzt die Logik den Wert in Schritt 424 auf Falsch. Analog, falls in Schritt 412 der zweite Laserempfänger 280 (auch als LR2 bezeichnet) ein Höhensignal 240b erzeugt, setzt die Logik den Wert in 416 auf Wahr. Wird jedoch kein Höhensignal erzeugt, setzt die Logik den Wert in Schritt 414 auf Falsch. In Schritt 424 bestimmt die Logik, ob der erste Laserempfänger 275 und der zweite Laserempfänger 280 den Wert „Wahr“ aufweisen. Wenn beide wahr sind, geht die Logik zu Schritt 426 über und erzeugt ein erstes Steuersignal 255 für das Hydrauliksystem basierend auf den beiden Höhensignalen 240 für die Planiersteuerung. Falls jedoch entweder der erste Laserempfänger 275 oder der zweite Laserempfänger 280 den Wert „Falsch“ aufweist, beginnt in Schritt 428 ein Zeitzähler. Falls das Lasersignal 235 in Schritt 432 und 436 länger als eine bestimmte Zeitspanne (z. B. 60 Sekunden) unterbrochen ist, wird entweder der automatische Steuerungsmodus ausgesetzt oder der Bediener über die Leistungsverschlechterung informiert 438. Falls das Lasersignal 235 weniger als die in Schritt 432 und 436 angegebene Zeitspanne (z. B. 60 Sekunden) unterbrochen ist, wird ein alternatives Steuersignal erzeugt. In Schritt 434 wird ein zweites Steuersignal 260 erzeugt, falls sowohl der erste 275 als auch der zweite Laserempfänger 280 den Wert „Falsch“ aufweisen, wobei das zweite Steuersignal 260 auf dem ersten Sensorsignal 220 und dem zweiten Sensorsignal 225 basiert. Falls jedoch nur ein Laserempfänger den Wert „Falsch“ und der andere den Wert „Wahr“ aufweist, wird in Schritt 440 ein drittes Steuersignal 440 basierend auf dem Laserempfänger mit dem Wert „Wahr“ und dem alternativen Sensorsignal erzeugt.
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Das hier offenbarte adaptive Steuerungssystem und -verfahren zur Planiersteuerung weist bestimmte Vorteile auf. Vor allem kann das System die Genauigkeit und Kontinuität des Planiervorgangs aufrechterhalten und dadurch Ineffizienzen im Prozess beseitigen. Darüber hinaus ermöglicht das System den automatisierten Betrieb einer Arbeitsmaschine, indem es Funktionsstörungen beseitigt, ohne dass ein Bediener in der Arbeitsmaschine anwesend sein muss.
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Der Begriff „z. B.“ wird hier verwendet, um nicht erschöpfende Beispiele aufzulisten, und hat dieselbe Bedeutung wie alternative illustrative Ausdrücke wie „einschließlich“, „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“ und „einschließlich ohne Einschränkung“. Sofern hier nicht anderweitig eingeschränkt oder abgeändert, bezeichnen Listen mit Elementen, die durch Bindewörter (z. B. „und“) getrennt sind und denen der Ausdruck „eines oder mehrere von“, „mindestens eines von“, „mindestens“ oder ein ähnlicher Ausdruck vorangestellt ist, Ausbildungen oder Anordnungen, die möglicherweise einzelne Elemente der Liste oder eine beliebige Kombination davon beinhalten. Beispielsweise weisen „mindestens eines von A, B und C“ und „eines oder mehrere von A, B und C“ jeweils auf die Möglichkeit hin, dass nur A, nur B, nur C oder eine beliebige Kombination von zwei oder mehr von A, B und C (A und B; A und C; B und C; oder A, B und C) vorliegt. Die Singularformen „ein/e/r“ und „der/die/das“, wie hier verwendet, sollen auch die Pluralformen umfassen, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas Anderes an. Ferner sollen „umfasst“, „beinhaltet“, „enthält“ und ähnliche Ausdrücke das Vorhandensein bestimmter Merkmale, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten angeben, schließen aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus.
