EP0907805B1 - Verfahren und anordnung zur überwachung des arbeitsbereiches beim bewegen eines fortbewegbaren arbeitsgerätes - Google Patents

Verfahren und anordnung zur überwachung des arbeitsbereiches beim bewegen eines fortbewegbaren arbeitsgerätes Download PDF

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EP0907805B1
EP0907805B1 EP97921629A EP97921629A EP0907805B1 EP 0907805 B1 EP0907805 B1 EP 0907805B1 EP 97921629 A EP97921629 A EP 97921629A EP 97921629 A EP97921629 A EP 97921629A EP 0907805 B1 EP0907805 B1 EP 0907805B1
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EP
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machine
azu
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monitoring
permissible
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Uwe Wienkop
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Siemens AG
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant

Definitions

  • US-A-5,490,081 discloses a method for monitoring an area of application of an implement is known. At This method is a speed of the implement automatically controlled at the boundaries of the work area.
  • Such a monitoring process is difficult because today, for example, with excavators, the individual Axles and the drive of the excavator are typically manually controlled by a Device operator controlled. Here it is particularly in narrow work areas, such as B. when excavating a construction pit between two houses, etc. easily possible that the excavator collides with an obstacle when turning or driving. On Another problem is that an attachment of such Device, such as a shovel or other movable boom, in contact with an obstacle causing a collision.
  • the object underlying the invention is therefore in stating another arrangement and method, with which the monitoring of the work area of a moving work equipment is possible.
  • the movements on the implement are also particularly advantageous attached attachments monitored to determine whether a boom or another movable part, which attached to the implement threatens the work area to leave. It can preferably be provided for this case be the movements of the boom automatically to the predetermined Limit work area.
  • the data which is used for Evaluation of the position and location of the device and its Attachments required are preferred by on the device Angle sensors or similar provided for control measures Sensors submitted and evaluated.
  • collisions with obstacles can be avoided by defining the work area so that it does not contain obstacles, or that it definitely contains them circumscribes.
  • a reference position is preferred at the start of a work process ingested and changes in movement of the implement and any existing attachments, for example by emitting signals from rotary encoders, registered so that an exact statement can be made at any time can be in what position the implement and any attachments provided. In simple This way it can be ensured that no part of the device leaves the work area. Designed to be particularly simple this monitoring, if the kinematics of the device or existing attachments are taken into account, as the kinematics only certain movements are allowed and therefore not all theoretically conceivable movements must be examined, but only those which are due to the kinematics of the device and its attachments are possible.
  • the work area is particularly advantageous and allowable work volume in the form of a teach-in procedure given, for example, an operator once the entire work volume runs off and attachments, for example according to the defined and permitted work volume moved so that the entire resulting from it Control processes in a control unit of the implement can be saved in order to use it for later work To be able to make comparisons.
  • the data on the permissible can be particularly advantageous Work area but also in the form of CAD design data be won, since often when building buildings or tunnels anyway the exact geometry of the work area or the Surroundings of the building must be recorded and therefore an exact Description is available, which means that a teach-in process can be saved.
  • An arrangement for implementation is particularly advantageous of the method according to the invention means for determining the global position ahead and simple means of capturing Movements of the implement and occasionally existing attachments.
  • these motion sensors are in shape of rotary encoders and on a jacking axis of the device provided odometer.
  • These data are preferred by a Evaluation unit related to each other and it is determined whether a predefined work area by the implement or existing attachments are observed. This condition can be particularly advantageous in the event of violations an alarm is triggered if the working area is observed, or the control unit can monitor the movements of the device affect, which means that the unit will be stopped can, or that the movements are adjusted so that the outermost Point of the device of the contour of the working volume follows.
  • an implement AG is shown in the form of an excavator. If there is talk of excavators in the following, it should this does not mean that the invention is only on excavators is limited. Also related to the invention other land moving devices conceivable, or can the Use of agricultural equipment to be monitored. in the For example, it is related to agricultural machinery conceivable that when editing a field it is monitored whether its limits are strictly observed.
  • the excavator AG shown in FIG. 1 has antennas, for example A1 and A2 on what data from a global positioning system can be received.
  • the unit for example, is accurate to a few cm determined in which position the construction of the excavator located.
  • Axes 10 to 50 can be controlled separately. On this Suitable axes are provided, which it the Controls allow the exact position of the respective add-on parts AT to determine.
  • the Bagger AG an earth excavation can be carried out on a soil BO.
  • the described Axes 10 to 50 allow any degree of freedom.
  • Variable parameters of the device should preferably be used be monitored for all degrees of freedom of the excavator, so it is known at all times in what position the excavator is and which contour the intended, for example Attachment AT takes. About AT attachments it can be said that these are not generally movable as they are have kinematics given by their geometry. This Kinematics here is due to the degrees of freedom, for example the axes 10 to 30 indicated. If by a tax calculator or should be checked by other means whether the implement AG or an attachment a predefined Leaves work area so can by using the control the kinematics and using angle encoders or other measuring devices, which are provided on the corresponding axes, can be determined very easily which final geometry of the attachment is taken.
  • Figure 2 shows the implement AG of Figure 1 in connection with a permissible working area AZU, being essential Parts of the implement with volume elements V10 to V70 are circumscribed.
  • the use of solid elements in the Monitoring the work area AZU allows the computing effort for the calculations to be carried out, since not the real dimensions, but approximate Dimensions have to be considered. In particular then only cuboids and simple volume blocks can be expected.
  • the permissible work area AZU shown here is here represented simply as a cuboid or as a surface. There are but also any three-dimensional structures conceivable and definable.
  • an allowable work area can be entered in the form of a teach-in process, in which an operator with the work tool AG and existing ones Add-on parts the entire work area in one step, which should be allowed afterwards leaves while moving existing attachments so that they the desired Do not violate the boundary of the work area. From one Control of the device can perform the specified movements can be saved and used later during work these control positions can be updated with the device entered control positions of the operator compared become.
  • the current position of the implement AG a role that over the global positioning system is obtained and preferably in connection with everyone currently performed movement is stored.
  • the control unit If one Violation of the permissible work area occurs the control unit emits an alarm signal or cause that the device at all times with its boom AT in the permissible Working area AZU remains by controlling automatically Control commands of the operator modified.
  • the allowable work area AZU can also be specified inversely, for example, by only avoiding obstacles should be marked explicitly.
  • the permissible Work area AZU can also be entered in the form that Data from an existing CAD model of the work area available. Design data are conceivable here, for example, which is an architect when measuring the terrain and in the construction of a building or excavation has already entered, which then only the Control of the device communicated or supplied electronically Need to become.
  • the method according to the invention is preferably carried out cyclically.
  • a first step for example Position and location determination of the device by means of GPS receivers.
  • Today's high-performance systems, such as the DGPS allow accuracy in position determination of about 2 cm [Source: Trimble: 7400Msi: High precision GPS receiver for dynamic control systems].
  • Prefers can be done by attaching two antennas as shown in Figure 1 represented by A1 and A2, by comparing their positions the orientation of the implement can also be determined. Due to the positional inaccuracy of 2 cm Large excavators angular errors of about 0.4 °, this inaccuracy can, however, warn or limit possible collisions be taken into account. With large excavators, for example a range of 15 m can result in maximum inaccuracy Extend up to 12 cm at the tip of the ice bucket.
  • the Knowledge of the own position and the orientation of the implement, as well as the joint angle and the dimensions of each Elements such as the volume elements V10 up to V50 and based on the kinematics of the implement, as well its attachments the exact spatial position of the implement be determined.
  • a collision test can then preferably be carried out in a further step each one of these excavator room elements with the given one Work area. This is preferred check every time whether there is an excavator space element critically close to the work area or work volume limit approximated. But preferably also only a far point FP1 can be determined, which is for example in a suitable manner from the kinematics of the attachment and derives the implement AG. For example this is a point that is furthest away from the working device AG. Such points are shown in FIG described with FP1 and FP2. If such points are determined This ensures that there are other points on the device by no means closer to the border of the work area can be located as this.

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Description

Im vermehrten Maße wird versucht auch außerhalb dem Fertigungsbereich und automatisierter Fertigungsstraßen in anderen Bereichen, in denen die Automatisierung bisher noch nicht soweit fortgeschritten ist, ebenfalls einen höheren Grad von Automatisierung zu erzielen. Im Zusammenhang mit Landbearbeitungsgeräten, wie z. B. Traktoren, Baggern oder Erdbewegungsmaschinen, gibt es bislang allenfalls Tendenzen zur Automatisierung. Um auch in solchen Bereichen die Produktivität steigern zu können, erscheint es sinnvoll menschliche Bediener von unnötigen Arbeiten bzw. Überwachungsaufgaben zu entlasten. Ein solcher Aspekt ist beispielsweise Überwachung eines Einsatzbereiches eines solchen Arbeitsgerätes, um beispielsweise beim manuellen Bedienen des Gerätes Kollisionen mit Gegenständen in der Umgebung zuverlässig vermeiden zu können.
Aus dem Dokument US-A-5,490,081 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Einsatzbereichs eines Arbeitsgeräts bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Geschwindigkeit des Arbeitsgerätes an Grenzen des Arbeitsbereichs automatisch gesteuert.
Ein solcher Überwachungsvorgang gestaltet sich schwierig, denn heute werden beispielsweise bei Baggern die einzelnen Achsen und der Antrieb des Baggers typisch manuell durch einen Geräteführer gesteuert. Hierbei ist es insbesondere in engen Arbeitsgebieten, wie z. B. beim Ausheben einer Baugrube zwischen zwei Häusern, etc. leicht möglich, daß der Bagger bei Dreh- oder Fahrbewegungen gegen ein Hindernis stößt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß ein Anbauteil eines solchen Gerätes, wie beispielsweise eine Schaufel oder ein anderer bewegbarer Ausleger, in Kontakt mit einem Hindernis gerät und so eine Kollision herbeiführt.
Da der Trend für die Zukunft auch bei Baubearbeitungsmaschinen, Traktoren und anderen Erdbewegungsgeräten zu einem immer höheren Grad der Automatisierung führen wird, werden sich auch mit zunehmender Automatisierung immer mehr computersteuerbare Servoantriebe, oder zumindest elektrisch angesteuerte Hydraulikventile durchsetzen. Um eine definierte Bewegungssteuerung eines solchen Gerätes zu ermöglichen, sind bevorzugt einzelne Achsen dieser Fahrzeuge steuerbar und vermehrt werden auch beispielsweise Winkelgeber eingesetzt, um den Steuerungen solcher Geräte definierte Angaben über die aktuelle Lage und Position der Maschine und ihrer Ausleger geben zu können.
Bisher ist kein Stand der Technik bekannt, der sich mit der Überwachung des Arbeitsbereiches eines solchen mobilen Arbeitsgerätes befaßt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine weitere Anordnung und ein weiteres Verfahren anzugeben, mit welchen die Überwachung des Arbeitsbereiches eines fortbewegbaren Arbeitsgerätes möglich ist.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und für die Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit Hilfe eines globalen Positionierungssystems eine genaue Positionsbestimmung des Gerätes möglich ist und daß damit in einfacher Weise nämlich durch Vorgabe eines Arbeitsbereiches ein definierter Arbeitsbereich für ein Arbeitsgerät überwacht werden kann. Bevorzugt kann für den Fall daß der Arbeitsbereich droht von dem Gerät verlassen zu werden, ein Signal ausgelöst werden, welches beispielsweise die Steuerung des Gerätes veranlaßt die Bewegungen zu verlangsamen oder abzustoppen. Vorzugsweise kann auch für einen menschlichen Bediener dieses Gerätes ein Alarm ausgelöst werden, welcher dann dem Benutzer signalisiert, daß dieses möglicherweise mit einem Hindernis kollidieren kann, welches sich in der Umgebung des Arbeitsbereiches befindet.
Besonders vorteilhaft werden auch die Bewegungen am Arbeitsgerät angebrachter Anbauteile überwacht, um so feststellen zu können ob ein Ausleger oder ein anderes bewegbares Teil, welches am Arbeitsgerät angebracht ist droht, den Arbeitsbereich zu verlassen. Vorzugsweise kann es für diesen Fall vorgesehen sein, die Bewegungen des Auslegers automatisch auf den vorgegebenen Arbeitsbereich zu beschränken. Die Daten, welche zur Auswertung der Position und der Lage des Gerätes und seiner Anbauteile erforderlich sind, werden bevorzugt durch am Gerät für Steuerungsmaßnahmen vorgesehene Winkelgeber oder ähnliche Sensoren abgegeben und ausgewertet. Bevorzugt können durch das erfindungsgemäße Verfahren Kollisionen mit Hindernissen vermieden werden, indem der Arbeitsbereich so definiert wird, daß er Hindernisse nicht enthält, bzw. daß er diese definitiv umschreibt.
Bevorzugt wird beim Start eines Arbeitsvorgangs eine Referenzlage eingenommen und Bewegungsveränderungen des Arbeitsgerätes und eventuell vorhandener Anbauteile werden beispielsweise durch Abgabe von Signalen von Drehwinkelgebern, registriert, damit zu jedem Zeitpunkt eine exakte Aussage gemacht werden kann, in welcher Lage sich das Arbeitsgerät und eventuell daran vorgesehene Anbauteile befinden. Auf einfache Weise kann so sichergestellt werden, daß kein Teil des Gerätes den Arbeitsbereich verläßt. Besonders einfach gestaltet sich diese Überwachung, wenn die Kinematik des Gerätes bzw. vorhandener Anbauteile berücksichtigt wird, da die Kinematik nur bestimmte Bewegungsvorgänge erlaubt und somit nicht alle theoretisch denkbaren Bewegungen untersucht werden müssen, sondern nur solche, welche aufgrund der Kinematik des Gerätes und seiner Anbauteile möglich sind.
Um eine automatische Auswertung beim Überwachungsvorgang zu erleichtern, werden bevorzugt einzelne bewegbare Teile des Arbeitsgerätes und seiner Anbauteile durch Volumenelemente umschlossen, da so mit möglichst wenig Rechenaufwand eine gute Annäherung an den Realzustand erreicht wird und zusätzlich noch der Vorteil erzielt wird, daß ein Sicherheitsabstand zu der Grenze des Arbeitsbereiches dadurch erreicht werden kann, daß die Volumenelemente, welche umschreiben vergrößert vorgegeben werden.
Besonders vorteilhaft wird der Arbeitsbereich, bzw. das erlaubte und zulässige Arbeitsvolumen in Form eines teach-in-Verfahrens vorgegeben, wobei beispielsweise ein Bediener einmal das gesamte Arbeitsvolumen abfährt und beispielsweise Anbauteile entsprechend dem definierten und erlaubten Arbeitsvolumen bewegt, so daß sich die gesamten daraus ergebenden Steuerungsvorgänge in einer Steuerungseinheit des Arbeitsgerätes abspeichern lassen, um damit für den späteren Arbeitseinsatz Vergleiche durchführen zu können.
Besonders vorteilhaft können die Daten über den zulässigen Arbeitsbereich aber auch in Form von CAD-Konstruktionsdaten gewonnen werden, da häufig beim Bau von Gebäuden oder Tunneln sowieso die exakte Geometrie des Arbeitsbereiches bzw. der Umgebung des Gebäudes erfaßt werden muß und damit eine genaue Beschreibung vorliegt, was bedeutet daß ein teach-in-Verfahren eingespart werden kann.
Besonders vorteilhaft sieht eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Mittel zur Bestimmung der globalen Position vor und einfache Mittel zur Erfassung von Bewegungen des Arbeitsgerätes und fallweise vorhandener Anbauteile. Beispielsweise sind dieses Bewegungsgeber in Form von Drehwinkelgebern und an einer Vortriebsachse des Gerätes vorgesehene Odometer. Bevorzugt werden diese Daten durch eine Auswerteeinheit zueinander in Bezug gesetzt und es wird festgestellt, ob ein vordefinierter Arbeitsbereich durch das Arbeitsgerät oder daran vorhandene Anbauteile eingehalten wird. Besonders vorteilhaft kann bei Verletzungen dieser Bedingung der Einhaltung des Arbeitsbereiches ein Alarm ausgelöst werden, oder die Steuereinheit kann die Bewegungen des Gerätes beeinflussen, was bedeutet, daß das Gerät abgestoppt werden kann, oder daß die Bewegungen so angepaßt werden, daß der äußerste Punkt des Gerätes der Kontur des Arbeitsvolumens folgt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter erläutert.
Figur 1
zeigt ein Beispiel eines Arbeitsgerätes in Form eines Baggers
Figur 2
zeigt ein Beispiel eines Arbeitsgerätes in einem Arbeitsraum.
In Figur 1 ist ein Arbeitsgerät AG in Form eines Baggers dargestellt. Wenn in der Folge von Baggern die Rede ist, so soll dies nicht bedeuten, daß die Erfindung lediglich auf Bagger beschränkt ist. Ebenfalls sind im Zusammenhang mit der Erfindung andere Landbewegungsgeräte denkbar, oder kann damit der Einsatz von landwirtschaftlichen Geräten überwacht werden. Im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Maschinen ist es beispielsweise denkbar, daß bei der Bearbeitung eines Feldes überwacht wird, ob dessen Grenzen genau eingehalten werden.
Der in Figur 1 gezeigte Bagger AG weist beispielsweise Antennen A1 und A2 auf, mit welchem Daten von einem globalen Positionierungssystem empfangen werden können. In einem Steuerrechner der Einheit wird beispielsweise auf wenige cm genau festgestellt in welcher Position sich der Aufbau des Baggers befindet. Von einer Steuerung des Baggers können beispielsweise Achsen 10 bis 50 separat angesteuert werden. An diesen Achsen sind geeignete Weggeber vorgesehen, welche es der Steuerung erlauben die exakte Position der jeweiligen Anbauteile AT festzustellen. Beispielsweise soll mit dem Bagger AG ein Erdaushub an einem Boden BO durchgeführt werden. Die beschriebenen Achsen 10 bis 50 erlauben hierzu beliebige Freiheitsgrade. Vorzugsweise sollten variable Parameter des Gerätes für alle Freiheitsgrade des Baggers überwacht werden, damit zu jeder Zeit bekannt ist, in welcher Lage sich der Bagger befindet und welche Kontur das beispielsweise vorgesehene Anbauteil AT einnimmt. Über Anbauteile AT ist zu sagen, daß diese im allgemeinen nicht beliebig bewegbar sind, da sie eine durch ihre Geometrie gegebene Kinematik aufweisen. Diese Kinematik ist hier beispielsweise durch die Freiheitsgrade an den Achsen 10 bis 30 angedeutet. Falls durch einen Steuerrechner oder durch sonstige Mittel überprüft werden soll, ob das Arbeitsgerät AG oder ein Anbauteil einen vordefinierten Arbeitsbereich verläßt, so kann von der Steuerung mit Hilfe der Kinematik und anhand von Winkelgebern oder anderen Meßmitteln, welche an den entsprechenden Achsen vorgesehen sind, sehr leicht bestimmt werden, welche endgültige Geometrie von dem Anbauteil eingenommen wird. In Verbindung mit der exakten Position des Arbeitsgerätes, welche über das globale Positionierungssystem bestimmt wird, kann eine Position eines am weitesten entfernten Punktes, des Fernpunktes, bestimmt werden, der vorzugsweise zu überwachen ist. In Figur 1 sind zwei solche Fernpunkte eingetragen FP1 und FP2. Bevorzugt werden bei der Positionsbestimmung GPS/DGPS Möglichkeiten ausgeschöpft, mit welchen die Position eines mobilen Fahrzeugs, wie beispielsweise des Arbeitsgerätes AG, möglichst genau bestimmt werden kann. Durch Kenntnis der Eigenposition und Orientierung des beispielsweise Baugerätes, sowie eines durch beispielsweise einem Bediener eingegebenen Arbeitsbereiches, die Kenntnis der Gelenkwinkel und der Abmessungen des Baugerätes und fallweise anderer Parameter ist es zu jedem Zeitpunkt möglich zu entscheiden, ob sich das Arbeitsgerät AG im zulässigen Arbeitsbereich befindet oder im Begriff ist, diesen zu verlassen. Für diesen Fall kann bevorzugt ein Warnsignal, welches an den Bediener des Gerätes gerichtet ist, abgegeben werden und/oder die Bewegung des Gerätes zunächst verlangsamt und dann ganz abgebrochen werden, um beispielsweise einen Unfall zu vermeiden.
Figur 2 zeigt das Arbeitsgerät AG aus Figur 1 in Verbindung mit einem zulässigen Arbeitsbereich AZU, wobei wesentliche Teile des Arbeitsgerätes durch Volumenelemente V10 bis V70 umschrieben sind. Die Verwendung von Volumenelementen bei der Überwachung des Arbeitsbereiches AZU gestattet es, den Rechenaufwand für die durchzuführenden Berechnungen zu vereinfachen, da nicht die realen Abmessungen, sondern angenäherte Abmessungen zu berücksichtigen sind. Insbesondere muß dann nur mit Quadern und einfachen Volumenblöcken gerechnet werden. Der dargestellte zulässige Arbeitsbereich AZU ist hier vereinfacht als Quader bzw. als Fläche dargestellt. Es sind aber auch beliebige dreidimensionale Strukturen denkbar und vorgebbar. Beispielsweise kann ein zulässiger Arbeitsbereich in Form eines teach-in-Verfahrens eingegeben werden, bei welchem eine Bedienperson mit dem Arbeitsgerät AG und daran vorhandenen Anbauteilen in einem Lernschritt den gesamten Arbeitsbereich, welcher hinterher zulässig sein soll, abfährt und dabei vorhandene Anbauteile so bewegt, daß sie die gewünschte Grenze des Arbeitsbereiches nicht verletzen. Von einer Steuerung des Gerätes können die so vorgegebenen Bewegungen abgespeichert werden und im späteren Betrieb beim Arbeiten mit dem Gerät können diese Steuerpositionen mit aktuell eingegebenen Steuerpositionen der Bedienperson verglichen werden. Bei der Eingabe dreidimensionaler Strukturen spielt beim Lernen auch die aktuelle Position des Arbeitsgerätes AG eine Rolle, welche über das globale Positionierungssystems erhalten wird und vorzugsweise in Verbindung mit jeder aktuell durchgeführten Bewegung abgespeichert wird. Falls eine Verletzung des zulässigen Arbeitsbereiches eintritt, so kann die Steuerung ein Alarmsignal abgeben, bzw. veranlassen, daß das Gerät zu jeder Zeit mit seinem Ausleger AT im zulässigem Arbeitsbereich AZU verbleibt, indem die Steuerung automatisch Steuerbefehle des Bedieners abwandelt. Der zulässige Arbeitsbereich AZU kann beispielsweise auch invers vorgegeben werden, indem lediglich Hindernisse, welche vermieden werden sollen, explizit markiert werden. Bevorzugt kann der zulässige Arbeitsbereich AZU auch in der Form eingegeben werden, daß Daten aus einem bereits vorhandenen CAD-Modell des Arbeitsbereiches vorliegen. Denkbar sind hier beispielsweise Konstruktionsdaten, welche ein Architekt bei der Vermessung des Terrains und bei der Konstruktion eines Gebäudes oder eines Aushubes bereits eingegeben hat, welche dann lediglich der Steuerung des Gerätes mitgeteilt oder elektronisch zugeführt werden müssen.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zyklisch durchgeführt. In einem ersten Schritt erfolgt beispielsweise die Positions- und Ortsbestimmung des Gerätes mittels GPS-Empfängern. Heutige Hochleistungssysteme, wie beispielsweise das DGPS erlauben eine Genauigkeit bei der Positionsbestimmung von etwa 2 cm [Quelle: Fa. Trimble: 7400Msi: High precision GPS receiver for dynamic control systems]. Bevorzugt kann durch die Anbringung von zwei Antennen, wie in Figur 1 mit A1 und A2 dargestellt, durch Vergleich deren Positionen auch die Orientierung des Arbeitsgerätes ermittelt werden. Zwar entstehen durch die Positionsungenauigkeit von 2 cm bei Großbaggern Winkelfehlern von etwa 0,4°, diese Ungenauigkeit kann jedoch beim Warnen bzw. Abregeln von möglichen Kollisionen berücksichtigt werden. Bei Großbaggern beispielsweise mit einer Reichweite von 15 m kann sich dadurch die maximale Ungenauigkeit bis zu 12 cm an der Schaufeispitze ausweiten.
In einem zweiten Schritt werden bevorzugt Gelenkwinkel des Arbeitsgerätes aufgenommen, wobei diese auf verschiedene Weise beispielsweise mit Potentiometern oder Resolvern erfolgen kann. Wichtig ist es für das erfindungsgemäße Verfahren jedoch nur, daß die Bewegungsveränderungen des Arbeitsgerätes exakt vermessen werden und bekannt sind.
In einem weiteren Schritt kann dann beispielsweise aus der Kenntnis der Eigenposition und der Orientierung des Arbeitsgerätes, sowie der Gelenkwinkel und der Abmessungen der einzelnen Elemente, wie beispielsweise der Volumenelemente V10 bis V50 und anhand der Kinematik des Arbeitsgerätes, sowie seiner Anbauteile die exakte Raumposition des Arbeitsgerätes bestimmt werden.
In einem weiteren Schritt kann dann bevorzugt ein Kollsionstest jedes einzelnen dieser Bagger-Raumelemente mit dem vorgegebenen Arbeitsbereich durchgeführt werden. Hierzu ist bevorzugt jedesmal zu überprüfen, ob sich ein Bagger-Raumelement kritisch nah an die Arbeitsbereichs bzw. Arbeitsvolumenbegrenzung angenähert hat. Vorzugsweise kann aber auch lediglich ein Fernpunkt FP1, ermittelt werden, welcher sich beispielsweise auf geeignete Weise aus der Kinematik des Anbauteiles und des Arbeitsgerätes AG ableiten läßt. Beispielsweise ist dies ein Punkt, welcher sich am weitesten entfernt vom Arbeitsgerät AG befindet. In Figur 1 sind solche Punkte mit FP1 und FP2 beschrieben. Falls solche Punkte ermittelt wurden so ist sichergestellt, daß sich andere Punkte des Gerätes auf keinen Fall näher an der Grenze des Arbeitsbereiches befinden können als diese.
In einem weiteren Schritt kann eine solche kritische Annäherung detektiert werden und ein Warnton ausgegeben werden, welcher beispielsweise die Bewegung des Arbeitsgerätes zunächst abbremst und schließlich unterbindet.
Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können zyklisch in immer wiederkehrender Reihenfolge durchgeführt werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Überwachung des Arbeitsbereiches beim Bewegen eines Arbeitsgerätes,
    a) bei dem ein zulässiger Arbeitsbereich (AZU) des Arbeitsgerätes (AG) vorgegeben wird,
    b) bei dem die aktuelle Position des Arbeitsgerätes (AG) anhand von Daten aus einem globalen Positionierungs System (A1, A2) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich (AZU) überwacht wird, indem anhand der Abmessungen des Arbeitsgerätes (V10-V70) in Verbindung mit der aktuellen Position des Arbeitsgerätes (AG) überprüft wird, ob sich das Arbeitsgerät (AG) im Arbeitsbereich (AZU) aufhält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Arbeitsbereich (AZU) des Arbeitsgerätes (AG) begrenzt wird, indem ein Signal ausgelöst wird, bevor das Arbeitsgerät (AG) den zulässigen Arbeitsbereich (AZU) verläßt und über dieses Signal die Begrenzung veranlaßt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Arbeitsbereich (AZU) des Arbeitsgerätes (AG) in Form eines dreidimensionalen Arbeitsraumes (AZU) vorgegeben wird und mindestens ein am Arbeitsgerät (AG) angebrachtes bewegbares Anbauteil (AT) in Verbindung mit dem Arbeitsgerät (AG) überwacht wird, indem aus der Kinematik des bewegbaren Teiles sowie seinen Abmessungen und dem Ort seiner Anbringung am Arbeitsgerät (AG) mindestens ein Ort maximaler Entfernung zum Arbeitsgerät (AG), der sich am bewegbaren Teil befindet, als Fernpunkt (FP1, FP2) ermittelt wird und dieser Fernpunkt FP1, FP2) überwacht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Kollision des Arbeitsgerätes (AG) mit einem Hindernis ausgeschlossen wird, indem der Arbeitsbereich (AZU) so vorgegeben wird, daß er das Hindernis nicht enthält.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ausgehend von einer Ausgangslage des Arbeitsgerätes (AG) im Arbeitsbereich (AZU) alle Bewegungen des Arbeitsgerätes (AG) und fallweise vorhandener Anbauteile (AT)ein den jeweiligen Bewegungsfreiheitsgraden (10-50) überwacht werden und Lageveränderungen vermerkt werden, so daß für die Überwachung jederzeit Position und Lage im Arbeitsbereich (AZU) bekannt sind.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Abmessungen von mindestens ein Teil des Arbeitsgerätes (AG), zur Erleichterung des Rechenvorganges bei einer automatischen Überwachung, durch die Abmessungen eines dieses Teil umschließenden Volumenelementes (V10-V70) angenähert werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zulässige Arbeitsbereich (AZU) durch ein Lernverfahren in Form eines teach-in Verfahrens vorgegeben wird, indem ein Bediener manuell durch Abfahren des zulässigen Arbeitsbereiches (AZU) und eventuelles Bewegen von bewegbaren Anbauteilen (AT) dessen Abmessungen vorgibt und diese gespeichert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der zulässige Arbeitsbereich (AZU) in Form von Daten aus einem CAD-Konstruktionssystem vorgegeben wird.
  9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    a) bei der erste Mittel zur Bestimmung einer globalen Position vorgesehen sind (A1, A2),
    b) bei der zweite Mittel zur Erfassung von Bewegungen des Arbeitsgerätes (AG) und fallweise vorhandener Anbauteile (AT) vorgesehen sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    dritte Mittel zum Auswerten vorgesehen sind, welche anhand der Daten, welche von den ersten und von den zweiten Mitteln abgegeben werden und gespeicherter Information über den zulässigen Arbeitsbereich (AZU), die Überwachung vornehmen.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, bei der die dritten Mittel mit Mitteln zum Steuern des Arbeitsgerätes (AG) verbunden sind und falls die Überwachung ergibt daß der Arbeitsbereich (AZU) droht verlassen zu werden, die Bewegung des Arbeitsgerätes (AG) verändert wird.
EP97921629A 1996-06-03 1997-04-24 Verfahren und anordnung zur überwachung des arbeitsbereiches beim bewegen eines fortbewegbaren arbeitsgerätes Expired - Lifetime EP0907805B1 (de)

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DE19622261 1996-06-03
PCT/DE1997/000847 WO1997046767A1 (de) 1996-06-03 1997-04-24 Verfahren und anordnung zur überwachung des arbeitsbereiches beim bewegen eines fortbewegbaren arbeitsgerätes

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EP0907805A1 EP0907805A1 (de) 1999-04-14
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DE (1) DE59702977D1 (de)
WO (1) WO1997046767A1 (de)

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