EP1828491A1 - System zur lageerfassung - Google Patents

System zur lageerfassung

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Publication number
EP1828491A1
EP1828491A1 EP05849245A EP05849245A EP1828491A1 EP 1828491 A1 EP1828491 A1 EP 1828491A1 EP 05849245 A EP05849245 A EP 05849245A EP 05849245 A EP05849245 A EP 05849245A EP 1828491 A1 EP1828491 A1 EP 1828491A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
working
transmitting
receiving unit
amplifier unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05849245A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Kliffken
Sorn Stoll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Rexroth AG
Original Assignee
Bosch Rexroth AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool

Definitions

  • the invention relates to a system for position detection and control for working arms of mobile machines according to the preamble of claim 1.
  • the position of the working devices is usually detected indirectly by means of length sensors in cylinders of the hydraulic system or by angle sensors.
  • An example of the position detection by angle sensors is known from DE 100 00 771 Al.
  • the document describes a device for attitude control for working equipment mobile machines, which comprises a measuring device for measuring an angle which is formed between a determined by the position of the working device level and the direction of the gravitational force, an angle sensor for specifying an angle which between a through the position of the working means is formed at a certain plane and the direction of gravitational force, and a control means for controlling the angle between the plane of the working means and the direction of gravitational force so that the measured angle is made coincident with the predetermined angle.
  • a disadvantage of such systems is in particular the very limited possibility of detecting disturbances and inaccuracies, so that the possibilities for adjustment are also limited.
  • a equipped with such a detection system eg GPS, Global Positioning System.
  • a equipped with such a detection system eg GPS, Global Positioning System.
  • the transmission or detection of position coordinates and / or 'an inclination of the working device between at least one sensor and a transmitter / receiver unit is performed by a contact-free transmission of the signals by electromagnetic waves.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second
  • Fig. 1 shows in a highly schematic representation of an embodiment of an inventively designed system for position detection and position control for a working arm 2 of a mobile machine 1.
  • the working machine 1 in the presently described embodiment is an earthmoving device such.
  • the invention is, however, not limited thereto, but also for other applications such. B. for cranes, concrete pumps, telehandlers etc. applicable.
  • the position detection of the working device 3 via non-contact sensors 4 preferably based on radio signals with microwave technology or higher frequency electromagnetic waves.
  • the sensors 4 are positioned there on the working arm 2 or on the working device 3, where the position is to be detected.
  • one of the sensors 4 is arranged in the working device 3 arranged on the working arm 2 and a further sensor 4 is arranged in a hydraulic 6 of the working arm 2.
  • sensors 4 active and particularly advantageous passive sensors 4 are suitable. Active sensors 4 are z. B. powered by a battery, which can be achieved for several years maintenance-free. If necessary, ambient energy can be used for charging.
  • a transmitting / receiving unit 5 is installed on the mobile work machine 1. The signals transmitted by the transmitting / receiving unit 5 are converted in the passive sensor 4 and returned in coded form. The measurement accuracy of such systems is current microwave technology at a few centimeters, the range is unlimited in terms of application. The transmission of signals from other types of sensors 4, for example from pressure sensors, can be carried out with comparable technology.
  • the position and orientation of the working device 3 is determined by the interaction of the sensors 4 and the transmitting / receiving unit 5.
  • the first, arranged on the working device 3 sensor 4 takes on the position and orientation, for example in the form of the variables x and y for the location and ⁇ for the tilt determination of the working device 3 and passes the signals without contact to the transmitting / receiving unit 5 on.
  • Reference system i. e. the working machine 1
  • Reference system i. e. the working machine 1
  • Acceleration sensors are determined. Likewise, for example, pressure signals of the hydraulic 6 or other physical variables such.
  • B. Speed or acceleration of the working device 3 and the temperature of the fluid and the flow rate are passed through the system without contact.
  • a pressure sensor 4 in the hydraulic system 6 is shown by way of example.
  • the transmitting / receiving unit 5 is in the working machine 1 with other components such as. a control unit 9 and a shift lever 10 for operation by the operator of the work machine 1 in conjunction.
  • a control unit 9 and a shift lever 10 for operation by the operator of the work machine 1 in conjunction.
  • By the operator via the shift lever 10 executed movements are by the control unit 9 in the corresponding signals and movements of the working device
  • the signals for determining the position and orientation of the working device 3 are thereby from at least one sensor
  • the amplifier unit 8 is arranged so that it has a direct visual connection to both units. It can, as shown in the embodiment of FIG. 2, be arranged on the working arm 2 of the working machine 1 or at a suitable position outside the working machine 1.
  • the amplifier unit 8 can be designed so that it additionally based on the same technology as the main system records its own data such as the location information and passes it to the transmitting / receiving unit 5. The data can be used for control or for operator assistance.
  • the invention is not limited to the illustrated embodiments, but can also be applied to any work machines 1 using different sensors 4 for different working equipment 3.
  • the features of the invention can be combined as desired.

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Abstract

Ein System zur Lageerfassung und -regelung für an Arbeitsarmen (2) mobiler Arbeitsmaschinen (1) angeordnete Arbeitseinrichtungen (3) umfaßt zumindest einen Sensor (4) und eine Sende-/Empfangseinheit (5). Die Erfassung und Übermittlung von Lagekoordinaten (x, y) und/oder einer Neigung (φ) der Arbeitseinrichtung (3) zwischen dem zumindest einen Sensor (4) und der Sende-/ Empfangseinheit (5) erfolgt berührungsfrei.

Description

SYSTEM ZUR LAGEERFASSUNG
Die Erfindung betrifft ein System zur Lageerfassung und -regelung für Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei lagegeregelten Arbeitsarmen mobiler Arbeitsmaschinen wird die Lage der Arbeitseinrichtungen gewöhnlich indirekt durch Längensensoren in Zylindern des hydraulischen Systems oder durch Winkelsensoren erfaßt . Ein Beispiel für die Lageerfassung durch Winkelsensoren ist aus der DE 100 00 771 Al bekannt . Die Druckschrift beschreibt eine Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen, welche eine Meßeinrichtung zur Messung eines Winkels umfaßt , welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist, einen Winkelgeber zur Vorgabe eines Winkels , welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist , und eine Regeleinrichtung zum Regeln des Winkels zwischen der Ebene der Arbeitseinrichtung und der Richtung der Gravitationskraft , so daß der gemessene Winkel mit dem vorgegebenen Winkel in Übereinstimmung gebracht wird.
Nachteilig an derartigen Systemen ist insbesondere die nur sehr begrenzte Möglichkeit der Erfassung von Störungen und Ungenauigkeiten, so daß die Möglichkeiten zur Ausregelung ebenfalls eingeschränkt sind.
Weiterhin ist es bekannt , die Position mobiler
Arbeitsmaschinen im Gelände mittels Positionierungssystemen
( z . B . GPS , Global Positioning System) zu erfassen . Ein mit einem derartigen Erfassungssystem ausgestattetes
Arbeitsgerät geht beispielsweise aus der WO 95 /30799 hervor . Nachteilig an derartigen Positionserfassungssystemen ist dabei insbesondere der Kostenfaktor und die Genauigkeit . Ein zur Anwendung hierfür geeigneter Sender/Empfänger ist kosten- und wartungsintensiv.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein System zur Lageerfassung und -regelung für Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen bereitzustellen, welches eine einfache, kostengünstige und genaue Lagemessung und Neupositionierung der an dem Arbeitsarm bereitgestellten Arbeitseinrichtung ermöglicht .
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .
Vorteilhafterweise erfolgt die Übermittlung bzw. Erfassung von Lagekoordinaten und/oder ' einer Neigung der Arbeitseinrichtung zwischen zumindest einem Sensor und einer Sende-/ Empfangseinheit berührungsfrei durch Übertragung der Signale durch elektromagnetische Wellen .
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung .
Nachfolgend werden anhand der Figuren vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt . In der Zeichnung zeigen :
Fig . 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Lageerfassung und Lageregelung beweglicher Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen; und
Fig . 2 eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels des er findungs gemäßen
Systems . Fig . 1 zeigt in einer stark Schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Systems zur Lageerfassung und Lageregelung für einen Arbeitsarm 2 einer mobilen Arbeitsmaschine 1. Die Arbeitsmaschine 1 im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dabei ein Erdbewegungsgerät, wie z . B . ein Bagger, mit einer an dem Arbeitsarin 2 angeordneten Arbeitseinrichtung 3 , im Ausführungsbeispiel einer Grabschaufel . Die Erfindung ist j edoch nicht darauf beschränkt , sondern auch für andere Anwendungen wie z . B . für Kräne, Betonpumpen, Telehändler etc . anwendbar .
Die Lageerfassung der Arbeitseinrichtung 3 erfolgt erfindungsgemäß über berührungsfreie Sensoren 4 vorzugsweise auf Basis von Funksignalen mit Mikrowellentechnik oder höherfrequenter elektromagnetischer Wellen . Die Sensoren 4 werden dort an dem Arbeitsarm 2 bzw. an der Arbeitseinrichtung 3 positioniert, wo die Lage erfaßt werden soll . In dem in Fig . 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist einer der Sensoren 4 in der an dem Arbeitsarm 2 angeordneten Arbeitseinrichtung 3 und ein weiterer Sensor 4 in einer Hydraulik 6 des Arbeitsarms 2 angeordnet .
Als Sensoren 4 sind aktive und besonders vorteilhaft passive Sensoren 4 geeignet . Aktive Sensoren 4 werden dabei z . B . von einer Batterie gespeist, wodurch mehrere Jahre Wartungsfreiheit erzielt werden können . Gegebenenfalls kann Umgebungsenergie zum Aufladen herangezogen werden . Bei Verwendung passiver Sensoren 4 wird an der mobilen Arbeitsmaschine 1 eine Sende- /Empfangseinheit 5 installiert . Die durch die Sende-/Empfangseinheit 5 gesendeten Signale werden in dem passiven Sensor 4 umgewandelt und in codierter Form zurückgegeben. Die Meßgenauigkeit derartiger Systeme liegt bei aktueller Mikrowellentechnik bei wenigen Zentimetern, die Reichweite ist im Sinne der Anwendung unbegrenzt . Die Übertragung von Signalen aus anderen Arten von Sensoren 4 , beispielsweise aus Drucksensoren, kann mit vergleichbarer Technik durchgeführt werden . Die Lage und Orientierung der Arbeitseinrichtung 3 wird durch das Zusammenwirken der Sensoren 4 sowie der Sende- / Empfangseinheit 5 ermittelt . Der erste, an der Arbeitseinrichtung 3 angeordnete Sensor 4 nimmt dabei die Lage und Orientierung beispielsweise in Form der Variablen x und y für die Ortsbestimmung und φ für die Neigungsbestimmung der Arbeitseinrichtung 3 auf und leitet die Signale berührungsfrei an die Sende-/Empfangseinheit 5 weiter . Die absolute Position und Orientierung des
Bezugssystems , i . e . der Arbeitsmaschine 1 , kann durch GPS
(Global Positioning System) , Neigungs- oder
Beschleunigungssensoren ermittelt werden . Ebenso können beispielsweise Drucksignale der Hydraulik 6 oder andere physikalische Größen wie z . B . Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung der Arbeitseinrichtung 3 sowie die Temperatur des Fluids und der Volumenstrom durch das System berührungsfrei weitergegeben werden . In Fig . 1 ist beispielhaft ein Drucksensor 4 in der Hydraulik 6 dargestellt .
Die Sende- /Empfangseinheit 5 steht in der Arbeitsmaschine 1 mit weiteren Bauteilen wie z .B . einer Steuerungseinheit 9 und einem Schalthebel 10 zur Bedienung durch den Maschinenführer der Arbeitsmaschine 1 in Verbindung . Durch den Maschinenführer über den Schalthebel 10 ausgeführte Bewegungen werden durch die Steuerungseinheit 9 in entsprechende Signale und Bewegungen der Arbeitseinrichtung
3 umgesetzt .
Die Signale zur Ermittlung der Lage und Orientierung der Arbeitseinrichtung 3 werden dabei von zumindest einem Sensor
4 in der Arbeitseinrichtung 3 auf Basis von Laufzeitmessungen zwischen den einzelnen Teilen der Vorrichtung ermittelt . Die Signale der weiteren physikalischen Größen wie z . B . Druck, Geschwindigkeit , Beschleunigung, Temperatur und Volumenstrom können direkt an die Sende-/Empfangseinheit 5 übermittelt werden . Die Kommunikation der Sensoren 4 mit der Sende-/ Empfangseinheit 5 kann j edoch durch Hindernisse wie beispielsweise eine in Fig. 2 dargestellte Mauer 7 erschwert oder unmöglich gemacht werden .
Um dem zu begegnen, kann das System gemäß Fig . 1 , wie in einem zweiten Ausführungsbeispiel in Fig . 2 dargestellt, vorteilhafterweise mit einer Verstärkereinheit 8 versehen sein, welche die Kommunikation zwischen den Sensoren 4 und der eigentlichen Sende-/Empfangseinheit 5 an der Arbeitsmaschine 1 unterstützt . Zur Ermittlung der Lage und Orientierung des Arbeitsgerätes 3 ist die Verstärkereinheit 8 so angeordnet, daß sie eine direkte Sichtverbindung zu beiden Einheiten hat . Sie kann, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellt, am Arbeitsarm 2 der Arbeitsmaschine 1 oder auch an einer geeigneten Position außerhalb der Arbeitsmaschine 1 angeordnet sein . Die Verstärkereinheit 8 kann dabei so konzipiert sein, daß sie auf Basis der gleichen Technologie wie das Hauptsystem zusätzlich eigene Daten wie beispielsweise die Lageinformationen aufnimmt und an die Sende-/Empfangseinheit 5 weitergibt . Die Daten können zur Regelung oder für die Bedienerunterstützung eingesetzt werden .
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt , sondern kann auch bei beliebigen Arbeitsmaschinen 1 unter Verwendung unterschiedlicher Sensoren 4 für verschiedene Arbeitseinrichtungen 3 angewandt werden. Die Merkmale der Erfindung sind dabei beliebig kombinierbar .

Claims

Ansprüche
1. System zur Lageerfassung und -regelung für an Arbeitsarmen (2 ) mobiler Arbeitsmaschinen ( 1 ) angeordnete Arbeitseinrichtungen (3 ) , umfassend zumindest einen Sensor
( 4 ) und eine Sende-/Empfangseinheit ( 5 ) , dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlung und Erfassung von Lagekoordinaten (x, y) und/oder einer Neigung (φ) der Arbeitseinrichtung (3 ) zwischen dem zumindest einen Sensor (4 ) und der Sende-/ Empfangseinheit (5 ) berührungsfrei erfolgt .
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor ( 4) als aktiver Sensor (4 ) ausgebildet ist .
3. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4 ) als passiver Sensor ( 4) ausgebildet ist .
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4 ) in der Arbeitseinrichtung (3 ) angeordnet ist .
5. System nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß über einen Schalthebel ( 10 ) der Arbeitsmaschine ( 1) ausgegebene Signale durch die Sende-/Empfangseinheit (5 ) und den zumindest einen Sensor ( 4 ) an die Arbeitseinrichtung (3 ) übermittelbar sind.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Sensor ( 4 ) in einer Hydraulik ( 6 ) des Arbeitsarms (2 ) angeordnet ist .
7. System nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der in der Hydraulik ( 6) angeordnete Sensor ( 4 ) ein Drucksignal (p) übermittelt .
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Verstärkereinheit ( 8 ) aufweist .
9. System nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit ( 8 ) in Form von zumindest einer Sende- /Empfangseinheit (5 ) ausgebildet ist .
10. System nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit ( 8 ) an dem Arbeitsarm (2 ) der Arbeitsmaschine ( 1) angeordnet ist .
11. System nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit ( 8 ) getrennt von der Arbeitsmaschine ( 1 ) angeordnet ist .
12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit ( 8 ) in direktem Blickkontakt zu dem zumindest einen Sensor (4 ) und der Sende-/ Empfangseinheit ( 5 ) steht .
13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlung der Signale auf Basis eines Funksignals , insbesondere auf der Basis von Mikrowellen erfolgt .
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich physikalische Größen (p) über das System zu der Sende- / Empfangseinheit ( 5 ) übertragbar sind.
EP05849245A 2004-12-21 2005-12-19 System zur lageerfassung Withdrawn EP1828491A1 (de)

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