EP3918138A1 - Verfahren zur zustandsschätzung von lage und orientierung von mehreren beweglichen modulen eines gemeinsamen systems - Google Patents

Verfahren zur zustandsschätzung von lage und orientierung von mehreren beweglichen modulen eines gemeinsamen systems

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EP3918138A1
EP3918138A1 EP20701593.4A EP20701593A EP3918138A1 EP 3918138 A1 EP3918138 A1 EP 3918138A1 EP 20701593 A EP20701593 A EP 20701593A EP 3918138 A1 EP3918138 A1 EP 3918138A1
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EP
European Patent Office
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mess
ref
modules
joint
orientation
Prior art date
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EP20701593.4A
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English (en)
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EP3918138B1 (de
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Alejandro Lopez Pamplona
Sebastian Scherer
Daniel Neyer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3918138A1 publication Critical patent/EP3918138A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3918138B1 publication Critical patent/EP3918138B1/de
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    • 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
    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)
    • 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
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    • 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
    • E02F9/20—Drives; Control devices

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating the state of the position and orientation of a plurality of modules of a common system that are movable with respect to one another, in which kinematic relationships between the movable modules and the joints flow into the state estimation.
  • the invention further relates to a computer program that executes every step of the method when it runs on a computing device, and to a machine-readable storage medium that stores the computer program.
  • the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an excavator 1 with a substructure U and a superstructure L1 as an example of a work machine, the superstructure L1 being able to be rotated horizontally with respect to the undercarriage U via a first joint J1.
  • a first sensor unit S1 is arranged on the superstructure L1
  • the excavator 1 has an excavator arm 2 with further links boom L2, adjustable boom L3 and stick L4, and a bucket 3 or L5.
  • boom L2 is connected to the superstructure L1 of the excavator 1 via a second joint J2
  • adjustable boom L3 is connected to the boom L2 via a third joint J3
  • the arm L4 is connected to the adjustable boom L3 via a fourth joint J4
  • the bucket L5 is connected to the stem L4 via a fifth joint J5.
  • a sensor unit S1, S2, S3, S4, S5 is arranged on each link L1, L2, L3, L4, L5, which has inertial sensors and a magnetometer.
  • the inertial sensors are acceleration sensors and rotation rate sensors, which measure the linear acceleration and the rotation rate of the respective sensor compared to a fixed reference coordinate system.
  • the sensor units S1, S2, S3, S4, S5 are acceleration sensors and rotation rate sensors, which measure the linear acceleration and the rotation rate of the respective sensor compared to a fixed reference coordinate system.
  • FIG. 2 A known method for estimating the state of the superstructure L1 and boom L2 is shown in FIG. 2 and is briefly explained below with reference to this figure:
  • a transformation matrix Twu and a unit quaternion qwu that can be derived therefrom, which indicate the position and the orientation of the undercarriage U in the global coordinate system W, are provided 10.
  • the sensor units S1, S2 also not shown in FIG other sensors S3, S4, S5
  • the measurement signals are the angular velocity designated w, that designated a
  • the left-hand index indicates the reference coordinate system in which the respective measured value was recorded.
  • the measured angular velocity S1 w mess , the measured acceleration S1 a mess and the measured magnetic field S1 m mess for the superstructure L1 pass through a filter 21, which, among other things, results in a quaternion q W, 1 which prevents the rotation of the superstructure L1 relative to the global coordinate system W represents, and the estimated
  • Angular velocity L1 w est of the uppercarriage L1 can be determined.
  • a first joint angle q 1 is now determined 40 using the quaternion q W, 1 of the superstructure L1 and the unit quaternion of the undercarriage U, and the transformation matrix T U, L1 for the transition between the undercarriage U and the uppercarriage L1 is determined 41.
  • the transformation matrix T W, U for is multiplied by a matrix 42 the undercarriage U with the transformation matrix T U, L1 for the transition between the undercarriage U and the superstructure L1, in order to
  • the measured angular velocity S2 w mess , the measured acceleration S2 a mess and the measured magnetic field S2 m mess for the extension arm L2 of the excavator arm 2 are recorded 30 by the second sensor S2 and pass through a filter 31, whereby among other things a quaternion q W , 2 , which represents the rotation of the boom L2 with respect to the global coordinate system W, and the estimated angular velocity L2 w est of the boom L2 are determined.
  • a second joint angle q 2 is now determined 50 for the second joint J2 by means of the quaternion q W, L2 of the boom L2 and by means of the quaternion q W, 1 of the superstructure L1
  • the measurements of the magnetometers are characterized by the large mass of metal and the resulting changes in the magnetic field so changed that they are often unusable or at least unreliable. It is also possible for the measurements of the individual magnetometers to be influenced differently, so that state estimates for the respective modules or links drift apart and configurations of the orientation and / or position of the modules or links arise in the state estimates, which according to the kinematics are not possible are. As an example, there is one
  • a module can be understood to mean a link.
  • kinematic relationships represent at least one of the joints and the two modules connected to the joint. Since measurements are carried out at most indirectly, but rather the determination of the vectors mentioned can rather be regarded as so-called virtual measurements, the at least one vector will also be referred to as a virtual vector. This vector pair then in the state estimation of the modules.
  • the kinematic relationships can in particular be kinematic constraints, which represent the limitations of the components. For example, a joint can typically only turn to a maximum angle and fixed modules cannot overlap.
  • a first vector pair represents the kinematic relationship that the joint has the same joint axis from the perspective of each of the two modules that are connected to the joint.
  • the expression "from the point of view of " indicates which coordinate system is used for consideration. In other words, the location is and
  • the first vector also makes the kinematic relationship
  • a second vector pair represents the kinematic relationship that a measured joint angle from the perspective of a module that is connected to the joint specifies at least one axis of the other module that is connected to the joint.
  • the hinge angle can e.g. B. can be measured by a joint angle sensor.
  • the at least one pair of vectors preferably flows in when the sensor data of the inertial sensor associated with the respective module is fused.
  • the two pairs of vectors above are for each
  • Inertial sensor determines and is included in the associated filtering of the sensor data of this sensor.
  • the fusion is particularly preferably carried out by filtering.
  • other sensor fusion methods can also be used, e.g. B. those based on an evaluation of graphs.
  • the modules are typically arranged along a kinematic chain, i.e. the movement of a module depends on the movement of the previously arranged module.
  • the vectors for one module after the other are preferably determined in order, starting with a first module which is connected to a fixed reference, in particular in the global coordinate system.
  • the computer program is set up to carry out every step of the method, in particular if it is carried out on a computing device or control device. It enables the method to be implemented in a conventional electronic control unit without having to make structural changes to it. For this it is on the machine readable
  • the electronic control unit is obtained, which is set up to allow the kinematic relationships to be included in the state estimation.
  • the method is used in a work machine that has a multi-part, articulated arm.
  • a work machine that has a multi-part, articulated arm.
  • Working machine is an excavator with a bucket arm.
  • the modules correspond the limbs of the arm, can also other parts of the excavator, such. B. correspond to a superstructure.
  • Figure 1 shows a work machine in the form of an excavator according to the prior art, on which the inventive method can be carried out.
  • FIG. 2 shows a flowchart of the method for state estimation according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a flow chart of the method for state estimation according to an embodiment of the invention.
  • An embodiment of the method according to the invention for estimating the position and orientation of movable modules of an excavator 1 from FIG. 1 is described below.
  • An upper carriage L1, boom L2, adjustable boom L3, arm L4 and shovel L5 are regarded as movable modules to form an undercarriage U.
  • the movable modules are connected to one another along a kinematic chain via joints J1, J2, J3, J4, J5 and each have sensor units S1, S2, S3, S4, S5
  • Inertial sensors and magnetometers include, on. A detailed
  • FIG. 3 shows a flow chart of the embodiment of the method according to the invention. The same steps as in the method according to the prior art shown in FIG. 2 are identified by the same reference symbols and their description is omitted.
  • the right-hand index indicates between which modules or coordinate systems the movement takes place and the left-hand index indicates from which coordinate system the movement is viewed (the expression "from the perspective of " indicates which one
  • Coordinate system is used for consideration). For each sensor S1, S2, S3, S4, S5, a determination 100, 110 of the vector pair Si n mess, i , W n ref, i and a determination 101, 111 of the second vector pair Si o mess, i , W o ref are carried out , i (index i stands here for any module with associated sensor), which are explained in detail below.
  • index i stands here for any module with associated sensor
  • the vectors Si n mess, i , W n ref, i and Si o mess, i , W o ref, i are included in the filtering 21, 31 in order to determine the deviation or error between the virtual measurements and minimize the expected reference values W n ref, i and W o ref, i :
  • S i n mess, i and Si o mess, i are the vectors measured (or virtually measured) in the sensor coordinate system, R W, Si indicates the orientation of the sensor Si relative to the global coordinate system W and W n ref, i and W o ref, i are the vectors as a reference from the perspective of the global coordinate system W.
  • the first sensor unit S1 is arranged on the superstructure L1 and has inertial sensors and an articulation angle sensor.
  • the superstructure L1 is connected to the undercarriage U along a kinematic chain via a first joint J1.
  • the determination 100 of the first vector pair S1 n mess, 1 , W n ref, 1 is carried out as follows:
  • the articulation axis of the first articulation J1, which connects the successive modules superstructure L1 and undercarriage U, can be specified directly relative to both coordinate systems of the modules. If the vector S 1 n mess, 1 of the first vector pair is used for the first sensor S1 arranged on the superstructure L1, using those assumed to be known
  • the previous module is the module that is arranged in front of the current module along a kinematic chain that starts from the stationary module and is directly connected to it.
  • the previous module is the undercarriage U:
  • R L1, S1 denotes a constant application parameter, which represents the orientation of the first sensor S1 relative to the superstructure L1 and can be assumed to be known.
  • R U, L1 represents the rotation portion of the
  • q i denotes the variable joint angle and d i , a i and a i are constant kinematic joint parameters.
  • R L1 denotes the inverse or transposed rotation matrix of R U, L
  • the first vector W n ref can be specified as a reference from the point of view of the global coordinate system W according to formula 7 via the state estimation of the orientation of the previous link, that is to say of the undercarriage U:
  • the determination 101 of the second vector pair S1 o mess, 1 , W o ref, 1 (also for the first sensor S1) is carried out as follows: According to formula 9, a virtual measurement of the second vector in the
  • R S1 , L1 denotes the inverse or transposed rotation matrix of R L1, S1 and is therefore also a constant application parameter, which represents the orientation of the first sensor S1 relative to the superstructure L1 and can be assumed to be known.
  • the second vector W o ref, 1 can be used as a reference from the point of view of the global coordinate system W according to formula 10 via the state estimation of the orientation of the previous link, that is to say of the undercarriage U, and the
  • This vector only depends on the orientation of the undercarriage U in relation to the reference coordinate system W and the measured joint angle q 1 . More generally, this vector depends only on the
  • the determination 110 shown in FIG. 3 of the first vector pair S2 n mess, 2 , W n ref, 2 and determination 111 of the second vector pair S2 o mess, 2 , W ref, 2 for the second sensor S2 can be carried out in an analogous manner. This also applies to the determination of the vectors for the other sensors S3, S4, S5, which are not shown in FIG. 3 for the sake of clarity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von mehreren zueinander über Gelenke (J1, J2) beweglichen Modulen eines gemeinsamen Systems mittels Inertialsensoren (S1, S2), die an den Modulen angeordnet sind. Dabei wird zumindest ein Vektorpaar ( si n mess,i , w n ref,i oder si o mess,i , w o ref,i ) ermittelt (100, 101, 110, 111), welches kinematische Zusammenhänge zumindest eines der Gelenke (J 1, J2) und der beiden mit dem Gelenk (J 1, J2) verbundenen Module repräsentiert, und welches in die Zustandsschätzung einfließt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von mehreren beweglichen Modulen eines gemeinsamen Systems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von mehreren zueinander über Gelenke beweglichen Modulen eines gemeinsamen Systems, bei dem kinematische Zusammenhänge der beweglichen Module und der Gelenke in die Zustandsschätzung einfließen. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Heutzutage schreitet die Automatisierung im Bereich der Arbeitsmaschinen rasch voran. Um die Arbeitsmaschinen und deren Werkzeuge zu automatisieren, ist es notwendig durch eine Zustandsschätzung die Lage und die Orientierung der Arbeitsmaschine und der Werkzeuge zu kennen. Die Lage und die Orientierung von mehreren zueinander beweglichen Modulen, die über Gelenke miteinander verbunden sind, werden mittels Inertialsensoren, die an den Modulen angeordnet sind, ermittelt.
In Figur 1 ist als Beispiel für eine Arbeitsmaschine ein Bagger 1, mit einem Unterbau U und einem Oberwagen L1 dargestellt, wobei der Oberwagen L1 über ein erstes Gelenk J1 gegenüber dem Unterwagen U in der Horizontalen drehbar ist. Am Oberbau L1 ist eine erste Sensoreinheit S1 angeordnet, welche
Inertialsensoren, die die Linearbeschleunigung und/oder die Drehrate des Oberbaus gegenüber einem ortsfesten Referenzkoordinatensystem messen, sowie ein Magnetometer, welches das Erdmagnetfeld an dieser Stelle misst, aufweist. Der Bagger 1 weist einen Baggerarm 2 mit weiteren Gliedern Ausleger L2, Verstellausleger L3 und Stiel L4, sowie eine Schaufel 3 bzw. L5 auf. Der Ausleger L2 ist über ein zweites Gelenk J2 mit dem Oberwagen L1 des Baggers 1 verbunden, der Verstellausleger L3 ist über ein drittes Gelenk J3 mit dem Ausleger L2 verbunden, der Stiel L4 ist über ein viertes Gelenk J4 mit dem Verstellausleger L3 verbunden und die Schaufel L5 ist über ein fünftes Gelenk J5 mit dem Stiel L4 verbunden. An jedem Glied L1, L2, L3, L4, L5 ist jeweils eine Sensoreinheit S1, S2, S3, S4, S5 angeordnet, die Inertialsensoren sowie ein Magnetometer aufweist. Die Inertialsensoren sind Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren, welche die Linearbeschleunigung und die Drehrate des jeweiligen Sensors gegenüber einem ortsfesten Referenzkoordinatensystem messen. Zudem können die Sensoreinheiten S1, S2, S3, S4, S5
Gelenkwinkelsensoren aufweisen, die jeweils den Gelenkwinkel jedes Gelenks J1, J2, J3, J4, J5 messen. Mit W ist ein globales Koordinatensystem
gekennzeichnet, in dem sich der Bagger 1 befindet.
Ein an sich bekanntes Verfahren zur Zustandsschätzung ist für den Oberwagen L1 und Ausleger L2 in der Figur 2 dargestellt und wird im Folgenden anhand dieser Figur kurz erläutert:
Für den Unterwagen U werden eine Transformationsmatrix Twu und ein daraus ableitbares Einheitsquaternion qwu, welche die Lage und die Orientierung des Unterwagens U im globalen Koordinatensystem W angeben, bereitgestellt 10. Gleichzeitig oder nacheinander nehmen die Sensoreinheiten S1, S2 (in Figur 2 nicht gezeigt auch die weiteren Sensoren S3, S4, S5), genauer die
Inertialsensoren und die Magnetometer, Messsignale auf 20, 30. Als Messsignale wird die mit w bezeichnete Winkelgeschwindigkeit, die mit a bezeichnete
Beschleunigung sowie das mit m bezeichnete Magnetfeld aufgenommen. Der linksseitige Index gibt in Figur 2 an, in welchem Bezugskoordinatensystem der jeweilige Messwert aufgenommen wurde. Die gemessene Winkelgeschwindigkeit S1wmess, die gemessene Beschleunigung S1amess und das gemessene Magnetfeld S1mmess für den Oberwagen L1 durchlaufen einen Filter 21, wodurch unter anderem ein Quaternion qW , 1, das die Rotation des Oberwagens L1 gegenüber dem globalen Koordinatensystem W repräsentiert, und die geschätzte
Winkelgeschwindigkeit L1west des Oberwagens L1 ermittelt werden. Für das erste Gelenk J1 wird nun mittels des Quaternion qW, 1 des Oberwagens L1 und des Einheitsquaternions des Unterwagens U ein erster Gelenkwinkel q1 ermittelt 40 und daraus wird dann im Anschluss die Transformationsmatrix TU,L1 für den Übergang zwischen dem Unterwagen U und dem Oberwagen L1 ermittelt 41. Schließlich erfolgt eine Matrixmultiplikation 42 der Transformationsmatrix TW,U für den Unterwagen U mit der Transformationsmatrix TU,L1 für den Übergang zwischen dem Unterwagen U und dem Oberwagen L1, um die
Transformationsmatrix TW,L1 für den Übergang zwischen dem globalen
Koordinatensystem W und dem Oberwagen L1 zu erhalten.
In analoger Weise wird die gemessene Winkelgeschwindigkeit S2wmess, die gemessene Beschleunigung S2amess und das gemessene Magnetfeld S2mmess für den Ausleger L2 des Baggerarms 2 vom zweiten Sensor S2 aufgenommen 30 und durchläuft einen Filter 31, wodurch unter anderem ein Quaternion qW, 2, das die Rotation des Auslegers L2 gegenüber dem globalen Koordinatensystem W repräsentiert, und die geschätzte Winkelgeschwindigkeit L2west des Auslegers L2 ermittelt werden. Für das zweite Gelenk J2 wird nun mittels des Quaternions qW,L2 des Auslegers L2 und mittels des Quaternions qW, 1 des Oberwagens L1 ein zweiter Gelenkwinkel q2 ermittelt 50. Daraus wird im Anschluss unter
Verwendung der als bekannt angenommen kinematischen Parameter, wie z.B. der Denavit-Hartenberg Parameter, des artikulierten Armes in Analogie zur sogenannten Vorwärtskinematik von Roboterarmen die Transformationsmatrix T L1,L2 für den Übergang zwischen dem Oberwagen L1 und dem Ausleger L2 ermittelt 51. Schließlich erfolgt eine Matrixmultiplikation 52 der
Transformationsmatrix TW,L1 für den Übergang zwischen dem globalen
Koordinatensystem W und dem Oberwagen L1 und der Transformationsmatrix T L1,L2 für den Übergang zwischen dem Oberwagen L1 und dem Ausleger L2, um die Transformationsmatrix TW, 2 für den Übergang zwischen dem globalen Koordinatensystem W und dem Ausleger L2 zu erhalten.
Für die weiteren Glieder kann das Verfahren in analoger Weise weitergeführt werden.
Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens zur Berechnung der
Vorwärtskinematik aus Gelenkwinkeln für stationäre Maschinen ist z. B. in der Abhandlung von Spong, Mark W., Seth Hutchinson, und Mathukumalli
Vidyasagar,„Robot modeling and control“, Vol. 3. New York: Wiley, 2006 gegeben, auf die insoweit verwiesen wird.
Offenbarung der Erfindung
Bei Arbeitsmaschinen, die typischerweise eine großen Masse Metall aufweisen, werden die Messungen der Magnetometer durch die große Masse Metall und die dadurch entstehenden Änderungen des Magnetfelds so verändert, dass sie häufig unbrauchbar oder zumindest unzuverlässig sind. Es ist auch möglich, dass die Messungen der einzelnen Magnetometer unterschiedlich beeinflusst werden, sodass Zustandsschätzungen für die jeweiligen Module bzw. Glieder auseinanderdriften und dadurch bei den Zustandsschätzungen Konfigurationen der Orientierung und/oder der Lage der Module bzw. Glieder entstehen, die gemäß der Kinematik nicht möglich sind. Als Beispiel gibt eine
Zustandsschätzung für zwei Module, die über ein Gelenk verbunden sind, jeweils unterschiedliche Gierwinkel an, obwohl das durch die Kinematik ausgeschlossen sein sollte. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einem Modul ein Glied verstanden werden.
Es wird vorgeschlagen, zumindest ein Paar aus Referenzvektor und
„gemessenem“ Vektor zu ermitteln, welches kinematische Zusammenhänge zumindest eines der Gelenke und der beiden mit dem Gelenk verbundenen Module repräsentiert. Da hierbei höchstens indirekt Messungen durchgeführt werden, sondern das Ermitteln der genannten Vektoren vielmehr als sogenannte virtuelle Messungen betrachtet werden kann, wird der zumindest eine Vektor auch als virtueller Vektor bezeichnet werden. Dieses Vektorpaar dann in die Zustandsschätzung der Module ein. Die kinematischen Zusammenhänge können insbesondere kinematische Bedingungen (engl.: kinematic constraints) sein, welche die Begrenzungen der Komponenten repräsentieren. So kann sich ein Gelenk typischerweise nur bis zu einem maximalen Winkel drehen und feste Module können sich nicht überlappen.
Besonders vorteilhaft werden Vektorpaare ermittelt, welche die kinematischen Zusammenhänge repräsentieren. Ein erstes Vektorpaar repräsentiert dabei den kinematischen Zusammenhang, dass das Gelenk aus Sicht jeder der beiden Module, die mit dem Gelenk verbunden sind, die gleiche Gelenkachse aufweist. Der Ausdruck„aus Sicht des ...“ gibt an, welches Koordinatensystem zur Betrachtung herangezogen wird. Mit anderen Worten, ist die Lage und
Orientierung des Gelenks bzw. der Gelenkachse unabhängig von welchem Modul aus sie ermittelt wird und ist somit für beide Module gleich. Demzufolge wird durch den ersten Vektor auch der kinematische Zusammenhang
repräsentiert, dass das Gelenk aus Sicht jeder der beiden Module die gleiche Gelenkachse aufweist. Ein zweites Vektorpaar repräsentiert den kinematischen Zusammenhang, dass ein gemessener Gelenkwinkel aus Sicht eines Moduls, das mit dem Gelenk verbundenen ist, zumindest eine Achse des anderen Moduls, das mit dem Gelenk verbunden ist, vorgibt. Mit anderen Worten, wurde der Gelenkwinkel gemessen und ist die Orientierung des einen Moduls bekannt, so ist auch die Orientierung einer Achse des anderen Moduls bekannt. Der Gelenkwinkel kann z. B. durch einen Gelenkwinkelsensor gemessen werden.
Bevorzugt fließt das zumindest eine Vektorpaar bei einer Fusionierung der Sensordaten des Inertialsensors, der dem jeweiligen Modul zugeordnet ist, ein. Vorzugsweise werden die beiden obengenannten Vektorpaare für jeden
Inertialsensor ermittelt und fließen bei der zugehörigen Filterung der Sensordaten dieses Sensors ein. Besonders bevorzugt erfolgt die Fusionierung durch eine Filterung. Es können aber auch andere Sensorfusionsverfahren verwendet werden, z. B. solche, die auf einer Auswertung von Graphen basieren.
Die Module sind typischerweise entlang einer kinematischen Kette angeordnet, das heißt die Bewegung eines Moduls hängt von der Bewegung des zuvor angeordneten Moduls ab. Vorzugsweise wird die Ermittlung der Vektoren für ein Modul nach dem anderen in Reihenfolge, beginnend bei einem ersten Modul, das mit einer festen Referenz, insbesondere im globalen Koordinatensystem, verbunden ist, durchgeführt.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren
Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches
elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, die kinematischen Zusammenhänge bei der Zustandsschätzung miteinfließen zu lassen.
Das Verfahren findet Anwendung bei einer Arbeitsmaschine, die einen mehrgliedrigen, artikulierten Arm aufweist. Ein Beispiel für solch eine
Arbeitsmaschine ist ein Bagger mit einem Schaufelarm. Die Module entsprechen dabei den Gliedern des Arms, können zusätzlich auch weiteren Teilen des Baggers, wie z. B. einem Oberbau entsprechen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Arbeitsmaschine in Form eines Baggers gemäß dem Stand der Technik, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Zustandsschätzung gemäß dem Stand der Technik.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Zustandsschätzung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Im Folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von beweglichen Modulen eines Baggers 1 aus Figur 1 beschrieben. Als bewegliche Module werden ein zu einem Unterwagen U drehbarer Oberwagen L1 , Ausleger L2, Verstellausleger L3, Stiel L4 und Schaufel L5 angesehen. Die beweglichen Module sind entlang einer kinematischen Kette über Gelenke J1 , J2, J3, J4, J5 miteinander verbunden und weisen jeweils Sensoreinheiten S1 , S2, S3, S4, S5, die
Inertialsensoren und Magnetometer umfassen, auf. Eine detaillierte
Beschreibung wurde oben im Abschnitt‘Stand der Technik' gegeben.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gleiche Schritte wie im in Figur 2 gezeigten Verfahren gemäß dem Stand der Technik sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und auf deren erneute Beschreibung wird verzichtet.
Bei der Notation gilt zu beachten, dass der rechtseitige Index angibt, zwischen welchen Modulen bzw. Koordinatensystemen die Bewegung erfolgt und der linksseitige Index angibt aus welchem Koordinatensystem die Bewegung betrachtet wird (der Ausdruck„aus Sicht des ...“ gibt an, welches
Koordinatensystem zur Betrachtung herangezogen wird). Für jeden Sensor S1 , S2, S3, S4, S5 erfolgen jeweils eine Ermittlung 100, 110 des Vektorpaars Sinmess,i, Wnref,i und eine Ermittlung 101 , 111 des zweiten Vektorspaars Siomess,i, Woref,i (Index i steht hier für ein beliebiges Modul mit zugehörigem Sensor), die nachfolgend detailliert erläutert werden. Diese beiden Vektorpaare o und n ersetzen oder ergänzen den im Stand der Technik gemessenen Magnetfeldvektor Smmess (siehe Figur 2). Gemäß der Formel 1 fließen die Vektoren Sinmess,i, Wnref,i und Siomess,i, Woref,i bei der Filterung 21 , 31 ein, um die Abweichung bzw. den Fehler zwischen den virtuellen Messungen und den erwarteten Referenzgrößen Wnref,i und Woref,i zu minimieren:
Sinmess,i und Siomess,i sind die im Sensorkoordinatensystem gemessenen (bzw. virtuell gemessenen) Vektoren, RW,Si gibt die Orientierung des Sensors Si relativ zum globalen Koordinatensystem W an und Wnref,i und Woref,i sind die Vektoren als Referenz aus Sicht des globalen Koordinatensystems W.
Im Folgenden wird die Ermittlung 100, 101 der Vektorpaare für die erste
Sensoreinheit S1 beschrieben. Die erste Sensoreinheit S1 ist am Oberwagen L1 angeordnet und weist Inertialsensoren sowie einen Gelenkwinkelsensor auf. Der Oberwagen L1 ist entlang einer kinematischen Kette über ein erstes Gelenk J1 mit dem Unterwagen U verbunden. Es wird bei der Ermittlung 100 des ersten Vektorpaars S1nmess,1, Wnref,1 wie folgt vorgegangen:
Die Gelenkachse des ersten Gelenks J1, welches die aufeinanderfolgenden Module Oberwagen L1 und Unterwagen U verbindet, kann relativ zu beiden Koordinatensystemen der Module direkt angegeben werden. Wird der Vektor S1nmess,1 des ersten Vektorpaars für den auf dem Oberwagen L1 angeordneten ersten Sensor S1 unter Verwendung der als bekannt angenommenen
Orientierung zwischen Sensor 1 und Oberwagen L1 einerseits und der Vektor Wnref,i unter Verwendung der Orientierungsschätzung des Vorgängerglieds L1 andererseits angegeben, so sollten die beiden so ermittelten Vektoren, sobald sie in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert werden, aufgrund des kinematischen Zusammenhangs identisch oder parallel sein. Entsprechend der Denavit-Hartenberg-Konvention aus der Abhandlung von Spong et. al.„Robot modeling and control“ (siehe oben) entspricht die
Gelenkachse der z-Achse des vorherigen Moduls. Als vorheriges Modul ist hier das Modul anzusehen, das entlang einer kinematischen Kette, die vom unbewegten Modul ausgeht, vor dem aktuellen Modul angeordnet und mit diesem direkt verbunden ist. In diesem Fall ist das vorherige Modul also der Unterwagen U:
Es kann gemäß Formel 3 eine virtuelle Messung des ersten Vektors im
Koordinatensystem des ersten Sensors S1, der an dem Oberwagen L1 angeordnet ist, durchgeführt werden.
RL1,S1 bezeichnet einen konstanten Applikationsparameter, der die Orientierung des ersten Sensors S1 relativ zum Oberwagen L1 repräsentiert und als bekannt angenommen werden kann. RU,L1 repräsentiert den Rotationsanteil der
Transformationsmatrix TU,L1 zwischen dem Oberwagen L1 und dem Unterwagen U (siehe Figur 2), also der sogenannten A-Matrix der Denavit- Hartenberg Konvention. In der eingangs genannten Abhandlung von Spong et. al.„Robot modeling and control“ (Gleichung 3.10) ist diese folgendermaßen definiert:
qi bezeichnet hierbei den variablen Gelenkwinkel und di, a i und ai sind konstante kinematische Gelenkparameter.
Für den Rotationsteil gilt daher:
RL1, U bezeichnet die inverse bzw. transponierte Rotationsmatrix von RU,L ·
Da ein parallel zur z-Achse stehender Vektor invariant gegenüber Rotation um die z-Achse ist, lässt sich Formel 3 weiter vereinfachen, so dass sie nur noch von konstanten Parametern abhängt, die entweder die Orientierung RL1,S1 des ersten Sensors S1 in Bezug auf den Oberwagen L1 oder die Kinematik des Gelenks, ausgedrückt durch den Parameter ai, betreffen:
Gleichzeitig kann der erste Vektor Wnref als Referenz aus Sicht des globalen Koordinatensystems W gemäß der Formel 7 über die Zustandsschätzung der Orientierung des vorherigen Glieds, also des Unterwagens U, angegeben werden:
Es gilt zu beachten, dass weder für die Beschreibung des ersten Vektors S1nmess,1 der virtuellen Messung für den ersten Sensor S1 noch für die
Beschreibung des ersten Vektors Wnref,1 als Referenz aus Sicht des globalen Koordinatensystems W die Zustandsschätzung für das betrachtete Glied, also den Oberwagen L1, oder für den ersten Sensor S1 verwendet wurde. Der in Formel 8 ausgedrückte Zusammenhang (entspricht Formel 1 oben für den ersten Sensor S1) kann daher bei der Filterung 21 zur Zustandsschätzung der
Orientierung RW, S1 des ersten Sensors S1 einfließen, um den Differenzvektor zwischen der virtuellen Messung und der erwarteten Referenz Wnref,1 zu minimieren:
Es wird bei der Ermittlung 101 des zweiten Vektorspaars S1omess,1, Woref,1 (weiterhin für den ersten Sensor S1) wie folgt vorgegangen: Es kann gemäß Formel 9 eine virtuelle Messung des zweiten Vektors im
Koordinatensystem des ersten Sensors S1, der an dem Oberwagen L1 angeordnet ist, durchgeführt werden.
RS1,L1 bezeichnet die inverse bzw. transponierte Rotationsmatrix von RL1,S1 und ist somit ebenfalls ein konstanter Applikationsparameter, der die Orientierung des ersten Sensors S1 relativ zum Oberwagen L1 repräsentiert und als bekannt angenommen werden kann.
Gleichzeitig kann der zweite Vektor Woref,1 als Referenz aus Sicht des globalen Koordinatensystems W gemäß der Formel 10 über die Zustandsschätzung der Orientierung des vorherigen Glieds, also des Unterwagens U, und dem
Rotationsanteil RU,L1 der Transformationsmatrix TU,L1 zwischen dem Oberwagen L1 und dem Unterwagen U angegeben werden:
Dieser Vektor hängt lediglich von der Orientierung des Unterwagens U in Bezug auf das Referenzkoordinatensystem W und dem gemessenen Gelenkwinkel q1 ab. Allgemeiner ausgedrückt hängt dieser Vektor nur von der
Orientierungsabschätzung des Vorgängermoduls und dem Gelenkwinkel zwischen den beiden Modulen ab.
Es gilt auch hier zu beachten, dass weder für die Beschreibung des zweiten Vektors S1omess,1 für den ersten Sensor S1 noch für die Beschreibung des zweiten Vektors Woref,1 als Referenz aus Sicht des globalen Koordinatensystems W die Zustandsschätzung für das betrachtete Modul, also den Oberwagen L1, oder für den ersten Sensor S1 verwendet wurde. Der in Formel 11 ausgedrückte Zusammenhang (entspricht Formel 11 unten für den ersten Sensor S1) kann daher bei der Filterung 21 für den ersten Sensor einfließen, um den
Differenzvektor zwischen der virtuellen Messung und der erwarteten Referenz Woref,1 zu minimieren: (Formel 11)
Die in Figur 3 dargestellte Ermittlung 110 des ersten Vektorpaars S2nmess, 2, Wnref ,2 und Ermittlung 111 des zweiten Vektorpaars S2omess,2, Woref, 2 für den zweiten Sensor S2 kann in analoger Weise durchgeführt werden. Dies gilt auch für die Ermittlung der Vektoren für die anderen Sensoren S3, S4, S5, die der Übersicht halber in Figur 3 nicht gezeigt sind.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Zustandsschätzung von Lage und Orientierung von
mehreren zueinander über Gelenke (J1, J2, J3, J4, J5) beweglichen Modulen (L1, L2, L3, L4, L5) eines gemeinsamen Systems mittels Inertialsensoren (S1, S2, S3, S4, S5), die an den Modulen(L1, L2, L3,
L4, L5) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Vektorpaar (Sinmess i, Wnref,i oder Siomess,i, Woref,i) ermittelt (100, 101, 110, 111) wird, welches kinematische Zusammenhänge zumindest eines der Gelenke (J1, J2, J3, J4, J5) und der beiden mit dem Gelenk (J1, J2, J3, J4, J5) verbundenen Modulen (L1, L2, L3, L4, L5) repräsentiert, und zumindest ein Vektorpaar ( Sinmess,i , Wnref,i oder Siomess,i, Woref,i ) in die
Zustandsschätzung einfließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein erstes
Vektorpaar (Sinmess i, Wnref, i), des den kinematischen Zusammenhang repräsentiert, dass das Gelenk (J1, J2, J3, J4, J5) aus Sicht jeder der beiden mit dem Gelenk verbundenen Module (L1, L2, L3, L4, L5) die gleiche Gelenkachse aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein zweites Vektorpaar ( Siomess,i, Woref,i), das den kinematischen Zusammenhang repräsentiert, dass ein gemessener Gelenkwinkel (Q) aus Sicht eines der mit dem Gelenk (J1, J2, J3, J4, J5) verbundenen Glieder (L1, L2, L3, L4, L5) zumindest eine Achse ( ex ) des anderen mit dem Gelenk (J1, J2, J3, J4, J5) verbundenen Glieds (L1, L2, L3, L4, L5) vorgibt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das zumindest eine Vektorpaar (Sinmess i, Wnref,i oder Siomess,i, Woref,i ) bei einer Fusionierung der Sensordaten des dem Modul (L1, L2, L3, L4, L5) zugeordneten Inertialsensors (S1, S2, S3, S4, S5) einfließt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fusionierung der Sensordaten durch eine Filterung (21, 31) erfolgt.
6. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
7. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein
Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.
8. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eine Abschätzung von Lage und Orientierung von mehreren zueinander beweglichen Modulen durchzuführen.
9. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 bei einer Arbeitsmaschine (1), die einen mehrgliedrigen, artikulierten Arm (2) aufweist, wobei die Module (L2, L3, L4, L5) den Gliedern des Arms (2) entsprechen.
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