JP2023177263A - 複数のimuから形成されるシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】追加の中央制御装置と共に機能するが、それを必要としない、IMUから形成されるシステムを提供すること。【解決手段】本発明は、データを記録及び伝送するように構成される少なくとも1つのスレーブIMU1、2、3、4を有する、複数のIMU1、2、3、4、5から形成されるシステムに関する。それ自体がデータを記録するように、及び少なくとも1つのスレーブIMU1、2、3、4からデータを受信するように、及び運動連鎖の計算のためにデータを一緒に解析するように、及びシステムと接続される機器の電子制御装置へ解析されたデータを伝送するように構成される解析演算ユニットを有する、マスタIMU5が加えて設けられる。【選択図】図1
Description
本発明は、回転速度及び/又は加速度を測定することができる、慣性測定ユニット(以下、IMU(inertial measurement unit)と呼ばれる)から形成されるシステムに関する。IMUから形成されるシステムは、機械及びそれらの器具において使用される。
慣性測定ユニットは、複数の慣性センサから、特に、三次元における加速度を測定する加速度センサ、及び三次元における回転速度、したがって角速度、を測定するジャイロスコープから成る。このデータから、IMUが固定される物体の位置及び(角)速度が、測定され得る。全体座標系における位置は、IMUの位置に対する地球の重力のベクトルを測定することによって、決定される。物体が動く場合に、誤差が、それによって、加速度センサの測定において発生することがあり、誤差は、ジャイロスコープからのデータによるセンサ融合によって、加速度センサの測定について補正される。
今日では、IMUのシステムは、機械の自動又は半自動制御のために使用される。IMUは、例えば、機械の器具のアームに配設され、そこで加速度及び回転速度を測定する。具体的な適用例は、IMUが掘削アーム及び場合により上部キャリッジに配設される、掘削機、掘取機、及び類似のものである。
IMUを制御及び解析するためのいくつかの手法が公知である。一方では、傾斜を利用して、器具のアームの絶対位置を記録する、個々のIMUが設けられ得る。個々のIMUは、これによって、機械上で他のIMUから独立して動作し、また、これらからいずれのデータも受信しない。結果として、個々のIMUは、それら自体が機械上での自身の位置を認識せず、その結果、これらは、発生する加速度を最適に補正することができない。
他方では、IMUの組合せシステム及び追加の中央制御ユニットが設けられる。IMUは、中央制御ユニットと接続され、中央制御ユニットに個々のIMUによって測定されるデータを送信する。データは、既に、IMUによって前処理され得る、又は生データ、したがって測定された加速度及び測定された回転速度として、中央制御ユニットへ直接的に送信され得る。中央制御ユニットは、次に、データから、位置、(角)速度、傾斜、及び/又はIMU間の中間角度を計算する。それにより、中央制御ユニットは、機械又は機械に既に存在する制御装置に特別に設置される必要がある、制御装置である。追加の中央制御装置を有するそのような組合せシステムは、通常は非常に高価であり、容易に追加導入することはできない。そのような解決手段は、例えば、米国特許第10,724,842(B2)号から公知である。
本発明の目的は、追加の中央制御装置と共に機能するが、それを必要としない、IMUから形成されるシステムを提供することである。
少なくとも1つのスレーブIMU及びマスタIMUを有する、複数のIMUから形成されるシステムが提示される。IMUは、特に、CAN(コントローラ・エリア・ネットワーク:controller area network)バスを介して接続される。少なくとも1つのスレーブIMUは、データを記録し、システム内でそれを伝送するように構成される。データは、少なくとも1つのスレーブIMUが配設される物体の回転速度及び/又は加速度である。データは、測定から直接的に、生データとして記録及び伝送され得る。この場合に、スレーブIMUは、それ自体の解析及び/又は処理ユニットで賄われ、それにより、生産費を低く保つ。代わりに、少なくとも1つのスレーブIMUは、記録されたデータの前処理を実行するように構成される、処理ユニットを有し得る。例えば、方向余弦行列(DCM:direction cosine matrix)が、生データから計算される場合があり、それは、その後、伝送される。スレーブIMUにおいて分散して実行され得る、データを前処理することによって、その後の中央解析が簡略化される。伝送のために、スレーブIMUは、伝送装置を有し得る。
本発明によると、システムのIMUのうちの1つは、解析演算ユニットを有するという点でスレーブIMUと異なる、マスタIMUとして形成される。スレーブIMUのように、マスタIMUもまた、それ自体がデータを記録するように構成される。データはまた、マスタIMUが配設される物体の回転速度及び/又は加速度である。加えて、マスタIMUは、少なくとも1つの上述のスレーブIMUからデータを受信するように構成される。解析演算ユニットは、このために使用され得る。代わりに、マスタIMUは、少なくとも1つのスレーブIMUからデータを受信するために、追加の伝送装置を有する。解析演算ユニットによって、マスタIMUは、運動連鎖を判定するために、少なくとも1つのスレーブIMUのデータ、及びそれ自体によって記録されるデータを一緒に解析するように構成される。マスタIMU及び/又は少なくとも1つのスレーブIMU並びに少なくとも1つのスレーブIMU若しくはマスタIMUが配設される物体の位置及び角度が、それによって、計算され得る。マスタIMUの解析演算ユニットは、伝送装置と、及びスレーブIMUの前処理ユニットと比較して、著しく強力な演算ユニットである。マスタIMUは、次に、システムと接続される機器の制御装置へ解析されたデータを送信する。マスタIMUは、機器の制御装置へ計算データを伝送するための、伝送装置を有し得る。
1つのスレーブIMU及び1つのマスタIMUの、2つのIMUでさえ、したがって、本発明によるシステムを実現するために十分である。しかしながら、同じマスタIMUと接続され、これへデータを伝送する、複数のスレーブIMUもまた、設けられ得る。好ましいシステムでは、1つを除く全てのIMUが、スレーブIMUとして形成される。それによって、マスタIMUのみが解析を実行し得る演算ユニットを含む必要があるので、費用が低減される。特に、最大で4つのスレーブIMU及び1つのマスタIMUが、特に有利であると証明されている。しかしながら、他の構成、例えば4つを超えるスレーブIMU及び1つのマスタIMUもまた可能である。
それによって、例えば、複数のスレーブIMUが運動連鎖の同じ節に配設される、冗長化システムを形成することも可能である。例えば、2つのIMUシステムが共有のハウジングに搭載され、1つの電源を介して電力供給され、同じCANバスを介して通信する、部分的冗長化システムもまた可能である。そのような冗長化システムは、システム全体の機能的安全性を高める。
システムにおいて、複数のIMUは互いに接続され、データは一緒に解析される。しかしながら、IMUが接続される追加の制御装置は、必要ではない。解析は、マスタIMUにおいて、システムの内部で行われる。システムは、それによって、例えば機械の内部に、追加の制御装置を設置する必要も、既に設けられた機械の電子制御装置を変更する必要もなく、簡略的に機械において実装され得る。スレーブIMUは、好ましくは、信号伝達を介して、マスタIMUと接続されるのみである。マスタIMUは、加えて、ユーザ・インターフェースを有し得る、又はユーザ・インターフェースと接続され得る。
好ましくは、マスタIMUは、解析後に、マスタIMUへの少なくとも1つのスレーブIMUの位置データを伝送する。この場合に、マスタIMUは、したがって、少なくとも1つのスレーブIMUへデータを送信するように構成され、少なくとも1つのスレーブIMUは、マスタIMUからデータを受信するように構成される。少なくとも1つのスレーブIMUは、それによって、その位置及び場所に関する情報を受信する。この情報は、その後、順次、前処理に組み込まれ得る。全てのIMUが、それによって、それらに関連する情報を受信することができる。
場合により、物体の角度を記録する少なくとも1つの角度センサが設けられてもよく、それは、該物体における運動連鎖の隣接する物体へ配設される。異なる種類の角度センサが設けられ得る。角度センサは、好ましくは、物体のそれぞれの回転中心に配設される、又はこれと少なくとも機械的に接続される。この角度センサは、特に、運動連鎖の始動部に配設される。別の角度センサが、好ましくは、分節センサとして形成される。分節センサは、典型的には、180°未満の角度範囲で測定し、回転中心に配設される必要はない。そのような分節センサは、特にIMUとの比較において、典型的には運動連鎖の末端で発生する強い振動及び衝撃に対して影響を受けにくいので、分節センサは、特に、運動連鎖の末端に配設される。少なくとも1つの角度センサのデータは、マスタIMUへ伝送され、そこで解析に含まれる。角度センサによって、角度位置及び角速度は、しばしば、IMUを使用することのみによるより、良好に記録され得る。例えば、角度位置が、IMUでは適さない、向きが水平である場合も、記録され得る。したがって、向心加速度のより正確な補正が可能である。
複数のスレーブIMUが設けられる場合に、マスタIMUは、解析中に、一緒に解析されるデータから、個々のスレーブIMU及び/又はマスタIMUの間の中間角度を計算することができる。代わりに、マスタIMUは、解析中に、一緒に解析されるデータから、ある基準に関する個々のIMUの絶対角度を計算することができる。垂直位置が、特に、基準として使用される。
IMUから形成される本発明によるシステムは、掘削機において使用され得る。掘削機におけるIMUは、それによって、その掘削アームに配設される。一般的に、マスタIMUは、掘削機におけるいずれかに配設され得る。好ましくは、マスタIMUが、掘削機の上部キャリッジに配設され、スレーブIMUが、掘削アームに、及び場合により器具に配設される。マスタIMUは、それによって、上部キャリッジの、及びしたがって運動連鎖の第1の節の位置及び回転速度を記録することができる。
図1及び図2において、下部キャリッジ11、及び下部キャリッジ11に回転可能に配設される上部キャリッジ12を有する、掘削機10が示される。掘削アーム13は、互いに対して、及び上部キャリッジ12に対して傾けられ得る、ここでは4つの分節から成り、上部キャリッジ12に配設される。掘削ショベル14が、器具として掘削アーム13の最後の分節に配設される。
本発明によると、上部キャリッジ12に、及び掘削アーム13に実装される、複数のIMU1、2、3、4、5が設けられる。特にX方向における地球の重力に対する、加速度、及び掘削アーム13のそれぞれの分節の回転速度を記録する、スレーブIMU1、2、3、4が、掘削アームの各分節に配設される。スレーブIMU1、2、3、4は、データの完全解析のために構成される、解析演算ユニットを有さない。しかしながら、それらは、生データが前処理され得る、あまり強力ではない処理ユニットを有し得る。加えて、スレーブIMUは、データがCANバスによって伝送され得る、伝送装置を有し得る。上部キャリッジ12の加速度及び回転速度を記録するマスタIMU5が、上部キャリッジ12に配設される。スレーブIMU1、2、3、4は、CANバスを介してマスタIMU5と接続され、マスタIMU5へ記録されたデータを送信する。データは、記録された生データとして直接的に伝送され得る、又は事前に前処理され、次に、前処理されたデータとして、例えばDCMとして、マスタIMU5へ伝送され得る。
加えて、回転中心に配設される、又は別様に回転中心と機械的に接続される、及び地球の重力に垂直なY-Z平面において下部キャリッジ11に対する角度を記録する、角度センサ6が、上部キャリッジ12に設けられる。角度センサ6はまた、マスタIMU5と接続され、これに角度データを送信する。ショベル14と掘削アーム13との間の接続部において、好ましくは分節センサ7として形成される、さらなる角度センサが、スレーブIMU4の代わりに又はこれに加えて、設けられ得る。分節センサ7は、ショベル14と掘削アーム13の最後の区画との間の角度を測定し、このために回転中心の外側に配設される。分節センサ7はまた、マスタIMU5と接続され、これに角度データを送信する。動作中に、強い振動及び衝撃が、掘削ショベル14に発生する。分節センサ7は、スレーブIMU4と比較して、これによる影響を及ぼされにくい。マスタIMU5は、スレーブIMU1、2、3、4及び角度センサ6、7のデータがCANバスを介して受信される、伝送装置を有する。さらに、マスタIMU5は、スレーブIMU1、2、3、4のデータ、マスタIMU5の記録されたデータ、及び角度センサ6のデータ、並びに場合により分節センサ7のデータが一緒に解析される、解析演算ユニットを有する。解析されたデータは、伝送装置によって掘削機10の制御装置(図示せず)へ伝送される。
図2において、掘削アーム13の第2の分節のスレーブIMU2(以下で、第2のIMU2と呼ばれる)の速さv2、及び上部キャリッジ12のマスタIMU5の速さv5の計算の、実例が示される。掘削アーム13は、下部キャリッジ11に対する上部キャリッジ12の回転で及びそれによって、回転される。速さv2及びv5は、したがって、上部キャリッジ12が回される円経路の接線であり、それらは、したがって、その角速度ωに依存する。マスタIMU5は、角度センサ6の追加データを使用して、下部キャリッジ11に対する上部キャリッジ12の角度を判定する。加えて、全体座標系(Y-Z平面のみが図2において表示される)におけるマスタIMU5の絶対位置P5が、記録される。マスタIMU5は、このために、全体座標系におけるその絶対角度を記録することができる。代わりに又は加えて、角度センサ6は、その角度位置を記録することができ、角度位置から、位置P5が判定され得る。運転操作中の下部キャリッジ11の動きもまた、これによって、記録されることが可能であり、異なる駆動形式、例えばキャタピラ駆動又は車輪駆動の異なる挙動が、考慮されることが可能である。
図2において、マスタIMU5の速さv5が、単に、掘削機10の回転中心の半径範囲の接線速さである、簡略的な事例のみが考察される。マスタIMU5の速さv5の計算のために、マスタIMU5の位置P5及び上部キャリッジ12の角速度ωは、それ自体が公知の方式で使用される。計算は、マスタIMU5の解析演算ユニットにおいて直接的に行われる。第2のIMU2の速さv2は、同様にそれ自体が公知の方式で、第2のスレーブIMU2の位置P2及び上部キャリッジ12の角速度ωから計算される。第2のスレーブIMU2の位置P2は、第2の分節の第2のスレーブIMU2、掘削アーム13の第1の分節のスレーブIMU1、及び上部キャリッジ12のマスタIMU5の、記録された加速度及び回転速度データから計算される。スレーブIMU1、2のデータは、マスタIMU5へ送られ、計算がまた、マスタIMU5の解析演算ユニットにおいて行われる。第2のスレーブIMU2の位置P2を計算するために、マスタIMU5は、全体座標系のX軸に対する第2のスレーブIMU2の絶対角度を計算することができる。特にX方向における位置成分について、マスタIMU5は、代わりに、マスタIMU5と第1の分節のスレーブIMU1との間の中間角度、及び第1の分節のスレーブIMU1と第2のスレーブIMU2との間の中間角度を判定することができる。位置P2に関する情報が、最後に、マスタIMU5から第2のスレーブIMU2へ伝送される。
Claims (9)
- データを記録及び伝送するように構成される少なくとも1つのスレーブIMU(1、2、3、4)を有する、複数のIMU(1、2、3、4、5)から形成されるシステムであって、
それ自体がデータを記録するように、及び前記少なくとも1つのスレーブIMU(1、2、3、4)からデータを受信するように、及び運動連鎖の計算のために前記データを一緒に解析するように、及び前記システムと接続される機器の電子制御装置へ前記解析されたデータを伝送するように構成される解析演算ユニットを有する、マスタIMU(5)を特徴とする、システム。 - 前記マスタIMUが、前記少なくとも1つのスレーブIMUから前記データを受信するように、及び/又は前記機器の前記電子制御装置へ前記解析されたデータを伝送するように構成される伝送装置を有することを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのスレーブIMU(1、2、3、4)が、前記記録されたデータの前処理を実行するように構成される処理ユニットを有することを特徴とする、請求項1又は2に記載のシステム。
- 前記マスタIMU(5)が、前記少なくとも1つのスレーブIMU(1、2、3、4)から前記マスタIMU(5)への前記位置データを伝送することを特徴とする、請求項3に記載のシステム。
- 前記運動連鎖の2つの節の間の角度を判定する、少なくとも1つの角度センサ(6、7)を特徴とする、請求項1から4までのいずれか一項に記載のシステム。
- 角度センサが、前記運動連鎖の末端に配設され、分節センサとして形成されることを特徴とする、請求項5に記載のシステム。
- 複数のスレーブIMU(1、2、3、4)が設けられること、並びに前記マスタIMUが、一緒に解析される前記データから、個々の前記スレーブIMU(1、2、3、4)間の、及び/若しくは前記マスタIMU(5)と個々の前記スレーブIMU(1、2、3、4)との間の中間角度、又はある基準に対する個々の前記IMU(1、2、3、4、5)の絶対角度を計算するように構成されることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一項に記載のシステム。
- 前記IMU(1、2、3、4、5)が、掘削機(10)に配設されることを特徴とする、請求項1から7までのいずれか一項に記載のシステム。
- 前記マスタIMU(5)が、前記掘削機(10)の上部キャリッジ(12)に配設されることを特徴とする、請求項8に記載のシステム。
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