JP2023177263A - 複数のｉｍｕから形成されるシステム - Google Patents

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。

米国特許第１０，７２４，８４２（Ｂ２）号

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。

本発明によるＩＭＵから形成されるシステムを有する、掘削機の概略的な斜視図である。 図１の掘削機の概略的な平面図である。

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ｖ_２、及び上部キャリッジ１２のマスタＩＭＵ５の速さｖ_５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ｖ_２及びｖ_５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Ｐ_５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Ｐ_５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ｖ_５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ｖ_５の計算のために、マスタＩＭＵ５の位置Ｐ_５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ｖ_２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Ｐ_２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Ｐ_２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Ｐ_２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Ｐ_２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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。