WO2009109276A1 - Verfahren zur steuerung und regelung der position eines arbeitsarmes einer arbeitsmaschine und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur steuerung und regelung der position eines arbeitsarmes einer arbeitsmaschine und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2009109276A1
WO2009109276A1 PCT/EP2009/000878 EP2009000878W WO2009109276A1 WO 2009109276 A1 WO2009109276 A1 WO 2009109276A1 EP 2009000878 W EP2009000878 W EP 2009000878W WO 2009109276 A1 WO2009109276 A1 WO 2009109276A1
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sensor
working arm
work machine
designed
control
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PCT/EP2009/000878
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English (en)
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Inventor
Oliver Glitza
Dieter Schwarzmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/402—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for positioning, e.g. centring a tool relative to a hole in the workpiece, additional detection means to correct position
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45017—Agriculture machine, tractor

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling and regulating an automated working arm of a working machine, for example a construction or agricultural machine or a truck body. It further relates to a device for carrying out such a method.
  • US 5,941,921 A discloses an excavator equipped with sensors that allow control of the bucket using Force Feedback *.
  • sensors are provided on the machine, which allow a position determination of the working arm or the tool. Then the operation can be carried out by means of an ergonomic input device and an electrohydraulic system.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for controlling and regulating the position of a working arm of a work machine, which allows intuitive operation of the machine and at the same time is very robust.
  • An inventive method for controlling and regulating the position of a movable working arm of a work machine has the following steps: It is measured at least one size A at a time ti, wherein A allows a statement about the position of the working arm.
  • A may be the angle of inclination of an arm portion of the working arm.
  • angles of inclination of each arm section are measured and from these, together with known quantities such as the length of the individual arm sections, the position of the working arm and / or a tool attached to it are determined.
  • inertial sensors such as angle sensors, acceleration sensors, yaw rate sensors on joints of the working arm or displacement sensors on hydraulic cylinders from whose measurement data the position of the working arm and / or the tool can also be determined.
  • the quantity A is measured at a further time ti + i following the time ti. From the measured values A (ti) and A (ti + i) taken at both times, the difference is formed and it is checked whether the magnitude of this difference is at least as large as a defined threshold value s, that is, if
  • s holds.
  • the threshold value s is set to be larger than
  • sensors should be used for the position determination of the working arm, which transmit their measured values to a central receiving unit via a wireless radio interface.
  • Such sensors can be particularly easily retrofitted and have no interfering cables for data transmission.
  • wireless sensors should not be powered by cables.
  • the sensors form energy self-sufficient, for which they have an internal power supply, via which they are supplied with energy, especially with electricity.
  • the internal power supply can be for example a battery or a rechargeable battery or a generator such as a converter, which converts kinetic energy - for example from vibrations and / or other movements of the working machine - into electrical energy and into an accumulator, a condenser or a condenser stores other suitable energy storage.
  • a condenser or a condenser stores other suitable energy storage.
  • a sensor therefore only sends a measurement signal, even if a sufficiently large, that is to say significant, change in the measured variable has taken place. In the remaining time, the sensor merely monitors the measured quantity without transmitting its value to the receiving unit.
  • the control of the position of the working arm is designed such that it manages with a low update rate of the sensor signals.
  • a feedforward control is advantageously used.
  • the feedforward control is calculated on the basis of a model of the working arm and supplies control signals for the working arm. It controls in case of a faultless model and the absence of external disturbances the working arm in the desired manner, even 'if it does not receive measurement signals.
  • an adaptation algorithm adapts the precontrol when a measured value A (ti + i) has been sent to a receiving device.
  • the adaptation algorithm can also adapt a controller if a measured value A (t i + i) has been sent to a receiving device.
  • the adaptation algorithm can use control signals u and control signals y of the controlled system.
  • the adaptation algorithm thus corrects errors in the model or error due to external disturbances from the precontrol.
  • measurement data is only needed to correct model errors and to respond to external disturbances.
  • the influence of external disturbances can be kept low, for example, by carrying out the control in combination with a load-pressure-independent flow distribution or a so-called electronic flow matching.
  • the load pressure-independent flow distribution is known for example from DE 197 03 997 Al.
  • Electronic Flow Matching refers to the electronic version of such
  • control ensure that the load on the working arm is not reflected in its movement behavior. In one embodiment, therefore, it is contemplated that a subordinate hydromechanical control will control loads on the working arm, i. external forces acting on the working arm, fully or partially compensated.
  • the working machine in this embodiment has at least one sensor for measuring external forces acting on the employment office or the tool and a device for compensating these forces.
  • Model errors can be assumed to be constant or very slowly variable.
  • the method according to the invention has the advantage that on the sensor side it permits a particularly energy-saving measurement and regulation of the position of a working arm of a working machine.
  • the need for radio communication between the wireless transmitting and receiving devices of the sensors and a central Empfangsein- unit is kept very low and the energy requirements of the sensors over a conventional continuous transmission of measurement signals drastically reduced.
  • s, where s is a fixed threshold.
  • the device also has a wireless transmitting and receiving device for transmitting a measurement signal when
  • s.
  • the device according to the invention has the advantage that it can determine when the sending of a measuring signal by the wireless transmitting and receiving device to a central receiving unit makes sense, ie when there is a significant change in the measured variable.
  • the device is thus particularly energy-saving operable. It can therefore be particularly advantageously designed as a self-sufficient unit with an internal power supply unit.
  • the senor or at least one of
  • Sensors mounted in the area of the working arm If the working arm consists of different arm sections, a sensor can also be provided for each of these sections. To- In addition, a sensor for measuring the position of the tool on the tool or on the holder may be provided.
  • a working machine according to the invention with a movable working arm has, in addition to such a device, a receiving device for receiving measurement signals from the wireless transmitting and receiving device of the sensor or the sensors.
  • a central receiving unit is provided which receives measurement signals from a plurality of sensors.
  • the working machine has a central data processing and storage unit in which data of a model of the movable working arm are stored.
  • a feedforward control is then realized, which supplies drive signals for the working arm and, in the case of a faultless model and the absence of external disturbances, actuates the working arm as desired, even if it receives no measuring signals.
  • the working machine expediently has an operating element for activating the movable working arm, by means of which desired signals w can be entered by an operator to control the mobile employment office.
  • the control element can be ergonomic, comfortable and intuitive to use.
  • the working machine according to the invention is designed in one embodiment as an excavator. However, it can also be designed, for example, as a telehandler, as a loader or as a crane. Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying figures.
  • Figure 1 shows schematically a working machine according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows by way of example a time profile for a measured value in a method according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows schematically a structural diagram of a
  • Control and regulation structure for an automated working arm according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows schematically a structural diagram of a
  • Figure 5 shows a block diagram of a wireless and self-sufficient sensor according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a working machine 1, which is an excavator in the embodiment shown.
  • the working machine 1 has a superstructure 2 with a working arm 3, wherein the working arm 3 consists of several arm sections 6.
  • the working arm 3 At its end of the arm 5, the working arm 3 a tool 4, which is a blade in the illustrated embodiment.
  • the work machine 1 has tilt sensors 7 on its arm sections 6 and possibly also on the upper carriage 2 on, which measure the inclination of the respective arm portion 6 and the superstructure against the direction of gravitational acceleration.
  • the working machine 1 has a receiving unit 9, which can receive measuring signals from the inclination sensors 7.
  • the connection between the inclination sensors 7 and the receiving unit 9 is formed wirelessly as a radio link.
  • the inclination sensors 7 are self-sufficient, that is to say they require no external power supply during operation. Instead, they have energy storage means, not shown, such as accumulators or capacitors, which are occasionally charged.
  • the inclination sensors 7 can have generators, such as transducers, which convert kinetic energy, for example, from vibrations or other movements of the work machine 1 into electrical energy. In particular, when using such a converter, it may be advantageous to use as an energy storage unit capacitors, which cause a buffering between the recovered and the demanded energy.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a time profile for a measured value in a method for controlling and regulating the working arm according to FIG. 1.
  • an angle a is plotted on the ordinate as the measured variable of a tilt sensor 7, and the time t is plotted on the abscissa.
  • the angle a is measured at sampling intervals t a , which are always the same in the example shown.
  • the noisy measuring signal of the inclination sensor 7 fluctuates around an average value when the working arm 3 is in a rest position.
  • the working arm 3 of a Operator set in motion then the angle a measured at the subsequent times will differ significantly from the previously measured angles a. This is determined by the fact that the amount of the difference ⁇ of two successive measured values for a is formed.
  • the new measured value is transmitted to the receiving device 9 via a radio link of the inclination sensor 7.
  • the difference is less than s, the change in the measured angle is considered to be attributable to the noise fluctuation and no measurement signal is transmitted.
  • the tilt sensor 7 starts periodically to transmit its measuring signals to the receiving unit 9 • for a detection of movement of the working arm.
  • the control unit integrated into the inclination sensor 7 then maintains the periodic transmission of the measured values until the change ⁇ in the measuring signal at two successive points in time is no longer above the threshold value s.
  • a detection of the operation of the working arm can be done by suitable sensors on the controls.
  • the measured values can also be smoothed by a filtering such as a moving averaging.
  • FIG. 3 schematically shows a structural diagram of a control and regulation structure 10 for the working arm 3 and in particular FIG. special also the tool 4 of the working machine 1 according to FIG. 1
  • a feedforward control 12 is supplied with nominal values w.
  • the precontrol 12 is calculated on the basis of a model and has the task, in the case of a flawless model and the absence of external disturbances, also to control the working arm in the desired manner, even without measuring signals.
  • the precontrol 12 is adapted by the adaptation algorithm 13, the adaptation algorithm 13 using both the control signals u and the control signals y of the control path 15 for this purpose.
  • the control signals y are made available only at certain points in time, so that the adaptation algorithm 13 also typically aiert at these points in time.
  • the adaptation algorithm 13 can additionally also receive further signals from the pilot control 12, for example information about the expected behavior of the controlled system 15 in the case of a faultless model. This case is shown in FIG. 3 by the dotted line.
  • the adaptation algorithm may also adapt the controller 14 in the feedback. This case is shown in Figure 3 by the dashed line.
  • FIG. 4 schematically shows a structural diagram of an alternative embodiment of the control and regulation structure 16.
  • This control and regulation structure 10 has a feed-forward control 18, which is generated by the adaptation algorithm 19 is adapted.
  • the adaptation algorithm 19 can also adapt the controller 22, which is shown in FIG. 4 by the dashed line.
  • the adaptation algorithm can obtain the desired behavior of the model 21, which is shown in FIG. 4 by the dotted line.
  • control loop structurally falls back to a forward control.
  • controller 22 intervenes in this control and regulation structure 16 only if there is a deviation from the nominal behavior and is measured.
  • Figure 5 shows a block diagram of a wireless and self-sufficient sensor according to an embodiment of the invention.
  • the sensor is designed as a tilt sensor 7 in this embodiment and has at least one sensor 23 and a signal processor 24.
  • the measuring signals obtained by the measuring sensor 23 and processed by the signal processing 24 are transmitted by means of a wireless transmission and
  • the wireless transmitting and receiving device can comply, for example, the Bluetooth standard, the IEEE 802.11 standard (WLAN) or particularly energy-saving standards such as IEEE 802.15.4 (ZigBee).
  • the inclination sensor 7 has its own energy supply 27, for example a battery, an accumulator or a generator or combinations thereof, and is thus self-sufficient.
  • the power supply 27 provides the necessary electrical energy for the Me ⁇ saufsacrificing 23, the signal processing 24, a control unit 26 and the wireless transmitting and receiving device 25, which has a relatively high energy consumption.
  • the control unit 26 monitors the processed measuring signals for whether the criteria for transmitting the measuring signals to the receiving device 9 are met, that is to say, for example, whether the magnitude of the difference between two measured values consecutive in time exceeds a defined threshold value. If this is the case, the control unit 26 causes the wireless transmitting and receiving device 25 to transmit the measuring signal to the receiving device 9.
  • the control unit 26 also decides how long the transmission will continue. In one embodiment, it is also queried for each new measurement value whether the criteria for transmitting the measurement signals are met. In an alternative embodiment, the transmission is initially continued in any case for a certain period of time and only then asked again whether the criteria for transmitting the measurement signals are met. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsanns (3) einer Arbeitsmaschine (1) weist folgende Schritte auf : Es wird zumindest eine Größe A zu einem Zeitpunkt ti gemessen, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms (3) erlaubt. Außerdem wird die Größe A zu einem Zeitpunkt ti+1 gemessen. Der Messwert A(ti+1) wird an ein Empfangsgerät (9) gesendet, falls | A(ti) -A(ti+1) | = s gilt, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist.

Description

Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines Arbeitsarmes einer Arbeitsmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines automatisierten Arbeitsarmes einer Arbeitsmaschine, beispielsweise einer Bau- oder Landmaschine oder eines LKW-Aufbaus . Sie betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens .
Herkömmliche Arbeitsmaschinen müssen durch einen Bediener ü- ber mehrere Steuerhebel gesteuert werden, was verhältnismäßig kompliziert, unkomfortabel und schwer zu erlernen ist. Steuerungen für Arbeitsmaschinen werden daher zunehmend auf eine intuitive Bedienung ausgelegt.
Beispielsweise ist aus der US http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-
Par- ser?Sectl=PT01&Sect2=HIT0FF&d=PALL&p=l&u=%2Fnetahtml%2FPT0%2F srchnum.htm&r=l&f=G&l=50&sl=4059196.PN.&OS=PN/4059196&RS=PN/
- hOhttp : //patft . uspto . gov/netacgi/nph-
Par- ser?Sectl=PTOI&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=l&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2F srchnum.htm&r=l&f=G&l=50&sl=4059196.PN.&OS=PN/4059196&RS=PN/ - -124,059,196 A eine Arbeitsmaschine mit einem System zur Steuerung und Regelung eines Arbeitsarms bekannt.
Die US 5,941,921 A offenbart einen Bagger, der mit Sensoren ausgestattet ist, die eine Steuerung der Schaufel unter Nutzung des „Force Feedback* erlauben.
Zur Unterstützung des Bedieners werden somit Sensoren an der Arbeitsmaschine vorgesehen, die eine Positionsbestimmung des Arbeitsarmes oder des Werkzeugs erlauben. Dann kann die Bedienung mittels eines ergonomischen Eingabegeräts und eines elektrohydrauliεchen Systems erfolgen.
Problematisch ist dabei jedoch, dass zur elektrischen Kontak- tierung der Sensoren eine Verkabelung an der Arbeitsmaschine vorgesehen werden muss, die im Einsatz stets der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt und zudem schwer nachrüstbar ist.
Bekannt sind auch nachrύstbare, drahtlose Sensormodule, die ihre Energie aus Solarzellen beziehen und ihre Daten über eine drahtlose Funkschnittstelle an eine Empfangεeinheit senden. Allerdings ist beim Einsatz solcher Sensormodule die gerade bei Bau- und Landmaschinen bestehende Gefahr der Verschmutzung oder Beschädigung der Solarpaneele nachteilig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines Arbeitsarmes einer Arbeitsmaschine anzugeben, das eine intuitive Bedienung der Arbeitsmaschine erlaubt und gleichzeitig sehr robust ist.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentan- sprüche .
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine weist folgende Schritte auf : Es wird zumindest eine Größe A zu einem Zeitpunkt ti gemessen, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms erlaubt. Beispielsweise kann A der Neigungswinkel eines Armabschnitts des Arbeitsarms sein. In diesem Fall werden Neigungswinkel jedes Armabschnitts gemessen und aus diesen zusammen mit bekannten Grö- ßen wie der Länge der einzelnen Armabschnitte die Position des Arbeitsarms und/oder eines an ihm angebrachten Werkzeuges bestimmt. Es können jedoch allgemein Inertialsensoren wie Winkelsensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren an Gelenken des Arbeitsarms oder Wegsensoren an Hydraulikzylin- dem verwendet werden, aus deren Messdaten ebenfalls die Position des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs bestimmt werden kann.
Anschließend wird die Größe A zu einem weiteren auf den Zeit- punkt ti folgenden -Zeitpunkt ti+i gemessen. Aus den zu beiden Zeitpunkten genommenen Messwerten A(ti) und A(ti+i) wird die Differenz gebildet und es wird geprüft, ob der Betrag dieser Differenz zumindest so groß ist wie ein festgelegter Schwellenwert s, ob also |A(ti) -A(ti+i) |= s gilt. Dabei wird der Schwellenwert s derart festgelegt, dass er größer ist als
Schwankungen der Größe A, die aufgrund des Rauschens oder anderer statistischer Effekte auftreten. Falls dann |A(ti) -A(ti+i) |= s gilt, hat sich die Größe A im Zeitraum Δt = ti+i - ti um einen signifikanten Betrag geändert und der Arbeitsann wurde demnach bewegt. In diesem Fall wird zumindest der Messwert A(ti+1) über eine Funkverbindung an ein Empfangsgerät gesendet.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sollten für die Positionsbestimmung des Arbeitsarms Sensoren verwendet werden, die ihre Messwerte über eine drahtlose Funkschnittstelle an eine zentrale Empfangseiήheit senden. Derartige Sensoren lassen sich nämlich besonders leicht nachrüsten und weisen keine störenden Kabel zur Datenübertragung auf . Allerdings sollen drahtlose Sensoren auch nicht über Kabel mit Energie versorgt werden. Es ist deshalb in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, die Sensoren energieautark auszubilden, wozu sie eine interne Energieversorgung aufweisen, über die sie mit Energie, insbesondere mit Strom, versorgt werden. Die interne Energieversorgung kann beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator oder ein Generator wie ein Wandler sein, der ki- netische Energie - beispielsweise aus Vibrationen und/oder anderen Bewegungen der Arbeitsmaschine - in elektrische Energie umwandelt und in einem Akkumulator, einem Kondensator o- der einem anderen geeigneten Energiespeicher speichert. Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser Möglichkei- ten zur Energieversorgung denkbar.
Der größte Teil der für den Betrieb der Sensoren erforderlichen Energie wird für die Funkkommunikation benötigt, die ü- ber eine drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung erfolgt. Um auf eine aufwendige Energieversorgung verzichten und die Sensoren möglichst energiesparend betreiben zu können, sollte daher die Funkkommunikation möglichst weit eingeschränkt werden. Dazu wird eine möglichst geringe Senderate der einzelnen Sensoren angestrebt. Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sendet ein Sensor daher nur dann ein Messεignal, wenn auch eine hinreichend große, also signifikante, Änderung der Messgröße stattgefunden hat. In der übrigen Zeit überwacht der Sensor lediglich die Messgröße, ohne ihren Wert an die Empfangseinheit zu senden.
Vorteilhafterweise ist die Regelung der Position des Arbeitsarms derart ausgelegt, dass sie mit einer geringen Updaterate der Sensorsignale auskommt. Dazu wird vorteilhafterweise eine Vorsteuerung verwendet. Die Vorsteuerung wird anhand eines Modells des Arbeitsarms berechnet und liefert Ansteuereignale für den Arbeitsarm. Sie steuert im Falle eines fehlerlosen Modells sowie der Abwesenheit äußerer Störungen den Arbeits- arm in der gewünschten Weise an, auch' wenn sie keine Messsignale erhält.
Sie erhält dazu Sollsignale w, die über ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms durch einen Bediener eingegeben werden.
Vorteilhafterweise adaptiert ein Adaptionsalgorithmus die Vorsteuerung, wenn ein Messwert A(ti+i) an ein Empfangsgerät gesendet wurde. Der Adaptionsalgorithmus kann auch einen Reg- ler adaptieren, wenn ein Messwert A(ti+i) an ein Empfangsgerät gesendet wurde. Außerdem kann der Adaptionsalgorithmus Ansteuersignale u und Stellsignale y der Regelstrecke verwenden.
Der Adaptionsalgorithmus korrigiert somit Fehler im Modell oder Fehler aufgrund äußerer Störungen aus der Vorsteuerung heraus . Somit werden Messdaten lediglich benötigt, um Modellfehler zu korrigieren und auf äußere Störungen zu reagieren.
Der Einfluss äußerer Störungen kann beispielsweise dadurch gering gehalten werden, dass die Regelung in Kombination mit einer lastdruckunabhängigen Durchflussverteilung bzw. eines sogenannten Electronic Flow Matching durchgeführt wird. Die lastdruckunabhängige Durchflussverteilung ist beispielsweise aus der DE 197 03 997 Al bekannt. Das Electronic Flow Mat- ching bezeichnet die elektronische Variante einer solchen
Steuerung. Diese Arten der Steuerung sorgen dafür, dass sich die Belastung des Arbeitsarms nicht in seinem Bewegungsverhalten widerspiegelt. In einer Ausführungsform ist es daher vorgesehen, dass eine unterlagerte hydromechanische Regelung Belastungen des Arbeitsarms, d.h. auf den Arbeitsarm wirkende externe Kräfte, vollständig oder teilweise kompensiert. Dazu weist die Arbeitsmaschine in dieser Ausführungsform zumindest einen Sensor zur Messung auf den Arbeitsamt bzw. das Werkzeug wirkender externer Kräfte und eine Einrichtung zur Kompensa- tion dieser Kräfte auf .
Modellfehler können als konstant oder als sehr langsam veränderlich angenommen werden.
Somit sind in unregelmäßigen Zeitabständen aufgenommene und selten vorhandene Mesεsignale ausreichend, um die für eine präzise Messung und Regelung der Position des Arbeitsarms notwendigen Korrekturen vorzunehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass es sensorseitig eine besonders energiesparende Messung und Regelung der Position eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine erlaubt. Durch die Auslegung der Steuerung bzw. Regelung des Arbeitsarmes derart, dass sie mit einer möglichst geringen Updaterate der Sensorsignale auskommt, wird der Bedarf an Funkkommunikation zwischen den drahtlosen Sende- und Empfangseinrichtungen der Sensoren und einer zentralen Empfangsein- heit sehr gering gehalten und der Energiebedarf der Sensoren gegenüber einem herkömmlichen kontinuierlichen Senden von Messsignalen drastisch reduziert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsamts einer Arbeitsmaschine weist zumindest einen Sensor zur Messung einer Größe A auf, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms erlaubt und zumindest zu einem Zeitpunkt ti und zu einem Zeitpunkt ti+i gemessen wird. Sie weist ferner einen Schwell- wertgeber auf zur Überprüfung, ob | A(t±) -A(ti+1) |= s gilt, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist. Die Vorrichtung weist außerdem eine drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung auf zur Sendung eines Messsignals, wenn |A(ti) -A(ti+i) |= s gilt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie feststellen kann, wann das Senden eines Messsignals durch die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung an eine zentrale Empfangseinheit sinnvoll ist, wann also eine signifikante Veränderung der Messgröße vorliegt. Die Vorrichtung ist somit besonders energiesparend betreibbar. Sie kann deshalb besonders vorteilhaft als autarke Einheit mit einer internen Energieversorgungseinheit ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise ist der Sensor oder zumindest einer der
Sensoren im Bereich des Arbeitsarms angebracht. Falls der Arbeitsarm aus verschiedenen Armabschnitten besteht, kann auch ein Sensor für jeden dieser Abschnitte vorgesehen sein. Zu- sätzlich kann auch ein Sensor zur Messung der Stellung des Werkzeugs am Werkzeugs oder an dessen Halterung vorgesehen sein.
Eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine mit einem beweglichen Arbeitsarm weist neben einer solchen Vorrichtung ein Empfangsgerät zum Empfang von Meεssignalen von der drahtlosen Sende- und Empfangseinrichtung des Sensors oder der Sensoren auf. Typischerweise ist dabei eine zentrale Empfangseinheit vorgesehen, die Messsignale von mehreren Sensoren empfängt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Arbeitεma- schine eine zentrale Datenverarbeitungs- und Speichereinheit auf, in der Daten eines Modells des beweglichen Arbeitsarms abgelegt sind. Mit Hilfe des Modells wird dann eine Vorsteuerung realisiert, die Ansteuersignale für den Arbeitsarm liefert und im Falle eines fehlerlosen Modells sowie der Abwesenheit äußerer Störungen den Arbeitsarm wie gewünscht ansteuert, auch wenn sie keine Messsignale erhält.
Die Arbeitsmaschine weist zweckmäßigerweise ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms auf, über das durch einen Bediener Sollsignale w zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsamts eingegeben werden können. Das Bedienele- ment kann dabei ergonomisch, komfortabel und intuitiv bedienbar sein.
Die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine ist in einer Ausführungsform als Bagger ausgebildet. Sie kann jedoch beispiels- weise auch als Telehandler, als Lader oder als Kran ausgebildet sein. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch eine Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungεform der Erfindung;
Figur 2 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf für einen Messwert in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer
Steuerungs- und Regelungsstruktur für einen automatisierten Arbeitsarm gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 4 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer
Steuerungs- und Regelungsstruktur für einen automatisierten Arbeitsarm gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines drahtlosen und autarken Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt schematisch eine Arbeitsmaschine 1, die in der gezeigten Ausführungsform ein Bagger ist. Die Arbeitsmaschine 1 weist einen Oberwagen 2 mit einem Arbeitsarm 3 auf, wobei der Arbeitsarm 3 aus mehreren Armabschnitten 6 besteht. An seinem Armende 5 weist der Arbeitsarm 3 ein Werkzeug 4 auf, das in der dargestellten Ausführungsform eine Schaufel ist.
Die Arbeitsmaschine 1 weist an ihren Armabschnitten 6 und gegebenenfalls auch am Oberwagen 2 jeweils Neigungssensoren 7 auf, die die Neigung des jeweiligen Armabschnittes 6 bzw. des Oberwagens gegen die Richtung der Erdbeschleunigung messen. An ihrem Oberwagen 2 weist die Arbeitsmaschine 1 eine Empfangseinheit 9 auf, die Messsignale von den Neigungssensoren 7 empfangen kann.
Die Verbindung zwischen den NeigungsSensoren 7 und der Empfangseinheit 9 ist drahtlos als Funkverbindung ausgebildet. Die Neigungssensoren 7 sind autark, das heißt, sie benötigen im Betrieb keine externe Energieversorgung. Sie weisen vielmehr nicht dargestellte Energiespeichermittel wie Akkumulatoren oder Kondensatoren auf, die gelegentlich aufgeladen werden. Zusätzlich zu oder anstelle der Energiespeichermittel können die Neigungssensoren 7 Generatoren wie Wandler aufwei- sen, die kinetische Energie beispielsweise aus Vibrationen oder anderen Bewegungen der Arbeitsmaschine 1 in elektrische Energie umwandeln. Insbesondere bei der Verwendung eines solchen Wandlers kann es vorteilhaft sein, als Energiespeichereinheit Kondensatoren einzusetzen, die eine Pufferung zwischen der gewonnenen und der nachgefragten Energie bewirken.
Figur 2 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf für einen Messwert in einem Verfahren zur Steuerung und Regelung des Arbeitsarmes gemäß Figur 1.
Dabei ist auf der Ordinate als Messgröße eines Neigungssensors 7 ein Winkel a und auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Der Winkel a wird in Abtastintervallen ta gemessen, die im gezeigten Beispiel stets gleich groß sind. Üblicherweise schwankt das rauschbehaftete Messsignal des Neigungssensors 7 um einen Mittelwert, wenn sich der Arbeitsarm 3 in einer Ruhestellung befindet. Wird der Arbeitsarm 3 jedoch von einem Bediener in Bewegung gesetzt, so wird sich der zu den darauffolgenden Zeitpunkten gemessene Winkel a signifikant von den zuvor gemessenen Winkeln a unterscheiden. Dies wird dadurch festgestellt, dass der Betrag der Differenz Δα zweier aufein- anderfolgender Messwerte für a gebildet wird.
Ist diese Differenz größer als oder gleich einer geeignet festgelegten Schwelle s, so wird der neue Messwert über eine Funkverbindung des Neigungssensors 7 an das Empfangsgerät 9 übertragen. Ist die Differenz jedoch kleiner als s, so wird die Veränderung des gemessenen Winkels als dem Rauschen zuzuschreibende Schwankung gewertet und es wird kein Messsignal übertragen .
Dabei kann auch so vorgegangen werden, dass der Neigungssensor 7 nach einem Erkennen einer Bewegung des Arbeitsarms 3 periodisch seine Messsignale an die • Empfangseinheit 9 zu senden beginnt. Die in den Neigungssensor 7 integrierte Steuereinheit erhält das periodische Senden der Messwerte dann so- lange aufrecht, bis die Änderung Δα des Messsignals zu zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten nicht mehr über dem Schwellenwert s liegt. Daneben kann auch eine Erkennung der Bedienung des Arbeitsarms durch geeignete Sensoren an den Bedienelementen erfolgen.
Um die unangemessene Berücksichtigung von Ausreißern zu verhindern, können die Messwerte auch durch eine Filterung wie beispielsweise eine gleitende Mittelwertbildung geglättet werden.
Figur 3 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer Steue- rungs- und Regelungsstruktur 10 für den Arbeitsarm 3 und ins- besondere auch das Werkzeug 4 der Arbeitsmaschine 1 gemäß Figur 1.
Mittels einer Positionsvorgabe 11 und gegebenenfalls einer Umrechung wie beispielsweise einer Koordinatentransformation werden einer Vorsteuerung 12 Sollwerte w zugeführt. Die Vorsteuerung 12 wird anhand eines Modells berechnet und hat die Aufgabe, im Falle eines fehlerlosen Modells und der Abwesenheit von äußeren Störungen auch ohne Messsignale den Arbeits- arm in der gewünschten Weise anzusteuern.
Die Vorsteuerung 12 wird von dem Adaptionsalgorithmus 13 a- daptiert, wobei der Adaptionsalgorithmus 13 dazu sowohl die Ansteuersignale u als auch die Stellsignale y der Regelstre- cke 15 verwendet. Die Stellsignale y werden nur zu bestimmten Zeitpunkten zur Verfügung gestellt, so dass auch der Adaptionsalgorithmus 13 typischerweise zu diesen Zeitpunkten a- giert. Der Adaptionsalgorithmus 13 kann zusätzlich auch weitere Signale von der Vorsteuerung 12 erhalten, beispielsweise Informationen über das erwartete Verhalten der Regelstrecke 15 bei einem fehlerlosen Modell. Dieser Fall ist in der Figur 3 durch die gepunktete Linie dargestellt.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der Adaptionsalgorith- muε auch den Regler 14 in der Rückführung adaptieren. Dieser Fall ist in Figur 3 durch die gestrichelte Linie dargestellt.
Figur 4 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer alternativen Ausführungsform der Steuerungs- und RegelungsStruktur 16.
Diese Steuerungs- und Regelungsstruktur 10 weist eine Vorwärtssteuerung 18 auf, die durch den Adaptionsalgorithmus 19 adaptiert wird. Der Adaptionsalgorithmus 19 kann auch den Regler 22 adaptieren, was in Figur 4 durch die gestrichelte Linie dargestellt ist . Außerdem kann der Adaptionsalgorithmus das Sollverhalten des Modells 21 erhalten, was in Figur 4 durch die gepunktete Linie dargestellt ist.
Anders als bei der Steuerungs- und Regelungsstruktur 10 gemäß Figur 3 ist bei der Steuerungs- und Regelungsstruktur 16 der Regelstrecke 20 das Modell 21 parallel geschaltet.
Damit wird erreicht, dass bei perfekter Modellierung kein Rückführsignal entsteht und somit der Regelkreis strukturell auf eine Vorwärtssteuerung zurückfällt. Der Regler 22 greift in dieser Steuerungs- und Regelungsstruktur 16 nur dann ein, wenn eine Abweichung vom nominellen Verhalten vorliegt und gemessen wird.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines drahtlosen und autarken Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Der Sensor ist in dieser Ausführungsform als Neigungssensor 7 ausgebildet und weist zumindest einen Messaufnehmer 23 und eine SignalVerarbeitung 24 auf. Die durch den Messaufnehmer 23 gewonnenen und durch die Signalverarbeitung 24 aufbereite- ten Messsignale werden mittels einer drahtlosen Sende- und
Empfangseinrichtung 25 über eine Funkverbindung an eine zentrale Empfangseinheit 9 übertragen.
Die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung kann beispiels- weise dem Bluetooth-Standard, dem IEEE 802.11-Standard (WLAN) oder besonders energiesparenden Standards wie IEEE 802.15.4 (ZigBee) genügen. Der Neigungssensor 7 weist eine eigene Energieversorgung 27, beispielsweise eine Batterie, einen Akkumulator oder einen Generator oder Kombinationen davon auf und ist somit autark. Die Energieversorgung 27 liefert die notwendige elektrische Energie für den Meεsaufnehmer 23, die Signalverarbeitung 24, eine Steuerungseinheit 26 und die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung 25, die einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf hat.
Die Steuerungseinheit 26 überwacht die aufbereiteten Messsignale darauf, ob die Kriterien zum Senden der Messsignale an das Empfangsgerät 9 erfüllt sind, also beispielsweise, ob der Betrag der Differenz zweier zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgender Messwerte einen festgelegten Schwellenwert über- schreitet. Ist dies der Fall, so veranlasst die Steuerungs- einheit 26 die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung 25, das Messsignal an das Empfangsgerät 9 zu senden.
Die Steuerungseinheit 26 entscheidet auch, wie lange das Sen- den fortgesetzt wird. In einer Ausführungsform wird für jeden neuen Mesεwert ebenfalls abgefragt, ob die Kriterien zum Senden der Messsignale erfüllt sind. In einer alternativen Ausführungsform wird das Senden zunächst in jedem Fall für einen bestimmten Zeitraum fortgesetzt und erst danach erneut abge- fragt, ob die Kriterien zum Senden der Messsignale erfüllt sind. Bezugszeichenliste
1 Arbeitsmaschine
2 Oberwagen 3 Arbeitsamt
4 Werkzeug
5 Armende
6 Armabschnitt
7 Neigungssensor 8 Boden
9 Empfangseinheit
10 Steuerungs- und Regelungsstruktur
11 Positionsvorgäbe und Umrechnung
12 Vorsteuerung 13 Adaptionsalgorithmus
14 Regler
15 Regelstrecke (Arbeitsarm)
16 Steuerungs.- und Regelungsstruktur
17 Positionsvorgabe und Umrechnung 18 Vorwärtssteuerung
19 Adaptionsalgorithmus
20 Regelstrecke (Arbeitsarm)
21 Modell
22 Regler 23 Messaufnehmer
24 SignalVerarbeitung
25 drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung
26 Steuerungseinheit
27 Energieversorgung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms (3) einer Arbeitsmaschine (1), das folgende Schritte aufweist:
Messung zumindest einer Größe A zu einem Zeitpunkt ti, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms (3) erlaubt;
Messung der Größe A zu einem Zeitpunkt ti+1, - Senden des Messwertes A(ti+1) an ein Empfangsgerät (9), falls |A(ti)-A(ti+1) |= s gilt, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Messung der Größe A durch zumindest einen im
Bereich des Arbeitsarms (3) angebrachten Sensor erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , wobei der Sensor über eine interne Energieversorgungs- einheit mit Energie versorgt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , wobei als interne Energieversorgungseinheit für den Sensor eine Batterie oder ein Akkumulator verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei als interne Energieversorgungseinheit (27) für den Sensor ein Generator verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Neigungssensor (7) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Winkelsensor an einem Gelenk des Arbeitsamts (3) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Beschleunigungssensor verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Drehratensensor verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Wegsensor an einem Hydraulikzylinder verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Sollsignale w über ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms (3) eingegeben werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zur Regelung der Position des Arbeitsarms (3) eine Vorsteuerung (12) verwendet wird, die anhand eines Modells (21) des Arbeitsarms (3) berechnet wird und die Ansteuersignale für den Arbeitsarm (3) generiert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Adaptionsalgorithmus (19) die Vorsteuerung (12) adaptiert, sobald ein Messwert A(ti+i) an ein Empfangsgerät (9) gesendet wurde.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Adaptionsalgorithmus (19) einen Regler (14) adaptiert, sobald ein Messwert A(ti+i) an ein Empfangsge- rät (9) gesendet wurde.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 , wobei der Adaptionsalgorithmus (19) Ansteuersignale u und Stellsignale y der Regelstrecke (15) verwendet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei eine der Steuerung und Regelung der Position des Arbeitsarms (3) unterlagerte hydromechanische Regelung auf den Arbeitsarm (3) wirkende externe Kräfte kompen- siert.
17. Vorrichtung zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms (3) einer Arbeitsmaschine (1) , wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: - zumindest einen Sensor zur Messung einer Größe A, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeits - arms (3) erlaubt und zumindest zu einem Zeitpunkt ti und zu einem Zeitpunkt ti+1 gemessen wird; einen Schwellwertgeber zur Überprüfung, ob |A(ti)- A(ti+i) |= s, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist; eine drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung (25) zur Sendung eines Messsignals, wenn |A(ti) -A(ti+i) | = s gilt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Sensor im Bereich des Arbeitsarms (3) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Sensor als autarke Einheit ohne externe Energieversorgung ausgebildet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Sensor eine Batterie oder einen Akkumulator als interne Energieversorgungseinheit (27) aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Sensor einen Generator als interne Energieversorgungseinheit (27) aufweist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Sensor zumindest einen Kondensator zur Speicherung der durch den Generator erzeugten Energie aufweist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17' bis 22, wobei der Sensor als Neigungssensor (7) ausgebildet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Winkelsensor ausgebildet und an einem Gelenk des Arbeitsamts (3) angeordnet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Drehratensensor ausgebildet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Wegsensor ausgebildet und an einem Hydraulikzylinder angeordnet ist.
28. Arbeitsmaschine (1) mit einem beweglichen Arbeitsarm
(3) , die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27 und ein Empfangsgerät (9) zum Empfang von Messsignalen von der drahtlosen Sende- und Empfangseinrichtung (25) aufweist.
29. Arbeitsmaεchine (1) nach Anspruch 28, wobei die Arbeitsmaschine (1) eine zentrale Datenverar- beitungs- und Speichereinheit aufweist, in der Daten eines Modells (21) des beweglichen Arbeitsarms (3) abgelegt sind.
30. Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 28 oder 29, wobei die Arbeitsmaschine (1) ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms (3) aufweist, über das Sollsignale w zur Ansteuerung des beweglichen Ar- beitsarms (3) eingegeben werden können.
31. Arbeitsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Arbeitsmaschine (1) zumindest einen Sensor zur Messung auf den Arbeitsarm (3) wirkender externer Kräfte und eine Einrichtung zur Kompensation dieser Kräfte aufweist.
32. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Bagger ausgebildet ist.
33. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Telehandler ausgebildet ist.
34. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Lader ausgebildet ist.
35. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Kran ausgebildet ist.
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