WO2018099755A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer position eines baggerarms mittels eines an einem bagger angeordneten lidar-systems - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer position eines baggerarms mittels eines an einem bagger angeordneten lidar-systems Download PDF

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WO2018099755A1
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excavator arm
determined
arm
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Udo Schulz
Thomas Thiel
Micha Muenzenmay
Mustafa Kamil
Kai Liu
Heiko KLEINEDER
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • Measuring and position systems for construction machines are known in which by means of inclination or angle sensors on an excavator arm and a bucket whose position relative to a cabin or absolutely to the environment or the terrain can be determined. For example, the position on the excavator driver
  • measuring devices which can determine the path of actuating cylinders on the excavator arm by means of inductive, magnetic or ohmic measuring principles.
  • About the known geometric data of excavator arm and blade can then be closed to the position of a cutting edge of the teeth of the blade relative to the vehicle.
  • a method for determining a position of an excavator arm by means of a LIDAR system arranged on an excavator is presented, wherein the
  • Procedure includes the following steps:
  • an excavator for example, a single or Mehrgefäßbagger, a flat excavator, a rock or tiller or a suction dredger can be understood.
  • a hydraulically, pneumatically or mechanically adjustable arm can be understood.
  • the excavator arm may comprise at least two articulated sub-elements and an attachment, such as a bucket.
  • a LIDAR (Light Detection And Ranging) system can be understood as a system for distance and speed measurement using laser beams.
  • the LIDAR system can be arranged for example on a cab or a chassis of the excavator.
  • Measuring point can be understood, for example, a point on a joint, a setting cylinder or a blade of the excavator arm or a point on a tooth tip of a blade tooth of the blade.
  • the reference point may, for example, be represented by a cab or chassis of the excavator. Alternatively, a point may also be a point under a reference point
  • a LIDAR measuring method can be understood as an optical measuring method for locating and measuring the distance of objects in the room.
  • ultraviolet or infrared rays or rays from the visible light range can be used.
  • the distance can be, for example be determined by a time-of-flight measurement in which one or more light pulses are emitted and reflected on an existing object. The time to receive the reflected signal is proportional to
  • the duration of the light can be determined by means of a phase measurement between transmitted and received light signal.
  • triangulation methods can also be realized, which in particular in the case of short distances in the sense of a
  • LIDAR sensors can also be used for limited visual recognition of objects in addition to pure distance measurement. In addition, a light intensity is evaluated accordingly.
  • the approach presented here is based on the knowledge that a position of an excavator arm can be determined using a LIDAR system with high accuracy with relatively little design effort.
  • a position and a position of the excavator arm up to the cutting edge of the teeth of a bucket relative to the cabin the excavator or the environment can be measured without contact.
  • the LIDAR sensors can be installed, for example, on the cab or the chassis of the excavator
  • indirect sensing using LI DAR has the advantage that the robustness requirements for the sensors can be lower, as they are far removed from tools and a
  • LIDAR sensors in the step of determining the position relative to a cabin, a chassis, a footprint or an environment of the excavator may be determined as the reference point.
  • the position of the excavator can be determined accurately and reliably.
  • a position of an attachment mounted on the excavator arm in particular a cutting edge of teeth of a blade, can be determined in the step of determining.
  • the position of the attachment can be determined accurately and reliably.
  • the position of the excavator arm can be determined relatively simply and precisely by means of transit time measurements.
  • either a vertical or horizontal or both vertical and horizontal distance between the measuring points and the reference point can be determined in order to determine the position.
  • the position of the excavator can be determined with relatively little computational effort.
  • the position in the step of determining the position, may be determined using predetermined geometry data or, additionally or alternatively, using predetermined movement data of the excavator arm, for example a movement model of the excavator or the excavator arm. This can increase the reliability of the process.
  • At least one further laser beam in the step of emitting at least one further laser beam can be emitted in order to illuminate at least one object in the vicinity of the excavator.
  • at least one further laser beam reflected by the object can be received in the step of receiving.
  • an object information representing the object can be determined.
  • Object information is created an actual surface profile of the environment and in a step of comparing the actual surface profile with a target surface profile are compared to determine a wear or order area in which material is to be applied or applied. This can accelerate the removal or application of material through the excavator.
  • the method may further comprise a step of outputting a control signal for controlling the excavator using the position of the excavator arm or, additionally or alternatively, the object information. This allows the excavator or the excavator arm to be controlled partially or fully automatically.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • the device may comprise at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit is a flash memory, an EPROM or a
  • the magnetic storage unit can be.
  • the communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • the device is controlled by the excavator.
  • the device can access, for example, sensor signals such as acceleration, pressure, steering angle or environmental sensor signals. It is controlled by actuators such as actuating cylinders, brake or steering actuators or an engine control unit of the vehicle.
  • actuators such as actuating cylinders, brake or steering actuators or an engine control unit of the vehicle.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • Fig. 1 is a schematic representation of an excavator with a device according to an embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device according to a
  • Fig. 3 is a schematic representation of an excavator of Fig. 1 in the
  • Fig. 4 is a schematic representation of an excavator on Fig. 1 in the
  • Fig. 5 is a schematic representation of a device according to a
  • FIG. 6 is a flowchart of a method according to a
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an excavator 100 with a
  • the apparatus 102 is a LIDAR system configured to contactlessly determine a position of an excavator arm 104 of the excavator 100.
  • the device 102 is attached to a cabin of the excavator 100 arranged. To determine the position of the excavator arm 104, the device 102 sends a plurality of laser beams 106 into different ones
  • the measuring points 108 are located, for example, at articulation points of the excavator arm 104, at one on the excavator arm
  • corresponding reference point for example, the cabin or a chassis of the excavator 100 to determine.
  • the excavator arm 104 is adjustable with respect to the cabin in flight and in height, as is the case with standard excavators. With mini excavators, the excavator arm 104 can additionally also at a certain angle in the
  • the term excavator arm can also be understood to mean individual boom elements of the excavator arm 104.
  • the device 102 is equipped with non-contact sensors that meet an application-required accuracy for detecting the spatial position and position of excavator 104 and 110 bucket to the cutting edge in relation to the environment or to the terrain.
  • the measuring range of the device 102 is between 1 cm and 10 cm at measuring frequencies up to 100 MHz.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device 102 according to one exemplary embodiment.
  • the device 102 is, for example, a device previously described with reference to FIG. According to this
  • the device 102 represents a LIDAR application according to the multi-beam principle. Shown are a sending unit 210 for
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an excavator 100 from FIG. 1 in plan view.
  • the device 102 has, for example, a detection range of 180 degrees.
  • the detection range of the device 102 may also be less than or greater than 180 degrees and have both vertical and horizontal extent.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an excavator 100 from FIG. 1 in a side view. Shown are three positions of the excavator arm 104, each by a vertical distance of the individual measuring points 108 to a
  • Footprint of the excavator 100 as well as by a horizontal distance of the individual measuring points 108 to the chassis of the excavator 100 are defined.
  • the determination of the three positions on the basis of the respective vertical and horizontal distances of the measuring points 108 takes place on the basis of transit time measurements of the laser beams 106 by means of the device 102.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a device 102 according to an exemplary embodiment, for example a device as described above with reference to FIGS. 1 to 4.
  • the device 102 comprises, as already mentioned, the emitting unit 210 for emitting the laser beams 106 and the receiving unit 220 for receiving the reflected from the measuring points
  • the receiving unit 220 in response to receiving the reflected laser beams 106, transmits a corresponding measurement signal 500 to a determination unit 510 of the device 102.
  • the determination unit 510 is configured to determine the position of the excavator arm relative to the reference point using the measurement signal 500 and a the position of the
  • Output position 512 representing the excavator arm.
  • the emitter unit 210 is configured to emit a plurality of further laser beams 514. The others
  • Laser beams 514 serve to illuminate objects in the vicinity of the
  • Excavators on which the other laser beams 514 are at least partially reflected The further laser beams 514 are marked in FIG. 5 with dashed arrows. Accordingly, the receiving unit 220 receives a portion of the further laser beams 514 reflected by the objects and transmits a corresponding further measuring signal 516 to the determining unit 510
  • Determination unit 510 is configured to use the other Measurement signal 516 to produce and output the objects representing object information 518.
  • the determination unit 510 forwards the
  • Object information 518 to a creation unit 520 further, which is designed to use the object information 518 to create an actual surface profile 522 of the environment of the excavator and to transmit this to a comparison unit 530.
  • the comparison unit 530 compares the actual surface profile 522 with a predetermined target surface profile to determine a working area in the vicinity of the excavator, in the material to be applied or applied. As a result of the comparison, the comparison unit 530 provides a work area information 532 representing the work area.
  • An optional output unit 540 is configured to read both the position value 512 and the work area information 532, and among them
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method 600 according to FIG.
  • the method 600 for determining a position of an excavator arm can be carried out, for example, using a device as described above with reference to FIGS. 1 to 5.
  • a step 610 the laser beams are emitted.
  • a step 620 the laser beams reflected from the measurement points are received.
  • the position of the excavator arm relative to the reference point is determined by evaluating transit times of the emitted laser beams using the reflected laser beams.
  • the device 102 is implemented as a compact unit in the form of a LIDAR sensor module comprising a CMOS camera and a LIDAR.
  • the structure is scalable depending on the vehicle class and performance requirements.
  • the excavator arm 104 and the bucket 110 become extracted by means of image processing, missing parts supplemented by knowledge of the known geometric data and then derived their position and position.
  • a complementary possibility to complete the position and position for example, in the prediction on the basis of a movement model that takes into account a previous movement and dynamics of the excavator arm 104 and the bucket 110 or, additionally or alternatively, the positions of operating levers of the excavator 100.
  • the laser beams can be deflected in a predetermined form on the excavator arm 104 in the direction of the blade 110 by means of laser deflection techniques and the reflection signals can be returned in a similar manner in order to determine the position of the blade 110.
  • entire areas are illuminated simultaneously by means of flash LIDAR, the reflected light being detected simultaneously, possibly several times in succession, so that synchronous depth images (depth based on the
  • the device 102 is, for example, mounted laterally outside an escape cabin excavator arm and laterally behind or in front of a cab window.
  • the excavator is additionally rotatable at a certain angle in the plane opposite the cabin
  • another measuring system is arranged on the other side of the car window, such as in the event that beams and excavator in alignment are.
  • the measurement systems are arranged on the drive or bogie of the excavator 100, whereby blind spots or blind spots in the movement space of the excavator arm 104 and the bucket 110 can be avoided or reduced.
  • Another cultivation site is, for example, an upper part of a jib element of the excavator arm 104. This may be useful when working outside the field of view of the cabin or driver are performed, such as deep pits or work below the excavator 100 with correspondingly long arms.
  • the position of the excavator arm 104 and the bucket 110 is determined not only relative to the vehicle but also relative to the surroundings or to the terrain. Based on this, both the vertical
  • Excavator arm 104 or used for a partially or fully automated excavator arm and shovel control.
  • the position and position detection can be further facilitated by a geometric, non-homogeneous design of the excavator 104.
  • additional reflectors or reflective materials may be attached to the excavator arm 104 or the bucket 110.
  • the device 102 by means of the device 102 in connection with a corresponding object and image processing additionally persons or objects in the environment of the excavator 100 are sensed and unambiguous distinguished from the well-known excavator 104.
  • the knowledge of the position and position of the entire excavator arm 104 in particular more prominent
  • the actual surface profile 522 of the terrain to be processed is recognized and compared with a known target surface profile.
  • the driver can still work on a, d. H. be displayed on oreuertragende areas or also form the basis for an automated load or Abtrag.
  • the partial automation is limited, for example, to the actual loading or removal process, d. h., the excavator operator is released from the task of highly accurate control.
  • the excavator arm 104 is automatically raised by a certain amount until it stops. From here on, the excavator operator can take control again.
  • the loading and removal area can also be a cargo area of a vehicle.
  • these are recognized by the LIDAR system of the device 102 and by an appropriate control of
  • Movement trajectories of the excavator 100 or the excavator arm 104 is displayed.
  • the approach described herein includes day-night detection.
  • the backlight that can be measured in the receiver differs significantly between day and night as the sun emits infrared radiation several orders of magnitude higher than the LIDAR.
  • This signal suitably prepared, is for example used in addition to the control of driving light or work light on the excavator 100.
  • the basic functions of a self-diagnosis of a distance sensor include, for example, the detection of a degree of contamination of the sensor at its transmitter and receiver. Although in most cases this signal does not prompt you to clean the sensor, the signal may cause automatic triggering of the cleaning of the headlamp or the headlamp
  • Windscreen can be used.
  • the automatic detection of a blade type without the driver enters appropriate data in the system or contacted direct sensors.
  • a cable or pipe detection is provided. If the bucket 110 or the excavator arm 104 entrains articles with the movement of the bucket 110 or the excavator arm 104 and the articles exceed a defined size or shape or location in relation to the bucket 110, this is recognized by the data and image processing, such as Association or linking of objects.
  • the measuring system 102 is pivoted in the relevant area and measured the sensible environment.
  • the measured data are then fed into a 3D map of the construction site.
  • the map status can be updated and the progress of the construction progressively documented.
  • Sensing is optionally carried out over other parts of the whole construction site in order to update another map section.
  • a measuring job communicated from the outside can also be taken into account in the context of autonomous movement commands.
  • the site survey is done with a closed loop for vehicle positioning with externally controlled or autonomous Movements.
  • a redundant environment detection is provided when the autonomous driving system has a limited environment detection, such as in applications with ionizing radiation.
  • the measurement signals can be transmitted within a vehicle network or via Internet of Things interfaces in order to open up the possibility of environmental sensing to other systems or third parties.
  • Angle resolution is made possible, the pivoting of the field of view or the image focusing can be ensured by adaptive optics and deflection units and background light can be better suppressed due to the possibility of optical filtering of the background light.
  • the LIDAR system can also be retrofitted. With existing knowledge of the dimensions and possible trajectories of the excavator arm 104 including the bucket 110, the position and position can be up to Cutting edge are determined contactless. Based on this, there are indications for the driver, movement limits for collision protection or
  • Microwave sensors are particularly suitable for the measurement of relatively distant objects in scenes with a comparatively low spatial frequency.
  • the diffraction-limited angular resolution is generally insufficient.
  • the pressure and temperature sensitivity of the speed of sound and the high come
  • optical 3 D measuring systems Due to the much smaller wavelength of the light waves, even into the far infrared range, optical 3 D measuring systems have a high Lateralarch. Angular resolution.
  • the extraction of the depth information is based here essentially on the triangulation or transit time principle.
  • Einstrahlth consists in the highly limited because of the requirement for eye safety energy after reflection on an object again receive. It should be noted that usually the object, here excavator arm and shovel, similar to a Lambert reflector diffuses its energy into half the solid angle. In the Lambert reflector, the backscatter of the energy is not directed, but is distributed inhomogeneously in the solid angle. Only the part of the backscattered energy which is directly reflected back into the receiver of the sensor can be used. In practice, these are at best 20 percent of the energy reflected on the object, usually much less. Since, as mentioned, the average transmission power is limited, you can as
  • the bundling has the disadvantage that at small solid angles the beam can strike a homogeneous surface, such as the excavator arm or the blade, and consequently the entire beam can be reflected away by total reflection. Total reflection occurs when narrow rays are used that hit an oblique surface. Remedy can be provided by flared beams or, as described below, by multiple beams. It is optimal if edges in the detection area for scattering or parts perpendicular to the sensor are illuminated for direct reflection.
  • a single beam is not sufficient for the measurement of excavator arm and blade due to the required beam expansion and the associated measurement inaccuracy.
  • Reception channels used. This is an array of laser diodes in
  • the angular resolution corresponds approximately to a beam width of the individual transmit and receive channels. Up to a few dozen of these pairings can be used to treat the generate corresponding lateral opening angle. Therefore, for the required accuracy of less than 1 cm for the detection of excavator arm and shovel, the multi-beam principle does not appear to be cost-effective.
  • Another method used in practice is the so-called sweeping of bundles of rays.
  • a plurality of independent transmitting and receiving channels can be pivoted laterally via the movable excavating arm as a function of the possible movement space of the excavator arm and the blade.
  • the transmission and reception channels can be modeled by means of light guides. Depending on the channel, different opening angles in lateral and horizontal position can be generated.
  • the viewing direction of the beam can be due to the estimated course of movement of the excavator arm
  • microscan In swept systems with so-called microscan, a microscan superimposed on the sweep area is used, which makes possible an exact determination of object edges.
  • a mirror optics allow a flat design of the sensor, which can be directly attached to the windshield like a rain sensor. There are no unused optical clearances such as sight funnel in front of the transmitting and receiving area, so that the sensor can be integrated to save space in a rear-view mirror area. This installation location is located in the wiper area of the windscreen wiper and is therefore always before
  • the detection range can be extended to, for example, 30 by 10 degrees. Sweeping is used for scanning, whereby the entire lateral detection area is always detected and therefore supposedly not interesting image sections are also detected. It is possible to detect two further levels in the horizontal direction.
  • the mechanism is as robust as it is simple: much like a swinging shaving head Razors are doing only the optics of transmitting and
  • PMD Photonic Mixer Device
  • electro-optical mixing process and a subsequent integration process are performed.
  • the combination of mixing and integration is also called correlation. This property allows the pixel-by-pixel correlation of a modulated optical signal with an electronic reference and thus a 3D distance measurement according to the time of flight method in each video frame.
  • Such a PMD distance sensor may be in addition to conventional
  • Brightness information provide an amplitude image of an active infrared illumination and the distance information to the object under consideration in each pixel.
  • PMD systems obtain the distance values directly in each pixel, i. h., They do not require high processing power in post-processing. This and the monocular design of the system make PMD systems less expensive and more compact in size than conventional technologies.
  • the means of a 3D PMD camera immediately and without massive
  • Reaches can achieve an accuracy down to the millimeter range.
  • an exemplary embodiment includes a "and / or" link between a first feature and a second feature, this is to be read such that the
  • Embodiment according to an embodiment both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first feature or only the second feature.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms (104) mittels eines an einem Bagger (100) angeordneten LIDAR-Systems (102). Dabei wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen (106) ausgesandt, um eine Mehrzahl von Messpunkten (108) am Baggerarm (104) anzustrahlen. Von den Messpunkten (108) reflektierte Laserstrahlen (106) werden empfangen und verwendet, um eine Position des Baggerarms (104) relativ zu zumindest einem dem Bagger (100) zugeordneten Bezugspunkt zu ermitteln.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms mittels eines an einem Bagger angeordneten LIDAR-Systems
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Bekannt sind Mess- und Positionssysteme für Baumaschinen, bei denen mittels Neigungs- oder Winkelsensoren an einem Baggerarm und einer Schaufel deren Position relativ zu einer Kabine oder absolut zur Umgebung oder zum Gelände bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die Position dem Baggerfahrer auf
Displays angezeigt werden.
Ferner sind Messvorrichtungen bekannt, die den Weg von Stellzylindern am Baggerarm mittels induktiver, magnetischer oder ohmscher Messprinzipien bestimmen können. Über die bekannten geometrischen Daten von Baggerarm und Schaufel kann dann auf die Position einer Schneidkante der Zähne der Schaufel relativ zum Fahrzeug geschlossen werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms mittels eines an einem Bagger angeordneten LIDAR-Systems, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms mittels eines an einem Bagger angeordneten LIDAR-Systems vorgestellt, wobei das
Verfahren folgende Schritte umfasst:
Aussenden einer Mehrzahl von Laserstrahlen, um eine Mehrzahl von
Messpunkten am Baggerarm anzustrahlen;
Empfangen von von den Messpunkten reflektierten Laserstrahlen; und
Ermitteln einer Position des Baggerarms relativ zu zumindest einem dem Bagger zugeordneten Bezugspunkt unter Verwendung der reflektierten Laserstrahlen.
Unter einem Bagger kann beispielsweise ein Ein- oder Mehrgefäßbagger, ein Flachbagger, eine Fels- oder Bodenfräse oder ein Saugbagger verstanden werden. Unter einem Baggerarm kann beispielsweise ein hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch verstellbarer Arm verstanden werden. Der Baggerarm kann je nach Ausführungsform zumindest zwei gelenkig miteinander verbundene Teilelemente und ein Anbauteil, etwa eine Schaufel, umfassen. Unter einem LIDAR-System (LI DAR = Light Detection And Ranging) kann ein System zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung unter Verwendung von Laserstrahlen verstanden werden. Das LIDAR-System kann beispielsweise an einer Kabine oder einem Fahrgestell des Baggers angeordnet sein. Unter einem
Messpunkt kann beispielsweise ein Punkt an einem Gelenk, einem Stellzylinder oder einer Schaufel des Baggerarms oder auch ein Punkt an einer Zahnspitze eines Schaufelzahns der Schaufel verstanden werden. Der Bezugspunkt kann beispielsweise durch eine Kabine oder ein Fahrgestell des Baggers repräsentiert sein. Unter einem Bezugspunkt kann alternativ auch ein Punkt einer
Aufstandsfläche des Baggers verstanden werden.
Unter einem LIDAR-Messverfahren kann ein optisches Messverfahren zur Ortung und Messung der Entfernung von Objekten im Raum verstanden werden. Dabei können Ultraviolett- oder Infrarotstrahlen oder Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts verwendet werden. Die Entfernung kann beispielsweise durch eine Time-of-Flight-Messung ermittelt werden, bei der ein oder mehrere Lichtpulse ausgesendet und an einem vorhandenen Objekt reflektiert werden. Die Zeit bis zum Empfang des reflektierten Signals ist proportional zur
Entfernung des Objekts. Bei einer indirekten Time-of-Flight-Messung kann beispielsweise die Laufzeit des Lichts mithilfe einer Phasenmessung zwischen ausgesandtem und empfangenem Lichtsignal ermittelt werden. Mittels eines LIDAR-Messverfahren können auch Triangulationsverfahren realisiert werden, die insbesondere bei kurzen Distanzen im Sinne einer
Rechenbedarfsreduzierung vorteilhaft sein können.
Grundsätzlich können LIDAR-Sensoren zusätzlich zur reinen Abstandsmessung auch zur eingeschränkten visuellen Erkennung von Objekten verwendet werden. Dabei wird zusätzlich eine Lichtintensität entsprechend ausgewertet.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Position eines Baggerarms unter Verwendung eines LIDAR-Systems mit hoher Genauigkeit bei verhältnismäßig geringem konstruktivem Aufwand ermittelt werden kann. Durch eine optische Sensierung der Baggerarm- oder Schaufelposition mittels LI DAR können beispielsweise eine Position und eine Stellung des Baggerarms bis zur Schnittkante der Zähne einer Schaufel relativ zur Kabine, zum Bagger oder zur Umwelt berührungslos gemessen werden. Hierzu können die LIDAR-Sensoren beispielsweise an der Kabine oder dem Fahrgestell des Baggers verbaut werden
Im Gegensatz zu einer direkten Sensierung bietet eine indirekte Sensierung mittels LI DAR den Vorteil, dass die Robustheitsanforderungen an die Sensoren geringer ausfallen können, da diese abseits von Werkzeugen und eines
Arbeitsbereichs des Baggerarms verbaut werden können und somit vor
Beschädigungen durch Schüttelbelastungen, Stöße oder bestimmte Medien besser geschützt sind. Des Weiteren kann eine Anpassung der Sensoren an konkret mögliche und notwendige Anbaubedingungen bezüglich Gehäuse und Interface entfallen, d. h., es können unabhängig von Hersteller, Baggerarm- oder Schaufeltyp jeweils die gleichen LIDAR-Sensoren verwendet werden. Durch die Verwendung von LIDAR-Sensoren kann ferner die Verlegung von Sensorkabeln über Schaufel, Baggerarm und zugehörigen Gelenken zur Kabine oder zum Drehgestell entfallen. Zudem ist es dadurch möglich, Werkzeuge am Baggerarm ohne Neukalibrierung des Messsystems einfach und schnell zu wechseln. Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ermitteins die Position relativ zu einer Kabine, einem Fahrgestell, einer Aufstandsfläche oder einer Umgebung des Baggers als dem Bezugspunkt ermittelt werden. Durch diese
Ausführungsform kann die Position des Baggerarms genau und zuverlässig ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ermitteins eine Position eines an dem Baggerarm montierten Anbauteils, insbesondere einer Schnittkante von Zähnen einer Schaufel, ermittelt werden. Dadurch kann die Position des Anbauteils genau und zuverlässig ermittelt werden.
Es ist ferner von Vorteil, wenn im Schritt des Ermitteins eine Entfernung zwischen den Messpunkten und dem Bezugspunkt bestimmt wird, um die Position zu ermitteln. Dadurch kann die Position des Baggerarms relativ einfach und genau mittels Laufzeitmessungen ermittelt werden.
Es kann im Schritt des Ermitteins ein entweder vertikaler oder horizontaler oder sowohl vertikaler als auch horizontaler Abstand zwischen den Messpunkten und dem Bezugspunkt bestimmt werden, um die Position zu ermitteln. Dadurch kann die Position des Baggerarms mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ermitteins die Position unter Verwendung vorgegebener Geometriedaten oder, zusätzlich oder alternativ, unter Verwendung vorgegebener Bewegungsdaten des Baggerarms, beispielsweise eines Bewegungsmodells des Baggers oder des Baggerarms, ermittelt werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht werden.
Zudem kann im Schritt des Ermitteins aus den vorgegebenen Geometrie- und/oder Bewegungsdaten eine Position eines außerhalb eines
Erfassungsbereiches des LIDAR-Systems befindlichen Abschnitts des
Baggerarms extrahiert werden. Dadurch ist es möglich, die Position des
Baggerarms auch dann zuverlässig zu bestimmen, wenn Teile des Baggerarms, beispielsweise beim Tiefgraben, verdeckt sind. Weiterhin kann im Schritt des Ermitteins die Position in Abhängigkeit von einer vorhergehenden Bewegung des Baggerarms ermittelt werden. Dadurch wird eine zuverlässige Erfassung von Bewegungsabläufen des Baggerarms ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Aussendens zumindest ein weiterer Laserstrahl ausgesandt werden, um zumindest ein Objekt im Umfeld des Baggers anzustrahlen. Dabei kann im Schritt des Empfangens zumindest ein von dem Objekt reflektierter weiterer Laserstrahl empfangen werden. Im Schritt des Ermitteins kann unter Verwendung des reflektierten weiteren Laserstrahls eine das Objekt repräsentierende Objektinformation ermittelt werden. Dadurch kann zusätzlich zur Position des Baggerarms das Umfeld des Baggers mittels des LIDAR-Systems erfasst werden.
Hierbei kann in einem Schritt des Erstellens unter Verwendung der
Objektinformation ein Ist-Oberflächenprofil des Umfelds erstellt werden und in einem Schritt des Vergleichens das Ist-Oberflächenprofil mit einem Soll- Oberflächenprofil verglichen werden, um einen Ab- oder Auftragsbereich, in dem Material ab- oder aufgetragen werden soll, zu ermitteln. Dadurch kann das Ab- oder Auftragen von Material durch den Bagger beschleunigt werden.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Ausgebens eines Steuersignals zum Steuern des Baggers unter Verwendung der Position des Baggerarms oder, zusätzlich oder alternativ, der Objektinformation umfassen. Dadurch kann der Bagger oder der Baggerarm teil- oder vollautomatisiert gesteuert werden.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine
Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine
magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung des Baggers. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Stellzylinder, Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Baggers mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Baggers aus Fig. 1 in der
Draufsicht;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Baggers auf Fig. 1 in der
Seitenansicht;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel; und
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Baggers 100 mit einer
Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Vorrichtung 102 handelt es sich um ein LIDAR-System, das ausgebildet ist, um eine Position eines Baggerarms 104 des Baggers 100 berührungslos zu bestimmen.
Beispielhaft ist die Vorrichtung 102 an einer Kabine des Baggers 100 angeordnet. Um die Position des Baggerarms 104 zu bestimmen, sendet die Vorrichtung 102 eine Mehrzahl von Laserstrahlen 106 in unterschiedliche
Richtungen aus, um eine Mehrzahl von Messpunkten 108 am Baggerarm 104 anzustrahlen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befinden sich die Messpunkte 108 beispielsweise an Gelenkpunkten des Baggerarms 104, an einer am Baggerarm
104 montierten Schaufel 110 oder auch an Zähnen der Schaufel 110. Ein Teil der ausgesandten Laserstrahlen 106 wird an den Messpunkten 108 reflektiert. Diese reflektierten Laserstrahlen 106 werden von der Vorrichtung 102 empfangen und verwendet, um die Position des Baggerarms 104 relativ zu einem
entsprechenden Bezugspunkt, beispielsweise der Kabine oder einem Fahrgestell des Baggers 100, zu ermitteln.
Beispielsweise ist der Baggerarm 104 gegenüber der Kabine in der Flucht und in der Höhe verstellbar, wie dies bei Standardbaggern der Fall ist. Bei Minibaggern kann der Baggerarm 104 zusätzlich auch in einem bestimmten Winkel in der
Ebene gegenüber der Kabine drehbar sein. Unter dem Begriff Baggerarm können auch einzelne Auslegerelemente des Baggerarms 104 verstanden werden. Die Vorrichtung 102 ist mit berührungslosen Sensoren ausgestattet, die eine anwendungsbezogen geforderte Genauigkeit zur Erkennung der räumlichen Position und Stellung von Baggerarm 104 und Schaufel 110 bis zur Schnittkante in Relation zur Umgebung bzw. zum Gelände erfüllen. Beispielsweise liegt der Messbereich der Vorrichtung 102 zwischen 1 cm und 10 cm bei Messfrequenzen bis 100 MHz. Je nach Ausführungsbeispiel wird auch eine Genauigkeit von unter
1 cm erreicht.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Vorrichtung 102 handelt es sich beispielsweise um eine vorangehend anhand von Fig. 1 beschriebene Vorrichtung. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel repräsentiert die Vorrichtung 102 eine LIDAR-Anwendung nach dem Mehrstrahlprinzip. Gezeigt sind eine Aussendeeinheit 210 zum
Aussenden eines Strahlenbündels aus einzelnen Laserstrahlen 106 sowie eine Empfangseinheit 220 zum Empfangen des von den Messpunkten des
Baggerarms reflektierten Anteils der Laserstrahlen 106. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Baggers 100 aus Fig. 1 in der Draufsicht. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist die Vorrichtung 102 beispielsweise einen Erfassungsbereich von 180 Grad auf. Je nach Ausführungsbeispiel kann der Erfassungsbereich der Vorrichtung 102 auch kleiner oder größer als 180 Grad sein und eine sowohl vertikale als auch horizontale Ausdehnung aufweisen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Baggers 100 aus Fig. 1 in der Seitenansicht. Gezeigt sind drei Positionen des Baggerarms 104, die je sowohl durch einen vertikalen Abstand der einzelnen Messpunkte 108 zu einer
Aufstandsfläche des Baggers 100 als auch durch einen horizontalen Abstand der einzelnen Messpunkte 108 zum Fahrgestell des Baggers 100 definiert sind. Die Ermittlung der drei Positionen anhand der jeweiligen vertikalen und horizontalen Abstände der Messpunkte 108 erfolgt anhand von Laufzeitmessungen der Laserstrahlen 106 mittels der Vorrichtung 102.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der Figuren 1 bis 4 beschrieben ist. Die Vorrichtung 102 umfasst, wie bereits erwähnt, die Aussendeeinheit 210 zum Aussenden der Laserstrahlen 106 sowie die Empfangseinheit 220 zum Empfangen der von den Messpunkten reflektierten
Laserstrahlen 106. Die Empfangseinheit 220 überträgt ansprechend auf das Empfangen der reflektierten Laserstrahlen 106 ein entsprechendes Messsignal 500 an eine Ermittlungseinheit 510 der Vorrichtung 102. Die Ermittlungseinheit 510 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Messsignals 500 die Position des Baggerarms relativ zum Bezugspunkt zu ermitteln und einen die Position des
Baggerarms repräsentierenden Positionswert 512 auszugeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Aussendeeinheit 210 ausgebildet, um eine Mehrzahl weiterer Laserstrahlen 514 auszusenden. Die weiteren
Laserstrahlen 514 dienen hierbei zur Beleuchtung von Objekten im Umfeld des
Baggers, an denen die weiteren Laserstrahlen 514 zumindest teilweise reflektiert werden. Die weiteren Laserstrahlen 514 sind in Fig. 5 mit gestrichelten Pfeilen markiert. Entsprechend empfängt die Empfangseinheit 220 einen von den Objekten reflektierten Anteil der weiteren Laserstrahlen 514 und überträgt ein entsprechendes weiteres Messsignal 516 an die Ermittlungseinheit 510. Die
Ermittlungseinheit 510 ist ausgebildet, um unter Verwendung des weiteren Messsignals 516 eine die Objekte repräsentierende Objektinformation 518 zu erzeugen und auszugeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel leitet die Ermittlungseinheit 510 die
Objektinformation 518 an eine Erstellungseinheit 520 weiter, die ausgebildet ist, um unter Verwendung der Objektinformation 518 ein Ist-Oberflächenprofil 522 des Umfelds des Baggers zu erstellen und dieses an eine Vergleichseinheit 530 zu übertragen. Die Vergleichseinheit 530 vergleicht das Ist-Oberflächenprofil 522 mit einem vorgegebenen Soll-Oberflächenprofil, um einen Arbeitsbereich im Umfeld des Baggers zu ermitteln, in dem Material ab- oder aufgetragen werden soll. Als Ergebnis des Vergleichs stellt die Vergleichseinheit 530 eine den Arbeitsbereich repräsentierende Arbeitsbereichsinformation 532 bereit. Eine optionale Ausgabeeinheit 540 ist ausgebildet, um sowohl den Positionswert 512 als auch die Arbeitsbereichsinformation 532 einzulesen und unter deren
Verwendung ein Steuersignal 542 zum Steuern des Baggers auszugeben.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 600 zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms kann beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der Figuren 1 bis 5 beschrieben ist, durchgeführt werden. Hierbei werden in einem Schritt 610 die Laserstrahlen ausgesandt. In einem Schritt 620 werden die von den Messpunkten reflektierten Laserstrahlen empfangen. Schließlich wird in einem Schritt 630 die Position des Baggerarms relativ zum Bezugspunkt durch Auswertung von Laufzeiten der ausgesandten Laserstrahlen unter Verwendung der reflektierten Laserstrahlen ermittelt.
Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes anhand der Figuren 1 bis 6 beschrieben.
Beispielsweise ist die Vorrichtung 102 als eine kompakte Einheit in Form eines LIDAR-Sensormoduls aus einer CMOS-Kamera und einem LIDAR realisiert. Der Aufbau ist je nach Fahrzeugklasse und Leistungsanforderungen skalierbar.
Mit dem beschriebenen optischen 3D-System in Form der Vorrichtung 102 ist es möglich, berührungslos die Stellung und Position des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 bis zur Schneidkante im Zentimeterbereich zu bestimmen. Unter Verwendung vorgegebener Daten bezüglich der geometrischen Abmessungen von Teilsegmenten des Baggerarms 104, des Auslegers oder der Schaufel 110 kann ein vollständiges räumliches Bild der Stellung und Position des Baggerarms 104 bis zur Schneidkante der Zähne der Schaufel 110 ermittelt werden, selbst bei lückenhaften Messungen, etwa infolge von Überdeckungen, beispielsweise wenn Messstrahlen und Baggerarm in einer Flucht sind, aber die Sichtbarkeit der Schaufel oder wenigstens von Teilen der Schaufel infolge einer Beladung mit Erdreich sichtbar sind.
Befinden sich weitere Gegenstände im möglichen Bewegungsbereich des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 oder tritt die Schaufel 110 aus dem Scanfeld der Vorrichtung 102 heraus, etwa aufgrund einer Abdeckung der Schaufel 110 durch eine Erdkante beim Tiefgraben, so werden beispielsweise der Baggerarm 104 und die Schaufel 110 mittels Verfahren der Bildverarbeitung extrahiert, fehlende Teile durch Kenntnis der bekannten geometrischen Daten ergänzt und dann deren Stellung und Position abgeleitet.
Eine ergänzende Möglichkeit, die Stellung und Position zu vervollständigen, besteht beispielsweise in der Prädiktion anhand eines Bewegungsmodells, das eine bisherige Bewegung und Dynamik des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 oder, zusätzlich oder alternativ, die Stellungen von Bedienhebeln des Baggers 100 berücksichtigt.
Des Weiteren können die Laserstrahlen mittels Laser-Umlenktechniken in vorbestimmter Form am Baggerarm 104 in Richtung Schaufel 110 umgelenkt werden und die Reflexionssignale in ähnlicher Art und Weise zurückgeführt werden, um damit die Position der Schaufel 110 zu ermitteln.
Alternativ werden ganze Flächen mittels Flash-LIDAR simultan beleuchtet, wobei das reflektierte Licht simultan, gegebenenfalls zeitlich mehrfach hintereinander, erfasst wird, sodass synchrone Tiefenbilder (Tiefe basierend auf dem
Erfassungszeitpunkt) erzeugt werden. Insbesondere bei im Vergleich zur Messfrequenz schnell bewegten Objekten wird hierdurch möglichen
Bildverzerrungen vorgebeugt. Die Vorrichtung 102 ist beispielsweise seitlich außerhalb einer Flucht Kabine- Baggerarm und seitlich hinter oder vor einer Kabinenscheibe angebracht. Bei Minibaggern, wo der Baggerarm zusätzlich auch in einem bestimmten Winkel in der Ebene gegenüber der Kabine drehbar ist, ist es vorteilhaft, wenn ein weiteres Messsystem auf der anderen Seite der Kabinenscheibe angeordnet ist, etwa für den Fall, dass Strahlen und Baggerarm in einer Flucht sind. Alternativ sind die Messsysteme am Fahr- oder Drehgestell des Baggers 100 angeordnet, wodurch tote Winkel oder blinde Flecken im Bewegungsraum des Baggerarms 104 und der Schaufel 110 vermieden oder reduziert werden können.
Ein weiterer Anbauort ist beispielsweise ein oberer Teil eines Auslegerelements des Baggerarms 104. Dies kann sinnvoll sein, wenn Arbeiten außerhalb des Sichtbereichs der Kabine oder des Fahrers durchgeführt werden, etwa bei tiefen Baugruben oder Arbeiten unterhalb des Baggers 100 mit entsprechend langen Armen.
Verfügt der Bagger 100 über ein GPS-System, vorzugsweise mit Korrektursignal, so wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Stellung von Baggerarm 104 und Schaufel 110 nicht nur relativ zum Fahrzeug, sondern auch relativ zur Umgebung oder zum Gelände bestimmt. Darauf basierend werden sowohl der senkrechte
Abstand zwischen der Schneidkante der Zähne und der Schaufel 110 zum Boden als auch eine Tiefe im Sinne eines waagrechten Abstands zu einem Referenzpunkt im oder am Bagger 100 bestimmt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Entsprechende Positionswerte werden beispielsweise auf einem Display im Bagger 100 angezeigt oder auch für Begrenzungen in der Auslenkung des
Baggerarms 104 oder für eine teil- oder vollautomatisierte Baggerarm- und Schaufelsteuerung verwendet.
Die Stellungs- und Positionserkennung kann durch eine geometrische, nicht homogene Gestaltung des Baggerarms 104 zusätzlich erleichtert werden.
Ebenso können zusätzliche Reflektoren oder reflektierende Materialien am Baggerarm 104 oder an der Schaufel 110 angebracht sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden mittels der Vorrichtung 102 in Verbindung mit einer entsprechenden Objekt- und Bildverarbeitung zusätzlich Personen oder Gegenstände im Umfeld des Baggers 100 sensiert und eindeutig vom detailliert bekannten Baggerarm 104 unterschieden. Zur Vermeidung von Kollisionen mit der Umgebung, etwa mit Gebäuden, anderen Fahrzeugen, Personen oder Hochspannungsleitungen, ist die Kenntnis der Stellung und Position des gesamten Baggerarms 104, insbesondere hervorstehender
Bauteile, von Wichtigkeit.
Zur Automatisierung von Arbeitsvorgängen wird beispielsweise das Ist- Oberflächenprofil 522 des zu bearbeitenden Geländes erkannt und mit einem bekannten Soll-Oberflächenprofil verglichen. Hierbei können dem Fahrer zum einen noch zu bearbeitende, d. h. auf- oder abzutragende Bereiche angezeigt werden oder auch die Grundlage für einen automatisierten Auf- oder Abtrag bilden. Die Teilautomatisierung ist beispielsweise auf den eigentlichen Auf- oder Abtragsvorgang beschränkt, d. h., der Baggerführer wird von der Aufgabe des hochgenauen Steuerns entbunden. Nach dem Auf- oder Abtragsvorgang wird der Baggerarm 104 beispielsweise noch automatisch um einen bestimmten Wert angehoben, bis er zum Halten kommt. Ab hier kann dann der Baggerführer wieder die Steuerung übernehmen.
Ist die komplette Geländeform des Auf- und Abtragsbereiches bekannt, so kann auch der Arbeitsvorgang für einen kompletten Geländebereich automatisiert werden. Der Auf- und Abtragsbereich kann dabei auch eine Ladefläche eines Fahrzeugs sein.
Im Bewegungsbereich des Baggerarms 104, beispielsweise zwischen Auf- und Abtragsbereich, können sich beim Bewegungsvorgang Hindernisse befinden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden diese vom LIDAR-System der Vorrichtung 102 erkannt und durch eine entsprechende Steuerung der
Teilsegmente des Baggerarms 104 oder optional durch Bewegen des gesamten Baggers 100 umgangen. Lässt sich ein Hindernis nicht umgehen, so stoppt das System von selbst. Optional werden dem Fahrer nur optimale
Bewegungstrajektorien des Baggers 100 oder des Baggerarms 104 angezeigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der hier beschriebene Ansatz eine Tag-Nacht-Erkennung. Die im Empfänger messbare Hintergrundbeleuchtung unterscheidet sich signifikant zwischen Tag und Nacht, da die Sonne eine um mehrere Größenordnungen höhere Infrarotstrahlung aussendet als der LIDAR. Dieses Signal, geeignet aufbereitet, wird beispielsweise zusätzlich zur Steuerung von Fahrlicht oder Arbeitslicht am Bagger 100 verwendet.
Zu den Grundfunktionen einer Selbstdiagnose eines Abstandssensors zählt etwa auch die Erkennung eines Verschmutzungsgrades des Sensors an dessen Sender und Empfänger. Zwar führt dieses Signal in den meisten Fällen nicht zu einer Aufforderung, den Sensor zu reinigen, jedoch kann das Signal zu einer automatischen Triggerung der Reinigung der Scheinwerfer oder der
Windschutzscheibe genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt mittels des LIDAR-Systems die automatische Erkennung eines Schaufeltyps, etwa wenn die Schaufel 110 oder sonstige Anbauteile ausgetauscht wurden, ohne dass der Fahrer entsprechende Daten in das System eingibt oder direkte Sensoren kontaktiert.
Optional ist eine Kabel- oder Rohleitungserkennung vorgesehen. Wenn die Schaufel 110 oder der Baggerarm 104 Gegenstände mit der Bewegung der Schaufel 110 oder des Baggerarms 104 mitnimmt und die Gegenstände eine definierte Größe oder Form oder Lokalisierung in Relation zur Schaufel 110 überschreiten, so wird dies über die Daten und die Bildverarbeitung erkannt, etwa durch Assoziation oder Verknüpfung von Objekten.
In einer optionalen Baustellenvermessung wird auf Anforderung oder während der Bautätigkeit ein Umfeldscan der Baustelle um den Bagger herum
durchgeführt. Hierfür wird das Messsystem 102 im relevanten Bereich geschwenkt und das sensierbare Umfeld vermessen. Die Messdaten werden dann in eine 3D-Karte der Baustelle eingespeist. Somit kann der Kartenstand aktualisiert und der Baufortschritt fortlaufend dokumentiert werden.
Die Sensierung erfolgt optional über weitere Teile der ganzen Baustelle, um einen weiteren Kartenausschnitt zu aktualisieren. Hierbei kann auch ein von außen mitgeteilter Messauftrag im Rahmen von autonomen Fahrbefehlen berücksichtigt werden.
Optional erfolgt die Baustellenvermessung mit einem geschlossenen Regelkreis zur Fahrzeugpositionierung bei von außen gesteuerten oder autonomen Fahrbewegungen. Dabei wird eine redundante Umfelderkennung bereitgestellt, wenn das autonome Fahrsystem eine eingeschränkte Umfelderkennung aufweist, etwa in Einsatzgebieten mit ionisierender Strahlung.
Die Messsignale können innerhalb eines Fahrzeugverbunds oder über Internet- of-Things-Schnittstellen übertragen werden, um anderen Systemen oder Dritten die Möglichkeit der Umfeldsensierung zu eröffnen.
Aufgrund der indirekten Messmethode kann das Messsystem mit
unterschiedlichsten Baggerarmen und Schaufeln kombiniert werden und somit in größeren Stückzahlen sowohl in der Erstausrüstung als auch in der
Nachausrüstung bei verschiedenen Herstellern von Baggerfahrzeugen verbaut werden.
Die Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes bestehen darin, dass aufgrund der geringeren Robustheitsanforderungen an die Sensoren auch empfindlichere Sensortechnologien verwendet werden können, keine Anpassungen der Sensoren an Baggerarm- und Schaufel-Konstruktionen erforderlich sind, die Sensoranbau- und Gehäusevarianz und damit Kosten reduziert werden können, keine Verkabelung der Sensoren über Schaufel, Baggerarm und die zugehörigen Gelenke zur Kabine oder zum Drehgestell erforderlich sind, eine direkte Messung der Baggerarm- und Schaufelpositionen aufgrund des hochauflösenden, bildgebenden Verfahrens ermöglicht wird, eine zusätzliche Erfassung der umgebenden Szene und gegebenenfalls bearbeiteter Objekte oder verwendeter Werkzeuge ohne zusätzlichen Aufwand mithilfe des räumlichen Sichtfelds ermöglicht wird, eine zusätzliche Erfassung des Umfelds zur
Kollisionsvermeidung, Baggerarmführung und Sichtunterstützung des Fahrers über eine Objektbildung aus einer 3 D-Punktewolke aufgrund der hohen
Winkelauflösung ermöglicht wird, die Schwenkbarkeit des Sichtfelds oder der Bildfokussierung durch adaptive Optiken und Ablenkeinheiten gewährleistet werden kann und Hintergrundlicht aufgrund der Möglichkeit einer optischen Filterung des Hintergrundlichts besser unterdrückt werden kann.
Das LIDAR-System kann auch nachträglich verbaut werden. Mit vorliegender Kenntnis der Abmessungen und möglichen Bewegungsbahnen des Baggerarms 104 inklusive der Schaufel 110 kann die Position und Stellung bis zur Schneidkante berührungslos bestimmt werden. Darauf basierend sind Anzeigen für den Fahrer, Bewegungsbegrenzungen zum Kollisionsschutz oder zur
Begrenzung einer Materialweg- oder -zugäbe im Arbeitsbereich,
Teilautomatisierungen einzelner Arbeitsabläufe des Baggerarms 104 und der Schaufel 110, etwa für 1D-Tiefen oder 2D-flächige Neigungen, eine räumliche
Abmessungen des Materials in der Umgebung mittels GPS und
Korrektursignalen denkbar. Durch Vernetzung des Sensorsystems 102 mit einer elektronifizierten Hydrauliksteuerung können teil- und vollautomatisierte
Prozesse umgesetzt werden.
Nachfolgend werden verschiedene berührungslose Messverfahren im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit zur Erfassung eines Baggerarms und einer Schaufel zu Informationszwecken kurz beschrieben (Quelle: ATZ/MTZ Fachbuch; Handbuch Fahrerassistenzsysteme).
Mikrowellensensoren eignen sich insbesondere für die Vermessung relativ weit entfernter Objekte in Szenen mit einer vergleichsweise geringen Ortsfrequenz. Für eine hoch aufgelöste dreidimensionale Objektdetektion reicht im Allgemeinen die beugungsbegrenzte Winkelauflösung nicht aus. Selbst bei einer extrem kurzen Wellenlänge I = 3 mm (f = 100 GHz) und einer relativ großen
Strahlungsapertur von beispielsweise D = 12,2 cm beträgt mit α = 30 mrad ein minimaler Strahldurchmesser 6 cm in einem Abstand von 1 m. Radarsysteme sind damit für eine lateral hoch aufgelöste Objektdetektion schon in Entfernungen von einigen wenigen Metern ungeeignet. Gleiches gilt grundsätzlich für die Strahlungskeule eines Ultraschallsenders; hier kommen zusätzlich die Druck- und Temperaturempfindlichkeit der Schallgeschwindigkeit und die hohe
Reflexivität bzw. Spiegelung technischer Oberflächen erschwerend hinzu.
Durch die sehr viel kleinere Wellenlänge der Lichtwellen, selbst bis in den fernen Infrarotbereich hinein, besitzen optische 3 D- Messsysteme eine hohe Lateralbzw. Winkelauflösung. Die Gewinnung der Tiefeninformation beruht hier im Wesentlichen auf dem Triangulations- oder Laufzeitprinzip.
Eine große Herausforderung bei der Lasermesstechnik nach dem
Einstrahlprinzip besteht darin, die wegen der Anforderung an die Augensicherheit stark limitierte Energie nach der Reflexion an einem Objekt wieder zu empfangen. Dabei ist zu beachten, dass gewöhnlich das Objekt, hier Baggerarm und Schaufel, ähnlich einem Lambert-Reflektor seine Energie diffus in den halben Raumwinkel abstrahlt. Beim Lambert- Reflektor ist die Rückstreuung der Energie nicht gerichtet, sondern wird im Raumwinkel inhomogen verteilt. Genutzt werden kann nur der Teil der zurückgestreuten Energie, der direkt in den Empfänger des Sensors zurückgestrahlt wird. Dies sind in der Praxis bestenfalls 20 Prozent der am Objekt reflektierten Energie, in der Regel deutlich weniger. Da wie erwähnt die mittlere Sendeleistung beschränkt ist, kann man als
Abhilfemaßnahme den Strahl stärker bündeln, um die Energiedichte zu erhöhen, oder einen höher verstärkenden Empfänger einsetzen. Die Bündelung hat den Nachteil, dass bei kleinen Raumwinkeln der Strahl auf eine homogene Fläche, etwa am Baggerarm oder an der Schaufel, treffen kann und infolgedessen durch Totalreflexion der gesamte Strahl wegreflektiert werden kann. Totalreflexion tritt dann auf, wenn schmale Strahlen eingesetzt werden, die auf eine schräge Fläche treffen. Abhilfe kann durch aufgeweitete Strahlen oder, wie weiter unten beschrieben, durch mehrere Strahlen geschaffen werden. Optimal ist es dabei, wenn im Erfassungsbereich Kanten zur Streuung oder senkrecht zum Sensor gerichtete Teile zur direkten Reflexion beleuchtet werden.
Ein einzelner Strahl ist infolge der erforderlichen Strahlaufweitung und der damit verbundenen Messungenauigkeit für die Messung von Baggerarm und Schaufel nicht ausreichend.
Das Problem mehrerer Empfangsstrahlen wird durch die Verwendung
scannender Systeme mit vielen Sende- und Empfangskanälen, beispielsweise mehrere Hundert, teilweise kompensiert, führt aber zu höheren Kosten. Da der Baggerarm in seiner Position in einem größeren räumlichen Bereich ständig verändert wird, sind entweder sehr viele Empfangsstrahlen erforderlich oder aber es kann ein scannendes System eingesetzt werden.
Beim Mehrstrahlprinzip werden mehrere unabhängige Sende- und
Empfangskanäle verwendet. Dabei wird ein Array von Laserdioden im
Multiplexverfahren angesteuert und es werden über eine Empfangsoptik
Informationen über ein PIN-Dioden-Array erfasst. Die Winkelauflösung entspricht dabei in etwa einer Strahlbreite der einzelnen Sende- und Empfangskanäle. Bis zu einigen Dutzend dieser Paarungen können eingesetzt werden, um den entsprechenden lateralen Öffnungswinkel zu generieren. Für die zum Erfassen von Baggerarm und Schaufel geforderte Messgenauigkeit von unter 1 cm erscheint das Mehrstrahlprinzip deshalb nicht kostengünstig anwendbar. Ein weiteres in der Praxis eingesetztes Verfahren ist das sogenannte Sweepen von Strahlbündeln. Dabei können beispielsweise mehrere unabhängige Sende- und Empfangskanäle über den beweglichen Baggerarm lateral in Abhängigkeit zum möglichen Bewegungsraum des Baggerarms und der Schaufel geschwenkt werden. Die Sende- und Empfangskanäle können mittels Lichtleiter modelliert werden. Dabei können je nach Kanal unterschiedliche Öffnungswinkel in lateraler und horizontaler Lage erzeugt werden. Die Blickrichtung des Strahlenbündels kann aufgrund des geschätzten Bewegungsverlaufs des Baggerarms
nachgeführt werden, etwa in Abhängigkeit von einer elektrisch erfassten
Bedienhebelbetätigung. Dazu sind nur wenige Laserdioden und wenige bewegte Teile erforderlich. Allerdings ist die Detektion von der Güte der
Trajektorienschätzung des Baggerarms und der Schaufel abhängig.
Bei sweependen Systeme mit sogenanntem Microscan wird ein dem Sweep- Bereich überlagerter Mikroscan verwendet, der eine exakte Bestimmung von Objektkanten möglich macht. Eine Spiegeloptik ermöglicht eine flache Bauweise des Sensors, der direkt, wie ein Regensensor, an die Windschutzscheibe angebracht werden kann. Es entstehen keine ungenutzten optischen Freiräume wie etwa Sichttrichter vor dem Sende- und Empfangsbereich, sodass der Sensor platzsparend in einen Rückspiegelbereich integriert werden kann. Dieser Einbauort liegt im Wischbereich der Scheibenwischer und wird daher stets vor
Verschmutzung geschützt. Im Gegensatz dazu sollten Lasersensoren im
Außeneinbau im Winter durch die starke Versalzung oder im Regen durch die Wassertröpfchen eine erhebliche Dämpfung verkraften. Unterschiedliche
Reichweiten, je nach Witterung, sind die Folge.
Durch scannende Systeme kann der Erfassungsbereich auf beispielsweise 30 mal 10 Grad erweitert werden. Das Sweepen wird zum Scannen, wobei immer der gesamte laterale Erfassungsbereich detektiert und somit auch vermeintlich nicht interessante Bildausschnitte erfasst werden. Dabei besteht die Möglichkeit, zwei weitere Ebenen in horizontaler Richtung zu detektieren. Der Mechanismus ist so robust wie einfach: Ähnlich wie ein schwingender Scherkopf eines Rasierapparats werden dabei ausschließlich die Optiken der Sende- und
Empfangskanäle stimuliert.
In PMD- Kamerasystemen (PMD = Photonic Mixer Device) kann ein
elektrooptischer Mischprozess und ein anschließender Integrationsprozess durchgeführt werden. Die Kombination aus Mischung und Integration wird auch als Korrelation bezeichnet. Diese Eigenschaft erlaubt die pixelweise Korrelation eines modulierten optischen Signals mit einer elektronischen Referenz und damit eine 3D-Entfernungsmessung nach dem Lichtlaufzeitverfahren in jedem Video- Frame. Ein derartiger PMD-Abstandssensor kann zusätzlich zu konventionellen
Helligkeitsinformationen ein Amplitudenbild einer aktiven Infrarotbeleuchtung und die Abstandsinformation zum betrachteten Objekt in jedem Pixel liefern. Dabei ist insbesondere die inhärente Unterdrückung von unkorrelierten Lichtsignalen, vor allem von Sonnenlicht, aber auch von eventuellen Störsendern, ein
Alleinstellungsmerkmal, das die PMD-Technologie von anderen Time-of-Flight-
Ansätzen deutlich unterscheidet. PMD-Systeme gewinnen die Entfernungswerte direkt in jedem Pixel, d. h., sie erfordern keine hohe Rechenleistung in der Nachbearbeitung. Dies und der monokulare Aufbau des Systems machen PMD- Systeme kostengünstiger und kompakter in der Baugröße als herkömmliche Technologien. Die mittels einer 3D-PMD-Kamera sofort und ohne massiven
Rechenaufwand detektierbaren 3D-Time-of-Flight-Szenenparameter ermöglichen eine zuverlässige Plausibilisierung von Objekten und deren relativer
Bewegungsvektoren. Da die Position von Objekten und die zugehörigen möglichen Trajektorien frühzeitig erkannt werden, steigt die Zuverlässigkeit der Situationsinterpretation. Mit aktuellen PMD-Systemen werden Reichweiten zwischen 50 m und 70 m bei 100 Hz Framerate erreicht. Bei geringeren
Reichweiten lässt sich eine Genauigkeit bis in den Millimeterbereich erreichen.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das
Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (600) zum Bestimmen einer Position eines Baggerarms (104) mittels eines an einem Bagger (100) angeordneten LIDAR-
Systems (102), wobei das Verfahren (600) folgende Schritte umfasst:
Aussenden (610) einer Mehrzahl von Laserstrahlen (106), um eine Mehrzahl von Messpunkten (108) am Baggerarm (104) anzustrahlen;
Empfangen (620) von von den Messpunkten (108) reflektierten
Laserstrahlen (106); und
Ermitteln (630) einer Position des Baggerarms (104) relativ zu zumindest einem dem Bagger (100) zugeordneten Bezugspunkt unter Verwendung der reflektierten Laserstrahlen (106).
2. Verfahren (600) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des
Ermitteins (630) die Position relativ zu einer Kabine und/oder einem Fahrgestell und/oder einer Aufstandsfläche und/oder einer Umgebung des Baggers (100) als dem Bezugspunkt ermittelt wird.
3. Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ermitteins (630) eine Position eines an dem
Baggerarm (104) montierten Anbauteils, insbesondere einer
Schnittkante von Zähnen einer Schaufel (110), ermittelt wird.
4. Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ermitteins (630) eine Entfernung zwischen den Messpunkten (108) und dem Bezugspunkt bestimmt wird, um die Position zu ermitteln. Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ermitteins (630) ein vertikaler und/oder horizontaler Abstand zwischen den Messpunkten (108) und dem Bezugspunkt bestimmt wird, um die Position zu ermitteln.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ermitteins (630) die Position unter Verwendung vorgegebener Geometrie- und/oder Bewegungsdaten des
Baggerarms (104) ermittelt wird.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 6, bei dem im Schritt des
Ermitteins (630) aus den vorgegebenen Geometrie- und/oder
Bewegungsdaten eine Position eines außerhalb eines
Erfassungsbereiches des LIDAR-Systems befindlichen Abschnitts des Baggerarms (104) extrahiert wird.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ermitteins (630) die Position in Abhängigkeit von einer vorhergehenden Bewegung des Baggerarms (104) ermittelt wird.
Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Aussendens (610) zumindest ein weiterer
Laserstrahl (514) ausgesandt wird, um zumindest ein Objekt im Umfeld des Baggers (100) anzustrahlen, wobei im Schritt des Empfangens (620) zumindest ein von dem Objekt reflektierter weiterer Laserstrahl (514) empfangen wird, wobei im Schritt des Ermitteins (630) unter
Verwendung des reflektierten weiteren Laserstrahls (514) eine das Objekt repräsentierende Objektinformation (518) ermittelt wird.
Verfahren (600) gemäß Anspruch 9, bei dem in einem Schritt des Erstellens unter Verwendung der Objektinformation (518) ein Ist- Oberflächenprofil (522) des Umfelds erstellt wird und in einem Schritt des Vergleichens das Ist-Oberflächenprofil (522) mit einem Soll- Oberflächenprofil verglichen wird, um einen Ab- und/oder
Auftragsbereich, in dem Material ab- und/oder aufgetragen werden soll, zu ermitteln.
11. Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Ausgebens eines Steuersignals (542) zum Steuern des Baggers (100) unter Verwendung der Position des
Baggerarms (104) und/oder der Objektinformation (518).
12. Vorrichtung (102) mit Einheiten (210, 220; 510, 520, 530, 540), die ausgebildet sind, um das Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
13. Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 11 auszuführen und/oder anzusteuern.
14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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