WO2018162461A1 - Verfahren und vorrichtung zur positionsbestimmung von kinematiken insbesondere mobiler arbeitsmaschinen - Google Patents

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WO2018162461A1
WO2018162461A1 PCT/EP2018/055442 EP2018055442W WO2018162461A1 WO 2018162461 A1 WO2018162461 A1 WO 2018162461A1 EP 2018055442 W EP2018055442 W EP 2018055442W WO 2018162461 A1 WO2018162461 A1 WO 2018162461A1
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kinematics
machine
tcp
determining
determined
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PCT/EP2018/055442
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Philip Nagel
Jochen Fassnacht
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Robert Bosch Gmbh
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    • B25J9/16—Programme controls
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45012—Excavator

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for
  • the present invention also relates to a computer program, a machine-readable data carrier for storing the
  • Construction machinery such as excavators, are usually driven purely hydraulically.
  • Assistance systems may also intervene in the control of the hydraulics if e.g. a borderline is exceeded.
  • a borderline is exceeded.
  • excavators there are already prototypes of fully automatic excavators.
  • TCP Tool Center Point
  • the determination of the TCP takes place relative to the position of the machine. eg in relation to a superstructure of an excavator, as well as absolutely in relation to the spatial working range of the machine.
  • Working area is usually determined by a GPS-based measuring system.
  • the position of the TCP is still to be determined relative to a GPS reference point arranged on the superstructure.
  • various approaches such as the calculation of the TCP on the basis of the kinematics of a named Ularms and / or on the basis of
  • Hydraulic cylinders of the working arm installed displacement sensors, on
  • Arm joints arranged angle sensors or arranged on parts of the working arm inertial sensors can be done.
  • the inertial sensors and rotary encoders mentioned in the prior art are used.
  • the position determination by means of inertial sensors, in particular during rotations of the superstructure is usually still relatively inaccurate. Due to sensor errors,
  • a named GPS sensor on the TCP is due to occurring
  • Shadowing of the sensor e.g. during operation of the machine In a deep trench, not reliable use.
  • Other approaches like that
  • Determining the distance of the TCP to the superstructure by means of ultrasound, laser or camera-based distance measurements is also ruled out, since these also do not work when digging under water, in deep holes or behind sheet piling, as there is no visual contact between the superstructure and the TCP.
  • Optical measuring systems are usually also problematic in rain, dust and fog. So there are currently no high-precision TCP acquisition methods with inertial sensors, which in all possible Elnsatzberelchen a machine affected here work precisely and reliably.
  • the invention is based on the tdee, by means of an array of sensors and a suitable combination accordingly detected
  • additional signals e.g. Pressure values of individual hydraulic cylinders and / or travel speeds of the machine and / or rotational speeds of a named
  • the invention proposes a method and a device or
  • Sensor arrangement for the direct measurement of the TCP in relation to a superstructure or the like of a machine concerned here, in particular merging provided by an indirect, reliable measurement method as well as with a direct measurement method position data is provided.
  • This provides a significant improvement in the accuracy of TCP discovery.
  • the method comprises, in particular, a less accurate fallback level compared with the aforementioned, reliable measuring method, which is provided, for example, by means of inertial sensors. This fallback level becomes work or operational situations of the machine
  • Machine area is arranged peripherally, and it comes to Radioactive material.
  • the position of the kinematics is determined on the basis of a direct signal-technical measuring method carried out by the machine area carrying out the position determination, that the position of the kinematics in operational situations of the
  • Machine in which no signaling connection is possible is determined by an indirect measurement method, based on the direct
  • Position data for determining the position of the kinematics are evaluated together.
  • the TCP determination can be detected by means of arm parts of a machine concerned here or the cylinder position
  • Inertialsensoren done The corresponding accuracy can be increased via a comparison between a TCP calculated with an inverse kinematics and a TCP measured directly from, for example, an excavator superstructure. Since these measurement methods require a direct line of sight between the respective sensor on the superstructure and the TCP, they are not permanently usable. In tent spaces where direct measurement is not available Therefore, the TCP is calculated using a model of the kinematics and the data provided by the initial sensors.
  • Position data of arm elements the instantaneous mechanical load on the arm or on the arm elements is calculated. If, during an instant visual contact between the respective sensor on the superstructure and the TCP, an alignment between the e.g. Performed by Peifsender detected actual position and the above inertial sensors and / or modeled on arranged on hydraulic cylinders pressure sensors position, thereby the quality of the modeling can be significantly improved. As a result, higher position accuracies are possible, even if there is no visual contact. It should be noted that in cylinder-type, hydraulic systems, said cylinder pressure data are usually already used as measured values for
  • the indirect measuring method can be carried out by means of sensors arranged on the kinematics, which can be realized by at least one inertial sensor arranged on the kinematics, linear position sensors on a linear axis and / or an angular position sensor.
  • the data obtained in the indirect measurement method can be evaluated on the basis of a model calculation, whereby an estimated value of the position of the kinematics determined using the model calculation is compared with a directly measured position value and a kinematic model used in the model calculation on the basis of a comparison
  • Differential value of the position of the kinematics can be adjusted or optimized.
  • mechanical loads of the kinematics or parts of the kinematics occurring during operation of the machine can also be taken into account.
  • the direct measuring method can be performed by means of at least one high-frequency signal transmitter or signal receiver and / or by means of at least one optical camera and / or by means of at least one laser rangefinder and / or by means of at least one ultrasonic sensor.
  • the device comprises a signal technology for direct detection of the position of the kinematics, a sensor technology for the indirect determination of the position of the kinematics as well as computing means for the common evaluation of the directly detected and indirectly determined position data.
  • Kinematics can be done by means of at least one high-frequency signal transmitter or signal receiver and / or by means of at least one optical camera undroder means of at least one laser rangefinder and / or by means of at least one ultrasonic sensor.
  • the indirect determination of the position of the kinematics can be done by means of at least one arranged on the kinematics hydraulic pressure transducer and / or at least one hydraulic
  • the said fallback level also allows an improved measurement accuracy even when no direct visual contact between a named superstructure and the TCP is present.
  • the invention may be applied to a mobile construction machine, e.g. a shovel or construction / loading crane are used. It should be noted that the determination of the TCP is the basis of almost every
  • the computer program is set up to perform each step of the method, in particular if it runs on a computing device or a control unit. It allows the implementation of the method an electronic control unit, without having to make any structural changes.
  • the machine-readable data carrier for this purpose, the machine-readable data carrier
  • the computer program is stored.
  • the electronic control unit is obtained, which is set up to control a machine affected here by means of the method.
  • FIG. 2a shows a representation corresponding to FIG. 1 of an excavator equipped for determining the TCP according to the invention on an uppercarriage with three fixedly arranged Pellsendern.
  • FIG. 2b schematically shows an evaluation according to the invention of signals transmitted in direction finders shown in FIG. 2a.
  • FIG. 3 shows a representation corresponding to the previous figures
  • FIG. 4 shows a representation of an excavator corresponding to the previous figures with a laser-based distance measurement provided according to the invention for determining the TCP.
  • 5 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention or a corresponding logic or circuit arrangement for determining the TCP, specifically with reference to a flowchart.
  • Fig. 1 shows schematically a lateral section through a shovel to illustrate possible causes of inaccuracies in the determination of a said TCP ("Tool Center Point") by means of arranged on parts of an excavator arm displacement sensors hydraulic cylinders.
  • the shovel includes a undercarriage 100 and one on the
  • the first articulated arm 110 is pivotally mounted on the upper carriage 105 via a first connecting piece 130 and in turn is pivotally connected to the second articulated arm 115 via a second connecting piece 135. Accordingly, the third articulated arm 120 and the blade 125 are pivotally connected via respective connecting pieces 137, 138.
  • the articulated arms 110, 115, 120 are not completely torsionally rigid and the connecting pieces 130, 135, 137, 138 have
  • the articulated arms 110, 115, 120 and the blade 125 are hydraulically operated by means of hydraulic cylinders 140, 155, 170, 185, wherein it also comes to joint play and thus to further inaccuracies or tolerances in the position determination of the TCP 127 at the joints 145, 150, 160, 165, 175, 180, 190, 195 also.
  • Upper carriage 105 three directional transmitters 230, 235, 240 arranged stationary, by means of which the exact spatial position of the TCP 127 can be determined or determined.
  • inertial sensors 210, 215, 220, 225 are respectively arranged on the articulated arms 110, 115, 120 and the blade 125, by means of which a said fallback level is provided in operating or operating situations of the machine in which a direct measurement of the TCP 127 is made Distance and / or angle measurements are not possible
  • the exact momentary position of the superstructure 105 can be determined by means of a customary GPS receiver 205.
  • the beacon transmitters 230, 235, 240 send to defined tents synchronized high-frequency pulses 232, 237, 242 of the same frequency and duration, which are received and evaluated by a TCP 127 arranged (DF) receiver 245. Based on the time of reception, i. the relative
  • the receiver 245 assigns the pulses to the three direction finders 230, 235, 240.
  • different pulse frequencies or information modulated onto a carrier signal can also be used in order to distinguish the signals 232, 237, 242 of the three pellet transmitters 230, 235, 240.
  • Peilsendern can be arranged for example on the TCP 127 evaluation circuit or logic, the relative position of the TCP 127 to the Pellsend 230, 235, 240 and thus relative to the superstructure 105 determine.
  • all three transmitters transmit high-frequency pulses which can be unambiguously identified via the pulse frequency, pulse length or modulation or which are recognizable as coming from the direction-finding transmitter 230, 235, 240.
  • the waveform shown schematically in Fig. 2b measures the
  • Receivers 245 the differences in the arrival times of the three pulses 232, 237, 242 characterized in that the arrival 238 of the first pulse, in this case of the next to the receiver 245 emitted pulse 237, a high-precision
  • the counter reading of the counter is read out on arrival 243 of the second pulse 242 and on arrival 233 of the third pulse 232. After the arrival of the third pulse 232, the counter is reset and waits for the re-arrival 233, 238, 243 of a said Pulstrippeis 232, 237, 242.
  • the evaluation circuit precisely knows the expected time delay in the transmission between the individual transmission ends 230, 235, 240.
  • the mentioned differences in arrival times are preferably evaluated as follows:
  • the TCP 127 shown near the receiver 245 shown in FIG. 2a is located over half the distance between the beacons 230 and 235, i.e., at the same time. above the upper dashed line 250. If the first signal comes from the beacon 235, then the TCP 127 is below half the distance between the beacon 230 and 235 and above half the distance between the beaten transmitter 235 and 240, i.
  • the TCP 127 is below half the distance between the beacon 235 and 240, i. below the lower dashed line 255.
  • the exact position can be determined in a manner known per se by means of trigonometric functions, namely on the basis of the detected time differences between the individual direction finding signals. If only two Pellsignale are received, then a transmitter is shaded or defective and it can not be made an exact position determination of the TCP 127.
  • a further advantage of the described radio-technical approach is that 5 highly synchronized clocks between the TCP 127 and the Peilsendern 230, 235, 240 are needed and that the TCP sensor requires only a relatively simple evaluation circuit, which communicates via antennas with the environment , can be used. Also conceivable is a wired
  • the position of the TCP 127 is directly transmitted via an optical distance measurement of the TCP 127 to the superstructure 105, e.g. via a camera 325 shown in FIG. 3 with a viewing area 327.
  • the TCP 127 must be reliably detected on the camera image, which requires a unique identification of the same. This can be done via recognizable markers, e.g. via on the TCP 127 arranged scan codes, balls or the like, take place.
  • the TCP marker can be detected and the distance between the camera or superstructure 105 and TCP 127 are calculated.
  • the exact position of the superstructure 105 can in turn be determined by means of a GPS receiver 305 arranged above the superstructure 105.
  • Reference numerals 308, 310, 315, 320 denote a named inertial sensor system arranged on the excavator arm shown.
  • An advantage of this embodiment is that the camera 325 can also be used for other additional functions, e.g.
  • a disadvantage, however, is that this procedure works reliably only with "good visibility" from the camera 325 to the TCP 300. In addition, in the dark is a sufficient
  • Lighting is necessary and dust or dirt of a named marker can lead to failures. Without direct visual contact, e.g. if the TCP 127 is under water, in deep pits or behind
  • Sheet pile walls, or in rain or fog, this approach also does not work or requires, for. in low-lying work areas or deep
  • a laser rangefinder 430 In a third embodiment shown in Fig. 4 for a direct measurement of the TCP 127 is a laser rangefinder 430 or a
  • the TCP 127 must be recognized exactly what, for example.
  • a reflector arranged on the TCP 127 (not shown here) requires such a reflector is susceptible to contamination, so that this embodiment only works limited in dust or heavy fog.
  • the TCP 127 is recorded using the TC P geometry, which requires some evaluation effort and / or a spatially better resolution ultrasonic sensor array.
  • the exact position of the upper carriage 105 can be determined by means of a GPS receiver 405.
  • Reference numerals 410, 415, 420, 425 again denote a named inertial sensor.
  • a particular aspect of the method according to the invention is the said combination or fusion of sensor signals of
  • Inertlaisensoren 210, 215, 220, 225 and the detected by direct measurement of the TCP 127 position data This is fm following using a in Fig. 5 shown embodiment of the method according to the invention or a corresponding logic or circuit arrangement described.
  • the position of individual arm elements or their angles is calculated based on data 500 by means of a calculation algorithm or a corresponding kinematic model 505.
  • the data 500 are recorded with said inertial sensors 210, 215, 220, 225 and / or baselines on one Rate of rotation of the superstructure 105.
  • the calculation of the known per se value of the gravitational acceleration is included in the calculation. In the calculation, an estimate of the assumed angle 507 relative to the ground is given
  • the cylinder position or the cylinder length can be used as the basis for a corresponding kinematic model.
  • the focus in merging 515 of said data is primarily on the correction of position errors resulting from deviations of the kinematic model from the real working arm.
  • Reasons for this are e.g. Losse tolerances in the said arm joints and / or load-related bending of said arm parts and / or dynamic errors of said inertial sensors 210, 215, 220, 225.
  • Such bends may e.g. due to superimposed movements in different axes resulting from the rotation of the uppercarriage or from the movement of the machine. These deviations increase with the superimposed speed and take on a new stoppage of
  • the TCP 127 must always be precisely determinable even with dynamic movements and any loads acting on the arm. Therefore, the estimated value 520 of the TCP 127 resulting from the calculation 505 is compared with a directly measured TCP value 530 at a node 525, and the resulting inference value 535 is returned to the parameter and map estimator 510 to obtain the kinematic model 505 on the merger 515 corresponding correction maps or correction values by appropriate teaching to improve or optimize.
  • the model used in the TCP determination can be based on the
  • Deviation be corrected.
  • a dynamic deviation between actual TCP 127 and TCP value calculated on the basis of the kinematic model can be determined at different speeds of the superstructure and different arm positions, and the deviations can thus be corrected dynamically depending on the measured superstructure movement and arm position.
  • the mentioned deviations can be determined by self-learning algorithms,
  • Machines are advantageously determined, e.g. an excavator performs similar movements very often repetitive and the factors are therefore known. As a result, a fast learning is possible with a possible or feasible direct TCP determination. If the subsequent TCP measurement or regulation on the TCP 127 is no longer possible during later work under water or behind sheet pile walls, then a correspondingly improved model can be used.
  • the method described can be implemented in the form of a control program for an electronic control unit for controlling a machine affected here or in the form of one or more corresponding electronic control units (ECUs).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung einer Kinematik (110, 115, 120) einer bevorzugt hydraulischen Maschine, wobei die Kinematik (110, 115, 120) gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) peripher angeordnet ist, und wobei es zu Betriebssituationen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik (110, 115, 120) und dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) keine signaltechnische Verbindung möglich ist, und wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) anhand eines von dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) durchgeführten direkten signaltechnischen Messverfahrens (230, 235, 240, 245) ermittelt wird, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) in Betriebssituationen der Maschine, in denen keine signaltechnische Verbindung möglich ist, anhand eines indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelt wird, wobei anhand des direkten Messverfahrens (230, 235, 240, 245) und anhand des indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelte Positionsdaten zur Positionsbestimmung der Kinematik (110, 115, 120) gemeinsam ausgewertet werden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung von Kinematiken
insbesondere mobiler Arbeitsmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Positionsbestimmung von Kinematiken von Arbeitsmaschinen, Insbesondere von Kinematiken mobiler Arbeitsmaschinen, gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm, ein maschinenlesbarer Datenträger zur Speicherung des
Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Hier betroffene Kinematiken mobiler Maschinen, z.B. Arbeitsarme von
Baumaschinen wie Baggern, werden meist rein hydraulisch angesteuert.
Allerdings wird die Hydraulik bei Baumaschinen und speziell bei Baggern zunehmend elekronifizlert, z.B. um Assistenzsysteme bereitzustellen, mittels derer ein Maschinen- bzw. Fahrzeugführer z.B. auf einem Monitor angezeigt bekommt, wie er präzise zu baggern hat. Dabei werden Linien oder Konturen vorgegeben, welche nicht überschritten werden dürfen. Fortgeschrittene
Assistenzsysteme können auch in die Steuerung der Hydraulik eingreifen, falls z.B. eine Grenzlinie überschritten wird. Neben entsprechend teilautomatisierten Baggern gibt es bereits Prototypen von vollautomatisch arbeitenden Baggern.
Eine Grundlage bei der Implementierung genannter Funktionen ist die
Möglichkeit, den Zustand einer genannten Kinematik, im speziellen eines sogenannten„Tool Center Point" (TCP), welcher einen Referenzpunkt für ein z.B. an einem Baggerarm angeordnetes Werkzeug dient, möglichst präzise bestimmen zu können. Die Bestimmung des TCP erfolgt dabei relativ zur Position der Maschine. z.B. in Bezug auf einen Oberwagen eines Baggers, sowie absolut in Bezug auf den räumlichen Arbeltsbereich der Maschine. Die Position eines genannten Oberwagens der Maschine in Bezug auf den
Arbeitsbereich wird meist über ein GPS-basiertes Messsystem ermittelt. Zur Bestimmung des TCP ist daher noch die Position des TCP relativ zu einem an dem Oberwagen angeordneten GPS- Referenzpunkt zu ermitteln. Hierzu gibt es bekanntermaßen verschiedene Ansätze, wie die Berechnung des TCP anhand der Kinematik eines genannten Arbeitsarms und/oder anhand von an
hydraulischen Zylindern des Arbeitsarms verbauten Wegsensoren, an
Armgelenken angeordneten Winkelsensoren oder an Teilen des Arbeitsarms angeordneten Inertialsensoren erfolgen kann. Zur Bestimmung des TCP selbst werden im Stand der Technik insbesondere genannte Inertialsensoren und Drehwinkelgeber eingesetzt. Allerdings ist die Positionsbestimmung mittels Inertialsensoren insbesondere bei Drehungen des Oberwagens meist noch relativ ungenau. Aufgrund von Sensorfehlem,
Messrauschen, losabhängigem Gelenkspiel In den Armgelenken und möglichen Verwlndungen von Armteilen bei sich ändernden Lasten erreicht dieses System nur eine begrenzte Genauigkeit. Dabei werden mögliche Verwlndungen des Oberwagens meist nicht berücksichtigt, da diese In Relation zur Armverwindung als zu gering angesehen werden. Zudem steigt diese Ungenauigkeit mit der Zeit aufgrund von Verschleiß, z.B. über das Einlaufen von Lagerbolzen.
Ein genannter GPS-Sensor an dem TCP ist aufgrund von auftretender
Abschattung des Sensors, z.B. beim Betrieb der Maschine In einem tiefen Graben, nicht zuverlässig einsetzbar. Andere Ansätze wie die
Abstandsbestimmung des TCP zum Oberwagen mittels Ultraschall, Laser oder kamerabasierten Abstandsmessungen scheiden ebenfalls aus, da auch diese z.B. beim Baggern unter Wasser, In tiefen Löchern oder hinter Spundwänden nicht funktionieren, da kein Sichtkontakt mehr zwischen Oberwagen und TCP besteht. Auch optische Messsysteme sind bei Regen, Staub und Nebel meist ebenfalls problematisch. So gibt es derzeit keine hochgenauen TCP- Erfassungsmethoden mit Inertialsensoren, welche in allen möglichen Elnsatzberelchen einer hier betroffenen Maschine präzise und zuverlässig funktionieren.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die tdee zugrunde, mittels einer Anordnung von Sensoren sowie einer geeigneten Zusammenführung entsprechend erfasster
Sensorsignale die Position einer hier betroffenen Kinematik einer Maschine, insbesondere einen genannten TCP, möglichst genau zu bestimmen. Dadurch werden vorteilhaft genannte Assistenz- und/oder Automatisierungsfunktionen ermöglicht. Falls es hierbei aufgrund von nicht änderbaren Randbedingungen zu einer Verringerung der Genauigkeit der TCP-Position in bestimmten
Arbeitssituationen kommt, so Ist dies zum einen einem Maschinenführer mitzuteilen. Andererseits muss die Maschine weiterhin benutzbar sein, wobei insbesondere auch erforderliche Sicherheitsfunktionen, welche z.B. den
Arbeitsbereich der Maschine begrenzen können, bereitgestellt werden müssen.
Die an sich bekannten Ansätze, bei welchen der TCP anhand der Lage von Kinematik-Elementen über z.B. Inertialsensoren bestimmt werden, sind oftmals ungenau und es besteht keine Möglichkeit, die Genauigkeit mit angemessenem
Aufwand zu erhöhen. So kann die Genauigkeit nur anhand von aufwändigen Modellberechnungen, die zudem vor ihrer Anwendung mit tatsächlich
vorliegenden Positionsdaten abgeglichen werden müssen, erhöht werden. Dabei sind zusätzliche Signale, z.B. Druckwerte einzelner Hydraulikzylinder und/oder Fahrgeschwindigkeiten der Maschine und/oder Drehzahlen eines genannten
Oberwagens, zu erfassen und auszuwerten. Ein solcher Ansatz ist daher mit erheblichen Kosten verbunden und bedarf zudem einer genauen Anpassung eines zugrunde liegenden Modells bzw. entsprechender Modellparameter an die jeweilige Maschine.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bzw.
Sensoranordnung zur direkten Messung des TCP in Bezug auf einen Oberwagen oder dergleichen einer hier betroffenen Maschine vor, wobei insbesondere Zusammenführung von mit einer indirekten, zuverlässigen Messmethode sowie mit einer direkten Messmethode erfassten Positionsdaten vorgesehen ist. Dadurch wird eine erhebliche Verbesserung der Genauigkeit bei der TCP- Ermittlung ermöglicht. Das Verfahren umfasst zudem insbesondere eine gegenüber der genannten, zuverlässigen Messmethode weniger genaue Rückfallebene, welche z.B. mittels Inertialsensoren bereitgestellt wird. Diese Rückfallebene wird in Arbeits- bzw. Betriebssituationen der Maschine
bereitgestellt, in denen genannte Sensoren zur direkten Messung des TCP anhand von AbStands- und/oder Winkelmessungen In Bezug auf den Oberwagen oder dergleichen nicht funktionieren. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Positionsbestimmung einer hier betroffenen Kinematik einer Maschine, insbesondere einer hydraulischen Maschine oder einer mobilen hydraulischen Arbeitsmaschine, wobei die
Kinematik gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden
Maschinenbereich peripher angeordnet ist, und wobei es zu Betriebssituatronen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik und dem die
Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich keine signaltechnische Verbindung möglich ist, ist insbesondere vorgesehen, dass die Position der Kinematik anhand eines von dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich durchgeführten direkten signaltechnischen Messverfahrens ermittelt wird, dass die Position der Kinematik in Betriebssituationen der
Maschine, in denen keine signaltechnische Verbindung möglich ist, anhand eines indirekten Messverfahrens ermittelt wird, wobei anhand des direkten
Messverfahrens und anhand des indirekten Messverfahrens ermittelte
Positionsdaten zur Positionsbestimmung der Kinematik gemeinsam ausgewertet werden.
Als genannte Rückfallebene kann die TCP-Bestimmung mittels an Armteilen einer hier betroffenen Maschine oder die Zylinderlage erfassenden
Inertialsensoren erfolgen. Die entsprechende Genauigkeit kann über einen Abgleich zwischen einem mit einer inversen Kinematik berechneten TCP und einem direkt von z.B. einem Baggeroberwagen aus gemessenen TCP erhöht werden. Da diese Messverfahren eine direkte Sichtlinie zwischen dem jeweiligen Sensor auf dem Oberwagen und dem TCP erfordern, sind sie nicht permanent einsetzbar. In Zelträumen, in denen eine direkte Messung nicht verfügbar Ist, wird der TCP daher anhand eines Modells der Kinematik und den von den Initialsensoren gelieferten Daten berechnet.
Auch kann vorgesehen sein, dass anhand von mit Drucksensoren und/oder mit genannten Inertlal- oder Zylinderpositionssensoren erfassten„groben"
Positionsdaten von Armelementen die momentane mechanische Belastung auf den Arm bzw. auf die Armelemente berechnet wird. Wird nun während eines vorliegenden Sichtkontakts zwischen dem jeweiligen Sensor auf dem Oberwagen und dem TCP ein Abgleich zwischen der z.B. über Peifsender erfassten tatsächlichen Position und den Ober genannte Inertialsensoren und/oder über an hydraulischen Zylindern angeordnete Drucksensoren modellierten Position durchgeführt, kann dadurch die Güte der Modellierung erheblich verbessert werden. Dadurch sind höhere Positionsgenauigkeiten möglich, auch wenn kein Sichtkontakt besteht Es ist anzumerken, dass genannte Zylinderdruckdaten bei elektronifizierten, hydraulischen Systemen meist bereits als Messwerte zur
Verfügung stehen.
Das indirekte Messverfahren kann anhand von an der Kinematik angeordneten Sensoren durchgeführt werden, weiche durch wenigstens einen an der Kinematik angeordneten Inertialsensor, Linearpositionsgeber an einer Linearachse und/oder einem Winkelpositionsgeber realisiert werden können. Die bei dem indirekten Messverfahren gewonnenen Daten können auf der Grundlage einer Modellrechnung ausgewertet werden, wobei ein anhand der Modellrechnung ermittelter Schätzwert der Position der Kinematik mit einem direkt gemessenen Positionswert verglichen wird und ein bei der Modellrechnung zugrunde gelegtes kinematisches Modell anhand eines sich bei dem Vergleich ergebenden
Differenzwertes der Position der Kinematik angepasst bzw. optimiert werden kann. Bei der Modellrechnung können zudem im Betrieb der Maschine auftretende, mechanische Belastungen der Kinematik bzw. von Teilen der Kinematik berücksichtigt werden.
Das direkte Messverfahren kann mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers bzw. Signalempfängers und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera und/oder mittels wenigstens eines Laserentfernungsmessers und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors durchgeführt werden. Die Vorrichtung umfasst eine Signaltechnik zur direkten Erfassung der Position der Kinematik, eine Sensortechnik zur indirekten Ermittlung der Position der Kinematik sowie Rechenmittel zur gemeinsamen Auswertung der direkt erfassten und Indirekt ermittelten Positionsdaten. Die direkte Erfassung der Position der
Kinematik kann mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers bzw. Signalempfängers und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera undroder mittels wenigstens eines Laserentfernungsmessers und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors erfolgen. Die indirekte Ermittlung der Position der Kinematik kann mittels wenigstens eines an der Kinematik angeordneten hydraulischen Druckgebers und/oder wenigstens eines hydraulischen
Unearpositlonsgebers und/oder wenigstens eines hydraulischen
Winkelpositionsgebers und/oder wenigstens eines Inertialsensors
(Beschleunigungssensor und/oder Gyrometer) erfolgen.
Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft die Erhöhung der Genauigkeit und
Zuverlässigkeit bei der Positionsbestimmung von Kinematiken bevorzugt mobiler Arbeitsmaschinen, insbesondere bei der TCP-Bestimmung dort angeordneter Werkzeuge. Die genannte Rückfallebene ermöglicht eine ebenfalls verbesserte Messgenauigkeit auch bei Nichtvorllegen eines direkten Sichtkontakts zwischen einem genannten Oberwagen und dem TCP.
Die Erfindung kann insbesondere bei bzw. in einer mobilen Baumaschine, z.B. einem Schaufelbagger oder Bau-/Ladekran zum Einsatz kommen. Es ist anzumerken, dass die Bestimmung des TCP die Grundlage nahezu jedes
Assistenzsystems für Maschinen mit Manipulator- Kinematik, z.B. für Bagger, Telehandler, Forstmaschinen, Baukräne oder LKW-Ladekrane, darstellt. Zudem ermöglicht die genaue Kenntnis des TCP eine präzise Begrenzung des
Arbeitsbereichs der Maschine sowie ein genaues Protokollieren des
Baufortschritts insbesondere bei einem automatischen bzw. teilautomatischen
Betrieb der Maschine.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, Insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger
vorgesehen, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine hier betroffene Maschine mittels des Verfahrens zu steuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt am Beispiel eines schematisch dargestellten Schaufelbaggers mögliche Ursachen für Ungenauigkeiten bei einer gemäß dem Stand der Technik erfolgenden Bestimmung eines genannten TCP.
Fig. 2a zeigt eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines zur Bestimmung des TCP erfindungsgemäß an einem Oberwagen mit drei ortsfest angeordneten Pellsendern ausgestatteten Baggers.
Fig. 2b zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Auswertung von in Fig. 2a gezeigten Peilsendern ausgesendeten Signalen.
Fig. 3 zeigt eine den vorherigen Figuren entsprechende Darstellung eines
Baggers mit einer zur Bestimmung des TCP erfindungsgemäß an dem Oberwagen ortsfest angeordneten Kamera.
Fig. 4 zeigt eine den vorherigen Figuren entsprechende Darstellung eines Baggers mit einer zur Bestimmung des TCP erfindungsgemäß vorgesehenen, laserbasierten Abstandsmessung. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungagemäßen Verfahrens bzw. einer entsprechenden Logik bzw. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des TCP, und zwar anhand eines Flussdiagramms.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Fig. 1 zeigt schematisch einen seitlichen Schnitt durch einen Schaufelbagger zur Illustration möglicher Ursachen für Ungenauigkeiten bei der Bestimmung eines genannten TCP („Tool Center Point") mittels von an Teilen eines Baggerarms angeordneten Wegsensoren hydraulischer Zylinder.
Der Schaufelbagger umfasst einen Unterwagen 100 sowie einen an dem
Unterwagen 100 über eine Drehverbindung 103 drehbar gelagerten Oberwagen 105. An dem Oberwagen 105 ist der Baggerarm angeordnet, und zwar mit einem ersten Gelenkarm 110, einem daran angeordneten zweiten Gelenkarm 115 sowie einen wiederum daran angeordneten dritten Geienkarm 120. An dem dritten Gelenkarm 120 befindet sich eine Schaufel 125, in deren oberen Bereich der TCP 127 angeordnet ist. Der erste Gelenkarm 110 ist über ein erstes Verbindungsstück 130 schwenkbar an dem Oberwagen 105 angeordnet und über ein zweites Verbindungsstück 135 wiederum mit dem zweiten Gelenkarm 115 schwenkbar verbunden. Entsprechend sind der dritte Gelenkarm 120 sowie die Schaufel 125 über entsprechende Verbindungsstücke 137, 138 schwenkbar verbunden.
Im Betrieb des Schaufelbaggers sind die Gelenkarme 110, 115, 120 nicht völlig verwindungssteif und die Verbindungsstücke 130, 135, 137, 138 weisen
Gelenkspiel auf, so dass es zu nicht vorhersehbaren Ungenauigkeiten bzw. Toleranzen bei der Position der Schaufel 125 und insbesondere des TCP 127 kommt Zudem werden die Gelenkarme 110, 115, 120 sowie die Schaufel 125 hydraulisch mittels Hydraulikzylindern 140, 155, 170, 185 betrieben, wobei es an deren Verbindungstücken 145, 150, 160, 165, 175, 180, 190, 195 ebenfalls zu Gelenkspiel und damit zu weiteren Ungenauigkeiten bzw. Toleranzen bei der Positionsbestimmung des TCP 127 kommt. lm Folgenden werden zunächst einige Ausführungsbeispiele einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, mit denen die relative Position des TCP 127 in Bezug auf einen Oberwagen 105 eines In Fig. 1 gezeigten
Schaufelbaggers direkt gemessen werden kann.
Bei dem In Flg. 2a gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind an dem
Oberwagen 105 drei Peilsender 230, 235, 240 ortsfest angeordnet, anhand derer die genaue räumliche Position des TCP 127 ermittelt bzw. bestimmt werden kann. Zudem sind an den Gelenkarmen 110, 115, 120 sowie der Schaufel 125 jeweils lnertialsensoren 210, 215, 220, 225 angeordnet, mittels derer eine genannte Rückfallebene in Arbeits- bzw. Betriebssituationen der Maschine bereitgestellt wird, in denen eine direkte Messung des TCP 127 anhand von Abstands- und/oder Winkelmessungen nicht möglich ist Die genaue, momentane Position des Oberwagens 105 kann mittels eines üblichen GPS- Empfängers 205 ermittelt werden.
Die Peilsender 230, 235, 240 senden zu definierten Zelten synchronisiert hochfrequente Pulse 232, 237, 242 gleicher Frequenz und Dauer aus, welche von einem am TCP 127 angeordneten (Peil-) Empfänger 245 empfangen und ausgewertet werden. Anhand des Empfangszeitpunkts, d.h. der relativen
Zeitdauer 233, 238, 243 zwischen dem Eintreffen der drei Pulse 232, 237, 242 am Empfänger 245, ordnet der Empfänger 245 die Pulse den drei Peilsendern 230, 235, 240 zu. Alternativ dazu können auch verschiedene Pulsfrequenzen oder auf ein Trägersignal aufmodulierte Informationen verwendet werden, um die Signale 232, 237, 242 der drei Pellsender 230, 235, 240 unterscheiden zu können.
Anhand der Empfangszeitpunkte der eintreffenden drei Pellsendersignale und anhand des an sich bekannten ortsfesten Abstandes zwischen den drei
Peilsendern kann eine z.B. an dem TCP 127 angeordnete Auswerteschaltung bzw. -logik die relative Lage des TCP 127 zu den Pellsendem 230, 235, 240 und somit relativ zum Oberwagen 105 bestimmen. Es werden gleichzeitig von allen drei Sendern hochfrequente Pulse, welche über die Pulsfrequenz, Pulslänge oder Modulation eindeutig identifizierbar bzw. als von dem Peilsender 230, 235, 240 kommend erkennbar sind, ausgesendet. Gemäß dem in Fig. 2b schematisch gezeigten Signalverlauf misst der
Peilempfänger 245 die Unterschiede in den Ankunftszeiten der drei Pulse 232, 237, 242 dadurch, dass beim Eintreffen 238 des ersten Pulses, vorliegend des am nächsten zum Empfänger 245 ausgesandten Pulses 237, ein hochpräziser
Zähler gestartet wird. Der Zählerstand des Zählers wird beim Eintreffen 243 des zweiten Pulses 242 und beim Eintreffen 233 des dritten Pulses 232 ausgelesen. Nach dem Eintreffen des dritten Pulses 232 wird der Zähler zurückgesetzt und wartet auf die das erneute Eintreffen 233, 238, 243 eines genannten Pulstrippeis 232, 237, 242. Für die Auswertung der empfangenen Signale ist es wichtig, dass die drei Sender 230, 235, 240 ihre jeweiligen Pulse (zeitlich) synchron absenden und dass die genannte Auswerteschaltung die zu erwartende Zeitverzögerung In der Aussendung zwischen den einzelnen Peilsendem 230, 235, 240 präzise kennt. Die genannten Unterschiede in den Ankunftszeiten werden bevorzugt folgendermaßen ausgewertet:
Unter der Annahme, dass das erste am Empfänger 245 eintreffende 233 Signal 232 vom Peilsender 230 kommt, befindet sich der nahe am Empfänger 245 angeordnete, in Fig. 2a gezeigte TCP 127 über der halben Distanz zwischen den Peilsendern 230 und 235, d.h. oberhalb der oberen gestrichelten Linie 250. Falls das erste Signal vom Peilsender 235 kommt, so befindet sich der TCP 127 unterhalb der halben Distanz zwischen dem Peilsender 230 und 235 und oberhalb der halben Distanz zwischen dem Pellsender 235 und 240, d.h.
zwischen den beiden gestrichelten Linien 250 und 255. Falls das Signal von Peilsender 240 zuerst ankommt, so befindet sich der TCP 127 unterhalb der halben Distanz zwischen dem Peilsender 235 und 240, d.h. unterhalb der unteren gestrichelten Linie 255.
Die genaue Position kann in an sich bekannter Weise mittels trigonometrischer Funktionen, und zwar anhand der erfassten Zeitunterschiede zwischen den einzelnen Peilsignalen, ermittelt werden. Falls nur zwei Pellsignale empfangen werden, so ist ein Sender abgeschattet oder defekt und es kann keine exakte Positionsbestimmung des TCP 127 vorgenommen werden. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen, funktechnischen Ansatzes liegt darin, das5 keine hochgenau synchronisierten Uhren zwischen dem TCP 127 und den Peilsendern 230, 235, 240 benötigt werden und dass der TCP-Sensor nur eine relativ einfache Auswerteschaltung erfordert, welche über Antennen mit der Umgebung kommuniziert, einsetzbar Ist. Denkbar ist auch eine kabelgebundene
Variante oder ein funktechnischer Ansatz mit einer elektrischen Versorgung durch sogenanntes„Energle-Harvestlng", z.B. anhand von Vlbrationen, wodurch eine Verkabelung vermieden werden kann. Die genannten Antennen können in einem Plastikgehäuse oder auf einem Deckel eines Metallgehäuses mit Plastik vergossen werden, womit eine sehr robuste und hermetisch dichte Schaltung ohne Steckkontakte nach außen möglich ist. Dies ist vorteilhaft, da der Bereich des TCP 127 im Außeneinsatz des Baggers bzw. der Maschine härtesten Rüttelbzw. Schüttelbelastungen ausgesetzt ist oder sogar In Wasser eingetaucht wird. In einer gegenüber Fig. 2a alternativen Ausgestaltung mittels Peilsendern wird nur ein einzelnes Signal von einem an dem TCP 127 angeordneten Sender versendet, welches von drei an dem Oberwagen angeordneten Peilempfängern empfangen wird. Die an den Peilempfängem erfassten Zeitdaten werden, wie beschrieben, ausgewertet. Diese Ausgestaltung erfordert ebenfalls nur eine vereinfachte TCP-Auswerteschaltung, welche nur noch periodisch
(hochfrequente) HF-Pulse aussenden muss. Wichtig ist hier allerdings, dass die drei Peilempfänger zeitlich synchronisiert sind, damit die Laufzeitunterschiede präzise ermittelt werden können. Die Funkverbindung funktioniert auch bei Staub, Nebel und Dunkelheit. Ausnahmen sind die Abschattung durch z.B.
Wasser und Erde.
Gemäß einem in Fig.3 gezeigten, zweiten Ausführungsbeispiel wird die Position des TCP 127 direkt über eine optische Abstandsmessung des TCP 127 zum Oberwagen 105, z.B. über eine in Fig. 3 dargestellte Kamera 325 mit einem Sichtbereich 327, ermittelt. Hierzu muss der TCP 127 auf dem Kamerabild sicher erkannt werden, was eine eindeutige Kennzeichnung desselben erfordert. Dies kann über erkennbare Marker, z.B. über auf dem TCP 127 angeordnete Scan- Codes, Kugeln oder dergleichen, erfolgen. Mit an sich bekannten
Bildverarbeitungsalgorithmen kann der TCP-Marker erkannt und die Distanz zwischen Kamera bzw. Oberwagen 105 und TCP 127 berechnet werden. Die genaue Position des Oberwagens 105 kann wiederum mittels eines oberhalb des Oberwagens 105 angeordneten GPS-Empfängers 305 ermittelt werden. Die Bezugszeichen 308, 310, 315, 320 bezeichnen eine genannte, am gezeigten Baggerarm angeordnete Inertlalsensorik.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Kamera 325 auch für weitere Zusatzfunktionen, z.B. eine Personenerkennung im Arbeitsbereich oder eine„Augmented-Reallty", eingesetzt werden kann. Ein Nachteil Ist allerdings, dass diese Vorgehensweise nur bei„guter Sicht" von der Kamera 325 zum TCP 300 zuverlässig funktioniert. Zudem ist bei Dunkelheit eine ausreichende
Beleuchtung notwendig und bei Verstaubungen oder Verschmutzungen eines genannten Markers kann es zu Ausfällen kommen. Ohne direkten Sichtkontakt, z.B. wenn sich der TCP 127 unter Wasser, in tiefen Gruben oder hinter
Spundwänden befindet, oder bei Regen oder Nebel, funktioniert dieser Ansatz ebenfalls nicht bzw. erfordert z.B. bei tief liegenden Arbeltsbereichen bzw. tiefen
Gräben den Einsatz zusätzlicher Kameras.
Bei einem in Fig. 4 gezeigten, dritten Ausführungsbeispiel für eine direkte Messung des TCP 127 wird ein Laserentfernungsmesser 430 oder ein
Ultraschallsensor eingesetzt Hierbei muss allerdings der TCP 127 genau erkannt werden, was z.B. einen an dem TCP 127 angeordneten (hier nicht gezeigten) Reflektor erfordert Ein solcher Reflektor ist jedoch anfällig gegenüber Verschmutzungen, so dass dieses Ausführungsbeispiel bei Staub oder starkem Nebel nur eingeschränkt funktioniert. Bei Ultraschallsensoren wird der TCP 127 anhand der TC P-Geometrle erfasst, was einigen Auswerteaufwand und/oder ein räumlich besser auflösendes Ultraschallsensor- Array erfordert. Auch hier kann genaue Position des Oberwagens 105 mittels eines GPS-Empfängers 405 ermittelt werden. Die Bezugszeichen 410, 415, 420, 425 bezeichnen wiederum eine genannte Inertialsensortk.
Einen besonderen Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die genannte Zusammenführung bzw. Fusion von Sensorsfgnalen der
Inertlaisensoren 210, 215, 220, 225 und der durch direkte Messung des TCP 127 erfassten Positionsdaten dar. Dies wird fm Folgenden anhand eines in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer entsprechenden Logik bzw. Schaltungsanordnung beschrieben.
Die Position einzelner Armelemente bzw. deren Winkel wird, basierend auf Daten 500, mittels eines Berechnungsalgorithmus' bzw. eines entsprechenden kinematischen Modells berechnet 505, Die Daten 500 werden mit genannten Inertlaisensoren 210, 215, 220, 225 erfasst und/oder basleren auf einer erfassten Drehrate des Oberwagens 105. Zusätzlich geht in die Berechnung der an sich bekannte Wert der Erdbeschleunigung ein. Bei der Berechnung erfolgt eine Schätzung des relativ zum Boden als gegeben angenommenen Winkels 507 der
Armelemente, und zwar In diesem Ausführungsbeispiel anhand eines
selbstlernenden Parameter- und Kennfeldschätzers 510. Alternativ kann dazu auch die Zylinderposition bzw. die Zylinderlänge als Basis für ein entsprechendes kinematisches Modell verwendet werden.
Der Fokus bei der Zusammenführung 515 der genannten Daten liegt primär auf der Korrektur von Positionsfehlern, welche sich aus Abweichungen des kinematischen Modells vom realen Arbeitsarm ergeben. Gründe hierfür sind z.B. losabhängige Toleranzen in den genannten Armgelenken und/oder lastbedingte Verbiegungen von genannten Armteilen und/oder dynamische Fehler von genannten Inertlalsensoren 210, 215, 220, 225. Solche Verbiegungen können z.B. aufgrund von überlagerten Bewegungen in verschiedenen Achsen, welche aus der Drehung des Oberwagen oder aus der Bewegung der Maschine resultieren, hervorgerufen werden. Diese Abweichungen nehmen mit der überlagerten Geschwindigkeit zu und nehmen bei einem erneuten Stillstand der
Maschine wieder ab. Falls der Oberwagen relativ zum Unterwagen eines angenommenen Baggers bewegt wird, kann dies zu einer Abweichung zwischen dem tatsächlichen TCP 127 und dem über das kinematische Modell berechneten TCP führen, weiche sich bei Abklingen der überlagerten Bewegung ebenfalls wieder verringert. Im Einsatz der Maschine muss der TCP 127 auch bei dynamischen Bewegungen und beliebigen, auf den Arm wirkenden Lasten Immer präzise bestimmbar sein. Daher wird der bei der Berechnung 505 sich ergebende Schätzwert 520 des TCP 127 mit einem direkt gemessenen TCP-Wert 530 an einem Verknüpfungspunkt 525 verglichen und der sich ergebende Dffferenzwert 535 wieder dem Parameter- und Kennfeldschätzer 510 zugeführt, um das kinematische Modell 505 über die Zusammenführung 515 entsprechender Korrekturkennfelder bzw. Korrekturwerte durch entsprechendes Einlernen zu verbessern bzw. zu optimieren. Das bei der TCP-Bestimmung zugrunde gelegte Modell kann, basierend auf den
Messwerten der Inertialsensoren 210, 215, 220, 225, sowie der an sich bekannten Zylinderdrücke sowie der gemessenen Bewegung des Oberwagens, durch einen Vergleich von auf verschiedenen Arten ermittelten TCP-Werten, mit genannten entsprechend lernenden Algorithmen weiter verbessert werden. Falls die Abweichung zwischen dem mittels der Inertialsensoren 210, 215, 220, 225 berechneten kinematischen Modell und der tatsächlichen Position des TCP 127 bei bestimmten Drücken bzw. Armkräften bekannt ist, dann kann diese
Abweichung korrigiert werden. Ebenso kann eine dynamische Abweichung zwischen tatsächlichem TCP 127 und anhand des kinematischen Modells berechnetem TCP-Wert bei verschiedenen Geschwindigkeiten des Oberwagens und verschiedenen Armpositionen bestimmt werden und die Abweichungen somit dynamisch in Abhängigkeit der gemessenen Oberwagenbewegung und Armposition korrigiert werden. Die genannten Abweichungen können mittels selbstlernender Algorithmen,
Kennfelder oder Berechnungsvorschriften deshalb bei hier betroffenen
Maschinen vorteilhaft ermittelt werden, da z.B. ein Bagger ähnliche Bewegungen sehr häufig wiederholend ausführt und die Einflussgrößen daher bekannt sind. Dadurch ist bei einer möglichen bzw. durchführbaren direkten TCP-Bestimmung ein zügiges Einlernen möglich. Falls dann beim späteren Arbelten unter Wasser oder hinter Spundwänden die direkte TCP-Messung bzw. Regelung auf den TCP 127 nicht mehr möglich ist, so kann mit einem entsprechend verbesserten Modell gearbeitet werden. Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer hier betroffenen Maschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Positionsbestimmung einer Kinematik (110, 115, 120) einer Maschine, wobei die Kinematik (110, 115, 120) gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) peripher angeordnet ist, und wobei es zu Betriebssituationen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik (110, 115, 120) und dem die
Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) keine signaltechnische Verbindung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) anhand eines von dem die
Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105)
durchgeführten direkten signaltechnischen Messverfahrens (230, 235, 240, 245) ermittelt wird, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) in Betriebssituationen der Maschine, in denen keine signaltechnische
Verbindung möglich ist, anhand eines Indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelt wird, wobei anhand des direkten Messverfahrens (230, 235, 240, 245) und anhand des indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelte Positionsdaten zur Positionsbestimmung der Kinematik (110, 115, 120) gemeinsam ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Positionsbestimmung der Kinematik anhand eines an einem Werkzeug (125) der Kinematik (110, 115, 120) angeordneten TCP (127) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
indirekte Messverfahren (210, 215, 220, 225) anhand von an der Kinematik (110, 115, 120) angeordneten Sensoren durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das indirekte Messverfahren (210, 215, 220, 225) anhand wenigstens eines an der Kinematik angeordneten hydraulischen Druckgebers, Linearpositionsgebers und/oder Winkelpositionsgebers und/oder Inertialsensor durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass anhand des indirekten Messverfahrene (210, 215, 220, 225) gewonnene Daten auf der Grundlage einer Modellrechnung (505) ausgewertet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein anhand der Modelirechnung (505) ermittelter Schätzwert (520) der Position der
Kinematik (110, 115, 120) mit einem direkt gemessenen Positionswert (530) der Kinematik (110, 115, 120) verglichen wird (525) und ein bei der Modellrechnung (505) zugrunde gelegtes kinematisches Modell anhand eines sich bei dem Vergleich (525) ergebenden Differenzwertes (535) der Position der Kinematik (110, 115, 120) angepasst oder optimiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellrechnung eine Im Betrieb der Maschine auftretende, mechanische Belastung der Kinematik (110, 115, 120) oder von Teilen der Kinematik berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das direkte Messverfahren (230, 235, 240, 245) mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers (230, 235, 240) oder Signalempfängers (245) und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera und/oder mittels wenigstens eines Laserentfemungsmessers (430) und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors durchgeführt wird.
9. Vorrichtung zur Positionsbestimmung einer Kinematik (110, 115, 120) einer Maschine, wobei die Kinematik (110, 115, 120) gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) peripher angeordnet Ist, und wobei es zu Betriebssituationen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik (110, 115, 120) und dem die
Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) keine signaltechnische Verbindung möglich ist, gekennzeichnet durch eine Signaltechnik zur direkten Erfassung der Position der Kinematik (110, 115, 120), durch eine Sensortechnik zur indirekten Ermittlung der Position der Kinematik (110, 115, 120), sowie Rechenmitteln (500 · 535) zur gemeinsamen Auswertung der direkt erfassten und Indirekt ermittelten Positionsdaten.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Erfassung der Position der Kinematik (110, 115, 120) mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers (230, 235, 240) bzw. Signalempfängers (245) und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera und/oder mittels wenigstens eines Laserentfernungsmessers (430) und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors erfolgt und dass die Indirekte Ermittlung der Position der Kinematik (110, 115, 120) mittels wenigstens eines an der Kinematik (110, 115, 120) angeordneten hydraulischen Druckgebers und/oder wenigstens eines hydraulischen Unearpositionsgebers und/oder wenigstens eines Winkelpositionsgebers und/oder eines Inertialsensors erfolgt.
11. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
12. Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm
gemäß Anspruch 11 gespeichert ist.
13. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, eine vorgenannte
Maschine mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.
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