WO2020229157A1 - Verfahren zur ermittlung des platzbedarfs einer baumaschine, eines arbeitsarms und eines werkzeugs - Google Patents

Verfahren zur ermittlung des platzbedarfs einer baumaschine, eines arbeitsarms und eines werkzeugs Download PDF

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WO2020229157A1
WO2020229157A1 PCT/EP2020/061680 EP2020061680W WO2020229157A1 WO 2020229157 A1 WO2020229157 A1 WO 2020229157A1 EP 2020061680 W EP2020061680 W EP 2020061680W WO 2020229157 A1 WO2020229157 A1 WO 2020229157A1
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WO
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tool
construction machine
working arm
space requirement
space
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/061680
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Krause
Kai Liu
Horst Wagner
Bilge Manga
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676—Avoiding collision or forbidden zones
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37388—Acceleration or deceleration, inertial measurement
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39085—Use of two dimensional maps and feedback of external and joint sensors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40547—End effector position using accelerometers in tip

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the space requirement of a construction machine, a working arm and a tool by determining the position and orientation of the tool and for using the space requirement to perform functions of the construction machine, the working arm and / or the tool depending on that of the construction machine and to control and / or prevent the free space available to the tool.
  • the invention also relates to a computer program that executes each step of the method when it runs on a computing device, as well as a machine-readable storage medium that stores the computer program.
  • the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method according to the invention.
  • Algorithms for determining the kinematic chain are known.
  • one or more of the following sensors, inertial measuring unit (IMU), angle sensors, are attached to each link of the tool arm.
  • IMU inertial measuring unit
  • angle sensors are attached to each link of the tool arm.
  • the Tool Center Point Estimation is an algorithm for the state estimation of the orientation and position of an end effector.
  • the end effector is in particular a tool or a part of a tool that has a tool arm with a plurality of links that are connected by joints.
  • the orientation of the member on which the sensor is arranged is first determined. This is done for all links of the tool arm. With known kinematics (for example with known Denavit-Hartenberg parameters) the joint angle of the joint that connects the two links can be calculated from the relative orientation of two successive links. Finally, when all the joint angles and the dimensions of the links are known, the entire configuration of the
  • Tool arm can be determined directly from the forward kinematics and thus the orientation and position of the end effector.
  • a method is proposed for determining the space required by the construction machine, the working arm and the tool.
  • the tool is connected to the construction machine via the working arm and the construction machine, the
  • the working arm and the tool form a kinematic chain.
  • the construction machine is in particular an autonomously operated construction machine.
  • space requirement is View the space occupied by the construction machine and its superstructures, the working arm and the tools in the vicinity.
  • the kinematic chain becomes inertial with the help of one or more of the sensors
  • Measuring unit angle sensors, linear sensors determined by an algorithm for determining the kinematic chain.
  • Determination of the kinematic chain is based on sensor signals from the sensors which are arranged at least on the at least one part of the tool and preferably on each link of the kinematic chain between the construction machine and the tool. It should be noted here that, on the one hand, the working arm can be designed in multiple sections and, on the other hand, the
  • Construction machine can comprise a substructure that stands on the ground, and a superstructure that is rotatable about the vertical axis in relation to the substructure. In this case the tool can be moved in three dimensions. By means of these sensors z.
  • B. Joint angles between the links of the kinematic chain can be measured. Inertial measuring units can be retrofitted easily and inexpensively and can be used for other processes.
  • the dimensions include the dimensions of the
  • Construction machine the size of the superstructure, the size of the tool, the length of the connecting pieces of the working arm, the length and joint axis directions of other moving parts, etc. and can be stored in a model, especially in construction drawings, or measured in advance.
  • Each point of the working arm and the tool with respect to the construction machine in space can be determined from one another from the kinematic chain and thus also the space occupied by the construction machine, the working arm and the tool, i.e. H. the space requirement, can be determined.
  • the position and / or the orientation of the tool can preferably be determined and used in the determination of the
  • the position and the orientation of the tool are preferably inertial measuring unit with the aid of the same sensors, angle sensors by the algorithm for determining the kinematic chain certainly. This is particularly advantageous when the tool can be moved in several dimensions with respect to the working arm.
  • the position and the orientation of the tool are particularly preferably determined from the angle of rotation of the superstructure and the joint angles of the links of the working arm, taking into account the lengths of the links.
  • the determined space requirement is used to control and / or prevent functions of the construction machine, the working arm and / or the tool depending on the free space available to the construction machine, the working arm and the tool.
  • Such functions are e.g. B. a movement of the construction machine, the working arm and / or the tool. Movement trajectories can be determined depending on the available free space.
  • the tool-specific functions can be controlled and / or prevented. These include B. lifting and unloading loads.
  • the space requirement can be used to avoid a collision of the construction machine and / or the tool with an obstacle in the vicinity of the
  • Prohibiting the movement also prevents manual controls.
  • the restriction of movement can be lifted again. In particular, this can be initiated directly by the operator or another responsible person. Alternatively, if the space requirement is higher than the free space available, the automatic control of the
  • Construction machine and / or the tool take place through which the movement is carried out in a different way.
  • the direction of movement and / or the speed can be changed.
  • the sequence can be changed in a work sequence - if possible.
  • the superstructure of an excavator can be rotated before the working arm is extended.
  • Zones can be defined in advance in which the construction machine, the working arm and / or the tool may move. These zones show Borders and are preferably provided in three dimensions and are preferably connected. The zones are designed in such a way that obstacles, danger areas or areas that are otherwise not or should not be accessible to the construction machines are outside the zones. These zones are advantageously designed as a driving corridor for the construction machine to travel between a starting point and a destination along a predeterminable route, the driving corridor being able to have curves, intersections, branches and the like. The zones designed as a driving corridor are connected to one another between the starting point and the destination point in the direction of the route and are delimited in the other directions. In practice, several driving corridors can be provided in which
  • the determined space requirement is compared at least with the boundaries of these zones.
  • the functions of the construction machine, the working arm and / or the tools described above can then be controlled and / or prevented depending on the space available through the zones.
  • Construction machine but not the tool, can be permitted or the movements can be restricted.
  • the movements can be restricted.
  • the computer program is set up to carry out each step of the method, in particular if it is carried out on a computing device or control device. It enables the implementation of the method in a conventional electronic control unit without having to make structural changes to it. For this it is on the machine-readable
  • the electronic control device is obtained which is set up to determine the space requirement and the
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a construction machine, the space requirement of which can be determined by means of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the construction machine from FIG. 1.
  • Figure 3 shows a flow chart of a first embodiment of the
  • FIG. 4 shows a flow chart of a second embodiment of the
  • FIG. 5 shows a schematic view of the construction machine from FIG. 1 in a driving corridor.
  • FIG. 1 shows a schematic side view
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a construction machine 1 in the form of an excavator with a tool 2 designed as a shovel
  • the working arm 3 connected to the construction machine 1.
  • the working arm 3 is
  • a joint 4 being formed between the individual arm links as well as between the working arm 3 and the tool 2 and between the working arm 3 and the construction machine 1, via which the components can be moved relative to one another.
  • the construction machine 1, the working arm 3 and the tool 2 form a kinematic chain.
  • a joint angle sensor (not shown) is arranged on the joints 4, which measures the angle Q of the joint 4 (joint angle) between two interconnected links.
  • an inertial sensor of an inertial measuring unit is arranged on each link of the kinematic chain.
  • Environment sensors 5 such as proximity sensors,
  • Ultrasonic sensors radar, lidar, cameras or the like are provided. All mentioned sensors are with an electronic control unit 6 of the
  • Construction machine 1 connected.
  • the Y direction is parallel to the floor and is perpendicular to the X direction and the Z direction is perpendicular to the other two directions.
  • Tool 2 differentiate. To distinguish between the two states a, b, the movable components - i.e. the working arm 3, the tool 2 and the joints 4 - are shown in dashed lines for a first state a and the associated reference numerals are marked with a dash ( * ). For a second state b, the movable components are drawn continuously and the reference symbols do not have a dash. The representation of the
  • Construction machine and the permanently mounted components (which are also drawn continuously and whose associated reference symbols also do not have any dashes) relates to both states.
  • a, b are the joint angle qT, 02 *, 03 *, 04 * in the first state a blunt, so that the working arm is stretched 3
  • qi is the joint angle
  • the space occupied by the construction machine 1 together with the working arm 3 and the tool 2 in the vicinity is regarded as the space requirement.
  • Superstructures that are not shown here, but on the
  • Construction machine 1 can be present, when space requirements PB
  • FIG. 1 shows the space requirement PBxl, PBx2 in the X direction and the space requirement PBzl, PBz2 in the Z direction for the two states a, b.
  • the space requirement in the X direction PBxl, PBx2 extends from the rear of the construction machine 1 to the outer tip of the tool 2.
  • the space requirement in the Z direction PBzl, PBz2 extends from the floor to the highest part of the working arm 3 (or of the tool 2).
  • the space requirement PBxl in the X direction for the first state is greater than the space requirement PBx2 in X -Direction for the second state.
  • the space requirement PBzl in the Z direction for the first state is less than the space requirement PBx2 in the Z direction for the second state.
  • the dimensions of the construction machine 1 itself are usually significantly larger in the Y direction than the dimensions of the tool 2 or of the working arm 3 in this direction. Consequently, the space requirement PBy in the Y direction (not shown for this example) is largely determined by the width of the construction machine 1 and the superstructures in the Y direction.
  • FIG 2 a third state is shown in which the tool 2 is rotated with respect to the X direction at the outermost joint 4 by the joint angle Q5.
  • the space requirement PBy in the Y direction is also shown and it extends from the outer tip of the rotated tool 2 to the opposite side of the construction machine 1.
  • Figure 3 shows a flow chart of a first embodiment of the
  • the position P and the orientation O (for example the rotation of the tool in FIG. 2) of the tool 2 are determined 10.
  • the tool center point estimation known per se, is used for this, which includes the position P and the orientation O determined in three-dimensional space from the joint angles qT, 02 1 , 03 1 , 04 1 , 05 or qi, Q2, Q3, 04, Q5 of the entire kinematic chain measured by the joint angle sensors 10.
  • the determination 10 of the position P and the orientation O is performed for an inertial frame, where a
  • Construction machine 1 are stored. Alternatively, the dimensions can be measured directly in advance. From the position P and the orientation O of the tool 2 and the position of the working arm 3, that of the construction machine becomes 1, the working arm 3 and the tool 2 and thus the space requirement PB is determined 11
  • the available free space FR is determined from data from the surroundings during the entire process.
  • the free space FR is also specified in the inertial system.
  • the data of the environment include the sensor data of the environment sensors 5 with which obstacles in the environment are recognized.
  • safety distances to the obstacles can be provided.
  • the free space FR is restricted so that the obstacles are outside the free space and are spaced apart by the safety distance.
  • the data of the environment can include map data. Areas that are not accessible to the construction machine 1 can be defined in the map data. These blocked areas are then excluded from the free space FR.
  • the space requirement PB is compared with the available free space FR. If the space requirement PB is less than the available free space FR, the method is continued and the position P and the orientation of the tool 2 continue to be determined 10 and the free space FR determined 12. If the space requirement is greater than the available free space Space becomes one of the following
  • the movement of the construction machine 1, the working arm 3 and / or the tool 2 can be controlled 14 in a different direction and / or at a different speed.
  • the movement of the construction machine 1, the working arm 3 and / or the tool 2 can be stopped or prevented 15, i.e. H. further movement must be prevented until the ligature is released.
  • FIG. 4 shows a flow chart of a second embodiment of the method according to the invention.
  • the position P and the orientation O of the tool 2 are determined 20 during the entire process and the space requirement PB is determined from this and from the position of the working arm 3 21.
  • the zones ZN are formed into a driving corridor 30 in which the above-mentioned construction machine 1 can move from a starting point to a destination point.
  • a driving corridor 30 in which the above-mentioned construction machine 1 can move from a starting point to a destination point.
  • the construction site typically there are several such on the construction site
  • Driving corridors 30 are formed and different construction machines drive along these driving corridors 30.
  • the driving corridor 30 is designed such that obstacles 35 (only shown schematically here) are located outside the driving corridor 30. Alternatively, areas can also be defined here that are for the
  • Construction machine 1 are not accessible.
  • the driving corridor 30 is then formed outside these areas. Curves, crossings, branches and the like can be formed here.
  • the size of the driving corridor 30 is limited in two dimensions in this case and is selected depending on the space available. In FIG. 5, the driving corridor 30 becomes smaller from the first section 31 to the second section 32.
  • the space requirement PB is compared with the boundaries of the zones ZN.
  • One of the following functions is carried out depending on the space available through the zones ZN.
  • the movement of the construction machine 1, the working arm 3 and / or the tool 2 can be controlled 24 in a predetermined direction and / or at a predetermined speed.
  • Working arm and / or the tool allowed, for example moving the construction machine 1, but not the tool 2.
  • the movements are limited, e.g. B. by limiting the permitted speed or limiting the joint angle Q.
  • certain functions such as B. an extension of the working arm 3 or a rotation of the working arm 3 can be prevented.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Operation Control Of Excavators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Platzbedarfs (PBx1, PBx2, PBz1, PBz2) einer Baumaschine (1), eines Arbeitsarms (3) und eines Werkzeugs (2) der Baumaschine (1) mit Hilfe eines oder mehrerer der Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensoren, Linearsensoren durch einen Algorithmus zur Bestimmung einer kinematischen Kette unter Berücksichtigung bekannter Maße der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und des Werkzeugs (2). Der Platzbedarf (PBx1, PBx2, PBz1, PBz2) wird dann verwendet, um Funktionen der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) abhängig von dem der Baumaschine (1), dem Arbeitsarm (3) und dem Werkzeug (2) zur Verfügung stehenden freien Raum zu steuern und/oder zu unterbinden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Ermittlung des Platzbedarfs einer Baumaschine, eines Arbeitsarms und eines Werkzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Platzbedarfs einer Baumaschine, eines Arbeitsarms und eines Werkzeugs durch Bestimmen der Position und der Orientierung des Werkzeugs und zur Verwendung des Platzbedarfs, um Funktionen der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs abhängig von dem der Baumaschine und dem Werkzeug zur Verfügung stehenden freien Raum zu steuern und/oder zu unterbinden. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Bei autonom betriebenen Baumaschinen mit einem Werkzeug, das über einen Arbeitsarm mit der Arbeitsmaschine verbunden ist, ist es von großer Bedeutung den Platzbedarf der Baumaschine und des Werkzeugs zu kennen, um diesen ins Verhältnis zum zur Verfügung stehenden freien Raum zu setzen. Nur wenn ein genügend großer freier Raum zur Verfügung steht, der den Platzbedarf abdeckt, können im autonomen Betrieb bestimmte Funktionen ausgeführt werden.
Es sind Algorithmen zur Bestimmung der kinematischen Kette bekannt. An jedem Glied des Werkzeugarms ist hierfür einer oder mehrere der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit (IMU, inertial measuring unit), Winkelsensoren,
Linearsensoren angeordnet, welche Sensordaten an ein Rechengerät senden. Die so ermittelten Sensordaten werden für jeden Sensor individuell gefiltert und zur Zustandsschätzung der Orientierung des jeweiligen Sensors relativ zu einem ortsfesten Inertialkoordinatensystem fusioniert. Ein solcher Algorithmus wird bei der Tool Center Point Estimation verwendet. Die Tool Center Point Estimation ist ein Algorithmus zur Zustandsschätzung von Orientierung und Position eines Endeffektors. Der Endeffektor ist insbesondere ein Werkzeug oder ein Teil eines Werkzeugs, das einen Werkzeugarm mit mehreren Gliedern, die über Gelenke verbunden sind, aufweist.
Typischerweise verwendete Verfahren sind in der Abhandlung von Nikolas Trawny und Stergios I. Roumeliotis. "Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation" University of Minnesota, Dept. of Comp. Sei. & Eng., Tech. Rep 2 (2005), in der Abhandlung von Robert Mahony, Tarek Hamei, und Jean-Michel Pflimlin, "Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group", IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218, sowie in der
Abhandlung von Sebastian Madgwick, "An efficient Orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays" Report x-io and University of Bristol (UK) 25 (2010), beschrieben, auf die insoweit verwiesen wird.
Aus der so geschätzten Orientierung des Sensors wird zunächst die Orientierung des Glieds, an dem der Sensor angeordnet ist, bestimmt. Dies wird für alle Glieder des Werkzeugarms durchgeführt. Aus der relativen Orientierung zweier aufeinanderfolgender Glieder lässt sich bei bekannter Kinematik (zum Beispiel bei bekannten Denavit-Hartenberg Parametern) der Gelenkwinkel des Gelenks, das die beiden Glieder verbindet, berechnen. Sind schließlich alle Gelenkwinkel und die Maße der Glieder bekannt, kann die gesamte Konfiguration des
Werkzeugarms direkt aus der Vorwärtskinematik und somit die Orientierung und Position des Endeffektors bestimmt werden.
Für eine detaillierte Beschreibung wird auf die Abhandlung von Mark W. Spong, Seth Hutchinson und Mathukumalli Vidyasagar,„Robot modeling and control”, Vol. 3. New York: Wiley, 2006, verwiesen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Ermittlung des Platzbedarfs der Baumaschine, des Arbeitsarms und des Werkzeugs vorgeschlagen. Das Werkzeug ist über den Arbeitsarm mit der Baumaschine verbunden und die Baumaschine, der
Arbeitsarm und das Werkzeug bilden eine kinematische Kette. Die Baumaschine ist insbesondere eine autonom betriebene Baumaschine. Als Platzbedarf ist der von der Baumaschine mitsamt ihren Aufbauten, dem Arbeitsarm und dem Werkzeug im Umfeld eingenommene Raum anzusehen. Hierfür wird die kinematische Kette mit Hilfe eines oder mehrerer der Sensoren inertiale
Messeinheit, Winkelsensoren, Linearsensoren durch einen Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette bestimmt. Der Algorithmus zur
Bestimmung der kinematischen Kette basiert auf Sensorsignalen der Sensoren, die wenigstens an dem zumindest einen Teil des Werkzeugs und bevorzugt an jedem Glied der kinematischen Kette zwischen der Baumaschine und dem Werkzeug angeordnet sind. Es gilt hierbei zu beachten, dass einerseits der Arbeitsarm mehrgliedrig ausgebildet sein kann und andererseits die
Baumaschine einen Unterbau, der auf dem Boden aufsteht, und einen Oberbau, der in Bezug zum Unterbau um die Hochachse drehbar ist, umfassen kann. In diesem Fall kann das Werkzeug in drei Dimensionen bewegt werden. Mittels diesen Sensoren können z. B. Gelenkwinkel zwischen den Gliedern der kinematischen Kette gemessen werden. Inertiale Messeinheiten lassen sich leicht und kostengünstig nachrüsten und können für andere Verfahren verwendet werden.
Um aus der kinematischen Kette den Platzbedarf zu ermitteln, werden zudem bekannte Maße der Baumaschine, des Arbeitsarms und des Werkzeugs berücksichtigt. Die Maße sind unter anderem die Abmessungen der
Baumaschine, die Größe der Aufbauten, die Größe des Werkzeugs, die Länge der Verbindungsstücke des Arbeitsarms, die Länge und Gelenkachsenrichtungen sonstiger beweglicher Teile usw. und können in einem Modell, insbesondere in Konstruktionszeichnungen, hinterlegt sein oder im Vorfeld gemessen werden.
Mit Hilfe der bekannten Maße der Baumaschine und ihrer Anordnung
untereinander aus der kinematischen Kette kann jeder Punkt des Arbeitsarms und des Werkzeugs bezüglich der Baumaschine im Raum ermittelt werden und somit auch der von der Baumaschine, dem Arbeitsarm und dem Werkzeug eingenommene Raum, d. h. der Platzbedarf, ermittelt werden.
Bevorzugt können die Position und/oder die Orientierung des Werkzeugs, besonders bevorzugt beide, bestimmt werden und in die Ermittlung des
Platzbedarfs einfließen. Dabei werden die Position und die Orientierung des Werkzeugs vorzugsweise mit Hilfe derselben Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensoren durch den Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette bestimmt. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das Werkzeug in Bezug auf den Arbeitsarm in mehrere Dimensionen bewegt werden kann. Besonders bevorzugt werden die Position und die Orientierung des Werkzeugs aus dem Drehwinkel des Oberbaues und den Gelenkwinkeln der Glieder des Arbeitsarms unter Berücksichtigung der Längen der Glieder ermittelt.
Schließlich wird der ermittelte Platzbedarf verwendet, um Funktionen der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs abhängig von dem der Baumaschine, dem Arbeitsarm und dem Werkzeug zur Verfügung stehenden freien Raum zu steuern und/oder zu unterbinden.
Solche Funktionen sind z. B. eine Bewegung der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs. Hierbei können abhängig vom zur Verfügung stehenden freien Raum Bewegungstrajektorien ermittelt werden. Zudem können die werkzeugspezifischen Funktionen gesteuert und/oder unterbunden werden. Hierzu gehören z. B. das Anheben und Abladen von Lasten.
Der Platzbedarf kann verwendet werden, um eine Kollision der Baumaschine und/oder des Werkzeugs mit einem Hindernis in der Umgebung der
Baumaschine zu verhindern. Wenn der Platzbedarf höher als der zur Verfügung stehende freie Raum ist, kann die Bewegung der Baumaschine und/oder des Werkzeugs gestoppt oder unterbunden werden. Dadurch wird eine Nothalt- Funktion implementiert. Neben dem Stoppen der Bewegung kann beim
Unterbinden der Bewegung auch die manuelle Steuerung verhindert werden. Die Unterbindung der Bewegung kann wieder aufgehoben werden. Insbesondere kann dies direkt durch den Bediener oder eine andere verantwortliche Person veranlasst werden. Alternativ kann, wenn der Platzbedarf höher als der zur Verfügung stehende freie Raum ist, eine automatische Steuerung der
Baumaschine und/oder des Werkzeugs erfolgen, durch welche die Bewegung in anderer Weise ausgeführt wird. Zum Beispiel kann die Richtung der Bewegung und/oder die Geschwindigkeit verändert werden. Alternativ kann die Abfolge in einer Arbeitssequenz - wenn möglich - verändert werden. Als Beispiel kann bei einem Bagger der Oberbau gedreht werden, bevor der Arbeitsarm ausgefahren wird.
Es können im Vorfeld Zonen definiert werden, in denen sich die Baumaschine, der Arbeitsarm und/oder das Werkzeug bewegen darf. Diese Zonen weisen Grenzen auf und sind vorzugsweise dreidimensional vorgesehen und hängen vorzugsweise zusammen. Die Zonen sind so ausgestaltet, dass Hindernisse, Gefahrenbereiche oder Bereiche, die anderweitig nicht für die Baumaschinen zugänglich sind bzw. sein sollen, außerhalb der Zonen liegen. Vorteilhafterweise werden diese Zonen für eine Fahrt der Baumaschine zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt entlang eines vorgebbaren Fahrwegs als Fahrkorridor ausgebildet, wobei der Fahrkorridor Kurven, Kreuzungen, Abzweigungen und Ähnliches aufweisen kann. Die als Fahrkorridor ausgebildeten Zonen sind zwischen dem Startpunkt und dem Zielpunkt in Richtung des Fahrtwegs miteinander verbunden und sind in den anderen Richtungen begrenzt. In der Praxis können mehrere Fahrkorridore vorgesehen sein, in denen
unterschiedliche Baumaschinen fahren. Der ermittelte Platzbedarf wird zumindest mit den Grenzen dieser Zonen verglichen. Die oben beschriebenen Funktionen der Baumaschine, des Arbeitsarms und/oder des Werkezugs können dann abhängig von dem durch die Zonen zur Verfügung stehenden Platz gesteuert und/oder unterbunden werden.
Insbesondere können innerhalb der Zonen nur bestimmte Bewegungen der Baumaschine und/oder des Werkzeugs ausgeführt werden dürfen. Es können z. B. nur vorgebbare Bewegungen, beispielsweise ein Bewegen der
Baumaschine, nicht jedoch des Werkzeugs, zugelassen werden oder die Bewegungen können beschränkt werden. Beispielsweise kann die
Geschwindigkeit reduziert werden oder die Gelenkwinkel limitiert werden.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren
Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches
elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, eine Ermittlung des Platzbedarfs durchzuführen und die
Funktionen zu steuern und/oder zu unterbinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Baumaschine, deren Platzbedarf mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann.
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht der Baumaschine aus Figur 1.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht der Baumaschine aus Figur 1 in einem Fahrkorridor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht und die Figur 2 eine schematische Draufsicht einer Baumaschine 1 in Form eines Baggers mit einem als Schaufel ausgebildeten Werkzeug 2. Das Werkzeug 2 ist über einen
Arbeitsarm 3 mit der Baumaschine 1 verbunden. Der Arbeitsarm 3 ist
mehrgliedrig ausgebildet, wobei jeweils ein Gelenk 4 zwischen den einzelnen Armgliedern sowie zwischen dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2 und zwischen dem Arbeitsarm 3 und der Baumaschine 1 ausgebildet ist, über das die Komponenten zueinander beweglich sind. Die Baumaschine 1, der Arbeitsarm 3 und das Werkzeug 2 bilden eine kinematische Kette. Für jedes Glied der kinematischen Kette ist an den Gelenken 4 jeweils ein Gelenkwinkelsensor (nicht dargestellt) angeordnet, der den Winkel Q des Gelenks 4 (Gelenkwinkel) zwischen zwei miteinander verbundenen Gliedern misst. In anderen
Ausführungsformen ist an jedem Glied der kinematischen Kette ein inertialer Sensor einer inertialen Messeinheit angeordnet. Darüber hinaus sind
Umgebungssensoren 5, wie beispielsweise Näherungssensoren,
Ultraschallsensoren, Radar, Lidar, Kameras oder Ähnliches vorgesehen. Alle genannten Sensoren sind mit einem elektronischen Steuergerät 6 der
Baumaschine 1 verbunden.
Darüber hinaus sind zur Beschreibung der Figuren eine X-Richtung, eine Y- Richtung und eine Z- Richtung festgelegt. Die X-Richtung zeigt in
Vorzugsrichtung des Arbeitsarms 3 parallel zum Boden, die Y- Richtung ist parallel zum Boden und steht senkrecht zur X-Richtung und die Z- Richtung steht senkrecht zu den beiden anderen Richtungen.
In den Figuren 1 und 2 sind für den Arbeitsarm 3 vier Gelenke 4 dargestellt. Die Gelenkwinkel Q ändern die Stellung des Arms 3 sowie die Position und die Orientierung des Werkzeugs 2. In Figur 1 sind zwei verschiedene Zustände a, b dargestellt, bei denen sich die Stellung des Arms 3 und die Position des
Werkzeugs 2 unterscheiden. Zur Unterscheidung der beiden Zustände a, b sind für einen ersten Zustand a die beweglichen Komponenten - also der Arbeitsarm 3, das Werkzeug 2 und die Gelenke 4 - gestrichelt gezeichnet und die zugehörigen Bezugszeichen sind mit einem Strich (*) gekennzeichnet. Für einen zweiten Zustand b sind die beweglichen Komponenten durchgehend gezeichnet und die Bezugszeichen weisen keinen Strich auf. Die Darstellung der
Baumaschine und der fest montierten Komponenten (die ebenfalls durchgehend gezeichnet sind und deren zugehörige Bezugszeichen ebenfalls keine Striche aufweisen) bezieht sich auf beide Zustände. Beim Vergleich der beiden Zustände a, b sind die Gelenkwinkel qT, 02*, 03*, 04* im ersten Zustand a stumpfer, sodass der Arbeitsarm 3 gestreckt ist, die Gelenkwinkel qi, 02, 03, 04 im zweiten Zustand b sind spitzer, sodass der Arbeitsarm 3 angewinkelt ist. Aus den Gelenkwinkeln 0i‘, 02 *, 03*, 04* bzw. 0i, 02, 03, 04 lässt sich der Platzbedarf PB berechnen, wie weiter unten beschrieben wird. Als Platzbedarf wird der von der Baumaschine 1 mitsamt dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2 im Umfeld eingenommene Raum angesehen. Aufbauten, die hier nicht gezeigt sind, aber an der
Baumaschine 1 vorhanden sein können, werden beim Platzbedarf PB
berücksichtigt.
In der Figur 1 ist der Platzbedarf PBxl, PBx2 in X-Richtung und der Platzbedarf PBzl, PBz2 in Z-Richtung für die beiden Zustände a, b gezeigt. Der Platzbedarf in X-Richtung PBxl, PBx2 reicht von der Hinterseite der Baumaschine 1 bis zur äußeren Spitze des Werkzeugs 2. Der Platzbedarf in Z-Richtung PBzl, PBz2 reicht vom Boden bis zum höchsten Teil des Arbeitsarms 3 (oder des Werkzeugs 2). Da die Gelenkwinkel qT, Q2 , Q3 , Q/\ im ersten Zustand stumpfer sind als die Gelenkwinkel qi, 02, 03, 04 im zweiten Zustand, ist der Platzbedarf PBxl in X- Richtung für den ersten Zustand größer als der Platzbedarf PBx2 in X-Richtung für den zweiten Zustand. Gleichzeitig ist der Platzbedarf PBzl in Z-Richtung für den ersten Zustand kleiner als der Platzbedarf PBx2 in Z-Richtung für den zweiten Zustand.
Bei einem Werkzeug 2, das nur in der X-Z-Ebene bewegt werden kann, sind in der Y-Richtung die Abmessungen der Baumaschine 1 selbst meist deutlich größer als die Abmessungen des Werkzeugs 2 bzw. des Arbeitsarms 3 in dieser Richtung. Folglich wird der Platzbedarf PBy in Y-Richtung (für dieses Beispiel nicht gezeigt) maßgeblich von der Breite der Baumaschine 1 und der Aufbauten in Y-Richtung bestimmt.
In Figur 2 ist ein dritter Zustand dargestellt, bei dem das Werkzeug 2 gegenüber der X-Richtung am äußersten Gelenk 4 um den Gelenkwinkel Q5 gedreht ist. Der Platzbedarf PBy in Y-Richtung ist ebenfalls gezeigt und dieser reicht von der äußeren Spitze des gedrehten Werkzeugs 2 bis zur gegenüberliegenden Seite der Baumaschine 1.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Während des gesamten Verfahrens werden die Position P und die Orientierung O (z. B. die Drehung des Werkzeugs in Figur 2) des Werkzeugs 2 bestimmt 10. Hierfür wird die an sich bekannte Tool Center Point Estimation verwendet, welche die Position P und die Orientierung O im dreidimensionalen Raum aus den von den Gelenkwinkelsensoren gemessenen Gelenkwinkel qT, 021, 031, 041, 05 bzw. qi, Q2, Q3, 04, Q5 der gesamten kinematischen Kette ermittelt 10. Die Ermittlung 10 der Position P und der Orientierung O wird für ein Inertialsystem durchgeführt, wobei eine
Koordinatentransformation zwischen einem fahrzeugfesten Koordinatensystem, in dem die gemessenen Gelenkwinkel qT, 021, 031, 041, ©5 bzw. qi, Q2, ©3, ©4, Q5 gemessen werden, und dem Inertialsystem erfolgt. Dabei werden die
Abmessungen des Arbeitsarms 3 verwendet, die in einem Modell M der
Baumaschine 1 hinterlegt sind. Die Abmessungen können alternativ im Vorhinein direkt gemessen werden. Aus der Position P und der Orientierung O des Werkzeugs 2 und der Stellung des Arbeitsarms 3 wird der von der Baumaschine 1, dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2 eingenommene Raum und somit der Platzbedarf PB ermittelt 11
Außerdem wird während des gesamten Verfahrens der zur Verfügung stehende freie Raum FR aus Daten der Umgebung ermittelt 12. Der freie Raum FR wird ebenfalls im Inertialsystem angegeben. Zu den Daten der Umgebung gehören die Sensordaten der Umgebungssensoren 5, mit denen Hindernisse in der Umgebung erkannt werden. Zudem können Sicherheitsabstände zu den Hindernissen vorgesehen sein. Der freie Raum FR wird so beschränkt, dass die Hindernisse außerhalb des freien Raums liegen und um den Sicherheitsabstand beabstandet sind. Des Weiteren können die Daten der Umgebung Kartendaten umfassen. In den Kartendaten können Bereiche definiert sein, die für die Baumaschine 1 nicht zugänglich sind. Diese gesperrten Bereiche werden dann vom freien Raum FR ausgenommen.
In einer kontinuierlichen Abfrage 13 wird der Platzbedarf PB mit dem zur Verfügung stehenden freien Raum FR verglichen. Wenn der Platzbedarf PB geringer als der zur Verfügung stehende freie Raum FR ist, wird das Verfahren fortgeführt und weiterhin die Position P und die Orientierung des Werkzeugs 2 ermittelt 10 sowie der freie Raum FR ermittelt 12. Wenn der Platzbedarf höher als der zur Verfügung stehende freie Raum ist, wird eine der folgenden
Funktionen ausgeführt, um eine Kollision der Baumaschine 1 mit einem
Hindernis in der Umgebung zu verhindern oder um zu verhindern, dass die Baumaschine in die gesperrten Bereiche fährt. Zum einen kann die Bewegung der Baumaschine 1, des Arbeitsarms 3 und/oder des Werkzeugs 2 in eine andere Richtung und/oder mit einer anderen Geschwindigkeit gesteuert 14 werden. Zum anderen kann die Bewegung der Baumaschine 1, des Arbeitsarms 3 und/oder des Werkzeugs 2 gestoppt werden bzw. unterbunden 15 werden, d. h. eine weitere Bewegung verhindert werden, bis die Unterbindung aufgehoben wird.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel werden während des gesamten Verfahrens die Position P und die Orientierung O des Werkzeugs 2 bestimmt 20 und daraus und aus der Stellung des Arbeitsarms 3 wird der Platzbedarf PB ermittelt 21. Außerdem werden im Vorhinein Zonen ZN, in denen sich die Baumaschine 1, der Arbeitsarm 3 und das Werkzeug 2 beispielsweise auf einer Baustelle bewegen darf, definiert 22. Diese Zonen ZN geben somit den für die Baumaschine 1, den Arbeitsarm 3 und das Werkzeug 2 zur Verfügung stehenden freien Raum an.
In Figur 5 sind die Zonen ZN zu einem Fahrkorridor 30 ausgebildet, in dem sich die obengenannte Baumaschine 1 von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt bewegen kann. Typischerweise sind auf der Baustelle mehrere solcher
Fahrkorridore 30 ausgebildet und unterschiedliche Baumaschinen fahren entlang dieser Fahrkorridore 30. Der Fahrkorridor 30 ist so ausgebildet, dass sich Hindernisse 35 (hier nur schematisch dargestellt) außerhalb des Fahrkorridors 30 befinden. Alternativ können auch hier Bereiche definiert sein, die für die
Baumaschine 1 nicht zugänglich sind. Der Fahrkorridor 30 ist dann außerhalb dieser Bereiche gebildet. Es können hierbei Kurven, Kreuzungen, Abzweigungen und Ähnliches gebildet sein. Die Größe des Fahrkorridors 30 ist in diesem Fall in zwei Dimensionen begrenzt und wird abhängig vom zur Verfügung stehenden Raum gewählt. In Figur 5 wird der Fahrkorridor 30 vom ersten Abschnitt 31 zum zweiten Abschnitt 32 hin kleiner.
Wie in Figur 4 weiter dargestellt, wird eine kontinuierliche Abfrage 23
durchgeführt, bei welcher der Platzbedarf PB mit den Grenzen der Zonen ZN verglichen wird. Abhängig von dem durch die Zonen ZN zur Verfügung stehenden Platz, wird eine der folgenden Funktionen ausgeführt. Zum einen kann die Bewegung der Baumaschine 1, des Arbeitsarms 3 und/oder des Werkzeugs 2 in eine vorgegebene Richtung und/oder mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gesteuert 24 werden. Innerhalb der Zonen ZN sind
beispielsweise nur vorgegebene Bewegungen der Baumaschine 1, des
Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs erlaubt, beispielsweise ein Bewegen der Baumaschine 1, nicht jedoch des Werkzeugs 2. Zudem werden die Bewegungen beschränkt, z. B. indem die erlaubte Geschwindigkeit limitiert wird oder die Gelenkwinkel Q limitiert werden. Zum anderen können bestimmte Funktionen, wie z. B. ein Ausfahren des Arbeitsarms 3 oder ein Drehen des Arbeitsarms 3 unterbunden 25 werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung (11; 21) des Platzbedarfs (PB) einer
Baumaschine (1), eines Arbeitsarms (3) und eines Werkzeugs (2) der Baumaschine (1) mit Hilfe eines oder mehrerer der Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensoren, Linearsensoren durch einen Algorithmus zur Bestimmung einer kinematischen Kette der Baumaschine (1) unter Berücksichtigung bekannter Maße der Baumaschine (1), des
Arbeitsarms (3) und des Werkzeugs (2), wobei der ermittelte Platzbedarf (PB) verwendet wird, um Funktionen der Baumaschine (1), des
Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) abhängig von dem der Baumaschine (1), dem Arbeitsarm (3) und dem Werkzeug (2) zur Verfügung stehenden freien Raum (FR) zu steuern (14; 24) und/oder zu unterbinden (15; 25).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Ermittlung (11) des Platzbedarfs (PB) eine Position (P) und/oder eine Orientierung (O) des Werkzeugs (2) bestimmt (10; 20) wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Maße der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und des Werkzeugs (2) aus einem Modell (M) ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Platzbedarf (PB) verwendet wird, um eine Kollision der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) mit einem Hindernis in der Umgebung der Baumaschine (1) zu verhindern, indem die Bewegung der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) gestoppt wird, unterbunden (15) wird oder in anderer Weise gesteuert (14) wird, wenn der
Platzbedarf (PB) höher als der zur Verfügung stehenden freien Raum (FR) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zonen (ZN) definiert (22) werden, in denen sich die Baumaschine (1), der Arbeitsarm (3) und/oder das Werkzeug bewegen darf, und der Platzbedarf (PB) zumindest mit den Grenzen dieser Zonen (ZN) verglichen (23) wird, um die Funktionen der
Baumaschine und/oder des Werkezugs abhängig von dem durch die Zonen (ZN) zur Verfügung stehenden Platz zu steuern (24) und/oder zu unterbinden (25).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur
bestimmte Bewegungen der Baumaschine (1), des Arbeitsarms (3) und/oder des Werkzeugs (2) innerhalb der Zonen (ZN) ausgeführt werden dürfen.
7. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
8. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein
Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.
9. Elektronisches Steuergerät (6), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eine Ermittlung des Platzbedarfs (PB) durchzuführen.
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