DE102005025536A1

DE102005025536A1 - Mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere hydraulisch angetriebene Erdbaumaschinen, und Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung

Info

Publication number: DE102005025536A1
Application number: DE200510025536
Authority: DE
Inventors: Oliver Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Sawodny; Alexander Dipl.-Ing. Hildebrandt
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die vollständige oder anteilige Automatisierung der Arbeitszyklen bei Erd- und Schüttgutbewegungen unter Berücksichtigung der dabei auftretenden Schwingungen und/oder Kontaktkräfte. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Trajektorienfolgeregelung mit einer aktiven Schwingungsdämpfung und/oder einer unterlagerten Kontaktkraftregelung kombiniert, wobei bei der Kontaktkraftregelung eine maximale Kontaktkraft definiert wird und bei Überschreitung dieses Schwellenwertes der betreffende Arbeitszyklus unterbrochen wird.

Description

Die Erfindung betrifft mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere hydraulisch angetriebene Erdbaumaschinen, wie Eingefäß-Lademaschinen (Unstetiglader), Eingefäßbagger (z.B. Universalbagger) und Flachbagger (z.B. Planiermaschinen), und ein Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung, das an diesen Arbeitsmaschinen angewendet wird.

Hydraulisch angetriebene Erdbaumaschinen sind Lademaschinen und Bagger, die über einen Dieselmotor, ein Fahrwerk, eine Arbeitsausrüstung und ein Werkzeug zum Laden, Schaufeln oder Greifen verfügen. Die Geräte zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie über hydraulische Antriebselemente verfügen, mobil eingesetzt werden und für Erd- und Schüttgutbewegungen verwendet werden.

Beim Betrieb einer mobilen Arbeitsmaschine setzt sich der Arbeitszyklus oft aus sich wiederholenden Arbeitsvorgängen zusammen. Wird beispielsweise ein Universalbagger mit einem Tieflöffelwerkzeug für das Anlegen eines Schachtes eingesetzt, werden folgende Arbeitsschritte vollzogen: Füllen des Grabgefäßes, Heben und Senken des Auslegers, Hin- und Rückschwenken des Oberwagens und Entleeren des Grabgefäßes. Diese Abläufe werden im wesentlichen wiederholt, bis das gewünschte Aushubprofil erreicht ist. Eine effiziente und positionsgenaue Arbeitsbewegung erfordert vom Bediener ein hohes Maß an Konzentration und Erfahrung.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Automatisierungslösungen für diese Arbeitszyklen bekannt. So wird beispielsweise in der DE 199 45 967 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern von Winkeln einer Arbeitsmaschine vorgeschlagen, mit dem selbst unerfahrene Bediener den Aushub- und Ladebetrieb einfach und effizient durchführen können. Auch in der EP 1 416 095 wird ein Verfahren zum automatischen Bewegen eines Werkzeuges, welches am Gelenkarmende montiert ist, auf einem Gelände mit einem vereinfachten Steuersystem zur Ansteuerung des Werkzeuges beschrieben.

Des weitern ist bekannt, dass die Steuerungsgüte bei diesen automatisierten Arbeitszyklen in Kontaktsituationen des Werkzeuges, wie z.B. beim Graben oder Greifen, abnehmen kann. Die Kontaktkräfte können auch zur Beschädigung oder gar Zerstörung des Arbeitsgerätes, z.B. bei einer Kollision, führen. Hierzu ist aus der EP 6 575 90 ein automatisches Baggersteuersystem für einen Löffelbagger bekannt, welches eine Grablaststeuereinrichtung zum Erfassen einer Grablast mit geeigneten Sensoren aufweist.

Jedoch wird in dem bekannten Stand der Technik nicht berücksichtigt, dass bei den genannten Arbeitsschritten Lastschwingungen entstehen, da die einzelnen Gelenke eine Armflexibilität aufweisen, die Ölhydraulik in einem gewissen Umfang kompressibel ist, Fahrwerke entweder über eine gefederte Aufhängung verfügen oder eine elastische Struktur aufweisen, wie es z.B. bei einem mit Luftdruck gefüllten Reifen der Fall ist, oder durch Abstützungselemente eine zusätzliche Verwindungselastizität des Fahrzeugchassis verursacht wird. Insbesondere bei mobilen Fahrzeugen werden infolge von Fahrbahnunebenheiten und schnellen Lastwechsel betriebsbedingte Schwingungen angeregt. Andererseits werden Schwingungen auch durch äußere Störeinflüsse, wie beispielsweise durch das Entleeren des Grabwerkzeugs, verursacht. Schwingungen äußern sich in Wank-, Nick- und Hubbewegungen und können zu Maschinenschäden führen. Zudem mindern Schwingungen den Bedienkomfort und werden vom Fahrer oft als störend empfunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine mobile Arbeitsmaschine und ein Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung bereitzustellen, mit denen es gelingt, ganze Arbeitszyklen oder Teile davon zu automatisieren, wobei auftretende Schwingungen und/oder Kontaktkräfte berücksichtigt werden, um eine höhere und gleichbleibendere Produktivität bei geringerer Qualifikation des Bedieners, eine höhere Sicherheit am Arbeitsplatz und eine geringere physische und psychische Belastung der Menschen im Arbeitsprozess zu erreichen.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erd- und Schüttgutbewegung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 – Blockschaltbilder des erfindungsgemäßen halb- und vollautomatischen Baggerbetriebes
2 – Darstellung einer Eingefäßlademaschine
3 – erfindungsgemäßes mechanisches Ersatzmodell für einen Bagger
4 – Darstellung der auf einen Bagger von außen einwirkenden Momente und Kräfte
Erfindungsgemäß wird die Fahr- und Arbeitsbewegung einer mobilen Arbeitsmaschine mit Hilfe eines Bahnplaners generiert und mittels eines Trajektorienfolgereglers umgesetzt, wobei der Bahnplaner halbautomatische und automatische Grundzüge besitzt (1). Beispiele eines automatisierten Bauvorhabens sind: Flächenebnung mit einer Planierraupe, hierbei generiert der Bahnplaner die synchronisierten Bewegungen des Fahrwerkes und der Arbeitsgelenke; Anlegen eines Schachtes mit einem Bagger; Schüttgutbewegungen, so dass z.B. ein Erdhaufen automatisiert abgetragen wird. Beispiele für automatisierte Teilaufgaben bei einer Erdbewegung sind: automatisches Graben, selbsttätige Fahrbewegung zwischen zwei oder mehreren Orten, synchronisierte Bewegungsabläufe des Arbeitswerkzeuges (z.B. dass eine Ladeschaufel einer bestimmten Bahn im Weltkoordinatensystem folgt).
Wird der Bahnplaner im halbautomatischen Modus betrieben, kann ein Bediener die Geschwindigkeit und die Richtung einer automatisierten (Teil)aufgabe vorgeben, oder die einzelnen Gelenkstellungen manuell ansteuern.
Die bei den genannten Arbeitsmaschinen entstehenden Lastschwingungen werden erfindungsgemäß mit Hilfe einer Zustandrückführung aktiv gedämpft, wobei das Verfahren zur Schwingungsdämpfung mit dem oben beschriebenen Trajektorienfolgeregler kombiniert wird. Die Schwingungszustände werden mit geeigneten Sensoren gemessen oder mit einem Beobachtungsalgorithmus geschätzt.
Liegt eine Kontaktsituation des Arbeitsgerätes vor, wie z.B. beim Graben oder beim Greifen, kann die Regelgüte der Trajektorienfolgeregelung abnehmen. Zudem können Kontaktkräfte, z.B. bei einer Kollision, das Arbeitsgerät zerstören. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß eine unterlagerte Kraftregelung eingesetzt. Hierbei werden die Antriebsaktuatoren jeweils mit zwei Ölförderstromeinheiten versehen. Beispielsweise wird der Differentialzylinder des Stielzylinders eines Universalbaggers mit zwei 3/3-Wegeventilen betrieben. Daraus ergibt sich ein Mehrgrößensystem, so dass sich neben der Kraftregelung das Druckniveau im Zylinder der zwei Kammerdrücke als zusätzliche Regelgröße definieren lässt. Dabei wird der Öldruck in jeder Zylinderkammer separat geregelt, woraus sich aus der Druckdifferenz die vorgegebene Zylinderkraft ergibt. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass mit einer reinen Kraftreglung das Greifen oder das Graben gezielt und sicher durchgeführt werden kann. Beim Greifen wird z.B. die nötige Greif- und Haltekraft vom Kraftregler exakt umgesetzt. Auf der anderen Seite kann auch der Trajektorienfolgeregler mit dem unterlagerten Kraftregler kombiniert werden, so dass sich störende Kontaktkräfte im Sinne einer Vorwärtsaufschaltung und damit im Sinne einer aktiven Kompensation eliminieren lassen.
Weiterhin liegt es auch im Bereich der Erfindung, dass beim Graben ein Beobachter zur Schätzung der Grabkraft eingesetzt werden kann. Diese geschätzte Grabkraft wird dann zur Kompensation verwendet, so dass die überlagerte Bahnregelung ein gutes Folgeverhalten aufweist. Zudem können durch den Einsatz des Beobachters sicherheitsrelevante Situationen erkannt werden.
1. Modellbildung:
Die Bauart der Antriebsmaschine sowie die Arbeitsausrüstung bestimmen die Anzahl der hydraulisch angetriebenen Gelenkfreiheitsgrade. Eingefäßbagger verfügen in der Regel über einen schwenkbaren Oberwagen, über einen beweglichen Ausleger in verschiedenen Konstruktionsvarianten und über einen Unterwagen mit Rad- oder Kettenfahrwerk (2). Eingefäßlademaschinen und Flachbagger unterscheiden sich zum Letzt genannten nur dadurch, dass sie über keinen schwenkbaren Oberwagen verfügen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung basiert auf der Grundidee, das dynamische und statische Verhalten des mechanischen und hydraulischen Systems der Arbeitsmaschine in einem physikalischen Modell nachzubilden. Dabei wird zunächst ein Starrköpermodell z.B. mit Hilfe des Lagrange-Formalismus für die räumliche Bewegung der Gelenke aufgestellt:
Hierbei sind:

M: Massenmatrix
q: Vektor der Gelenkwinkel und Gelenkpositionen
C: Kraft- und Momentenmatrix der Coriolis- und Zentrifugaleffekte
G: Matrix der Gravitationskräfte und Gravitationsmomente
u: Antriebskräfte und Antriebsmomente

Gleichung (1) beschreibt den dynamischen und statischen Bewegungsablauf der Gelenke in Abhängigkeit der eingeprägten Antriebskräfte und Antriebsmomente, die mit Hilfe von ölhydraulischen Energiewandlern wie Hydromotoren oder Hydrozylindern aufgebracht werden.
Wie bereits eingangs erwähnt, entstehen beim Betrieb der Arbeitsmaschinen Lastschwingungen, da die einzelnen Gelenke eine Armflexibilität aufweisen und die Ölhydraulik in einem gewissen Umfang kompressibel ist. Deshalb wird das mechanische System mit starren Modellkörpern und diskreten Elastizitäten und Dämpfungen modelliert (3). Die Bewegungsgleichung (1) wird mit den Elastizitätsfreiheitsgraden δ erweitert, die z.B. horizontale, vertikale und torsionale Schwingungsanteile der einzelnen Antriebsgelenke beschreiben:
Hierbei sind:

δ: Vektor der Elastizitätsfreiheitsgrade
D: Vektor der Schwingungsdämpfung
K: Vektor der Federkonstanten der rückstellenden Kraft oder des Moments

Die einzelnen Elemente von K können als Federkonstante veranschaulicht werden, die zum einen die Biegung und zum anderen die Kompressionserscheinung der Ölhydraulik umfasst. Dabei wird die rückstellende Kraft um einen Arbeitspunkt linearisiert. Die gesamte Federkonstante eines Gelenks kann demnach als Reihenschaltung der Federkonstanten der Ölkompression und Federkonstanten der Armflexibilität berechnet werden:
c_i ist die resultierende Federkonstante eines exemplarischen Gelenks mit dem Index ,i' . Die Variablen c_{i_Bieg} und c_{i_Komp} sind die Federkonstanten der Armbiegung und der Ölkompression. Je nach Systemkonfiguration können weitere Elastizitätserscheinungen an Relevanz gewinnen. Beispielsweise trägt ein nicht verwindungssteifes Chassis zu einer zusätzlichen Elastizitätsfreiheitsgröße. Formel (3) wird dabei entsprechend erweitert.
Bei der Verwendung eines hydraulischen Zylinders kann das Antriebsmoment des entsprechenden Gelenks bestimmt werden, indem die geometrische Anlenkkinematik von Gelenk und Zylinder mit einem Anlenkkoeffizienten berücksichtigt wird: ui(qi) = Fzyli·ϕi(qi) (4)
u_i ist das Moment eines exemplarischen Gelenks mit dem Index ,i', F_Zyli ist die Zylinderkraft und ϕ_i(q_i) ist der Anlenkkoeffizient in Abhängigkeit des Gelenkwinkels. Wird ein Differenzialzylinder mit nur einer Förderstromquelle beaufschlagt, ergibt sich die Zylinderkraft zu:
p_zyli ist der Druck im Zylinder (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), A_zyli ist die Querschnittsfläche des Zylinders (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), β ist die Ölkompressibilität, V_zyli ist das Zylindervolumen (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), Q_i ist der Förderstrom eines unterlagerten Förderstromreglers und K_i ist die Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Ansteuersignal y_i der geregelten Förderstromeinheit beschreibt. Dynamische Effekte der Förderstromeinheit werden vernachlässigt. Die Variablen z_i, z ._i beschreiben die Position bzw. die Geschwindigkeit der Zylinderstange und hängen von der Anlenkkinematik ab.
Wird ein Differenzialzylinder mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt, ergibt sich die Zylinderkraft zu:
Gleichung (6) unterscheidet sich von Gleichung (5) lediglich darin, dass die Ring- und Stirnseite des Zylinders mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt wird. Hierbei umfasst das beispielhaft betrachtete Gelenk ,i' die zwei Eingangsgrößen y_{ring_i} und y_{stirn_i}.
Ein hydraulischer Antriebsmotor wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben:
u_j ist das Moment eines exemplarischen Gelenks mit dem Index ,j', i_j ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Motordrehzahl und Antriebsgeschwindigkeit des Gelenks, V_j ist das Schluckvolumen der Hydraulikmotoren, Δp_j ist der Druckabfall über dem hydraulischen Antriebsmotor, β ist die Ölkompressibilität, φ ._Motj bezeichnet die Motordrehzahl, Q_j ist der Förderstrom im Hydraulikkreis und K_j ist die Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Ansteuerspannung y_j der geregelten Förderstromeinheit angibt. Dynamische Effekte der Förderstromregelung werden vernachlässigt. Das Moment u_j in Gleichung (7) kann mit dem Hebellängenübersetzungsverhältnis in die resultierende Antriebskraft umgerechnet werden, wie es z.B. beim Fahrantrieb nötig ist.
Wird der Hydraulikmotor mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt, ergibt sich das Moment zu:
Gleichung (8) unterscheidet sich von Gleichung (7) lediglich darin, dass der Einlasskanal und der Auslasskanal des Motors mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt wird. Hierbei umfasst das beispielhaft betrachtete Gelenk ,j' die zwei Eingangsgrößen y_{Ein_j} und y_{Aus_j}.
Die Bewegungsgleichung (1) und (2) beschreiben eine freie Bewegung der Antriebsmaschine. Kontaktsituationen, wie sie z.B. beim Graben auftreten, werden hierbei nicht berücksichtigt. Als Krafteinleitpunkte sind einerseits die hydraulischen Antriebsaggregate für das Drehen des Baggers und der Baggerarme als auch die auftretenden Kräfte beim Eindringen der Baggerschaufel in das Erdreich zu berücksichtigen (4). Aus diesem Grund wird Gleichung (1) folgendermaßen erweitert:
Werden Arm- und Ölhydraulikelastizitäten berücksichtigt, wird Gleichung (2) zu:
Die Variable u _Kontakt(q) bezeichnet hierbei allgemein die auf die Antriebsmaschine einwirkenden externen Kontaktkräfte oder Kontaktmomente, die z.B. beim Graben auftreten.
Zur Beschreibung der externen Kräfte oder Momente wird ein physikalisches Modell für die verschiedenen Kontaktsituationen hinterlegt. Beispielhaft sei das Grabkraftmodell näher aufgeführt, wenn ein Tieflöffel als Arbeitswerkzeug zum Einsatz kommt. Dabei wird davon ausgegangen, dass an den Elementen des Grabwerkzeugs folgende Komponenten wirken:

• Eindringwiderstand an der Grundschneide und an den Seitenwänden
• Reibungswiderstand an den Seitenwänden und Seitenschneiden

Die Schnittkraft, die der Eindringwiderstand an der Grundschneide verursacht, kann mit der folgenden Formel beschrieben werden:
Hierbei sind:

F_{ein_Schneide}: Schnittkraft an der Schneide
ϛ_f: Erdstoffdichte fest
h: Schnitttiefe (Spandicke)
b: Breite des Erdstoffkeils
g: Erdbeschleunigung
ϑ: Abbruchwinkel (Neigungswinkel der Abbruchfläche)
φ: Reibungswinkel im Erdstoff (innerer Reibungswinkel)
φ_St: Reibungswinkel Erdstoff-Schneide (Stahl)
α: Freiwinkel
γ: Schüttwinkel

Bei der Bestimmung der Reibungskraft, die von den Seitenschneiden verursacht wird, wird davon ausgegangen, dass vor der Seitenschneide ein muschelförmiger Erdstoffköper entsteht, der unmittelbar vor der Stirnfläche einen Erdstoffkeil bildet. Die Schnittkraft ergibt sich nach der Bedingung eines passiven Erddruckmodells zu:
Hierbei sind:

F_{Ein_Seite}: Schnittkraft an der Seitenschneide
V: Volumen des Erdstoffkeils als Funktion der Schnitttiefe
δ: Schnittwinkel

Reibungskräfte an den Seitenwänden und an den Seitenschneiden werden anteilig in eine Coulombreibung und in eine viskose Reibung unterteilt: FReib_Seite_Schneide_coul = FN(h)μCz FReib_Seite_Schneide_visk = FN(h)μVz·v (13)
Hierbei sind:

F_{Reib_Seite_Schneide_coul}: coulombsche Reibungskraft
F_{Reib_Seite_Schneide_visk}: viskose Reibungskraft
F_N: Normalkraft aus dem passiv wirkenden Erddruck als Funktion der Schnitttiefe
μ_C: Reibungskoeffizient der Coulombreibung
μ_V: Reibungskoeffizient der viskosen Reibung
z: Anzahl der beteiligten Seitenwände
v: Schnittgeschwindigkeit

Die gesamte Grabkraft erfolgt aus der Addition der oben aufgeführten Anteile: FGrab = FEin_Schneide + FEin_Seite + FReib_Seite_Schneide_coul + FReib_Seite_Schneide_visk (14)
Für Planierschilde und andere Werkzeugtypen lassen sich nach den oben aufgeführten Prinzipien entsprechende Grabkraftmodelle herleiten. Im wesentlichen hängt die Grabkraft von der Gelenkwinkelstellung und von erdstoff- und werkzeugtypabhängigen Parametern ab:
Dabei beinhaltet der Vektor P alle Parameter des Grabkraftmodells.
Zur Beschreibung der externen Kontaktkräfte oder -momente kann alternativ dazu ein Beobachter eingesetzt werden, der die erwähnten Größen schätzt. Grundlage hierzu bietet die Zustandsraumdarstellung (10). Ergänzend dazu wird die Kontaktkraft über ein geeignetes statisches oder dynamisches Modell beschrieben. Basierend darauf wird die Gleichung (10) erweitert. Im einfachsten Fall kann die Grabkraft als stückweise konstant angenommen werden. Um die Grabkraft möglichst exakt modellieren zu können, wird der dynamische Vorgang des Grabens physikalisch beschrieben, mit Hilfe von Differentialgleichungen dargestellt und anschließend an die Bewegungsgleichung (10) gekoppelt. Der zeitliche Verlauf der Grabkraft lässt sich als Funktion von Systemzuständen der erweiterten Systemdifferentialgleichung beschreiben. Die Aufgabe des Beobachters liegt darin, diese zur Rekonstruktion erforderlichen Zustände zu schätzen. Dazu wird das dynamische Modell mit einem geeigneten Algorithmus auf einem Rechner implementiert, so dass eine numerische Simulation des Systemverhaltens vorliegt. Anschließend wird der Schätzfehler ermittelt, mit einer geeigneten Matrix gewichtet und dem Simulationsmodell als zusätzliche Eingangsgröße aufgeschalten, so dass der Schätzfehler asymptotisch gegen Null konvergiert. Dabei wird der erwähnte Schätzfehler aus der Differenz des gemessenen und der durch die numerische Auswertung beobachteten Zustände gebildet. Wesentlich ist hierbei, dass nicht die kompletten Systemzustände gemessen werden müssen, sondern mit Hilfe der beschriebenen Methode nur Zustände benötigt werden, die messtechnisch zur Verfügung stehen. Beispiele hierzu sind Messungen des Gelenkwinkels, des Antriebsdrucks und/oder Messungen der elastischen Bewegungsfreiheitsgrade. Diese werden zusammen mit den Systemeingangsgrößen in der Beobachtungsstruktur verarbeitet, so dass die Zustände zur Beschreibung der Grab- oder Kontaktkraft geschätzt werden können.
2. Automatisierungs- und Regelungsstruktur:
Die folgende beschriebene Automatisierungsaufgabe beschränkt sich auf hydraulisch angetriebene Mobilbagger, die den Erdgewinnungs- und Erdladungsprozess im Stand durch alleiniges Bewegen ihrer Arbeitsausrüstung ausführen. Ziel ist es dabei, den Bediener zu entlasten und bei schwankender Qualifikation eine gleichbleibende Produktivität sicherzustellen. Dieser Betrieb wird im folgenden als halbautomatischer Betrieb bezeichnet.
Im vollautomatischen Betrieb wird dieses Konzept um ein übergeordnetes Bahnplanungsmodul erweitert. In diesem Betriebsmodus werden dann Missionen definiert, die das Bahnplanungsmodul selbstständig in koordinierte Bewegungsabläufe umsetzt.
Das Ziel besteht darin, dieses Gerät mit dem erfindungsgemäß beschriebenen System auszurüsten, um bestimmte Klassen der Erdbewegung automatisch durchführen zu können. Automatisierte Standortwechsel des Baggers werden nicht vorgesehen. Das Automatisierungskonzept umfasst drei Ausbaustufen:

2.1 Trajektorienfolgeregelung der Arbeitsgelenke
2.2 Trajektorienfolgeregelung mit aktiver Schwingungsdämpfung
2.3 Kraftregelung mit oder ohne zuschaltbaren Trajektorienfolgeregler auch bei Kontaktsituation (z.B. beim Graben)

Die Referenztrajektorie der Arbeitsgelenke für die Bahnregelung wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines Bahnplaners berechnet. Hierbei verfügt das Modul über zwei Betriebsarten: den vollautomatischen Betrieb und den halbautomatischen Betrieb. Beim Letzt genannten Modus steuert der Bediener das Arbeitswerkzeug manuell hinsichtlich einer wählbaren Trajektorie. Dabei synchronisiert das Bahnplanungsmodul den Spielablauf der Antriebsgelenke derart, dass das Arbeitswerkzeug die gewünschte Bahn einnimmt, wobei der Bediener von Hand ein zur gewünschten Geschwindigkeit proportionales Signal (z.B. per Joystick) des Werkzeuges vorgibt. Aus dieser Information werden die zeitlich indizierten Gelenkpositionen und höheren Ableitungen wie Gelenkgeschwindigkeit, -beschleunigung und -ruck unter der Berücksichtigung von kinematischen und dynamischen Beschränkungen des verwendeten Arbeitsgerätes berechnet. Mögliche Mehrdeutigkeiten der Lösung werden dadurch vermieden, indem kinematische oder dynamische Zwangsbedingungen berücksichtigt werden, die z.B. auf der Basis einer Zeit- oder Energieoptimierung fußen. Beispielhaft sei der Vorgang des Ebnens mit einem Bagger näher erläutert. Die Aufgabe besteht dabei darin, das Höhenprofil von bestimmten Flächenabschnitten zu begradigen. Dabei kann es sich um horizontale oder um schräg anzulegende Flächen handeln. Der Bediener gibt mit Hilfe seines Steuerkommandos die Geschwindigkeit und die Richtung des Werkzeugs vor. Der Bahnplaner im halbautomatischen Betrieb berechnet daraus die synchronisierten Referenzgelenkwinkel des Auslegers, dass die Ladeschaufel eine im Höhenprofil linienförmige radiale Bewegung ausübt. Wird für die Aufgaben ein Flachbagger (z.B. Planiermaschinen) verwendet, wird für das Fahrwerk (wie Lenkwinkel- und Fahrgeschwindigkeit) eine Referenzbahn geplant und die zeitlich indizierte Auslegerstellung derart berechnet, dass im Weltkoordinatensystem das gewünschte Höhenprofil zustande kommt.
Im wesentlichen unterscheidet sich der Bahnplaner für den vollautomatischen Betrieb zum halbautomatischen Betrieb darin, dass die Bewegung des Werkzeugs automatisch, also ohne Bedienervorgabe, geplant wird. Hierzu wird überlagert der gewünschte Positionsverlauf des Werkzeugs auf der Basis der Arbeitsaufgabe oder anhand einer abgespeicherten Bahn (Teach-In) sequenziell extrahiert und die dazu benötigte Gelenkposition berechnet. Auch hier werden mögliche Mehrdeutigkeiten der Lösung dadurch vermieden, indem kinematische oder dynamische Zwangsbedingungen berücksichtigt werden. Zudem wird die Bewegung der Gelenke unter der Berücksichtigung von maximalen dynamischen und kinematischen Begrenzungen berechnet. Hierzu werden Softwaremodule zum automatischen Graben, Umschlagen und Entleeren entwickelt. Die Funktionen können vom Bediener einzeln oder kombiniert ausgewählt werden.
Automatisches Graben:
Speziell für gering qualifizierte Arbeiter ist der Vorgang des eigentlichen Grabens eine zeitaufwendige Aufgabe, da die Arbeitsgelenke des Baggerarms hinsichtlich einer Vermeidung von Füllungsverlusten synchronisiert gesteuert werden müssen. Zudem ist die Lage des Bodenabtrags vom Bediener oft schlecht einsehbar. Dies erfordert eine Einweisung durch zusätzliches Personal. Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft, eine automatische Grabfunktion zu entwickeln. Basierend auf der gewünschten Grabtiefe, berechnet ein Bahnplanungsmodul die zeitindizierte Bewegung von Stiel- und Löffelzylinder gemäß einer maximalen Reiß- und Losbrechkraft. Des Weiteren muss selbständig erkannt werden, wann die Schaufel mit Erdreich gefüllt ist, so dass die Umschlagsbewegung eingeleitet werden kann.
Automatischer Umschlag:
Die Umschlagsbewegung des Baggers besteht aus überlagerten Teilbewegungen des Baggerarms und des Oberwagens. Damit der Fahrer entlastet und die Baggerleistung gesteigert wird, ist die Entwicklung einer Funktion zum automatisierten Spielablauf der Schwenk- und Rückschwenkbewegung vorgesehen. Dabei wird die Referenzbewegung der Antriebsgelenke mit einem Bahnplanungsmodul berechnet. Bei den Umschlagsaktionen handelt es sich um eine synchronisierte Bewegung des Baggerarms und des Drehwerks.
Das vom Bahnplaner generierte Signal Q _Ref umfasst im halb- und im vollautomatischen Betrieb die Referenzgelenkstellung sowie deren Ableitung bis zu einer gewünschten Ordnung n:
2.1 Trajektorienfolgeregelung der Arbeitsgelenke:
Erfindungsgemäß beinhaltet das Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung einen Trajektorienfolgeregler. Hierbei werden die Stellsignale der hydraulischen Antriebseinheiten derart berechnet, dass zum einen die Gelenkstellungen bahngenau der geplante Bahn Q _Ref folgen und zum anderen das Arbeitswerkzeug hinsichtlich Störungen, wie externe Kräfte oder Modellfehler, stabilisiert wird. Das Regelungsmodul stützt sich auf ein flachheitsbasiertes Entwurfsverfahren, dass in der Literatur oft als „Computed Torque Method" beschrieben wird. Dabei wird in der Bewegungsgleichung (1) die Gelenksbeschleunigung
als neuen Eingang v gesetzt und folgendermaßen berechnet:
Die Vektoren K _D und K _P präsentieren die Regelparameter, die beispielsweise mit einer Polvorgabe bestimmt werden. Dabei werden die Pole des Polvorgabepolynoms so gewählt, dass das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell arbeitet und die Stellgrößenbeschränkungen bei typisch auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht werden. Wird Gleichung (17) in Gleichung (1) mit der Bedingung
eingesetzt, lässt sich das für die Bewegung und Stabilisierung notwendige Moment bzw. Kraft u _Ref wie folgt berechnen:
Die Gelenkpositionen und die Gelenkgeschwindigkeit werden entweder mit einer geeigneter Sensorik am Gerät gemessen oder beobachtergestützt geschätzt. Das Referenzmoment bzw. die Referenzkraft u _Ref stellen die hydraulischen Antriebssysteme zur Verfügung. wird ein Zylinderantrieb verwendet, ergibt sich mit Gleichung (4) und (5):
die inverse Anlenkkinematik. Hierbei ist F_{zyl_Refi} die Sollkraft des Zylinders an einem beispielhaft isoliert betrachteten Gelenk ,i'. Der dafür benötigte Öldruck wird mit der Druckgleichung von Formel (5) folgendermaßen approximiert:
Der beanspruchte Ölförderstrom Q_{Ref_i} wird nach Gleichung (5) von einer geregelten unterlagerten Förderstromeinheit zur Verfügung gestellt. Damit kann das Stellsignal mit Hilfe von Formel (5), (19) und (20) umgeformt werden
Wird ein Gelenk mit einem hydraulischem Motor betrieben, wird das Stellsignal der unterlagerten Förderstromeinheit ausgehend von Formel (7) und äquivalent zu Gleichung (19) bis (21) berechnet, und ergibt sich bei einem Gelenk mit dem Index ,j' zu:
2.2 Trajektorienfolgeregelung mit aktiver Schwingungsdämpfung:
Grundsätzlich bieten sich 2 grundlegende Entwurfsverfahren an: die dezentrale parameterveränderliche Zustandsregelung und die flachheitsbasierte Trajektorienfolgeregelung.
Je nach Ausprägung der Nichtlinearitäten und der Systemkonditionierung kann der eine oder andere Ansatz vorteilhaft sein. Die Regler sollen nach festegelegten Kriterien (bspw. Polvorgabe) parametrisiert werden können. Für die Bodenkontaktsituation werden Umschaltregeln einer Impedanzregelung entwickelt. Je nach Systemkonfiguration kann bei geschickter Formulierung des Problems als MIMO System neben der Position die Kraft als Regelgröße genutzt werden. Ziel der Schwingungsdämpfung ist die aktive Kompensation der Last- oder Geräteschwingung, die aufgrund von mechanischen und hydraulischen Elastizitätserscheinungen auftreten. Die Grundidee beruht dabei auf einer Rückführung der Systemzustände und einem Algorithmus, der daraus die Antriebsstellgrößen berechnet und eine schwingungsfreie Trajektorienfolgeregelung der referenzierten Bahn gewährleistet. Dazu werden mechanische Verformungen mit geeigneten Sensoren gemessen oder beobachtergestützt anhand von messbaren Systemzuständen geschätzt. Die Verformungszustandsgrößen können dabei aus mehreren Anteilen bestehen, die beispielsweise durch Armelastizitäten der Auslegerteilstücke, durch Verwindungsverformung des Chassis, durch die gefederte Fahrwerksaufhängung, durch Verformungserscheinungen der Fahrwerksräder, und durch Ölkompressionselastizitäten der Aktuatoren oder der Abstützung verursacht werden. Erfindungsgemäß werden diese Zustände mit geeigneten Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Ultraschallsensoren, Laserscannern, Inertialsensoren usw. gemessen. Grundsätzlich tritt dabei das Problem auf, dass einzelne Zustandsgrößen nicht messbar sind. Zugängliche Messgrößen sind in der Regel die Achspositionen. Problematischer sind die Biegungen in den Auslegerarmen, die prinzipiell erfindungsgemäß mit Hilfe eines Beobachters rekonstruiert werden können. Weitere Messgrößen sind die Drucksignale in den hydraulischen Steuerkreisen. Aus Kostengründen werden diese ebenfalls beobachtergestützt rekonstruiert.
2.2.1 Nichtlineare Trajektorienfolgeregelung mit unterlagerter Zustandsrückführung
Ausgangspunkt bietet die Bewegungsgleichung (2). Dabei handelt es sich um ein sogenanntes unteraktuiertes System, da die Ordnung der Systemfreiheitsgrade (Gelenkpositionen und Elastizitätsfreiheitsgrade) größer als die Anzahl der Antriebselemente ist. Werden die Gelenkpositionen als sogenannter flacher Ausgang betrachtet, ist das System nicht differentiell flach. Der Regelungsentwurf wird erfindungsgemäß mit einer Eingangs-/Ausgangslinearisierung und einer gezielten Dämpfung der Restdynamik realisiert. Dazu wird das Modell (2) nach Isidori in die nichtlineare
Regelungsnormalform transformiert:
Hierbei sind z_1,i mit i = 1..n die Gelenkpositionen der Arbeitsmaschine. Der Index n entspricht der Anzahl der Antriebseinheiten. Der Index r_i bezeichnet den relativen Grad des entsprechenden Teilsystems von (23). Der Vektor n präsentiert die Zustände der Nulldynamik, wobei die letzten Zeilen in Gleichung (23) das dynamische Verhalten der Nulldynamik beschrieben. Die Trajektorienfolgeregelung basiert auf den vorletzten Zeilen der Regelungsnormalform (23), da dort die Systemeingangsgrößen in Erscheinung treten. Dabei werden diese Gleichungen nach den Stellgrößen u_i umgeformt und die Variable mit der höchsten Ableitungsordnung mit einem erweiterten Eingang ersetzt. Das Signal des erweiterten Eingangs wird mit Hilfe eines linearen Regelgesetzes und einem Vorsteuerungsanteil berechnet. Dabei werden Abweichungen der vorgegebenen Position und, je nach Systemkonfiguration, auch die Bahnfehler höhere Ableitungen berücksichtigt. Beispielhaft sei im folgenden das Gesetz der Trajektorienfolgeregelung angegeben, wenn jedes Teilsystem einen relativen Grad von drei besitzt:
Dabei sind K_i die Regelparameter, die den Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfehler gewichten. Der dynamische Trajektorienfolgefehler kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:
Die Regelparameter können mit einer Polvorgabe der gewünschten Regeldynamik berechnet werden. Die Stellsignale u_i in Gleichung (24) werden nach dem schon erläuterten Prinzip (Gleichung (19) bis (22)) in das entsprechende Steuersignal der Förderstromeinheiten umgerechnet.
Die Nulldynamik beschreibt im wesentlichen die unter Anwendung von Gleichung (24) verbleibende Restschwingung. Da die Nulldynamikgleichungen mit den Gelenkzuständen z verkoppelt sind, wird erfindungsgemäß diese Restdynamik (23) gezielt gedämpft, indem die Elastizitätszustände mit einem Regelparameter gewichtet werden und im Sinne einer Gegenkopplung ein Steuersignal der unterlagerten Förderstromeinheit des Antriebssystems generiert wird: Δy = –R·δ (26)
Der Vektor Δy bezeichnet das Stellsignal der Förderstromeinheit, R ist der Regelparameter zur Vorgabe der Schwingungsdämpfung und δ bezeichnet die Elastizitätsfreiheitsgrade wie Biegewinkel oder/und Kompressionsverformungen der Ölhydraulik.
Die Idee, das Schwingungsverhalten, das die Nulldynamik wiederspiegelt, mit einer linearen Zustandsregelung zu dämpfen wird im folgenden an einem einfachen Beispiel näher erläutert. Dabei ist es die Aufgabe, die horizontale Biegeschwingung eines Monoblockausleger von einem Bagger mit Hilfe einer gezielten Drehbewegung des Oberwagens zu dämpfen. Die Struktur der Nulldynamik beschreibt folgende Differentialgleichung für die Biegungsgröße –mlcosφA·φ ..D + m·ẅh + bDL·ẇh + c·wh = 0 (27)ein schwach gedämpftes System. Dabei ist m die Ersatzmasse des Monoblockauslegers, die sich im Abstand 1 zum Drehmittelpunkt befindet. φ_A beschreibt den Aufrichtwinkel, φ_D bezeichnet den Drehwinkel des Oberwagens, w_h ist die horizontale Biegungsgröße, b_DL ist die Strukturdämpfung des Auslegers und c bezeichnet die Ersatzfederkonstante der Auslegerbiegung. Die Einführung einer unterlagerten linearen Zustandsrückführung führt zu: ΔyφD = –RφDwh (28)
R_φD ist der frei wählbare Regelparameter zur Schwingungsdämpfung. Das Förderstromsignal Δy_φD führt zu einem proportionalen Förderstrom: ΔQφD = KφDΔyφD (29)
Dynamische Effekte des Förderstromreglers werden vernachlässigt, lassen sich aber im allgemeinen durch eine entsprechende Modellanpassung berücksichtigen. Dabei wird die DGL (27) um einen dynamischen Anteil des Förderstromreglers erweitert. Die Drehgeschwindigkeit des Oberwagens ist proportional zum Förderstrom Δφ .D = ζφD·ΔQφD (30)
Mit der Proportionalitätskonstanten ζ_φD wird damit der Beschleunigungsanteil zu: Δφ ..D = –RφDKφDζφD·ẇh (31)
Wird Gleichung (31) in Gleichung (27) eingesetzt, führt dies auf –mlcosφA·(φ ..D + RφDKφDζφD·ẇh) + m·ẅh + bDL·ẇh + c·wh = 0 (32)und lässt sich folgendermaßen umformen: –mlcosφA·φ ..D + m·ẅh + (bDL + mlcosφARφDKφDζφD)·ẇh + c·wh = 0 (33)
Die resultierende Dämpfung kann somit mit dem Regelparameter R_φD verändert werden: bRes(RφD) = bDL + mlcosφARφDKφDζφD (34)
2.2.2 Dezentrale Regelung
Erfindungsgemäß kann zur schwingungsgedämpften Bahnregelung auch ein dezentrales Regelkonzept verwirklicht werden. Dazu werden zunächst die nichtlinearen Terme in der Bewegungsgleichung (2)
und
geschätzt und mittels einer Vorwärtsaufschaltung kompensiert. In der Massenmatrix M(q,δ) wird die Nichtlinearität dadurch berücksichtigt, dass q,δ als veränderliche Systemparameter eingehen. Dadurch wird ein adaptives System und entkoppeltes System erreicht. Somit kann die Bewegungsgleichungen (2) in n Teilmodelle gespalten werden: ẋ i = A i(q,δ)x i + B i(q,δ)ui yi = C i(q,δ)x i i = 1..n (35)
Dabei ist x _i der Zustandsvektor des i-ten Teilsystems, der im allgemeinen vier Zustände beinhaltet: Gelenkposition, -geschwindigkeit, Positionszustand der Verformung und Verformungsgeschwindigkeit. A _i,B _i,C _i sind die System-, Eingangs- und Ausgangsmatrix des i-ten Teilsystems. Erfindungsgemäß wird die schwingungsgedämpfte Bahnregelung mit Hilfe eines robusten adaptiven Zustandsreglers und einem adaptiven Steuerungsgesetz verwirklicht. Durch die Rückführung und durch die Vorsteuerung verändert sich Gl. (35) zu: ui = –K i x i + S i w i ẋ i = (A i(q,δ) – B i(q,δ)K i)x i + B i(q,δ)S i w i y i = C i(q,δ)x i (36)
K _i ist die Matrix der Reglerverstärkungen des Zustandsreglers mit den Einträgen k_1i, k_2i, k_3i, k_4i. S _i ist der Vorsteuerungsvektor, der die Sollbahn w _i des Gelenks i gewichtet, so dass ein genaues Bahnfolgeverhalten garantiert wird. Das dynamische Verhalten des geregelten Systems wird durch die Lage der Eigenwerte der Matrix A _R = A _i(q,δ) – B _i(q,δ)K _i, die zugleich Pole der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich sind, bestimmt. Die Eigenwerte der Matrix können durch Berechnung der Nullstellen bzgl. der Variablen s des charakteristischen Polynoms p(s) aus der Determinante wie folgt bestimmt werden: det(sI – A R) ≡ 0 wobei p(s) = det(sI – A R) = det(sI – A i(q,δ) + B i(q,δ)·K i) (37)
I ist die Einheitsmatrix. Durch Rückführung der Zustandsgrößen über die Reglermatrix K _i. auf den Steuereingang können diese Eigenwerte gezielt verschoben werden. Man fordert nun, dass durch die Reglerverstärkungen Gleichung (37) bestimmte Nullstellen einnimmt, um dadurch gezielt die Dynamik des Systems zu beeinflussen, die sich in den Nullstellen dieses Polynoms widerspiegelt. Dadurch ergibt sich eine Vorgabe für dieses Polynom gemäß:
wobei l die Systemordnung ist, die mit der Dimension des Zustandsvektors gleichzusetzen ist. Im Falle des Modells nach Gleichung (35) ist l = 4 und damit p(s): p(s) = (s – r1)(s – r2)(s – r3)(s – r4) = s4 + p3s3 + p2s2 + p1s + p0 (39)
Die Pole r_i sind so zu wählen, dass das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell bei guter Dämpfung arbeitet und die Stellgrößenbeschränkung bei typischen auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht wird.
Die Regelverstärkungen können nun durch Koeffizientenvergleich der Polynome Gleichung (37) und (39) bestimmt werden.
Die Übertragungsfunktion des geregelten Teilsystems wird zu
W_i(s) bezeichnet das in den Bildbereich transformiertes Ausgangssignal des i-ten Teilsystems. Zur Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen S _i (K_Vi0 bis K_Vi4) wird die Übertragungsfunktion (41) um die Aufschaltung der Führungsgrößen erweitert:
Ein ideales Systemverhalten bezüglich der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes und ggf. der Ableitung des Ruckes ergibt sich genau dann, wenn die Übertragungsfunktion des Systems (42) aus Vorsteuerung und Übertragungsfunktion identisch eins wird. Dies führt auf ein lineares Gleichungssystem, welches in analytischer Form nach den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen K_Vi0 bis K_Vi4 aufgelöst werden kann. Dabei sind die Koeffizienten auch von den bekannten Reglerverstärkungen K _i des Zustandsreglers abhängig. Da die Systemstruktur (35) wechselnde Parameter enthält, werden Zustandsregler und Vorsteuermatrix adaptiv berechnet und somit dem veränderlichen System angepasst. Die Stellsignale u_i in Gleichung (36) werden nach dem schon erläuterten Prinzip mit Hilfe der Gleichungen (19) bis (22) in das entsprechende Steuersignal der Förderstromeinheiten berechnet.
2.3 Kraftregelung mit oder ohne zuschaltbaren Trajektorienfolgeregler:
Die approximierten Antriebsgleichungen (19) bis (20) beschreiben ein proportionales Verhalten von Sollkraft oder Sollmoment und dem dazu nötigen Eingangssignal der Förderstromeinheit. Dabei handelt es sich lediglich um eine Steuerung. Modellfehler und Modellunsicherheiten der Antriebseinheiten können deswegen zu Kraft- oder Momentfehlern führen. Dies kann sich mit einem schlechten Verhalten der Bahnregelung und mit einer langsamen Schwingungsdämpfung bemerkbar machen. Besonders bei Kontaktsituationen beeinflussen externe Kräfte das Folgeverhalten. Dies macht sich z.B. beim Graben dadurch bemerkbar, dass das Werkzeug zu langsam gräbt, oder das Werkzeug im Boden verklemmt. Auf der andern Seite ist oft bei einer Kontaktsituation eine Bahnregelung unerwünscht. Es wird häufig gefordert, dass das Werkzeug nur eine definierte Kraft auf die Umwelt ausübt, so dass z.B. sicherheitstechnische Richtlinien erfüllt werden.
Aus diesen Gründen wird erfindungsgemäß ein unterlagerter Kraftregler für die zu regelnden Gelenke der Arbeitsmaschine entwickelt. Dabei werden am Arbeitsgerät Aktuatoren mit jeweils zwei Förderstromeinheiten versorgt. Handelt es sich um einen differentiellen Zylinder, wird jede Zylinderkammer separat mit Hydrauliköl versorgt. Handelt es sich um einen Motor, verfügt jeweils der Einlass- und der Auslasskanal eine Versorgungseinheit. Das Modell der Antriebseinheiten entspricht Gleichung (6) und (8) und stellt ein Mehrgrößensystem dar. Grundlage der Kraftregelung sind zwei Druckregler, die im folgenden für einen Differentialzylinder hergeleitet werden. Die Zylinderkraft eines exemplarisch isolierten Antriebsgelenks mit dem Index ,i' ergibt sich nach Gleichung (6) zu: FRefi = A1i·pRefi_1 – A2i·pRefi_2 (43)
Dabei bezeichnet F_Refi die Sollkraft des Zylinders, A_1i und A_2i sind die Stirn- und Ringflächen des Zylinders, und p_{Refi_1},p_{Refi_2} sind die Solldrücke, die auf die Stirn- und Ringflächen wirken. Da sich zum Bereitstellen einer Sollkraft eine Vieldeutigkeit der daraus resultierenden Drücke ergibt, wird eine zusätzliche Regelgröße eingeführt. Dabei kann es sich z.B. um einen Mitteldruck handeln, der sich wie folgt berechnen lässt:
Dabei ist p _Refi der vorzugebende Mitteldruck. Wird Gleichung (44) mit Gleichung (43) kombiniert, lassen sich daraus die Referenzdrücke beschreiben
die jeweils von der geforderten Kraft F_Refi und von einem gewünschten Mitteldruck p _Refi abhängen. Diese Drücke werden mit zwei Reglereinheiten, die auf der exakten Eingangs-/ Ausgangslinearisierung basieren, umgesetzt. Dazu wird die Druckdifferentialgleichung von Formel (6) nach dem gewünschten Ölstrom umgestellt: QRefi_1 = βVzyli_1(Zi(qi))·ṗRefi_1 + Azyli_1z .i(qi,q .i) QRefi_2 = βVzyli_2(Zi(qi))·ṗRefi_2 + Azyli_2z .i(qi,q .i) (46)und die Ableitung der Drücke ṗ_{Refi_1},ṗ_{Refi_2} als erweiterte Eingangsgrößen definiert: ṗRefi_1 = v1 ṗRefi_2 = v2 (47)
Damit der Druckverlauf ein gutes Folgeverhalten aufweist, werden die erweiterten Eingänge folgendermaßen berechnet: v1 = ṗRefi_1 + RDrucki_1(pi_1 – pRefi_1) v2 = ṗRefi_2 + RDrucki_2(pi_2 – pRefi_2) (48)
Dabei sind R_{Drucki_1} und R_{Drucki_2} die Regelparameter des Druckreglers. Die Kammerdrücke p_{i_1} und p_{i_2} werden mit geeigneten Sensoren gemessen oder mit Hilfe eines Beobachters geschätzt. Berücksichtigt man das proportionale Verhalten zwischen dem Eingangssignal des unterlagerten Förderstromreglers und des Fördervolumens (Gleichung (6)), resultiert das Ausgangssignal des Druckreglers unter Berücksichtigung von Gleichung (46) bis (48) zu:
Gleichung (49) präsentiert den nichtlinearen unterlagerten Kraftregler. Die Herleitung einer Momentregelung eines Motors erfolgt in analoger Weise. Der Vorteil liegt darin, dass eine gewünschte Kraft oder ein gewünschtes Moment schnell und genau am Arbeitsgelenk zur Verfügung gestellt wird.
Die im Abschnitt 2.1 und 2.2 beschriebenen Verfahren lassen sich mit der unterlagerten Kraftregelung verbessern. Zudem können Störkräfte gezielt kompensiert werden. Beim Graben mit einem Mobilbagger oder beim Planieren mit einer Raupe treten Kontakt- oder Grabkräfte auf, die sich beim Abfahren der gewünschten Trajektorie negativ bemerkbar machen. Um das Folgeverhalten zu verbessern, wird bei dieser Art von Arbeitsvorgängen die Kontaktkraft mit Hilfe des Grabkraftmodells (15) oder des beschriebenen Grabkraftbeobachters berechnet. Anschließend werden diese geschätzten Anteile im Sinne einer Vorwärtsaufschaltung auf den Kraftregler geschalten und dadurch kompensiert. Ein weiterer Vorteil einer unterlagerten Kraftregelung liegt darin, die Betriebssicherheit des Arbeitsgeräts zu erhöhen, da mit Gleichung (43) die Kraft zwischen Arbeitsgerät und Umwelt erfasst wird und zu Überwachungszwecken eingesetzt werden kann. Stößt die Ladeschaufel beispielsweise beim Graben auf ein Hindernis, führt dies unmittelbar auf eine Druckerhöhung im Antriebselement. Diese Information kann dazu verwendet werden, den Grabvorgang zu unterbrechen. Zudem können Antriebselemente rein kraftgeregelt betrieben werden. Der Vorteil liegt darin, dass das Gerät auch bei einer nicht beabsichtigten Kollision keinen Schaden erleidet, da die Kraftregelung hinsichtlich externer Krafteinwirkungen nicht rückkopplungsfrei ist. In diesem Zusammenhang kann mit Hilfe der Wahl des Mitteldrucks p _Refi die Kraft begrenzt werden.
Dabei wird das Mitteldruckniveau so gewählt, dass eine Maximalkraft zu einer Stellgrößenbegrenzung des Kraftreglers führt. Alternativ dazu, kann auch der Grabkraftbeobachter für Überwachungszwecke eingesetzt werden. Aufbauend auf einer Wissensbasis, die die Grabkraft in Abhängigkeit der Klasse des Erd- oder Schüttgutes beinhaltet, kann die bei planmäßigen Erdbewegungen auftretende Kraft abgeschätzt werden. Liefert der Beobachter Werte, die außerhalb dieses Bereiches liegen, können sicherheitsrelevante Situationen wie das Anbaggern von Leitungen oder Kanalschächten erkannt, und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden.

Claims

Mobile Arbeitsmaschine, insbesondere eine hydraulisch angetriebene Erdbaumaschine, die einen Motor, eine Arbeitsausrüstung und ein Werkzeug zum Laden, Schaufeln oder Greifen umfasst, die über Arbeitsgelenke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Bahnplaner zur Generierung ihrer Fahr- und Arbeitsbewegung, geeignete Mittel zur Erfassung der Position und/oder der Geschwindigkeit der Arbeitsgelenke und mindestens einen Drucksensor in den Antriebselementen und/oder DMS-Sensoren zur Erfassung der elastischen Verbiegung und/oder Inertialsensoren und/oder optische Messmittel für eine Trajektorenfolgeregelung der Arbeitsgelenke mit einer kombinierten aktiven Schwingungsdämpfung und/oder Kontaktkraftregelung für die Grabkraft aufweist.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bahnplaner im halbautomatischen Modus arbeitet.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bahnplaner im automatischen Modus arbeitet.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Trajektorienfolgeregler ein nichtlinearer Trajektorienfolgeregler mit einer unterlagerten Zustandsrückführung ist.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Trajektorienfolgeregler ein dezentraler Trajektorienfolgeregler mit einer unterlagerten Zustandsrückführung ist.
Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung mit einer mobilen Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische und das statische Verhalten des mechanischen und hydraulischen Systems der Arbeitsmaschine in einem physikalischen Modell abgebildet wird, eine Referenztrajektorie für die Arbeitsgelenke der Arbeitsmaschine berechnet wird und die Position und die Stellung der Arbeitsgelenke der Arbeitsmaschine bahngenau geregelt wird, wobei in dem physikalischen Modell eine aktive Schwingungsdämpfung und/oder eine unterlagerte Kontaktkraftregelung berücksichtigt wird, wobei bei der Kontaktkraftregelung eine maximale Kontaktkraft definiert wird und bei Überschreitung dieses Schwellwertes der Arbeitszyklus unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Referenztrajektorie die Systemzustände der Arbeitsgelenke mit geeigneten Mitteln, wobei diese Mittel Drucksensoren in den Antriebselementen, DMS-Sensoren zur Erfassung der elastischen Verbiegung, Inertialsensoren oder optische Messmittel oder Positionssensoren für die Arbeitsgelenke umfassen können, erfasst und zum Trajektorienregeler zurückgeführt werden und mit Hilfe eines Algorithmus die Antriebsstellgrößen für die Arbeitsgelenke daraus ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Referenztrajektorie mit einem nichtlinearen Trajektorienfolgeregler mit unterlagerter Zustandrückführung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Referenztrajektorie mit einem dezentralen Trajektorienfolgeregler mit unterlagerter Zustandrückführung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass für die Kontaktkraftregelung die Kontaktkräfte mit einem geeigneten statischen und/oder dynamischen Modell ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass für die Kontaktkraftregelung die Kontaktkräfte durch Schätzung ermittelt werden.