DE102010035291A1

DE102010035291A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lagebestimmung eines bestimmten Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102010035291A1
Application number: DE201010035291
Authority: DE
Inventors: Dr. Buchtala Boris
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms (104) einer Arbeitsmaschine (100) vor. Dabei ist der Arbeitsarm aus mindestens einem Segment ausgebildet, das in seiner Länge und in seiner Neigung verstellbar ist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bestimmens der Lage des Teils des Arbeitsarms, basierend auf einer Höhe eines ersten Punktes des Arbeitsarms und einer Beschleunigung eines zweiten Punktes des Arbeitsarms.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines bestimmten Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine, sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Beim Einsatz von Arbeitsarmen mobiler Arbeitsmaschinen, wie Autokranen, Ladekranen als Lkw-Aufbauten oder Telehandlern, ist es wünschenswert, die Position des Arms, genauer die Position Werkzeughaltebereichs zu kennen. Der Werkzeughaltebereich, der sogenannte Tool Center Point, stellt üblicherweise die ”Spitze” des Arms dar, an der das Werkzeug befestigt ist.
Die DE 10 2007 020 182 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung der Höhe eines beweglichen Bauteils einer Arbeitsmaschine, wobei die Höhe des beweglichen Bauteils durch eine Messung des Luftdrucks in einem Bezugspunkt und die Messung des Luftdrucks in einem zweiten Bezugspunkt bestimmt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren, sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Lagebestimmung eines bestimmten Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Der erfindungsgemäße Ansatz bezieht sich auf die Positionsbestimmung beispielsweise einer Werkzeugaufnahme bei einem Arbeitsarm einer mobilen Arbeitsmaschine. Zur Positionsbestimmung werden unter anderem Daten eines barometrischen Höhensensors verwendet. Neben der Höhe, beispielsweise der Werkzeugaufnahme, kann auch eine Position des bestimmten Teils im Raum bestimmt werden.
Kern der vorliegenden Erfindung ist dabei die Verwendung eines Höhensensors zur Höhenbestimmung eines ausgewählten Punktes in einer kinematischen Kette des Arbeitsarms. Dabei kann ein Höhensensor eingesetzt werden, wie er beispielsweise von (Model-)Hubschraubern bekannt ist. Derartige Sensoren besitzen bereits eine Auflösung von nur wenigen Zentimetern. Diese Genauigkeit ist in einer Reihe von Anwendungsfällen schon ausreichend hoch und kann durch den Einsatz von Filtern in Kombination mit inkrementellen Messsignalen noch verbessert werden.
Der erfindungsgemäße Ansatz ermöglicht eine kostengünstige, nachrüstbare Bestimmung der Höhe und Position eines beliebigen Punktes der kinematischen Kette des Arbeitsarms und liefert damit die notwendige Information um bei Systemen mit translatorisch verlängerbaren Elementen die Lage der Werkzeugaufnahme zu bestimmen. Vorteilhafterweise lassen sich die Daten des Höhensensors als Stützgröße für eine Ermittlung der Lage eines bestimmten Teils der Arbeitsmaschine, wie der Werkzeugaufnahme, verwenden. Eine Kenntnis der Lage ist eine Voraussetzung um Positionieraufgaben, Wegbegrenzungen, wie eine Arbeitsraumbegrenzung oder eine statische Kippverhinderung und Zylinderendlagendämpfungen zu realisieren. Die Lage kann aber auch zum Zweck der Informationsanzeige und Ausgabe von Warnungen verwendet werden.
Die Bestimmung der Lage ist in gleicher Weise wie die Kenntnis der Hubhöhe von Hubgerüsten, wie sie bei Hochregalstaplern zu finden sind, von Bedeutung. Die Bestimmung oder Messung der Lage kann z. B. durch Wegsensoren unterstützt werden, die in die Hydraulikzylinder des Arbeitsarmes integriert oder vorteilhafterweise an die Hydraulikzylinder montiert oder appliziert werden und somit prinzipiell auch nachgerüstet werden können. Nachrüstbarkeit ist erwünscht, da es von Vorteil ist, in die bestehende Konstruktion und Fertigung von Hydraulikzylindern nicht eingreifen zu müssen. Aus gemessenen Kolbenpositionen kann unter Zuhilfenahme von geometrischen Beziehungen die Stellung des Arbeitsarmes und des Werkzeuges, i. d. R. eine Schaufel, ermittelt werden. Das nachträgliche Anbringen von Seilzugsensoren in einer rauen Arbeitsumgebung wird von den Herstellern (OEM) im Allgemeinen nicht akzeptiert. Die Montage innerhalb des Hydraulikzylinders verbietet eine Nachrüstung und verringert zudem den Arbeitshub des Zylinders an sich.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine, wobei der Arbeitsarm aus mindestens einem Segment ausgebildet ist, das in seiner Länge und in seiner Neigung verstellbar ist und, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
Bestimmen der Lage des Teils des Arbeitsarms, basierend auf einer Höhe eines ersten Punktes des Arbeitsarms und einer Beschleunigung eines zweiten Punktes des Arbeitsarms.
Bei dem Teil des Arbeitsarms, dessen Lage bestimmt wird, kann es sich um einen beliebigen Punkt oder Abschnitt des Arbeitsarms handeln. Im Folgenden wird beispielhaft angenommen, dass das es sich bei dem Teil, dessen Lagebestimmt wird, um einen Werkzeughaltebereich des Arbeitsarms handelt. Die Arbeitsmaschine kann eine mobile Arbeitsmaschine, wie ein Mobilkran, ein Autokran, ein Kranaufbau auf einem LKW als Ladekran, ein Bagger, ein Stapler oder ein Rad- oder Telehandler sein. Ebenso kann die Arbeitsmaschine eine ortsfeste Arbeitsmaschine, beispielsweise ein stationärer Kran, sein. Die Arbeitsmaschine umfasst den Arbeitsarm, wobei der Arbeitsarm ein Ausleger, ein Kranausleger, ein Gelenkausleger oder ein hydraulischer Ausleger sein kann. Der Arbeitsarm kann aus mehreren Segmenten bestehen, die zueinander veränderliche Positionen einnehmen können. Beispielsweise kann es sich bei den Segmenten um teleskopierbare Abschnitte des Arbeitsarms oder Auslegers handeln. Ebenso können die Segmente durch Gelenke miteinander verbunden sein. Dabei können die Gelenke einen oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen. Der Arbeitsarm kann in seiner Länge und Neigung in Bezug auf eine Befestigung an einer Grundeinheit oder einem Fundament der Arbeitsmaschine verstellbar angeordnet sein. Somit kann ein von der Grundeinheit entferntes Ende des Arbeitsarms unterschiedliche Winkelpositionen und Entfernungen in Bezug auf die Befestigung einnehmen. Dabei können die Segmente unterschiedliche Winkelstellungen zueinander einnehmen oder ineinander eintauchen, um eine teleskopische Verlängerung oder Verkürzung des Arbeitsarms zu erreichen. Entsprechend einer Konstruktion des Arbeitsarms kann die Lage des Werkzeughaltebereichs mehr oder weniger frei im Raum veränderbar sein und beispielsweise durch eine maximale oder eine minimale Länge des Arbeitsarms sowie Neigungsgrenzen des Arbeitsarms begrenzt sein. Die zu bestimmende Lage im Raum kann in einer polaren Darstellung durch eine Länge und einen Raumwinkel eines dem Werkzeughaltebereich zugeordneten Vektors ausgedrückt werden. Der erste Punkt und der zweite Punkt, basierend auf denen die Lage des Werkzeughaltebereichs bestimmt wird, können sich an geeigneten Positionen des Arbeitsarms befinden. Der erste Punkt und der zweite Punkt können zusammenfallen oder voneinander beabstandet sein und im Bereich des Werkzeughaltebereichs oder davon entfernt angeordnet sein. An dem ersten Punkt kann ein Höhensensor zum Erfassen der Höhe des ersten Punktes angeordnet sein. An dem zweiten Punkt kann ein Beschleunigungsensor zum Erfassen der Beschleunigung des zweiten Punktes angeordnet sein. Die Höhe kann eine Information über eine absolute Höhe des ersten Punkts in Bezug auf einen gewählten Bezugspunkt sein. Der Bezugspunkt kann beispielsweise Normalnull, ein Bodenniveau oder eine Höhe der Befestigung des Arbeitsarms sein. Ebenso kann die Höhe eine relative Höhe entsprechend einer Höhenveränderung des ersten Punktes sein. Aus zeitlich aufeinanderfolgenden Werten der Beschleunigung des zweiten Punkts kann auf eine Geschwindigkeit und schließlich auf eine während einer bestimmten Zeit zurückgelegte Strecke des zweiten Punkts geschlossen werden. Aus der zurückgelegten Strecke und der Höhe sowie geeigneten Bezugspunkten und Bezugswerten kann auf die Lage des Werkzeughaltebereichs geschlossen werden.
So kann im Schritt des Bestimmens basierend auf der Beschleunigung ein von dem bestimmten Teil zurückgelegter Weg ermittelt und basierend auf der Höhe verifiziert werden, um einen verifizierten Weg des bestimmten Teils zu ermitteln. Die Lage kann basierend auf dem verifizierten Weg bestimmt werden. Zum Verifizieren kann beispielsweise ein Kalman-Filter eingesetzt werden. Durch die Verifizierung kann die Lage, auch für die Fälle sicher bestimmt werden, bei denen das Teil des Arbeitsarms seine Lage verändert obwohl es keine oder nur eine geringe Höhenänderung erfährt.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens die Lage ferner basierend auf der Neigung des mindestens einen Segments bestimmt werden. Die Neigung ermöglicht zusammen mit der Höhe eine geometrische Längenbestimmung. Die geometrische Längenbestimmung kann mit einer auf der Beschleunigung basierenden Längenschätzung abgeglichen werden. Die Länge kann eine Länge des Arbeitsarms oder eines Segments des Arbeitsarms darstellen, aus der wiederum auf die Lage des Werkzeughaltebereichs geschlossen werden kann.
So kann im Schritt des Bestimmens basierend auf der Neigung des mindestens einen Segments und der Höhe ein erster Wert für die Länge des Segments bestimmt werden. Basierend auf der Beschleunigung, einer Bewegungsgleichung des mindestens einen Segments und dem ersten Wert kann ein zweiter Wert für die Länge des Segments bestimmt werden. Schließlich kann die Lage basierend auf dem zweiten Wert bestimmt werden. Die Bewegungsgleichung kann einen Zusammenhang zwischen der Beschleunigung und einer zurückgelegten Strecke des Werkzeughaltebereichs definieren und beispielsweise in einem Kalman-Filter berücksichtigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Teil des Arbeitsarms an einem freien Ende des mindestens einen Segments angeordnet sein. Der Teil des Arbeitsarms kann dem Werkzeughaltebereich entsprechen.
Der erste Punkt und/oder der zweite Punkt können im Bereich des Teils des Arbeitsarms angeordnet sein. Eine direkte Messung von Werten nahe dem Werkzeughaltebereich ermöglicht eine höhere Genauigkeit.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung repräsentiert die Höhe eine von einem an dem ersten Punkt angeordneten Höhensensor bereitgestellte Höheninformation und die Beschleunigung eine von einem an dem zweiten Punkt angeordneten Beschleunigungssensor bereitgestellte Beschleunigungsinformation. Die Höhe kann durch einen Höhensensor gemessen werden, beispielsweise durch einen barometrischen Höhenmesser. Die Beschleunigung kann in einer Richtung, beispielsweise in Richtung einer Längserstreckung des Segments des Arbeitsarms, oder in mehrere Richtungen gemessen werden. Mittels der Sensoren kann eine zeitliche Veränderung der Höhe und der Beschleunigung erfasst werden.
Auch kann im Schritt des Bestimmens die Lagebasierend auf mindestens einer weiteren Höhe und/oder Beschleunigung eines weiteren Punkts des Arbeitsarms bestimmt werden. Falls der Arbeitsarm mehrere Segmente umfasst, kann es vorteilhaft sein Messwerte von den mehreren Segmenten aufzunehmen, um Informationen über eine kinematische Kette, die der Arbeitsarm darstellt zu erhalten. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn die Segmente beweglich miteinander verbunden sind und sich relativ zueinander bewegen können. Die Lage des Werkzeughaltebereichs kann dann unter Kenntnis eines Aufbaus und eines Zusammenspiels der einzelnen Segmente sowie unter Kenntnis der Lage und Bewegung der einzelnen Segmente bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine, wobei der Arbeitsarm aus mindestens einem Segment ausgebildet ist, das in seiner Länge und in seiner Neigung verstellbar ist, mit folgendem Merkmal:
einer Einrichtung zum Bestimmen der Lage des Teils des Arbeitsarms, basierend auf einer Höhe eines ersten Punktes des Arbeitsarms und einer Beschleunigung eines zweiten Punktes des Arbeitsarms.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem, einem Computer entsprechenden Gerät ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Mobilkran mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren;
3 ein Blockschaltbild eines Schritts des Verfahrens eines Ausführungsbeispiels gemäß dem hier vorgestellten Ansatz; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
1 zeigt eine Arbeitsmaschine in Form eines Autokrans 100 mit einer fahrbaren Basiseinheit 102 und einem ausgefahrenem Arm 104, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. An dem Arbeitsarm 104 sind ein Höhensensor 106 und ein Beschleunigungssensor 108 angeordnet. Der Autokran 100 weist eine Vorrichtung 110 zur Bestimmung einer Lage eines Teils des Arbeitsarms 104 auf.
Der Arbeitsarm 104 besteht aus mehreren Segmenten, die teleskopierbar sind. Dadurch kann die Länge des Arbeitsarms 104 variiert werden. Ebenso weist der Arbeitsarm 104 Verstelleinheiten, beispielsweise Hydraulikzylinder auf, die mit der Basiseinheit 102 verbunden sind, um eine Neigung des Arbeitsarms 104 zu verändern. An einem freien Ende des Arbeitsarms 104, der von der fahrbaren Basiseinheit 102 abgewandt oder entfernt ist, weist der Arbeitsarm 104 einen Werkzeughaltebereich auf, an dem beispielsweise ein Seil zum Heben einer Last befestigt sein kann. Der Höhensensor 106 ist in unmittelbarer Nähe zu dem Werkzeughaltebereich an der Spitze des Arbeitsarms 104 befestigt. Der Höhensensor 106 ist ausgebildet, um über den barometrischen Luftdruck die Höhe der Spitze des Arbeitsarms 104 zu ermitteln. Der Beschleunigungssensor 108 ist an dem Segment des Arbeitsarms 104 befestigt, das den Werkzeughaltebereich umfasst. Der Beschleunigungssensor 108 ist ausgebildet, um über Beschleunigungsaufnehmer zeitliche Änderungen der Geschwindigkeit des Segments zu registrieren, an dem der Beschleunigungssensor 108 angeordnet ist. Dabei kann der Beschleunigungssensor 108 eine Beschleunigung entlang einer Längserstreckungsrichtung des Segments erfassen. Durch zweifache Integration des Beschleunigungssignals kann eine Längenänderung des Segments oder eine Änderung der Entfernung des Segments von einem Bezugspunkt ermittelt werden. Alternativ kann der Beschleunigungssensor 108 Beschleunigungen, beispielsweise in drei Raumrichtungen erfassen. Die generierten Signale des Höhensensors 106, sowie des Beschleunigungssensors 108 werden an die Vorrichtung 110 übermittelt. Die Signale können, über Kabel oder drahtlos übertragen werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine drahtlose Übertragung besonders vorteilhaft, da die Segmente des Arbeitsarms 104 teleskopierbar sind, und somit gegeneinander große Relativbewegungen durchführen. Im Falle einer kabellosen Übertragung der Signale benötigen die Sensoren 106, 108 je eine Energieversorgung. Die Energieversorgung kann über Energiespeicher oder durch Ausnutzung vorhandener Energieströme und Potenziale sichergestellt werden. Beispielsweise ermöglicht eine photovoltaische Energieversorgung über einem Pufferspeicher eine Nutzung des natürlich zur Verfügung stehenden Sonnenlichts. Ebenso ist es möglich, im Bereich der Sensoren auftretende Beschleunigungskräfte und Schwingungen durch schwingfähig gelagerte Massen beispielsweise induktiv oder piezoelektrisch in elektrische Energie umzuwandeln. In der Vorrichtung 110 werden die Signale der Sensoren 106, 108 empfangen. Die Vorrichtung 110 ist ausgebildet, um die Position oder Lage des Werkzeughaltebereichs basierend auf den Signalen des Beschleunigungssensors 108 und des Höhensensors 106 zu bestimmen. Dazu können die Höhe und die Beschleunigung oder daraus bestimmte Werte zueinander in Bezug gesetzt werden. So kann aus der Beschleunigung eine Entfernung des Werkzeughaltebereichs von einem Bezugspunk, beispielsweise einer Befestigung des Arbeitsarms 104 an der Basiseinheit 102 und aus der Höhe eine Ausrichtung des Arbeitsarms 104 bestimmt werden.
Am Arbeitsarm 104 kann zusätzlich ein Neigungssensor angeordnet sein. Die Position des Werkzeughaltebereichs lässt sich aus den Neigungswinkeln der mechanischen Glieder der kinematischen Kette geometrisch berechnen, so dass über Neigungssensoren eine Positionsbestimmung durchgeführt werden kann. Drückt sich eine Positionsänderung des Werkzeughaltebereichs nicht in einer Neigungsänderung in mindestens einem der Glieder der kinematischen Kette aus, wie es beispielsweise bei Autokranen, Ladekranen, Telehandlern oder Hubmaststaplern der Fall ist, wird mindestens eine zusätzliche Längeninformation benötigt. Die zusätzliche Längeninformation kann Daten des Höhensensors 106 und/oder des Beschleunigungssensors 108 basieren.
Die Anbringung des Höhensensors 106 ist beliebig, vorzugsweise an einem Ort welcher die translatorische Gesamtbewegung der kinematischen Kette erfährt, also z. B. an der Spitze des Autokrans 100. Eine Strom- und Datenversorgung kann kabelgebunden erfolgen, in den meisten Anwendungsfällen ist jedoch eine kabellose Anbringung vorzuziehen, da die Verbindung i. d. R. eine große Längung erfährt. Der Sensor 106 kann dann mit einer Batterie zur Stromversorgung und einem zusätzlichen Wireless-Modul zu Datenübertragung ausgestattet sein. Alternativ kann die notwendige Versorgungsspannung auch aus einer Energie-Harvesting-Einheit bezogen werden.
Die Lage des Werkzeughaltebereichs, der stellvertretend für einen beliebigen Teil des Arbeitsarmes steht, kann über eine direkte Messung, eine direkte Messung mit Stützung zur Erhöhung der Genauigkeit oder durch eine indirekte Messung mit Zusatzinformationen anderer Sensoren bestimmt werden. Somit kann die Bestimmung der Lage basierend auf einem oder mehreren Höhensensoren und einem oder mehreren Beschleunigungssensoren eventuell im Verbund mit anderen Sensoren durchgeführt werden.
Die direkte Messung bietet sich an, wenn die kinematische Kette keine oder nur geringe Änderungen in der Neigung aufweist, wie es beispielsweise am Hubgerüst eines Hochregalstaplers der Fall ist. In diesem Fall kann die Hubhöhe im Rahmen der gemessenen Genauigkeit direkt bestimmt und verwendet werden.
Eine direkte Messung mit Stützung zur Erhöhung der Genauigkeit bietet sich an, wenn die kinematische Kette keine oder nur geringe Änderungen in der Neigung aufweist. In diesem Fall kann durch die Verwendung eines Beschleunigungssensors ein inkrementelles Signal zur Messung des verfahrenen Weges eingesetzt werden. Durch 2-fache Integration der Beschleunigung ist der verfahrene Weg aus der Beschleunigung ermittelbar. Wie schon der Höhensensor ist der Beschleunigungssensor am bewegten Ende der kinematischen Kette zu befestigen, beispielsweise am freien Ende des in 1 gezeigten Arbeitsarms. Die driftfreien und statisch genauen Signale des Höhensensors dienen der Stützung des driftbehafteten, aber dynamisch genauen Signals der Beschleunigungssensoren. Kombiniert werden die beiden Signale über ein Filter, wie einen Kalmann Filter, wie es in den 2 und 3 dargestellt ist. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Arbeitsarm in nahezu horizontaler Lage ausgefahren wird und somit keine wesentliche Änderung in der Höhe erfährt. Durch diese Anordnung erreicht man auch hier eine gute Informationsausbeute zur Lagebestimmung des Werkzeughaltebereichs.
Eine indirekte Messung mit Zusatzinformationen anderer Sensoren kann durchgeführt werden, wenn die kinematische Kette signifikante Änderungen in der Neigung aufweist. In diesem Fall wird zusätzlich ein Drehratensensor benötigt. Durch die Kombination des Drehratensignals mit der Information der relativen Lage zum Erdbeschleunigungsvektor kann ein zeitechtes Signal der Neigung des Arbeitsarmes oder eines Elementes der kinematischen Kette berechnet werden. Mit der Kombination der Werte von Neigung, die aus einer Fusion von Drehrate plus Beschleunigung im Erdgravitationsfeld ermittelt wird, und der Länge, die aus einer Fusion von Höhenmessung plus Integration der Beschleunigung ermittelt wird, kann die Lage des Werkzeughaltebereichs bestimmt werden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise ausgeführt werden, um die Position des Werkzeughaltebereichs des in 1 gezeigten Arbeitsarms zu bestimmen. Es ermöglicht eine dynamische Bestimmung der Position und Stellung, beispielsweise eines Werkzeugs des Arbeitsarms.
In einem Schritt 202 erfolgt eine dynamische Messung der barometrischen Höhe eines ausgezeichneten Punktes der kinematischen Kette. Bei dem ausgezeichneten Punkt kann es sich um den Werkzeughaltebereich handeln. Die Höhe kann mittels des in 1 gezeigten Höhensensors 106 ermittelt werden. In einem Schritt 204 kann eine dynamische Bestimmung des Neigungswinkels der Segmente und zusätzlich oder alternativ eine dynamische Bestimmung veränderter Längen der Segmente über inkrementale Sensoren erfolgen. Die veränderte Länge eines Segments kann mittels des in 1 gezeigten Beschleunigungssensor 108 bestimmt werden. In einem Schritt 206 erfolgt eine Berechnung der Position des Werkzeughaltebereichs und alternativ oder zusätzlich eine Berechnung einer Auslenkung der Hydraulikzylinder. Der Schritt 206 kann in der in 1 gezeigten Vorrichtung 110 ausgeführt werden.
Wie in dem in 2 gezeigten übergeordneten Signalflussgraph angedeutet, können die Schritte 202, 204 mehrfach parallel ausgeführt werden. Es kann also in Bezug auf weitere ausgezeichnete Punkte der kinematischen Kette die Höhe, der Neigungswinkel und/oder eine Längenänderung bestimmt werden. Beispielsweise kann jedes Segment der kinematischen Kette einen solchen ausgezeichneten Punkt aufweisen. Im Schritt 206 können die für die einzelnen ausgezeichneten Punkte ermittelten Daten zusammengeführt werden, um die Position des Werkzeughaltebereichs zu bestimmen. Dazu kann eine Bewegungsgleichung des Werkzeughaltebereichs eingesetzt werden, die einen Einfluss einer Position oder Positionsänderung eines jeden ausgezeichneten Punktes auf die Position des Werkzeughaltebereichs definiert.
3 zeigt ein Blockschaltbild für die dynamische Schätzung der Länge des Arbeitsarmes bzw. eines Segmentes der kinematischen Kette, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die geschätzte Länge l ^_i wird basierend auf einer gemessenen Beschleunigung a_i, einer gemessenen Höhe h_i und einem Neigungswinkel α ^_i bestimmt. Die Beschleunigung a_i kann beispielsweise von dem in 1 gezeigten Beschleunigungssensor 108 und die Höhe h_i von dem gezeigten Höhensensor 106 bereitgestellt werden. Die dynamische, zeitgenaue Schätzung der Länge l ^_i kann auf einem Filteralgorithmus, wie dem Kalman-Filter, oder auf einem Beobachterverfahren basieren und beispielsweise in der in 1 gezeigten Vorrichtung 110 ausgeführt werden. Bei der geschätzten Länge l ^_i kann es sich um die Länge des Arbeitsarms, die Länge eines Segments des Arbeitsarms oder um eine Entfernung eines Punktes des Arbeitsarms zu einem Bezugspunkt handeln. Basierend auf der geschätzten Länge l ^_i kann die Lage, beispielsweise des Werkzeughaltebereichs, bestimmt werden. Dazu kann zusätzlich die Neigung oder die Höhe des Arbeitsarms oder des Werkzeughaltebereichs berücksichtigt werden.
Der Block 300 zur Schätzung der Armlänge l ^_i weist einen Block 302 zur dynamischen Längenschätzung, einen Block 304 zur stationären, geometrischen Längenbestimmung, beispielsweise über eine trigonometrische Funktion wie die Kosinus-Funktion, und einen Kombinationsblock 306 in Form eines Subtrahierers auf.
In dem Block 304 wird basierend auf der Höhe h_i und dem Winkel α ^_i eine geometrische Länge l_i bestimmt und an den Kombinationsblock 306 ausgegeben. In dem Block 302 wird basierend auf der Beschleunigung a_i und einem Rückkoppelwert des Kombinationsblocks 306 die geschätzte Länge l ^_i bestimmt. Dazu kann durch eine zweifache Integration der Beschleunigung a_i zunächst eine auf der Beschleunigung basierende Länge bestimmt werden, die dann mittels des Rückkoppelwerts gestützt wird, um die geschätzte Länge l ^_i zu bestimmen. Die geschätzte Länge l ^_i wird zusätzlich dem Kombinationsblock 306 zugeführt. Der Kombinationsblock 306 ist ausgebildet, um den Rückkoppelwert durch eine Subtraktion der geschätzte Länge l ^_i von der geometrischen Länge l_i zu bestimmen.
Folgend wird die zeitgenaue Schätzung der Armlänge gemäß einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die „Längenschätzung” ist nicht auf den in Block 302 begrenzt, sondern wird vielmehr durch die gesamte 3 beschrieben. Die stationäre Genauigkeit der Längenberechnung l_i, bei der der Arm in diesem Augenblick keine Längenänderung erfahrt, wird anhand der Größen Höhe h_i und Neigungswinkel α ^_i ermittelt. Durch eine Fusion der Längenberechnung l_i mit der dynamischen Genauigkeit der Integration des Beschleunigungssignals a_i mit Hilfe an sich bekannter Schätzalgorithmen wird einerseits eine gute Unterdrückung bewegungsbedingter Störungen und andererseits eine hohe Genauigkeit der Längenschätzung erreicht. Dazu dient die Anordnung gemäß 3. Aus der Höhe h_i und dem Neigungswinkel α ^_i wird in Block 304 über eine trigonometrische Funktion die Länge l_i berechnet, die streng genommen nur für den stationären Fall gilt. Diese wird als „Stützgröße” für die zweifache Integration der Beschleunigung a_i verwendet. Die hohe Genauigkeit wird erreicht, in dem die Differenz aus Stützwert und Integrationsergebnis in den Schätzalgorithmus in Block 302 zurück gekoppelt wird. Das Ergebnis ist ein Schätzwert l ^_i der wahren Länge. Für den Schätzalgorithmus können verschieden an sich bekannte Verfahren herangezogen werden. Beispielsweise Kalmanfilter, so wie aus der Regelungstechnik bekannte Beobachterverfahren.
Desweiteren kann für eine Bestimmung der Koordinaten des Werkzeughaltebereichs relativ zum Unterwagen, bei nicht senkrechter bzw. veränderlicher Neigung des Armes, dessen Neigung zeitecht zu ermitteln sein. Bei bekannter Länge und Neigung lässt sich über trigonometrische Beziehungen die Lage berechnen. Die zeitgenaue Bestimmung einer veränderlichen Neigung α_i kann wie nachstehend beschrieben erfolgen. Die stationäre Genauigkeit der Neigungswinkelberechnung bei ruhendem Arm anhand der Beschleunigungssensorsignale kann mit der dynamischen Genauigkeit der Integration des Drehratensignals mit Hilfe an sich bekannter Schätzalgorithmen fusioniert werden um einerseits eine gute Unterdrückung bewegungsbedingter Störungen und andererseits stationäre Genauigkeit der Neigungswinkelschätzung zu erreichen. Aus den Beschleunigungen in x- und z-Richtung wird über die Arcustangensfunktion der Winkel ϑ_St berechnet, der strenggenommen nur für den statischen Fall gilt und als „Stützgröße” für die Integration der Drehrate ω_y. verwendet wird. Dies wird erreicht, indem die Differenz aus Integrationsergebnis und Stützwert in den Schätzalgorithmus zurückgekoppelt wird. Auch fehlerhafte Anfangswerte ϑ₀ werden so abgebaut. Das Ergebnis ist ein Schätzwert ϑ ^ des wahren Winkels ϑ. Diese Lösung hat den Vorteil, mit lediglich drei Sensoren (zwei Beschleunigungssensoren und ein Drehratensensor) auszukommen. Für den Schätzalgorithmus können verschiedene an sich bekannte Verfahren herangezogen werden, z. B. Kalmanfilter sowie aus der Regelungstechnik bekannte Beobachterverfahren, die ggf. auch noch zusätzlich den Offsetfehler des Drehratensensors mitschätzen können.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 402 wird eine Höheninformation über eine Höhe eines ersten Punkts des Arbeitsarms empfangen. In einem Schritt 404 wird zeitlich parallel oder zeitlich vor oder nach dem Schritt 402 eine Beschleunigungsinformation über eine Beschleunigung eines zweiten Punkts des Arbeitsarms empfangen. In einem Schritt 406 wird die Lage des Teils des Arbeitsarms basierend auf der Höheninformation und der Beschleunigungsinformation bestimmt.
Die Höheninformation kann im Schritt 402 von einem Höhensensor empfangen werden. Die Höheninformation ist geeignet, die Höhe des ersten Punkts wiederzugeben. Die Beschleunigungsinformation kann im Schritt 404 von einem Beschleunigungssensor empfangen werden. Die Beschleunigungsinformation ist geeignet, die Beschleunigungen des zweiten Punkts wiederzugeben. Im Schritt 406 wird die Lage des Teils des Arbeitsarms, die eine Spitze des Arbeitsarms, ein Werkzeughaltebereich, oder ein beliebig anderer Teil des Arbeitsarms sein kann, basierend auf der Höheinformation über die Höhe des ersten Punkts und der Beschleunigungsinformation über die Beschleunigung des zweiten Punkts bestimmt. Dabei wird aus der Beschleunigungsinformation eine zurückgelegte Wegstrecke des zweiten Punkts bestimmt, und über eine Verarbeitungsvorschrift ein zurückgelegter Weg des Teils des Arbeitsarms ermittelt. Die Höheninformation dient zur Absicherung einer Höhenkomponente des ermittelten Wegs. Die Verarbeitungsvorschrift gibt die geometrischen Zusammenhänge zwischen dem zweiten Punkt und dem Teils des Arbeitsarms wieder. Dadurch lässt sich beispielsweise über einen bekannten Abstand der Punkte oder des Teils des Arbeitsarms von einem Drehpunkt, die zurückgelegte Wegstrecke in den zurückgelegten Weg des Teils des Arbeitsarms umrechnen. Falls die Beschleunigungsinformation eine Veränderung in der Höhe des zweiten Punkts abbildet, die Höheninformation aber auf keine Veränderung der Höhe des ersten Punkts schließen lässt, so kann die Signaldrift des Beschleunigungssensors im Schritt 406 korrigiert werden, so das eine sichere Bestimmung der Position oder der Lage des Werkzeughaltebereichs oder eines anderen Teils des Arbeitsarms erfolgt. Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Arbeitsmaschine
102: Basiseinheit
104: Arbeitsarm
106: Höhensensor
108: Beschleunigungssensor
110: Vorrichtung zum Bestimmen
202: Messung der Höhe
204: Bestimmung des Neigungswinkels
206: Bestimmung der Position
300: Block
302: Längenschätzung
304: Längenbestimmung, geometrisch
306: Vergleich
308: Beschleunigungssignal
402: Verfahrensschritt
404: Verfahrensschritt
406: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007020182 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms (104) einer Arbeitsmaschine (100), wobei der Arbeitsarm aus mindestens einem Segment ausgebildet ist, das in seiner Länge und in seiner Neigung verstellbar ist und, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist: Bestimmen (406) der Lage des Teils des Arbeitsarms, basierend auf einer Höhe eines ersten Punktes des Arbeitsarms und einer Beschleunigung eines zweiten Punktes des Arbeitsarms.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (406) des Bestimmens basierend auf der Beschleunigung ein von dem bestimmten Teil zurückgelegter Weg ermittelt und basierend auf der Höhe verifiziert wird, um einen verifizierten Weg des bestimmten Teils zu ermitteln und bei dem die Lage basierend auf dem verifizierten Weg bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt (406) des Bestimmens die Lage ferner basierend auf der Neigung des mindestens einen Segments bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt (406) des Bestimmens basierend auf der Neigung des mindestens einen Segments und der Höhe ein erster Wert für die Länge des Segments und basierend auf der Beschleunigung, einer Bewegungsgleichung des mindestens einen Segments und dem ersten Wert ein zweiter Wert für die Länge des Segments bestimmt wird und bei dem die Lage basierend auf dem zweiten Wert bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Teil des Arbeitsarms (104) an einem freien Ende des mindestens einen Segments angeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Punkt und/oder der zweite Punkt im Bereich des Teils des Arbeitsarms (104) angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe eine von einem an dem ersten Punkt angeordneten Höhensensor (106) bereitgestellte Höheninformation und die Beschleunigung eine von einem an dem zweiten Punkt angeordneten Beschleunigungssensor (108) bereitgestellte Beschleunigungsinformation repräsentiert.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt (406) des Bestimmens die Lage basierend auf mindestens einer weiteren Höhe und/oder Beschleunigung eines weiteren Punkts des Arbeitsarms (104) bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage eines Teils eines Arbeitsarms (104) einer Arbeitsmaschine (100), wobei der Arbeitsarm aus mindestens einem Segment ausgebildet ist, das in seiner Länge und in seiner Neigung verstellbar ist, mit folgenden Merkmal: einer Einrichtung (110) zum Bestimmen der Lage des Teils des Arbeitsarms, basierend auf einer Höhe eines ersten Punktes des Arbeitsarms und einer Beschleunigung eines zweiten Punktes des Arbeitsarms.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.