DE102012102291B4

DE102012102291B4 - Verfahren zum Betreiben eines Magnetkompasses an einer Maschine

Info

Publication number: DE102012102291B4
Application number: DE102012102291.7A
Authority: DE
Inventors: Gary Lynn Cain; Chad Curtis Apple; Bruce Wayne Enix
Original assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Current assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: CN102692219A; DE102012102291A1; US20120245874A1; US8463569B2; CN102692219B

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung eines Baggers (10) auf einer Baustelle unter Verwendung eines Magnetfeldsensors (38), welcher an dem Bagger (10) angebracht ist, wobei der Magnetfeldsensor (38) Angaben der Größe des Erdmagnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors vorsieht, unter Verwendung von Inklinometern (36), welche eine Angabe des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10) vorsehen, unter Verwendung eines Kreiselsensors (40) zum Sensieren einer Drehung des Baggers (10) um die Z-Achse des Magnetfeldsensors (38) und unter Verwendung einer Verarbeitungsschaltung (50), welche einen zugeordneten Speicher (52) hat, welche auf den Magnetfeldsensor (38), die Inklinometer (36) und den Kreiselsensor (40) anspricht, aufweisend: ein Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten, aufweisend ein Drehen des Baggers (10) unter im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit um eine im Wesentlichen vertikale Z-Achse, ein Speichern der Ausgaben von dem Magnetfeldsensor (38) und dem Kreiselsensor (40), ein stationäres Bestimmen des Beginns und Endes einer vollständigen Drehung des Baggers (10) durch Durchtritt eines Referenzpunkts basierend auf der Wiederholung von Datenwerten von dem Magnetfeldsensor (38), und ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) empfangen werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente und ein Speichern solch skalierter Daten, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Transformieren der sensierten Angaben des Magnetfeldes von dem X-, Y- und Z-Koordinaten-Bezugssystem des Sensors (38) in ein lokales Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem unter Verwendung der Ausgaben der Inklinometer (36), ein Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten sensierten Angabe des Magnetfeldes und ein Entfernen solcher Harteisen-Komponenten, um korrigierte Angaben des Magnetfeldes in dem lokalen Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem zu erzeugen, und ein Vergleichen der korrigierten Angaben mit den gespeicherten, skalierten Daten, um die Ausrichtung des Baggers (10) zu bestimmen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Keine.

STELLUNGNAHME BETREFFEND EINE BUNDESSTAATLICH GEFÖRDERTE FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG

Nicht anwendbar.

HINTERGRUND
Dies bezieht sich auf eine Magnetkompassanordnung zur Verwendung in einer Maschine und genauer auf ein Verfahren zum Verwenden einer Magnetkompassanordnung in einer bewegbaren Maschine oder einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Bagger. Sensoranordnungen, welche die Richtung des Erdmagnetfeldes sensieren und Ausgaben zum Anzeigen und zur Verwendung durch ein Steuer- bzw. Regelsystem vorsehen, werden seit einiger Zeit benutzt. Solche Anordnungen unterlagen und mussten für Kompensation für „Harteisen”- Effekte und „Weicheisen”-Effekte sorgen. Beide dieser Effekte verzerren die Form der Flusslinien der Erde in dem lokalen Bereich des Sensors, sie tun es jedoch auf verschiedene Arten. Harteisen-Effekte entstehen aus Permanentmagneten und magnetisiertem Eisen oder Stahl in dem Fahrzeug. Harteisen-Effekte verursachen, dass das Erdmagnetfeld in einer bestimmten Richtung verschoben bzw. versetzt wird und ändern sich nicht, wenn die Maschine, wie beispielsweise ein Bagger, um eine vertikale Achse gedreht wird. Die Fehler, welche durch Harteisen-Effekte induziert werden, durchlaufen während einer kompletten Drehung der Maschine einen einzelnen bzw. einzigen Zyklus. Weicheisen-Effekte entstehen aus der Wechselwirkung des Erdmagnetfeldes mit dem magnetisch permeablen Material des Baggers.
Weicheisen-Effekte ändern sich, wenn die Maschine gedreht wird, und die Fehler, welche durch Weicheisen-Effekte induziert werden, durchlaufen während einer vollständigen Drehung der Maschine zwei Zyklen.
Typischerweise wird das Erdmagnetfeld mit drei Magnetfeldsensoren sensiert, welche orientiert sind, um die Stärke des Erdmagnetfelds in drei orthogonalen Richtungen, der X-, Y- und Z-Richtung des Koordinaten-Bezugssystems des Sensors zu sensieren. Von den relativen Ausgaben der drei Sensoren ist es eine einfache Angelegenheit, die relative Orientierung und Stärke des Feldes hinsichtlich des Sensors zu bestimmen. Es wird anerkannt werden, dass, wenn das Koordinaten-Bezugssystems des Sensors nicht mit dem lokalen Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem der Baustelle abgeglichen ist, die sensierten Anzeigen des Magnetfeldes von dem X-, Y- und Z-Koordinaten-Bezugssystems des Sensors in das lokale Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem transformiert werden müssen, um die Richtung des Flusses und demnach den Steuerkurs bzw. die Ausrichtung der Maschine hinsichtlich der Baustelle zu bestimmen.
Verschiedene Herangehensweisen wurden in der Vergangenheit verwendet, um Magnetkompasssysteme bezüglich Harteisen-Effekte und Weicheisen-Effekte zu kompensieren. Viele dieser Kalibriertechniken gemäß dem Stand der Technik haben eine extensive Messung von Magnetfeldstärken mit der Maschine und einen Kompass, welcher in verschieden Richtungen orientiert ist als Teil einer erweiterten beschwerlichen Kalibrierroutine benötigt.
Die US 6,543,146 B2 lehrt ein dreiachsiges Algebramodell, das verwendet wird, um numerisch magnetische Fehler in gemessene Magnetfeldwerte in einem elektronischen Kompass für eine Orientierung des Kompasses zu kompensieren. Dieses Modell basiert auf physikalische Prinzipien und verwendet einen linearen Algebraansatz, der eine Berechnung der zur Kompensation benötigten Parameter ermöglicht. Während eines Kalibrierungsprozesses des elektronischen Kompasses werden Magnetfelder und Gravitationsfelder in drei Achsen bei jeder von einer Vielzahl von Kombination der Orientierungen und Azimuutwinkel gemessen.
Aus der DE 103 12 154 B4 ist ein Verfahren zum Ausführen einer Objektverfolgung bekannt. Mittels einer drei Drehratensensoren umfassenden Vorrichtung werden Messdaten ermittelt und hieraus durch Integration drei Drehwinkel zur weiteren Bestimmung der Orientierung des Objekts im Raum errechnet. Die Ermittlung der Messdaten und Errechnung der drei Drehwinkel werden quasikontinuierlich entsprechend einer Abtastrate durchgeführt oder die Orientierung des Objekts im Raum angezeigt oder in an sich beliebiger Weise weiterer Datenverarbeitung zugeführt oder zur Steuerungsprozessoren verwendet. Vor Beginn der Objektverfolgung und dann immer wieder wird, sobald ein Ruhen der Vorrichtung für eine bestimmte Zeitdauer festgestellt wird, ein Offset-Wert des Ausgangssignals der Drehratensensoren ermittelt und nachfolgend bis zur nächstfolgenden Ermittlung dieser Offset-Wert für die jeweiligen Drehratensensoren in Abzug gebracht.
Die US 6,671,622 B2 beschreibt ein fahrzeugseitiges Positionierungssystem, das in einem Fahrzeug aufgenommen ist und eine interne Messeeinheit, einen Nordfinder, einen Geschwindigkeitserzeuger, einen Navigationsprozessor, eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung und eine Kennfelddatenbasis enthält. Ausgabesignale der internen Messeeinheit, des Geschwindigkeitserzeugers und des Norderfinders werden bearbeitet, um hochgenaue Positionsmessungen eines Fahrzeugs auf Land und in Wasser zu erhalten. Die Fahrzeugpositionsinformation kann mit anderen Nutzern durch die drahtlose Kommunikationsvorrichtung ausgetauscht werden und die Position und die Umgebungsinformation kann auf der Anzeigevorrichtung durch Bewerten einer Kennfelddatenbasis mit der Fahrzeugpositioninformation angezeigt werden.
Die DE 699 04 759 T2 bezieht sich auf einen Orientierungswinkeldetektor, der Gyroskope benutzt, und insbesondere auf die Kompensation oder Korrektur des durch Gyroskope gemessenen Orientierungswinkels in solch einem Orientierungswinkeldetektor.
Aus der WO 03/069279 A2 ist ein elektronisches Navigationssystem bekannt. Das System enthält ein erstes Sensormodul zum Vorsehen einer Mehrzahl von Drehratensignalen, ein zweites Sensormodul zum Vorsehen einer Mehrzahl von Kompensationssignale und ein Mikrocontrollermodul zum Verarbeiten der Rotationsratensignale und der Kompensationssignale und zum Senden der Signale an eine Anzeige zum gleichzeitigen Anzeigen von Höheninformationen, Richtungsinformationen und Koordinateninformationen auf einem einzigen Bildschirm. Das erste Sensormodul enthält eine Mehrzahl von Rotationssensoren bestehend aus piezoelektrischen Elementen.
Die DE 10 2004 031 817 B3 betrifft ein Kommunikationssystem im Tagebau oder für den Einsatz auf einem Massengut-Umschlagplatz, bei dem Informationen zwischen einem Leistand und mindestens einem mobilen Gerät übertragen werden. Es ist ein trigonometrischer Punkt als Fixpunkt des Kommunikationssystems vorgegeben, der eine Richtantenne aufweist, welche einen Richtfunk-Sektor definiert, innerhalb dessen sich mindestens ein Gerät bewegt. Dass mindestens eine Gerät weist ein Richtantennensystem auf, wobei eine automatische Ausrichtung der Richtfunk-Übertragungsstrecke zwischen dem trigonometrischer Punkt und dem Gerät erfolgt.
KURZFASSUNG
Ein Verfahren zum Bestimmen des Steuerkurses eines Baggers auf einer Baustelle verwendet einen Magnetfeldsensor, welcher an dem Bagger montiert ist. Der Magnetfeldsensor sieht Anzeigen der Größe des Erdmagnetfelds in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors vor. Das Verfahren benutzt Inklinometer bzw. Neigungsmesser, welche eine Anzeige des Nickwinkels (pitch) und der Querneigung bzw. des Querneigungswinkels (roll) des Baggers vorsehen, einen gyroskopischen Sensor bzw. Kreiselsensor, welcher eine Drehung des Baggers um die Z-Achse des Magnetfeldsensors sensiert, und eine Verarbeitungsschaltung, welche einen zugeordneten Speicher hat. Die Verarbeitungsschaltung spricht auf den Magnetfeldsensor, die Inklinometer und den Kreiselsensor an. Das Verfahren weist ein Erzeugen und Speichern einer Kalibriertabelle von Daten, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger mit dem Magnetfeldsensor, ein Vorsehen von Anzeigen der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors, ein Transformieren der sensierten Anzeigen des Magnetfelds von dem X-, Y- und Z-Koordinatenreferenzrahmen des Sensors in das lokale Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem unter Verwendung der Ausgaben von den Inklinometern, ein Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten erfassten Anzeige des Magnetfelds und ein Entfernen solcher Harteisen-Komponenten zum Erzeugen korrigierter Anzeigen des Magnetfelds in dem lokalen Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem und ein Vergleichen der korrigierten Anzeigen mit den gespeicherten, skalierten Daten, um den Steuerkurs des Baggers zu bestimmen, vor. Der Schritt des Erzeugens und Speicherns einer Kalibriertabelle von Daten weist ein Drehen des Baggers unter im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit um eine im Allgemeinen vertikale Z-Achse, ein Speichern der Ausgaben von dem Magnetfeldsensor und dem Kreiselsensor, ein stationäres Bestimmen des Beginns und Endes einer vollständigen Drehung des Baggers durch Durchtritt eines Referenzpunkts basierend auf der Wiederholung von Datenwerten von dem Magnetfeldsensor, ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Daten, welche von dem Magnetfeldsensor empfangen werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente und ein Speichern solcher skalierter Daten auf.
Das Erzeugen und Speichern einer Kalibriertabelle von Daten kann weiterhin ein Kompensieren der gespeicherten Ausgaben hinsichtlich Harteisen-induzierter Fehler aufweisen. Das Erzeugen und Speichern einer Kalibriertabelle von Daten kann weiterhin ein Analysieren bzw. Vergleichen der Ausrichtung des Baggers durch ein Drehen desselben in eine vorbestimmte Referenzausrichtung bzw. auf einen vorbestimmten Referenzsteuerkurs und ein Bestimmen der entsprechenden Daten aus der Tabelle, welche die vorbestimmte Referenzausrichtung bzw. den vorbestimmten Steuerkurs repräsentiert, aufweisen, wodurch der Abgleich der Daten Steuerkurse des Baggers in Winkelinkrementen weg von dem vorbestimmten Referenzsteuerkurs repräsentiert. Ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor während der vollständigen Drehung empfangen werden und der entsprechenden Anzeigedaten, welche von dem Magnetfeldsensor empfangen werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente kann ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Anzeigedaten, welche von dem Magnetfeldsensor empfangen werden, in 1-Grad-Inkremente aufweisen.
Ein Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten erfassten Anzeige des Magnetfeldes kann ein Positionieren des Baggers aufweisen, um einen Steuerkurs in Richtung des magnetischen Nordens zu haben, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger mit dem Magnetfeldsensor, ein Vorsehen von Anzeigen der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors, ein Sensieren von Nickwinkel (pitch) und Querneigung bzw. Querneigungswinkel (roll) des Baggers, ein Nicken (pitch) des Baggers um einige Grad, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger mit dem Magnetfeldsensor, ein Vorsehen von Anzeigen der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors und ein Sensieren von Nickwinkel (pitch) und Querneigung bzw. Querneigungswinkel (roll) des Baggers.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht einen Bagger des Typs, welcher einen elektronischen Kompass verwendet;
2 ist eine Zeichnung, welche Steuerkursparameter veranschaulicht;
Die 3 und 4 sind Zeichnungen, welche die Beziehung zwischen der Maschine, dem Erd-Bezugssystem und dem Sensor-Bezugssystem veranschaulichen;
5 ist ein Flussdiagramm, welches Weicheisen-Kompensationsberechnungen veranschaulicht; und
6 ist eine Diagramm-Repräsentation einer Verarbeitungsschaltung bzw. Prozessorschaltung und zugeordneten Komponenten bzw. Bestandteilen zum Praktizieren des Kompensationsverfahrens.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bagger- und Baustellenmaschinensteuersysteme inkorporieren gemeinhin unter einer Anzahl von Sensoren Magnetkompasse. Solche Kompasse sensieren die Orientierung der Maschine oder eines Teils der Maschine in Bezug auf das Erdmagnetfeld. Diese Ausrichtungsinformation bzw. Steuerkursinformation wird, kombiniert mit anderen Sensor-erzeugten Daten mit erwünschten Konturdaten verglichen, und die Maschine wird demgemäß gesteuert.
Obwohl Magnetkompasssysteme relativ einfach und zuverlässig sind, sind herkömmliche Kalibrierverfahren für elektronische Kompasssysteme schwer zu implementieren und verfehlen es, eine in hohem Maße genaue Lösung für elektronische Kompasse, welche an großen Bagger befestigt sind, vorzusehen. Der massive Eisengehalt bzw. die massiven Eisenbestandteile solch einer Maschine addieren sich zum oder verzerren den Erdmagnetfeldvektor, was es schwer macht, eine genaue Kalibrierung zu erreichen. Weiterhin weisen solche Maschinen typischerweise Elektromotoren und andere Quellen von elektromagnetischen Feldern auf, welche sich zu den Effekten des Erdmagnetfeldes addieren oder von diesen subtrahieren, was weitere Fehler in der Steuerkursmessung einführt.
1 zeigt einen Bagger 10 des Typs, welcher ein System zum Bestimmen eines Steuerkurses durch ein Sensieren des Erdmagnetfelds und einer Korrektur hinsichtlich Harteisen-Effekten und Weicheisen-Effekten inkorporieren kann. Der Bagger weist ein Chassis bzw. ein Fahrgestell bzw. einen Rahmen 11, einen Ausleger bzw. Arm 12, welcher zentral bzw. drehbar an dem Chassis 11 an einer ersten Drehverbindung 14 gesichert ist, einen Löffelstiel-Ausleger 16, der zentral an dem Arm 12 an einer zweiten Drehverbindung 18 gesichert ist, und eine Baggerschaufel bzw. einen Löffel 20, welcher zentral an dem Löffelstiel-Ausleger 16 an einer dritten Drehverbindung 22 verbunden bzw. gesichert ist. Hydraulikzylinder 24, 26 und 28 sind vorgesehen, um den Arm 12, den Löffelstiel-Ausleger 16 und die Schaufel 20 zu bewegen. Die Schaufel 20 weist einen Schneidrand 30 auf, welcher gezackte bzw. gezahnte Zähne haben kann, um beim Bagger unterstützend zu wirken. Das Chassis 11 trägt ein Führerhaus 31 und ist auf einer Fahrgestellunterstützung und einer Beförderungsvorrichtung 32 abgestützt, welche Bandläufe aufweisen mögen, welche die Bewegung des Baggers über die Baustelle erleichtern. Das Chassis 11 und die Bauteile bzw. Bestandteile, welche es trägt, können um eine im Wesentlichen vertikale Achse 34 hinsichtlich der Fahrgestellunterstützung und Beförderungsvorrichtung 32 bewegt werden, um die Schaufel an der präzisen Örtlichkeit, welche zum Bagger benötigt wird, zu platzieren.
Für den Bediener muss zum Steuern des Betriebes des Baggers entweder manuell oder durch ein automatisiertes Steuersystem eine Information bzw. Informationen betreffend sowohl die Örtlichkeit bzw. Platzierung als auch Orientierung des Baggers bestimmt werden. Die Platzierung des Baggers kann in irgendeiner von einer Anzahl von Arten bestimmt werden, einschließlich der Verwendung eines Laserpositionierungssystems, einer Verwendung eines GPS-Positionierungssystems, einer Verwendung eines Systems, welches eine Laser- und eine GPS-Positionierung kombiniert, oder einer Verwendung einer Gesamt-Robot-Station. Die relative Position des Arms 12, des Löffelstiel-Auslegers 16 und der Schaufel 20 kann durch Winkelgeber, schwerkraftbasierte Inklinometer oder ähnliche Sensoren, welche den Drehverbindungen 14, 18 und 22 zugeordnet sind, oder durch Stringgeber bzw. Stringkodierer, welche Zylindern 24, 26 und 28 zugeordnet sind, oder durch eine Kombination solcher Sensoren bestimmt werden. Die Orientierung des Baggers 10 hinsichtlich einer wirklichen Vertikalen wird durch ein Inklinometer 36, welches an dem Chassis 11 angebracht ist, bestimmt. Das Inklinometer 36 arbeitet in zwei Achsen und sieht eine Anzeige des Querneigungswinkels (roll) und des Nickwinkels (pitch) vor. Wie vollständiger unten erklärt wird, weist das System weiterhin einen Magnetfeldsensor 38 auf, welcher Anzeigen der Größe des Erdmagnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensor-Bezugssystems vorsieht. Zusätzlich weist das System einen Kreiselsensor 40 auf, welcher die Drehung des Baggers um die Z-Achse 34 des Magnetfeldsensors 38 sensiert. Wie untenstehend erklärt werden wird, reagiert eine Verarbeitungsschaltung bzw. Prozessorschaltung 50, welche einen zugeordneten Speicher 52 (6) hat, auf den Magnetfeldsensor 38, das Inklinometer 36 und den Kreiselsensor 40 und bestimmt den Steuerkurs des Baggers 10 auf der Baustelle. Obwohl als separate bzw. getrennte Bestandteile gezeigt, wird es durch Fachleute anerkannt werden, dass das Inklinometer 36 und der Magnetfeldsensor 38 in demselben Gehäuse angebracht werden können. Weiterhin können die Inklinometer und die Kreiselsensoren die Form eine IMU, einer Integal-Mess-Einheit, oder einer ähnlichen Vorrichtung annehmen, in welcher einige oder alle der Magnetfeld-, Schwerkraft- und Gyroskop-Sensoren zusammen als eine einzelne Komponente gepackt sind. Zusätzlich können, obwohl Inklinometer untenstehend beschrieben sind, andere äquivalente Schwerkraftreferenzsensoren verwendet werden.
Der Steuerkurs des Baggers ist die Richtung, in welche die longitudinale Achse des Chassis 11 angeordnet ist. Diese wird durch das Magnetkompasssystem bestimmt, welches die relative Orientierung des Chassis 11 zu dem Erdmagnetfeld erfasst. Das Magnetkompasssystem erhöht die Genauigkeit durch ein Berücksichtigen von Weicheisen-Effekten und Harteisen-Effekten.
Um Weicheisen-Effekte zu kompensieren wird die Maschine um eine komplette Drehung gedreht. Die Neigung des Chassis 11 wird zusammen mit den Niveaus des Magnetfeldes, welches in der X-, Y- und Z-Richtung des Magnetfeldsensors 38 sensiert wird, berücksichtigt. Das Gyroskop 40 wird verwendet, um die Drehung der Maschinen in kleine Winkelinkremente aufzubrechen, wie beispielsweise 360 gleiche 1-Grad-Inkremente.
Die Schwierigkeit, welche auftritt, wenn das integrierte Gyro-Signal verwendet wird, um eine Weicheisen-Kalibriertabelle aufzubauen, ist, dass die Ausgabe des Kreiselsensors leicht nichtlinear ist. Jeder Kreiselsensor durchläuft eine werksseitige Kalibrierung, um jedoch herausragende Resultate zu erzielen, muss das Gyroskop auch an der Maschine re-kalibriert werden. Zusätzlich tragen eine Sensoralterung, die Temperatur und die Größe der Drehrate zu der Notwendigkeit bei, den Kreiselsensor an der Maschine über seine nutzbare Lebensdauer wiederholt zu kalibrieren. Wenn das Gyroskop angemessen skaliert wird, sieht es ein in hohem Maße genaues Maß einer Winkelposition vor, was eine Aufstellung einer genauen Kalibriertabelle erlaubt. Es wurde herausgefunden, dass die unkompensierten Ausgaben des Magnetfeldsensors verwendet werden können, um zu bestimmen, wann eine vollständige Drehung durchgeführt wurde, da diese Ausgaben bei einer vollständigen 360°-Drehung zu demselben Niveau zurückkehren.
Als nächstes werden die Effekte von Harteisen auf den Magnetsensor basierend auf bestimmten Gleichungen extrahiert, welche den lokalen Neigungswinkel des Erdmagnetvektors benötigen. Um den lokalen Neigungswinkel des Erdmagnetvektors zu bestimmen, nehmen wir eine Messung des Magnetsensors zusammen mit dem Nickwinkel (pitch) und der Querneigung bzw. dem Querneigungswinkel (roll) der Sensoren, wenn die Maschine gegen den magnetischen Norden blickt. Der Bediener neigt (pitch) die Maschine einige Grad. Ein neuer Satz von Magnetsensoranzeigen und Nickwinkel (pitch) und Querneigung bzw. Querneigungswinkel (roll) Anzeigen wird aufgenommen. Aus dieser Information wird der lokale Neigungswinkel wie unterstehend erklärt wird, bestimmt.
An diesem Punkt werden die horizontalen Weicheisen-Effekte entfernt, die horizontalen Harteisen-Effekte werden entfernt und die vertikalen Harteisen-Effekte werden entfernt. Um die Maschinensteuerkursgenauigkeit noch weiter zu verbessern, werden die vertikalen Weicheisen-Effekte entfernt. Dies wird getan durch ein Charakterisieren des Z-Achsenmagnetsensors während des Maschinendrehabschnitts des Kalibriervorgangs.
Dieses System kann verwendet werden als ein Steuerkurs- bzw. Ausrichtungssensor für einen Bagger. Wenn die Maschine sich in Position dreht, sieht das System kontinuierlich genaue Steuerkursinformationen vor, welche als eine Eingabe für eine präzise Steuerung verwendet werden. Wenn der Bagger zu einem anderen Ort an der Baustelle bewegt wird, kann der Re-Kalibriervorgang für eine maximale Genauigkeit wiederholt werden.
Es wird nun Bezug genommen auf die 2 und 3. Die positive X-Achse ist als die Steuerkursrichtung definiert. Ein positiver Steuerkurswinkel (ρ) wird von dem magnetisch nach Norden gerichteten Vektor zu der X-Achse gemessen, wenn eine Betrachtung auf der Normalebene der Erde von der negativen Z-Achse durchgeführt wird.
Als nächstes leiten wir die Drehmatrix zwischen der Steuerkurssensorebene und der Erd-Normalen her. Bezug wird nun auf die 3 und 4 genommen.
Querneigung bzw. Querneigungswinkel(X-)Achse
Unter Verwendung der obigen Gleichungen 10, 11 und 12 Definieren der Drehmatrix im Querneigungswinkel:
Unter Verwendung der obigen Gleichungen 13, 14 und 15, gilt zum Ableiten der Drehmatrix im Nickwinkel:
Multipliziere die Nickwinkel-Drehmatrix mit der Querneigungswinkel-Drehmatrix, um die gesamte Drehmatrix von der Erd-Normalen zur Steuerkurssensorebene zu entwickeln.
Zum Rotieren von der Steuerkurssensorebene zur Erd-Normalen verwende die Transponierte von R:
Da wir nur die X- und die Y-Komponente des Erdmagnetfeldes benötigen, um den Steuerkurs mit den obigen Gleichungen 4 bis 8 zu berechnen, verwende die folgenden Gleichungen: 16. Hx = Hx'cosμ + Hz'sinμ 17. Hy = Hx'sinμsinψ + Hy'cosψ – Hz'cosμsinψ
Als nächstes leiten wir die Erdmagnetkomponenten in der Steuerkurssensorebene mit Harteisen-Einfluss ab. H_HS = RH_EN
Hinzufügen von Harteisen: H_HSmeas = RH_EN + H_HI
Substituiere Gleichung 4: 18. H_HSmeas = He·RM + H_HI
Entfernen von Harteisendaten, welche auf flachen und geneigten Oberflächen erhalten werden. H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP = He·R_LVLM + HI – He·R_SLPM – H_HI H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP = He·[R_LVLM – R_SLPM] 19. H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP = He·[R_LVL – R_SLP]M
Ausmultiplizieren von Gleichung 19: 20. (H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP)x = He[cosϕcosρ(cosμ_L – cosμ_S) + cosϕsinρ(sinμ_Lsinψ_L – sinμ_Ssinψ_S) – sinϕ(sinμ_Lcosψ_L – sinμ_Scosψ_S)] 21. (H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP)y = He[cosϕsinρ(cosψ_L – cosψ_S) + sinϕ(sinψ_L – sinψ_S)] 22. (H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP)z = He[cosϕcosρ(sinμ_L – sinμ_S) – cosϕsinρ(cosμ_Lsinψ_L – cosμ_Ssinψ_S) + sinϕ(cosμ_Lcosψ_L – cosμ_Scosψ_S)]
Da die linke Seite von 19 aus Maschinenmessungen aufgebaut ist, schreiben wir: K = (H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP)x/(H_HSmeasLVL – H_HSmeasSLP)z K = He[cosϕcosρ(cosμ_L – cosμ_S) + cosϕsinρ(sinμ_Lsinψ_L – sinμ_Ssinψ_S) – sinϕ(sinμ_Lcosψ_L – sinμ_Scosψ_S)]/He[cosϕcosρ(sinμ_L – sinμ_S) – cosϕsinρ(cosμ_Lsinψ_L – cosμ_Ssinψ_S) + sinϕ(cosμ_Lcosψ_L – cosμ_Scosψ_S)] cosϕcosρ(cosμ_L – cosμ_S) + cosϕsinρ(sinμ_Lsinψ_L – sinμ_Ssinψ_S) – sinϕ(sinμ_Lcosψ_L – sinμ_Scosψ_S) = Kcosϕcosρ(sinμ_L – sinμ_S) – Kcosϕsinρ(cosμ_Lsinψ_L – cosμ_Ssinψ_S) + Ksinϕ(cosμ_Lcosψ_L – cosμ_Scosψ_S)
Dividiere durch cosϕ: cosρ(cosμ_L – cosμ_S) + sinρ(sinμ_Lsinψ_L – sinμ_Ssinψ_S) – tanϕ(sinμ_Lcosψ_L – sinμ_Scosψ_S) = Kcosρ(sinμ_L – sinμ_S) – Ksinρ(sinμ_Lsinψ_L – cosμ_Ssinψ_S) + Ktanϕ(cosμ_Lcosψ_L – cosμ_Scosψ_S) tanϕ(sinμ_Lcosψ_L – sinμ_Scosψ_S) + Ktanϕ(cosμ_Lcosψ_L – cosμ_Scosψ_S) = –Kcosρ(sinμ_L – sinμ_S) + Ksinρ(cosμ_Lsinψ_L – cosμ_Ssinψ_S) + cosρ(cosμ_L – cosμ_S) + sinρ(sinμ_Lsinψ_L – sinμ_Ssinψ_S) 23. ϕ = tan^–1{[Ksinρ(cosμ_Lsinψ_L – cosμ_Ssinψ_S) – Kcosρ(sinμ_L – sinμ_S) + cosρ(cosμ_L – cosμ_S) + sinρ(sinμ_Lsinψ_L – sinμ_Ssinψ_S)]/[(sinμ_Lcosψ_L – sinμ_Scosψ_S) + K(cosμ_Lcosψ_L – cosμ_Scosψ_S)]}
Als nächstes finden wir die Harteisenkomponente in der X-Richtung durch ein Ausmultiplizieren der Gleichung 18 für H_HsmeasX für sowohl flach als auch geneigt: H_HSmeasX = He(cosϕcosρcosμ + sinμsinψcosϕsinρ – sinμcosψsinϕ) + H_HIX H_{HSmeasX_L} = He(cosϕcosρcosμ_L + sinμ_Lsinψ_Lcosϕsinρ – sinμ_Lcosψ_Lsinϕ) + H_HIX H_{HSmeasX_S} = He(cosϕcosρcosμ_S + sinμ_Ssinψ_Scosϕsinρ – sinμ_Scosψ_Ssinϕ) + H_HIX
Auflösen nach HE und gleichsetzen: (H_{HSmeasX_L} – H_HIX)/(cosϕcosρcosμ_L + sinμ_Lsinψ_Lcosϕsinρ – sinμ_Lcosψ_Lsinϕ) = (H_{HSmeasX_S} – H_HIX)/(cosϕcosρcosμ_S+ sinμ_Ssinψ_Scosϕsinρ – sinμ_Scosψ_Ssinϕ) Ratio = Verhältnis = (cosϕcosρcosμ_L + sinμ_Lsinψ_Lcosϕsinρ – sinμ_Lcosψ_Lsinϕ)/(cosϕcosρcosμ_S + sinμ_Ssinψ_Scosϕsinρ – sinμ_Scosψ_Ssinϕ) H_{HSmeasX_L} – H_HIX = (H_{SmeasX_S} – H_HIX)Ratio H_HIX – H_HIXRatio = H_{HSmeasX_L} – H_{HSmeasX_S}Ratio 24. H_HIX = (H_{HSmeasX_L} – H_{HSmeasX_S}Ratio)/(l – Ratio)
Wir finden die Harteisenkomponente in der Z-Richtung durch ein Ausmultiplizieren von Gleichung 18 für H_HSmeasZ für sowohl flach als auch geneigt: H_HSmeasZ = He(cosϕcosρsinμ – cosϕsinρcosμsinψ + sinϕcosμcosψ) + H_HIZ H_{HSmeasZ_L} = He(cosϕcosρsinμ_L – cosϕsinρcosμ_Lsinψ_L + sinϕcosμ_Lcosψ_L) + H_HIZ H_{HSmeasZ_S} = He(cosϕcosρsinμ_S – cosϕsinρcosμ_Ssinψ_S + sinϕcosμ_Scosψ_S) + H_HIZ
Auflösen nach He und gleichsetzen: (H_{HSmeasZ_L} – H_HIZ)/(cosϕcosρsinμ_L – cosϕsinρcosμ_Lsinψ_L + sinϕcosμ_Lcosψ_L) = (H_{HSmeasZ_S} – H_HIZ)/(cosϕcosρsinμ_S – cosϕsinρcosμ_Ssinψ_S + sinϕcosμ_Scosψ_S) Ratio = (cosϕcosρsinμ_L – cosϕsinρcosμ_Lsinψ_L + sinϕcosμ_Lcosψ_L)/(cosϕcosρsinμ_S – cosϕsinρcosμ_Ssinψ_S + sinϕcosμ_Scosψ_S) H_{HSmeasZ_L} – H_HIZ = (H_{HSmeasZ_S} – H_HIZ)Ratio H_HIZ – H_HIZRatio = H_{HSmeasZ_L} – H_{HSmeasZ_S}Ratio 25. H_HIZ = (H_{HSmeasZ_L} – H_{HSmeasZ_S}Ratio)/(l – Ratio)
Als nächstes finden wir die Harteisenkomponente in der Y-Richtung durch ein Sammeln von magnetischen Daten mit dem Rotieren der Maschine gegen den Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn um die Nordrichtung mit dem Verständnis, dass die Erdmagnetfeldstärke konstant ist (für die Zeit, welche benötigt wird, um zu kalibrieren und wenn die Maschine die Orientierung ändert): He² = (H_{HSmeasX_CCW} – H_HIX)² + (_{HHSmeasY_CCW} – H_HIY)² + (H_{HSmeasZ_CCW} – H_HIZ)² He² = (H_{HSmeasX_CW} – H_HIX)² + (H_{HSmeasY_CW} – H_HIY)² + (H_{HSmeasZ_CW} – H_HIZ)² (H_{HSmeasX_CCW} – H_HIX)² + (H_{HSmeasY_CCW} – H_HIY)² + (H_{HSmeasZ_CCW} – H_HIZ)² = (H_{HSmeasX_CW} – H_HIX)² + (H_{HSmeasY_CW} – H_HIY)² + (H_{HSmeasZ_CW} – H_HIZ)² (H_{HSmeasY_CCW} – H_HIY)² – (H_{HSmeasY_CW} – H_HIY)² = (H_{HSmeasX_CW} – H_HIX)² + (H_{HSmeasZ_CW} – H_HIZ)² – (H_{HSmeasX_CCW} – H_HIX)² – (H_{HSmeasZ_CCW} – H_HIZ)² H_{HSmeasY_CCW} ² – 2H_{HSmeasY_CCW}H_HIY + H_HIY ² – (H_{HSmeasY_CW} ² – 2H_{HSmeasY_CW}H_HIY + H_HIY ²) = (H_{HSmeasX_CW} – H_HIX)² + (H_{HSmeasZ_CW} – H_HIZ)² – (H_{HSmeasX_CCW} – H_HIX)² – (H_{HSmeasZ_CCW} – H_HIZ)² 2H_{HSmeasY_CW}H_HIY – 2H_{HSmeasY_CCW}H_HIY = (H_{HSmeasX_CW} – H_HIX)² + (H_{HSmeasZ_CW} – H_HIZ)² – (H_{HSmeasX_CCW} – H_HIX)² – (H_{HSmeasZ_CCW} – H_HIZ)² – H_{HSmeasY_CCW} ² + H_{HSmeasY_CW} ² 26. H_HIY = [(H_{HSmeasX_CW} – H_HIX)² + (H_{HSmeasZ_CW} – H_HIZ)² – (H_{HSmeasX_CCW} – H_HIX)² – (H_{HSmeasZ_CCW} – H_HIZ)² – H_{HSmeasY_CCW} ² + H_{HSmeasY_CW} ²]/[2(H_{HSmeasY_CW} – H_HSmeasY_CCW)]
Als nächstes gehen wir zu der Weicheisen-Kalibrierung über. Die Weicheisen-Kalibrierung ist notwendig, um jegliche Nichtlinearität, welche durch Verzerrungen des Erdmagnetfelds verursacht werden, zu entfernen. Es gibt zahlreiche publizierte Verfahren, um diese Angelegenheit zu lösen. Das meistverbreitete und am wenigsten ressourcenintensive Verfahren ist es, einen Einheitskreis am besten in die horizontale Ebene zu fitten. Es gibt jedoch Beschränkungen hinsichtlich der Genauigkeit, welche mit diesem Ansatz erhaltbar ist. Der erste Weg, um dieses Problem zu lösen, ist es, den Sensor eine komplette Umdrehung zu drehen und den berechneten Steuerkurs gegen eine „Quelle der Wahrheit”, d. h. eine Anzeige des aktuellen bzw. tatsächlichen Steuerkurses zu vergleichen. Mit einer Quelle der Wahrheit kann eine Vergleichstabelle erzeugt werden, um die Ablenkungen zu kompensieren. Die Hauptschwierigkeit bei dieser Aufgabe ist es, eine Quelle der Wahrheit an dem Kalibrierort zu platzieren.
Das vorliegende Verfahren verwendet ein Gyroskop an der Maschine, um die Winkelorientierung der gemessenen Werte, welche während der Drehung des Sensors aufgenommen werden, zu bestimmen. Wenn wir das Gyro-Signal integrieren, entwickeln wir eine Tabelle von Werten unter gleichmäßig beabstandeten Winkelinkrementen während einer kompletten Umdrehung. Die Schwierigkeit mit dieser Herangehensweise ist, dass die Gyroskop-Sensorausgabe Fehler aufgrund von Nichtlinearitäten, der Temperatur und einer Null-Offset-Drift hat. Um diese Probleme zu lösen, re-skaliert das Verfahren die Gyro-Ausgabe während des Kalibriervorgangs. Eine einzelne Magnetometerachse kann den Sensor mit einem Referenzpunkt versorgen, welcher anzeigt, dass sich die Maschine und der Sensor exakt um 360° gedreht haben. Der Skalierungsfaktor kann dann, bis die Integration des Gyroskop-Signals exakt 360° ist, durch jeden Durchtritt des Referenzpunkts angepasst werden. Um das Null-Offset-Driftproblem zu lösen, ist die Maschine am Beginn der Kalibration stationär, um den Offset zu messen. Der Drehdatenerfassungsteil der Kalibrierung wird durchgeführt, wenn die sich Maschine unter einer gleichmäßigen Drehgeschwindigkeit dreht. Die Verschiebung bzw. Drift in den Feldwerten sollte während dieser kurzen Zeitdauer minimal sein.
Nachdem nun eine Quelle der Steuerkurs- bzw. Ausrichtungswahrheit ermittelt ist, füllt das System intern eine Weicheisen-Kalibrier-Vergleichstabelle. Der Weicheisen-Algorithmus ist in dem Flussdiagramm der 5 veranschaulicht.

Da die Rotation um die Z-Achse 34 ist, ist das Wahrheitssignal in der Kompassebene. Die Weicheisen-Tabelle wird jedoch in der Erd-Normalen-Ebene berechnet. Für Kalibrationen, welche auf ordentlichen flachen Oberflächen durchgeführt werden, ist die Differenz zwischen der Kompassebene und der Erd-Normalen-Ebene vernachlässigbar. Unterhalb ist eine Tabelle, welche den Maximalfehler zwischen der Kompassebene und der Erd-Normalen-Ebene für verschiedene Steigungen zusammenfasst, wenn das Wahrheitssignal nicht auf die Erd-Normalen-Ebene transformiert wird:

Steigung	Maximalfehler zwischen Ebenen
1 Grad	0,01 Grad Ausrichtungsfehler
2 Grad	0,02 Grad Ausrichtungsfehler
3 Grad	0,04 Grad Ausrichtungsfehler
10 Grad	0,43 Grad Ausrichtungsfehler
20 Grad	1,78 Grad Ausrichtungsfehler

Übersetze das Kompassebenen-Wahrheitssignal zu einer Erd-Normalen wie folgt. Als erstes finde den Maximal/Minimal-Pitch und den Dreh-Offset für einen gegebenen anfänglichen Pitch (= Nickwinkel) und einen anfänglichen Roll (= Querneigungswinkel). Offset = atan(–sin(anfänglicher Roll)/sin(anfänglicher Pitch)); PitchAmplitude = –asin(anfänglicher Roll)·sin(Offset) – sin(anfänglicher Pitch)·cos(Offset)); Berechne die {X, Y, Z} Koordinaten für einen gegebenen Dreh-Offset nach dem Integrieren des Gyro-Signals: X = –cos(PitchAmplitude)·sin(Integrierter Winkel – Offset + 270°) Y = sin(Integrierter Winkel – Offset) und Z = sin(PitchAmplitude)·sin(Integrierter Winkel – Offset + 270°)
Diese Gleichungen wurden bestimmt durch eine Entwicklung eines gleichzeitigen bzw. simultanen Satzes von Gleichungen nach dem Definieren von drei Vektoren. Die drei Vektoren waren: i) Entlang der X-Achse in der Kompassebene (bestimmt aus dem anfänglichen Nickwinkel). Nenne diesen Vektor V1. ii) Entlang der Y-Achse in der Kompassebene (bestimmt aus dem anfänglichen Querneigungswinkel). Nenne diesen Vektor V2. iii) Der normale Vektor um V1 und V2. Nenne diesen Vektor N.
Als nächstes wurde die Kreuzproduktregel verwendet, um sechs Sätze von Gleichungen aufzustellen, um den unbekannten Vektor zu finden, welchen wir B nennen werden. V1 × B = lev(V1)·len(B)·sin(Integrierter Winkel)·N V2 × B = len(V2)·len(B)·sin(Integrierter Winkel + 270°)·N len(V1) = len(V2) = len(B) = 1
Wenn die X/Y-Koordinaten einmal gefunden sind, können wir leicht die Erd-Normal-Ausrichtung finden: atan2 (Y/X).
Bezug nehmend wiederum auf 5 kann gesehen werden, dass eine anfängliche statische Ausrichtung bzw. ein anfänglicher statischer Steuerkurs bei 70 bestimmt wird. Dies analysiert bzw. vergleicht die Maschine wesentlich in einer bekannten Richtung auf der Baustelle. Als nächstes wird die Maschine um eine Drehung bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit gedreht, wie bei 72 angezeigt wird. Die Daten von dem Kreiselsensor werden bei 74 integriert und die Magnetsensorwerte werden in ein Erd-Normal-Koordinatensystem bei 76 transformiert. Dies dauert an, bis das Erd-Normal-Drehsignal einen 1-Grad-Grenzwert kreuzt. Die Werte werden dann vor dem 1-Grad-Grenzwert und nach dem 1-Grad-Grenzwert bei 78 und 80 abgetastet und bei 82 interpoliert, um Daten für den nächsten Punkt in der Datenvergleichstabelle herzustellen. Dieser Vorgang dauert an, bis Daten von einer vollständigen Drehung gespeichert worden sind.
Die Weicheisen-Kalibrierung arbeitet gut, um horizontale Verzerrungen des Erdmagnetfelds zu kompensieren. Sie kann jedoch nicht Verzerrungen kompensieren, welche in der vertikalen Achse erzeugt werden. Durch Experimentieren wurde herausgefunden, dass die vertikale Verzerrung durch ein Charakterisieren der Verzerrung durch eine komplette Drehung kompensiert werden kann. Wenn wir annehmen, dass die Z-Achse des Magnetsensors parallel zu der Z-Achse 34 der Maschinendrehung installiert ist, sollten Messungen, welche an dem Z-Achsen-Magnetometer gesammelt werden, konstant sein. Abweichungen davon sind ein Maß der vertikalen Weicheisen-Verzerrung. Um dies zu charakterisieren und nachfolgend zu kompensieren, werden die Amplitude und Phasenverschiebung der Z-Achsenmessungen über eine volle Umdrehung berechnet.
Diese Charakteristiken sind eine Funktion des Steuerkurses. Wir benutzen zuerst die Rohmessungen, um eine grobe Abschätzung für den Steuerkurs zu berechnen, kompensieren die Z-Achsenmessung durch die charakteristische Gleichung und berechnen die letzte bzw. letztendliche Ausrichtungsmessung. Wir können dies aus zwei Gründen tun: i) Die Weicheiseneffekte sind sinusförmig, so werden bei 5 bis 10 Grad im Steuerkurs die Effekte ähnlich sein, und ii) die Z-Achsengenauigkeit ist nicht so kritisch wie die X/Y-Achsengenauigkeit (besonders mit kleineren Steigungen).
Es sollte anerkannt werden, dass es unter einigen Umständen nicht möglich sein kann, dass die Maschine eine gesamte 360°-Drehung als einen Teil des Vorganges zum Aufbauen der Weicheisen-Kalibriertabelle durchführt. Beispielsweise können das Terrain oder Strukturen nahe zu der Maschine solch eine Bewegung verhindern. In diesem Fall kann eine teilweise Drehung der Maschine durchgeführt werden, wobei Daten während der teilweisen Drehung gesammelt werden. Da die unkompensierten Ausgaben des Magnetfeldsensors nicht verwendet werden können, um den Kreiselsensor zu re-skalieren oder re-kalibrieren, wenn weniger als eine volle Umdrehung getätigt wird, wird verstanden werden, dass die Genauigkeit, welche erreicht wird, wenn in dieser Art und Weise ein Betrieb stattfindet, geringer sein wird.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung eines Baggers (10) auf einer Baustelle unter Verwendung eines Magnetfeldsensors (38), welcher an dem Bagger (10) angebracht ist, wobei der Magnetfeldsensor (38) Angaben der Größe des Erdmagnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors vorsieht, unter Verwendung von Inklinometern (36), welche eine Angabe des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10) vorsehen, unter Verwendung eines Kreiselsensors (40) zum Sensieren einer Drehung des Baggers (10) um die Z-Achse des Magnetfeldsensors (38) und unter Verwendung einer Verarbeitungsschaltung (50), welche einen zugeordneten Speicher (52) hat, welche auf den Magnetfeldsensor (38), die Inklinometer (36) und den Kreiselsensor (40) anspricht, aufweisend: ein Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten, aufweisend ein Drehen des Baggers (10) unter im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit um eine im Wesentlichen vertikale Z-Achse, ein Speichern der Ausgaben von dem Magnetfeldsensor (38) und dem Kreiselsensor (40), ein stationäres Bestimmen des Beginns und Endes einer vollständigen Drehung des Baggers (10) durch Durchtritt eines Referenzpunkts basierend auf der Wiederholung von Datenwerten von dem Magnetfeldsensor (38), und ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) empfangen werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente und ein Speichern solch skalierter Daten, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Transformieren der sensierten Angaben des Magnetfeldes von dem X-, Y- und Z-Koordinaten-Bezugssystem des Sensors (38) in ein lokales Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem unter Verwendung der Ausgaben der Inklinometer (36), ein Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten sensierten Angabe des Magnetfeldes und ein Entfernen solcher Harteisen-Komponenten, um korrigierte Angaben des Magnetfeldes in dem lokalen Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem zu erzeugen, und ein Vergleichen der korrigierten Angaben mit den gespeicherten, skalierten Daten, um die Ausrichtung des Baggers (10) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten ein Kompensieren der gespeicherten Ausgaben hinsichtlich Harteisen-induzierter Fehler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in gleiche Inkremente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten sensierten Angabe des Magnetfelds Folgendes aufweist: ein Positionieren des Baggers (10), um eine Ausrichtung im Wesentlichen in Richtung des magnetischen Nordens zu haben, ein Sensieren des Magnetfelds an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10), ein Ändern des Nickwinkels des Baggers (10) um einige Grad, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), und ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten weiterhin ein Analysieren der Ausrichtung des Baggers (10) durch ein Drehen desselben auf eine vorbestimmte Referenzausrichtung aufweist und ein Bestimmen der entsprechenden Daten aus der Tabelle, welche die vorbestimmte Referenzausrichtung repräsentieren, wodurch der Abgleich der Daten Ausrichtungen des Baggers (10) in Winkelinkrementen weg von der vorbestimmten Referenzausrichtung repräsentiert.
Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung eines Baggers (10) und zum Kompensieren von Weicheisen-Fehlern auf einer Baustelle unter Verwendung eines Magnetfeldsensors (38), welcher an dem Bagger (10) angebracht ist, wobei der Magnetfeldsensor (38) Angaben der Größe des Erdmagnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors vorsieht, unter Verwendung von Schwerkraftreferenzsensoren, welche eine Angabe des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10) vorsehen, unter Verwendung eines Kreiselsensors (40) zum Sensieren einer Drehung des Baggers (10) um die Z-Achse des Magnetfeldsensors (38) und unter Verwendung einer Verarbeitungsschaltung (50), welche einen zugeordneten Speicher (52) hat, welche auf den Magnetfeldsensor (38), die Inklinometer (36) und den Kreiselsensor (40) anspricht, aufweisend: ein Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten, aufweisend ein Festhalten des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10), ein Drehen des Baggers (10) unter im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit um eine im Wesentlichen vertikale Z-Achse über eine vollständige Drehung, ein Speichern der Ausgaben von dem Magnetfeldsensor (38), den Inklinometern (36) und dem Kreiselsensor (40), ein stationäres Bestimmen des Beginns und Endes einer vollständigen Drehung des Baggers (10) durch Durchtritt eines Referenzpunkts basierend auf der Wiederholung von Datenwerten von dem Magnetfeldsensor (38), und ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) empfangen werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente und ein Speichern solch skalierter Daten, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Transformieren der sensierten Angaben des Magnetfeldes von dem X-, Y- und Z-Koordinaten-Bezugssystem des Sensors (38) in ein lokales Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem unter Verwendung der Ausgaben der Inklinometer (36), ein Vergleichen der korrigierten Angaben mit den gespeicherten, skalierten Daten, um die Ausrichtung des Baggers (10) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten ein Kompensieren der gespeicherten Ausgaben hinsichtlich Harteisen-induzierter Fehler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in gleiche Inkremente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten sensierten Angabe des Magnetfelds Folgendes aufweist: ein Positionieren des Baggers (10), um eine Ausrichtung im Wesentlichen in Richtung des magnetischen Nordens zu haben, ein Sensieren des Magnetfelds an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10), ein Ändern des Nickwinkels des Baggers (10) um einige Grad, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), und ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10).
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten weiterhin ein Analysieren der Ausrichtung des Baggers (10) durch ein Drehen desselben auf eine vorbestimmte Referenzausrichtung aufweist und ein Bestimmen der entsprechenden Daten aus der Tabelle, welche die vorbestimmte Referenzausrichtung repräsentieren, wodurch der Abgleich der Daten Ausrichtungen des Baggers (10) in Winkelinkrementen weg von der vorbestimmten Referenzausrichtung repräsentiert.
Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung eines Baggers (10) auf einer Baustelle unter Verwendung eines Magnetfeldsensors (38), welcher an dem Bagger (10) angebracht ist, wobei der Magnetfeldsensor (38) Angaben der Größe des Erdmagnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38) vorsieht, unter Verwendung von Inklinometern (36), welche eine Angabe des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10) vorsehen, unter Verwendung eines Kreiselsensors (40) zum Sensieren einer Drehung des Baggers (10) um die Z-Achse des Magnetfeldsensors (38) und unter Verwendung einer Verarbeitungsschaltung (50), welche einen zugeordneten Speicher (52) hat, welche auf den Magnetfeldsensor (38), die Inklinometer (36) und den Kreiselsensor (40) anspricht, aufweisend: ein Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten, aufweisend ein Drehen des Baggers (10) um eine im Wesentlichen vertikale Z-Achse über weniger als eine vollständige Drehung, ein Speichern der Ausgaben von dem Magnetfeldsensor (38) und dem Kreiselsensor (40), und ein Trennen der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der weniger als vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) empfangen werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente, und ein Speichern solcher Daten, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größen des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Transformieren der sensierten Angaben des Magnetfeldes von dem X-, Y- und Z-Koordinaten-Bezugssystem des Sensors (38) in ein lokales Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem unter Verwendung der Ausgaben der Inklinometer (36), ein Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten sensierten Angabe des Magnetfeldes und ein Entfernen solcher Harteisen-Komponenten, um korrigierte Angaben des Magnetfeldes in dem lokalen Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem zu erzeugen, und ein Vergleichen der korrigierten Angaben mit den gespeicherten, skalierten Daten, um die Ausrichtung des Baggers (10) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten ein Kompensieren der gespeicherten Ausgaben hinsichtlich Harteisen-induzierter Fehler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der weniger als vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der weniger als vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in gleiche Inkremente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten sensierten Angabe des Magnetfelds Folgendes aufweist: ein Positionieren des Baggers (10), um eine Ausrichtung im Wesentlichen in Richtung des magnetischen Nordens zu haben, ein Sensieren des Magnetfelds an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10), ein Ändern des Nickwinkels des Baggers (10) um einige Grad, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), und ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10).
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten weiterhin ein Analysieren der Ausrichtung des Baggers (10) durch ein Drehen desselben auf eine vorbestimmte Referenzausrichtung aufweist und ein Bestimmen der entsprechenden Daten aus der Tabelle, welche die vorbestimmte Referenzausrichtung repräsentieren, wodurch der Abgleich der Daten Ausrichtungen des Baggers (10) in Winkelinkrementen weg von der vorbestimmten Referenzausrichtung repräsentiert.
Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung eines Baggers (10) und zum Kompensieren von Weicheisen-Fehlern auf einer Baustelle unter Verwendung eines Magnetfeldsensors (38), welcher an dem Bagger (10) angebracht ist, wobei der Magnetfeldsensor (38) Angaben der Größe des Erdmagnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38) vorsieht, unter Verwendung von Schwerkraftreferenzsensoren, welche eine Angabe des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10) vorsehen, unter Verwendung eines Kreiselsensors (40) zum Sensieren einer Drehung des Baggers (10) um die Z-Achse des Magnetfeldsensors (38) und unter Verwendung einer Verarbeitungsschaltung (50), welche einen zugeordneten Speicher (52) hat, welche auf den Magnetfeldsensor (38), die Inklinometer (36) und den Kreiselsensor (40) anspricht, aufweisend: ein Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten, aufweisend ein Festhalten des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10), ein Drehen des Baggers (10) um eine im Wesentlichen vertikale Z-Achse über weniger als eine vollständige Drehung, ein Speichern der Ausgaben von dem Magnetfeldsensor (38), den Inklinometern (36) und dem Kreiselsensor (40), und ein Trennen der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der weniger als vollständigen Drehung empfangen werden und der entsprechenden Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) empfangen werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente, und ein Speicher solcher skalierter Daten ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Transformieren der sensierten Angaben des Magnetfeldes von dem X-, Y- und Z-Koordinaten-Bezugssystem des Sensors (38) in ein lokales Ebenen-Niveau-Koordinaten-Bezugssystem unter Verwendung der Ausgaben der Inklinometer (36), ein Vergleichen der korrigierten Angaben mit den gespeicherten, skalierten Daten, um die Ausrichtung des Baggers (10) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten ein Kompensieren der gespeicherten Ausgaben hinsichtlich Harteisen-induzierter Fehler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem das Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der weniger als vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in im Wesentlichen gleiche Winkelinkremente ein Skalieren der Daten, welche von dem Kreiselsensor (40) während der weniger als vollständigen Drehung empfangen werden, und der entsprechenden Angaben von Daten, welche von dem Magnetfeldsensor (38) erhalten werden, in gleiche Inkremente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem das Bestimmen der Harteisen-Komponenten der transformierten sensierten Angabe des Magnetfelds Folgendes aufweist: ein Positionieren des Baggers (10), um eine Ausrichtung im Wesentlichen in Richtung des magnetischen Nordens zu haben, ein Sensieren des Magnetfelds an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10), ein Ändern des Nickwinkels des Baggers (10) um einige Grad, ein Sensieren des Magnetfeldes an dem Bagger (10) mit dem Magnetfeldsensor (38), ein Vorsehen von Angaben der Größe des Magnetfeldes in der X-, Y- und Z-Richtung des Sensors (38), und ein Sensieren des Nickwinkels und des Querneigungswinkels des Baggers (10).
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem das Erzeugen und Speichern einer Kalibrationstabelle von Daten weiterhin ein Analysieren der Ausrichtung des Baggers (10) durch ein Drehen desselben auf eine vorbestimmte Referenzausrichtung aufweist und ein Bestimmen der entsprechenden Daten aus der Tabelle, welche die vorbestimmte Referenzausrichtung repräsentieren, wodurch der Abgleich der Daten Ausrichtungen des Baggers (10) in Winkelinkrementen weg von der vorbestimmten Referenzausrichtung repräsentiert.