DE102017203653A1 - Method and device for determining the position of kinematics, in particular mobile machines - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung einer Kinematik (110, 115, 120) einer bevorzugt hydraulischen Maschine, wobei die Kinematik (110, 115, 120) gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) peripher angeordnet ist, und wobei es zu Betriebssituationen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik (110, 115, 120) und dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) keine signaltechnische Verbindung möglich ist, und wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) anhand eines von dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) durchgeführten direkten signaltechnischen Messverfahrens (230, 235, 240, 245) ermittelt wird, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) in Betriebssituationen der Maschine, in denen keine signaltechnische Verbindung möglich ist, anhand eines indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelt wird, wobei anhand des direkten Messverfahrens (230, 235, 240, 245) und anhand des indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelte Positionsdaten zur Positionsbestimmung der Kinematik (110, 115, 120) gemeinsam ausgewertet werden.The present invention relates to a method and a device for determining the position of a kinematics (110, 115, 120) of a preferably hydraulic machine, wherein the kinematics (110, 115, 120) is peripherally arranged relative to a position determining machine section (105), and wherein it comes to operating situations of the machine, in which between the kinematics (110, 115, 120) and the position determining machine area (105) no signal connection is possible, and wherein it is provided in particular that the position of the kinematics (110, 115, 120) is determined on the basis of one of the position determining by performing machine area (105) carried out direct signal measuring method (230, 235, 240, 245) that the position of the kinematics (110, 115, 120) in operating situations of the machine, in which no signal Connection is possible, using an indirect measurement method (210, 215, 220, 225) he is averaged, wherein on the basis of the direct measuring method (230, 235, 240, 245) and based on the indirect measuring method (210, 215, 220, 225) determined position data for determining the position of the kinematics (110, 115, 120) are evaluated together.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung von Kinematiken von Arbeitsmaschinen, insbesondere von Kinematiken mobiler Arbeitsmaschinen, gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm, ein maschinenlesbarer Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das Verfahren durchführbar ist.The invention relates to a method and a device for determining the position of kinematics of working machines, in particular of kinematics of mobile machines, according to the preambles of the respective independent claims. The present invention also relates to a computer program, a machine-readable data carrier for storing the computer program and an electronic control unit, by means of which the method can be carried out.

Stand der TechnikState of the art

Hier betroffene Kinematiken mobiler Maschinen, z.B. Arbeitsarme von Baumaschinen wie Baggern, werden meist rein hydraulisch angesteuert. Allerdings wird die Hydraulik bei Baumaschinen und speziell bei Baggern zunehmend elekronifiziert, z.B. um Assistenzsysteme bereitzustellen, mittels derer ein Maschinen- bzw. Fahrzeugführer z.B. auf einem Monitor angezeigt bekommt, wie er präzise zu baggern hat. Dabei werden Linien oder Konturen vorgegeben, welche nicht überschritten werden dürfen. Fortgeschrittene Assistenzsysteme können auch in die Steuerung der Hydraulik eingreifen, falls z.B. eine Grenzlinie überschritten wird. Neben entsprechend teilautomatisierten Baggern gibt es bereits Prototypen von vollautomatisch arbeitenden Baggern.Affected kinematics of mobile machines, e.g. Working arms of construction machinery such as excavators are usually controlled purely hydraulically. However, the hydraulics of construction machinery and especially of excavators are increasingly becoming more complicated, e.g. to provide assistance systems by which a machine operator, e.g. gets displayed on a monitor as he has to excavate precisely. Here, lines or contours are specified, which must not be exceeded. Advanced assistance systems can also intervene in the control of the hydraulics if e.g. a borderline is exceeded. In addition to correspondingly semi-automatic excavators, there are already prototypes of fully automatic excavators.

Eine Grundlage bei der Implementierung genannter Funktionen ist die Möglichkeit, den Zustand einer genannten Kinematik, im speziellen eines sogenannten „Tool Center Point“ (TCP), welcher einen Referenzpunkt für ein z.B. an einem Baggerarm angeordnetes Werkzeug dient, möglichst präzise bestimmen zu können. Die Bestimmung des TCP erfolgt dabei relativ zur Position der Maschine, z.B. in Bezug auf einen Oberwagen eines Baggers, sowie absolut in Bezug auf den räumlichen Arbeitsbereich der Maschine.A basis in the implementation of said functions is the possibility of the state of a said kinematics, in particular a so-called "Tool Center Point" (TCP), which is a reference point for a e.g. Tool arranged on an excavator arm serves to be able to determine as precisely as possible. The determination of the TCP is relative to the position of the machine, e.g. in relation to a superstructure of an excavator, as well as absolutely in relation to the spatial working range of the machine.

Die Position eines genannten Oberwagens der Maschine in Bezug auf den Arbeitsbereich wird meist über ein GPS-basiertes Messsystem ermittelt. Zur Bestimmung des TCP ist daher noch die Position des TCP relativ zu einem an dem Oberwagen angeordneten GPS-Referenzpunkt zu ermitteln. Hierzu gibt es bekanntermaßen verschiedene Ansätze, wie die Berechnung des TCP anhand der Kinematik eines genannten Arbeitsarms und/oder anhand von an hydraulischen Zylindern des Arbeitsarms verbauten Wegsensoren, an Armgelenken angeordneten Winkelsensoren oder an Teilen des Arbeitsarms angeordneten Inertialsensoren erfolgen kann.The position of a given superstructure of the machine in relation to the working area is usually determined by a GPS-based measuring system. To determine the TCP, therefore, the position of the TCP is still to be determined relative to a GPS reference point arranged on the superstructure. For this purpose, there are known to be various approaches, such as the calculation of the TCP based on the kinematics of a working arm and / or based on built-in hydraulic cylinders working arm displacement sensors, arranged on arm joints angle sensors or parts of the working arm arranged inertial sensors can be done.

Zur Bestimmung des TCP selbst werden im Stand der Technik insbesondere genannte Inertialsensoren und Drehwinkelgeber eingesetzt. Allerdings ist die Positionsbestimmung mittels Inertialsensoren insbesondere bei Drehungen des Oberwagens meist noch relativ ungenau. Aufgrund von Sensorfehlern, Messrauschen, losabhängigem Gelenkspiel in den Armgelenken und möglichen Verwindungen von Armteilen bei sich ändernden Lasten erreicht dieses System nur eine begrenzte Genauigkeit. Dabei werden mögliche Verwindungen des Oberwagens meist nicht berücksichtigt, da diese in Relation zur Armverwindung als zu gering angesehen werden. Zudem steigt diese Ungenauigkeit mit der Zeit aufgrund von Verschleiß, z.B. über das Einlaufen von Lagerbolzen.To determine the TCP itself, in particular the inertial sensors and rotary encoders mentioned in the prior art are used. However, the position determination by means of inertial sensors, in particular during rotations of the superstructure, is usually still relatively inaccurate. Due to sensor errors, measurement noise, loose joint play in the arm joints and possible twisting of arm parts with changing loads, this system achieves only a limited accuracy. Possible twisting of the superstructure is usually not considered, as these are considered to be too small in relation to arm twisting. In addition, this inaccuracy increases with time due to wear, e.g. about the entry of bearing bolts.

Ein genannter GPS-Sensor an dem TCP ist aufgrund von auftretender Abschattung des Sensors, z.B. beim Betrieb der Maschine in einem tiefen Graben, nicht zuverlässig einsetzbar. Andere Ansätze wie die Abstandsbestimmung des TCP zum Oberwagen mittels Ultraschall, Laser oder kamerabasierten Abstandsmessungen scheiden ebenfalls aus, da auch diese z.B. beim Baggern unter Wasser, in tiefen Löchern oder hinter Spundwänden nicht funktionieren, da kein Sichtkontakt mehr zwischen Oberwagen und TCP besteht. Auch optische Messsysteme sind bei Regen, Staub und Nebel meist ebenfalls problematisch. So gibt es derzeit keine hochgenauen TCP-Erfassungsmethoden mit Inertialsensoren, welche in allen möglichen Einsatzbereichen einer hier betroffenen Maschine präzise und zuverlässig funktionieren.A named GPS sensor on the TCP is due to shadowing of the sensor, e.g. when operating the machine in a deep trench, not reliable use. Other approaches such as the determination of the distance of the TCP to the superstructure by means of ultrasound, laser or camera-based distance measurements are also eliminated, as these, too, e.g. when digging underwater, in deep holes or behind sheet pile walls do not work because there is no visual contact between the superstructure and TCP. Optical measuring systems are usually also problematic in rain, dust and fog. For example, there are currently no high-precision TCP acquisition methods with inertial sensors that work precisely and reliably in all possible areas of application of a machine affected here.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mittels einer Anordnung von Sensoren sowie einer geeigneten Zusammenführung entsprechend erfasster Sensorsignale die Position einer hier betroffenen Kinematik einer Maschine, insbesondere einen genannten TCP, möglichst genau zu bestimmen. Dadurch werden vorteilhaft genannte Assistenz- und/oder Automatisierungsfunktionen ermöglicht. Falls es hierbei aufgrund von nicht änderbaren Randbedingungen zu einer Verringerung der Genauigkeit der TCP-Position in bestimmten Arbeitssituationen kommt, so ist dies zum einen einem Maschinenführer mitzuteilen. Andererseits muss die Maschine weiterhin benutzbar sein, wobei insbesondere auch erforderliche Sicherheitsfunktionen, welche z.B. den Arbeitsbereich der Maschine begrenzen können, bereitgestellt werden müssen.The invention is based on the idea of determining the position of a kinematics of a machine, in particular a TCP mentioned, as accurately as possible by means of an arrangement of sensors and a suitable combination of correspondingly detected sensor signals. As a result, said assistance and / or automation functions are advantageously made possible. If this leads to a reduction in the accuracy of the TCP position in certain work situations due to unchangeable boundary conditions, this must be reported to a machine operator. On the other hand, the machine must continue to be usable, and in particular also required safety functions, which e.g. be able to limit the work area of the machine must be provided.

Die an sich bekannten Ansätze, bei welchen der TCP anhand der Lage von Kinematik-Elementen über z.B. Inertialsensoren bestimmt werden, sind oftmals ungenau und es besteht keine Möglichkeit, die Genauigkeit mit angemessenem Aufwand zu erhöhen. So kann die Genauigkeit nur anhand von aufwändigen Modellberechnungen, die zudem vor ihrer Anwendung mit tatsächlich vorliegenden Positionsdaten abgeglichen werden müssen, erhöht werden. Dabei sind zusätzliche Signale, z.B. Druckwerte einzelner Hydraulikzylinder und/oder Fahrgeschwindigkeiten der Maschine und/oder Drehzahlen eines genannten Oberwagens, zu erfassen und auszuwerten. Ein solcher Ansatz ist daher mit erheblichen Kosten verbunden und bedarf zudem einer genauen Anpassung eines zugrunde liegenden Modells bzw. entsprechender Modellparameter an die jeweilige Maschine.The approaches known per se, in which the TCP is determined on the basis of the position of kinematics elements via eg inertial sensors, are often inaccurate and there is no possibility to increase the accuracy with reasonable effort. Thus, the accuracy can be increased only on the basis of complex model calculations, which also need to be compared with their actual position data prior to their application. There are additional signals, eg pressure values individual hydraulic cylinders and / or travel speeds of the machine and / or speeds of a said superstructure to detect and evaluate. Such an approach is therefore associated with considerable costs and also requires a precise adaptation of an underlying model or corresponding model parameters to the respective machine.

Die Erfindung schlägt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bzw. Sensoranordnung zur direkten Messung des TCP in Bezug auf einen Oberwagen oder dergleichen einer hier betroffenen Maschine vor, wobei insbesondere Zusammenführung von mit einer indirekten, zuverlässigen Messmethode sowie mit einer direkten Messmethode erfassten Positionsdaten vorgesehen ist. The invention proposes a method and a device or sensor arrangement for the direct measurement of the TCP with respect to an uppercarriage or the like of a machine involved here, wherein in particular merging of position data acquired with an indirect, reliable measuring method and with a direct measuring method is provided.

Dadurch wird eine erhebliche Verbesserung der Genauigkeit bei der TCP-Ermittlung ermöglicht. Das Verfahren umfasst zudem insbesondere eine gegenüber der genannten, zuverlässigen Messmethode weniger genaue Rückfallebene, welche z.B. mittels Inertialsensoren bereitgestellt wird. Diese Rückfallebene wird in Arbeits- bzw. Betriebssituationen der Maschine bereitgestellt, in denen genannte Sensoren zur direkten Messung des TCP anhand von Abstands- und/oder Winkelmessungen in Bezug auf den Oberwagen oder dergleichen nicht funktionieren.This provides a significant improvement in TCP discovery accuracy. In particular, the method comprises a less accurate fallback level than the said reliable measuring method, which e.g. provided by inertial sensors. This fallback level is provided in operating or operating situations of the machine in which said sensors for direct measurement of the TCP do not function on the basis of distance and / or angle measurements with respect to the superstructure or the like.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Positionsbestimmung einer hier betroffenen Kinematik einer Maschine, insbesondere einer hydraulischen Maschine oder einer mobilen hydraulischen Arbeitsmaschine, wobei die Kinematik gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich peripher angeordnet ist, und wobei es zu Betriebssituationen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik und dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich keine signaltechnische Verbindung möglich ist, ist insbesondere vorgesehen, dass die Position der Kinematik anhand eines von dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich durchgeführten direkten signaltechnischen Messverfahrens ermittelt wird, dass die Position der Kinematik in Betriebssituationen der Maschine, in denen keine signaltechnische Verbindung möglich ist, anhand eines indirekten Messverfahrens ermittelt wird, wobei anhand des direkten Messverfahrens und anhand des indirekten Messverfahrens ermittelte Positionsdaten zur Positionsbestimmung der Kinematik gemeinsam ausgewertet werden.In the proposed method for determining the position of a kinematics of a machine, in particular a hydraulic machine or a mobile hydraulic working machine, wherein the kinematics is arranged peripherally relative to a position determining machine area, and it comes to operating situations of the machine, in which between the kinematics In particular, it is provided that the position of the kinematics is determined on the basis of a direct signal engineering measuring method carried out by the machine area performing the position determination that the position of the kinematics in operating situations of the machine in which no signal technical Connection is possible, is determined by an indirect measurement method, using the direct measurement method and the indirect measurement method ermit telte position data for determining the position of the kinematics are evaluated together.

Als genannte Rückfallebene kann die TCP-Bestimmung mittels an Armteilen einer hier betroffenen Maschine oder die Zylinderlage erfassenden Inertialsensoren erfolgen. Die entsprechende Genauigkeit kann über einen Abgleich zwischen einem mit einer inversen Kinematik berechneten TCP und einem direkt von z.B. einem Baggeroberwagen aus gemessenen TCP erhöht werden. Da diese Messverfahren eine direkte Sichtlinie zwischen dem jeweiligen Sensor auf dem Oberwagen und dem TCP erfordern, sind sie nicht permanent einsetzbar. In Zeiträumen, in denen eine direkte Messung nicht verfügbar ist, wird der TCP daher anhand eines Modells der Kinematik und den von den Initialsensoren gelieferten Daten berechnet.As a named fallback level, the TCP determination can take place by means of inertial sensors which detect at arm parts of a machine concerned here or the cylinder position. The corresponding accuracy can be obtained by matching between a TCP calculated with inverse kinematics and a signal directly from e.g. An excavator superstructure can be increased from measured TCP. Since these measurement methods require a direct line of sight between the respective sensor on the superstructure and the TCP, they are not permanently usable. In periods where a direct measurement is not available, the TCP is therefore calculated based on a model of the kinematic and the data provided by the initial sensors.

Auch kann vorgesehen sein, dass anhand von mit Drucksensoren und/oder mit genannten Inertial- oder Zylinderpositionssensoren erfassten „groben“ Positionsdaten von Armelementen die momentane mechanische Belastung auf den Arm bzw. auf die Armelemente berechnet wird. Wird nun während eines vorliegenden Sichtkontakts zwischen dem jeweiligen Sensor auf dem Oberwagen und dem TCP ein Abgleich zwischen der z.B. über Peilsender erfassten tatsächlichen Position und den über genannte Inertialsensoren und/oder über an hydraulischen Zylindern angeordnete Drucksensoren modellierten Position durchgeführt, kann dadurch die Güte der Modellierung erheblich verbessert werden. Dadurch sind höhere Positionsgenauigkeiten möglich, auch wenn kein Sichtkontakt besteht. Es ist anzumerken, dass genannte Zylinderdruckdaten bei elektronifizierten, hydraulischen Systemen meist bereits als Messwerte zur Verfügung stehen.It can also be provided that the instantaneous mechanical load on the arm or on the arm elements is calculated on the basis of "coarse" position data of arm elements detected with pressure sensors and / or with specified inertial or cylinder position sensors. If, during an instant visual contact between the respective sensor on the superstructure and the TCP, an alignment between the e.g. This is done by means of tracked actual position and the above-mentioned inertial sensors and / or modeled on arranged on hydraulic cylinders pressure sensors position, thereby the quality of the modeling can be significantly improved. As a result, higher position accuracies are possible, even if there is no visual contact. It should be noted that said cylinder pressure data are usually already available as measured values in the case of electronized, hydraulic systems.

Das indirekte Messverfahren kann anhand von an der Kinematik angeordneten Sensoren durchgeführt werden, welche durch wenigstens einen an der Kinematik angeordneten Inertialsensor, Linearpositionsgeber an einer Linearachse und/oder einem Winkelpositionsgeber realisiert werden können. Die bei dem indirekten Messverfahren gewonnenen Daten können auf der Grundlage einer Modellrechnung ausgewertet werden, wobei ein anhand der Modellrechnung ermittelter Schätzwert der Position der Kinematik mit einem direkt gemessenen Positionswert verglichen wird und ein bei der Modellrechnung zugrunde gelegtes kinematisches Modell anhand eines sich bei dem Vergleich ergebenden Differenzwertes der Position der Kinematik angepasst bzw. optimiert werden kann. Bei der Modellrechnung können zudem im Betrieb der Maschine auftretende, mechanische Belastungen der Kinematik bzw. von Teilen der Kinematik berücksichtigt werden.The indirect measuring method can be carried out by means of sensors arranged on the kinematics, which can be realized by at least one inertial sensor arranged on the kinematics, linear position sensors on a linear axis and / or an angular position sensor. The data obtained in the indirect measurement method can be evaluated on the basis of a model calculation, whereby an estimated value of the position of the kinematics determined using the model calculation is compared with a directly measured position value and a kinematic model used in the model calculation on the basis of a comparison Differential value of the position of the kinematics can be adjusted or optimized. In the model calculation, mechanical loads of the kinematics or parts of the kinematics occurring during operation of the machine can also be taken into account.

Das direkte Messverfahren kann mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers bzw. Signalempfängers und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera und/oder mittels wenigstens eines Laserentfernungsmessers und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors durchgeführt werden.The direct measuring method can be performed by means of at least one high-frequency signal transmitter or signal receiver and / or by means of at least one optical camera and / or by means of at least one laser rangefinder and / or by means of at least one ultrasonic sensor.

Die Vorrichtung umfasst eine Signaltechnik zur direkten Erfassung der Position der Kinematik, eine Sensortechnik zur indirekten Ermittlung der Position der Kinematik sowie Rechenmittel zur gemeinsamen Auswertung der direkt erfassten und indirekt ermittelten Positionsdaten. Die direkte Erfassung der Position der Kinematik kann mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers bzw. Signalempfängers und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera und/oder mittels wenigstens eines Laserentfernungsmessers und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors erfolgen. Die indirekte Ermittlung der Position der Kinematik kann mittels wenigstens eines an der Kinematik angeordneten hydraulischen Druckgebers und/oder wenigstens eines hydraulischen Linearpositionsgebers und/oder wenigstens eines hydraulischen Winkelpositionsgebers und/oder wenigstens eines Inertialsensors (Beschleunigungssensor und/oder Gyrometer) erfolgen.The device comprises a signal technology for the direct detection of the position of the kinematics, a sensor technology for the indirect determination of the Position of the kinematics as well as calculation means for the joint evaluation of the directly detected and indirectly determined position data. The direct detection of the position of the kinematics can take place by means of at least one high-frequency signal transmitter or signal receiver and / or by means of at least one optical camera and / or by means of at least one laser rangefinder and / or by means of at least one ultrasound sensor. The indirect determination of the position of the kinematics can take place by means of at least one hydraulic pressure transmitter arranged on the kinematics and / or at least one hydraulic linear position sensor and / or at least one hydraulic angular position sensor and / or at least one inertial sensor (acceleration sensor and / or gyrometer).

Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft die Erhöhung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Positionsbestimmung von Kinematiken bevorzugt mobiler Arbeitsmaschinen, insbesondere bei der TCP-Bestimmung dort angeordneter Werkzeuge. Die genannte Rückfallebene ermöglicht eine ebenfalls verbesserte Messgenauigkeit auch bei Nichtvorliegen eines direkten Sichtkontakts zwischen einem genannten Oberwagen und dem TCP.[PN1] The invention advantageously makes it possible to increase the accuracy and reliability in determining the position of kinematics, preferably mobile working machines, in particular in the case of the TCP determination of tools arranged there. The said fallback level also allows an improved measurement accuracy even in the absence of direct visual contact between a named superstructure and the TCP. [PN1]

Die Erfindung kann insbesondere bei bzw. in einer mobilen Baumaschine, z.B. einem Schaufelbagger oder Bau-/Ladekran zum Einsatz kommen. Es ist anzumerken, dass die Bestimmung des TCP die Grundlage nahezu jedes Assistenzsystems für Maschinen mit Manipulator-Kinematik, z.B. für Bagger, Telehandler, Forstmaschinen, Baukräne oder LKW-Ladekrane, darstellt. Zudem ermöglicht die genaue Kenntnis des TCP eine präzise Begrenzung des Arbeitsbereichs der Maschine sowie ein genaues Protokollieren des Baufortschritts insbesondere bei einem automatischen bzw. teilautomatischen Betrieb der Maschine.In particular, the invention may be applied to a mobile construction machine, e.g. a shovel or construction / loading crane are used. It should be noted that the determination of TCP is the basis of almost any assistance system for machines with manipulator kinematics, e.g. for excavators, telehandlers, forestry machines, construction cranes or truck loading cranes. In addition, the exact knowledge of the TCP allows a precise limitation of the working range of the machine as well as an accurate logging of the construction progress, in particular during an automatic or semi-automatic operation of the machine.

Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine hier betroffene Maschine mittels des Verfahrens zu steuern.The computer program is set up to perform each step of the method, in particular if it runs on a computing device or a control unit. It enables the implementation of the method on an electronic control unit, without having to make structural changes. For this purpose, the machine-readable data carrier is provided, on which the computer program is stored. By loading the computer program onto an electronic control unit, the electronic control unit is obtained, which is set up to control a machine affected here by means of the method.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Figurenlistelist of figures

  • 1 zeigt am Beispiel eines schematisch dargestellten Schaufelbaggers mögliche Ursachen für Ungenauigkeiten bei einer gemäß dem Stand der Technik erfolgenden Bestimmung eines genannten TCP. 1 shows the example of a shovel schematically illustrated possible causes of inaccuracies in a taking place according to the prior art determination of a said TCP.
  • 2a zeigt eine der 1 entsprechende Darstellung eines zur Bestimmung des TCP erfindungsgemäß an einem Oberwagen mit drei ortsfest angeordneten Peilsendern ausgestatteten Baggers. 2a shows one of the 1 corresponding representation of an invention for determining the TCP according to the invention on a superstructure with three stationary Peilsendern equipped excavator.
  • 2b zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Auswertung von in 2a gezeigten Peilsendern ausgesendeten Signalen. 2 B shows schematically an inventive evaluation of in 2a shown Peilsendern emitted signals.
  • 3 zeigt eine den vorherigen Figuren entsprechende Darstellung eines Baggers mit einer zur Bestimmung des TCP erfindungsgemäß an dem Oberwagen ortsfest angeordneten Kamera. 3 shows a representation corresponding to the previous figures of an excavator with a for the determination of the TCP according to the invention on the upper carriage stationarily arranged camera.
  • 4 zeigt eine den vorherigen Figuren entsprechende Darstellung eines Baggers mit einer zur Bestimmung des TCP erfindungsgemäß vorgesehenen, laserbasierten Abstandsmessung. 4 shows a representation corresponding to the previous figures of an excavator with an inventively provided for the determination of the TCP, laser-based distance measurement.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer entsprechenden Logik bzw. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des TCP, und zwar anhand eines Flussdiagramms. 5 shows an embodiment of the method according to the invention or a corresponding logic or circuit arrangement for determining the TCP, namely with reference to a flowchart.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt schematisch einen seitlichen Schnitt durch einen Schaufelbagger zur Illustration möglicher Ursachen für Ungenauigkeiten bei der Bestimmung eines genannten TCP („Tool Center Point“) mittels von an Teilen eines Baggerarms angeordneten Wegsensoren hydraulischer Zylinder. 1 schematically shows a lateral section through a shovel to illustrate possible causes of inaccuracies in the determination of a said TCP ("Tool Center Point") by means arranged on parts of an excavator arm displacement sensors hydraulic cylinders.

Der Schaufelbagger umfasst einen Unterwagen 100 sowie einen an dem Unterwagen 100 über eine Drehverbindung 103 drehbar gelagerten Oberwagen 105. An dem Oberwagen 105 ist der Baggerarm angeordnet, und zwar mit einem ersten Gelenkarm 110, einem daran angeordneten zweiten Gelenkarm 115 sowie einen wiederum daran angeordneten dritten Gelenkarm 120. An dem dritten Gelenkarm 120 befindet sich eine Schaufel 125, in deren oberen Bereich der TCP 127 angeordnet ist. Der erste Gelenkarm 110 ist über ein erstes Verbindungsstück 130 schwenkbar an dem Oberwagen 105 angeordnet und über ein zweites Verbindungsstück 135 wiederum mit dem zweiten Gelenkarm 115 schwenkbar verbunden. Entsprechend sind der dritte Gelenkarm 120 sowie die Schaufel 125 über entsprechende Verbindungsstücke 137, 138 schwenkbar verbunden.The excavator includes an undercarriage 100 and one on the undercarriage 100 via a rotary joint 103 rotatably mounted uppercarriage 105 , At the superstructure 105 the excavator arm is arranged, with a first articulated arm 110 , a second articulated arm arranged thereon 115 and a third articulated arm, in turn, disposed thereon 120 , At the third articulated arm 120 there is a shovel 125 , in the upper part of the TCP 127 is arranged. The first articulated arm 110 is pivotable about a first connector 130 to the uppercarriage 105 arranged and via a second connector 135 again with the second articulated arm 115 pivotally connected. Accordingly, the third articulated arm 120 as well as the shovel 125 via corresponding connecting pieces 137 . 138 pivotally connected.

Im Betrieb des Schaufelbaggers sind die Gelenkarme 110, 115, 120 nicht völlig verwindungssteif und die Verbindungsstücke 130, 135, 137, 138 weisen Gelenkspiel auf, so dass es zu nicht vorhersehbaren Ungenauigkeiten bzw. Toleranzen bei der Position der Schaufel 125 und insbesondere des TCP 127 kommt. Zudem werden die Gelenkarme 110, 115, 120 sowie die Schaufel 125 hydraulisch mittels Hydraulikzylindern 140, 155, 170, 185 betrieben, wobei es an deren Verbindungstücken 145, 150, 160, 165, 175, 180, 190, 195 ebenfalls zu Gelenkspiel und damit zu weiteren Ungenauigkeiten bzw. Toleranzen bei der Positionsbestimmung des TCP 127 kommt.In operation of the shovel, the articulated arms 110 . 115 . 120 not completely rigid and the connectors 130 . 135 . 137 . 138 have joint play, causing unpredictable inaccuracies or tolerances in the position of the blade 125 and especially the TCP 127 comes. In addition, the articulated arms 110 . 115 . 120 as well as the shovel 125 hydraulically by means of hydraulic cylinders 140 . 155 . 170 . 185 operated, it being at their connectors 145 . 150 . 160 . 165 . 175 . 180 . 190 . 195 also to joint play and thus to further inaccuracies or tolerances in determining the position of the TCP 127 comes.

Im Folgenden werden zunächst einige Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, mit denen die relative Position des TCP 127 in Bezug auf einen Oberwagen 105 eines in 1 gezeigten Schaufelbaggers direkt gemessen werden kann.In the following, first some embodiments of a device according to the invention are described, with which the relative position of the TCP 127 with respect to an uppercarriage 105 one in 1 shown bucket excavator can be measured directly.

Bei dem in 2a gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind an dem Oberwagen 105 drei Peilsender 230, 235, 240 ortsfest angeordnet, anhand derer die genaue räumliche Position des TCP 127 ermittelt bzw. bestimmt werden kann. Zudem sind an den Gelenkarmen 110, 115, 120 sowie der Schaufel 125 jeweils Inertialsensoren 210, 215, 220, 225 angeordnet, mittels derer eine genannte Rückfallebene in Arbeits- bzw. Betriebssituationen der Maschine bereitgestellt wird, in denen eine direkte Messung des TCP 127 anhand von Abstands- und/oder Winkelmessungen nicht möglich ist. Die genaue, momentane Position des Oberwagens 105 kann mittels eines üblichen GPS-Empfängers 205 ermittelt werden.At the in 2a shown first embodiment are on the superstructure 105 three directional transmitters 230 . 235 . 240 fixed, by means of which the exact spatial position of the TCP 127 can be determined or determined. In addition, on the articulated arms 110 . 115 . 120 as well as the shovel 125 each inertial sensors 210 . 215 . 220 . 225 arranged, by means of which a said fallback level is provided in working or operating situations of the machine, in which a direct measurement of the TCP 127 is not possible by means of distance and / or angle measurements. The exact momentary position of the superstructure 105 can be determined by means of a conventional GPS receiver 205.

Die Peilsender 230, 235, 240 senden zu definierten Zeiten synchronisiert hochfrequente Pulse 232, 237, 242 gleicher Frequenz und Dauer aus, welche von einem am TCP 127 angeordneten (Peil-) Empfänger 245 empfangen und ausgewertet werden. Anhand des Empfangszeitpunkts, d.h. der relativen Zeitdauer 233, 238, 243 zwischen dem Eintreffen der drei Pulse 232, 237, 242 am Empfänger 245, ordnet der Empfänger 245 die Pulse den drei Peilsendern 230, 235, 240 zu. Alternativ dazu können auch verschiedene Pulsfrequenzen oder auf ein Trägersignal aufmodulierte Informationen verwendet werden, um die Signale 232, 237, 242 der drei Peilsender 230, 235, 240 unterscheiden zu können.The transmitter 230 . 235 . 240 send at defined times synchronized high-frequency pulses 232 . 237 . 242 same frequency and duration, which of one at the TCP 127 arranged (Peil-) receiver 245 be received and evaluated. Based on the reception time, ie the relative time duration 233, 238, 243 between the arrival of the three pulses 232 . 237 . 242 at the receiver 245 , assigns the recipient 245 the pulses to the three Retrievers 230 . 235 . 240 to. Alternatively, different pulse rates or information modulated onto a carrier signal may be used to generate the signals 232, 237, 242 of the three direction finders 230 . 235 . 240 to be able to distinguish.

Anhand der Empfangszeitpunkte der eintreffenden drei Peilsendersignale und anhand des an sich bekannten ortsfesten Abstandes zwischen den drei Peilsendern kann eine z.B. an dem TCP 127 angeordnete Auswerteschaltung bzw. -logik die relative Lage des TCP 127 zu den Peilsendern 230, 235, 240 und somit relativ zum Oberwagen 105 bestimmen. Es werden gleichzeitig von allen drei Sendern hochfrequente Pulse, welche über die Pulsfrequenz, Pulslänge oder Modulation eindeutig identifizierbar bzw. als von dem Peilsender 230, 235, 240 kommend erkennbar sind, ausgesendet.On the basis of the reception times of the incoming three beacon signals and on the basis of the known stationary distance between the three direction finders, for example, at the TCP 127 arranged evaluation circuit or logic, the relative position of the TCP 127 to the Peilsendern 230 . 235 . 240 and thus relative to the superstructure 105 determine. At the same time, all three transmitters generate high-frequency pulses which can be unambiguously identified via the pulse rate, pulse length or modulation or by the transmitter 230 . 235 . 240 coming recognizable, sent out.

Gemäß dem in 2b schematisch gezeigten Signalverlauf misst der Peilempfänger 245 die Unterschiede in den Ankunftszeiten der drei Pulse 232, 237, 242 dadurch, dass beim Eintreffen 238 des ersten Pulses, vorliegend des am nächsten zum Empfänger 245 ausgesandten Pulses 237, ein hochpräziser Zähler gestartet wird. Der Zählerstand des Zählers wird beim Eintreffen 243 des zweiten Pulses 242 und beim Eintreffen 233 des dritten Pulses 232 ausgelesen. Nach dem Eintreffen des dritten Pulses 232 wird der Zähler zurückgesetzt und wartet auf die das erneute Eintreffen 233, 238, 243 eines genannten Pulstrippeis 232, 237, 242. Für die Auswertung der empfangenen Signale ist es wichtig, dass die drei Sender 230, 235, 240 ihre jeweiligen Pulse (zeitlich) synchron absenden und dass die genannte Auswerteschaltung die zu erwartende Zeitverzögerung in der Aussendung zwischen den einzelnen Peilsendern 230, 235, 240 präzise kennt. Die genannten Unterschiede in den Ankunftszeiten werden bevorzugt folgendermaßen ausgewertet:According to the in 2 B schematically shown, the direction finder 245 measures the differences in the arrival times of the three pulses 232 . 237 . 242 in that on arrival 238 the first pulse, in this case the closest to the receiver 245 emitted pulse 237 , a high-precision counter is started. The meter reading of the meter will be on arrival 243 the second pulse 242 and on arrival 233 of the third pulse 232 read. After the arrival of the third pulse 232 the counter is reset and waits for the re-arrival 233 . 238 . 243 a named Pulstrippeis 232 . 237 . 242 , For the evaluation of the received signals it is important that the three transmitters 230 . 235 . 240 send their respective pulses (in time) synchronously and that said evaluation circuit the expected time delay in the transmission between the individual DF transmitters 230 . 235 . 240 knows precisely. The mentioned differences in arrival times are preferably evaluated as follows:

Unter der Annahme, dass das erste am Empfänger 245 eintreffende 233 Signal 232 vom Peilsender 230 kommt, befindet sich der nahe am Empfänger 245 angeordnete, in 2a gezeigte TCP 127 über der halben Distanz zwischen den Peilsendern 230 und 235, d.h. oberhalb der oberen gestrichelten Linie 250. Falls das erste Signal vom Peilsender 235 kommt, so befindet sich der TCP 127 unterhalb der halben Distanz zwischen dem Peilsender 230 und 235 und oberhalb der halben Distanz zwischen dem Peilsender 235 und 240, d.h. zwischen den beiden gestrichelten Linien 250 und 255. Falls das Signal von Peilsender 240 zuerst ankommt, so befindet sich der TCP 127 unterhalb der halben Distanz zwischen dem Peilsender 235 und 240, d.h. unterhalb der unteren gestrichelten Linie 255.Assuming that the first one at the receiver 245 incoming 233 signal 232 from the direction finder 230 comes, it is close to the receiver 245 arranged, in 2a shown TCP 127 over half the distance between the Peilsendern 230 and 235, ie above the upper dashed line 250 , If the first signal from the transmitter 235 comes, so is the TCP 127 below half the distance between the transmitter 230 and 235 and above half the distance between the direction finder 235 and 240 ie between the two dashed lines 250 and 255 , If the signal from the beacon 240 first arrives, then the TCP is located 127 below half the distance between the transmitter 235 and 240 ie below the lower dashed line 255 ,

Die genaue Position kann in an sich bekannter Weise mittels trigonometrischer Funktionen, und zwar anhand der erfassten Zeitunterschiede zwischen den einzelnen Peilsignalen, ermittelt werden. Falls nur zwei Peilsignale empfangen werden, so ist ein Sender abgeschattet oder defekt und es kann keine exakte Positionsbestimmung des TCP 127 vorgenommen werden.The exact position can be determined in a manner known per se by means of trigonometric functions, namely on the basis of the detected time differences between the individual direction finding signals. If only two direction signals are received, then a transmitter is shaded or defective and there can be no exact positioning of the TCP 127 be made.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen, funktechnischen Ansatzes liegt darin, dass keine hochgenau synchronisierten Uhren zwischen dem TCP 127 und den Peilsendern 230, 235, 240 benötigt werden und dass der TCP-Sensor nur eine relativ einfache Auswerteschaltung erfordert, welche über Antennen mit der Umgebung kommuniziert, einsetzbar ist. Denkbar ist auch eine kabelgebundene Variante oder ein funktechnischer Ansatz mit einer elektrischen Versorgung durch sogenanntes „Energie-Harvesting“, z.B. anhand von Vibrationen, wodurch eine Verkabelung vermieden werden kann. Die genannten Antennen können in einem Plastikgehäuse oder auf einem Deckel eines Metallgehäuses mit Plastik vergossen werden, womit eine sehr robuste und hermetisch dichte Schaltung ohne Steckkontakte nach außen möglich ist. Dies ist vorteilhaft, da der Bereich des TCP 127 im Außeneinsatz des Baggers bzw. der Maschine härtesten Rüttel- bzw. Schüttelbelastungen ausgesetzt ist oder sogar in Wasser eingetaucht wird.Another advantage of the described, radio-technical approach is that no high-precision synchronized clocks between the TCP 127 and the Peilsendern 230, 235, 240 are required and that the TCP sensor requires only a relatively simple evaluation circuit, which communicates via antennas with the environment can be used. Also conceivable is a wired variant or a radio-technical approach with an electrical supply by so-called "energy harvesting", eg based on vibrations, whereby a wiring can be avoided. The said antennas can be encapsulated in a plastic housing or on a lid of a metal housing with plastic, whereby a very robust and hermetically sealed circuit without plug contacts to the outside is possible. This is beneficial as the range of TCP 127 in outdoor use of the excavator or the machine is subjected to the heaviest shaking or shaking loads or even immersed in water.

In einer gegenüber 2a alternativen Ausgestaltung mittels Peilsendern wird nur ein einzelnes Signal von einem an dem TCP 127 angeordneten Sender versendet, welches von drei an dem Oberwagen angeordneten Peilempfängern empfangen wird. Die an den Peilempfängern erfassten Zeitdaten werden, wie beschrieben, ausgewertet. Diese Ausgestaltung erfordert ebenfalls nur eine vereinfachte TCP-Auswerteschaltung, welche nur noch periodisch (hochfrequente) HF-Pulse aussenden muss. Wichtig ist hier allerdings, dass die drei Peilempfänger zeitlich synchronisiert sind, damit die Laufzeitunterschiede präzise ermittelt werden können. Die Funkverbindung funktioniert auch bei Staub, Nebel und Dunkelheit. Ausnahmen sind die Abschattung durch z.B. Wasser und Erde.In one opposite 2a alternative embodiment by means of Peilsendern is only a single signal from one to the TCP 127 arranged transmitter shipped, which is received by three arranged on the superstructure direction finders. The time data acquired at the receivers are evaluated as described. This embodiment likewise requires only a simplified TCP evaluation circuit, which only has to emit periodic (high-frequency) RF pulses. However, it is important here that the three direction finding receivers are synchronized in time, so that the transit time differences can be precisely determined. The radio link also works in dust, fog and darkness. Exceptions are the shading by eg water and earth.

Gemäß einem in 3 gezeigten, zweiten Ausführungsbeispiel wird die Position des TCP 127 direkt über eine optische Abstandsmessung des TCP 127 zum Oberwagen 105, z.B. über eine in 3 dargestellte Kamera 325 mit einem Sichtbereich 327, ermittelt. Hierzu muss der TCP 127 auf dem Kamerabild sicher erkannt werden, was eine eindeutige Kennzeichnung desselben erfordert. Dies kann über erkennbare Marker, z.B. über auf dem TCP 127 angeordnete Scan-Codes, Kugeln oder dergleichen, erfolgen. Mit an sich bekannten Bildverarbeitungsalgorithmen kann der TCP-Marker erkannt und die Distanz zwischen Kamera bzw. Oberwagen 105 und TCP 127 berechnet werden. Die genaue Position des Oberwagens 105 kann wiederum mittels eines oberhalb des Oberwagens 105 angeordneten GPS-Empfängers 305 ermittelt werden. Die Bezugszeichen 308, 310, 315, 320 bezeichnen eine genannte, am gezeigten Baggerarm angeordnete Inertialsensorik.According to a in 3 shown, the second embodiment, the position of the TCP 127 directly via an optical distance measurement of the TCP 127 to the superstructure 105, for example via an in 3 illustrated camera 325 with a viewing area 327, determined. For this the TCP must 127 be reliably detected on the camera image, which requires a unique identification of the same. This can be via recognizable markers, eg over on the TCP 127 arranged scan codes, balls or the like, take place. With known image processing algorithms, the TCP marker can be detected and the distance between the camera or the uppercarriage 105 and TCP 127 be calculated. The exact position of the superstructure 105 can in turn by means of a above the superstructure 105 arranged GPS receiver 305 be determined. Reference numerals 308, 310, 315, 320 denote a named inertial sensor system arranged on the excavator arm shown.

Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Kamera 325 auch für weitere Zusatzfunktionen, z.B. eine Personenerkennung im Arbeitsbereich oder eine „Augmented-Reality“, eingesetzt werden kann. Ein Nachteil ist allerdings, dass diese Vorgehensweise nur bei „guter Sicht“ von der Kamera 325 zum TCP 300 zuverlässig funktioniert. Zudem ist bei Dunkelheit eine ausreichende Beleuchtung notwendig und bei Verstaubungen oder Verschmutzungen eines genannten Markers kann es zu Ausfällen kommen. Ohne direkten Sichtkontakt, z.B. wenn sich der TCP 127 unter Wasser, in tiefen Gruben oder hinter Spundwänden befindet, oder bei Regen oder Nebel, funktioniert dieser Ansatz ebenfalls nicht bzw. erfordert z.B. bei tief liegenden Arbeitsbereichen bzw. tiefen Gräben den Einsatz zusätzlicher Kameras.An advantage of this embodiment is that the camera 325 Also for other additional functions, such as a person detection in the workspace or an "augmented reality", can be used. A disadvantage, however, is that this procedure only with "good view" of the camera 325 to the TCP 300 works reliably. In addition, sufficient lighting is necessary in the dark and dust or dirt of a named marker can lead to failures. Without direct visual contact, eg when the TCP 127 Underwater, in deep pits or behind sheet pile walls, or in rain or fog, this approach also does not work or requires, for example, in low-lying work areas or deep trenches the use of additional cameras.

Bei einem in 4 gezeigten, dritten Ausführungsbeispiel für eine direkte Messung des TCP 127 wird ein Laserentfernungsmesser 430 oder ein Ultraschallsensor eingesetzt. Hierbei muss allerdings der TCP 127 genau erkannt werden, was z.B. einen an dem TCP 127 angeordneten (hier nicht gezeigten) Reflektor erfordert. Ein solcher Reflektor ist jedoch anfällig gegenüber Verschmutzungen, so dass dieses Ausführungsbeispiel bei Staub oder starkem Nebel nur eingeschränkt funktioniert. Bei Ultraschallsensoren wird der TCP 127 anhand der TCP-Geometrie erfasst, was einigen Auswerteaufwand und/oder ein räumlich besser auflösendes Ultraschallsensor-Array erfordert. Auch hier kann genaue Position des Oberwagens 105 mittels eines GPS-Empfängers 405 ermittelt werden. Die Bezugszeichen 410, 415, 420, 425 bezeichnen wiederum eine genannte Inertialsensorik.At an in 4 shown, third embodiment for a direct measurement of the TCP 127 becomes a laser rangefinder 430 or an ultrasonic sensor used. Here, however, the TCP 127 be recognized exactly what, for example, one on the TCP 127 arranged (not shown here) reflector requires. However, such a reflector is susceptible to contamination, so that this embodiment only works limited in dust or heavy fog. For ultrasonic sensors, the TCP 127 detected by the TCP geometry, which requires some evaluation and / or a spatially better resolution ultrasonic sensor array. Again, exact position of the uppercarriage 105 using a GPS receiver 405 be determined. The reference numerals 410 . 415 . 420 . 425 again denote a named inertial sensor system.

Einen besonderen Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die genannte Zusammenführung bzw. Fusion von Sensorsignalen der Inertialsensoren 210, 215, 220, 225 und der durch direkte Messung des TCP 127 erfassten Positionsdaten dar. Dies wird im Folgenden anhand eines in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer entsprechenden Logik bzw. Schaltungsanordnung beschrieben.A particular aspect of the method according to the invention is the mentioned combination or fusion of sensor signals of the inertial sensors 210, 215, 220, 225 and the direct measurement of the TCP 127 This is described below on the basis of an in 5 shown embodiment of the method according to the invention or a corresponding logic or circuit arrangement described.

Die Position einzelner Armelemente bzw. deren Winkel wird, basierend auf Daten 500, mittels eines Berechnungsalgorithmus' bzw. eines entsprechenden kinematischen Modells berechnet 505. Die Daten 500 werden mit genannten Inertialsensoren 210, 215, 220, 225 erfasst und/oder basieren auf einer erfassten Drehrate des Oberwagens 105. Zusätzlich geht in die Berechnung der an sich bekannte Wert der Erdbeschleunigung ein. Bei der Berechnung erfolgt eine Schätzung des relativ zum Boden als gegeben angenommenen Winkels 507 der Armelemente, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel anhand eines selbstlernenden Parameter- und Kennfeldschätzers 510. Alternativ kann dazu auch die Zylinderposition bzw. die Zylinderlänge als Basis für ein entsprechendes kinematisches Modell verwendet werden.The position of individual arm elements or their angles is based on data 500 'calculated by means of a calculation algorithm' or a corresponding kinematic model 505. The data 500 are detected with said inertial sensors 210, 215, 220, 225 and / or are based on a recorded rate of rotation of the superstructure 105 , In addition, the known value of the gravitational acceleration is included in the calculation. The calculation is based on an estimate of the assumed angle relative to the ground 507 the arm elements, in this embodiment, using a self-learning parameter and map estimator 510 , Alternatively, the cylinder position or the cylinder length can also be used as the basis for a corresponding kinematic model.

Der Fokus bei der Zusammenführung 515 der genannten Daten liegt primär auf der Korrektur von Positionsfehlern, welche sich aus Abweichungen des kinematischen Modells vom realen Arbeitsarm ergeben. Gründe hierfür sind z.B. losabhängige Toleranzen in den genannten Armgelenken und/oder lastbedingte Verbiegungen von genannten Armteilen und/oder dynamische Fehler von genannten Inertialsensoren 210, 215, 220, 225. Solche Verbiegungen können z.B. aufgrund von überlagerten Bewegungen in verschiedenen Achsen, welche aus der Drehung des Oberwagen oder aus der Bewegung der Maschine resultieren, hervorgerufen werden. Diese Abweichungen nehmen mit der überlagerten Geschwindigkeit zu und nehmen bei einem erneuten Stillstand der Maschine wieder ab. Falls der Oberwagen relativ zum Unterwagen eines angenommenen Baggers bewegt wird, kann dies zu einer Abweichung zwischen dem tatsächlichen TCP 127 und dem über das kinematische Modell berechneten TCP führen, welche sich bei Abklingen der überlagerten Bewegung ebenfalls wieder verringert. Im Einsatz der Maschine muss der TCP 127 auch bei dynamischen Bewegungen und beliebigen, auf den Arm wirkenden Lasten immer präzise bestimmbar sein. Daher wird der bei der Berechnung 505 sich ergebende Schätzwert 520 des TCP 127 mit einem direkt gemessenen TCP-Wert 530 an einem Verknüpfungspunkt 525 verglichen und der sich ergebende Differenzwert 535 wieder dem Parameter- und Kennfeldschätzer 510 zugeführt, um das kinematische Modell 505 über die Zusammenführung 515 entsprechender Korrekturkennfelder bzw. Korrekturwerte durch entsprechendes Einlernen zu verbessern bzw. zu optimieren.The focus of the merge 515 The above-mentioned data is primarily based on the correction of position errors, which result from deviations of the kinematic model from the real working arm. Reasons for this are, for example, losabhängige tolerances in said arm joints and / or load-related bending of said arm parts and / or dynamic errors of said inertial sensors 210 . 215 . 220 . 225 , Such bends may, for example, be caused by superimposed movements in different axes resulting from the rotation of the uppercarriage or from the movement of the machine. These deviations increase with the superimposed speed and decrease again when the machine comes to a standstill again. If the uppercarriage is moved relative to the undercarriage of an assumed excavator, this may result in a deviation between the actual TCP 127 and the calculated via the kinematic model TCP, which also decreases when the superimposed motion decays. In the use of the machine must be the TCP 127 always be precisely determinable even with dynamic movements and any loads acting on the arm. Therefore, in the calculation 505 resulting estimate 520 of the TCP 127 with a directly measured TCP value 530 at a node 525 compared and the resulting difference value 535 again the parameter and map estimator 510 fed to the kinematic model 505 about the merge 515 appropriate correction maps or correction values by appropriate teaching to improve or optimize.

Das bei der TCP-Bestimmung zugrunde gelegte Modell kann, basierend auf den Messwerten der Inertialsensoren 210, 215, 220, 225, sowie der an sich bekannten Zylinderdrücke sowie der gemessenen Bewegung des Oberwagens, durch einen Vergleich von auf verschiedenen Arten ermittelten TCP-Werten, mit genannten entsprechend lernenden Algorithmen weiter verbessert werden. Falls die Abweichung zwischen dem mittels der Inertialsensoren 210, 215, 220, 225 berechneten kinematischen Modell und der tatsächlichen Position des TCP 127 bei bestimmten Drücken bzw. Armkräften bekannt ist, dann kann diese Abweichung korrigiert werden. Ebenso kann eine dynamische Abweichung zwischen tatsächlichem TCP 127 und anhand des kinematischen Modells berechnetem TCP-Wert bei verschiedenen Geschwindigkeiten des Oberwagens und verschiedenen Armpositionen bestimmt werden und die Abweichungen somit dynamisch in Abhängigkeit der gemessenen Oberwagenbewegung und Armposition korrigiert werden.The model used in the TCP determination can be based on the measurements of the inertial sensors 210 . 215 . 220 . 225 , as well as the cylinder pressures known per se and the measured movement of the superstructure, can be further improved by comparing TCP values determined in various ways with said corresponding learning algorithms. If the deviation between that by means of inertial sensors 210 . 215 . 220 . 225 calculated kinematic model and the actual position of the TCP 127 is known at certain pressures or arm forces, then this deviation can be corrected. Similarly, a dynamic deviation between actual TCP 127 and calculated based on the kinematic model TCP value at different speeds of the superstructure and different arm positions are determined and the deviations are thus corrected dynamically depending on the measured uppercarriage movement and arm position.

Die genannten Abweichungen können mittels selbstlernender Algorithmen, Kennfelder oder Berechnungsvorschriften deshalb bei hier betroffenen Maschinen vorteilhaft ermittelt werden, da z.B. ein Bagger ähnliche Bewegungen sehr häufig wiederholend ausführt und die Einflussgrößen daher bekannt sind. Dadurch ist bei einer möglichen bzw. durchführbaren direkten TCP-Bestimmung ein zügiges Einlernen möglich. Falls dann beim späteren Arbeiten unter Wasser oder hinter Spundwänden die direkte TCP-Messung bzw. Regelung auf den TCP 127 nicht mehr möglich ist, so kann mit einem entsprechend verbesserten Modell gearbeitet werden.The mentioned deviations can therefore advantageously be determined by means of self-learning algorithms, characteristic diagrams or calculation instructions in machines affected here, since, for example, an excavator carries out similar movements very frequently and the influencing variables are therefore known. As a result, a fast learning is possible with a possible or feasible direct TCP determination. If then during later work under water or behind sheet piling the direct TCP measurement or regulation on the TCP 127 is no longer possible, so you can work with a correspondingly improved model.

Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer hier betroffenen Maschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.The method described can be implemented in the form of a control program for an electronic control unit for controlling a machine affected here or in the form of one or more corresponding electronic control units (ECUs).

Claims (13)

Verfahren zur Positionsbestimmung einer Kinematik (110, 115, 120) einer Maschine, wobei die Kinematik (110, 115, 120) gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) peripher angeordnet ist, und wobei es zu Betriebssituationen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik (110, 115, 120) und dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) keine signaltechnische Verbindung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) anhand eines von dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) durchgeführten direkten signaltechnischen Messverfahrens (230, 235, 240, 245) ermittelt wird, dass die Position der Kinematik (110, 115, 120) in Betriebssituationen der Maschine, in denen keine signaltechnische Verbindung möglich ist, anhand eines indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelt wird, wobei anhand des direkten Messverfahrens (230, 235, 240, 245) und anhand des indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) ermittelte Positionsdaten zur Positionsbestimmung der Kinematik (110, 115, 120) gemeinsam ausgewertet werden.Method for determining the position of a kinematics (110, 115, 120) of a machine, wherein the kinematics (110, 115, 120) are arranged peripherally in relation to a position determining machine area (105), and where operating situations of the machine occur in which the kinematics (110, 115, 120) and the position determining machine area (105) no signal connection is possible, characterized in that the position of the kinematics (110, 115, 120) on the basis of one of the position determining machine area (105) performed direct signal-technical measuring method (230, 235, 240, 245) is determined that the position of the kinematics (110, 115, 120) in operating situations of the machine, in which no signaling connection is possible, using an indirect measuring method (210, 215, 220, 225) is determined using the direct measurement method (230, 235, 240, 245) and the indirect th measurement data (210, 215, 220, 225) determined position data for determining the position of the kinematics (110, 115, 120) are evaluated together. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung der Kinematik anhand eines an einem Werkzeug (125) der Kinematik (110, 115, 120) angeordneten TCP [PN2](127) erfolgt.Method according to Claim 1 , characterized in that the position determination of the kinematics on the basis of a tool (125) of the kinematics (110, 115, 120) arranged TCP [PN2] (127). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das indirekte Messverfahren (210, 215, 220, 225) anhand von an der Kinematik (110, 115, 120) angeordneten Sensoren durchgeführt wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the indirect measuring method (210, 215, 220, 225) is carried out on the basis of kinematics (110, 115, 120) arranged sensors. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das indirekte Messverfahren (210, 215, 220, 225) anhand wenigstens eines an der Kinematik angeordneten hydraulischen Druckgebers, Linearpositionsgebers und/oder Winkelpositionsgebers und/oder Inertialsensor durchgeführt wird.Method according to Claim 3 , characterized in that the indirect measuring method (210, 215, 220, 225) based on at least one of the Kinematics arranged hydraulic pressure transducer, linear position sensor and / or angular position sensor and / or inertial sensor is performed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des indirekten Messverfahrens (210, 215, 220, 225) gewonnene Daten auf der Grundlage einer Modellrechnung (505) ausgewertet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that on the basis of the indirect measuring method (210, 215, 220, 225) obtained data are evaluated on the basis of a model calculation (505). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein anhand der Modellrechnung (505) ermittelter Schätzwert (520) der Position der Kinematik (110, 115, 120) mit einem direkt gemessenen Positionswert (530) der Kinematik (110, 115, 120) verglichen wird (525) und ein bei der Modellrechnung (505) zugrunde gelegtes kinematisches Modell anhand eines sich bei dem Vergleich (525) ergebenden Differenzwertes (535) der Position der Kinematik (110, 115, 120) angepasst oder optimiert wird.Method according to Claim 5 , characterized in that an estimated value (520) of the position of the kinematics (110, 115, 120) determined on the basis of the model calculation (505) is compared (525) with a directly measured position value (530) of the kinematics (110, 115, 120). and a kinematic model based on the model calculation (505) is adapted or optimized on the basis of a difference value (535) of the position of the kinematics (110, 115, 120) resulting in the comparison (525). Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellrechnung eine im Betrieb der Maschine auftretende, mechanische Belastung der Kinematik (110, 115, 120) oder von Teilen der Kinematik berücksichtigt wird.Method according to Claim 5 or 6 , characterized in that in the model calculation occurring during operation of the machine, mechanical load of the kinematics (110, 115, 120) or parts of the kinematics is taken into account. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das direkte Messverfahren (230, 235, 240, 245) mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers (230, 235, 240) oder Signalempfängers (245) und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera und/oder mittels wenigstens eines Laserentfernungsmessers (430) und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the direct measuring method (230, 235, 240, 245) by means of at least one high-frequency signal generator (230, 235, 240) or signal receiver (245) and / or by means of at least one optical camera and / or by means of at least one laser rangefinder (430) and / or by means of at least one ultrasonic sensor. Vorrichtung zur Positionsbestimmung einer Kinematik (110, 115, 120) einer Maschine, wobei die Kinematik (110, 115, 120) gegenüber einem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) peripher angeordnet ist, und wobei es zu Betriebssituationen der Maschine kommt, in denen zwischen der Kinematik (110, 115, 120) und dem die Positionsbestimmung durchführenden Maschinenbereich (105) keine signaltechnische Verbindung möglich ist, gekennzeichnet durch eine Signaltechnik zur direkten Erfassung der Position der Kinematik (110, 115, 120), durch eine Sensortechnik zur indirekten Ermittlung der Position der Kinematik (110, 115, 120), sowie Rechenmitteln (500 - 535) zur gemeinsamen Auswertung der direkt erfassten und indirekt ermittelten Positionsdaten.Device for determining the position of a kinematics (110, 115, 120) of a machine, wherein the kinematics (110, 115, 120) are arranged peripherally in relation to a position determining machine area (105), and where there are operating situations of the machine in which the kinematics (110, 115, 120) and the position determining machine area (105) no signal connection is possible, characterized by a signal technique for direct detection of the position of the kinematics (110, 115, 120), by a sensor technology for the indirect determination of Position of the kinematics (110, 115, 120), as well as calculation means (500 - 535) for the common evaluation of the directly detected and indirectly determined position data. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Erfassung der Position der Kinematik (110, 115, 120) mittels wenigstens eines hochfrequenten Signalgebers (230, 235, 240) bzw. Signalempfängers (245) und/oder mittels wenigstens einer optischen Kamera und/oder mittels wenigstens eines Laserentfernungsmessers (430) und/oder mittels wenigstens eines Ultraschallsensors erfolgt und dass die indirekte Ermittlung der Position der Kinematik (110, 115, 120) mittels wenigstens eines an der Kinematik (110, 115, 120) angeordneten hydraulischen Druckgebers und/oder wenigstens eines hydraulischen Linearpositionsgebers und/oder wenigstens eines Winkelpositionsgebers und/oder eines Inertialsensors erfolgt.Device after Claim 9 , characterized in that the direct detection of the position of the kinematics (110, 115, 120) by means of at least one high-frequency signal generator (230, 235, 240) or signal receiver (245) and / or by means of at least one optical camera and / or by means of at least a laser rangefinder (430) and / or by means of at least one ultrasonic sensor and that the indirect determination of the position of the kinematics (110, 115, 120) by means of at least one on the kinematics (110, 115, 120) arranged hydraulic pressure transducer and / or at least one hydraulic Linearpositionsgebers and / or at least one angular position sensor and / or an inertial sensor takes place. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.Computer program, which is set up, each step of a method according to one of Claims 1 to 8th perform. Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11 gespeichert ist.Machine-readable data carrier on which a computer program according to Claim 11 is stored. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, eine vorgenannte Maschine mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.Electronic control apparatus, which is arranged, an aforementioned machine by means of a method according to one of Claims 1 to 8th to control.
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