DE102021107197B4

DE102021107197B4 - Verfahren zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE102021107197B4
Application number: DE102021107197.6A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2041-03-24
Also published as: DE102021107197A1; EP4314419A1; WO2022200220A1

Abstract

Verfahren zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs (2) zur Bodenbearbeitung an einem verstellbaren Ausleger (3) eines Landfahrzeugs (1), mit den Schritten:(S1100) Bestimmen eines Positions-Datensatzes (PDS) indikativ für die Position einer Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) einer Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe (4) an dem Werkzeug (2) mit einem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8),(S1200) Bestimmen eines Lage-Datensatzes (LDS) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit einer Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8),(S1300) Auswerten des Positions-Datensatzes (PDS) und des Lage-Datensatzes (LDS) unter Verwendung eines Kalibrier-Datensatzes (KDS), um einen Ausgangs-Datensatz (ADS) indikativ für die Raumlage und Position des Werkzeugs (2) zu bestimmen, und(S1400) Ausgeben des Ausgangs-Datensatzes (ADS).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs zur Bodenbearbeitung an einem verstellbaren Ausleger eines Landfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, ein System zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs zur Bodenbearbeitung an einem verstellbaren Ausleger eines Landfahrzeugs und eine Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe für ein derartiges System.
Dabei wird unter einer Positionsbestimmung die Ermittlung einer Position des Werkzeugs oder eines Abschnitts des Werkzeugs in Bezug zu einem definierten Fixpunkt verstanden, während unter der Raumlagebestimmung die Bestimmung der Ausrichtung des Werkzeugs zum umgebenden Raum verstanden wird, vor allem bezüglich der Horizontalen bzw. der Lotrichtung.
Auf Baustellen werden Bodenbearbeitungen nach Planvorgaben ausgeführt, welche typischerweise entweder relativ zu einem Bezugspunkt vorliegen oder als absolute geostationäre dreidimensionale Positionsdaten. Dies kann zum Beispiel das Einebnen einer Fläche auf eine absolute Höhe oder eine zu einem Bezugspunkt relative Höhe oder das Ausheben von dreidimensionalen Bodenprofilen einschließen.
Hierzu werden Baumaschinen, wie z.B. Bagger, eingesetzt. Dabei wird unter einem Bagger eine Baumaschine zum Lösen und Bewegen von Boden und Fels, insbesondere zum Ausheben und Wiederverfüllen von Erdvertiefungen, wie etwa Baugruben und Schächten, verstanden.
Derartige Bagger sind als selbstfahrende Landfahrzeuge ausgebildet und weisen einen auf einem Fahrgestell des Baggers um seine Hochachse drehbaren Aufbau mit einem Ausleger auf, an dessen distalem Ende ein Werkzeug, wie eine Baggerschaufel, befestigt ist. Der Ausleger selbst weist eine Mehrzahl von Gelenken auf und kann mit ihnen so radial einwärts und auswärts verlagert werden. Die Verlagerung des Auslegers und des Werkzeugs wird üblicherweise per Hydraulik oder mit Elektromotoren bewirkt.
Bodenprofile müssen je nach Bauvorgaben oft Ausführungsgenauigkeiten von wenigen Zentimetern aufweisen. Beispielsweise wird für eine Bodenplatte eines Hauses eine plane Fläche mit einer Abweichung von maximal +/- 1,5 cm in Bezug auf die geostationäre Position und Höhe benötigt. Die Erzeugung von Bodenprofilen mit obiger Genauigkeit und absoluter Positionierung erfordert einen speziell dafür ausgerüsteten Bagger oder aufwendige Messverfahren.
Alternativ wird insbesondere auf Kleinbaustellen ein nicht speziell dafür ausgerüsteter Bagger verwendet, wobei eine weitere Person zwischen den Erdbearbeitungsvorgängen jeweils die abzutragende Höhe mit einer Messausrüstung bestimmt. Der Maschinenführer des Baggers und die weitere Person können im Zusammenspiel ein derartiges Bodenprofil bereitstellen. Ein Baustellenmessgerät zur Unterstützung bei derartigen Arbeiten ist z.B. aus der WO 2014 / 146809 A1 bekannt. Jedoch ist dieses Vorgehen zeitaufwendig und personalintensiv.
Es kann auch ein speziell ausgerüsteter Bagger, meist basierend auf GNSS (Globale Satelliten Navigationssysteme wie GPS, Galileo, GLONASS und Beidu) und/oder Laserreferenzebene, mit technisch aufwendiger Lösung, die vollständig im Bagger integriert ist, verwendet werden. Solche Systeme sind ab Werk verbaut. Diese Bagger sind mit Sensoren an allen, das Werkzeug tragenden, beweglichen Elementen des Auslegers ausgestattet und müssen entsprechend kalibriert und vermessen werden. Diese speziell ausgerüsteten Bagger nutzen oft Systeme, welche in die Maschinensteuerung eingreifen und den Erdaushubprozess teilautomatisieren.
Ein solches System ist z.B. aus der WO 2008 / 091395 A2 bekannt. Das System ist zur dreidimensionalen Führung eines Baggers, basierend auf GPS und Laserreferenz, ausgebildet und beinhaltet einen mobilen GPS-Empfänger, ein System zur Positionierung eines Werkzeugs in Relation zum Bagger, einen Laserdetektor sowie ein eingebautes Steuerungssystem. Jedoch kann eine externe Laserquelle leicht abgeschattet werden und muss bei einer größeren Änderung der Tiefe neu justiert werden. Ferner sind die Anbringung und Kalibrierung aufwendig.
Mit einem solchen System kann der Arbeitsprozess deutlich schneller erfolgen, es sind aber speziell ausgestattete Bagger und auf das System angelernte Maschinenführer erforderlich. Diese müssen zwischen den Baustellen nach Bedarf bewegt werden. Diese Vorgehensweise ist auf Großbaustellen üblich.
Es können auch nicht speziell dafür ausgerüstete Bagger verwendet werden, welche entsprechend nachgerüstet werden. Es sind Nachrüstmöglichkeiten bekannt, die aber technisch aufwendig sind. Bei der Installation solcher Systeme ist die manuelle Vermessung und Kalibrierung mindestens eines Teils der Baggergeometrie, wie des Auslegers, nötig, damit ein Steuergerät die Position des Werkzeugs ermitteln kann.
Bei GNSS basierten Systemen müssen meist mehrere dieser Drehpunkte bzw. Gelenkpunkte des Auslegers erfasst werden, da der GNSS-Empfänger typischerweise auf dem Rumpf des Baggers befestigt wird. Die Kalibrierung ist daher ein zeitlich und technisch aufwendiger Prozess.
Es gibt auch Nachrüstsysteme, welche mit weniger Drehpunkten auskommen und z.B. über optische Laserreferenzebenen arbeiten. Ein derartiges System ist z.B. aus der DE 3 875 332 T2 zur Bestimmung einer Tiefe bekannt, bis zu der ein Bagger einen Graben ausheben soll. Dieses System wirkt mit einer externen Laserquelle zusammen, um die Tiefe des Grabens auf eine festgelegte Entfernung unter der Ebene des durch den Laser erzeugten Strahls zu beziehen. Hierzu werden externe Laserquellen verwendet, welche leicht abgeschattet werden können und bei jeder größeren Änderung der Tiefe neu justiert werden müssen. Ferner sind die Anbringung und Kalibrierung aufwendig.
Es gibt auch Systeme, welche eine Kombination der beiden vorgehend genannten Verfahren nutzen und somit entsprechend aufwendig vermessen und kalibriert werden müssen. Des Weiteren gibt es auch Lösungsvorschläge, welche das Werkzeug über andere Technologien vom Baggerrumpf aus verfolgen und somit eine aufwendige Sensorik und Vermessung am Ausleger umgehen.
Aus der US 2019 / 0003825 A1 ist eine integrierte Sensoreinheit zur Maschinensteuerung bekannt, welche einen Maschinenführer dabei unterstützt, die korrekte Aushubtiefe zu finden. Die integrierte Sensoreinheit umfasst einen Beschleunigungssensor, einen Laser-Distanz-Sensor (LDM) sowie einen Laserempfänger für die Detektion einer Laserreferenzebene und optional einen GPS-Empfänger. Diese Einheit wird am Ausleger des Baggers befestigt und kann über den LDM die Stellung eines Werkzeugs erfassen. Für die Kalibrierung ist eine händische Vermessung notwendig. Für die Nutzung ist die Anbringung einer geeigneten LDM-Referenz notwendig.
Aus der DE 2020 10018131 U1 ist eine Erkennung von Transportzustandsinformationen über an dem Transportobjekt angebrachte Transponder durch eine Transportvorrichtung bekannt, welche Bewegungsdaten, z.B. über ein GPS, erfasst. Transportzustandsinformationen können unter anderem auch Entfernungen zwischen der Transportvorrichtung und dem Transponder sein. Dadurch ist ein System gegeben, welches die Distanz zwischen einem RFID-Transponder, welcher z.B. an einem Werkzeug angebracht werden kann, und einer Transportvorrichtung, wie einem Bagger, ermittelbar macht. RFID (Radio-Frequency Identification) kann zwar eine gute Distanzauflösung bei freier Sichtlinie zum Transponder erzielen, jedoch ist die Messung des Winkels zwischen dem Baggerrumpf und dem Werkzeug technisch aufwendig und ungenau.
Aus der EP 1 029 306 B1 ist ein Verfahren zur optischen Erfassung von Position und Raumlage eines Werkzeugs in Relation zu einer Maschine bekannt. Dieses Verfahren nutzt Marker auf dem zu folgenden Werkzeug, welche eine vorbestimmte relative Position zueinander aufweisen. Die Erkennung basiert auf Bildverarbeitungsalgorithmen. So können z.B. die Position und Raumlage einer Baggerschaufel in Relation zum Bagger ermittelt werden. Es genügt eine Sensoreinheit zum Verfolgen des Werkzeugs, aber je nach Technologie sind Nutzungsmöglichkeiten und/oder Auflösung beschränkt. So sind z.B. optische Verfahren darauf angewiesen, immer eine ausreichende Sicht auf das Werkzeug zu haben. Ferner ist dieses Verfahren empfindlich gegenüber Verunreinigungen der Marker oder einer Kamera.
Aus der US 6 665 465 B2 ist eine Räumschildregelung für eine als Grader ausgebildete Baumaschine bekannt, bei der mit einem Ultraschallsensor ausgehend vom Referenzpunkt die Position und Neigung eines Räumschildes erfasst und angepasst wird.
Aus der US 2016 / 0076228 A1 ist ein Führungssystem für einen Bagger bekannt, an dessen Ausleger ein Lasersensor angeordnet ist, aus der US 9 886 038 B2 ist ein GNSS-basiertes System zur Steuerung einer Landmaschine bekannt.
Aus der EP 2 806 248 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung einer Erfassungseinrichtung und eine Erfassungseinrichtung bekannt.
Es besteht also Bedarf daran, Wege aufzuzeigen, wie die Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs vereinfacht werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs zur Bodenbearbeitung an einem verstellbaren Ausleger eines Landfahrzeugs, mit den Schritten:

Bestimmen eines Positions-Datensatzes indikativ für die Position einer Lage- und Positionsbestimmungseinheit einer Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe an dem Werkzeug mit einem GNSS-Modul der Lage- und Positionsbestimmungseinheit,
Bestimmen eines Lage-Datensatzes indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit einer Lagesensorbaugruppe der Lage- und Positionsbestimmungseinheit,
Auswerten des Positions-Datensatzes und des Lage-Datensatzes unter Verwendung eines Kalibrier-Datensatzes, um einen Ausgangs-Datensatz indikativ für die Raumlage und Position des Werkzeugs zu bestimmen, und
Ausgeben des Ausgangs-Datensatzes.

Es werden also Positionsdaten, die von einem GNSS-System stammen, und Lagedaten, die von einer Lagesensorbaugruppe der Lage- und Positionsbestimmungseinheit der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe stammen, kombiniert, um die Raumlage und Position des Werkzeugs zu bestimmen.
Die Lagesensorbaugruppe kann als Beschleunigungssensorbaugruppe mit mindestens zwei Messachsen ausgebildet sein und ist z.B. dazu ausgebildet, durch Vergleich von mindestens zwei Beschleunigungswerten, die in Richtung der zumindest zweier Messachsen erfasst werden, die aktuelle Raumlage zu bestimmen.
Dabei kann die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe oder eine Komponente der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe, wie z.B. die Lage- und Positionsbestimmungseinheit, mit einem GNSS-Modul, an einer im Wesentlichen frei wählbaren Position an dem Werkzeug angebracht werden. Unter einer im Wesentlichen frei wählbaren Position wird dabei eine Position verstanden, die eine ausreichende Verbindungsqualität zu Satelliten des GNSS-Systems gewährleistet.
Der Kalibrier-Datensatz erlaubt es, die Positionsdaten und die Lagedaten, die indikativ für die Raumlage und Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe sind, auszuwerten, um die Lage und Position einer Referenzmarke des Werkzeugs bestimmen zu können.
Mit anderen Worten, mit dem Kalibrier-Datensatz wird eine Koordinatentransformation oder ein Basiswechsel durchgeführt, so dass aus der Raumlage und Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe auf die Raumlage und Position der Referenzmarke geschlossen werden kann.
Die Referenzmarke kann sowohl ein definierter Punkt auf dem Werkzeug, eine Linie entsprechend einer Kante an dem Werkzeug oder eine Werkzeugspitze sein. Mit anderen Worten, die Referenzmarke ist ein Punkt oder eine Kante an dem Werkzeug, mit dem/der das Werkzeug in Kontakt mit dem zu bearbeitenden Medium kommt.
Damit wird es möglich, die Position und Raumlage des Werkzeugs direkt zu bestimmen. Es entfällt also die Notwendigkeit, ausgehend von einem Werkzeugträger, wie einem Landfahrzeug, aufwendig auf die Position und Raumlage des Werkzeugs zu schließen.
Somit entfällt der Bedarf z.B. an speziell ausgebildeten Baumaschinen mit z.B. GNSS-Systemen, sondern es kann im Bedarfsfall ein Landfahrzeug, wie eine Baumaschine, entsprechend schnell nachgerüstet werden. Dabei wird durch die freie Wahl der Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe und anschließende Kalibrierung mit dem Kalibrier-Datensatz die Montage vereinfacht und es sind keine aufwendigen Kalibrierungen wie bei einer derartigen speziell ausgebildeten Baumaschine ab Werk erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform werden zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes folgende Schritte ausgeführt:

Befestigen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit an dem Werkzeug,
Ausrichten einer Referenzmarke des Werkzeugs durch Neigen des Werkzeugs, derart, dass sich die Referenzmarke mit der Lage- und Positionsbestimmungseinheit im Lot befindet,
Bestimmen einer Distanz zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit und der Referenzmarke,
Einlesen der Distanz von der Lage- und Positionsbestimmungseinheit,
Bestimmen einer Lotabweichung der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit der Lagesensorbaugruppe der Lage- und Positionsbestimmungseinheit, und
Erzeugen des Kalibrier-Datensatzes durch Auswerten der Lotabweichung und der Distanz.

Hierbei handelt es sich also um ein manuelles Verfahren, bei dem die Distanz zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe und der Referenzmarke z.B. von einem Maschinenführer mit einem Meterstab oder einer ähnlichen Messeinrichtung mit einer Genauigkeit von z.B. 0,5 cm bestimmt und dann über ein HMI (Human-Machine-Interface, Benutzerschnittstelle) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit zur Verfügung gestellt wird. Die Lotabweichung hingegen wird automatisch, also ohne Eingriff des Maschinenführers bestimmt. Mit diesem Verfahren kann ein Kalibrier-Datensatz auch dann bestimmt werden, wenn keine Daten eines GNSS-Systems zur Verfügung stehen, z.B. wenn kein Empfang vorliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zur Bestimmung des Kalibrier-Datensatzes werden zusätzlich folgende Schritte ausgeführt:

Ausrichten des Werkzeugs, derart, dass das Werkzeug eine vorbestimmte Position mit einer vorbestimmten Neigung, insbesondere mit einer maximalen Neigung, annimmt und die Referenzmarke an der gleichen, vorbestimmten Position während des Ausrichtens verbleibt, wobei während des Ausrichtens Positionsdaten mit dem GNSS-Modul der Lage- und Positionsbestimmungseinheit erfasst werden,
Bestimmen von Differenzdaten durch Auswerten des bestimmten Kalibrier-Datensatzes und den bestimmten Positionsdaten, und
Ergänzen des Kalibrier-Datensatzes durch Auswerten der Differenzdaten.

Es handelt sich hier um ein Verfahren, das auf dem vorherigen manuellen Verfahren aufbaut und es um automatische Schritte erweitert. Mit anderen Worten, es handelt sich um ein kombiniertes manuelles/automatisches oder auch halbautomatisches Verfahren.
Hierfür sind allerdings Daten eines GNSS-Systems Voraussetzung. Sie werden erfasst, nachdem die Referenzmarke des Werkzeugs gemäß dem vorherigen manuellen Verfahren in eine erste, vorbestimmte Position, in der sie sich mit der Lage- und Positionsbestimmungseinheit im Lot befindet, gebracht wurde, und das Werkzeug nun ausgehend von dieser ersten, vorbestimmten Position durch Ändern der Neigung des Werkzeugs in eine weitere, zweite vorbestimmte Position mit einer vorbestimmten Neigung gebracht wird, wobei die Referenzmarke während des Ausrichtens an der gleichen, vorbestimmten Position verbleibt.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Maschinenführer z.B. durch ein HMI aufgefordert wird, ein entsprechendes Ausrichten des Werkzeugs manuell zu bewirken. Das Ausrichten kann auch automatisch durch einen Ansteuer-Datensatz erfolgen. Bei dem Ansteuer-Datensatz kann es sich um eine vorbestimmte Folge von Steuerbefehlen handeln, mit denen das Werkzeug ohne weiteren Eingriff eines Maschinenführers in die genannte, vorbestimmte Position gebracht wird. Bei der vorbestimmten Position kann es sich um eine Position maximaler Neigung handeln, bei der ein oder mehrere Gelenke des Auslegers sich an ihrem Anschlag befinden und ein weiteres Verschwenken nicht mehr möglich ist. Der Ansteuer-Datensatz kann automatisch während des Ablaufs des Verfahrens aktiviert werden.
Dadurch, dass die Referenzmarke an ihrer Position bleibt, also ortsfest ist, während die übrigen Abschnitte des Werkzeugs verlagert werden, beschreibt die Lage- und Positionsbestimmungseinheit der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe eine Verlagerung entlang einer kreisförmigen bzw. kreisabschnittsförmigen Trajektorie.
Es erfolgt dann ein Vergleich von Daten auf Basis der GNSS-Daten mit Daten, die auf Basis des Kalibrier-Datensatzes gewonnen werden, die mit dem manuellen Verfahren gewonnen wurden. Mit anderen Worten, es werden beide Verfahren miteinander verglichen und ein Fehler bzw. eine Abweichung bestimmt, der bzw. die dann in einen verbesserten, ergänzten Kalibrier-Datensatz einmündet.
So kann die Genauigkeit der Positions- und Raumlagebestimmung nochmals gesteigert werden.
Dieses Verfahren kann auch dann durchgeführt werden, wenn nach einem zwischenzeitlichen Ausfall eines GNSS-Systems dieses wieder zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes folgende Schritte ausgeführt:

Befestigen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit an dem Werkzeug,
Verlagern des Werkzeugs, um einen vorbestimmten geostationären Punkt für das Werkzeug anzufahren, und Erfassen von einem ersten Messwert an einem ersten Messpunkt, mit Positionsdaten indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit dem GNSS-Modul der Lage- und Positionsbestimmungseinheit, und mit Lagedaten indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit der Lagesensorbaugruppe der Lage- und Positionsbestimmungseinheit,
Verlagern des Werkzeugs, derart, dass eine Neigung des Werkzeugs verändert wird, wobei eine Referenzmarke des Werkzeugs an einer gleichen, vorbestimmten Position verbleibt,
Erfassen von mindestens zwei weiteren Messwerten an mindestens zwei weiteren Messpunkten, mit weiteren Positionsdaten indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit dem GNSS-Modul der Lage- und Positionsbestimmungseinheit durch zumindest zweimaliges Durchführen des Vorgängerschritts und dieses Schritts,
Auswerten der Messwerte, um eine Lotabweichung der Lage- und Positionsbestimmungseinheit und/oder eine Distanz zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit und der Referenzmarke zu bestimmen,
Erzeugen des Kalibrier-Datensatzes durch Auswerten der Lotabweichung und/oder der Distanz.

Es handelt sich hier um ein automatisches Verfahren, ohne dass ein manuelles Messen durch den Maschinenführer erforderlich ist.
Auch für dieses Verfahren sind Daten eines GNSS-Systems Voraussetzung. Die Lagedaten können nur beim Erfassen von dem ersten Messwert an dem ersten Messpunkt erfasst werden. Es kann aber zusätzlich vorgesehen sein, auch an den weiteren Messpunkten zusätzlich die Lagedaten zu erfassen.
Zur Auswertung kann vorgesehen sein, dass eine Sollkurve durch einen Kreis oder einen Kreisabschnitt unter Berücksichtigung von Messpunkten gemäß den Positionsdaten angenähert wird, z.B. durch Least SquareFit oder Taubinfit, um den Radius des angenäherten Kreises oder Kreisabschnitts zu bestimmen, der repräsentativ für die Distanz ist.
Insgesamt werden zumindest drei Messpunkte durch Verlagern des Werkzeugs angesteuert und dann Messwerte erfasst und ausgewertet. Die Genauigkeit kann gesteigert werden, wenn die Anzahl der angesteuerten Messpunkte erhöht wird.
Auch bei diesem Verfahren bleibt die Referenzmarke an ihrer Position, während die übrigen Abschnitte des Werkzeugs verlagert werden. Dies vereinfacht auch bei diesem Verfahren die Auswertung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes folgende Schritte ausgeführt:

Befestigen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit an dem Werkzeug,
Verlagern des Werkzeugs, um einen vorbestimmten geostationären Punkt für das Werkzeug anzufahren, und Erfassen von einem ersten Messwert an einem ersten Messpunkt, mit Positionsdaten indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit dem GNSS-Modul der Lage- und Positionsbestimmungseinheit, und mit Lagedaten indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit der Lagesensorbaugruppe der Lage- und Positionsbestimmungseinheit,
Verlagern des Werkzeugs, derart, dass eine Neigung des Werkzeugs verändert wird, wobei eine Referenzmarke des Werkzeugs an einer gleichen, vorbestimmten Position verbleibt,
Erfassen von einem zweiten Messwert an einem zweiten Messpunkt, mit weiteren Positionsdaten indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit dem GNSS-Modul der Lage- und Positionsbestimmungseinheit, und mit weiteren Lagedaten indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit mit der Lagesensorbaugruppe der Lage- und Positionsbestimmungseinheit,
Auswerten der Messwerte, um eine Lotabweichung der Lage- und Positionsbestimmungseinheit und/oder eine Distanz zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit und der Referenzmarke zu bestimmen, und
Erzeugen des Kalibrier-Datensatzes durch Auswerten der Lotabweichung und/oder der Distanz.

Auch hier handelt es sich um ein automatisches Verfahren, ohne dass ein manuelles Messen durch den Maschinenführer erforderlich ist.
Ebenfalls sind für dieses Verfahren Daten eines GNSS-Systems Voraussetzung. Die Lagedaten werden hier beim Erfassen von dem ersten Messwert an dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messwert an dem zweiten Messpunkt erfasst. Es kann aber zusätzlich vorgesehen sein, an weiteren Messpunkten weitere Messwerte einschließlich der Lagedaten zu erfassen.
Auch hier kann zur Auswertung vorgesehen sein, dass eine Sollkurve durch einen Kreis oder einen Kreisabschnitt unter Berücksichtigung von Messpunkten gemäß den Positionsdaten angenähert wird, z.B. durch Least SquareFit oder Taubinfit, um den Radius des angenäherten Kreises oder Kreisabschnitts zu bestimmen, der repräsentativ für die Distanz ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Trägheitsnavigationssystem der Lage- und Positionsbestimmungseinheit verwendet, das zusätzlich Daten für den Lage-Datensatz bereitstellt. Durch die Kombination des GNSS-Systems mit dem Trägheitsnavigationssystem kann das kurzzeitig genaue, aber driftende Trägheitssystem mit den langzeitstabilen, aber kurzzeitig variablen schwankenden Daten des GNSS-Systems fusioniert werden. Dies ermöglicht eine genauere Positionsermittlung sowie eine kurzzeitig ausreichend genaue Positionsermittlung bei kurzzeitiger Unterbrechung einer Verbindung zu dem GNSS-System. Eine kurzzeitige Unterbrechung einer Verbindung zu dem GNSS-System kann z.B. bei einem Aushubprozess erfolgen, wenn der Erdaushub in einem als Baggerschaufel ausgebildeten Werkzeug bewegt wird und die GNSS-Antenne dabei kein freies Sichtfeld zu den Satelliten des GNSS-Systems hat.
Ferner gehören zur Erfindung ein Computerprogrammprodukt, ein System zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs zur Bodenbearbeitung an einem verstellbaren Ausleger eines Landfahrzeugs und eine Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe für ein derartiges System. Die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe kann eine Anzeigevorrichtung und/oder ein Endgerät und/oder Steuerausgabegerät aufweisen, wobei die Anzeigevorrichtung und/oder das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät als Mobilgerät ausgebildet sind.
Es wird nun die Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung ein Landfahrzeug mit einem System zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs des Landfahrzeugs.
2 in schematischer Darstellung weitere Details des in 1 gezeigten Auslegers mit dem Werkzeug.
3 in schematischer Darstellung weitere Details des in 1 gezeigten Werkzeugs.
4 in schematischer Darstellung Komponenten des in 1 gezeigten Systems.
5 in schematischer Darstellung weitere Details der in 4 gezeigten Referenzstation.
6 in schematischer Darstellung weitere Details einer der Komponenten des in 1 gezeigten Systems.
7 in schematischer Darstellung ein Werkzeug während eines Kalibriervorgangs.
8 in schematischer Darstellung ein Werkzeug während eines weiteren Kalibriervorgangs.
9 in schematischer Darstellung einen weiteren Kalibriervorgang.
10 in schematischer Darstellung einen weiteren Kalibriervorgang.
11 in schematischer Darstellung einen Verfahrensablauf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zur Kalibrierung des in 1 gezeigten Systems.
12 in schematischer Darstellung einen Verfahrensablauf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zur Kalibrierung des in 1 gezeigten Systems.
13 in schematischer Darstellung einen Verfahrensablauf gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zur Kalibrierung des in 1 gezeigten Systems.
14 in schematischer Darstellung einen Verfahrensablauf gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zur Kalibrierung des in 1 gezeigten Systems.
15 in schematischer Darstellung einen Verfahrensablauf zum Betrieb des in 1 gezeigten Systems.

Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen.
Dargestellt ist ein Landfahrzeug 1 mit einem System 21 zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs 2 des Landfahrzeugs 1.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Landfahrzeug 1 als Bagger mit einem verstellbaren Ausleger 3 ausgebildet, an dessen Ende das Werkzeug 2 befestigt ist, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Baggerschaufel ausgebildet ist. Mit einem derartigen Landfahrzeug 1 können z.B. Bodenbearbeitungen nach Planvorgaben ausgeführt werden, wobei hier lediglich mit einer Referenzmarke 11 des Werkzeugs 2 eine Erdoberfläche bearbeitet wird. Bei der Referenzmarke 11 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Werkzeugspitze des Werkzeugs 2, mit der die Erdoberfläche bearbeitet wird. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann es sich bei der Referenzmarke 11 um einen definierten Punkt auf dem Werkzeug 2 oder eine Linie entsprechend einer Kante an dem Werkzeug 2 handeln. Ferner kann abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel das Landfahrzeug 1 auch als eine andere Baumaschine mit einem anderen Werkzeug oder auch als Landmaschine mit einem entsprechenden Werkzeug ausgebildet sein.
Von den Komponenten des Systems 21 zur Positions- und Raumlagebestimmung sind in der 1 eine Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 und ein Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 dargestellt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 eine Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und eine Anzeigevorrichtung 5 auf. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 auch nur die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 aufweisen.
Während die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 am Werkzeug 2 und die Anzeigevorrichtung 5 am Ausleger 3 befestigt sind, ist das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 im Führerstand des Landfahrzeugs 1 angeordnet.
Das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 kann auch als Mobilgerät ausgebildet sein. Dabei wird unter einem Mobilgerät ein Endgerät verstanden, das aufgrund seiner Größe und seines Gewichts ohne größere körperliche Anstrengung tragbar und somit mobil einsetzbar ist. Beispiel für Mobilgeräte sind Smartphones oder auch Tablet-Computer sowie Notebooks.
Es wird nun zusätzlich auf 2 Bezug genommen.
Die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und die Anzeigevorrichtung 5 sind jeweils werkzeuglos an dem Werkzeug 2 bzw. dem Ausleger 3 befestigt und können im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch werkzeuglos von dem Werkzeug 2 bzw. dem Ausleger 3 gelöst werden. Hierzu sind zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und dem Werkzeug 2 sowie zwischen der Anzeigevorrichtung 5 und dem Ausleger 3 jeweils Magnete 9 vorgesehen. Es können starke Permanentmagnete, wie z.B. NdFeB-Magnete, sein.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann auch eine rahmenförmige Halterung 10 verwendet werden, um die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 am Werkzeug 2 und/oder die Anzeigevorrichtung 5 am Ausleger 3 zu befestigen. Durch die Verwendung der rahmenförmigen Halterung 10, die fest mit dem Werkzeug 2 bzw. dem Ausleger 3 verbunden ist, wird sichergestellt, dass die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und/oder die Anzeigevorrichtung 5 jeweils definierte Positionen und Raumlagen haben, die auch nach einer Trennung bzw. Demontage und einer erneuten Montage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und/oder der Anzeigevorrichtung 5 erhalten bleiben. Dies reduziert auch den Aufwand für Kalibrierungen.
Es wird nun zusätzlich auf 3 Bezug genommen.
Die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 ist derart an dem Werkzeug 2 platziert, dass zumindest in bestimmten Lagen des Werkzeugs 2 ein freies Sichtfeld auf Satelliten 701 (siehe 4) eines GNSS-Systems besteht. Hierzu ist die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf einer Oberseite des als Baggerschaufel ausgebildeten Werkzeugs 2 angeordnet.
Unter einem GNSS-System (globales Satelliten Navigationssystem) wird dabei ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und auch in der Luft durch den Empfang von Signalen von Satelliten 701 verstanden. Bei dem GNSS-System kann es sich um ein System wie z.B. GPS, Galileo, GLONASS oder Beidu handeln.
Durch den Empfang und die Anwendung von GNSS-Korrekturdaten, beispielsweise RTCM-Daten (Radio Technical Commission for Maritime Services) für RTK (Real Time Kinematic) können Laufzeitfehler durch die Atmosphäre und Ionosphäre korrigiert werden und somit präzise Werte für die Position ermittelt werden. Auch kann das GNSS-System als DGPS-System (Differential Global Positioning System) ausgebildet sein, bei dem durch Ausstrahlen von Korrekturdaten (Bahn- und Zeitsystem) die Genauigkeit der GNSS-Navigation gesteigert wird.
Das System 21 und seine Komponenten sind dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum drahtlosen, bidirektionalen Datenaustausch ausgebildet und weisen jeweils eine eigene Betriebsenergieversorgung auf. Dabei können für die nachfolgend beschriebenen Aufgaben und Funktionen das System 21 und seine Komponenten jeweils Hard- und/oder Software-Komponenten aufweisen. Somit können z.B. die Anzeigevorrichtung 5 und/oder das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 und/oder die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 Software-Komponenten eines Computerprogrammprodukts zum Betrieb des Systems 21 aufweisen, wobei die Software-Komponenten insbesondere als Module ausgebildet sind.
Es wird nun zusätzlich auf 4 Bezug genommen, um weitere Details der in 1 dargestellten Komponenten sowie einer Referenzstation 7 zu erläutern.
Die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel folgende Unterkomponenten auf:

Ein GNSS-Modul 702 für den Empfang von Positionsdaten PD des GNSS-Systems, eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Beschleunigungssensorbaugruppe (IMU - Inertial Measuring Unit) ausgebildete Lagesensorbaugruppe 703 mit mindestens zwei Messachsen zur Lageerfassung der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8, ein Sende- und Empfangs-Modul 706a zum drahtlosen Datenaustausch mit den anderen Komponenten des Systems 21 zur Positions- und Raumlagebestimmung, eine Anzeigeeinheit 704a, ein Eingabegerät 705, einen Mikrocontroller als Recheneinheit zur Lage- und Positionsberechnung und einen Akkumulator 707a zur Betriebsenergieversorgung.

Die Lagesensorbaugruppe 703 ist dazu ausgebildet, durch Vergleich von mindestens zwei Beschleunigungswerten, die in Richtung zumindest zweier Messachsen erfasst werden, die aktuelle Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 in Relation zur Schwerkraft bzw. zum Lot L (siehe z.B. 7) zu bestimmen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die mindestens zwei Messachsen der jeweiligen Beschleunigungssensoren der Lagesensorbaugruppe 703 orthogonal zueinander angeordnet, um die Raumlage beziehungsweise eine Neigung des Werkzeugs 2 zu bestimmen. Mithilfe des Mikrocontrollers werden aus den Positionsdaten PD sowie den Lagedaten LD der Lagesensorbaugruppe 703 sowie einem Kalibrier-Datensatz KDS die Position und Lage der Referenzmarke 11 bestimmt, wie dies später noch detailliert erläutert wird.
Die Lagesensorbaugruppe 703 kann auch ein Trägheitsnavigationssystem aufweisen. Es kann das kurzzeitig genaue, aber driftende Trägheitssystem mit den langzeitstabilen, aber kurzzeitig variablen schwankenden Daten des GNSS-Systems fusioniert werden. Dies ermöglicht eine genauere Positionsermittlung sowie eine kurzzeitig ausreichend genaue Positionsermittlung bei kurzzeitiger Unterbrechung einer Verbindung zu dem GNSS-System. Eine kurzzeitige Unterbrechung einer Verbindung zu dem GNSS-System kann z.B. bei einem Aushubprozess erfolgen, wenn der Erdaushub in einem als Baggerschaufel ausgebildeten Werkzeug 2 bewegt wird und die GNSS-Antenne 13 (siehe 6) dabei kein freies Sichtfeld zu den Satelliten 701 hat.
Auf Basis dieser Daten wird im Betrieb durch den Mikrocontroller die Differenz zwischen einer Ist-Position und einer Soll-Position des Werkzeugs 2 berechnet und durch diesen z.B. auf der Anzeigeeinheit 704a angezeigt oder an eine externe Vorrichtung übermittelt.
Die Anzeigevorrichtung 5 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Anzeigeeinheit 704b, ein Sende- und Empfangs-Modul 706b und einen Akkumulator 707b auf.
Das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Anzeigeeinheit 704c und ein Sende- und Empfangs-Modul 706c auf. Zur Betriebsenergieversorgung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Verbindung mit einem Bordnetz des Landfahrzeugs 1 vorgesehen. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann auch ein Akkumulator zur Betriebsenergieversorgung vorgesehen sein.
Das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 kann dazu ausgebildet sein, eine dreidimensionale Positionsdatenkarte einzulesen. Danach wird beispielsweise über die Anzeigeeinheit 5 eine Absoluthöhe und/oder eine Absolutposition des Werkzeugs 2 oder der Referenzmarke 11 angezeigt. Es kann auch ein Fehler oder eine Abweichung zu einer Sollhöhe des Werkzeugs 2 oder der Referenzmarke 11 angezeigt werden. Des Weiteren kann beispielsweise über das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 eine zwei- oder dreidimensionale Ansicht der Positionsdatenkarte mit der aktuellen Position des Werkzeugs 2 dargestellt werden.
Die Referenzstation 7 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Anzeigeeinheit 704d, ein Sende- und Empfangs-Modul 706d und einen Akkumulator 707d auf.
Es wird nun zusätzlich auf 5 Bezug genommen.
Dargestellt ist die GNSS-Referenzstation 7, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem Tripod 12 angeordnet ist.
Die Referenzstation 7 sollte, wenn absolute Positionsdaten benötigt werden, auf einem Punkt mit bekannter geostationärer Position und freiem Sichtfeld zu den Satelliten 701 positioniert werden. Werden nur relative Positionsdaten benötigt, so ist jede beliebige Stelle geeignet, welche ein freies Sichtfeld auf Satelliten 701 des GNSS-Systems bietet. Abhängig von der Netzverfügbarkeit und Übertragungsqualität der Funkverbindungstypen verbindet sich die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 mit der Referenzstation 7 automatisch, beispielsweise über ein Mobilnetz (LTE, 3G, 5G, EDGE, ...) oder mithilfe der Anzeigevorrichtung 5 als Relaisstation, z.B. über Langdistanzfunk. Als Übertragungsstandards können z.B. WLAN, Bluetooth, 868MHz, LoRa, UWB-Funk oder Mobilfunkstandards verwendet werden.
Es wird nun zusätzlich auf 6 Bezug genommen, um weitere Details der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 zu erläutern.
Die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine optionale Anzeige 16 mit z.B. LEDs als Leuchtmittel 15 auf, die über eine Leitungsverbindung (Anzeigeverbinder 17) daten- und betriebsenergieübertragend mit den anderen Komponenten der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 verbunden ist.
Ferner weist die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 im vorliegenden Ausführungsbeispiel Tasten 18, 19, 20 oder andere Schaltelemente zur Konfiguration der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 auf.
Des Weiteren ist dargestellt, dass die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 eine GNSS-Antenne 13 mit einem GNSS-Antennenzentrum 14 aufweist.
Eine Inbetriebnahme der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 kann z.B. automatisch ohne Schalter- oder Tasterbetätigung allein durch Entnahme aus einem Transportbehältnis oder z.B. mit dem Taster 18 erfolgen. Nach Entnahme verbindet sich z.B. die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 drahtlos selbstständig mit der geeigneten GNSS-Referenzstation 7 oder mit einem GNSS-Korrekturdatennetzwerkdienst.
Die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 ist dazu ausgebildet, nachdem sie an dem Werkzeug 2 befestigt wurde, einen Positions-Datensatz PDS indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 mit dem GNSS-Modul 702 zu bestimmen.
Des Weiteren ist die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 dazu ausgebildet, einen Lage-Datensatz LDS indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 mit der Lagesensorbaugruppe 703 zu bestimmen.
Ferner ist die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 dazu ausgebildet, den Positions-Datensatz PDS und den Lage-Datensatz LDS unter Verwendung eines Kalibrier-Datensatzes KDS auszuwerten, um einen Ausgangs-Datensatz ADS indikativ für die Raumlage und Position des Werkzeugs 2 zu bestimmen, und den Ausgangs-Datensatz ADS auszugeben.
Es kann z.B. mit der Referenzmarke 11 des Werkzeugs 2 ein Punkt auf einer gewünschten Höhe angefahren werden und durch Betätigen des Tasters 19 in eine Konfiguration übernommen werden. Da durch den Kalibrier-Datensatz KDS die Lage sowie die Höhe h zwischen der Referenzmarke 11 und z.B. der GNSS-Empfangsantenne 13 bekannt ist, kann nun ausgehend von der Position und Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 die Position und Raumlage der Referenzmarke 11 bestimmt werden.
Der Kalibrier-Datensatz KDS wird zumindest einmal nach dem Befestigen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 an dem Werkzeug 2 bestimmt, wie dies später noch detailliert erläutert wird.
Es wird nun zusätzlich auf 7 und 8 Bezug genommen.
In 7 ist ein Szenario dargestellt, bei dem das Werkzeug 2 im Lot L ausgerichtet ist. Ferner ist zu erkennen, dass die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 in dieser Position und Raumlage einen Winkelversatz mit einem Winkelwert α zu der Raumlage B der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 hat. Der mit der Lagesensorbaugruppe 703 gemessene Winkelwert ist der des Winkels δ in Bezug zum Lot L. In dieser Position sind die jeweiligen Winkelwerte der Winkel α und δ gleich. Durch Berücksichtigen des Winkels α kann der Winkelversatz ausgeglichen werden.
Der Winkel δ kann auch als Stabachsenfehler oder Stabachsfehler aufgefasst werden, d.h. als Abweichung vom Lot L, während der Winkel α als Kippachsenfehler in Bezug zu der Raumlage B der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 aufgefasst werden kann.
In 8 hingegen ist ein Szenario dargestellt, bei dem das Werkzeug 2 durch eine Drehung einen weiteren Winkelversatz mit dem Winkelwert δ hat. Das Werkzeug 2 wurde also außer Lot L gebracht durch eine Drehung um die y-Achse. Der Winkel α des Winkelversatzes hat sich hingegen nicht verändert und mit ihm kann der Winkelversatz herausgerechnet werden.
Um auf die aktuelle Raumlage und Position der Referenzmarke 11 schließen zu können, ist also der Winkel α des Winkelversatzes und ein Wert für die Distanz R von der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bis zur Referenzmarke 11 erforderlich.
Der Kalibrier-Datensatz KDS kann zumindest einen Winkelwert α, indikativ für den Winkelversatz, und eine Distanz R, indikativ für eine Distanz von der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bis zur Referenzmarke 11, enthalten, die beide als Offsetgrößen aufgefasst werden können, um aus der Raumlage und Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf die Raumlage und Position der Referenzmarke 11 schließen zu können.
Mit anderen Worten, mit dem Kalibrier-Datensatz KDS wird eine Koordinatentransformation oder ein Basiswechsel durchgeführt, so dass aus der Raumlage und Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf die Raumlage und Position der Referenzmarke 11 geschlossen werden kann.
Mit dem Höhenwert h_GNSS gemäß dem GNSS-Modul 702 kann dann die Höhe h_Ref der Referenzmarke 11 wie folgt bestimmt werden: $h_{R e f} = h_{G N S S} - h$
Der Höhenwert h kann dabei in z.B. einem zweidimensionalen Koordinatensystem wie folgt bestimmt werden: $h = R \cdot cos (β) m i t β = δ - α$
Dabei bezeichnet der Winkelwert δ die aktuelle Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8, bezogen auf das Lot L und eine Senkrechte S durch die Lagesensorbaugruppe 703 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8. Der Winkelwert β bezeichnet die um den Offsetwinkel α korrigierte Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8, bezogen auf das Lot L und eine Senkrechte S durch die Lagesensorbaugruppe 703 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8. In dem in 7 gezeigten Szenario ist der Winkelwert β = δ - α = 0, in dem in 8 gezeigten Szenario β ≠ 0.
Mit der Anzeigevorrichtung 5 und/oder dem Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 kann dann basierend auf dem Ausgangs-Datensatz ADS die Höhe h oder eine Abweichung hiervon angezeigt werden. Von Vorteil ist dabei, dass die Anzeigevorrichtung 5 durch ihre Anordnung am Ausleger 3 gleichzeitig mit dem Werkzeug 2 im Sichtfeld des Maschinenführers liegt.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 7 ein erstes Ausführungsbeispiel eines manuellen Kalibrierverfahrens zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes KDS erläutert.
Nachdem die Referenzmarke 11 des Werkzeugs 2 durch Neigen des Werkzeugs 2 um die y-Achse derart ausgerichtet wurde, dass sich die Referenzmarke 11 mit der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 im Lot L befindet, wird mit einem Meterstab oder einer ähnlichen Messeinrichtung mit einer Genauigkeit von z.B. 0,5 cm die Distanz R zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und der Referenzmarke 11 manuell bestimmt.
Die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 ist dazu ausgebildet, diesen Wert einzulesen, nachdem er manuell über z.B. ein HMI der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 eingegeben wurde.
Ferner ist die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 dazu ausgebildet, eine Lotabweichung LAB der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 mit der Lagesensorbaugruppe 703 zu bestimmen, d.h. z.B. den Winkelwert α für den Winkelversatz.
Z.B. aus der Distanz R und dem Winkelwert α erzeugt dann die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 den Kalibrier-Datensatz KDS.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Bestimmung des Kalibrier-Datensatzes KDS in der Anzeigevorrichtung 5 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 erfolgen.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines kombinierten manuellen/automatischen oder auch halbautomatischen Kalibrierverfahrens zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes KDS erläutert.
Das Kalibrierverfahren gemäß dem vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel baut auf dem anhand der 7 beschriebenen Kalibrierverfahren auf und erlaubt eine Steigerung der Genauigkeit.
Hierzu ist die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 dazu ausgebildet, ein Ausrichten des Werkzeugs 2 zu bewirken, derart, dass das Werkzeug 2 eine vorbestimmte Position, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Position mit maximaler Neigung in Bezug zur y-Achse annimmt. Hierzu kann der Ausleger 3 z.B. manuell oder mittels eines Ansteuer-Datensatzes angesteuert werden. Dabei wird das Werkzeug 2 derart um die y-Achse verlagert bzw. ausgerichtet, dass die Referenzmarke 11 an der gleichen Position I verbleibt. Während dieses Ausrichtungsvorgangs werden mit dem GNSS-Modul 702 Positionsdaten PD erfasst. Dies kann kontinuierlich, also in Intervallen mit einer vorbestimmten Zeitdauer, oder diskret an vorbestimmten Positionen erfolgen.
Durch einen Vergleich mit Positionen, die mit Hilfe des Kalibrier-Datensatzes KDS bestimmt werden, können nun Differenzdaten DD bestimmt werden.
Die Differenzdaten DD werden bestimmt durch einen Vergleich eines idealen Kreises bzw. Kreisabschnitts, definiert durch die vorher manuell bestimmte Distanz R und den vorher bestimmten Winkelwert α, mit den Positionsdaten PD.
Die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 ergänzt dann den Kalibrier-Datensatz KDS durch entsprechende Korrekturdaten.
Der Kalibrier-Datensatz KDS enthält dann die Differenzdaten DD, die einem Winkelwert jeweils einen Korrekturwert zuordnen und auf einen aktuellen Wert angewendet werden können.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Bestimmung des Kalibrier-Datensatzes KDS in der Anzeigevorrichtung 5 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 erfolgen.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 9 ein weiteres, drittes Ausführungsbeispiel eines automatischen Kalibrierverfahrens zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes KDS erläutert.
Es wird das Werkzeug 2 z.B. manuell oder durch einen Ansteuer-Datensatz verlagert, derart, dass die Referenzmarke 11 an der gleichen, vorbestimmten Position I verbleibt, wobei während des Ausrichtens Positionsdaten PD mit dem GNSS-Modul 702 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 erfasst werden.
Die so erfassten Positionsdaten PD sind indikativ für eine Sollkurve, entlang der das Werkzeug 2 verlagert bzw. ausgerichtet wird.
Zur Auswertung kann vorgesehen sein, dass eine Sollkurve durch einen Kreis SK oder einen Kreisabschnitt unter Berücksichtigung von zumindest drei Messpunkten MP1, MP2, ... MPx gemäß den Positionsdaten PD angenähert wird, z.B. durch Least Square Fit oder Taubin Fit, um den Radius des angenäherten Kreises SK oder Kreisabschnitts zu bestimmen, der repräsentativ für die Distanz R ist.
Es wird dann ein Winkel γ zwischen einer Geraden G, die den Mittelpunkt des bestimmten Kreises SK und den ersten Messpunkt MP1 verbindet, und einem Horizont HO, bestimmt. Ferner wird der Winkelwert des Winkels δ bestimmt. Der Abstand e ist dabei der Abstand vom Mittelpunkt des bestimmten Kreises SK bis zur Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bezogen auf den Horizont HO: $e = R \cdot cos (γ)$
Der Winkelwert des Winkels α ergibt sich dann zu: $\propto = γ - δ$
Dabei ist die Distanz R von der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bis zur Referenzmarke 11 gleich dem Radius R des Kreises SK.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Bestimmung des Kalibrier-Datensatzes KDS in der Anzeigevorrichtung 5 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 erfolgen.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 10 ein weiteres, viertes Ausführungsbeispiel eines ebenfalls automatischen Kalibrierverfahrens zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes KDS erläutert.
Es werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel nur zwei Messpunkte MP1, MP2 durch Verschwenken des Werkzeugs 2 um die y-Achse angefahren und ausgewertet.
Zur Auswertung wird auch hier eine Sollkurve durch einen Kreis SK oder einen Kreisabschnitt unter Berücksichtigung von den beiden Messpunkten MP1, MP2 bestimmt.
An beiden Messpunkten MP1, MP2 werden Messwerte MW erfasst. Die Messwerte MW weisen Positionsdaten PD indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und Lagedaten LD indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf. Die Positionsdaten PD werden mit dem GNSS-Modul 702 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bestimmt, während die Lagedaten LD mit der Lagesensorbaugruppe 703 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bestimmt werden. Die Positionsdaten PD können ein dreidimensionaler Datensatz sein.
Mit Hilfe des bestimmten Kreises SK können dann Werte für den Winkel ε und eine Kreissehne d bestimmt werden. Der Wert für den Winkel ε ist ein Maß für den Kreisbogenabschnitt des bestimmten Kreises SK zwischen den beiden Messpunkten MP1, MP2, während die Kreissehne d die beiden Messpunkte MP1, MP2 verbindet. Ferner können der Radius des bestimmten Kreises SK, der der Distanz R entspricht, und der Winkelwert des Winkels α bestimmt werden.
Zudem kann aus den Messwerten MW die Position bestimmt werden, an der sich die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 mit ihrem GNSS-Antennenzentrum 14 theoretisch mit der Referenzmarke 11 im Lot L befindet. An dieser Position kann eine Lageabweichung der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 zum Lot L bestimmt werden. Hierfür müssen keine Daten vorliegen, bei dem sich die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 mit ihrem GNSS-Antennenzentrum 14 und die Referenzmarke 11 tatsächlich im Lot L befinden. Die ermittelte Lageabweichung zum Lot L und die Distanz R können dem Kalibrier-Datensatz KDS hinzugefügt werden.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Bestimmung des Kalibrier-Datensatzes KDS in der Anzeigevorrichtung 5 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 erfolgen.
Nach Beendigung von z.B. einer Bodenbearbeitung nach Planvorgaben kann die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 durch einfaches Demontieren von dem Werkzeug 2 getrennt und in das Transportbehältnis zurückgelegt werden, wobei es dann selbsttätig deaktiviert wird. Ein Erfassen einer Entnahme bzw. eines Zurücklegens der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 in ihr Transportbehältnis kann beispielsweise durch eine in dem Transportbehältnis integrierte Ladevorrichtung erfolgen.
Der Kalibrier-Datensatz KDS kann dem Werkzeug 2 und einer Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 am Werkzeug 2 zugeordnet und gespeichert sein, sodass für dieses Werkzeug 2 und diese Position der Kalibriervorgang nur einmal durchgeführt werden muss. Der Kalibrier-Datensatz KDS kann zusammen mit Daten, die eine Identifikation des Werkzeugs 2 erlauben, und mit Daten indikativ für die Position am Werkzeug 2, z.B. in der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 und/oder dem Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 gespeichert werden und von dort kann später die Konfiguration gemäß dem Kalibrier-Datensatz KDS vorgenommen werden.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 11 ein Verfahren zum Kalibrieren, insbesondere zum manuellen Kalibrieren, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.
In einem ersten Schritt S100a wird die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 an dem Werkzeug 2 befestigt.
In einem weiteren Schritt S200a wird die Referenzmarke 11 des Werkzeugs 2 durch Neigen des Werkzeugs 2 ausgerichtet, derart, dass sich die Referenzmarke 11 mit der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 im Lot L befindet.
In einem weiteren Schritt S300a wird die Distanz R zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und der Referenzmarke 11 manuell bestimmt.
In einem weiteren Schritt S400a wird die manuell bestimmte Distanz R von der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 eingelesen.
In einem weiteren Schritt S500a wird die Lotabweichung LAB der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 mit der Lagesensorbaugruppe 703 bestimmt.
In einem weiteren Schritt S600a wird der Kalibrier-Datensatz KDS durch Auswerten der Lotabweichung LAB und der Distanz R bestimmt.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 12 ein weiteres Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zur Steigerung der Genauigkeit der Kalibrierung aus dem ersten Ausführungsbeispiel, insbesondere zum kombinierten manuellen/automatischen Kalibrieren, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert.
Nachdem die Schritte S100a bis S600a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt wurden, wird in einem weiteren Schritt S700a das Werkzeug 2 ausgerichtet, derart, dass das Werkzeug 2 eine vorbestimmte Position I, insbesondere mit maximaler Neigung, annimmt und die Referenzmarke 11 an der gleichen, vorbestimmten Position I während des Ausrichtens verbleibt. Nun werden während des Ausrichtens des Werkzeugs 2 Positionsdaten PD mit dem GNSS-Modul 702 erfasst.
In einem weiteren Schritt S800a werden die Differenzdaten DD durch Auswerten des im Schritt S600a bestimmten Kalibrier-Datensatzes KDS und den im Schritt S700a bestimmten Positionsdaten PD bestimmt.
In einem weiteren Schritt S900a wird der Kalibrier-Datensatz KDS durch Auswerten der Differenzdaten DD ergänzt.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 13 ein Verfahren zum Kalibrieren, insbesondere zum automatischen Kalibrieren, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel erläutert.
In einem ersten Schritt S100b wird die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 an dem Werkzeug 2 befestigt.
In einem weiteren Schritt S200b wird ein vorbestimmter geostationärer Punkt für das Werkzeug 2 angefahren. Der erste Messwert MW am ersten Messpunkt MP1 umfasst Positionsdaten PD indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und Lagedaten LD indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8.
In einem weiteren Schritt S300b wird das Werkzeug 2 erneut verlagert, derart, dass eine Neigung des Werkzeugs 2 verändert wird, wobei die Referenzmarke 11 aber an einer gleichen, vorbestimmten Position I verbleibt.
In einem weiteren Schritt S400b wird mindestens ein weiterer Messwert MW an einem weiteren Messpunkt MP2 erfasst, der weitere Positionsdaten PD indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 enthält.
Dabei können die Schritte S300b und S400b zumindest einmal wiederholt werden, um zumindest zwei weitere Messwerte MW an weiteren Messpunkten MP2, ... MPx zu bestimmen und damit die Genauigkeit zu steigern. Die Wiederholung der Schritte S300b und S400b kann entweder kontinuierlich während des Verlagerns des Werkzeugs 2 oder an vorbestimmten Punkten durchgeführt werden.
In einem weiteren Schritt S500b werden die Messwerte MW ausgewertet, um die Lotabweichung LAB der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und/oder die Distanz R zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und der Referenzmarke 11 zu bestimmen.
In einem weiteren Schritt S600b wird der Kalibrier-Datensatz KDS durch Auswerten der Lotabweichung LAB und/oder der Distanz R bestimmt.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 14 ein Verfahren zum Kalibrieren, insbesondere zum automatischen Kalibrieren, gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel erläutert.
In einem ersten Schritt 100c wird die Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 an dem Werkzeug 2 befestigt.
In einem weiteren Schritt 200c wird das Werkzeug 2 verlagert, um einen vorbestimmten geostationären Punkt für das Werkzeug 2 anzufahren. Es wird dann der erste Messwert MW am ersten Messpunkt MP1 erfasst. Der erste Messwert MW weist die Positionsdaten PD indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf, die mit dem GNSS-Modul 702 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 erfasst werden. Ferner weist der erste Messwert MW die Lagedaten LD indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf, die mit der Lagesensorbaugruppe 703 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 erfasst werden.
In einem weiteren Schritt S300c wird das Werkzeug 2 derart verlagert, dass eine Neigung des Werkzeugs 2 verändert wird, wobei die Referenzmarke 11 des Werkzeugs 2 an einer gleichen, vorbestimmten Position I verbleibt.
In einem weiteren Schritt S400c wird der zweite Messwert MW an dem zweiten Messpunkt MP2 erfasst. Der zweite Messwert MW weist die weiteren Positionsdaten PD indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf, die mit dem GNSS-Modul 702 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 erfasst werden. Ferner weist der zweite Messwert MW die weiteren Lagedaten LD indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 auf, die mit der Lagesensorbaugruppe 703 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 erfasst werden.
In einem weiteren Schritt S500c werden die Messwerte MW ausgewertet, um die Lotabweichung LAB der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und/oder die Distanz R zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 und der Referenzmarke 11 zu bestimmen.
In einem weiteren Schritt S600c wird der Kalibrier-Datensatz KDS durch Auswerten der Lotabweichung LAB und/oder der Distanz R bestimmt.
Bei allen beschriebenen Verfahren zum Kalibrieren kann vorgesehen sein, dass einzelne Messpunkte MP1, MP2, ... MPx mehrfach angefahren werden, um Messwerte MW aufzunehmen, um so durch Mehrfachmessungen die Genauigkeit zu erhöhen.
Ferner kann bei allen beschriebenen Verfahren zum Kalibrieren vorgesehen sein, dass der Kalibrier-Datensatz KDS dem Werkzeug 2 und die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 oder einer Komponente der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 am Werkzeug 2 zugeordnet und gespeichert wird, sodass für dieses Werkzeug 2 und diese Position der Kalibrierungsvorgang nur einmal durchgeführt werden muss. Der Kalibrier-Datensatz KDS zusammen mit Daten eines Identifikation-Datensatzes ID (siehe 15), die eine Identifikation des Werkzeugs 2 erlauben, und mit Positions- und Lage-Daten PLD (siehe ebenfalls 15) indikativ für die Position und Lage am Werkzeug 2 können z.B. in einer Komponente der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 und/oder dem Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 gespeichert werden und von dort bei einer erneuten Inbetriebnahme geladen werden, um eine Konfiguration gemäß dem Kalibrier-Datensatz KDS ohne erneute Kalibrierung durchzuführen. Wenn hingegen statt der Magnete 9 die rahmenförmige Halterung 10 zur Befestigung verwendet wird, kann auf die Positions- und Lage-Daten PLD verzichtet werden, da durch die rahmenförmige Halterung 10 die Position und Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 festgelegt ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Werkzeug 2 und z.B. eine Komponente der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 eine Einheit bilden, die nicht voneinander getrennt werden und denen der Identifikations-Datensatz ID zugeordnet wird. So kann ein zwischenzeitlicher Werkzeugwechsel des Werkzeugs 2 erfolgen, ohne dass eine erneute Kalibrierung nötig ist.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 15 ein Verfahren zur Positions- und Raumlagebestimmung des Werkzeugs 2 erläutert.
Das Verfahren zur Positions- und Raumlagebestimmung des Werkzeugs 2 kann nach einer Kalibrierung mit den Schritten S100a bis S600a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, nach einer Kalibrierung mit den Schritten S100a bis S900a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, nach einer Kalibrierung mit den Schritten S100b bis S600b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel oder nach einer Kalibrierung mit den Schritten S100c bis S600c gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
In einem ersten Schritt S1100 wird ein Positions-Datensatz PDS indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 mit dem GNSS-Modul 702 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bestimmt.
In einem weiteren Schritt S1200 wird ein Lage-Datensatz LDS indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 mit der Lagesensorbaugruppe 703 der Lage- und Positionsbestimmungseinheit 8 bestimmt.
Zusätzlich können Daten des Trägheitsnavigationssystem verwendet werden, um durch die Kombination des GNSS-Modul 702 mit dem Trägheitsnavigationssystem das kurzzeitig genaue, aber driftende Trägheitssystem mit den langzeitstabilen, aber kurzzeitig variablen schwankenden Daten des GNSS-Moduls 702 zu fusionieren.
In einem weiteren Schritt S1300 wird der Positions-Datensatz PDS und der Lage-Datensatz LDS unter Verwendung des Kalibrier-Datensatzes KDS ausgewertet, um einen Ausgangs-Datensatz ADS indikativ für die Raumlage und Position des Werkzeugs 2 zu bestimmen.
In einem weiteren Schritt S1400 wird der Ausgangs-Datensatz ADS ausgegeben.
Es kann vorgesehen sein, dass z.B. das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät 6 der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 dazu ausgebildet ist, auf der Basis des Ausgangs-Datensatzes ADS einen Steuer-Datensatz SDS zur Ansteuerung des Landfahrzeugs 1, z.B. zur Ansteuerung des Auslegers 3 des als Bagger ausgebildeten Landfahrzeugs 1, zu erzeugen, um so einen direkten Eingriff in die Maschinensteuerung des Landfahrzeugs 1 zu bewirken.
In einem weiteren Schritt S1500 wird z.B. nach Beendigung von z.B. einer Bodenbearbeitung nach Planvorgaben die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 durch einfaches Demontieren von dem Werkzeug 2 getrennt und in das Transportbehältnis zurückgelegt, wobei es dann selbsttätig deaktiviert wird. Ein Erfassen eines Zurücklegens der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 in ihr Transportbehältnis kann beispielsweise durch eine in dem Transportbehältnis integrierte Ladevorrichtung erfolgen.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Reihenfolge der Schritte auch eine andere sein. Ferner können mehrere Schritte auch zeitgleich bzw. simultan ausgeführt werden. Des Weiteren können auch abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel einzelne Schritte übersprungen oder ausgelassen werden.
So kann im Bedarfsfall ein Landfahrzeug 1, wie eine Baumaschine, entsprechend schnell nachgerüstet werden. Dabei wird durch die freie Wahl der Position der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 oder einer Komponente der Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe 4 und anschließende Kalibrierung mit dem Kalibrier-Datensatz KDS die Montage vereinfacht und es sind keine aufwendigen Kalibrierungen einer speziell ausgebildeten Baumaschine ab Werk erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Landfahrzeug
2: Werkzeug
3: Ausleger
4: Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe
5: Anzeigevorrichtung
6: Endgerät und/oder Steuerausgabegerät
7: Referenzstation
8: Lage- und Positionsbestimmungseinheit
9: Magnet
10: Halterung
11: Referenzmarke
12: Tripod
13: GNSS-Antenne
14: GNSS-Antennenzentrum
15: Leuchtmittel
16: Anzeige
17: Anzeigeverbinder
18: Taste
19: Taste
20: Taste
21: System
701: Satellit
702: GNSS-Modul
703: Lagesensorbaugruppe
704a: Anzeigeeinheit
704b: Anzeigeeinheit
704c: Anzeigeeinheit
704d: Anzeigeeinheit
705: Eingabegerät
706a: Sende- und Empfangs-Modul
706b: Sende- und Empfangs-Modul
706c: Sende- und Empfangs-Modul
706d: Sende- und Empfangs-Modul
707a: Akkumulator
707b: Akkumulator
707d: Akkumulator
ADS: Ausgangs-Datensatz
B: Raumlage
d: Kreissehne
e: Abstand
DD: Differenzdaten
G: Gerade
h: Höhe
hGNSS: Höhenwert
hRef: Höhe der Referenzmarke
HO: Horizont
KDS: Kalibrier-Datensatz
L: Lot
LDS: Lage-Datensatz
LAB: Lotabweichung
MP1: Messpunkt
MP2: Messpunkt
MPx: Messpunkt
MW: Messwerte
I: Position
ID: Identifikations-Datensatz
PD: Positionsdaten
PDS: Positions-Datensatz
PLD: Positions- und Lage-Daten
R: Distanz
S: Senkrechte durch die Sensorbaugruppe
SDS: Steuer-Datensatz
SK: Kreis
T: Tangente
α: Winkel
β: Winkel
γ: Winkel
δ: Winkel
ε: Winkel
S100a: Schritt
S100b: Schritt
S100c: Schritt
S200a: Schritt
S200b: Schritt
S200c: Schritt
S300a: Schritt
S300b: Schritt
S300c: Schritt
S400a: Schritt
S400b: Schritt
S400c: Schritt
S500a: Schritt
S500b: Schritt
S500c: Schritt
S600a: Schritt
S600b: Schritt
S600c: Schritt
S700a: Schritt
S800a: Schritt
S900a: Schritt
S1100: Schritt
S1200: Schritt
S1300: Schritt
S1400: Schritt
S1500: Schritt
S1600: Schritt

Claims

Verfahren zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs (2) zur Bodenbearbeitung an einem verstellbaren Ausleger (3) eines Landfahrzeugs (1), mit den Schritten: (S1100) Bestimmen eines Positions-Datensatzes (PDS) indikativ für die Position einer Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) einer Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe (4) an dem Werkzeug (2) mit einem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), (S1200) Bestimmen eines Lage-Datensatzes (LDS) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit einer Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), (S1300) Auswerten des Positions-Datensatzes (PDS) und des Lage-Datensatzes (LDS) unter Verwendung eines Kalibrier-Datensatzes (KDS), um einen Ausgangs-Datensatz (ADS) indikativ für die Raumlage und Position des Werkzeugs (2) zu bestimmen, und (S1400) Ausgeben des Ausgangs-Datensatzes (ADS).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) folgende Schritte ausgeführt werden: (S100a) Befestigen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) an dem Werkzeug (2), (S200a) Ausrichten einer Referenzmarke (11) des Werkzeugs (2) durch Neigen des Werkzeugs (2), derart, dass sich die Referenzmarke (11) mit der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) im Lot (L) befindet, (S300a) Bestimmen einer Distanz (R) zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und der Referenzmarke (11), (S400a) Einlesen der Distanz (R) von der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), (S500a) Bestimmen einer Lotabweichung (LAB) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), und (S600a) Erzeugen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) durch Auswerten der Lotabweichung (LAB) und der Distanz (R).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zusätzlich zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) folgende Schritte ausgeführt werden: (S700a) Ausrichten des Werkzeugs (2), derart, dass das Werkzeug (2) eine vorbestimmte Position (I) mit einer vorbestimmten Neigung, insbesondere mit einer maximalen Neigung, annimmt und die Referenzmarke (11) an der gleichen, vorbestimmten Position (I) während des Ausrichtens verbleibt, wobei während des Ausrichtens Positionsdaten (PD) mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, (S800a) Bestimmen von Differenzdaten (DD) durch Auswerten des im Schritt (S600a) bestimmten Kalibrier-Datensatzes (KDS) und den im Schritt (S700a) bestimmten Positionsdaten (PD), und (S900a) Ergänzen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) durch Auswerten der Differenzdaten (DD).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) folgende Schritte ausgeführt werden: (S100b) Befestigen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) an dem Werkzeug (2), (S200b) Verlagern des Werkzeugs (2), um einen vorbestimmten geostationären Punkt für das Werkzeug (2) anzufahren, und Erfassen von einem ersten Messwert (MW) an einem ersten Messpunkt (MP1), mit Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), und mit Lagedaten (LD) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), (S300b) Verlagern des Werkzeugs (2), derart, dass eine Neigung des Werkzeugs (2) verändert wird, wobei eine Referenzmarke (11) des Werkzeugs (2) an einer gleichen, vorbestimmten Position (I) verbleibt, (S400b) Erfassen von mindestens zwei weiteren Messwerten (MW) an mindestens zwei weiteren Messpunkten (MP2, ... MPx), mit weiteren Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) durch zumindest zweimaliges Durchführen der Schritte (S300b) und (S400b), (S500b) Auswerten der Messwerte (MW), um eine Lotabweichung (LAB) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und/oder eine Distanz (R) zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und der Referenzmarke (11) zu bestimmen, und (S600b) Erzeugen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) durch Auswerten der Lotabweichung (LAB) und/oder der Distanz (R).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) folgende Schritte ausgeführt werden: (S100c) Befestigen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) an dem Werkzeug (2), (S200c) Verlagern des Werkzeugs (2), um einen vorbestimmten geostationären Punkt für das Werkzeug (2) anzufahren, und Erfassen von einem ersten Messwert (MW) an einem ersten Messpunkt (MP1), mit Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), und mit Lagedaten (LD) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), (S300c) Verlagern des Werkzeugs (2), derart, dass eine Neigung des Werkzeugs (2) verändert wird, wobei eine Referenzmarke (11) des Werkzeugs (2) an einer gleichen, vorbestimmten Position (I) verbleibt, (S400c) Erfassen von einem zweiten Messwert (MW) an einem zweiten Messpunkt (MP2), mit weiteren Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), und mit weiteren Lagedaten (LD) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), (S500c) Auswerten der Messwerte (MW), um eine Lotabweichung (LAB) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und/oder eine Distanz (R) zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und der Referenzmarke (11) zu bestimmen, und (S600c) Erzeugen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) durch Auswerten der Lotabweichung (LAB) und/oder der Distanz (R).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Trägheitsnavigationssystem der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) zusätzlich Daten für den Lage-Datensatz (LDS) bereitstellt.
Computerprogrammprodukt, ausgebildet zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
System (21) zur Positions- und Raumlagebestimmung eines Werkzeugs (2) zur Bodenbearbeitung an einem verstellbaren Ausleger (3) eines Landfahrzeugs (1), wobei eine Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) einer Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe (4) des Systems (21) an dem Werkzeug (2) dazu ausgebildet ist, einen Positions-Datensatz (PDS) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit einem GNSS-Modul (702) zu bestimmen, einen Lage-Datensatz (LDS) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit einer Lagesensorbaugruppe (703) zu bestimmen, den Positions-Datensatz (PDS) und den Lage-Datensatz (LDS) unter Verwendung eines Kalibrier-Datensatzes (KDS) auszuwerten, um einen Ausgangs-Datensatz (ADS) indikativ für die Raumlage und Position des Werkzeugs (2) zu bestimmen, und den Ausgangs-Datensatz (ADS) auszugeben.
System (21) nach Anspruch 8, wobei die Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) an dem Werkzeug (2) befestigbar ist, wobei das System (21) zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) dazu ausgebildet ist, nach einem Ausrichten einer Referenzmarke (11) des Werkzeugs (2) durch Neigen des Werkzeugs (2), derart, dass sich die Referenzmarke (11) mit der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) im Lot (L) befindet, eine Distanz (R) zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und der Referenzmarke (11) zu bestimmen, die Distanz (R) von der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) einzulesen, eine Lotabweichung (LAB) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) zu bestimmen und den Kalibrier-Datensatz (KDS) durch Auswerten der Lotabweichung (LAB) und der Distanz (R) zu erzeugen.
System (21) nach Anspruch 9, wobei das System (21) zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) zusätzlich dazu ausgebildet ist, ein Ausrichten des Werkzeugs (2) zu bewirken, derart, dass das Werkzeug (2) eine vorbestimmte Position (I) mit einer vorbestimmten Neigung, insbesondere mit einer maximalen Neigung, annimmt und die Referenzmarke (11) während des Ausrichtens des Werkzeugs (2) an der gleichen, vorbestimmten Position (I) verbleibt, wobei das System (21) dazu ausgebildet ist, während des Ausrichtens Positionsdaten (PD) mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) zu erfassen, Differenzdaten (DD) durch Auswerten des bestimmten Kalibrier-Datensatzes (KDS) und den bestimmten Positionsdaten (PD) zu bestimmen, und den Kalibrier-Datensatz (KDS) durch Auswerten der Differenzdaten (DD) zu ergänzen.
System (21) nach Anspruch 8, wobei die Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) an dem Werkzeug (2) befestigbar ist, wobei das System (21) zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) dazu ausgebildet ist, ein Verlagern des Werkzeugs (2) zu bewirken, um einen vorbestimmten geostationären Punkt für das Werkzeug (2) anzufahren, und mindestens einen ersten Messwert (MW) an einem ersten Messpunkt (MP1) zu erfassen, wobei der erste Messwert (MW) Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) aufweist, die mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, und wobei der erste Messwert (MW) Lagedaten (LD) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) aufweist, die mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, wobei das System (21) zum Verlagern des Werkzeugs (2) ausgebildet ist, derart, dass eine Neigung des Werkzeugs (2) verändert wird, wobei eine Referenzmarke (11) des Werkzeugs (2) an einer gleichen, vorbestimmten Position (I) verbleibt, wobei das System (21) zum Erfassen von mindestens zwei weiteren Messwerten (MW) an mindestens zwei weiteren Messpunkten (MP2, ... MPx) ausgebildet ist, wobei die weiteren Messwerte (MW) an den mindestens zwei weiteren Messpunkten (MP2, ... MPx) jeweils weitere Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) aufweisen, die mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, wobei das System (21) zum Auswerten der Messwerte (MW) ausgebildet ist, um eine Lotabweichung (LAB) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und/oder eine Distanz (R) zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und der Referenzmarke (11) zu bestimmen, und wobei das System (21) dazu ausgebildet ist, den Kalibrier-Datensatz (KDS) durch Auswerten der Lotabweichung (LAB) und/oder der Distanz (R) zu erzeugen.
System (21) nach Anspruch 8, wobei die Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) an dem Werkzeug (2) befestigbar ist, wobei das System (21) zum Bestimmen des Kalibrier-Datensatzes (KDS) dazu ausgebildet ist, ein Verlagern des Werkzeugs (2) zu bewirken, um einen vorbestimmten geostationären Punkt für das Werkzeug (2) anzufahren, zum Erfassen von einem ersten Messwert (MW) an einem ersten Messpunkt (MP1) mit Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), wobei die Positionsdaten (PD) mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, und wobei der erste Messwert (MW) an dem ersten Messpunkt (MP1) Lagedaten (LD) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) aufweist, die mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, zum Verlagern des Werkzeugs (2), derart, dass eine Neigung des Werkzeugs (2) verändert wird, wobei eine Referenzmarke (11) des Werkzeugs (2) an einer gleichen, vorbestimmten Position (I) verbleibt, zum Erfassen von einem zweiten Messwert (MW) an einem zweiten Messpunkt (MP2) mit weiteren Positionsdaten (PD) indikativ für die Position der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8), die mit dem GNSS-Modul (702) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, und wobei der zweite Messwert (MW) an dem zweiten Messpunkt (MP2) weitere Lagedaten (LD) indikativ für die Raumlage der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) aufweist, die mit der Lagesensorbaugruppe (703) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) erfasst werden, wobei das System (21) zum Auswerten der Messwerte (MW) ausgebildet ist, um eine Lotabweichung (LAB) der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und/oder eine Distanz (R) zwischen der Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) und der Referenzmarke (11) zu bestimmen, und wobei das System (21) dazu ausgebildet ist, den Kalibrier-Datensatz (KDS) durch Auswerten der Lotabweichung (LAB) und/oder der Distanz (R) zu erzeugen.
System (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Lage- und Positionsbestimmungseinheit (8) ein Trägheitsnavigationssystem aufweist, das zusätzlich Daten für den Lage-Datensatz (LDS) bereitstellt.
Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe (4) für ein System (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 13.
Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe (4) nach Anspruch 14, wobei die Lage- und Positionsbestimmungs-Baugruppe (4) eine Anzeigevorrichtung (5) und/oder ein Endgerät und/oder Steuerausgabegerät (6) aufweist, wobei die Anzeigevorrichtung (5) und/oder das Endgerät und/oder Steuerausgabegerät (6) als Mobilgerät ausgebildet sind.