Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Steuerung eines Bewegungsablaufs bei einer fortbewegbaren Landbearbeitungsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optimalen Steuerung von wiederkehrenden ähnlichen Bewegungs¬ abläufen bei Landbearbeitungsmaschinen, wie z. B. Baustellen¬ fahrzeugen wie Bagger, oder landwirtschaftliche Maschinen.
Der hohe Automatisierungsgrad, welcher sich im Bereich der industriellen Fertigung schon durchgesetzt hat, hat sich bis¬ her im Bereich der Landbearbeitungsmaschinen noch nicht eta¬ bliert. Mit den zunehmenden Anforderungen an energiewirt- schaftliches Arbeiten und ein effizientes schnelles Bearbei¬ ten von größeren Landflächen, wird jedoch auch hier der Grad der Automatisierung für effiziente Nutzung von natürlichen Ressourcen und zur schnellen Steuerung von Bewegungsabläufen immer dringlicher. Bei Baggern beispielsweise ist die Automa- tisierung mit Mitteln der Elektronik noch nicht sehr weit fortgeschritten. Insbesondere werden die einzelnen Achsen und der Antrieb eines Baggers typisch manuell durch einen Bedie¬ ner gesteuert. Vor allen Dingen bei immer wiederkehrenden Be¬ wegungen des Baggers oder einer anderen Landbearbeitungsma- schine, wie beispielsweise beim Ziehen einer Böschungsschräge für Autobahnen oder beim Ausheben von Kanälen ist dies sehr aufwendig, anstrengend und monoton und kann häufig nicht mit der erforderlichen Genauigkeit über längere Zeit durchgeführt werden. Ähnliche Probleme treten beim Abfahren von größeren Feldern und Bearbeitung des Landes, wie beispielsweise Eggen, Pflügen oder Aussäen oder auch Ernten auf .
Wegen des starken Konkurrenzdruckes muß jedoch nicht nur schnell, sondern auch effizient gearbeitet werden. Dies be- deutet für die eingesetzten Landbearbeitungsmaschinen insbe¬ sondere, daß sie mit dem Treibstoff energiesparend umgehen müssen.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung einer Landbe¬ arbeitungsmaschine anzugeben. Weiterhin soll durch die Erfin- düng ein möglichst energieeffizientes Arbeiten mit der Land- bearbeitungsmaschine möglich sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch eine Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 8 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be¬ steht darin, daß der Wirkort der Landbearbeitungsmaschine mittels des globalen Positionierungssystems genau festge¬ stellt werden kann, indem die Abmessungen und die Ausrichtun¬ gen bekannter Anbauteile der Landbearbeitungsmaschine unter Verwendung der globalen Position zu einer genauen Referenzie- rung des Wirkortes verwendet werden. Besonders vorteilhaft können durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe der globalen Positionierung und dem genau bekannten Wirkort sich wiederholende Tätigkeiten automatisiert durchge- führt werden, indem einmal Steuerbefehle geplant werden und in einem zweiten Schritt die geplanten Steuerbefehle unter Variation eines Schrittes wiederholt werden. Die Variation eines Steuerbefehles besteht dabei vorzugsweise in der Ver¬ setzung des Wirkortes, bzw. in der manuellen Ausführung eines Steuerbefehles, da so der Bediener optimal entlastet wird.
Besonders vorteilhaft werden die einzelnen Steuerbefehle der Landbearbeitungsmaschine beigebracht, indem ein Bediener die¬ se anhand der Steuervorrichtung des Gerätes vormacht oder ausführt und die jeweiligen Steuerbefehle mit den zugehörigen Parametern abgespeichert werden.
Besonders vorteilhaft können aber auch CAD-Konstruktionsdaten für die Eingabe der Steuerbefehle in die Landbearbeitungsma¬ schine genutzt werden, indem ein Modell dieser Maschine er¬ stellt wird und mit einem Modell des zu bearbeitenden Landes oder der zu bearbeitenden Baustelle in Einklang gebracht wird, so daß am Computer direkt Steuerbefehlssequenzen auf Basis geeigneter Modelle erstellt werden können. Dies hat den Vorteil, daß häufig sehr teure Landbearbeitungsmaschinen ef¬ fizienter genutzt werden können, da für die Planung der ein- zelnen Steuerbefehlssequenzen der Einsatz der Maschine selbst nicht erforderlich ist.
Besonders vorteilhaft kann beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens jedem Steuerbefehl zugeordnet werden, ob dieser manuell oder automatisch ausgeführt werden soll. Auf diese Weise kann ein Bediener festlegen, welche Befehle er besser selbst durchführt und somit optimal ausführen kann und welche Befehle er der Automatik überläßt.
Besonderε vorteilhaft erlaubt es das erfindungsgemäße Verfah¬ ren einzelne Steuerbefehle gemäß einer vordefinierten Funkti¬ on zu parametrisieren. Demgemäß lassen sich besonders vor¬ teilhaft beispielsweise durch Bagger Kanäle ausheben, indem die Eindringtiefe der Schaufel von Bewegungsvorgang zu Bewe- gungsvorgang jeweils um einen festen Betrag erhöht wird, oder indem beispielsweise eine Landbearbeitungsmaschine die ein Feld mäanderförmig abfährt, um beispielsweise in der Land¬ wirtschaft Saatgut auszubringen, beim Wenden jeweils einen Versatz berücksichtigt, welcher beispielsweise der Breite des eingesetzten Arbeitsgerätes entspricht. Dies führt vorteil¬ haft zu einem höheren Grad der Automatisierung und ein ein¬ zelner Bediener kann fallweise mehrere solche Maschinen kon¬ trollieren.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich der Einsatz einer Land¬ bearbeitungsmaschine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an zwei Orten, da beispielsweise durch die Variation eines Para-
meters der erste Ort variiert werden kann, während beispiels¬ weise der zweite Ort unter Einsatz absoluter Weltkoordinaten, welche sich aus dem globalen Positionierungssystem ergeben, festgehalten werden kann. Dies hat den Vorteil, daß die Land- bearbeitungsmaschine beispielsweise bei Erdaushubarbeiten ei¬ nen festen Depotpunkt, beispielsweise einen Lade-LKW anfahren kann und dort mit einem am zweiten Ort gültigen Bewegungsab¬ lauf, welcher hier beispielsweise der Depotpunkt ist, die ausgehobene Erde auf den LKW aufladen kann. Vorteile hat die- ses Verfahren jedoch auch beim Einsatz für landwirtschaftli¬ che Maschinen, da beispielsweise an einem festen Ort Saatgut aufgenommen werden kann und zur jeweils aktuellen Position, an dem der Ausεaatvorgang unterbrochen wurde zurückgekehrt wird.
Es ist aber auch denkbar, daß einen speziellen Depotpunkt be¬ stimmte Anbauteile der Maschine ersetzt werden und somit ver¬ schiedene Arbeitsvorgänge in Sequenz durchgeführt werden kön¬ nen, ohne das hierfür der Bediener eingreifen muß.
Einen besonderen Vorteil erzielt man durch Einsatz des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens zur Antriebssteuerung, da hierdurch die meisten oder alle Steuerbefehle für einen Bewegungsablauf im voraus bekannt sind und damit der Motor und fallweise ein- gesetzte Hydraulikelemente entsprechend dem vorbekannten Lei¬ stungsbedarf für die einzelnen Bewegungsabläufe gesteuert werden können. Dies ermöglicht einen besonders energiewirt¬ schaftlichen Einsatz der Landbearbeitungsmaschine, da durch diese angepaßte Leistungssteuerung von der Landbearbeitungs- maschine weniger Treibstoff verbraucht wird.
Besonders vorteilhaft weist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Mittel zur globalen Positionierung, sowie Mit¬ tel zur Steuerung von Funktionselementen und Mittel zur Ein- gäbe der Steuerbefehle für diese Funktionselemente auf. Auf diese Weise wird durch geringst möglichen technischen Einsatz
eine funktionsfähige Anordnung zur Durchführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt.
Besonders vorteilhaft sind bei der erfindungsgemäßen Anord- nung Mittel vorhanden, welche eine Darstellung des Arbeitsbe¬ reiches der Landbearbeitungsmaschine im Zusammenhang mit der globalen Position ermöglichen, da auf diese Weise eine genaue Planung des Bewegungsablaufes wesentlich erleichtert wird und der Einsatz von CAD-Konstruktionsunterlagen oder Daten in Verbindung mit der Bewegungsplanung der Landbearbeitungsma¬ schine ermöglicht wird.
Besonders vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Anordnung Mittel zur Leistungssteuerung eingesetzter Antriebsmittel auf, da damit die energieschonende Steuerung der Landbearbei¬ tungsmaschine ermöglicht wird und somit der Treibstoffbedarf des Gerätes reduziert wird.
Besonders vorteilhaft wird beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der wiederkehrenden Steuerbefehle der
Druckbedarf in fallweise eingesetzten Hydraulikelementen er¬ mittelt und genau dieser Druckbedarf zur Verfügung gestellt, da damit Treibstoff, welcher durch Einsatz der Hydraulikpumpe verbraucht wird, gespart werden kann.
Besonders vorteilhaft wird bei der Steuerung der Landbearbei¬ tungsmaschine der Zeitbedarf für einen komplexen Bewegungsab¬ lauf ermittelt und in Abhängigkeit dieses Zeitbedarfes und der durchzuführenden Steuerbefehle die Leistungscharakteri- stik des Motors und einer fallweise erforderlichen Hydraulik¬ pumpe angepaßt. Auf diese Weise werden überflüssige Lei¬ stungsspitzen, welche bei manueller Steuerung entstehen wür¬ den vermieden und damit Treibstoff eingespart.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er¬ läutert.
Figur 1 zeigt als Beispiel eine Landbearbeitungsmaschine in Form eines Baggers.
Figur 2 gibt als Beispiel eine Landbearbeitungsmaschine an, welcher ein zulässiger Arbeitsbereich zugewiesen wur- de.
Figur 3 gibt ein Beispiel eines Bewegungsablaufs auf zwei zu¬ einander geneigten Ebenen an.
In Figur 1 ist ein Arbeitsgerät AG in Form eines Baggers dar- gestellt. Wenn in der Folge von Baggern die Rede ist, so soll dies nicht bedeuten, daß die Erfindung lediglich auf Bagger beschränkt ist. Ebenfalls sind im Zusammenhang mit der Erfin¬ dung andere Landbewegungsgeräte denkbar, oder kann damit der Einsatz von landwirtschaftlichen Geräten überwacht werden.
Der in Figur 1 gezeigte Bagger AG weist beispielsweise Anten¬ nen AI und A2 auf, mit welchem Daten von einem globalen Posi- tionierungsεystem empfangen werden können. In einem Steuer¬ rechner der Einheit wird beispielsweise auf wenige cm genau festgestellt in welcher Position sich der Aufbau des Baggers befindet. Von einer Steuerung deε Baggers können beispiels¬ weise Achsen 10 bis 50 separat angesteuert werden. An diesen Achsen sind geeignete Weggeber vorgesehen, welche es der Steuerung erlauben die exakte Position der jeweiligen Anbau- teile AT festzustellen. Beispielsweise soll mit dem Bagger AG ein Erdaushub an einem Boden BO durchgeführt werden. Die be¬ schriebenen Achsen 10 bis 50 erlauben hierzu beliebige Frei¬ heitsgrade. Vorzugsweise sollten variable Parameter des Gerä¬ tes für alle Freiheitsgrade des Baggers überwacht werden, da- mit zu jeder Zeit bekannt ist, in welcher Lage εich der Bag¬ ger befindet und welche Kontur das beispielεweiεe vorgesehene Anbauteil AT einnimmt. Über Anbauteile AT ist zu sagen, daß diese im allgemeinen nicht beliebig bewegbar sind, da sie ei¬ ne durch ihre Geometrie gegebene Kinematik aufweisen. Diese Kinematik ist hier beispielsweise durch die Freiheitsgrade an den Achsen 10 bis 30 angedeutet. Falls durch einen Steuer¬ rechner oder durch sonstige Mittel überprüft werden soll, ob
das Arbeitsgerät AG oder ein Anbauteil einen vordefinierten Arbeitsbereich verläßt, so kann von der Steuerung mit Hilfe der Kinematik und anhand von Winkelgebern oder anderen Me߬ mitteln, welche an den entsprechenden Achsen vorgesehen sind, sehr leicht bestimmt werden, welche endgültige Geometrie von dem Anbauteil eingenommen wird.- In Verbindung mit der exakten Position des Arbeitsgerätes, welche über das globale Positio- nierungssystem bestimmt wird, kann eine Position eines am weitesten entfernten Punktes, des Fernpunktes, bestimmt wer- den, der vorzugsweise zu überwachen ist. In Figur 1 sind zwei solche Fernpunkte eingetragen FP1 und FP2. Bevorzugt werden bei der Positionsbestimmung GPS/DGPS Möglichkeiten ausge¬ schöpft, mit welchen die Position eines mobilen Fahrzeugs, wie beispielεweise des Arbeitsgerätes AG, möglichst genau be- stimmt werden kann. Durch Kenntnis der Eigenposition und Ori¬ entierung des beispielsweise Baugerätes, sowie eines durch beispielsweise einem Bediener eingegebenen Arbeitsbereiches, die Kenntnis der Gelenkwinkel und der Abmessungen des Bauge¬ rätes und fallweise anderer Parameter ist es zu jedem Zeit- punkt möglich zu entscheiden, ob sich das Arbeitsgerät AG im zulässigen Arbeitsbereich befindet oder im Begriff ist, die¬ sen zu verlassen. Für diesen Fall kann bevorzugt ein Warnsi¬ gnal, welches an den Bediener des Gerätes gerichtet ist, ab¬ gegeben werden und/oder die Bewegung des Gerätes zunächst verlangsamt und dann ganz abgebrochen werden, um beispiels¬ weise einen Unfall zu vermeiden.
Die dargestellte Maschine AG, welche beispielsweise ein Bag¬ ger oder eine landwirtschaftliche Maschine, wie beispielswei- se ein Traktor sein kann, führt z.B. einen Aushub in einem Graben durch, zu welchem die Schaufel S beispielsweise am Punkt FP2 positioniert werden muß. Hierzu muß das Landbear¬ beitungsgerät AG bezüglich seiner möglichen Freiheitsgrade 10 bis 50 genau definierte Positionen einnehmen. Diese Positio- nen werden beispielsweise durch Winkelgeber oder durch andere Sensoren festgelegt. Vorzugsweise werden diese Positionen schon bei Eingabe der Steuerbefehle zum Lernen des Bewegungs-
ablaufs für den Grabvorgang mitgespeichert. Um eine definier¬ te Grabtiefe zu erreichen, muß beispielsweise die Schaufel immer tiefer mit Fortschritt des geförderten Aushubes in den Kanal eintauchen. Hierzu sieht es das erfindungsgemäße Ver- fahren vorteilhaft vor, daß beispielsweise die Steuerbefehle, welche die Hydraulikzylinder 10, 20 und 30 betätigen entspre¬ chend angepaßt werden, damit der Wirkort der Schaufel S ent¬ sprechend tiefer im Erdreich liegt. Es ist auch denkbar, daß mit Fortschritt des Kanalaushubes, der Bagger entsprechend der Schaufelbreite nach rechts oder links verfährt, um an ei¬ ner neuen Stelle erneut mit dem Grabvorgang zu beginnen. Das globale Positionierungssystem über die Antennen AI und A2 er¬ möglicht es den Wirkort der Schaufel S genau zu bestimmen und die Parameter für die erforderlichen Steuerbefehle des Land- bearbeitungsgerätes entsprechend vorzugeben. Auch ist es denkbar, daß der Bagger oder die Landbearbeitungsmaschine nachdem die Schaufel gefüllt wurde automatisch zum Depot fährt, dort das Erdreich abkippt und automatisch zu einer nächsten Arbeitsposition fährt. Auf diese Weise werden Land- bearbeitungsmaschinen befähigt solche Tätigkeiten, wie bei¬ spielsweise Kanalaushübe oder Hangziehvorgänge, wie bei¬ spielsweise bei Autobahn-Lärmschutzdämmen erforderlich, im hohen Grade automatisiert durchzuführen. Die Erfindung soll sich jedoch nicht nur lediglich auf solche Tätigkeiten be- schränken, da sie auf alle denkbaren Landbewegungsarbeiten anwendbar ist. Insbesondere ist die Erfindung auch in Berei¬ chen der Landwirtschaft einεetzbar, in denen häufig wieder¬ kehrende Tätigkeiten, wie beispielsweise Ausbringen von Saat¬ gut oder Pflügen oder Eggen oder Heuwenden oder ähnliche Tä- tigkeiten durchzuführen sind. Insbesondere können durch den
Einsatz der Erfindung im Bereich der Landwirtschaft solche Tätigkeiten, wie beispielsweise Anheben deε Werkzeuges und Absetzen des Werkzeuges nach einem Wendevorgang automatisiert werden.
Figur 2 zeigt das Arbeitsgerät AG aus Figur 1 in Verbindung mit einem zulässigen Arbeitsbereich AZU, wobei wesentliche
Teile des Arbeitsgerätes durch Volumenelemente V10 bis V70 umschrieben sind. Die Verwendung von Volumenelementen bei der Überwachung des Arbeitsbereiches AZU gestattet es, den Re¬ chenaufwand für die durchzuführenden Berechnungen zu verein- fachen, da nicht die realen Abmessungen, sondern angenäherte Abmessungen zu berücksichtigen sind. Insbesondere muß dann nur mit Quadern und einfachen Volumenblöcken gerechnet wer¬ den. Der dargestellte zulässige Arbeitsbereich AZU ist hier vereinfacht als Quader bzw. als Fläche dargeεtellt . Es sind aber auch beliebige dreidimensionale Strukturen denkbar und vorgebbar. Beispielsweise kann ein zulässiger Arbeitsbereich in Form eines teach-in-Verfahrens eingegeben werden, bei wel¬ chem eine Bedienperson mit dem Arbeitsgerät AG und daran vor¬ handenen Anbauteilen in einem Lernschritt den gesamten Ar- beitsbereich, welcher hinterher zulässig sein soll, abfährt und dabei vorhandene Anbauteile so bewegt, daß sie die ge¬ wünschte Grenze des Arbeitsbereiches nicht verletzen. Von ei¬ ner Steuerung des Gerätes können die so vorgegebenen Bewegun¬ gen abgespeichert werden und im späteren Betrieb beim Arbei- ten mit dem Gerät können diese Steuerpositionen mit aktuell eingegebenen Steuerpositionen der Bedienperson verglichen werden. Bei der Eingabe dreidimensionaler Strukturen spielt beim Lernen auf die aktuelle Position des Arbeitsgerätes AG eine Rolle, welche über das globale Positionierungssystems erhalten wird und vorzugsweise in Verbindung mit jeder aktu¬ ell durchgeführten Bewegung abgespeichert wird. Falls eine Verletzung des zulässigen Arbeitsbereiches eintritt, so kann die Steuerung ein Alarmsignal abgeben, bzw. veranlassen, daß daε Gerät zu jeder Zeit mit εeinem Auεleger AT im zuläεsigem Arbeitsbereich AZU verbleibt, indem die Steuerung automatisch Steuerbefehle des Bedieners abwandelt. Der zulässige Arbeits¬ bereich AZU kann beispielsweise auch invers vorgegeben wer¬ den, indem lediglich Hinderniεse, welche vermieden werden sollen, explizit markiert werden. Bevorzugt kann der zulässi- ge Arbeitsbereich AZU auch in der Form eingegeben werden, daß Daten aus einem bereits vorhandenen CAD-Modell des Arbeitsbe¬ reiches vorliegen. Denkbar sind hier beispielsweise Konstruk-
tionsdaten, welche ein Architekt bei der Vermessung des Ter¬ rains und bei der Konstruktion eines Gebäudes oder eines Aus¬ hubes bereits eingegeben hat, welche dann lediglich der Steuerung des Gerätes mitgeteilt oder elektronisch zugeführt werden müssen.
Beiεpielsweise erfolgt die Positions- und Ortεbestimmung des Gerätes mittels GPS-Empfängern. Heutige Hochleiεtungεεysteme, wie beispielsweise das DGPS erlauben eine Genauigkeit bei der Positionsbeεtimmung von etwa 2 cm [Quelle: Fa. Trimble:
7400Msi: High precision GPS receiver for dynamic control Sy¬ stems] . Bevorzugt kann durch die Anbringung von zwei Anten¬ nen, wie in Figur 1 mit Al und A2 dargestellt, durch Ver¬ gleich deren Positionen auch die Orientierung des Arbeitsge- rätes ermittelt werden. Zwar entstehen durch die Positionεun- genauigkeit von 2 cm bei Großbaggern Winkelfehlern von etwa 0,4°, diese Ungenauigkeit kann jedoch beim Warnen bzw. Abre- geln von möglichen Kollisionen berücksichtigt werden. Bei Großbaggern beispielsweiεe mit einer Reichweite von 15 m kann εich dadurch die maximale Ungenauigkeit biε zu 12 cm an der Schaufelspitze ausweiten.
Besonders wichtig ist es für daε erfindungsgemaße Verfahren, daß die Bewegungεveränderungen des Arbeitsgerätes exakt ver¬ messen werden und bekannt sind, damit sie exakt reproduziert werden können.
Figur 3 zeigt zwei Ebenen El und E2. Die Landbearbeitungsma¬ schine AG ist beispielsweise an einem Ort O10 eingesetzt. Von diesem Ort O10 führt sie beispielεweise mit Hilfe einer Schaufel eine Glättungsarbeit an der Ebene E2 durch, wobei das Anbauteil in diesem Fall der Baggerausleger AT beispielε¬ weise senkrecht zur Begrenzung der Ebene El und parallel zur Begrenzung der Ebene E2 geführt werden muß. Die Landbearbei¬ tungsmaschine soll dabei entlang einer Richtung 15 parallel zum Hang verfahren und diesen Glätten oder einen Aushub täti¬ gen oder ähnliches. Durch Einsatz des globalen Positionie- rungssystemε, wird der Wirkort WO der Schaufel über die Kine-
matik deε Anbauteiles AT und die zur Verfügung stehenden Pa¬ rameter, welche die Bewegung der Landbearbeitungsmaschine charakterisieren, und die beim Lernen des Bewegungsvorgangs für die jeweiligen Steuerbefehle abgespeichert wurden, genau referenzierbar. Es ist z. B. denkbar, daß die Landbearbei¬ tungsmaschine nachdem sie eine Länge der Ebene E2 abgefahren hat wieder zu Beginn der Ebene E2 zurückkehrt und der Wirkort der Schaufel um den Betrag ihrer Breite entlang der Richtung E2 der Ebene E2 versetzt wird wonach der Bewegungsvorgang entlang der Richtung 15 erneut durchgeführt wird. Beεonders vorteilhaft wird hierdurch erreicht, daß der Bediener nicht eingreifen muß, um solche regelmäßigen wiederkehrenden Tätig¬ keiten durchzuführen. Falls die Schaufel durch Erdreich ge¬ füllt ist, so kann beispielsweise durch vorherige Festlegung ein als manuell durchzuführender Steuerbefehl im Ablauf der Steuerbefehle bestimmt werden, wo vom Bediener entschieden wird, ob die Landbearbeitungsmaschine AG zu einem Ort 020 fährt, an welchem beispielsweise das Erdreich abgeladen wer¬ den kann. Hernach kann sie automatisch zu dem Ort zurückkeh- ren, an welchem sie ihre Arbeit unterbrochen hat, da der Ort über das globale Positionierungεsystem bekannt iεt und bevor¬ zugt abgespeichert wird, bevor er verlassen wird.
Der Winkel TAU beschreibt die Neigung der Ebene E2 zur Ebene El und der Winkel PHI beschreibt den senkrechten Winkel zwi¬ schen dem Anbauteil AT des Arbeitsgerätes und der Ebene E2. Insbesondere werden beim Einsatz des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens bevorzugt folgende Parameter bestimmt und benutzt:
- Meßbarkeit der Gelenkwinkel sowohl beim Ausleger als auch die Drehung des Oberwagens gegenüber dem Unterwagen
- Bestimmung der Eigenposition und der Orientierung deε Bag- gerε
- computer-steuerbare Servohydraulik
- Möglichkeit zur Eingabe von Bewegungsdaten.
Bevorzugt wird hierdurch erreicht, daß die Baggerbewegung mittels eines softwaretechnischen Verfahrens wiederholt wer-
den kann, daß die Aufteilung des Bewegungsablaufs in mehrere Teilschritte, von denen jeder entweder manuell oder automa¬ tisch wiederholt werden kann, ermöglicht wird und daß ein ho¬ her Wirkungsgrad durch wahlweise parametrisierte oder unpara- metrisierte Wiederholung von Bewegungen erzielt wird. Vor¬ zugsweise wird dabei das Verfahren in zwei Stufen durchge¬ führt . In einem ersten Schritt werden die zu wiederholenden Bewegungen der Landbearbeitungsmaschine vorgemacht, bzw. die abzufahrenden Trajektorien eingegeben. In einem zweiten Schritt werden diese Bewegungen ggf. unter Abgleichen mit der Weltposition, zu welcher das globale Positionierungεεytem verwendet wird, wiederholt.
Bevorzugt gestaltet sich der erste Schritt zum Beibringen des einzelnen Bewegungsablaufε der Landbearbeitungεmaschine wie folgt:
Hier wird dieser Bewegungsablauf für einen Bagger darge¬ stellt, dies soll jedoch keine Einschränkung der Erfindung lediglich auf Bagger darstellen, da analog für eine beliebige Landbearbeitungsmaschine entsprechende Bearbeitungsεchritte vorgegeben werden können.
1. Fahren deε Baggers zum Einsatzort und Ausrichten des Bag¬ gerarms 2. Ausstrecken des Baggerarmε
3. Einsetzen der Schaufelspitze unter definiertem Winkel an den Boden
4. Durchführen einer Grabbewegung bzw. Abfahren einer gerad¬ linigen Trajektorie und Ziehen des Erdreichs. 5. Einklappen der Schaufel und Anheben zum LKW oder Abladeort 6. Öffnen der Schaufel und Abladen des Schaufelinhaltε
Dabei ist es möglich, all diese Bewegungsabläufe vorzumachen, bzw. einzugeben und dabei aufzuzeichnen. Nur in den seiten- sten Fällen wird es jedoch sinnvoll sein all diese Teilabläu¬ fe quasi vollautomatisch ohne manuelle Eingrif¬ fe/Unterbrechungen wiederholen zu lassen. Häufiger wird wohl
ein Mixed-Mode-Betrieb von automatischen und manuellen Bewe¬ gungen eingesetzt werden. Bevorzugt besteht beim teach-in der automatisch zu wiederholenden Bewegung die Wahlmöglichkeit jeden der obigen Teilschritte in Form einer manuellen Steue- rung durch den Bediener oder automatisch durchzuführen. Hier¬ für können bevorzugt folgende AufZeichnungsformen für den Be¬ wegungsablauf verwendet werden:
1. Die Aufzeichnung des durch den Baggersteuerknüppel vorge¬ gebenen Bewegungsablauf, welcher dann in genau dieser Form wiederholt wird. Dies ist vor allen bei Grabe- oder Ausleger¬ bewegungen der Schaufel interesεant oder
2. der parametriεierten Aufzeichnung von später aufzuführen¬ den Baggerbewegungen wie
- Ausstrecken des Baggerarms dies iεt interessant für das Ziel von Böschungen. Hier kann es wichtig sein, daß der Bag¬ gerarm möglichst weit ausgestreckt wird.
- Anfahren eines bestimmten Punktes oder eines Punktes auf einer Ebene Eine Anwendung der Erfindung ist beispielsweise das Aufhäufen des Aushubs an einer Stelle, wie beispielεweiεe durch den Punkt O20 dargestellt. Diese Stelle kann vorgegeben werden und der Bagger oder die Landbewegungsmaschine kann in dieser Teilbewegung, welche beispielsweiεe auch durch mehrere Steu- erbefehle angefahren werden kann wieder an diese Stelle zu¬ rückfahren. Ein solcher Bewegungsablauf kann neben dem Anhe¬ ben auch ein koordiniertes Drehen des Baggeroberwagens sowie ggf. sogar eine automatische Bahnplanung zum kollisionsfreien und schnellstmöglichen Drehen zum Zielort beinhalten. Das An- fahren eines Punkts auf einer Ebene ist dabei wichtig für das Ziehen von Böschungen. Hier kann es nötig sein, zunächst ei¬ nen möglichst weit entfernten Punkt auf der Böschungsebene anzufahren, um dann von hier aus das Abfahren der Gerade zu beginnen. Vorzugsweise wird hierbei vorausgeεetzt, daß εich der Ausleger parallel zu einer der ebenen Begrenzungen aus¬ richtet.
- Abfahren einer Trajektorie mit definiertem Winkel
Diese Bewegung führt zu einer Bewegung der Baggerschaufel entlang einer vorgegebenen Gerade/Ebene oder eines vorgegebe¬ nen Profils. Vorzugsweise wird eine solche Bewegungsabfolge beim Ziehen von Böschungen notwendig. All diese Bewegungen können neben einer Schaufel- bzw. Ausle¬ gerbewegung auch eine Bewegung des Unter- oder- Oberwagens be¬ inhalten. Bei anderen Landbearbeitungsmaschinen können fall¬ weise andere bewegbare Ausleger oder Anbauteile AT vorgesehen sein und diese können mehr oder weniger Bewegungsfreiheits- grade aufweisen, als in diesem Beispiel dies der Fall ist. In einer analogen Betrachtungsweise kann jedoch der Fachmann auch für diese verschiedenen Landbearbeitungsmaschinen, für welche hier der Bagger als Beispiel dient, eine geeignete An¬ wendung der Erfindung durchführen. Zur Eingabe dieser parame- trisierten Baggerbewegungen sollte vorzugsweise dem Bagger¬ führer ein geeignetes Eingabegerät, wie z. B. ein touch- εcreen zur Verfügung εtehen, mit dem er die notwendigen Ein¬ gabe, wie z. B. Lage und Abmessung einer Ebene tätigt. Diese parametrisierte Aufzeichnung beinhaltet vorzugsweise das Aufzeichnen der später auszuführenden Baggerbewegungen in Echtweltkoordinaten, d. h. neben dem eigentlichen Bewegungs¬ ablauf auch die Position, an der diese Bewegung durchgeführt werden soll. Aus dieser Anpaεεung an die Echtweltkoordinaten, welche die Koordinaten sind, die das globale Positionierungε- syεtem zur Verfügung stellt, resultiert der große Vorteil der Erfindung, das eine automatische Wiederholung eines Bewe¬ gungsablaufs, mit leicht veränderten Standorten oder leicht veränderten Steuerbefehlen ermöglicht werden kann.
Während im Lernschritt nur eine Bewegungsfolge vorgemacht oder eingegek an wird und in der obigen Weise aufgezeichnet wurde, wird beim Abspielen der Sequenz der Teilbewegungs- schritte bzw. der einzelnen Steuerfolge, diese immer wieder¬ holt. Dabei ist zu beachten, daß die Kinematik eines Ausle- gerε, es durchaus erfordern kann, daß mehrere Steuerbefehle von der Steuerung gleichzeitig abgegeben werden müssen, so daß nicht notwendigerweise eine Sequenz von Befehlen abgege-
ben wird, sondern auch mehrere Befehle gleichzeitig möglich sind, welche z. B. die in Figur 1 mit 10, 20 und 30 bezeich¬ neten Achsen oder Hubzylinder gleichzeitig bewegen, um ein schnelleres Bewegen der Schaufel S zu ermöglichen.
Vorzugsweise sieht es die Erfindung vor daß einzelne Teilbe¬ wegungsschritte manuell oder automatisch durchgeführt werden. Beispielεweiεe kontrolliert bei der manuellen Steuerung der Bediener den Bagger wie bislang, während bei der automa- tischen Durchführung von Teilbewegungen ein im Bagger befind¬ licher Computer, also eine elektronische Steuerung, die Kon¬ trolle übernimmt, wobei jedoch jederzeit die Möglichkeit des manuellen Eingriffs durch den Bediener gegeben ist. Für die Durchführung der Teilbewegungen, welche aus einer automati- sehen Abfolge der aufgezeichneten Steuerbefehle besteht, be¬ stehen je nach Aufzeichnungsmodus, der beiεpielεweiεe parame- trisiert oder unparametrisiert erfolgt, die folgenden Durch¬ führungsarten: 1. Automatische Abfolge der Steuerbefehle ohne Anpassung an die Echtweltkoordinaten
Vorzugsweise wird in diesem Schritt ein aufgezeichneter Bewe¬ gungsablauf erneut abgespielt. Dies z. B. kann eine Drehbewe¬ gung beim Graben oder eine Öffnungsbewegung beim Ausleeren über einem Kipper sein. Dabei ist eine Anpassung an eine vor- gegebene Position nicht erforderlich, sondern lediglich die reine Bewegungswiederholung. Sollte eine solche Bewegungswie¬ derholung jedoch an einer bestimmten Stelle gewünscht sein, so ist diese Position in einem vorangegangenen Schritt vor¬ zugsweise mit einer Anpasεung an die Echtweltkoordinaten her- zustellen. Fallweise kann auch ein automatisierter Bewegungs- εchritt der Landbewegungsmaschine vorgesehen sein, welcher beispielsweise beinhaltet, daß die Abfolge der Befehle, wel¬ che notwendig ist um eine Bewegung einen bestimmten Punkt zu ermöglichen, von einem Bediener aufgerufen werden kann und er lediglich in einen aufgezeichneten Bewegungsablauf diese Rou¬ tine einspielt und dabei eine Koordinate in Form von Weltko-
ordinaten vorgibt, welche des Landbearbeitungsgerät anfahren soll.
2. Automatische Abfolge der Steuerbefehle mit Echtweltkoordi- natenanpaεεung
Vorzugsweise wird hier bei jeder Bewegung der Landbearbei¬ tungsmaschine ständig ihre aktuelle Position und Orientierung benötigt. Diese Information kann dabei mittels eines GPS- Empfängerε gewonnen werden.
Vorzugεweise wird anschließend mit den durch die parametri- sierte Aufzeichnung der Baggerbewegungen bekannten Steuerbe¬ fehlen ständig die Eigenposition abgeglichen und die einzelnen Baggerachsen können derartig koordiniert angesteu- ert werden, daß die gewünschten Bewegungen an der richtigen
Position durchgeführt werden. Hier εpielt es also eine Rolle, daß zu einem jeweiligen Steuerbefehl, welcher aufgezeichnet wurde auch die aktuelle Koordinate welche sich aus dem globa¬ len Poεitionierungsεyεtem ergibt abgeglichen wird. Vorzugs- weiεe bleibt dann die Auεführung dieεer Steuerbefehle auch korrekt, wenn z. B. die Landbearbeitungsmaschine etwas weiter fährt, oder bei weichem Untergrund wegsackt. Durch die globa¬ le Postionεbestimmung, die parametrisierte Abarbeitungsbe¬ schreibung und die computergeεtützte Koordination werden die- εe Abweichungen auεgeglichen, εo daß auf der Baεiε der obigen Beschreibung viele Bewegungswiederholungen möglich sind. Im besonderen Maße gilt dies für das Erεtellen von Böεchungen. Hier kann beispielsweise die Abfolge der Steuerbefehle mit der einmaligen Eingabe der Böschungεebene und der Teilbewe- gungen-Ausstrecken zu dem unteren Ende der Böschungsebene mit Ausrichtung des Auslegers an den Böschungsachsen, abfah¬ ren/ziehen der Böschung entlang der Ebene, eventuell Abladen überschüssigen Abraums und Wiederholung dieser Prozedur mit leicht veränderter Baggerposition über weite Strecken hinweg fortwährend wiederholt werden.
Auf besonders elegante Weise läßt sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens daε Leistungsmanagement des Bag- germotors bzw. der verwendeten Hydraulikantriebselemente durchführen. Dies ist besonders wichtig, da hiervon unmittel- bar die Wirtschaftlichkeit der Landbearbeitungsmaschine ab¬ hängt. Besonders vorteilhaft ist hier der Sachverhalt, daß bei einer sich wiederholenden Abfolge von Steuerbefehlen schon im voraus bekannt ist, welche Ressourcen der Landbear¬ beitungsmaschine benötigt werden, wie lange sie benötigt wer- den, und welcher Kraftaufwand ungefähr erforderlich iεt. Die- εe vorab bekannte Information kann genutzt werden, um die Ressourcen der Landbearbeitungsmaεchine in optimaler Weise anzusteuern, so daß ihr Energieverbrauch, welcher aus der Ab¬ arbeitung der Steuerbefehle resultiert in optimaler Weise niedrig ist.
Normalerweise besteht eine Hauptschwierigkeit bei einem auto¬ matischen Leistungεmanagement darin, daß der Motor auf eine Leiεtungsanforderung in zunächst unbekannter Größe beispiels- weise seitens der Hydraulikpumpe reagieren und dann die er¬ forderliche Leistung bereitstellen muß. Um dieser Schwierig¬ keit zu begegnen, wird häufig als Zusatzagregat ein Druck¬ speicher zum Speichern des Drucks im Hydrauliksystems einge¬ setzt. Falls ein Baufahrzeug, wie beispielsweise ein Bagger ein bekanntes Profil, wie in Figur 3 dargestellt, abzufahren hat, kann aus der Art der Bewegung, wie beispielsweiεe dem Fahren entlang zweier Geraden, geschlosεen werden, daß es sich um eine Ziehbewegung handelt. Eine Ziehbewegung hat je¬ doch beispielsweise einen typisch anderen Leistungsbedarf, als etwa eine Grabe- oder Hebebewegung. Analog gilt dies ebenso für andere Bewegungsarten, wie z. B. Graben, Anfahren eines Punktes, Ausleeren der Schaufel, etc. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang in Kenntnis des aktuellen Arbeitsmoduε folgende Informationen für die Leistungsanpaεεung nach dem erfindungεgemäßen Verfahren vorteilhaft:
- typische Leistungsanforderungen des jeweiligen Arbeitsmodus
- zukünftige Bewegungen beispielεweise einzelner Hydraulikzy¬ linder
Diese Information kann sowohl auε der vorausschauenden Be¬ rechnung zukünftiger Zylinderbewegungen beim Fahren entlang einer Trajektorie, als auch aus der Analyse der manuell vorgemachten Bewegungen, wie z. B. beim Graben oder Auslee¬ ren gewonnen werden. Die Kenntnis dieser Information läßt Schlüsse auf den zukünftigen Leistungsbedarf beim automati¬ schen Wiederholen der Steuerbefehle, welche diese Bewegung bewirken, zu.
- Zeit, wie lange eine Bewegung durchgeführt werden wird Die Zeitdauer ermöglicht es abzuschätzen, wie lang eventu¬ ell vorhandene Leistungsreseveren in einem Druckspeicher noch ausreichen werden und wann die Leistung des Motors entsprechend zu ihrer Regeneration angepaßt werden muß.
- Zeit bis einer neuer Bewegungsmoduε beginnen wird Hierdurch kann frühzeitig auf veränderte Leistungsanforde- rungen aus einem nachfolgenden Bewegungsmodus reagiert wer¬ den, so daß die hierfür benötigte Leiεtung rechtzeitig be- reitεteht. Vorzugεweise werden diese Informationen und an¬ dere Informationen, die sich aus der zeitlichen Abfolge der einzelnen Steuerbefehle ergeben dazu verwendet um in einem Regelsystem unter Einbeziehung der Verbrauchscharakteristi- ker des Antriebs, beispielsweise eines Dieselmotors, und deε Speichervolumens eines eventuell vorhandenen Druckspei¬ chers, den Dieselmotor derart zu betreiben, daß er mit mi¬ nimalen Verbrauch arbeitet.