WO2019101651A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines mobilen systems - Google Patents

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WO2019101651A1
WO2019101651A1 PCT/EP2018/081622 EP2018081622W WO2019101651A1 WO 2019101651 A1 WO2019101651 A1 WO 2019101651A1 EP 2018081622 W EP2018081622 W EP 2018081622W WO 2019101651 A1 WO2019101651 A1 WO 2019101651A1
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mobile system
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operating
desired trajectory
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PCT/EP2018/081622
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Udo Schulz
Peter Hertkorn
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a mobile system.
  • the invention further relates to an apparatus for operating a mobile system.
  • the invention further relates to a computer program product.
  • stereoscopic cameras two or more images of the same scene are shot from different camera positions. From the location of a particular scene point in at least two images, a spatial position with knowledge of intrinsic and extrinsic calibration parameters of the camera can be determined.
  • distance-measuring systems can also be used to produce such surface profile cards, such as, for example, scanning lidar systems, time-of-flight cameras, etc.
  • Runtime disturbances in the tropo- and ionosphere, orbital and clock errors of Satellites are corrected by means of so-called RTK (Real Time Kinematics) correction signals.
  • Deviations may exist between the determined and actual position of the agricultural machine over ground (e.g., due to inclination, direction of travel, and their changes, etc.), which may be measured by means of acceleration sensors and gyroscopes, for example.
  • the GPS, RTK, acceleration and gyroscope data are merged and processed in the so-called “Steering Controller” or in the IMU (Inertial Measurement Unit). For example, Kalman filters are used. Ultimately, hydraulic actuators of tools and / or a servo on the steering wheel, etc. are controlled.
  • the object is achieved according to a first aspect with a method for operating a mobile system, comprising the steps:
  • a defined action with the vehicle can be made in this way with knowledge of an exact three-dimensional surface profile of the route ahead of the mobile system or of a vehicle.
  • a predicted trajectory of the vehicle can be determined which, taking into account mechanics, kinematics, hydraulics, etc., controls at least one actuator of the mobile system or of the vehicle performs.
  • one of unevenness and ripples of the soil independent operation of the mobile system is supported.
  • the object is achieved with a device for operating a mobile system, comprising:
  • a sensor device for three-dimensional detection of an environment of the mobile system
  • control device which is designed to control the mobile system and / or the tool of the mobile system according to the desired trajectory.
  • a predictive actuator management is controlled, which optimally takes into account or compensates for any unevennesses or inhomogeneities of the traffic lane for the mobile system.
  • the actuator management may include management for a tool or control of a tool of the mobile system.
  • a further advantageous development of the method provides that at least one of the following is adjusted for the tool: height, orientation, inclination. In this way, the tool of the mobile system can be operated optimally adapted to the topology of the lane ahead.
  • a further advantageous development of the method provides that in the event that can not be sufficiently maintained by means of the desired trajectory for the tool, is also intervened in a steering of the mobile system. As a result, an even better compensation of the unevenness of the preceding lane can be realized for the mobile system.
  • a further advantageous development of the method provides that at least one of the following is used to detect the 3D profile:
  • Lidar, radar, 3D camera, time-of-flight camera thereby can
  • Detection characteristics are best adapted to the environment to be recorded.
  • a further advantageous development of the method is characterized in that proper movements of the mobile system are calculated out of a camera image. In this way, it is possible to exclude wobble disturbances from the image, resulting in a calm image
  • a further advantageous development of the method is characterized in that the determination of the desired trajectory and determination of corresponding actuator data are carried out by means of a single control device. As a result, advantageously latencies can be reduced, whereby the execution of the proposed method is possible as quickly as possible.
  • Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of an embodiment of a
  • FIG. 2 is a schematic system diagram for explaining an operation of the proposed method
  • Fig. 3 shows three illustrations for explaining a principal
  • Fig. 4 is another illustration for explaining a principal
  • Fig. 5 is another illustration for explaining a principal
  • Fig. 6 is a principle flow diagram of an embodiment of the proposed method.
  • a central idea of the invention is in particular to provide an improved operation of a mobile system. It is provided, a detection of ground unevenness of a future lane of the mobile system, and based thereon, to perform timely / predictive feedforward control of elements (steering and / or tools) of the mobile system to reduce control deviations in GPS position. The resulting higher precision of
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an apparatus 100 for
  • a mobile system 200 for example in the form of a
  • the said mobile system 200 can be both manually controlled and automated or semi-automatic, autonomous or semi-autonomous trained.
  • the mobile system can both have a tool used during driving for processing a landscape surface and can also be designed without tools.
  • Prediction means 20 for determining a predicted trajectory for the mobile system 200 is connected.
  • the prediction device 20 determines the predicted trajectory ("target trajectory") based on data of the detected 3D environmental profile.
  • the prediction device 20 is functional with a
  • Control device 30 is connected, by means of which at least one actuator of the mobile system 200 is driven according to the detected three-dimensional profile.
  • actuators are controlled such that the mobile system 200 is guided as accurately as possible.
  • a tool of the mobile system 200 e.g. a mower, construction tool, etc., which is functionally connected to the mobile system 200, is predictively piloted in knowledge of the three-dimensional surface profile and thereby act more uniform and therefore more efficient.
  • the actuator eg wheel, tool
  • Front area of the mobile system 200 installed.
  • For landscape surfaces with plant growth e.g. using feature extraction and optional
  • Object classification method the open space (usually furrows or solid lanes) recognized and marked as such as passable surface in principle.
  • the trajectory for each wheel or tool of the mobile system 200 can be predicted.
  • mobile systems 200 designed as agricultural machines drive as far as possible in the same lanes with respect to the processes to be carried out in order to compact as little floor space as possible and if possible not to damage any plants.
  • the 3D surface profile card is not significantly changed by the weight of the vehicle / the machine.
  • On first crossing (for example, through previously plowed / loosened soil, non-existent lanes or furrows) may on the first
  • Section of the subsequent soil compaction are learned or is applied in advance. This soil compaction can e.g. be taken into account in the 3D surface profile map.
  • Machines advantageous to lower minimum and maximum deviations from the desired trajectory of the vehicles and / or tools of vehicles.
  • Control deviations can be learned and included in the feedforward control.
  • the predicted and / or real data can optionally be stored in maps and used for the next crossing of the same or other vehicles and machines, for example in their predictive controls.
  • an integration approach with a single electronic controller eg, microcontroller / micro-processes and ASIC / DSP
  • this one-controller approach has advantages over jitter and latencies throughout the scheme
  • Image processing algorithms and 3D maps require the software to run on high-performance, high-integration
  • Microcontrollers / microprocessors and ASICs / DSPs are examples of microcontrollers / microprocessors and ASICs / DSPs.
  • Environmental sensors for three-dimensional detection of the surface profile in front of the mobile system 200 provided, for example, one or more 3D cameras, time-of-flight cameras, etc., in a step 310 to create a high-resolution 3D surface profile.
  • a detection range of the sensor device 10 essentially corresponds to a working range of the tool 210 of the mobile system 200.
  • a determination of a predicted deviation from the predicted setpoint trajectory takes place.
  • a step 340 pre-control values for a predictive actuator management of the mobile system 200 are determined.
  • a step 350 a determination is made of a predictive manipulated variable component of the respective actuator.
  • a step 360 kinematics and / or dynamics are taken into account by the mobile system and / or its tool. Furthermore, in a step 370, a control-technical transmission behavior of the control loop (s) of the work machine (vehicle and tool) is taken into account.
  • Fig. 3 shows an explanation of a principle operation of the
  • a respective mobile system 200 which is designed as an agricultural machine with a tool 210 arranged thereon (for example a mower deck).
  • the mobile system 200 determined with a suitable sensor a 3D surface profile map of the route ahead and recorded in this way unevenness in the form of elevations 1 and wells 2. Due to the determined 3D surface profile a target trajectory ST for the tool 210 is determined and in the course of Lapse of the lane, the tool 210 is adjusted along the target trajectory ST.
  • the tool 210 is already in the "right" position at the uneven parts of the lane due to a pre-control carried out and can thus act effectively.
  • This principle is also shown in the illustration b) for depressions 2 and in the illustration c) for elevations 1 and depressions 2.
  • this principle can also be used for a mobile system 200 without tools 210.
  • Fig. 4 shows a further example of the operation of the proposed method, in which case the tool 210 follows a course of elevations 1, so that in this way e.g. an injection mold is guided at a defined height above a grain inventory of a field.
  • FIG. 5 shows a further case, in which case the mobile system 200 repeatedly tilts along the traffic lane due to elevations 1 and depressions 2. Nevertheless, by means of the predicted determination of the target trajectory ST for the tool 210, it can always remain in the intended horizontal working position and thereby act effectively.
  • Fig. 6 shows a basic procedure of the proposed method.
  • a detection of a 3D profile of a preceding driving route of defined length is carried out.
  • a determination of a target trajectory ST of the mobile system 200 and / or of a tool 210 of the mobile system 200 based on the detected 3D profile is performed.
  • a defined operation of the mobile system 200 is performed taking into account the predicted trajectory ST along the route.
  • the method according to the invention can be implemented as a software which can be used, for example, on the device 100 with the
  • Control device 30 expires. A simple adaptability of the method is supported in this way.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines mobilen Systems (200), aufweisend die Schritte: - Erfassen eines 3D-Profils einer vorausliegenden Fahrstrecke definierter Länge; - Ermitteln einer Solltrajektorie (ST) des mobilen Systems (200) und/oder eines Werkzeugs (210) des mobilen Systems (200) aufgrund des erfassten 3D-Profils; und - Definiertes Betreiben des mobilen Systems (200) unter Berücksichtigung der Solltrajektorie (ST) entlang der Fahrstrecke.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines mobilen Systems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mobilen Systems. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines mobilen Systems. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Bekannt sind Kamerasysteme, die in Fahrassistenzsysteme von Fahrzeugen eingebunden sind. Bei stereoskopischen Kameras werden zwei oder mehr Bilder der gleichen Szene von verschiedenen Kamerapositionen aus aufgenommen. Aus der Lage eines bestimmten Szenepunktes in mindestens zwei Bildern lässt sich eine räumliche Position mit Kenntnis von intrinsischen und extrinsischen Kalibrierungsparametern der Kamera bestimmen.
Mit derartigen Kameras ist es möglich, eine sehr genaue 3D-Oberflächen- profilkarte („Disparitätskarte“) des Bodens im Sichtfeld der Kamera zu erstellen.
Prinzipiell lassen sich zur Erstellung derartiger Oberflächenprofilkarten auch abstandsmessende Systeme verwenden, wie z.B. scannende Lidar-Systeme, Time-of-Flight-Kameras, usw.
Insbesondere in der Feldwirtschaft halten zunehmend GPS-gestützte
automatische Lenksysteme Einzug. Diese helfen auch bei schwierigen
Umgebungsbedingungen und/oder ungeübten Fahrern, die volle Arbeitsbreite zu nutzen und Überlappungen von Arbeitsbereichen bestmöglich zu vermeiden.
Um die Präzision zu erhöhen, müssen die Ungenauigkeiten durch
Laufzeitstörungen in der Tropo- und Ionosphäre, Bahnen- und Uhrenfehler von Satelliten mittels so genannter RTK (Real Time Kinematik) Korrektursignale korrigier werden.
Die Erfassung der GPS-Daten setzt voraus, dass die genaue Lage der Antenne bekannt ist. Diese befindet sich in der Regel in der Mitte eines Führerhausdaches der Landmaschine. Zwischen der ermittelten und der tatsächlichen Position der Landmaschine über Grund können Abweichungen bestehen (z.B. aufgrund von Neigung, Bewegungsrichtung, und deren Änderungen, usw.), die zum Beispiel mittels Beschleunigungssensoren und Gyroskopen gemessen werden können.
Ein Zusammenführen und Verarbeiten der GPS-, RTK, Beschleunigungs- und Gyroskop-Daten erfolgt im sogenannten„Steering-Controller“ oder auch in der IMU (engl. Inertial Measurement Unit). Dabei werden zum Beispiel Kalman-Filter verwendet. Letztlich werden hydraulische Stellglieder von Werkzeugen und/oder ein Servo am Lenkrad, usw. angesteuert.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines mobilen Systems bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines mobilen Systems, aufweisend die Schritte:
Erfassen eines 3D-Profils einer vorausliegenden Fahrstrecke definierter Länge;
Ermitteln einer Solltrajektorie des mobilen Systems und/oder eines Werkzeugs des mobilen Systems aufgrund des erfassten 3D-Profils; und Definiertes Betreiben des mobilen Systems unter Berücksichtigung der Solltrajektorie entlang der Fahrstrecke.
Vorteilhaft kann auf diese Weise in Kenntnis eines genauen dreidimensionalen Oberflächenprofils der vorausliegenden Fahrstrecke des mobilen Systems bzw. eines Fahrzeugs eine definierte Handlung mit dem Fahrzeug vorgenommen werden. Insbesondere kann in Kenntnis des hochgenauen dreidimensionalen Oberflächenprofils eine prädizierte Trajektorie des Fahrzeugs ermittelt werden, die dann unter Berücksichtigung von Mechanik, Kinematik, Hydraulik, usw. eine Steuerung wenigstens eines Aktors des mobilen Systems bzw. des Fahrzeugs vornimmt. Vorteilhaft ist auf diese Weise eine von Unebenheiten und Welligkeiten des Bodens unabhängige Arbeitsweise des mobilen Systems unterstützt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Betreiben eines mobilen Systems, aufweisend:
eine Sensoreinrichtung zur dreidimensionalen Erfassung eines Umfelds des mobilen Systems; und
eine Prädiktionseinrichtung, die ausgebildet ist, anhand des
dreidimensional erfassten Umfelds eine Solltrajektorie für das mobile System und/oder ein Werkzeug des mobilen Systems zu prädizieren; und
eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, das mobile System und/oder das Werkzeug des mobilen Systems entsprechend der Solltrajektorie zu steuern.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass folgendes durchgeführt wird:
Prädizieren von Trajektorien von Rädern des mobilen Systems und/oder des Werkzeugs des mobilen Systems;
Ermitteln einer prädizierten Abweichung von der prädizierten
Solltrajektorie; und
Ermitteln von Vorsteuerwerten für ein prädiktives Aktuatormanagement.
Auf diese Weise wird in Kenntnis des hochgenauen 3D-Profils ein prädiktives Aktuatormanagement gesteuert, welches vorausliegende Unebenheiten bzw. Inhomogenitäten der Fahrspur für das mobile System bestmöglich berücksichtigt bzw. ausgleicht. Das Aktuatormanagement kann ein Management für ein Werkzeug bzw. eine Steuerung eines Werkzeugs des mobilen Systems umfassen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass für das Werkzeug wenigstens eines aus Folgendem verstellt wird: Höhe, Ausrichtung, Neigung. Auf diese Weise kann das Werkzeug des mobilen Systems bestmöglich an die Topologie der vorausliegenden Fahrspur angepasst betrieben werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass für den Fall, dass mittels der Solltrajektorie für das Werkzeug nicht ausreichend eingehalten werden kann, auch in eine Lenkung des mobilen Systems eingegriffen wird. Dadurch kann für das mobile System ein noch besserer Ausgleich der Unebenheiten der vorausliegenden Fahrspur realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zur Erfassung des 3D-Profils wenigstens eines aus Folgendem verwendet wird:
Lidar, Radar, 3D-Kamera, Time-of-flight-Kamera. Dadurch können
Sensoreinrichtungen verwendet werden, die aufgrund ihrer
Erfassungscharakteristik bestmöglich an das zu erfassende Umfeld angepasst sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass aus einem Kamerabild Eigenbewegungen des mobilen Systems herausgerechnet werden. Auf diese Weise können aus dem Bild vorteilhaft Wackelstörungen herausgerechnet werden, wodurch ein ruhiges Bild
bereitgestellt wird, welches für die nachfolgende Ermittlung der prädizierten Bewegungen von Aktuatoren vorteilhaft ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, dass das 3D-Profil in einem Arbeitsbereich des Werkzeugs erfasst wird. Auf diese Weise wird eine effiziente 3D-Erfassung des Umfelds des mobilen Systems durchgeführt, wodurch Rechenkapazität effektiv eingesetzt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Ermittlung der Solltrajektorie und ein Ermitteln von entsprechenden Aktuatordaten mittels eines einzigen Steuergeräts durchgeführt werden. Dadurch können vorteilhaft Latenzzeiten reduziert werden, wodurch die Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens möglichst schnell möglich ist.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegen- stand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentan- sprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet
insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Betreiben eines mobilen Systems in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen der Vorrichtung zum Betreiben eines mobilen Systems ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform einer
Vorrichtung zum Betreiben eines mobilen Systems;
Fig. 2 ein prinzipielles Systembild zum Erläutern einer Wirkungsweise des vorgeschlagenen Verfahrens;
Fig. 3 drei Abbildungen zur Erläuterung einer prinzipiellen
Wirkungsweise einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens;
Fig. 4 eine weitere Darstellung zur Erläuterung einer prinzipiellen
Wirkungsweise einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens;
Fig. 5 eine weitere Darstellung zur Erläuterung einer prinzipiellen
Wirkungsweise einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens; und
Fig. 6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, ein verbessertes Betreiben eines mobilen Systems bereitzustellen. Dabei ist vorgesehen, eine Erfassung von Bodenunebenheiten einer zukünftigen bzw. vorausliegenden Fahrspur des mobilen Systems vorzunehmen und darauf basierend eine rechtzeitige/prädiktive Vorsteuerung von Elementen (Lenkung und/oder Werkzeuge) des mobilen Systems durchzuführen, um Regelungsabweichungen bezüglich der GPS- Position zu verringern. Die dadurch erreichte höhere Präzision von
Arbeitsvorgängen und Spurtreue führt vorteilhaft zu mehr Ertrag, einer geringeren Bodenflächenverdichtung und einer größeren Akzeptanz von GPS- basierten Assistenzsystemen des mobilen Systems.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum
Betreiben eines mobilen Systems 200, beispielsweise in Form einer
Landmaschine, einer Baumaschine, usw. Das genannte mobile System 200 kann dabei sowohl manuell gesteuert als auch automatisiert bzw. teilautomatisiert, autonom oder teilautonom ausgebildet sein. Das mobile System kann dabei sowohl ein während des Fahrens zur Bearbeitung einer Landschaftsoberfläche genutztes Werkzeug aufweisen als auch werkzeuglos ausgebildet sein.
Man erkennt eine Sensoreinrichtung 10 zum Erfassen eines 3D-Umgebungs- profils vor dem mobilen System 200, die funktional mit einer
Prädiktionseinrichtung 20 zum Ermitteln einer prädizierten Trajektorie für das mobile System 200 verbunden ist. Die Prädiktionseinrichtung 20 ermittelt die prädizierte Trajektorie („Solltrajektorie“) basierend auf Daten des erfassten 3D- Umgebungsprofils. Die Prädiktionseinrichtung 20 ist funktional mit einer
Steuerungseinrichtung 30 verbunden, mittels der wenigstens ein Aktor des mobilen Systems 200 entsprechend dem erfassten dreidimensionalen Profils angesteuert wird.
Dies bedeutet beispielsweise, dass Aktoren derart gesteuert werden, dass das mobile System 200 möglichst spurtreu geführt wird. Ferner kann darunter verstanden werden, dass ein Werkzeug des mobilen Systems 200, z.B. ein Mähwerk, Bauwerkzeug, usw., welches funktional mit dem mobilen System 200 verbunden ist, in Kenntnis des dreidimensionalen Oberflächenprofils prädiktiv vorgesteuert wird und dadurch gleichmäßiger und damit effizienter agieren kann.
Je nach Anwendungsfall, z.B. GPS-genaues Lenken, GPS-genaues Arbeiten usw., kann das Streckenmodell des Systems vom GPS-Empfang bis zum Stellglied (z.B. Rad, Werkzeug) für das mobile System 200 bereits vorab zur Verfügung stehen oder zur Laufzeit des mobilen Systems 200 angewendet werden.
Wie oben erwähnt, kann mittels abstandsmessender Verfahren eine 3D-Ober- flächprofilkarte mit Kompensation der Eigenbewegung des mobilen Systems 200 erstellt werden. Die dazu erforderlichen Sensoren sind entsprechend im
Frontbereich des mobilen Systems 200 verbaut. Bei Landschaftsoberflächen mit Pflanzenbewuchs wird z.B. mittels Merkmalsextraktions- und optional
Objektklassifikationsverfahren die Freifläche (in der Regel Ackerfurchen oder feste Fahrspuren) erkannt und als solche als prinzipiell befahrbare Fläche gekennzeichnet.
Aus der vorgegebenen GPS-Spur oder Eigenbewegung des mobilen Systems 200 und der 3D-Oberflächenprofilkarte lässt sich die Trajektorie für jedes Rad bzw. jedes Werkzeug des mobilen Systems 200 prädizieren.
Insbesondere durch Bodenbearbeitung, Fahrrinnen, Auswaschungen,
Bodensetzungen, natürliche Unebenheiten, usw. kann es zu abrupten
Höhenänderungen in den Rad- bzw. Werkzeug-Spuren damit zu unerwünschten Roll-, und/oder Nick- und/oder Gier-Momenten kommen.
In der Regel fahren als Landmaschinen ausgebildete mobile Systeme 200 bezüglich der durchzuführenden Prozesse möglichst immer in den gleichen Spuren, um möglichst wenig Bodenfläche zu verdichten und möglichst keine Pflanzen zu beschädigen. Dabei wird die 3D-Oberflächenprofilkarte durch das Eigengewicht des Fahrzeugs/der Maschine nicht wesentlich verändert. Bei erstmaliger Überfahrt (z.B. durch zuvor gepflügten/gelockerten Boden, nicht vorhandenen Fahrspuren oder Ackerfurchen) kann auf dem ersten
Streckenabschnitt die nachträgliche Bodenverdichtung gelernt werden oder ist vorab appliziert. Diese Bodenverdichtung kann z.B. in der 3D- Oberflächenprofilkarte mit berücksichtigt werden.
Denkbar ist auch, die mittels der Sensoreinrichtung 10 ermittelte 3D-Ober- flächenprofilkarte zu speichern und anderen Fahrzeugen/Maschinen optional über Cloud/Backendvorrichtungen zur Verfügung zu stellen. Zusammen mit dem Streckenmodell des Systems lassen sich auf diese Weise die Roll-, Nick- und Gier-Momente prädiktiv bestimmen und je nach zeitlichem und/oder örtlichem Abstand zu prädiktiven Störungen (Roll-, Nick- und Gier- Momenten) die Regler für die Lenkung des mobilen Systems 200 und/oder Führung der Werkzeuge des mobilen Systems 200 entsprechend vorsteuern. Dies führt insbesondere bei schweren und damit trägen Fahrzeugen bzw.
Maschinen vorteilhaft zu geringeren minimalen und maximalen Abweichungen von der gewünschten Trajektorie der Fahrzeuge und/oder Werkzeuge der Fahrzeuge.
Durch Toleranzen, Driften usw. in der Regelstrecke noch bestehende
Regelabweichungen können gelernt werden und mit in die Vorsteuerung einbezogen werden.
Die prädizierten und/oder realen Daten können optional in Karten gespeichert werden und für die nächste Überfahrt des gleichen oder anderer Fahrzeuge und Maschinen, zum Beispiel in deren prädiktiven Steuerungen nutzen.
Um die Genauigkeit der Regelung und Echtzeitfähigkeit des vorgeschlagenen Systems zu optimieren, wird ein Integrationsansatz mit einem einzigen elektronischen Steuergerät (z.B. Mikrocontroller/Mikroprozesse und ASIC/DSP) bevorzugt, weil dieser Ein-Steuergerät-Ansatz hinsichtlich Jitter und Latenzen in der gesamten Regelung Vorteile gegenüber Ansätzen mit mehreren
Steuergeräten aufweist.
Insbesondere Sensordatenfusionen und Algorithmen als auch
Bildbearbeitungsalgorithmen und 3D-Karten erfordern die Ausführung der Software auf hochleistungsfähigen, hochintegrierten
Mikrocontrollern/Mikroprozessoren und ASICs/DSPs.
Fig. 2 zeigt eine systemische Übersichtsdarstellung des vorgeschlagenen Verfahrens.
In einem Schritt 300 wird eine Sensoreinrichtung 10 in Form von
Umgebungssensoren zur dreidimensionalen Erfassung des Oberflächenprofils vor dem mobilen System 200 bereitgestellt, beispielsweise eine oder mehrere 3D-Kameras, Time-of-flight-Kameras usw., die in einem Schritt 310 zum Erstellen eines hochaufgelösten 3D-Oberflächenprofils verwendet werden. Dabei entspricht ein Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung 10 im Wesentlichen einem Arbeitsbereich des Werkzeugs 210 des mobilen Systems 200. In einem nachfolgenden Schritt 320 erfolgt eine Prädiktion der Solltrajektorie von
Fahrzeugrädern und/oder Werkzeugen des mobilen Systems 200. In einem Schritt 330 erfolgt ein Ermitteln einer prädizierten Abweichung von der prädizierten Solltrajektorie.
In einem Schritt 340 erfolgt eine Ermittlung von Vorsteuerwerten für ein prädiktives Aktuator-Management des mobilen Systems 200. In einem Schritt 350 erfolgt eine Ermittlung eines prädiktiven Stellgrößenanteils des jeweiligen Aktuators.
In einem Schritt 360 wird eine Kinematik und/oder Dynamik vom mobilen System und/oder dessen Werkzeug berücksichtigt. Ferner wird in einem Schritt 370 ein regelungstechnisches Übertragungsverhalten des Regelkreises/der Regelkreise der Arbeitsmaschine (Fahrzeug und Werkzeug) berücksichtigt.
Fig. 3 zeigt eine Erläuterung einer prinzipiellen Wirkungsweise des
vorgeschlagenen Verfahrens. Dargestellt ist in drei Abbildungen a) bis c) jeweils ein mobiles System 200, welches als eine Landmaschine mit einem daran angeordneten Werkzeug 210 (z.B. ein Mähwerk) ausgebildet ist. Das mobile System 200 ermittelt mit einer geeigneten Sensorik eine 3D- Oberflächenprofilkarte der vorausliegenden Fahrstrecke und erfasst auf diese Weise Unebenheiten in Form von Erhebungen 1 und Vertiefungen 2. Aufgrund des ermittelten 3D-Oberflächenprofils wird eine Solltrajektorie ST für das Werkzeug 210 ermittelt und im Zuge des Abfahrens der Fahrspur wird das Werkzeug 210 entlang der Solltrajektorie ST verstellt.
Auf diese Weise befindet sich das Werkzeug 210 an den unebenen Stellen der Fahrspur aufgrund einer durchgeführten Vorsteuerung bereits in der„richtigen“ Position und kann auf diese Weise effektiv agieren. Dieses Prinzip ist in der Abbildung b) auch für Vertiefungen 2 dargestellt und in der Abbildung c) für Erhöhungen 1 und Vertiefungen 2.
Selbstverständlich kann dieses Prinzip auch für ein mobiles System 200 ohne Werkzeuge 210 benutzt werden. In diesem Fall werden Aktoren des mobilen Systems 200 zum Ausgleich der Unebenheiten 1 , 2 verwendet, so dass das mobile System 200 möglichst unbeeinflusst von den Unebenheiten einer vorgegebenen Fahrspur folgt.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel der Funktionsweise des vorgeschlagenen Verfahrens, wobei in diesem Falle das Werkzeug 210 einem Verlauf von Erhebungen 1 folgt, so dass auf diese Weise z.B. ein Spritzwerkzeug in einer definierten Höhe oberhalb eines Getreidebestandes eines Feldes geführt wird.
Fig. 5 zeigt einen weiteren Fall, wobei in diesem Fall das mobile System 200 entlang der Fahrspur aufgrund von Erhebungen 1 und Vertiefungen 2 immer wieder verkippt. Mittels der prädizierten Ermittlung der Solltrajektorie ST für das Werkzeug 210 kann dieses trotzdem immer in der vorgesehenen waagrechten Arbeitsposition verbleiben und dadurch effektiv agieren.
Fig. 6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens.
In einem Schritt 400 wird ein Erfassen eines 3D-Profils einer vorausliegenden Fahrstrecke definierter Länge durchgeführt.
In einem Schritt 410 wird ein Ermitteln einer Solltrajektorie ST des mobilen Systems 200 und/oder eines Werkzeugs 210 des mobilen Systems 200 aufgrund des erfassten 3D-Profils durchgeführt.
In einem Schritt 420 wird ein definiertes Betreiben des mobilen Systems 200 unter Berücksichtigung der prädizierten Trajektorie ST entlang der Fahrstrecke durchgeführt.
Vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren als eine Software implementieren, die beispielsweise auf der Vorrichtung 100 mit der
Sensoreinrichtung 10, der Prädiktionseinrichtung 20 und der
Steuerungseinrichtung 30 abläuft. Eine einfache Adaptierbarkeit des Verfahrens ist auf diese Weise unterstützt.
Der Fachmann wird die Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise abändern und/oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines mobilen Systems (200), aufweisend die Schritte:
Erfassen eines 3D-Profils einer vorausliegenden Fahrstrecke definierter Länge;
Ermitteln einer Solltrajektorie (ST) des mobilen Systems (200) und/oder eines Werkzeugs (210) des mobilen Systems (200) aufgrund des erfassten 3D-Profils; und
Definiertes Betreiben des mobilen Systems (200) unter Berücksichtigung der Solltrajektorie (ST) entlang der Fahrstrecke.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei folgendes durchgeführt wird:
Prädizieren von Trajektorien von Rädern des mobilen Systems (200) und/oder des Werkzeugs (210) des mobilen Systems (200);
Ermitteln einer prädizierten Abweichung von der prädizierten
Solltrajektorie; und
Ermitteln von Vorsteuerwerten für ein prädiktives Aktuatormanagement.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für das Werkzeug (210) wenigstens eines aus Folgendem verstellt wird: Höhe, Ausrichtung, Neigung.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Fall, dass die Solltrajektorie (ST) für das Werkzeug (210) nicht ausreichend eingehalten werden kann, auch in eine Lenkung des mobilen Systems (200) eingegriffen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erfassung des 3D-Profils wenigstens eines aus Folgendem verwendet wird: Lidar, Radar, 3D-Kamera, Time-of-flight-Kamera.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus einem Kamerabild Eigenbewegungen des mobilen Systems (200) herausgerechnet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das 3D-Profil in einem Arbeitsbereich des Werkzeugs (210) erfasst wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung der Solltrajektorie (ST) und ein Ermitteln von entsprechenden Aktuatordaten mittels eines einzigen Steuergeräts durchgeführt werden.
9. Vorrichtung (100) zum Betreiben eines mobilen Systems (200), aufweisend: eine Sensoreinrichtung (10) zur dreidimensionalen Erfassung eines Umfelds des mobilen Systems (200); und
eine Prädiktionseinrichtung (20), die ausgebildet ist, anhand des dreidimensional erfassten Umfelds eine Solltrajektorie (ST) für das mobile System (200) und/oder ein Werkzeug (210) des mobilen Systems (200) zu prädizieren; und
eine Steuerungseinrichtung (30), die ausgebildet ist, das mobile System (200) und/oder das Werkzeug (210) des mobilen Systems (200) entsprechend der Solltrajektorie (ST) zu steuern.
10. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn es auf einer elektronischen Vorrichtung (100) zum Betreiben eines mobilen Systems (200) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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