Titel

Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer Arbeitsmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer Arbeitsmaschine und ein Verfahren zum Steuern eines Anbaugeräts einer Arbeitsmaschine nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch eine Steuereinheit zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer Arbeitsmaschine und eine Steuereinheit zum Steuern eines Anbaugeräts einer Arbeitsmaschine sowie eine Arbeitsmaschine und ein Computerprogramm.

Automatisierte- oder teilautomatisierte Arbeitsprozesse finden in modernen Arbeitsmaschinen immer mehr Einsatz. Aktuell ist dabei der Inhalt der Funktionalität oft das Folgen einer gewünschten Trajektorie für den Tool Center Point (TCP) oder bei Assistenzfunktionen die Unterstützung des Fahrers beim Folgen einer gewünschten Trajektorie.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine.

Das Verfahren umfasst einen Schritt des Empfangens eines Sollwerts eines Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders mittels einer Steuereinheit. Das Verfahren umfasst weiter einen Schritt des Ermittelns eines Sollwerts eines Ventilparameters einer dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit in Abhängigkeit von dem empfangenen Sollwert des Bewegungsparameters mittels der Steuereinheit. Hierbei wird der Sollwert des Ventilparameters unter Verwendung eines datenbasierten Modells, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, und unter Berücksichtigung eines vorgegebenen und/oder vorgebbaren Toleranzbereichs für den Sollwert des Ventilparameters ermittelt. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Steuerns der dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit in Abhängigkeit von dem ermittelten Sollwert des Ventilparameters mittels der Steuereinheit, um den hydraulischen Zylinder der mobilen Arbeitsmaschine zu steuern.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiter eine Steuereinheit zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Steuern des hydraulischen Zylinders auszuführen bzw. zu steuern.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Steuern eines Anbaugeräts einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine. Hierbei ist das Anbaugerät mittels eines hydraulischen Zylinders relativ zu der Arbeitsmaschine bewegbar.

Das Verfahren umfasst einen Schritt des Empfangens einer Sollposition des Anbaugeräts mittels einer Steuereinheit. Das Verfahren umfasst weiter einen Schritt des Ermittelns eines Sollwerts eines Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders in Abhängigkeit von der empfangenen Sollposition des Anbaugeräts mittels der Steuereinheit. Das Verfahren umfasst außerdem einen Schritt des Ermittelns eines Sollwerts eines Ventilparameters eines dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventils in Abhängigkeit von dem empfangenen Sollwert des Bewegungsparameters mittels der Steuereinheit. Hierbei wird der Sollwert des Ventilparameters unter Verwendung eines datenbasierten Modells, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, und unter Berücksichtigung eines vorgegebenen und/oder vorgebbaren Toleranzbereichs für den Sollwert des Ventilparameters ermittelt. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Steuerns der dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit in Abhängigkeit von dem ermittelten Sollwert des Ventilparameters mittels der Steuereinheit, um mittels Steuern des hydraulischen Zylinders das Anbaugerät der mobilen Arbeitsmaschine zu steuern. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus eine Steuereinheit zum Steuern eines Anbaugeräts einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Steuern des Anbaugeräts auszuführen bzw. zu steuern.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine, insbesondere mobile, Arbeitsmaschine mit einem Anbaugerät, mindestens einem hydraulischen Zylinder zur Bewegung des Anbaugeräts und einer vorstehend beschriebenen Steuereinheit zum Steuern des Anbaugeräts.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren ein Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, eines oder beide der vorstehend beschriebenen Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Zylinders und/oder zum Steuern des Anbaugeräts auszuführen und/oder zu steuern.

Die Arbeitsmaschine kann eine stationäre oder bevorzugt eine mobile Arbeitsmaschine sein. Die Arbeitsmaschine kann eine Arbeitsmaschine für bauwirtschaftliche, landwirtschaftliche, forstwirtschaftliche oder logistische Zwecke sein. Die mobile Arbeitsmaschine kann bspw. ein Bagger, ein Radlader, ein Flurförderzeug oder eine Hubarbeitsbühne sein. Die stationäre Arbeitsmaschine kann bspw. ein hydraulisch angetriebener Industrieroboter sein.

Das Anbaugerät der Arbeitsmaschine kann ein Anbaugerät zum Bearbeiten und/oder Behandeln einer landwirtschaftlichen und/oder forstwirtschaftlichen und/oder bauwirtschaftlichen Fläche sein und/oder zum Transportieren einer Last sein. Das Anbaugerät kann bspw. ein Löffel, eine Schaufel oder ein Arbeitskorb sein. Das Anbaugerät kann an einem Arbeitsarm, einem Hubrahmen oder einem Hubgerüst der Arbeitsmaschine angeordnet sein.

Der hydraulische Zylinder bzw. der Hydraulikzylinder ist ausgebildet, eine Relativbewegung zwischen Anbaugerät und Arbeitsmaschine zu erzeugen.

Hierzu umfasst der hydraulische Zylinder ein Gehäuse und einen Kolben.

Der Kolben ist mittels Druckbeaufschlagung eines hydraulischen Fluids, bevorzugt einer Hydraulikflüssigkeit, relativ zu dem Gehäuse bewegbar, insbesondere in das Gehäuse ein- und ausführbar. Die dem hydraulischen Zylinder zugeordnete Ventileinheit ist ausgebildet, die Hydraulikflüssigkeit definiert mit Druck zu beaufschlagen. Die dem hydraulischen Zylinder zugeordnete Ventileinheit ist also ausgebildet, eine Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse des Hydraulikzylinders zu erzeugen.

Die Ventileinheit kann ein oder mehrere Ventile umfassen. Das Ventil kann als Magnetventil oder pneumatisch betätigbares Ventil bzw. Pneumatikventil ausgebildet sein. Die Ventileinheit kann ein, insbesondere elektromagnetisches Pilotventil und bevorzugt ein dem Pilotventil zugeordnetes, insbesondere pneumatisch betätigbares, Hauptventil umfassen.

Mittels Steuern der Ventileinheit kann eine Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse des Hydraulikzylinders gesteuert werden. Diese Relativbewegung kann basierend auf einer Anordnung des hydraulischen Zylinders an der Arbeitsmaschine eine Relativbewegung zwischen dem Anbaugerät und der Arbeitsmaschine, insbesondere zwischen dem Anbaugerät und einem Arbeitsarm und/oder einem Hubrahmen der Arbeitsmaschine, erzeugen.

Unter Steuern kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Steuern im Sinne eines Erzeugens einer Ausgangsgröße basierend auf einer Eingangsgröße verstanden werden. Unter Steuern kann weiter und bevorzugt ein, ein Regeln umfassendes Steuern im Sinne eines fortlaufenden Ermittelns eines Istwerts einer zu regelnden Größe und eines fortlaufenden Vergleichens des Istwerts mit einem Sollwert der zu regelnden Größe verstanden werden.

Eine Sollposition des Anbaugeräts kann eine räumliche Relativposition des Anbaugeräts relativ zu der das Anbaugerät umfassenden Arbeitsmaschine oder eine räumliche Position in einem externen Referenzkoordinatensystem, bspw. einem globalen Satellitennavigationssystem oder einem

Referenzkoordinatensystem einer positionserfassenden Sensoreinheit sein. Die Sollposition des Anbaugeräts ist bevorzugt eine räumliche Position des Tool Center Points (TCP) des Anbaugeräts. Die Sollposition des Anbaugeräts kann bspw. für einen mittels der Arbeitsmaschine auszuführenden Arbeitsschritt eines Arbeitsprozesses vorgegeben werden. Das Ermitteln des Sollwerts des Bewegungsparameters in Abhängigkeit von der Sollposition des Anbaugeräts kann mittels einer softwarebasierten Trajektorienplanung für das Anbaugerät bzw. für die Arbeitsmaschine erfolgen. Das Ermitteln des Sollwerts des Bewegungsparameters kann unter Berücksichtigung zumindest eines Teils einer Kinematik der Arbeitsmaschine erfolgen.

Der Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders ist ein Parameter einer Bewegung des hydraulischen Zylinders. Die Bewegung des hydraulischen Zylinders ist bevorzugt eine Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse des hydraulischen Zylinders. Die Bewegung des hydraulischen Zylinders kann eine gleichförmige oder, bevorzugt gleichmäßig, beschleunigte Bewegung sein.

Der Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders kann eine Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung sein. Bevorzugt ist der Bewegungsparameter eine Relativgeschwindigkeit oder Relativbeschleunigung zwischen Kolben und Gehäuse des hydraulischen Zylinders.

Der Sollwert des Bewegungsparameters ist ein Wert oder ein zeitlicher Verlauf des Wertes des Bewegungsparameters, gemäß dem eine Bewegung des hydraulischen Zylinders erfolgen soll.

Der Ventilparameter der Ventileinheit kann ein Parameter einer oder mehrerer Ventile der Ventileinheit sein. Der Ventilparameter kann eine Ventilbestromung bzw. eine Stromstärke eines Magnetventils sein. Der Ventilparameter kann auch ein Druck sein, mittels dessen ein pneumatisch betätigbares Ventil betätigt wird. Der Ventilparameter kann ferner eine Öffnungsfläche einer Ventilblende eines Ventils der Ventileinheit sein.

Unter einem datenbasierten Modell kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mathematisches Modell bzw. ein mathematischer Algorithmus verstanden werden, das bzw. der ausgebildet ist, bei Vorgabe eines Wertes des Bewegungsparameters als Eingangsgröße einen Wert des Ventilparameters als Ausgangsgröße zu ermitteln. Das heißt, mit anderen Worten, das datenbasierte Modell ordnet einem Wert des Bewegungsparameters einen Wert des Ventilparameters zu bzw. korreliert bzw. verknüpft Werte von Bewegungsparameter und Ventilparameter miteinander. Der ermittelte Wert des Ventilparameters hängt insbesondere von einem Wert ein oder mehrerer weiterer Parameter des Hydraulikzylinders und/oder von mit dem Hydraulikzylinder in Wechselwirkung stehenden Einheiten ab.

Das datenbasierte Modell basiert auf Lerndatensätzen bzw.

Trainingsdatensätzen. Diese Trainingsdatensätze umfassen Wertekombinationen, bspw. Wertetupel, des Bewegungsparameters und des Ventilparameters sowie bevorzugt der ein oder mehreren weiteren Parameter.

Die Trainingsdatensätze können bei einem Betrieb des Hydraulikzylinders, bspw. bei einem Betrieb einer den Hydraulikzylinder umfassenden Arbeitsmaschine, ermittelt werden. Die Trainingsdatensätze entsprechen hierbei Wertekombinationen, die bei einem Betrieb des Hydraulikzylinders auftreten bzw. vorliegen.

Das datenbasierte Modell ist eingerichtet, basierend auf den Trainingsdatensätzen, bspw. mittels eines Regressionsverfahrens, einen Wert des Ventilparameters für jeden beliebigen technisch mittels des Hydraulikzylinders realisierbaren Wert des Bewegungsparameters auszugeben. Das heißt, mit anderen Worten, das datenbasierte Modell ist eingerichtet, Verknüpfungen bzw. Korrelationen für auch von den Trainingsdatensätzen nicht umfasste Wertekombinationen zu ermitteln bzw. maschinell zu lernen. Bevorzugt wird dem datenbasierten Modell hierbei kein physikalisch-technisches Modell des hydraulischen Zylinders vorgegeben. Das heißt, mit anderen Worten, das datenbasierte Modell ist ein Modell, dass unter Verwendung eines Verfahrens zum maschinellen Lernen erzeugt wird.

Eine Güte bzw. Qualität des datenbasierten Modells ist abhängig von einer Abweichung zwischen dem vorgegebenen Sollwert des Bewegungsparameters und dem Istwert des Bewegungsparameters bei Steuerung der dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit unter Verwendung des von dem datenbasierten Modell ermittelten Sollwert des Ventilparameters. Für einen Arbeitsbereich des hydraulischen Zylinders, für den die Trainingsdatensätze repräsentativ sind, d.h. eine hinreichende Anzahl von relevanten Wertekombinationen umfassen, ist eine geringe Abweichung zwischen dem Istwert und dem vorgegebenen Sollwert des Bewegungsparameters zu erwarten. Für einen Arbeitsbereich des hydraulischen Zylinders, für den die Trainingsdatensätze nicht repräsentativ sind, d.h. eine nicht hinreichende Anzahl von relevanten Wertekombinationen umfassend, kann eine signifikante Abweichung zwischen dem Istwert und dem vorgegebenen Sollwert des Bewegungsparameters auftreten.

Das datenbasierte Modell ist bevorzugt als künstliches neuronales Netz ausgebildet.

Der Toleranzbereich des Ventilparameters repräsentiert einen zum Steuern der Ventileinheit tolerierten bzw. zugelassenen Wertebereich des Ventilparameters. Vorteilhafterweise ist der Toleranzbereich für den Sollwert des Ventilparameters ein Teilbereich eines technisch realisierbaren bzw. möglichen Wertebereichs des Ventilparameters. Bspw. kann der technisch mögliche Wertebereich des Ventilparameters ein Stromstärkenbereich umfassend Stromstärken größer oder gleich einem ersten Minimalwert der Stromstärke und kleiner oder gleich einem ersten Maximalwert der Stromstärke zur Ventilbestromung sein. Hierbei kann der Toleranzbereich ein Stromstärkenbereich umfassend Stromstärken größer oder gleich einem zweiten Minimalwert der Stromstärke und kleiner oder gleich einem zweiten Maximalwert der Stromstärke zur Ventilbestromung sein, wobei der zweite Minimalwert größer oder gleich dem ersten Minimalwert und der zweite Maximalwert kleiner oder gleich dem ersten Maximalwert und eine Gleichheit beider Maximalwerte und beider Minimalwerte ausgeschlossen ist. Durch diese Ausgestaltung kann der Sollwert des Ventilparameters auf eine Untermenge des technisch möglichen Wertebereichs eingeschränkt werden, um einen sicheren Betriebszustand des Hydraulikzylinders, insbesondere der Arbeitsmaschine, zu gewährleisten.

Die Verfahren und die entsprechenden Steuereinheiten erhöhen die Sicherheit und Zuverlässigkeit beim automatisierten Steuern eines hydraulischen Zylinders bzw. eines mittels des Hydraulikzylinders bewegbaren Anbaugeräts. Die Verwendung des datenbasierten Modells ermöglicht die Anwendung der Verfahren auch für Arbeitsmaschinen mit komplexem hydraulischen Verhalten, das nur aufwändig hinreichend detailliert physikalisch-technisch zu modellieren ist. Hierbei wird durch die Berücksichtigung des Toleranzbereichs beim Ermitteln des Sollwerts des Ventilparameters gewährleistet, dass der Hydraulikzylinder bzw. das Anbaugerät stets, und damit auch in seltenen Betriebszuständen, in einem sicheren Wertebereich betrieben werden. Dadurch kann eine Erhöhung der Sicherheit von datenbasierten Regelstrategien für teil- oder vollautomatisierte Arbeitsmaschinen erreicht werden.

Von Vorteil ist es, wenn das Ermitteln des Sollwerts des Ventilparameters ein Ermitteln eines vorläufigen Sollwerts des Ventilparameters umfasst, wobei der Sollwert des Ventilparameters in Abhängigkeit von dem vorläufigen Sollwert derart ermittelt wird, dass der ermittelte Sollwert innerhalb des vorgegebenen und/oder vorgebbaren Toleranzbereichs für den Sollwert des Ventilparameters liegt. Bevorzugt werden in einem ersten Schritt der vorläufige Sollwert des Ventilparameters und anschließend in einem zweiten Schritt der Sollwert des Ventilparameters ermittelt.

Der vorläufige Sollwert des Ventilparameters kann ein Wert des Ventilparameters sein, der innerhalb oder außerhalb des Toleranzbereichs für den Sollwert des Ventilparameters liegt. Bevorzugt entspricht der Sollwert des Ventilparameters dem vorläufigen Sollwert des Ventilparameters, wenn der vorläufige Sollwert des Ventilparameters innerhalb des Toleranzbereichs liegt.

Wenn der vorläufige Sollwert des Ventilparameters außerhalb des Toleranzbereichs liegt, wird beim Ermitteln des Sollwerts der vorläufige Sollwert des Ventilparameters geändert bzw. angepasst bzw. korrigiert. Denkbar ist, dass der ermittelte Sollwert demjenigen Wert des Toleranzbereichs des Ventilparameters entspricht, der bezüglich des empfangenen bzw. vorgegebenen Sollwerts des Bewegungsparameters den geringsten Abstand zu dem vorläufigen Sollwert aufweist.

Durch diese Ausgestaltung werden vorläufige Sollwerte außerhalb des Toleranzbereichs nicht zum Steuern der Ventileinheit verwendet, wodurch kritische Betriebszustände verhindert werden können.

Von Vorteil ist es auch, wenn der Toleranzbereich einen zugelassenen Wertebereich für den Ventilparameter repräsentiert, wobei der zugelassene Wertebereich, insbesondere eine Größe des zugelassenen Wertebereichs, von einem Wert des Bewegungsparameters abhängt. Die Größe bzw. Breite des zugelassenen Wertebereichs kann für alle Werte des Bewegungsparameters identisch oder bevorzugt verschieden groß sein. Die Größe des Wertebereichs des Ventilparameters kann eine Breite des Wertebereichs sein. Denkbar ist, dass die Größe des Wertebereichs eine Differenz zwischen einem maximalen Wert des Wertebereichs und einem minimalen Wert des Wertebereichs repräsentiert.

Von Vorteil ist es hierbei, wenn der zugelassene Wertebereich, insbesondere die Größe des zugelassenen Wertebereichs, ferner von einem Istwert eines weiteren Parameters des hydraulischen Zylinders und/oder der Arbeitsmaschine abhängt. Der weitere Parameter kann einer zeitlichen Ableitung des Bewegungsparameters entsprechen. Der weitere Parameter kann ein Druck sein, bspw. ein Druck eines Hydraulikfluids des Hydraulikzylinders sein. Denkbar ist auch, dass der weitere Parameter eine Temperatur eines Hydraulikfluids des hydraulischen Zylinders ist. Denkbar ist weiter, dass der weitere Parameter eine Drehzahl eines Motors der Arbeitsmaschine ist.

Denkbar ist, dass der Istwert des weiteren Parameters eine Anzahl von Trainingsdatensätzen für einen definierten Wert von Bewegungsparameter und/oder einen definierten Wert von Ventilparameter und/oder zumindest einen weiteren definierten Wert eines weiteren von dem datenbasierten Modell berücksichtigten Parameters angibt. Bspw. kann eine Größe des Toleranzbereichs für einen Wert des Bewegungsparameters mit einer großen Anzahl von Trainingsdatensätzen größer sein als für einen Wert des Bewegungsparameters mit einer geringeren Anzahl von Trainingsdatensätzen.

Durch diese Ausgestaltung kann der Toleranzbereich abhängig von Güte bzw. Qualität des datenbasierten Modells für verschiedene Bewegungsparameter angepasst werden, wodurch die Effizienz des Steuerns des hydraulischen Zylinders bzw. des Anbaugeräts bei Gewährleistung der Sicherheit des Betriebs erhöht wird.

Von Vorteil ist es des Weiteren, wenn das Verfahren einen Schritt des Ermittelns des Toleranzbereichs für den Sollwert des Ventilparameters umfasst, wobei der Toleranzbereich Werte des Ventilparameters umfasst, die beim Betreiben des hydraulischen Zylinders mit einer Häufigkeit oberhalb eines vorgegebenen und/oder vorgebbaren Schwellenwertes ermittelt wurden. Hierzu können während eines Betreibens des hydraulischen Zylinders Werte des Ventilparameters und des Bewegungsparameters und eine Häufigkeit eines Auftretens dieser Werte ermittelt werden. Der Schwellenwert kann absolut oder relativ zu einem Durchschnittswert oder einem Maximalwert der Häufigkeit des Auftretens der Werte des Ventilparameters ermittelt werden. Bevorzugt nimmt der Schwellenwert mit zunehmender Größe des Werts des Bewegungsparameters zu. Dadurch wird die Breite des Toleranzbereichs bei höherer Werten des Bewegungsparameters aus Sicherheitsgründen kleiner.

Beim Betreiben des hydraulischen Zylinders tritt für jeden Wert des Ventilparameters zumindest ein entsprechender Wert des Bewegungsparameters mit erhöhter Wahrscheinlichkeit auf. Für jeden Wert des Ventilparameters kann ein Wert eines jeweiligen Bewegungsparameters mit der größten Häufigkeit eines Auftretens des Wertes beim Betreiben des hydraulischen Zylinders einen idealen Wert bzw. dominanten Wert des Bewegungsparameters repräsentieren. Der ideale Wert bzw. dominante Wert des Bewegungsparameters kann einem Wert des Bewegungsparameters in einem stationären Zustand bzw. in einem Zustand des Hydraulikzylinders entsprechen, in welchem keine zeitliche Änderung des Werts des Bewegungsparameters erfolgt. In einem transienten Zustand des Hydraulikzylinders, in welchem eine zeitliche Änderung des Werts des Bewegungsparameters erfolgen kann, können auch von dem idealen Wert des Bewegungsparameters abweichende Werte des Bewegungsparameters mit entsprechend reduzierter Häufigkeit des Auftretens auftreten.

Durch diese Ausgestaltung kann vor Ausführung des Verfahrens der Toleranzbereich auf besonders einfache Art und Weise ermittelt werden. Weiter wird ein Steuern des hydraulischen Zylinders und der Arbeitsmaschine dadurch auch robust gegenüber Sensorausfällen, weil der Toleranzbereich basierend auf vor Ausführung des Verfahrens ermittelten Werten bzw. offline ermittelt wird und von zur Laufzeit des Verfahrens erfassten Messsignalen unabhängig ist.

Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn der Sollwert des Ventilparameters ferner in Abhängigkeit von, insbesondere einem Wert von, zumindest einem weiteren Parameter des hydraulischen Zylinders und/oder der Arbeitsmaschine ermittelt wird. Der weitere Parameter ist bevorzugt ein von dem Bewegungsparameter verschiedener Parameter. Der weitere Parameter kann auch einer zeitlichen Ableitung des Bewegungsparameters entsprechen. Der weitere Parameter kann ein Druck sein, bspw. ein Druck eines Hydraulikfluids des Hydraulikzylinders sein. Der weitere Parameter ist bevorzugt eine Druckdifferenz zwischen einem Druck an einer Kolbenseite des hydraulischen Zylinders und einem Druck an einer Stangenseite des hydraulischen Zylinders. Alternativ oder zusätzlich ist der weitere Parameter eine Differenz zwischen einem LS-Druck (Load-Sensing- Druck) eines dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Load-Sensing-Systems und einem von einer Pumpeneinheit zur Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids bereitgestellten Druck.

Denkbar ist auch, dass der weitere Parameter eine Temperatur eines Hydraulikfluids des hydraulischen Zylinders ist. Denkbar ist weiter, dass der weitere Parameter eine Drehzahl eines Motors der Arbeitsmaschine ist.

Der oder die weiteren Parameter sind bevorzugt von den Wertekombinationen der Trainingsdatensätze, auf welchen das datenbasierte Modell basiert, umfasst. Das heißt, mit anderen Worten, das datenbasierte Modell ordnet bevorzugt einer Kombination von einem Wert des Bewegungsparameters und einem Wert des weiteren Parameters einen Wert des Ventilparameters zu. Durch diese Ausgestaltung kann der Sollwert des Ventilparameters auch in einem transienten Arbeitsbereich, in welchen keine zeitliche Änderung des Wertes des Bewegungsparameters auftritt, mit verbesserter Genauigkeit ermittelt werden.

Von Vorteil ist es ferner, wenn der Schritt des Ermittelns des Sollwerts des Ventilparameters das Ermitteln einer Sollstellung eines Bedienelements, insbesondere eines Joysticks, der Arbeitsmaschine umfasst, wobei der Sollwert des Ventilparameters unter Verwendung der ermittelten Sollstellung des Bedienelements ermittelt wird. Hierbei wird die Sollstellung des Bedienelements in Abhängigkeit von dem empfangenen Sollwert des Bewegungsparameters unter Verwendung eines datenbasierten Modells, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, und unter Berücksichtigung eines vorgegebenen und/oder vorgebbaren Toleranzbereichs für den Sollwert des Ventilparameters ermittelt. Das Bedienelement dient als Mittel zum Steuern der Bewegung des hydraulischen Zylinders. Die Sollstellung des Bedienelements der Arbeitsmaschine kann eine Sollposition oder ein Sollzustand des Bedienelements sein. Abhängig von der Stellung bzw. der Position bzw. des Zustands des Bedienelements wird die dem hydraulischen Zylinder zugeordnete Ventileinheit gesteuert, um den hydraulischen Zylinder zu bewegen. Hierzu ist jeder Stellung des Bedienelements jeweils ein Steuersignal zum Steuern der Ventileinheit bzw. ein Zustand der Ventileinheit zugeordnet.

Durch diese Ausgestaltung kann dem Sollwert des Bewegungsparameters zunächst eine Sollstellung des Bedienelements zugeordnet werden, sodass das Steuern der Ventileinheit abhängig von der Stellung des Bedienelements basierend auf bereits an einer Arbeitsmaschine vorhandener Software und Hardware erfolgen kann.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Steuereinheit zum Steuern eines hydraulischen Zylinders; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer datenbasierten Regelung eines Anbaugeräts einer Arbeitsmaschine; Fig. 3 eine Darstellung der Häufigkeit einer Position eines

Bedienelements eines Baggers abhängig von der Sollgeschwindigkeit eines Hydraulikzylinders des Baggers; und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer mobilen Arbeitsmaschine.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuereinheit 1 zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer Arbeitsmaschine, bspw. eines Baggers.

Die Steuereinheit 1 umfasst ein als künstliches neuronales Netz 10 ausgebildetes datenbasiertes Modell 10, eine Speichereinheit 20, eine Begrenzungseinheit 26 und eine Ermittlungseinheit 30. Die Steuereinheit 1 ist eingerichtet, ansprechend auf einen Sollwert eines als Relativgeschwindigkeit 11 des hydraulischen Zylinders ausgebildeten Bewegungsparameters 11 eine Sollstellung 27 bzw. einen Sollwert einer Stellung 27 eines Bedienelements zum Steuern eines Anbaugeräts des Baggers zu ermitteln. Die Steuereinheit 1 ist weiter eingerichtet, basierend auf der Sollstellung 27 des Bedienelements einen Sollwert eines Ventilparameters 29 einer dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit zu ermitteln, um mittels Steuern der dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit in Abhängigkeit von dem ermittelten Sollwert des Ventilparameters 29 den hydraulischen Zylinder zu steuern.

Das künstliche neuronale Netz 10 ist eingerichtet, den Sollwert der Relativgeschwindigkeit 11 des hydraulischen Zylinders zu empfangen. Weiter ist das künstliche neuronale Netz 10 eingerichtet, Istwerte von Druckdifferenzen 13, 15 zu empfangen. Die Druckdifferenz 13 ist bevorzugt eine Druckdifferenz zwischen einem Druck an einer Kolbenseite des hydraulischen Zylinders und einem Druck an einer Stangenseite des hydraulischen Zylinders. Die Druckdifferenz 15 ist eine Differenz zwischen einem LS-Druck (Load-Sensing- Druck) eines dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Load-Sensing-Systems und einem von einer Pumpeneinheit zur Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids bereitgestellten Druck. Das künstliche neuronale Netz 10 ist darüber hinaus eingerichtet, basierend auf den empfangenen Werten 11, 13, 15 einen vorläufigen Wert der Sollstellung 21 des Bedienelements zu ermitteln. Zusätzlich ist das künstliche neuronale Netz 10 eingerichtet, einen oder mehrere Werte eines Faktors 23 auszugeben, der ein Maß für eine Güte des künstlichen neuronalen Netzes 10 in einem durch die Werte 11, 13, 15 spezifizierten Arbeitsbereich des hydraulischen Zylinders angibt. In Arbeitsbereichen mit vielen Trainingsdatensätzen kann der Faktor einen größeren Wert annehmen, weil die Güte des datenbasierten Modells höher ist, als in Arbeitsbereichen mit weniger Trainingsdatensätzen, weil die Güte des datenbasierten Modells geringer ist.

Die Speichereinheit 20 umfasst zumindest eine Kennlinie von Relativgeschwindigkeit 11 und einer idealen bzw. dominanten Stellung 25 des Bedienelements, siehe Fig. 3. Die Speichereinheit 20 ist eingerichtet, ansprechend auf den Sollwert der Relativgeschwindigkeit 11 des hydraulischen Zylinders einen Wert einer idealen bzw. dominanten Stellung 25 des Bedienelements auszugeben.

Die Begrenzungseinheit 26 ist eingerichtet, ansprechend auf den vorläufigen Wert der Sollstellung 21 des Bedienelements, der idealen Stellung 25 des Bedienelements und den Faktor 23 einen Sollwert der Stellung 27 des Bedienelements auszugeben. Hierzu ist die Begrenzungseinheit 26 eingerichtet, basierend auf dem Wert der idealen Stellung 25 des Bedienelements und dem Faktor 23 eine Breite eines Toleranzbereichs für den Sollwert der Stellung 27 des Bedienelements zu ermitteln. Der Toleranzbereich erstreckt sich von einem um den Faktor 23 verringerten Wert der idealen Stellung 25 bis zu einem um den Faktor 23 vergrößerten Wert der idealen Stellung 25.

Die Begrenzungseinheit 26 ist außerdem eingerichtet, den Toleranzbereich beim Ermitteln des Sollwerts der Stellung 27 des Bedienelements zu berücksichtigen. Hierzu ist die Begrenzungseinheit 26 eingerichtet, zu ermitteln, ob der vorläufige Sollwert der Stellung 25 des Bedienelements innerhalb oder außerhalb des ermittelten Toleranzbereichs liegt. Wenn der vorläufige Sollwert der Stellung 25 des Bedienelements innerhalb des Toleranzbereichs liegt, entspricht der Wert der Sollstellung 27 dem vorläufigen Wert der Sollstellung 25. Wenn der vorläufige Sollwert der Stellung 25 des Bedienelements außerhalb des Toleranzbereichs liegt, entspricht der Sollwert der Stellung 27 des Bedienelements demjenigen Wert des Toleranzbereichs, der den geringsten Abstand zu dem vorläufigen Sollwert der Stellung 25 des hydraulischen Zylinders aufweist.

Die Ermittlungseinheit 30 ist eingerichtet, ansprechend auf den ermittelten Sollwert der Stellung 27 des Bedienelements einen Sollwert eines Ventilparameters 29 der dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit zu ermitteln und die Ventileinheit in Abhängigkeit von dem ermittelten Sollwert des Ventilparameters 29 zu steuern, um den hydraulischen Zylinder der mobilen Arbeitsmaschine zu steuern.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer datenbasierten Regelung eines Anbaugeräts einer Arbeitsmaschine, insbesondere eines Baggers, mittels einer Regeleinheit 2. Die Regelung umfasst eine modellbasierte Geschwindigkeitsregelung eines hydraulischen Zylinders einer mobilen Arbeitsmaschine analog zu Fig. 1. Der hydraulische Zylinder ist ausgebildet, eine Bewegung des an einem Arbeitsarm der Arbeitsmaschine angeordneten Anbaugeräts zu erzeugen, bei welcher Gelenkwinkel zwischen Gelenken des Arbeitsarms der Arbeitsmaschine verändert werden.

Die Regeleinheit 2 umfasst einen Lageregler 32 („pose Controller“), eine Inverse Kinematik 34 („inverse kinematics“), einen Geschwindigkeitsregler 36 („velocity Controller“), eine Regelstrecke 38, eine Vorwärtskinematik 40 („direct kinematics“), einen oder mehrere Sensoren 42 („sensors“) und modellbasierte Filter 44 („modell based filter“).

Der Lageregler 32 ist eingerichtet, ansprechend auf eine Differenz von einer Ermittlungseinheit 30 zur Trajektorienerzeugung („trajectory generator“) erzeugten Sollkoordinaten eines Tool Center Points (TCP) 31 des Anbaugeräts der Arbeitsmaschine und empfangenen Istkoordinaten des TCP 41 eine Sollgeschwindigkeit des TCP 33 zu ermitteln.

Die Inverse Kinematik 34 ist eingerichtet, ansprechend auf die ermittelte Sollgeschwindigkeit des TCP 33 Sollwerte für Geschwindigkeiten 35 von Gelenkwinkeln oder einen Sollwert für eine Geschwindigkeit 35 eines hydraulischen Zylinders der Arbeitsmaschine zu ermitteln. Der Geschwindigkeitsregler 36 ist eingerichtet, ansprechend auf die ermittelten Sollwerte für die Geschwindigkeiten 35 der Gelenkwinkel oder auf den ermittelten Sollwert für die Geschwindigkeit 35 des hydraullischen Zylinders einen Sollwert einer Stellgröße 37 zu ermitteln.

Hierzu umfasst der Geschwindigkeitsregler 36 ein Inverses Verhalten 36a der Regelstrecke 38 („inverse manipulator behaviour“) und ein Feedback- Steuergerät 36b („Feedback Controller“).

Das Inverse Verhalten 36a der Regelstrecke 38 ist als datenbasiertes Modell 10‘, in diesem Ausführungsbeispiel als künstliches neuronales Netz 10‘ ausgebildet und eingerichtet, ansprechend auf die ermittelten Sollwerte für die Geschwindigkeiten 35 und empfangene Druckdifferenzen 51 die Stellgröße 37 auszugeben. Die Druckdifferenzen 51 repräsentieren eine Druckdifferenz zwischen einem Druck an einer Kolbenseite des hydraulischen Zylinders und einem Druck an einer Stangenseite des hydraulischen Zylinders sowie eine Differenz zwischen einem LS-Druck (Load-Sensing-Druck) eines dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Load-Sensing-Systems und einem von einer Pumpeneinheit zur Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids bereitgestellten Druck.

Das Feedback- Steuergerät 36b ist eingerichtet, ansprechend auf die ermittelten Sollwerte für die Geschwindigkeiten 35 und von Istwerten der Geschwindigkeiten 45 der Gelenkwinkel oder eines Istwerts der Geschwindigkeit 45 des hydraulischen Zylinders die Stellgröße 37 basierend auf einer Differenz bzw. Abweichung zwischen Sollwerten 35 und Istwerten 45 anzupassen.

Die Regelstrecke 38 spricht auf den ermittelten Sollwert der Stellgröße 37 an, woraus sich Istwerte der Winkel 39 der Gelenke oder ein Istwert einer Position bzw. Stellposition 39 des hydraulischen Zylinders ergeben.

Die Regelstrecke 38 umfasst eine Ventildynamik 38a („valve dynamics“), eine Ventilgeometrie 38b („valve geometry“), eine Ventilquerschnittsfläche 38c („valve cross section“) und einen hydraulischen Zylinder 38d („hydraulic cylinder“). Die Regelstrecke 38 repräsentiert den am Bagger angeordneten hydraulischen Zylinder, welcher zur Steuerung des Anbaugeräts ausgebildet ist.

Aufgrund der Ventildynamik 38a eines dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventils wird das Ventil in eine der Stellgröße 37 entsprechende Ventilschieberposition 55 des Ventils gesteuert.

Aufgrund einer Ventilgeometrie 38b des Ventils resultiert das Ventil in der Ventilschieberposition 55 einen Messblendenquerschnitts 57 des Ventils.

Aufgrund einer Ventilquerschnittsfläche 38c des Ventils und den Druckdifferenzen 51 resultiert dieser Messblendenquerschnitt 57 in einem Ist- Volumenstrom 59 einer Hydraulikflüssigkeit an dem Ventil.

Der hydraulische Zylinder 38d ist ausgebildet, ansprechend auf den ermittelten Ist-Volumenstrom 59 der Hydraulikflüssigkeit und auf den hydraulischen Zylinder 38d wirkenden Lastkräfte 53 Istwerte 39 der Gelenkwinkel oder einen Istwert der Stellung des hydraulischen Zylinders einzustellen.

Durch die Vorwärtskinematik 40 ergeben sich aus den Istwerten der Gelenkwinkel 39 oder dem Istwert der Geschwindigkeit 39 des hydraulischen Zylinders Istkoordinaten des TCP 41.

Die ein oder mehrere Sensoren 42 sind ausgebildet, diese Istkoordinaten des TCP 41 zu erfassen. Weiter sind die Sensoren ausgebildet, die erfassten Istkoordinaten in elektronisch verarbeitbare Signale 43 zu konvertieren.

Die modellbasierten Filter 44 sind eingerichtet, die elektronisch verarbeitbaren Signale 43 der Sensoren 42 zu analysieren, um Istkoordinaten des TCP 41, Istwerte der Gelenkwinkel 39 oder ein Istwert des Position 39 des hydraulischen Zylinders, und Istwerte der Geschwindigkeiten 45 der Gelenkwinkel oder ein Istwert der Geschwindigkeit 45 des hydraulischen Zylinders zu ermitteln. Die modellbasierten Filter 44 sind weiter eingerichtet, die ermittelten Istkoordinaten des TCP 41 dem Lageregler 38, die ermittelten Istwerte der Gelenkwinkel 39 der Inversen Kinematik 34 und die ermittelten Istwerte der Geschwindigkeiten der Gelenkwinkel 45 dem Geschwindigkeitsregler 36 bereitzustellen. Für die vorstehend beschriebene Regelung wird das künstliche neuronale Netz 10‘ vor Ausführung der Regelung trainiert.

Das künstliche neuronale Netz 10‘ ist eingerichtet, ansprechend auf die Stellgröße 37, die Druckdifferenzen 51 und, eine Differenz 61 zwischen den Istwerten der Gelenkwinkel 39 und den vom künstlichen neuronalen Netz 10‘ ermittelten Gelenkwinkeln 63 oder eine Differenz 61 zwischen dem Istwert der Position 39 des hydraulischen Zylinders und dem Istwert der von dem künstlichen neuronalen Netz 10‘ ermittelten Position 63 des hydraulischen Zylinders maschinell zu lernen. Das künstliche neuronale Netz 10‘ ist also eingerichtet, derart maschinell zu lernen, dass die Differenz 61 möglichst gering, bevorzugt null ist.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung der Häufigkeit einer Position eines Bedienelements eines Baggers abhängig von der Sollgeschwindigkeit eines Hydraulikzylinders des Baggers. Die Darstellung beruht auf beim Betrieb des Baggers erfassten Messdaten.

Auf der Abszisse in Fig. 3 ist eine Stellung bzw. Stellposition x eines als Joystick ausgebildeten Bedienelements aufgetragen. Auf der Ordinate in Fig. 3 ist eine Relativgeschwindigkeit v des hydraulischen Zylinders aufgetragen.

In Graustufen ist eine relative Häufigkeit aufgetragen, mit welcher entsprechende Wertekombinationen von Stellposition x und Relativgeschwindigkeit v bei dem Betrieb des Baggers auftreten. Die Häufigkeit des Auftretens der Wertekombination nimmt in Fig. 3 von schwarz zu weiß bzw. von dunkel zu hell zu. Das heißt, eine Wertekombination ist umso häufiger, je heller der der Wertekombination entsprechende Punkt in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 3 macht deutlich, dass für jeden Stellposition des Joysticks eine dominante Geschwindigkeit mit einer deutlich erhöhten Auftrittswahrscheinlichkeit auftritt, entsprechend den sehr hellen Punkten. Diese Geschwindigkeit kann auch als eine ideale Geschwindigkeit angenommen werden. Um die dominanten Geschwindigkeiten ist ein Bereich bzw. ein Band parallel zur Geschwindigkeitsachse zu erkennen, der bzw. das als eine Form von Streuung interpretiert werden kann. Diese Streuung bzw. dieser Bereich existieren bei einem idealen Bagger nicht. Bei einer idealen Arbeitsmaschine ist jeder Joystickposition eindeutig eine Geschwindigkeit zuzuordnen, während Effekte von Lastkräften mittels der Steuerung entsprechender Pumpen der Arbeitsmaschine optimal kompensiert werden.

In diesem Sinne ist die Breite des Bereiches bzw. des Bandes ein Maß für eine Abweichung des hydraulischen Systems des Baggers von einer idealen Hydraulik. Bevorzugt ist die dominante Geschwindigkeit auch die Geschwindigkeit, die der hydraulischen Zylinder im stationären Zustand erreicht, während in dem transienten Bereich, bspw. während Druckaufbau/Beschleunigungsvorgang, auch andere Geschwindigkeiten auftreten.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines hydraulischen Zylinders einer mobilen Arbeitsmaschine. Das Verfahren ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 versehen.

In Schritt 110 wird ein Sollwert eines Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders mittels einer Steuereinheit der mobilen Arbeitsmaschine empfangen.

In Schritt 120 wird ein Sollwert eines Ventilparameters einer dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit in Abhängigkeit von dem empfangenen Sollwert des Bewegungsparameters ermittelt. Hierbei wird der Sollwert des Ventilparameters unter Verwendung eines datenbasierten Modells, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, und unter Berücksichtigung eines vorgegebenen und/oder vorgebbaren Toleranzbereichs für den Sollwert des Ventilparameters mittels der Steuereinheit ermittelt.

In Schritt 130 wird die dem hydraulischen Zylinder zugeordnete Ventileinheit in Abhängigkeit von dem ermittelten Sollwert des Ventilparameters mittels der Steuereinheit gesteuert, um den hydraulischen Zylinder der mobilen Arbeitsmaschine zu steuern.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.