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Title:
METHOD FOR DETERMINING AN ANGLE OF A TOOL OF A MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/021059
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a method for determining an angle of a tool of a machine, the machine having an undercarriage and a superstructure which can be rotated relative thereto, the tool being fastened to the superstructure via a revolute joint such that the axis of rotation of the revolute joint is orthogonal to the axis of rotation of the rotatable superstructure, the tool being provided with an IMU, i.e. an inertial measurement unit, which is designed to sense an angular velocity in three dimensions (x, y, z) which are preferably perpendicular to one another, and a first of the three dimensions (y), the angular velocity (I) of which can be sensed by the IMU, being parallel to the axis of rotation of the revolute joint. The method is characterised in that an angular velocity (II) occurring during rotation of the superstructure is sensed by the IMU, and an angle of the tool relative to the axis of rotation of the superstructure is determined on the basis of the sensed superstructure angular velocity (II).

Inventors:
JAEGY ADRIEN (FR)
Application Number:
PCT/EP2019/070168
Publication Date:
January 30, 2020
Filing Date:
July 26, 2019
Export Citation:
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Assignee:
LIEBHERR MINING EQUIPMENT COLMAR SAS (FR)
International Classes:
E02F3/30; E02F3/32; E02F3/345; E02F3/43; E02F9/26; G01B1/00; G01C21/16
Foreign References:
US20160237655A12016-08-18
EP3235961A12017-10-25
US20140168009A12014-06-19
DE102016014759A12018-06-14
US20170321395A12017-11-09
US20180171580A12018-06-21
US20170218595A12017-08-03
US20090312974A12009-12-17
US9618338B22017-04-11
AR104232A12017-07-05
Attorney, Agent or Firm:
LAUFHÜTTE, DIETER / LORENZ SEIDLER GOSSEL (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen eines Winkels eines Arbeitsgeräts (2) einer Maschine (1 ), wobei

die Maschine (1 ) einen Unterwagen (3) und einen dazu drehbaren Oberwagen (4) aufweist,

das Arbeitsgerät (2) über ein Drehgelenk an dem Oberwagen (4) derart befestigt ist, dass die Drehachse (5) des Drehgelenks (6) orthogonal zur Drehachse (7) des drehbaren Oberwagens (4) ist,

das Arbeitsgerät (2) mit einer IMU (8), d.h. einer inertialen Messeinheit, versehen ist, die dazu ausgelegt ist, eine Winkelgeschwindigkeit in drei Raumrichtungen (x, y, z) zu erfassen, die vorzugsweise senkrecht zueinander sind, und

eine erste der drei Raumrichtungen (y), deren Winkelgeschwindigkeit (Öy) durch die IMU (8) erfassbar ist, parallel zur Drehachse (5) des Drehgelenks (6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass

eine bei einer Drehung des Oberwagens (4) auftretende

Winkelgeschwindigkeit ( qϊz ) durch die IMU (8) erfasst wird, und

ein Winkel des Arbeitsgeräts (2) relativ zur Drehachse (7) des Oberwagens (4) auf Grundlage der erfassten Oberwagen-Winkelgeschwindigkeit ( qϊz ) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die bei einer Drehung des Oberwagens (4) auftretende Winkelgeschwindigkeit (9tz) Niederschlag in den Winkelgeschwindigkeiten (qc, 9Z) der beiden Raumrichtungen (x, z) der IMU (8) findet, die zu der ersten der drei Raumrichtungen (y) verschieden sind, und der Winkel des Arbeitsgeräts (2) hieraus bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die beiden Winkelgeschwindigkeiten ( 9X , 9Z) der IMU (8) für die Raumrichtungen, die zu der ersten der drei Raumrichtungen verschieden sind, als Argumente für die mathematische Funktion atan2 verwendet werden, um den Winkel des Arbeitsgeräts (2) zu bestimmen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel des Arbeitsgeräts (2) unter Verwendung der Formel: aG = atan2 ( sign(ßt z) qc ; sign(ßt z) qz ) bestimmt wird, wobei

aG der Winkel des Arbeitsgeräts (2) relativ zu einer Drehrichtungsachse des Oberwagens (4) ist,

9tz die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens (4) ist,

9X die von der IMU (8) erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten der drei Raumrichtungen ist, und

9Z die von der IMU (8) erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer dritten der drei Raumrichtungen ist. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel des

Arbeitsgeräts (2) nur dann auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit ( qϊz ) einer Drehung des Oberwagens (4) bestimmt wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit ( qϊz ) oberhalb eines Schwellenwerts (B) liegt. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit

( 9tz ) einer Drehung des Oberwagens (4) unterhalb des Schwellenwerts (B) oder auf dem Schwellenwert (B) liegt, der Winkel des Arbeitsgeräts (2) über ein alternatives Verfahren bestimmt wird, vorzugsweise auf Grundlage von einer durch die IMU (8) erfassten Winkelbeschleunigung. 7. Maschine (1 ), insbesondere ein Bagger, umfassend:

einen Unterwagen (3),

einen gegenüber dem Unterwagen (3) drehbaren Oberwagen (4),

ein Arbeitsgerät (2), das über ein Drehgelenk (6) an dem Oberwagen (4) derart befestigt ist, dass die Drehachse (5) des Drehgelenks (6) orthogonal zur Drehachse (7) des drehbaren Oberwagens (4) ist, und

eine IMU (8), d.h. eine inertiale Messeinheit, die an dem Arbeitsgerät (2) vorgesehen ist und dazu ausgelegt ist, eine Winkelgeschwindigkeit in drei Raumrichtungen (x, y, z) zu erfassen, wobei

eine erste der drei Raumrichtungen (y), deren Winkelgeschwindigkeit (Öy) durch die IMU (8) erfassbar ist, parallel zur Drehachse (5) des Drehgelenks (6) ist, gekennzeichnet durch

eine Winkelbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Winkels des Arbeitsgeräts (2) relativ zur Drehachse (7) des Oberwagens (4), wobei

die Winkelbestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Winkel des Arbeitsgeräts (2) auf Grundlage der durch die IMU (8) erfasste, bei einer Drehung des Oberwagens (4) auftretende Winkelgeschwindigkeit ( qϊz ) zu bestimmen.

8. Maschine (1 ) nach Anspruch 7, wobei die von der IMU (8) erfassten Raumrichtungen orthogonal zueinander sind.

9. Maschine (1 ) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die bei einer Drehung des Oberwagens (4) auftretende Winkelgeschwindigkeit ( qϊz ) Niederschlag in den Winkelgeschwindigkeiten ( qc , qz) der beiden Raumrichtungen (x, z) der IMU (8) findet, die zu der ersten der drei Raumrichtungen (y) verschieden sind, und die Winkelbestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Winkel des Arbeitsgeräts (2) hieraus zu bestimmen.

10. Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Winkelbestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, die beiden Winkelgeschwindigkeiten (qc, qz) für die Raumrichtungen (x, z), die zu der ersten der drei Raumrichtungen (y) verschieden sind, als Argumente für die mathematische Funktion atan2 zu verwenden, um den Winkel des Arbeitsgeräts (2) zu bestimmen, vorzugsweise unter Verwendung der Formel:

aG = atan2 ( sign(ßtz ) qc ; sign(ßtz ) qz), wobei aG der Winkel des Arbeitsgeräts (2) relativ zu einer Drehrichtungsachse des Oberwagens (4) ist,

q z die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens (4) ist, qc die von der IMU (8) erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten der drei Raumrichtungen ist, und

qz die von der IMU (8) erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer dritten der drei Raumrichtungen ist.

11. Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Winkelbestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Winkel des Arbeitsgeräts (2) nur dann auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit (0tz) einer Drehung des Oberwagens (4) zu bestimmen, wenn die Winkelgeschwindigkeit (0tz) oberhalb eines Schwellenwerts liegt, und dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit (0tz) einer Drehung des Oberwagens (4) unterhalb des Schwellenwerts (B) oder auf dem Schwellenwert (B) liegt, den Winkel des Arbeitsgeräts (2) über ein alternatives Verfahren zu bestimmen, vorzugsweise auf Grundlage von einer durch die IMU (8) erfassten Beschleunigung.

12. Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , wobei die Maschine (1 ) ein Bagger (9) ist und das Arbeitsgerät (2) ein Baggerarm (10), der einen Baggerlöffel (11 ), einen Baggerstiel (12) und einen Baggerausleger (13) aufweist, wobei die IMU (8) an mindestens einem der Bestandteile des Baggerarms (10) angeordnet ist, um einen Winkel des entsprechenden Bestandteils des Baggerarms (10) zu bestimmen.

13. Maschine (1 ) nach Anspruch 12, wobei am Oberwagen (4), am Baggerlöffel (11 ), am Baggerstiel (12) und am Baggerausleger (13) jeweils eine IMU (8) vorgesehen ist, die vorzugsweise über eine Datenleitung mit der Winkelbestimmungseinheit verbunden sind.

14. Maschine (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Bestandteile des Baggerarms (10) über Drehgelenke miteinander verbunden sind, deren Drehachsen parallel zueinander sind und somit alle senkrecht auf die Drehachse (7) einer Oberwagen-Drehung stehen.

15. Maschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 14, wobei die Winkelbestimmungseinheit Teil eines elektronischen Steuergeräts ist, das in Verbindung mit der Steuerung der Maschine (1 ) steht.

Description:
Verfahren zum Bestimmen eines Winkels eines Arbeitsgeräts einer Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels eines Arbeitsgeräts einer Maschine, sowie eine entsprechende Maschine. Für Arbeitsmaschinen, insbesondere für Bagger, ist es von Vorteil, wenn sie den Winkel eines Arbeitsgeräts bspw. die Winkel der Baggerarmelemente exakt bestimmen können. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Wege bekannt, einen solchen Winkel zu bestimmen, jedoch ist keine davon sowohl robust, preiswert, präzise und leicht zu integrieren. In diesem Zusammenhang ist es auch wünschenswert, wenn eine Umsetzung zum Bestimmen eines Winkels, eines Arbeitsgeräts auch leicht nachrüstbar ist.

Die Winkelberechnung mit Hilfe von Inertialeinheiten (IMU, englisch: Inertial Measurement Unit) erfüllt dabei nicht alle der vorgenannten Kriterien, da deren Genauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten nachlässt. Zudem wirken für Arbeitsmaschinen, insbesondere für Bagger, besondere Einflüsse, sodass nicht einfach inertiale Navigationssysteme, wie sie beispielsweise bei Fluggeräten oder auch in PKWs genutzt werden, verwendet werden können.

Typischerweise wird dennoch auf eine IMU, eine inertiale Messeinheit, zurückgegriffen, die dann verwendet wird, eine Beschleunigung entlang von drei Achsen zu messen. Die Gravitationskraft stellt dabei eine vertikale Beschleunigung dar und kann daher mittels einer IMU gemessen werden. Betrachtet man die Lage dieser Gravitationskraft aus ihrer Projektion auf die drei Achsen des Beschleunigungsmessers, ist es möglich, den Winkel der IMU in Bezug auf eine Vertikale abzuleiten. Ein solches Vorgehen ist beispielsweise in der US 9618338 B2 beschrieben. Daher ist es durch das Installieren von IMUs auf dem Arbeitsgerät möglich, den Winkel des Arbeitsgeräts mehr oder weniger exakt zu bestimmen.

Problematisch hieran ist, dass sobald eine Bewegung auftritt, beispielsweise eine Oberwagenrotation eines Baggers oder einer anderen Baumaschine,

Zentrifugalkräfte zu den durch die IMU gemessenen Beschleunigungen hinzukommen. Daher ist die Berechnung des Winkels fehlerhaft, da die projizierte Kraft nicht länger lediglich vertikal ist, sondern eine Kombination der Gravitationskraft und der Zentrifugalkräfte darstellt. Um diese Effekte zu kompensieren ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein geometrisches Modell der Maschine beziehungsweise des Baggers zu nutzen, um in Echtzeit die Zentrifugalkräfte an den Sensoren zu schätzen und diese beim Berechnen der Orientierung der vertikalen Gravitationskraft zu berücksichtigen. Ein solches Vorgehen ist beispielsweise in der AR 10 4232 A1 offenbart, das zwar relativ verlässliche Ergebnisse ergibt, jedoch nur zu dem Preis, dass man das geometrisches Modell der Maschine, beziehungsweise des Baggers, mit all seinen Längen, Abständen sowie der Positionen der mehreren IMUS erstellen und simulieren muss. Zudem erfordert diese Lösung eine mehr oder weniger komplexe Kalibrierphase.

Weiter ist aus dem Stand der Technik auch bekannt, die dynamischen Effekte (Zentrifugalkraft etc.) herauszufiltern, beispielsweise unter Verwendung eines Kalman-Filters oder einer Kombination eines Hoch- und eines Tiefpassfilters. Dadurch lassen sich die dynamischen Effekte auf Grund einer Bewegung des Arbeitsgeräts beziehungsweise des Fahrzeugs abschwächen. Diese Umsetzung führt jedoch nicht in allen Fällen zu der gewünschten genauen Lösung. Darüber hinaus sind sämtliche am Markt verfügbaren Verfahren so ausgebildet, dass sie eine initiale Kalibrierung erfordern, die zusätzliche Ressourcen in Anspruch nimmt.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass existierende Verfahren darauf gerichtet sind, die unerwünschten Effekte der Zentrifugalkräfte, insbesondere bei einer Rotation eines Oberwagens, abzuschwächen, um das verwendete Messprinzip in seiner Genauigkeit zu stärken.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Winkelbestimmung eines Arbeitsgeräts bereitzustellen, die die oben aufgeführten Nachteile überwindet. Dies gelingt mit einem Verfahren, das sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist oder eine Maschine, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 9 besitzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels eines Arbeitsgeräts einer Maschine, insbesondere eines Baggers, wobei die Maschine einen Unterwagen und einen dazu drehbaren Oberwagen aufweist, das Arbeitsgerät über ein Drehgelenk an dem Oberwagen derart befestigt ist, dass die Drehachse des Drehgelenks orthogonal zur Drehachse des drehbaren Oberwagens ist, das Arbeitsgerät mit einer IMU, das heißt einer inertialen Messeinheit, versehen ist, die dazu ausgelegt ist, eine Winkelgeschwindigkeit in drei Raumrichtungen zu erfassen, die vorzugsweise senkrecht zueinander sind, und eine erste der drei Raumrichtungen, deren Winkelgeschwindigkeit durch die IMU erfassbar ist, parallel zur Drehachse des Drehgelenks ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine bei einer Drehung des Oberwagens auftretende Winkelgeschwindigkeit durch die IMU erfasst wird, und ein Winkel des Arbeitsgeräts relativ zur Drehachse des Oberwagens auf Grundlage der erfassten Winkelgeschwindigkeit des Oberwagens bestimmt wird. Im Unterschied zu den vorbekannten Ansätzen zum Bestimmen des Winkels des Arbeitsgeräts versucht die vorliegende Erfindung die Effekte einer Drehung des Oberwagens nicht zu unterdrücken, sondern nutzt deren Charakteristika zur Winkelbestimmung.

Bei näherer Betrachtung ist die Drehung des Oberwagens eine Winkelgeschwindigkeit die konstant nach oben (oder nach unten) zeigt, wenn man den Blickpunkt der Maschine, beziehungsweise des Baggers annimmt. Die Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise der Vektor der Winkelgeschwindigkeit steht dabei immer senkrecht zu der durch die Rotation des Oberwagens definierten Ebene. Die Gyrometer der IMU, also diejenigen Vorrichtungen, die die Winkelgeschwindigkeit für eine jeweilige Raumrichtung erfassen, sind dabei so angeordnet, dass zwei von ihnen orthogonal zur Drehachse des Drehgelenks des Arbeitsgeräts sind. Schließlich ist eine erste der drei Raumrichtungen, deren Winkelgeschwindigkeit durch die IMU erfasst wird, parallel zur Drehachse des Drehgelenks, sodass sich die anderen beiden Raumrichtungen orthogonal dazu befinden müssen. Mit Hilfe der beiden zur Drehachse orthogonal angeordneten Raumrichtungen, deren Winkelgeschwindigkeit mit Hilfe des IMUs erfasst werden kann, kann man nun die Projektion der Winkelgeschwindigkeit, die durch eine Drehung des Oberwagens hervorgerufen wird, präzise messen. Es ist daher möglich, den Winkel eines Arbeitsgeräts, an dem eine IMU montiert ist, in Bezug auf die Drehachse des Oberwagens unter Verwendung der gemessenen Winkelgeschwindigkeiten präzise zu bestimmen. Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung findet die bei einer Drehung des Oberwagens auftretende Winkelgeschwindigkeit Niederschlag in den Winkelgeschwindigkeiten der beiden Raumrichtungen der IMU, die zu der ersten der drei Raumrichtungen verschieden sind, sodass hieraus der Winkel des Arbeitsgeräts bestimmt werden kann.

Vorzugsweise sind die beiden Winkelgeschwindigkeiten der IMU für die Raumrichtungen, die zu der ersten der drei Raumrichtungen verschieden sind, als Argumente für die mathematische Funktion atan2 heranzuziehen, um den Winkel des Arbeitsgeräts zu bestimmen. Die Funktion atan2, auch genannt arctan2 ist eine Erweiterung der inversen Winkelfunktion Arkustangens und nimmt zwei reelle Zahlen als Argumente, sodass sie im Gegensatz zum normalen Arkustangens genügend Informationen hat, um den Funktionswert in einem Wertebereich von 360 Grad ausgeben zu können. Denknotwendigerweise ist damit also auch von der Erfindung erfasst, dass die Winkelgeschwindigkeiten zur Bestimmung des Winkels einer fallabhängigen Arkustangensfunktion unterzogen werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel des Arbeitsgeräts unter Verwendung der Formel: a G = atan2 ( sign(ßt z ) q c ; sign(ßt z ) q z ) bestimmt wird, wobei a G der Winkel des Arbeitsgeräts relativ zu einer Drehrichtungsachse des Oberwagens ist, 0t z die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens ist, q c die von der IMU erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten der drei Raumrichtungen ist, und q z die von der IMU erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer dritten der drei Raumrichtungen ist. Darüber hinaus kann nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Winkel des Arbeitsgeräts nur dann auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens bestimmt wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit oberhalb eines Schwellenwerts liegt. Weiter kann vorgesehen sein, dass dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens unterhalb des Schwellenwerts oder auf dem Schwellenwert liegt, der Winkel des Arbeitsgeräts über ein alternatives Verfahren bestimmt wird, vorzugsweise auf Grundlage von einer durch die IMU erfassten Beschleunigung. Zudem kann vorgesehen sein, dass eine Gewichtung zum Bestimmen des Winkels des Arbeitsgeräts vorgesehen sein, und eine Bestimmung auf Grund der Winkelgeschwindigkeit mit einem Gewichtungsfaktor versehen ist, der in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens variiert. So kann beispielsweise der Gewichtungsfaktor einen großen Wert annehmen, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Oberwagens groß ist und niedrig sein, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Oberwagens gering ist. Die Erfindung umfasst ferner eine Maschine, aufweisend: einen Unterwagen, einen gegenüber dem Unterwagen drehbaren Oberwagen, ein Arbeitsgerät, das über ein Drehgelenk an den Oberwagen derart befestigt ist, dass die Drehachse des Drehgelenks orthogonal zur Drehachse des drehbaren Oberwagens ist, und eine IMU, das heißt eine inertiale Messeinheit, die in dem Arbeitsgerät vorgesehen ist und dazu ausgelegt ist, eine Winkelgeschwindigkeit in drei Raumrichtungen zu erfassen, wobei eine erste der drei Raumrichtungen, deren Winkelgeschwindigkeit durch die IMU erfassbar ist, parallel zur Drehachse des Drehgelenks ist. Die Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass eine Winkelbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Winkels des Arbeitsgeräts relativ zur Drehachse des Oberwagens vorgesehen ist, wobei die Winkelbestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Winkel des Arbeitsgeräts auf Grundlage der durch die IMU erfasste, bei einer Drehung des Oberwagens auftretende Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen.

Analog zum Gegenstand des Anspruchs 1 wird wieder der Kniff ausgenutzt, dass der Vektor der Winkelgeschwindigkeit orthogonal zur der durch die Drehung definierten Ebene ist, sodass derjenige Winkelgeschwindigkeitssensor, der die Raumrichtung erfasst, die parallel zur Drehachse des Drehgelenks ist, bei einer Drehung des Oberwagens keinen Ausschlag verzeichnet. Dies liegt darin begründet, da die Drehachse als auch die dazu parallel verlaufende Raumrichtung senkrecht zur Drehachse des drehbaren Oberwagens angeordnet sind. Im Ergebnis wird also die Winkelgeschwindigkeit, die sich durch ein Drehen des Oberwagens ergibt, in den zwei anderen Winkelgeschwindigkeitssensoren der anderen Raumrichtungen abgebildet, sodass eine Lage der IMU und des damit fest verbundenen Arbeitsgeräts abgeleitet werden kann.

Vorzugsweise wird klargestellt, dass die von der IMU erfassten Raumrichtungen orthogonal zueinander sind.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung findet die bei einer Drehung des Oberwagens auftretende Winkelgeschwindigkeit Niederschlag in den Winkelgeschwindigkeiten der beiden Raumrichtungen der IMU, die zu der ersten der drei Raumrichtungen verschieden sind, wobei die Winkelbestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Winkel des Arbeitsgeräts hieraus zu bestimmen.

Vorzugsweise ist die Winkelbestimmungseinheit der Maschine dazu ausgelegt, die beiden Winkelgeschwindigkeiten für die Raumrichtungen, die zu der ersten der drei Raumrichtungen verschieden sind, als Argumente für die mathematische Funktion atan2 zu verwenden, um den Winkel des Arbeitsgeräts zu bestimmen. Nach einer bevorzugten Umsetzung geschieht dies unter Heranziehung der Formel: a G = atan2 ( sign(ßt z ) q c ; sign(ßt z ) q z ), wobei a G der Winkel des Arbeitsgeräts relativ zu einer Drehrichtungsachse des Oberwagens ist, qϊ z die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens ist, q c die von der IMU erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten der drei Raumrichtungen ist, und q z die von der IMU erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer dritten der drei Raumrichtungen ist.

Ferner kann Vorgehen sein, dass die Winkelbestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Winkel des Arbeitsgeräts nur dann auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens zu bestimmen, wenn die Winkelgeschwindigkeit oberhalb eines Schwellenwerts liegt, und dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens unterhalb des Schwellenwerts oder auf dem Schwellenwert liegt, den Winkel des Arbeitsgeräts über ein alternatives Verfahren zu bestimmen, vorzugsweise auf Grundlage von einer durch die IMU erfassten Beschleunigung.

Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist die Maschine ein Bagger und das Arbeitsgerät ein Baggerarm, der einen Baggerlöffel, einen Baggerstiel und einen Baggerausleger aufweist, wobei die IMU an mindestens einem der Bestandteile des Baggerarms angeordnet ist, um einen Winkel des jeweiligen Bestandteils des Baggerarms zu bestimmen. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass am Oberwagen, am Baggerlöffel, am Baggerstiel und am Baggerausleger jeweils eine IMU vorgesehen ist, die vorzugsweise über eine Datenleitung mit der Winkelbestimmungseinheit verbunden sind. Diese Winkelbestimmungseinheit kann dann dazu ausgelegt sein, den Winkel jedes über eine eigene IMU verfügenden Elements zu berechnen beziehungsweise herzuleiten.

Nach einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung sind die Bestandteile des Baggerarms über Drehgelenke miteinander verbunden, deren Drehachsen parallel zueinander sind und somit alle senkrecht auf die Drehachse einer Oberwagendrehung stehen.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Winkelbestimmungseinheit Teil eines elektronischen Steuergeräts ist, das in Verbindung mit der Steuerung der Maschine steht.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Maschine mit einem

Arbeitsgerät, das mit einer IMU versehen ist, Fig. 2: eine Seitenansicht eines Minenbaggers mit unterschiedlichen Anordnungsposition verschiedener IMUs, und

Fig. 3: eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens einem abstrakten Schaubild.

Fig. 1 zeigt dabei eine schematische Darstellung der Erfindung. Man erkennt die Maschine 1 , die schematisch nur durch den Oberwagen 4 und ein daran befestigtes Arbeitsgerät 2, beispielsweise ein Baggerausleger, dargestellt ist.

An dem Baggerausleger 2 ist fest daran eine IMU 8 montiert, die eine Winkelgeschwindigkeit in drei Raumrichtungen erfassen kann. Diese drei Raumrichtungen sind orthogonal zueinander, wobei eine der drei Raumrichtungen parallel zur Drehachse 5 des Drehgelenks 6 ist, mit dem das Arbeitsgerät 2 an dem Oberwagen 4 der Maschine 1 schwenkbar angeordnet ist. Das Drehgelenk 6 kann dabei einem Scharniergelenk entsprechen. Rotiert nun der Oberwagen 4 um die in der Figur 1 dargestellten Drehachse 7 mit der Geschwindigkeit (0t z ), so führt dies zu einer Winkelgeschwindigkeit, deren Vektor parallel zur Drehachse 7 orientiert ist. Der entsprechende Vektor kann selbstverständlich auch gegenläufig zu dem Pfeil der Drehachse 7 verlaufen. Die IMU Gyrometer, also diejenigen Elemente, die die Winkelgeschwindigkeit erfassen, welche orthogonal zu der Drehachse 5 des Drehgelenks 6 angeordnet sind, können dann die Projektionen der Winkelgeschwindigkeit präzise messen. Vorwiegend geschieht dies mit Hilfe der Winkelgeschwindigkeiten ( q c , q z ). Es ist daher möglich, den Winkel eines Arbeitsgeräts beziehungsweise einer mit dem Arbeitsgerät fest verbundenen IMU 8 zu bestimmen, in dem auf die Drehachse des Oberwagens 4 unter Fieranziehung dieser beiden Geschwindigkeiten ( q c , q z ) Bezug genommen wird. In der einfachsten Umsetzung kann die Berechnung gebildet werden durch: a G = atan2 ( sign(ßt z ) q c ; sign(ßt z ) q z ) bestimmt wird, wobei a G der Winkel des Arbeitsgeräts relativ zu einer Drehrichtungsachse des Oberwagens ist, qϊ z die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens ist, q c die von der IMU erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten der drei Raumrichtungen ist, und q z die von der IMU erfasste Winkelgeschwindigkeit in einer dritten der drei Raumrichtungen ist.

Das Vorgehen ist ziemlich ähnlich zu einem Verfahren zum Auffinden der Schwerkraft in den Beschleunigungsmessungen, jedoch werden hier nicht dieselben physikalischen Werte beobachtet, da es vorliegend das Ziel ist, die Drehgeschwindigkeit des Oberwagens in den Gyrometermessungen zu finden. Dieser Ansatz wurde in keinem bis zum Anmeldetag verfügbaren Stand der Technik verfolgt.

Vorteilhaft ist dies, da es keine parasitären Geschwindigkeiten gibt, die die Berechnungen stören können. Dies liegt darin begründet, da die Drehgeschwindigkeit des Oberwagens senkrecht zu dem Drehgelenk 6 eines Arbeitsgeräts 2 ist. Zudem werden die Gyrometer nicht durch Schläge und Vibrationen gestört, sodass ein Auslesen der relevanten Daten einfacher erfolgen kann als ein Auslesen von Beschleunigungen und demnach auch weniger Filterung bedarf.

Während eines Arbeitszyklus der Maschine ist es mit der Erfindung demnach möglich, die Winkel des Arbeitsgeräts unter Heranziehung der vorliegend erklärten Idee präzise zu bestimmen, unabhängig von irgendwelchen dynamischen Geschwindigkeiten in Bezug auf das Drehgelenk 6 des Arbeitsgeräts 2.

Um auch einen Winkel des Arbeitsgeräts 2 bestimmen zu können, wenn der Oberwagen 4 keine Drehung ausführt, ist es erforderlich, einen Fusionsalgorithmus für mehrere Datenquellen vorzusehen, der einen Winkel zum einen aus Beschleunigungsmesseinheiten (herkömmliche Art der Winkelbestimmung) und zum anderen aus Gyrometern, also Winkelgeschwindigkeitsmesseinheiten bestimmt, wenn es eine Oberwagenrotationsgeschwindigkeit gibt. Zudem kann eine gyroskopische Integration von kollinearen Gyrometern an den Drehgelenken beziehungsweise dem Drehgelenk 6 vorgesehen seien.

Dabei ist eine von mehreren Möglichkeiten zur Umsetzung in Fig. 3 dargestellt, wobei die Drehgeschwindigkeit des Oberwagens mit einem Schwellenwert B verglichen wird und wenn die Geschwindigkeit unterhalb eines Schwellenwerts liegt, die Berechnung eines Rohwinkels a B nach herkömmlicher Art und Weise aus den Beschleunigungsmesseinheiten vollzogen wird, und dann, wenn die Geschwindigkeit den Schwellenwert übertrifft oder erreicht, der Rohwinkel a B aus den Gyrometern berechnet wird. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Rohwinkel a B mit Hilfe eines kollinearen Gyrometers an dem Drehgelenk geglättet wird. Ist zum Beispiel a(t) der zum Zeitpunkt t erhaltene Winkel, so kann der Winkel zum Zeitpunkt a (t + 1) mit a(t ) + ä t + c(- l) x berechnet werden, wobei ä die relative Winkelgeschwindigkeit, A t der Zeitschritt, c ein Koeffizient und x = 0 ist, falls der vorhergehende Winkel kleiner als der Rohwinkel a B ist, oder x = 1 ist, falls das Gegenteil der Fall ist.

Eine komplette Umsetzung findet sich in Fig. 3, bei der eine Umschalteinheit 10 die Grundlage zur Berechnung des Winkels in Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer Drehung des Oberwagens ändert. In der dargestellten Stellung der Umschalteinheit 10 wird der Winkel auf Grundlage der Beschleunigung in herkömmlicher Art und Weise berechnet. Alternativ dazu ist es möglich, den Winkel mit Hilfe der Geschwindigkeiten zu berechnen, wobei dies nur dann gemacht wird, wenn die Oberwagenrotation eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat. 0p y stellt dabei die durch die. IMU gemessene Winkelgeschwindigkeit dar, die in einer kinematischen Kette vorläuft.

Ein komplettes System, das die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, kann sich dabei wie in Fig. 2 dargestellt zusammensetzen. Eine IMU ist sowohl an dem Baggerlöffel 11 , als auch an dem Baggerstiel 12, und auch an dem Baggerausleger 13 vorgesehen. Eine weitere IMU 8 ist auch an dem Oberwagen 4 vorgesehen. Diese vier IMUs senden ihre Rohdaten (Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten) an eine elektronische Einheit (ECU), die die Algorithmen zum Berechnen der Relativwinkel zwischen jeden Teil des Baggerarms beziehungsweise des Oberwagens enthält. Dies bedeutet, eine Berechnung des Baggerlöffelwinkels, des Baggerstielwinkels, des Baggerauslegerwinkels und einen Oberwagenneigungs- sowie einen Oberwagenrollwinkel. Die elektronische Steuereinheit ECU kann auch all die mit diesen Winkeln verknüpften Relativgeschwindigkeiten berechnen. Ferner kann vorgesehen sein, dass diese Steuereinheit mit einer Baggerelektronik in einer Kommunikationsverbindung steht, die über einen geeigneten Bus sämtliche Daten bereitstellt. In der Zeichnung ist dies mit einer Steuerbox (Steering) dargestellt.