Titel

Verfahren zum Ablegen eines Werkzeugs einer Baumaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablegen eines Werkzeugs einer Baumaschine auf dem Boden unter Zuhilfenahme einer Tool Center Point Estimation. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Stand der Technik

Eines der grundlegenden Manöver bei vielen Baumaschinen, wie z. B. Bagger, Radlader, Planierraupen und Ähnlichem ist das Ablegen des Werkzeugs der Baumaschine auf dem Boden. Dabei muss das Werkzeug sicher, d. h. ohne dass es kippt oder (ab-)rutscht, und mit möglichst geringer Stoßkraft auf den Boden abgesetzt werden. Gerade für ungeübte Bediener ist dieses Manöver oft schwierig, insbesondere, wenn die Sicht auf das Werkzeug und/oder den Boden behindert ist.

Es sind Algorithmen zur Bestimmung der kinematischen Kette bekannt. An jedem Glied des Werkzeugarms ist hierfür einer oder mehrere der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit (IMU, inertial measuring unit), Winkelsensoren,

Linearsensoren angeordnet, welche Sensordaten an ein Rechengerät senden. Die so ermittelten Sensordaten werden für jeden Sensor individuell gefiltert und zur Zustandsschätzung der Orientierung des jeweiligen Sensors relativ zu einem ortsfesten Inertialkoordinatensystem fusioniert. Ein solcher Algorithmus wird beispielsweise bei der Tool Center Point Estimation verwendet. Die Tool Center Point Estimation ist ein Algorithmus zur Zustandsschätzung von Orientierung und Position eines Endeffektors. Der Endeffektor ist insbesondere ein Werkzeug oder ein Teil eines Werkzeugs, das einen Werkzeugarm mit mehreren Gliedern, die über Gelenke verbunden sind, aufweist.

Typischerweise verwendete Verfahren sind in der Abhandlung von Nikolas Trawny und Stergios I. Roumeliotis. "Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation" University of Minnesota, Dept. of Comp. Sei. & Eng., Tech. Rep 2 (2005), in der Abhandlung von Robert Mahony, Tarek Hamei, und Jean-Michel Pflimlin, "Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group", IEEE Transactions on automatic control 53.5 (2008): 1203-1218, sowie in der

Abhandlung von Sebastian Madgwick, "An efficient Orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays" Report x-io and University of Bristol (U K) 25 (2010), beschrieben, auf die insoweit verwiesen wird.

Aus der so geschätzten Orientierung des Sensors wird zunächst die Orientierung des Glieds, an dem der Sensor angeordnet ist, bestimmt. Dies wird für alle Glieder des Werkzeugarms durchgeführt. Aus der relativen Orientierung zweier aufeinanderfolgender Glieder lässt sich bei bekannter Kinematik (zum Beispiel bei bekannten Denavit-Hartenberg Parametern) der Gelenkwinkel des Gelenks, das die beiden Glieder verbindet, berechnen. Sind schließlich alle Gelenkwinkel und die Maße der Glieder bekannt, folgt die gesamte Konfiguration des

Werkzeugarms direkt aus der Vorwärtskinematik und somit die Orientierung und Position des Endeffektors.

Für eine detaillierte Beschreibung wird auf die Abhandlung von Mark W. Spong, Seth Hutchinson und Mathukumalli Vidyasagar,„Robot modeling and control”, Vol. 3. New York: Wiley, 2006, verwiesen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Verfahren zum Ablegen eines Werkzeugs einer Baumaschine auf dem Boden vorgeschlagen. Als„Ablegen“ wird hierbei der Vorgang verstanden, das Werkzeug zum Boden zu führen, bis die Unterseite des Werkzeugs sicher auf dem Boden aufliegt.

Während des gesamten Verfahrens werden mit Hilfe eines oder mehrerer der folgenden Sensoren inertiale Messeinheit, Winkelsensor, Linearsensor durch einen Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette die Position und die Orientierung der Glieder der kinematischen Kette einschließlich des Werkzeugs relativ zur Baumaschine oder zur Erdgravitation bestimmt. Der Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette basiert auf Sensorsignalen der Sensoren, die wenigstens an dem zumindest einen Teil des Werkzeugs angeordnet sind und bevorzugt an jedem Glied der kinematischen Kette zwischen der

Baumaschine und dem Werkzeug angeordnet sind. Inertiale Messeinheiten lassen sich leicht und kostengünstig nachrüsten und können für andere

Verfahren verwendet werden.

Zudem wird die Orientierung wenigstens eines den Boden berührenden Teils der Baumaschine, welches die Orientierung der Baumaschine relativ zum Boden charakterisiert, relativ zur Erdgravitation bestimmt. Die Orientierung zwischen dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil der Baumaschine und einem die Orientierung der Baumaschine angebenden Teil der Baumaschine ist bekannt oder kann zumindest ermittelt werden. Aufgrund des direkten Kontakts zwischen dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil und der

Oberfläche des Bodens entsprechen sich die beiden Orientierungen zumindest an der Stelle des Kontakts. Da sich die Orientierung der Oberfläche über eine Strecke, die dem Abstand zwischen dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil und dem Werkzeug entspricht, typischerweise nur geringfügig ändert - für den Fall, dass die Baumaschine nicht direkt an einer Klippe steht -, kann die Orientierung der Oberfläche des Bodens am Ablageort des Werkzeugs aus der Orientierung der Oberfläche des Bodens an der Stelle des Kontakts abgeschätzt werden und entspricht folglich im Wesentlichen der Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine.

Bevorzugt wird die Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine über die inertiale Messeinheit und besonders bevorzugt durch den bereits genannten Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette bestimmt. Hierfür wird ein Sensorsignal eines inertialen Sensors der inertialen Messeinheit an der Baumaschine verwendet. Dabei ist der inertiale Sensor an der Baumaschine derart angeordnet, dass die Orientierung zwischen diesem inertialen Sensor und dem wenigstens einen den Boden berührenden Teil der Baumaschine aus der Konstruktion der Baumaschine bekannt ist oder zumindest ermittelt werden kann. Optional kann die Orientierung der Hochachse der Baumaschine relativ zur Erdgravitation bestimmt werden, um die Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der

Baumaschine zu bestimmen.

Insbesondere wird das wenigstens eine den Boden berührende Teil der

Baumaschine durch Räder oder eine Gleiskette realisiert, also Elemente, die zur Fortbewegung der Baumaschine mit dem Boden in Kontakt treten. Im

Allgemeinen kann die Baumaschine auch mit dem wenigstens einen den Boden berührende Teil auf dem Boden stehen; Beispiele hierfür sind eine Stütze oder ein Fuß.

Soll das Werkzeug nun aufgrund eines Befehls eines Bedieners oder aufgrund einer automatischen Steuerung der Baumaschine abgelegt werden, so wird die Bewegung des Werkzeugs unter Einbeziehung der Position und der Orientierung des Werkzeugs und der Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine geregelt. Die Regelung der Bewegung des Werkzeugs beim Ablegen des Werkzeugs wird derart ausgeführt, dass die Unterseite des Werkzeugs, die nach dem Ablegen auf dem Boden aufliegen soll, auf das gleiche Niveau, daher insbesondere auf die gleiche Höhe, und in die gleiche Orientierung wie das wenigstens eine den Boden berührende Teil gebracht wird. Wie bereits beschrieben, entspricht die Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine im

Wesentlichen der Orientierung der Oberfläche des Bodens am Ablageort.

Vorteilhafterweise wird bei der Bestimmung der Orientierung des Werkzeugs die Neigung des Werkzeugs bestimmt und bei der Bestimmung der Orientierung des wenigstens einen den Boden berührenden Teils der Baumaschine die Neigung dieses Teils bestimmt. In diesem Fall kann bei der Regelung zumindest ein Gelenkwinkel eines Gelenks zwischen dem Werkzeug und der Baumaschine so geregelt werden, dass die Unterseite des Werkzeugs waagerecht und/oder - auch für den Fall, dass der Boden nicht waagerecht ist - parallel zum Boden abgelegt wird. Es wird der Gelenkwinkel mit anderen Worten so geregelt, dass die Neigung der Unterseite des Werkzeugs der Neigung des wenigstens einen den Boden berührende Teils der Baumaschine entspricht, die gleichermaßen im Wesentlichen der Neigung der Oberfläche des Bodens am Ablageort entspricht.

Das Ablegen des Werkzeugs ist ein grundlegendes Manöver bei vielen

Baumaschinen. Durch die Regelung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ablegen des Werkzeugs zumindest teilweise automatisiert. Das Ablegen des Werkzeugs kann beispielsweise per Knopfdruck durch den

Bediener ausgelöst werden. Die Automatisierung dieses speziellen Manövers kann unabhängig von einer autonomen Steuerung durchgeführt werden.

Allerdings kann eine autonome Steuerung der Baumaschine auf dieses automatisierte Ablegen des Werkzeugs gemäß dem Verfahren zurückgreifen.

Das automatisierte Ablegen des Werkzeugs bringt unter anderem die folgenden Vorteile für den Bediener: Wenn die Sicht eines Bedieners auf das Werkzeug behindert ist, beispielswiese durch die Baumaschine selbst, ist eine manuelle Steuerung für das Ablegen des Werkezeugs oft schwierig und kann nur von geübten Bedienern ausgeführt werden. Das automatisierte Ablegen des

Werkzeugs gemäß dem Verfahren erleichtert demnach die Bedienung, vor allem für ungeübte Bediener. Wenn eine Arbeitssequenz, bei der das Werkzeug abgelegt wird, stetig wiederholt wird, was beispielsweise bei einem sogenannten Y-Zyklus für ein Aufladen und Abladen z. B. bei einem Radlader der Fall ist, vereinfacht die Automatisierung die Bedienung. Wenn der Bediener das

Fahrzeug abstellt und verlässt, kann das Werkzeug automatisch abgelegt werden, um die Sicherheit zu erhöhen. In diesem Fall ist allerdings

sicherzustellen, dass das Werkzeug an diesem Ort und zu dieser Zeit auch wirklich sicher abgelegt werden kann, ohne Schäden zu verursachen.

Es kann eine Umfeldsensorik an der Baumaschine vorgesehen sein, mit der das Umfeld der Baumaschine erfasst wird. Diese ist oftmals in der Lage, die

Orientierung und das Niveau des Bodens im Umfeld zu erfassen. Folglich ist es unter Zuhilfenahme der Umfeldsensorik möglich, Klippen zu erfassen. Die Daten der Umfeldsensorik können bei der Regelung der Bewegung des Werkzeugs berücksichtigt werden. Generell kann durch dieses Verfahren aber auch auf die Umfeldsensorik verzichtet werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Ablegen des Werkzeugs durch dieses Verfahren genauer geregelt werden kann als durch ein Verfahren nur auf Basis der Umfeldsensorik oder durch ein Verfahren, bei dem eine Änderung des

Hydraulikdrucks ausgewertet wird.

Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren

Speichermedium gespeichert.

Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches

elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, das Ablegen des Werkzeugs zu regeln.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Baumaschine, bei der ein Werkzeug mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem

Anfangszustand (a) auf den Boden abgelegt wird (b).

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Baumaschine 1 in Form eines Radladers mit einem als Schaufel ausgebildeten Werkzeug 2. Das Werkzeug 2 ist über einen Arbeitsarm 3 mit der Baumaschine 1 verbunden, wobei zwischen der Baumaschine 1 und dem Arbeitsarm 3 und zwischen dem Werkzeug 2 und dem Arbeitsarm 3 jeweils ein Gelenk 4 angeordnet ist, das die jeweiligen Komponenten beweglich verbindet. In weiteren nicht gezeigten

Ausführungsbeispielen kann der Arbeitsarm auch mehrgliedrig ausgebildet sein, wobei in diesem Fall zwischen den einzelnen Gliedern ebenfalls jeweils ein Gelenk angeordnet ist. Die Baumaschine 1, der Arbeitsarm 3 und das

Werkezeug 2 bilden eine kinematische Kette. An jedem Glied der kinematischen Kette, daher an der Baumaschine 1, dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 2, ist jeweils ein inertialer Sensor 5, 5‘ einer inertialen Messeinheit angeordnet. Dem inertialen Sensor 5‘, der an der Baumaschine 1 angeordnet ist, kommt hierbei eine spezielle Bedeutung zu (siehe unten) und ist daher mit einem Strich (‘) gekennzeichnet. Die inertialen Sensoren 5, 5‘ sind mit einem elektronischen Steuergerät 6 der Baumaschine 1 verbunden. Die Baumaschine 1 in Form des Radladers weist Räder 7 auf, die über Achsen (nicht gezeigt) mit der

Baumaschine 1 verbunden sind und den Boden 8 berühren. In weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsformen ist die Baumaschine 1 z. B. in Form einer

Planierraupe ausgebildet, bei der anstelle der Räder eine Gleiskette den Boden berührt. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Baumaschine 1 mit einer Stütze oder eine Fuß den Boden berühren, beispielsweise wenn die

Baumaschine 1 eine stationäre Baumaschine 1 ist oder in einem Arbeitsmodus aufgestützt wird.

In Figur 1 sind zwei Zustände a) und b) dargestellt, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden. Im Anfangszustand a) ist das Werkzeug 2 noch angehoben. Im Endzustand b) liegt das Werkzeug 2 auf demselben Niveau wie die Unterseite der Räder 7 und die Orientierung des Werkzeugs 2 entspricht der Orientierung des Bodens 8, sodass das Werkzeug 2 auf dem Boden 8 abgelegt ist. Die Gelenke 4 sind in den beiden Zuständen unterschiedlich ausgerichtet.

In Figur 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zu Beginn und während des ganzen Verfahrens wird die Orientierung, insbesondere die Neigung, und die Position des Werkzeugs 2 und des Arbeitsarms 3 relativ zur Baumaschine 1 oder zur Erdgravitation mit Hilfe der inertialen Sensoren 5, 5‘ an der Baumaschine 1, dem Arbeitsarm 3 und dem Werkzeug 5 durch einen Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kettebestimmt 10. Hierfür werden die Sensordaten der inertialen Sensoren 5, 5‘ entlang der kinematischen Kette verwendet. Aus der Orientierung bzw. der Neigung und der Position des Werkzeugs 2 und des Arbeitsarms 3 werden dann mittels sogenannter Denavit-Hartenberg Parametern (siehe beispielsweise Spong et al.„Robot modeling and control”, Vol. 3. New York: Wiley, 2006) aktuelle Ist-Gelenkwinkel Di _St für die Gelenke 4 ermittelt 11. Ebenfalls zu Beginn werden die die Aufstandspunkte der Räder 7 relativ zur Erdgravitation bestimmt 20, welche im Wesentlichen der Orientierung der Oberfläche des Bodens 8 repräsentieren. Bevorzugt kann die Orientierung des inertialen Sensors 5‘, der an der Baumaschine 1 angeordnet ist, mittels eines Teils desselben Algorithmus zur Bestimmung der kinematischen Kette werden, bei der nur die Sensordaten dieses inertialen Sensors 5‘ verwendet werden. Bei dem hier gezeigten Radlader besteht ein fester Zusammenhang zwischen den

Aufstandspunkten der Räder 7 und der Orientierung dieses inertialen Sensors 5‘, sodass aus der Orientierung des inertialen Sensors 5‘ auf die Aufstandspunkte der Räder 7 und somit auf die Orientierung des Bodens 8 geschlossen werden kann.

Wird das Ablegen des Werkzeugs 2 durch einen Bediener aktiviert 30, beispielsweise indem er einen dafür vorgesehenen Knopf betätigt, so wird die Ausrichtung des Werkzeugs 2 im Inertialsystem, d. h. die Neigung gegenüber der Erdgravitation ermittelt 40. Dann werden aus der Ausrichtung des Werkzeugs 2 im Inertialsystem und den Aufstandspunkten der Räder 7 Soll-Gelenkwinkel D _SO II ermittelt 41.

In einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel werden, wenn das Ablegen des Werkzeugs 2 durch einen Bediener aktiviert wird 30,

Bewegungstrajektorien für das Werkzeug 2 ermittelt. Bei den

Bewegungstrajektorien werden Bahnkurven in den Koordinaten eines

körperfesten Koordinatensystems beschrieben. Dazu wird die Position des Werkzeugs 2 in den Koordinaten der Baumaschine 1 angegeben. Aus diesen Bewegungstrajektorien werden dann Soll-Gelenkwinkel D _SO II ermittelt.

Schließlich ist eine Regelung 50 zum Ablegen des Werkzeugs 2 auf den Boden 8 vorgesehen, bei die Ist-Gelenkwinkel D,st auf die Soll-Gelenkwinkel D _SO II geregelt werden, sodass die Unterseite des Werkzeugs 2 parallel zur Ebene der

Aufstandspunkte der Räder 7 und somit parallel zum Boden 8, daher in diesem Ausführungsbeispiel waagerecht, auf das gleiche Niveau, d. h. die gleiche Höhe, wie die Ebene der Aufstandspunkte der Räder 7 gebracht wird.