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DE102005024676A1 - System for position detection and control for working arms of mobile working machines - Google Patents

System for position detection and control for working arms of mobile working machines Download PDF

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DE102005024676A1
DE102005024676A1 DE102005024676A DE102005024676A DE102005024676A1 DE 102005024676 A1 DE102005024676 A1 DE 102005024676A1 DE 102005024676 A DE102005024676 A DE 102005024676A DE 102005024676 A DE102005024676 A DE 102005024676A DE 102005024676 A1 DE102005024676 A1 DE 102005024676A1
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Markus Dr. Kliffken
Sorn Dr. Stoll
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Bosch Rexroth AG
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Bosch Rexroth AG
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Abstract

Ein System zur Lageerfassung und -regelung für an Arbeitsarmen (2) mobiler Arbeitsmaschinen (1) angeordnete Arbeitseinrichtungen (3) umfaßt zumindest einen Sensor (4) und eine Sende-/Empfangseinheit (5). Die Erfassung und Übermittlung von Lagekoordinaten (x, y) und/oder einer Neigung (phi) der Arbeitseinrichtung (3) zwischen dem zumindest einen Sensor (4) und der Sende-/Empfangseinheit (5) erfolgt berührungsfrei.A system for detecting and controlling the position of working devices (3) arranged on working arms (2) of mobile working machines (1) comprises at least one sensor (4) and one transmitting / receiving unit (5). The detection and transmission of position coordinates (x, y) and / or an inclination (phi) of the working device (3) between the at least one sensor (4) and the transmitting / receiving unit (5) takes place without contact.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Lageerfassung und -regelung für Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a system for position detection and control for working arms mobile machines according to the preamble of claim 1.

Bei lagegeregelten Arbeitsarmen mobiler Arbeitsmaschinen wird die Lage der Arbeitseinrichtungen gewöhnlich indirekt durch Längensensoren in Zylindern des hydraulischen Systems oder durch Winkelsensoren erfaßt. Ein Beispiel für die Lageerfassung durch Winkelsensoren ist aus der DE 100 00 771 A1 bekannt. Die Druckschrift beschreibt eine Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen, welche eine Meßeinrichtung zur Messung eines Winkels umfaßt, welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist, einen Winkelgeber zur Vorgabe eines Winkels, welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist, und eine Regeleinrichtung zum Regeln des Winkels zwischen der Ebene der Arbeitseinrichtung und der Richtung der Gravitationskraft, so daß der gemessene Winkel mit dem vorgegebenen Winkel in Übereinstimmung gebracht wird.In the case of position-controlled working arms of mobile working machines, the position of the working devices is usually detected indirectly by means of length sensors in cylinders of the hydraulic system or by angle sensors. An example of the position detection by angle sensors is from the DE 100 00 771 A1 known. The document describes a device for attitude control for working equipment mobile machines, which comprises a measuring device for measuring an angle which is formed between a determined by the position of the working device level and the direction of the gravitational force, an angle encoder for specifying an angle which between a through the position of the working means is formed at a certain plane and the direction of the gravitational force, and a control means for controlling the angle between the plane of the working means and the direction of the gravitational force so that the measured angle is made coincident with the predetermined angle.

Nachteilig an derartigen Systemen ist insbesondere die nur sehr begrenzte Möglichkeit der Erfassung von Störungen und Ungenauigkeiten, so daß die Möglichkeiten zur Ausregelung ebenfalls eingeschränkt sind.adversely in such systems, in particular, the only very limited possibility the detection of disturbances and inaccuracies, so that the options are also limited to the adjustment.

Weiterhin ist es bekannt, die Position mobiler Arbeitsmaschinen im Gelände mittels Positionierungssystemen (z.B. GPS, Global Positioning System) zu erfassen. Ein mit einem derartigen Erfassungssystem ausgestattetes Arbeitsgerät geht beispielsweise aus der WO 95/30799 hervor.Farther It is known, the position of mobile machines in the field by means of Positioning systems (e.g., GPS, Global Positioning System) to capture. A equipped with such a detection system implement is for example apparent from WO 95/30799.

Nachteilig an derartigen Positionserfassungssystemen ist dabei insbesondere der Kostenfaktor und die Genauigkeit. Ein zur Anwendung hierfür geeigneter Sender/Empfänger ist kosten- und wartungsintensiv.adversely In such position detection systems is in particular the cost factor and the accuracy. An appropriate for the application Transmitter-receiver is cost and maintenance intensive.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein System zur Lageerfassung und -regelung für Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen bereitzustellen, welches eine einfache, kostengünstige und genaue Lagemessung und Neupositionierung der an dem Arbeitsarm bereitgestellten Arbeitseinrichtung ermöglicht.A The object of the present invention is therefore a system for the position recording and control of working arms of mobile working machines provide a simple, inexpensive and accurate position measurement and repositioning the work equipment provided on the work arm allows.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The The object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.

Vorteilhafterweise erfolgt die Übermittlung bzw. Erfassung von Lagekoordinaten und/oder einer Neigung der Arbeitseinrichtung zwischen zumindest einem Sensor und einer Sende-/Empfangseinheit berührungsfrei durch Übertragung der Signale durch elektromagnetische Wellen.advantageously, the transmission or Detection of position coordinates and / or inclination of the working device between at least one sensor and a transmitting / receiving unit contactless through transmission the signals by electromagnetic waves.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The under claims contain advantageous developments of the invention.

Nachfolgend werden anhand der Figuren vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:following be advantageous embodiments of the invention schematically with reference to the figures shown. In the drawing show:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Lageerfassung und Lageregelung beweglicher Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen; und 1 a schematic representation of a first embodiment of the system according to the invention for position detection and position control of movable working arms of mobile machines; and

2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems. 2 a schematic representation of a second embodiment of the system according to the invention.

1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Systems zur Lageerfassung und Lageregelung für einen Arbeitsarm 2 einer mobilen Arbeitsmaschine 1. Die Arbeitsmaschine 1 im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dabei ein Erdbewegungsgerät, wie z.B. ein Bagger, mit einer an dem Arbeitsarm 2 angeordneten Arbeitseinrichtung 3, im Ausführungsbeispiel einer Grabschaufel. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern auch für andere Anwendungen wie z.B. für Kräne, Betonpumpen, Telehändler etc. anwendbar. 1 shows in a highly schematic representation of an embodiment of an inventively designed system for position detection and position control for a working arm 2 a mobile work machine 1 , The working machine 1 In the presently described embodiment is an earthmoving device, such as an excavator, with a on the working arm 2 arranged working device 3 , In the embodiment of a grab bucket. However, the invention is not limited thereto, but also for other applications such as for cranes, concrete pumps, telehandlers, etc. applicable.

Die Lageerfassung der Arbeitseinrichtung 3 erfolgt erfindungsgemäß über berührungsfreie Sensoren 4 vorzugsweise auf Basis von Funksignalen mit Mikrowellentechnik oder höherfrequenter elektromagnetischer Wellen. Die Sensoren 4 werden dort an dem Arbeitsarm 2 bzw. an der Arbeitseinrichtung 3 positioniert, wo die Lage erfaßt werden soll. In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist einer der Sensoren 4 in der an dem Arbeitsarm 2 angeordneten Arbeitseinrichtung 3 und ein weiterer Sensor 4 in einer Hydraulik 6 des Arbeitsarms 2 angeordnet.The location survey of the working facility 3 takes place according to the invention via non-contact sensors 4 preferably based on radio signals with microwave technology or higher-frequency electromagnetic waves. The sensors 4 be there at the working arm 2 or at the work facility 3 positioned where the situation is to be detected. In the in 1 illustrated first embodiment is one of the sensors 4 in the on the working arm 2 arranged working device 3 and another sensor 4 in a hydraulics 6 of the working arm 2 arranged.

Als Sensoren 4 sind aktive und besonders vorteilhaft passive Sensoren 4 geeignet. Aktive Sensoren 4 werden dabei z. B. von einer Batterie gespeist, wodurch mehrere Jahre Wartungsfreiheit erzielt werden können. Gegebenenfalls kann Umgebungsenergie zum Aufladen herangezogen werden. Bei Verwendung passiver Sensoren 4 wird an der mobilen Arbeitsmaschine 1 eine Sende-/Empfangseinheit 5 installiert. Die durch die Sende-/Empfangseinheit 5 gesendeten Signale werden in dem passiven Sensor 4 umgewandelt und in codierter Form zurückgegeben. Die Meßgenauigkeit derartiger Systeme liegt bei aktueller Mikrowellentechnik bei wenigen Zentimetern, die Reichweite ist im Sinne der Anwendung unbegrenzt. Die Übertragung von Signalen aus anderen Arten von Sensoren 4, beispielsweise aus Drucksensoren, kann mit vergleichbarer Technik durchgeführt werden.As sensors 4 are active and particularly advantageous passive sensors 4 suitable. Active sensors 4 will be z. B. powered by a battery, which several years of maintenance he can be targeted. If necessary, ambient energy can be used for charging. When using passive sensors 4 gets on the mobile work machine 1 a transmitting / receiving unit 5 Installed. The by the transmitting / receiving unit 5 transmitted signals are in the passive sensor 4 converted and returned in coded form. The measurement accuracy of such systems is current microwave technology at a few centimeters, the range is unlimited in terms of application. The transmission of signals from other types of sensors 4 , For example, from pressure sensors, can be carried out with comparable technology.

Die Lage und Orientierung der Arbeitseinrichtung 3 wird durch das Zusammenwirken der Sensoren 4 sowie der Sende-/Empfangseinheit 5 ermittelt. Der erste, an der Arbeitseinrichtung 3 angeordnete Sensor 4 nimmt dabei die Lage und Orientierung beispielsweise in Form der Variablen x und y für die Ortsbestimmung und φ für die Neigungsbestimmung der Arbeitseinrichtung 3 auf und leitet die Signale berührungsfrei an die Sende-/Empfangseinheit 5 weiter. Die absolute Position und Orientierung des Bezugssystems, i.e. der Arbeitsmaschine 1, kann durch GPS (Global Positioning System), Neigungs- oder Beschleunigungssensoren ermittelt werden. Ebenso können beispielsweise Drucksignale der Hydraulik 6 oder andere physikalische Größen wie z. B. Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung der Arbeitseinrichtung 3 sowie die Temperatur des Fluids und der Volumenstrom durch das System berührungsfrei weitergegeben werden. In 1 ist beispielhaft ein Drucksensor 4 in der Hydraulik 6 dargestellt.The location and orientation of the work facility 3 is due to the interaction of the sensors 4 as well as the transmitting / receiving unit 5 determined. The first, at the working facility 3 arranged sensor 4 takes the position and orientation, for example in the form of the variables x and y for the position determination and φ for the inclination determination of the working device 3 and forwards the signals to the transceiver without contact 5 further. The absolute position and orientation of the reference system, ie the working machine 1 , can be determined by GPS (Global Positioning System), inclination or acceleration sensors. Likewise, for example, pressure signals of the hydraulic 6 or other physical quantities such. B. speed or acceleration of the working device 3 as well as the temperature of the fluid and the volume flow are passed through the system without contact. In 1 is an example of a pressure sensor 4 in the hydraulics 6 shown.

Die Sende-/Empfangseinheit 5 steht in der Arbeitsmaschine 1 mit weiteren Bauteilen wie z.B. einer Steuerungseinheit 9 und einem Schalthebel 10 zur Bedienung durch den Maschinenführer der Arbeitsmaschine 1 in Verbindung. Durch den Maschinenführer über den Schalthebel 10 ausgeführte Bewegungen werden durch die Steuerungseinheit 9 in entsprechende Signale und Bewegungen der Arbeitseinrichtung 3 umgesetzt.The transmitting / receiving unit 5 is in the work machine 1 with other components such as a control unit 9 and a shift lever 10 for operation by the machine operator of the working machine 1 in connection. By the operator via the shift lever 10 executed movements are performed by the control unit 9 in corresponding signals and movements of the working device 3 implemented.

Die Signale zur Ermittlung der Lage und Orientierung der Arbeitseinrichtung 3 werden dabei von zumindest einem Sensor 4 in der Arbeitseinrichtung 3 auf Basis von Laufzeitmessungen zwischen den einzelnen Teilen der Vorrichtung ermittelt. Die Signale der weiteren physikalischen Größen wie z. B. Druck, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Temperatur und Volumenstrom können direkt an die Sende-/Empfangseinheit 5 übermittelt werden.The signals for determining the position and orientation of the working device 3 be doing of at least one sensor 4 in the work facility 3 determined on the basis of transit time measurements between the individual parts of the device. The signals of other physical variables such. As pressure, speed, acceleration, temperature and flow rate can directly to the send / receive unit 5 be transmitted.

Die Kommunikation der Sensoren 4 mit der Sende-/Empfangseinheit 5 kann jedoch durch Hindernisse wie beispielsweise eine in 2 dargestellte Mauer 7 erschwert oder unmöglich gemacht werden.The communication of the sensors 4 with the transmitting / receiving unit 5 However, due to obstacles such as an in 2 illustrated wall 7 made difficult or impossible.

Um dem zu begegnen, kann das System gemäß 1, wie in einem zweiten Ausführungsbeispiel in 2 dargestellt, vorteilhafterweise mit einer Verstärkereinheit 8 versehen sein, welche die Kommunikation zwischen den Sensoren 4 und der eigentlichen Sende-/Empfangseinheit 5 an der Arbeitsmaschine 1 unterstützt. Zur Ermittlung der Lage und Orientierung des Arbeitsgerätes 3 ist die Verstärkereinheit 8 so angeordnet, daß sie eine direkte Sichtverbindung zu beiden Einheiten hat. Sie kann, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 2 dargestellt, am Arbeitsarm 2 der Arbeitsmaschine 1 oder auch an einer geeigneten Position außerhalb der Arbeitsmaschine 1 angeordnet sein. Die Verstärkereinheit 8 kann dabei so konzipiert sein, daß sie auf Basis der gleichen Technologie wie das Hauptsystem zusätzlich eigene Daten wie beispielsweise die Lageinformationen aufnimmt und an die Sende-/Empfangseinheit 5 weitergibt. Die Daten können zur Regelung oder für die Bedienerunterstützung eingesetzt werden.To counter this, the system can act according to 1 as in a second embodiment in 2 illustrated, advantageously with an amplifier unit 8th be provided, which the communication between the sensors 4 and the actual transmitting / receiving unit 5 at the work machine 1 supported. To determine the position and orientation of the implement 3 is the amplifier unit 8th arranged so that it has a direct line of sight to both units. It can, as in the embodiment according to 2 shown on the working arm 2 the working machine 1 or also at a suitable position outside the work machine 1 be arranged. The amplifier unit 8th In this case, it can be designed in such a way that, based on the same technology as the main system, it additionally receives its own data, such as the position information, and the transmitting / receiving unit 5 passes. The data can be used for control or for operator assistance.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch bei beliebigen Arbeitsmaschinen 1 unter Verwendung unterschiedlicher Sensoren 4 für verschiedene Arbeitseinrichtungen 3 angewandt werden. Die Merkmale der Erfindung sind dabei beliebig kombinierbar.The invention is not limited to the illustrated embodiments, but may also be in any work machines 1 using different sensors 4 for different work facilities 3 be applied. The features of the invention can be combined as desired.

Claims (14)

System zur Lageerfassung und -regelung für an Arbeitsarmen (2) mobiler Arbeitsmaschinen (1) angeordnete Arbeitseinrichtungen (3), umfassend zumindest einen Sensor (4) und eine Sende-/Empfangseinheit (5), dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlung und Erfassung von Lagekoordinaten (x, y) und/oder einer Neigung (φ) der Arbeitseinrichtung (3) zwischen dem zumindest einen Sensor (4) und der Sende-/Empfangseinheit (5) berührungsfrei erfolgt.Situation recording and control system for working arms ( 2 ) of mobile machines ( 1 ) ( 3 ) comprising at least one sensor ( 4 ) and a transceiver unit ( 5 ), characterized in that the transmission and detection of position coordinates (x, y) and / or an inclination (φ) of the working device ( 3 ) between the at least one sensor ( 4 ) and the transceiver unit ( 5 ) takes place without contact. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4) als aktiver Sensor (4) ausgebildet ist.System according to claim 1, characterized in that the at least one sensor ( 4 ) as active sensor ( 4 ) is trained. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4) als passiver Sensor (4) ausgebildet ist.System according to claim 1, characterized in that the at least one sensor ( 4 ) as a passive sensor ( 4 ) is trained. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4) in der Arbeitseinrichtung (3) angeordnet ist.System according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one sensor ( 4 ) in the working organization ( 3 ) is arranged. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Schalthebel (10) der Arbeitsmaschine (1) ausgegebene Signale durch die Sende-/Empfangseinheit (5) und den zumindest einen Sensor (4) an die Arbeitseinrichtung (3) übermittelbar sind.System according to claim 4, characterized in that via a shift lever ( 10 ) of the working machine ( 1 ) output signals through the Transceiver unit ( 5 ) and the at least one sensor ( 4 ) to the working organization ( 3 ) are transferable. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Sensor (4) in einer Hydraulik (6) des Arbeitsarms (2) angeordnet ist.System according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one further sensor ( 4 ) in a hydraulic system ( 6 ) of the working arm ( 2 ) is arranged. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Hydraulik (6) angeordnete Sensor (4) ein Drucksignal (p) übermittelt.System according to claim 6, characterized in that in the hydraulic system ( 6 ) arranged sensor ( 4 ) transmits a pressure signal (p). System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Verstärkereinheit (8) aufweist.System according to one of claims 1 to 7, characterized in that the system comprises an amplifier unit ( 8th ) having. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) in Form von zumindest einer Sende-/Empfangseinheit (5) ausgebildet ist.System according to claim 8, characterized in that the amplifier unit ( 8th ) in the form of at least one transceiver unit ( 5 ) is trained. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) an dem Arbeitsarm (2) der Arbeitsmaschine (1) angeordnet ist.System according to claim 8 or 9, characterized in that the amplifier unit ( 8th ) on the working arm ( 2 ) of the working machine ( 1 ) is arranged. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) getrennt von der Arbeitsmaschine (1) angeordnet ist.System according to claim 8 or 9, characterized in that the amplifier unit ( 8th ) separated from the working machine ( 1 ) is arranged. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) in direktem Blickkontakt zu dem zumindest einen Sensor (4) und der Sende-/Empfangseinheit (5) steht.System according to one of Claims 8 to 11, characterized in that the amplifier unit ( 8th ) in direct eye contact with the at least one sensor ( 4 ) and the transceiver unit ( 5 ) stands. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlung der Signale auf Basis eines Funksignals, insbesondere auf der Basis von Mikrowellen erfolgt.System according to one of claims 1 to 12, characterized that the transmission the signals based on a radio signal, in particular on the basis of microwaves. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich physikalische Größen (p) über das System zu der Sende-/Empfangseinheit (5) übertragbar sind.System according to one of claims 1 to 13, characterized in that in addition physical quantities (p) via the system to the transmitting / receiving unit ( 5 ) are transferable.
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