DE102022203960A1

DE102022203960A1 - Verfahren zur Verbesserung der Planierwinkelregelung einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102022203960A1
Application number: DE102022203960.2A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Ehlers; Armin Grieser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2023-10-26
Also published as: JP2023161577A; EP4269705A1; EP4269705B1; CN116950155A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Arbeitsmaschine (1), die einen Hauptkörper (2) und eine Bewegungsvorrichtung (3) umfasst, die an dem Hauptkörper (2) der Arbeitsmaschine (1) angeschlossen ist und die konfiguriert ist Lasten aufzunehmen und bezüglich des Hauptkörpers (2) zu bewegen, wobei die Bewegungsvorrichtung einen Ausleger mit einem oder mehreren Auslegerelementen (4, 5) und ein an einem Endabschnitt des Auslegers angeordnetes Halteelement (6) zur Aufnahme von Last aufweist, wobei die Auslegerelemente (4, 5) und das Halteelement (6) durch einen oder mehrere unabhängig voneinander wirkende Aktuatoren (7, 8, 9) bewegbar sind, wobei Sensoren vorgesehen sind, die eingerichtet sind, Zustandsdaten der Bewegungsvorrichtung (3) zu erfassen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:a. Erfassen einer Bewegung mindestens eines Auslegerelements (4, 5);b. Erfassen eines Befehls, eine Soll-Neigung (φ) des Halteelements (6) während der Bewegung des mindestens einen Auslegerelements (4, 5) konstant zu behalten, wobei die Soll-Neigung (φ) einen Soll-Winkel des Halteelements (6) relativ zu dem Hauptkörper (2) der Arbeitsmaschine (1) beschreibt;c. Berechnen eines Gewichts einer von dem Halteelement (6) aufgenommenen Last;d. Berechnen einer Soll-Bewegung eines der Aktuatoren (9), der für die Bewegung des Halteelements (6) zuständig ist, sodass die Soll-Neigung (φ) des Halteelements (6) während der Bewegung des mindestens einen Auslegerelements (4, 5) konstant bleibt, wobei die Berechnung unter Berücksichtigung des im Schritt c. berechneten Gewichts und der erfassten Bewegung des mindestens einen Auslegerelements (4, 5) erfolgt.e. Regeln des Aktuators (9), der für die Bewegung des Halteelements zuständig ist, auf Basis der im Schritt d. berechneten Soll-Bewegung..

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Arbeitsmaschine, das ermöglicht, eine Neigung eines Halteelements konstant zu behalten, während mindestens ein Auslegerelement bewegt wird .
STAND DER TECHNIK
Mobile Arbeitsmaschinen mit Assistenzfunktion „Bucket Retain“ sind weltweit benutzt. Eine solche Funktion ist in der Patentanmeldung DE 11 2017 000 130 T5 offenbart. Die Assistenzfunktion „Bucket Retain“ hat den Zweck einen eingestellten Planierwinkel einer Arbeitsmaschine zu regeln. Der Planierwinkel beschreibt den Winkel des Löffels in Bezug auf das äußere, übergeordnete Koordinatensystem und ist abhängig von Ausleger-, Stiel- und Löffelwinkel, in ihren jeweiligen Koordinatensystemen. Die Funktion „Bucket Retain“ verstellt den Löffelwinkel geregelt um einen gewünschten Planierwinkel einzuhalten. Ausleger und Stiel sind weiterhin durch den Fahrzeugführer verstellbar.
Eine solche Funktion kann Anwendungen bei verschiedenen Arten von Maschinen finden. In der Tat können Bagger (Standard, Mini, Midi, Mining, Mobil), Radlader, Telehandler, Forstmaschinen mit entsprechender Funktionalität auf dem Markt gefunden werden. In der vorliegenden Erfindung wird deswegen mit dem Wortlaut „Arbeitsmaschine“ eine beliebige von dieser oder anderen aus dem Stand der Technik bekannten Maschine gemeint.
Die Regelgenauigkeit und Regelgeschwindigkeit dieser Funktion ist aufgrund des unterschiedlichen Gewichtes des angebrachten Halteelements (zum Beispiel Zuladung in einem Löffel) und der damit verbundenen Dynamik allerdings nicht besonders hoch. Aus diesem Grund ist Zweck der Erfindung, die vorhandene Funktion zu verbessern.
KURZFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer Arbeitsmaschine bereitgestellt, die einen Hauptkörper und eine Bewegungsvorrichtung umfasst, die an dem Hauptkörper der Arbeitsmaschine angeschlossen ist und die konfiguriert ist Lasten aufzunehmen und bezüglich des Hauptkörpers zu bewegen, wobei die Bewegungsvorrichtung einen Ausleger mit einem oder mehreren Auslegerelementen und ein an einem Endabschnitt des Auslegers angeordnetes Halteelement zur Aufnahme von Last aufweist, wobei die Auslegerelemente und das Halteelement durch einen oder mehrere unabhängig voneinander wirkende Aktuatoren bewegbar sind, wobei Sensoren vorgesehen sind, die eingerichtet sind, Zustandsdaten der Bewegungsvorrichtung zu erfassen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a. Erfassen einer Bewegung mindestens eines Auslegerelements;
b. Erfassen eines Befehls, eine Soll-Neigung des Halteelements während der Bewegung des mindestens einen Auslegerelements konstant zu behalten, wobei die Soll-Neigung einen Soll-Winkel des Halteelements in einem Koordinatensystem, das unabhängig von dem mindestens einen Auslegerelement ist, beschreibt;
c. Berechnen eines Gewichts einer von dem Halteelement aufgenommenen Last;
d. Berechnen einer Soll-Bewegung eines der Aktuatoren, der für die Bewegung des Halteelements zuständig ist, sodass die Soll-Neigung des Halteelements während der Bewegung des mindestens einen Auslegerelements konstant bleibt, wobei die Berechnung unter Berücksichtigung des im Schritt c. berechneten Gewichts und der erfassten Bewegung des mindestens einen Auslegerelements erfolgt;
e. Regeln des Aktuators, der für die Bewegung des Halteelements zuständig ist, auf Basis der im Schritt d. berechneten Soll-Bewegung.

Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, da durch diese Funktion die Genauigkeit der „Bucket Retain“ Funktion besonders erhört wird. Insbesondere haben das Testen der Funktion und Messungen am Bagger gezeigt, dass eine Verbesserung der Regelung bei Berücksichtigung der Last enorm ist. In derzeitiger Umsetzung wird ein linearer Regler für alle Arbeitspunkte, ohne Berücksichtigung der Last verwendet. Der Erfinder hat allerdings beobachtet, dass die Dynamik des Systems stark abhängig von Orientierung und Ladung des Löffels ist. Insbesondere hat der Erfinder beobachtet, dass optimale Regelparameter bei vollem Löffel stark von denen bei leerem Löffel abweichen. Wenn die aktuelle Ladung nicht berücksichtigt wird, kann lediglich ein Set an Regelparameter (als Kompromiss der verschiedenen Arbeitspunkte) verwendet werden. Eine solche Lösung verursacht allerdings enorme Ungenauigkeit, wie Schwingen und langzeitige Regelabweichungen, wenn verglichen mit der Genauigkeit, die ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile und / oder auf ähnliche Teile und / oder auf entsprechende Teile des Systems beziehen. Zu den Figuren:

1 zeigt schematisch eine Arbeitsmaschine mit beweglichen Elementen;
2 zeigt schematisch ein Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, wie sie in den beigefügten Figuren gezeigt sind. Nichtsdestotrotz ist die vorliegende Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsformen beschränkt, die in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben und in den Figuren gezeigt sind, sondern die beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die Ansprüche definiert ist.
Weitere Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann klar. Die vorliegende Beschreibung umfasst somit alle Änderungen und / oder Variationen der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die Ansprüche definiert ist.
1 zeigt einen Bagger 1 als Beispiel für eine Arbeitsmaschine. Der Bagger 1 weist einen Hauptkörper 2 und eine Bewegungsvorrichtung 3 auf, die an dem Hauptkörper 2 der Arbeitsmaschine 1 angeschlossen. Die Bewegungsvorrichtung ist konfiguriert Lasten aufzunehmen und bezüglich des Hauptkörpers 2 zu bewegen. Die Bewegungsvorrichtung 1 weist einen Ausleger auf, der wiederum mehrere Auslegerelemente aufweist, um ein Halteelement 6 zu bewegen. Die Auslegerelemente sind hier beispielhaft ein Hubarm 4 (oder einfach als „Ausleger“ bekannt) und einen Arm 5 (oder auch als „Stiel“ bekannt), die miteinander bzw. mit dem Hauptkörper 2 des Baggers 1 drehbar bzw. schwenkbar verbunden sind. Darüber hinaus umfasst der in 1 dargestellte Bagger einen Löffel 6, der an einem Endabschnitt des Arms 5 angeordnet ist. Die Auslegerelemente 4, 5 und der Löffel sind mittels Aktuatoren 7, 8, 9 bewegbar, d.h. die Dreh- bzw. Schwenkbewegung um die Achsen wird durch eine Bewegung der Aktuatoren bewirkt.
Es ist ein erster Aktuator 7 für den Hubarm 4 vorgesehen, der die Bewegung bzw. Drehung des Hubarms 4 relativ zum Hauptkörper 2 bewirkt. Ebenso ist ein zweiter Aktuator 8 für den Arm 5 vorgesehen, der die Bewegung bzw. Drehung des Arms 4 relativ zum Hubarm 4 bewirkt. Ebenso ist ein dritter Aktuator 9 für den Löffel vorgesehen, der den Löffel (oder auch „Schaufel“ genannt) bewegt bzw. dreht (kippt).
Die Aktuatoren 7, 8, 9 können durch eine Steuerung angesteuert werden, wobei im Falle von Hydraulikzylindern Wegeventile vorgesehen sind, die den Fluss von Hydraulikflüssigkeit zu den Hydraulikzylindern steuern.
Es sind Sensoren vorgesehen (in 1 nicht dargestellt), die Kräftedaten und Positionsdaten erfassen. Kräftedaten sind Daten bzw. Messdaten, die die von den Aktuatoren aufgebrachte Kräfte charakterisieren bzw. anzeigen. Dazu können insbesondere Drucksensoren verwendet werden, z.B. an den Hydraulikzylindern der Druck auf beiden Seiten des Kolbens gemessen werden, wobei dann die vom Hydraulikzylinder aufgebrachte Kraft durch die Druckdifferenz charakterisiert ist. Positionsdaten sind Daten bzw. Messdaten, die die Position (z.B. Winkel) der Auslegerelemente, insbesondere deren relative Position bzw. deren Position relativ zum Auslegerträger (insbesondere jeweils auch relative Winkel), charakterisieren bzw. anzeigen. Hierzu können insbesondere Winkelsensoren vorgesehen sein, oder Sensoren, die die Auslenkung der Hydraulikzylinder bestimmen.
Es wird insbesondere auf Kräftedaten und Positionsdaten und entsprechende Sensoren eingegangen. Dies sind bevorzugte Beispiele für Zustandsdaten bzw. Sensoren, im Allgemeinen können zusätzlich bzw. alternativ auch Zustandsdaten von anderen Sensoren erfasst werden, um beispielsweise Druckdaten, Momentdaten, Drehmomentdaten, Geschwindigkeitsdaten, Beschleunigungsdaten und/oder Spannungsdaten zu erfassen (die, wie angemerkt, im Prinzip auch als Kräfte- und/oder Positionsdaten aufgefasst werden können).
Da die geometrischen Verhältnisse der Auslegerelemente und deren Gewichte bzw. Massen bekannt sind, kann aus den Kräfte- und Positionsdaten das Gewicht bzw. die Masse einer aufgenommenen Last berechnet bzw. geschätzt werden. Dazu wird eine sogenannte Wiegefunktion verwendet, deren Implementierung dem Fachmann an sich bekannt ist. Der Zeitpunkt oder Zeitraum, an bzw. in dem die Kräfte- und Positionsdaten erfasst werden, basierend auf denen die aufgenommene Last berechnet wird, wird als Wiegezeitpunkt bzw. Wiegezeitraum bezeichnet.
Ein Beispiel einer Wiegefunktion ist in der Patendanmeldung DE 102021205407.2 offenbart, die an dem Anmeldetag dieser Patentanmeldung noch nicht veröffentlicht wurde.
Wie in 1 dargestellt ist, entspricht der Winkel θa der Neigung des Hubarms 4 bezüglich einer horizontalen Ebene, der Winkel θb der Neigung des Arms 5 bezüglich der Achse des Hubarms 4, der Winkel θc der Neigung des Löffels 6 bezüglich der Achse des Armes 5. Der Winkel φ entspricht der Neigung des Löffels 6 bezüglich einer horizontalen Ebene. Der Winkel φ wird in einem Koordinatensystem dargestellt, das unabhängig von den anderen Auslegerelementen 4, 5 ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, den Winkel φ automatisch konstant zu behalten, während die anderen Winkeln θa und θb geändert werden. Der Planierwinkel φ wird deswegen (wenn die Funktion „Bucket Retain“ aktiv ist) automatisch durch den dritten Aktuator 9 konstant gehalten.
2 zeigt schematisch ein Verfahren für die „Bucket Retain“ Funktion nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Schritt werden die Informationen über einen Soll Planierwinkel φ mittels einer Eingabevorrichtung (z.B. ein Joystick oder ein Knopf) erhalten. Diese Information 108 kann entweder ein Wert von dem Soll Planierwinkel φ oder der Befehl, den aktuellen ist Planierwinkel φ konstant zu behalten, sein. Darüber hinaus werden Sensordaten 109 erfasst, um die Position des Auslegers 4, 5 und des Löffels 6 zu erfassen. In dem ersten Schritt wird auch das während dem Wiegezeitpunkt berechnete Gewicht 110 erfasst. Ein Bus System 107 erfasst alle die Informationen 108, 109 und 110 und überträgt diese an eine Steuereinheit 103, die für die Regelung des dritten Aktuators 9 zuständig ist. Die Steuereinheit 103 kann mittels einer Pumpe 104 und eine Hauptsteuerventil 105 die Position 106 des dritten Aktuators steuern.
Die Regelung erfolgt in dem Loop 100, 101, 102, 103. In einem ersten Schritt wird die Soll-Neigung φ des Halteelements 6 während der Bewegung des mindestens einen Auslegerelements 4, 5 erfasst 100 und mit der Ist-Neigung φ des Halteelements 6 verglichen und der Unterschied 101 wird an die Steuereinheit 103 mitgeteilt.
Die Steuereinheit 103 wird dann die Information 101 und die von dem Bus System 107 erfassten Informationen benutzen, um ein Steuerungssignal für den Hauptsteuerventil 105 zu erzeugen.
Das Signal wird deswegen unter Berücksichtigung des Gewichts der von dem Halteelement 6 aufgenommenen Last berechnet. Die Information über das Gewicht kann zum Beispiel als Regelparameter in einem Gain-Scheduling oder in einem Modellbasierte Regelung verwendet werden.
Regelparameter können zusätzlich von der Positionierung (z.B. von dem Winkel) von dem Ausleger 4, 5 abhängig gewählt werden. D.h. unterschiedliche Regelparameter bei Führen des Löffels nahe an dem Hauptkörper 2 als bei Bewegung weiter von dem Hauptkörper 2 entfernt.
Die geschätzte Ladungsmasse kann ebenfalls in anderen Funktionen genutzt werden, in denen die variable Dynamik eine Rolle spielen. Z.B. in der Assistenzfunktion Arbeitsraumbegrenzung.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht deswegen darin, dass eine weitere Assistenzfunktion, zum Schätzen der aktuellen Ladungsmasse, verwendet wird, um diese Information in der Regelung des Planierwinkels zu berücksichtigen. Dies kann in Form von arbeitspunktabhängigen Regelverfahren, wie z.B. Gain-Scheduling, oder einem allgemeinen, modellbasiertem Ansatz geschehen. Durch Kombination der beiden Funktionen wird ein besseres und arbeitspunktunabhängiges Regelverhalten erwartet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112017000130 T5 [0002]
DE 102021205407 [0016]

Claims

Verfahren zum Steuern einer Arbeitsmaschine (1), die einen Hauptkörper (2) und eine Bewegungsvorrichtung (3) umfasst, die an dem Hauptkörper (2) der Arbeitsmaschine (1) angeschlossen ist und die konfiguriert ist Lasten aufzunehmen und bezüglich des Hauptkörpers (2) zu bewegen, wobei die Bewegungsvorrichtung einen Ausleger mit einem oder mehreren Auslegerelementen (4, 5) und ein an einem Endabschnitt des Auslegers angeordnetes Halteelement (6) zur Aufnahme von Last aufweist, wobei die Auslegerelemente (4, 5) und das Halteelement (6) durch einen oder mehrere unabhängig voneinander wirkende Aktuatoren (7, 8, 9) bewegbar sind, wobei Sensoren vorgesehen sind, die eingerichtet sind, Zustandsdaten der Bewegungsvorrichtung (3) zu erfassen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a. Erfassen einer Bewegung mindestens eines Auslegerelements (4, 5); b. Erfassen eines Befehls, eine Soll-Neigung (φ) des Halteelements (6) während der Bewegung des mindestens einen Auslegerelements (4, 5) konstant zu behalten, wobei die Soll-Neigung (φ) einen Soll-Winkel des Halteelements (6) in einem Koordinatensystem, das unabhängig von dem mindestens einen Auslegerelement (4, 5) ist, beschreibt; c. Berechnen eines Gewichts einer von dem Halteelement (6) aufgenommenen Last; d. Berechnen einer Soll-Bewegung eines der Aktuatoren (9), der für die Bewegung des Halteelements (6) zuständig ist, sodass die Soll-Neigung (φ) des Halteelements (6) während der Bewegung des mindestens einen Auslegerelements (4, 5) konstant bleibt, wobei die Berechnung unter Berücksichtigung des im Schritt c. berechneten Gewichts und der erfassten Bewegung des mindestens einen Auslegerelements (4, 5) erfolgt; e. Regeln des Aktuators (9), der für die Bewegung des Halteelements zuständig ist, auf Basis der im Schritt d. berechneten Soll-Bewegung.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Halteelement (6) ein Löffel ist, und wobei die Soll-Neigung (φ) ein Soll-Planierwinkel des Löffels (6) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Ausleger ausschließlich ein erstes (4) und ein zweites (5) Auslegerelement umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Schritt d. die Berechnung weiterhin unter Berücksichtigung der Position des Halteelements (6) bezüglich des Hauptkörpers (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem Schritt d. mindestens einen Regelparameter für die Berücksichtigung des im Schritt c. berechneten Gewichts benutzt wird, wobei der Regelparameter abhängig von der Position des Halteelements (6) ist.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Arbeitsmaschine (1), die einen Hauptkörper (2) und eine Bewegungsvorrichtung (3) umfasst, die an dem Hauptkörper (2) der Arbeitsmaschine (1) angeschlossen ist und die konfiguriert ist Lasten aufzunehmen und bezüglich des Hauptkörpers (2) zu bewegen, wobei die Bewegungsvorrichtung einen Ausleger mit einem oder mehreren Auslegerelementen (4, 5) und ein an einem Endabschnitt des Auslegers angeordnetes Halteelement (6) zur Aufnahme von Last aufweist, wobei die Auslegerelemente (4, 5) und das Halteelement (6) durch einen oder mehrere unabhängig voneinander wirkende Aktuatoren (7, 8, 9) bewegbar sind, wobei Sensoren vorgesehen sind, die eingerichtet sind, Zustandsdaten der Bewegungsvorrichtung zu erfassen, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die eine Wiegefunktion implementiert, die dazu eingerichtet ist, erfasste Zustandsdaten auszuwerten, um ein Gewicht einer von der Bewegungsvorrichtung (3) aufgenommenen Last zu bestimmen; aufweisend eine Recheneinheit nach Anspruch 6.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 8.