AT527809A4

AT527809A4 - Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers

Info

Publication number: AT527809A4
Application number: ATA20/2024A
Authority: AT
Inventors: Kader Msc Rsc Eth Barzy
Original assignee: Suncar Ag
Priority date: 2024-02-07
Filing date: 2024-02-07
Publication date: 2025-07-15
Also published as: AT527809B1

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers (1), wobei der Bagger (1) auf einer Ebene (12) auf einer Fahrstrecke (3) in einer Geradeausfahrtrichtung (14) des Unterwagens (2) gefahren und dabei mit einer GNSS-Antenne (8) ein erster Positionsdatensatz (15) in einem GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet wird, wobei während der Fahrt des Baggers (1) auf der Fahrstrecke (13) ein Drehwinkel (16) des Oberwagens (4) um die Oberwagendrehachse (6) relativ zum Unterwagen (2) konstant gehalten wird, und wobei bei ortsfest ruhendem Unterwagen (2) der Oberwagen (4) um die Oberwagendrehachse (6) gedreht wird, und dabei mit der GNSS-Antenne (8) ein zweiter Positionsdatensatz (17) im GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet wird und mit Hilfe des ersten Positionsdatensatzes (15) und des zweiten Positionsdatensatzes (17) eine GNSS-Bagger-Koordinatentransformation (18) zur Umrechnung von mit der GNSS-Antenne (8) empfangenen Positionsdaten (10) in das Baggerkoordinatensystem (7) berechnet und abgespeichert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren Zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers, wobei der Bagger einen Unterwagen mit einem Fahrwerk und einen Oberwagen mit einem Baggerarm aufweist, wobei der Oberwagen um eine Oberwagendrehachse drehbar auf dem Unterwagen gelagert ist und dem Bagger ein Baggerkoordinatensystem zugeordnet ist und auf dem Oberwagen zumindest eine GNSS-Antemnmne zum Empfang von Positionsdaten zumindest eines globalen Navigationssatelilitensystems fixiert ist, wobei mit der GNSS-Antenne die Positionsdaten des globalen Navigationssatellitensystems empfangen werden und diese Positionsdaten in einem GNSS-Koordinatensystem

aufgezeichnet werden.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch einen Bagger der

zur Durchführung eines solchen Verfahrens konfiguriert ist.

Beim Stand der Technik gibt es zahlreiche Bestrebungen, digitale Geländemodelle und auch lokal vor Ort vorhandene Gebäudeaufbauten und deraleichen automatisiert beim Aushub und anderen Arbeiten mit einem Bagger berücksichtigen zu können. Es geht dabei z.B. darum, die Bewegung des BAaqggers und insbesondere seines Cberwagens und des Baggerarms mic dem daran angeordneten Werkzeug in seiner Bewegung 80 Zu Limitieren, dass lokal vorhandene Gebäude, über oder auch unterirdisch vorhandene Versorgungsleitungen und dergleichen

nicht aus Versehen beschädigt werden. Ein anderes Ziel

Baggerkoordinatensystem zu ermöglichen.

Diese Kalibrierung stellt beim Stand der Technik einen erheblichen Zusatzaufwand dar und wird beim Stand der Technik durch manuelles Vermessen des Baggers unter Verwendung von externen Messgeräten in der Regel von speziell geschultem

Personal erledigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kalibrierung

der globalen Position und Orientierung eines Saggers der

S

eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches vom Baggerfahrer selbst ohne fremde Hilfe und ohne zusätzlich

Hilfsmittel durchgeführt werden kann,

Hierzu schlägt die Erfindung ein Verfahren gemäß

Patentanspruch 1 vor.

Es ist somit vorgesehen, dass der Bagger auf einer Ebene auf einer Fahrstrecke in einer Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens gefahren und dabei mit der GNSS-Antenne ein erster Positionsdatensatz im GNSS-Koordinatensystem aufgezeichnet wird, wobei während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke ein Drehwinkel des Oberwagen«e um die Oberwagendrehachse relativ zum Unterwagen konstant gehalten wird, und wobei bei ortsfest ruhendem Unterwagen der Oberwagen um die Oberwagendrehachse gedreht wird, und dabei mit der GNSS-Antenne ein zweiter Positionsdatensatz im GNSSKoordinatensystem aufgezeichnet wird und mit Hilfe des ersten Positionsdatensatzes und des zweiten Positionsdatensatzes eine GNSS-Bagger-Koordinatentransformation zur Umrechnung von mit der GNSS-Antenne empfangenen Positionsdaten in das

Baggerkoordinatensystem berechnet und abgespeichert wird,

Der Baqgerfahrer kann dieses Verfahren zur Kalibrierung der globalen Position und Orientierung des Baggers ohne fremde Hilfemittel mit dem Bagger allein durchführen. Er kann, Soweit er zum Steuern des Baggers in einer Baggerkabine des Baygers sitzt, dies tun, ohne die Bagygerkabine dazu verlassen zu müssen. Er benötigt hierzu lediglich den Bagger und eine Ebene, auf der die Kalibrierung durchgeführt werden kann. Der Bayggerfahrer kann das erfindungsgemäße Verfahren sowchl für aine Erst-Kalibrierung eines neuen Baggers als auch für eine neue bzw. Re-Kalibrierung eines bestehenden Baggers nützen.

Das erfindungsgemäße Verfahren könnte auch als ein Verfahren

zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung des

Oberwagens des Baggers bezeichnet werden.

Mit dem bislang geschilderten Verfahren wird somit eine GNSSBagger -Koordinatentransformation zur Verfügung gestellt, mit der anschließend die mit der GNSS-Antenne empfangenen Positionsdaten in das Baggerkoordinatensystem umgerechnet werden können. Die GNSS-Bagger-Koordinatentransformation ist eine Koordinatentransformation, wie sie in der Mathematik an sich bekannt ist. Zur Unterscheidung von nachfolgend noch genannten anderen Koordinatentransformationen wird sie als GNSS-Bagger-Koordinatentransformation bezeichnet. Es kann sich hier um eine an sich bekannte Transformationsmatrix, aber auch um andere Formen der Koordinatentransformation handeln. Die Abkürzung GNSS steht für globales Navigationssatelilitensystem, wie es heim Stand der Technik in verschiedenen Ausgestaltungsformen bekannt ist. So gibt ss z.B. das NAVSTAR GPS der Vereinigten Staaten von Amerika cder das GALILEO der Europäischen Union, Das von der russischen Fäderation zur Verfügung gestelite globale Navigationssatellitensystem wird als GLONASS bezeichnet, Das von der Volksrepublik China zur Verfügung gestelite System heißt BEIDOU. Zur Realisierung der Erfindung können diese aber auch andere an sich bekannte globale

Navigationssatellitensysteme genutzt werden,

Die GNSS-Antenne ist also die Antenne, die dem Empfang von Positionsdaten des jeweiligen globalen Navigationssatellitensystems dient. Das GNSSKoordinatensystem ist das Koordinatensystem der GNSS-AÄAntenne, Die GNSS-Koordinatensysteme sind grundsätzlich an sich bekannt und in der Regel entsprechend vorgegeben. In bevorzugten Ausgestaltungsformen ist aber vorgesehen, dass

das GNSS-Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem

ist, und das GNSS-Koordinatensystem eine in eine Himmelsrichtung weisende GNSS-x-Achse und eine vertikal verlaufende ONSS-z-Achse und eine orthogonal zur GNSS-x-Achse und orthogonal zur GNSS-z-Achse angeordnete GNSS-y-ÄAchse aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei dem GNSSKocrdinatensystem um ein kartesisches Koordinatensystem, weiches durch eine Projektion auf eine Tangentialebene auf die Erdoberfläche entsteht, Dies ist an sich bekannt und muss nicht weiter erläutert werden, Bei der Himmelsrichtung, in der die GNSS-x-Achse, also in anderen Worten die x-Achse des ENSS-Koordinatensystems, weist, handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltungsform um Norden, Die GNSS-x-Achse könnte aber genauso gut nach Süden, Osten oder Westen oder auch in eine andere Himmelsrichtung weisen, Die GNSS-z-Achse verläuft bevorzugt parallel zur Gravitationsrichtung, also vertikal. Es kann sich beim GNSS-Koordinatensystem sowohl um ein rechtshändiges als auch ein linkshändiges kartesisches Koordinatensvstem handeln. Die GNSS-y-Achse weist in bevorzugten Ausgestaltungsformen aber in Richtung Osten. Aber auch dies muss nicht zwingend so sein. Der Ursprung des GNSS-

Koordinatensystems liegt bevorzugt in der GNSS-ÄAntenne,

Auch das Bagger-Koordinatensystem, also in anderen Worten das Koordinatensystem, welches dem Bagger zugeordnet ist, ist bevorzugt ein kartesisches Koordinatensystem. Bevorzugt ist jedenfalls vorgesehen, dass das Bagger-KoordinatensysCem eine parallel zu der Geradeausfahrt-Richtung des Unterwagens angeordnete Bagger-x-Achse, in anderen Worten die x-Achse des Bayger-Koordinatensystems, und eine parallel zur Oberwagendrehachse angeordnete Bagger-z-Achse, also in anderen Worten z-Achse des Bagger-Koordinatensystems, und eine orthogonal zur Bagger-x-Achse und orthogonal zur Bagqgerz-Achse angeordnete Bagger-y-ÄAchse, also in anderen Worten Y-

Achse des Bagger-Koordinatensystemes, aufweist. Es kam sich

beim Bagger-Koordinatensystem sowchl um ein rechtshändiges als auch ein linkshändiges kartesisches Koordinatensystem handeln. Der Ursprung des Baqggerkoordinatensystems Liegt bevorzugt in dem Schnittpunkt der Oberwagendrehachse mit der Ebene. Grundsätzlich können aber auch ganz andere Koordinatensysteme, wie z.B. Polarkoordinatensysteme, als

Baggerkoordinatensystem verwendet werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zunächst zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes die Geradeausfahrt entlang der Fahresetrecke auf der Ebene und, vorzugsweise unmittelbar, anschließend die Aufzeichnung des zweiten Positionsdatensatzes beim Drehen des Öberwagens um die Oberdrehachse erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Aufzeichnung dieser Positionsdatensätze in der umgekehrten Reihenfolge aber auch unabhängig voneinander durchzuführen, Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Bagger bei der Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes sich auf derselben Ebene befindet, wie bei der Aufzeichnung des zweiten Positionsdatensatzes, Auch dies ist aber nicht zwingend notwendig. In bevorzugten Ausgestaltungsformen ist jedenfalls vorgesehen, dass das Drehen des Oberwagens um die Oberwagendrehachse bei ortsfest ruhendem Unterwagen am Anfang oder am Ende der Fahrestrecke durchgeführt wird. Hier ist aber darauf hinzuweisen, dass der Ort, an dem das Drehen des Oberwagens um die Oberwagen-Drehachse bei ortsfestem Unterwagen durchgeführt wird, auch unabhängig von der

Fahrstrecke gewählt werden kann.

Bei der Ebene, auf der sich der Bagger zur Durchführung des Verfahrens zur Kalibrierung befindet, handelt es sich in

bevorzugten Ausgestaltungsformen um eine horizontale Ebene, Dies muss aber nicht zwingend der Fall sein. Bei bekanntem

Neigungswinkel kann das Verfahren mit dem Bagger auch auf

einer entsprechend gegen die Horizontalen geneigten Ebene

durchgeführt werden,

Bevorzugt 18st auch vorgesehen, dass der Überwagen während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke in Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens ausgerichtet ist. Auch dies ist aber nicht zwingend notwendig. Der Oberwagen kann auch um einen gewissen Drehwinkel um die Oberwagendrehachse reiativ zum Unterwagen gedreht sein, wenn der Bagger zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes entlang der Fahrstrecke fährt, Wichtig i8st nur, dass der Drehwinkel des Cberwagens um die Oberwagendrehachse relativ zum Unterwagen während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke konstant

gehalten wird.

Der wie oben geschildert aufgezeichnete erste Positionsdatensatz enthält in der Regel zumindest die Positionsdaten des Änfangs und des Endes der Fahrstrecke, weiche vom Bagger in der Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes auf der Ebene befahren wird. Bevorzugt ist aber vorgesehen, dass der erste Fositionsdatensatz aus einer Vielzahl von Positionsdaten besteht, welche beim Fahren des Baggers

entiang der Fahrstrecke aufgezeichnet werden.

Auch der zweite Positionsdatensatz enthält bevorzugt eine Abfolge eine Vielzahl von Positionsdaten, welche mit der GNSS-Antenne während des Drehens des Cberwagens um die Oberwagendrehachse relativ zum ortsfest ruhenden Unterwagen auf der Ebene aufgezeichnet wurden. Abgesehen von Messungenauigkeiten Liegen diese FPositionsdaten des zweiten Positionsdatensatzes somit auf einem Kreisseqgment oder einem

vollständigen Kreis,

In der Praxis kann es beim Befahren der Fahrstrecke in Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens zur Aufzeichnung des ersten Positionsdatensatzes zu gewissen Abweichungen von einer idealen, exakt geraden Fahrstrecke kommen. Um diese in der Realität vorkommenden Abweichungen von der exakten Gerade zu korrigieren, sehen bevorzugte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der während der Fahrt des Baggers auf der Fahrstrecke aufgezeichnete erste Positionsdatensatz vor der Berechnung der GNSS-BaggerKoordinatentransformation auf eine Gerade optimiert wird. Tut man dies, so wird also nicht der bei der Befahrung der Fahrestrecke aufgezeichnete, ursprüngliche erste Positionsdatensatz, sondern ein entsprechend optimierter erster Positionsdatensatz für die nachfolgende Berechnung der EGNSS-Bagger-Koordinatentransformation verwendet. Sind die Abweichungen beim Befahren der Fahrstrecke von der idealen Geraden gering, so kam aber auch direkt der beim Befahren aufgezeichnete erste Positionsdatensatz für die Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation verwendet werden. Wird die genannte Optimierung des ersten Positionsdatensatzes durchgeführt, so können hierfür an sich bekannte Optimierungsalgeorithmen wie z.B. ein Gradientenverfahren, eine Kleinste-Quadrate-Methode, eine Quasi-Newton-Mechode, ein Zufallssuchen oder andere, an sich bekannte Algorithmen

verwendet werden.

Auch beim zweiten Positionsdatensatz kann eine entsprechende Optimierung durchgeführt oder auf diese auch verzichtet werden. Es ist also möglich, den, bei ortsfest ruhendem Unterwagen während des Drehens des Oberwagens um die Cberwagendrehachse aufgezeichneten, zweiten Positionsdatensatz direkt für die Berechnung der GNSS-BaggerKoordinatentransformation zu verwenden, Es ist aber genauso

aut möglich, eine entsprechend optimierte Fassung des zweiten

Positionsdatensatzes hierfür einzusetzen, Tut man Letzteres, so kann also vorgesehen sein, dass der, bei ortsfest ruhendem Unterwagen während des Drehens des Cberwagens um die Oberwagendrehachse aufgezeichnete zweite Positionsdatensatz vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation auf ein Kreissegment oder einen Kreis optimiert wird. Auch hier können die oben bereits genannten, an sich bekannten

Algorithmen zur Optimierung eingesetzt werden,

Beim, an die Kalibrierung anschließenden, Normalbetrieb des Baggers ist in bevorzugten ÄAusgestaltungsformen vorgesehen, dass am Oberwagen zusätzlich zu der bereits genannten GNS5SAntenne, welche dann in diesem Fall als erste GNSS-Antenne bezeichnet wird, eine zweite GNSS-Antenne distanziert und in fixer relativer Lage zur ersten GNSS-Antenne auf dem Oberwagen des Baggers fixiert ist, Diese zweite GNSS-Antenne wird für das Verfahren zur Kalibrierung zwar nicht benötigt. Im späteren Normalbetrieb des Baggers können die beiden am Oberwagen befestigten GNSS-Antennen aber dazu benutzt werden, den Gierwinkel und insbesondere den rechtsweisenden Steuerwinkel des Baggers zu bestimmen, Der rechtsweisende Steuerwinkel ist dabei der Winkel zwischen der Bagger-x-Achse des Baggerkoordinatensystems und geografisch Nord. Um diesen mittels der Positionsdaten der beiden GNSS- Antennen bestimmen zu können, muss man lediglich die relative Lage der beiden auf dem Oberwagen fixierten GNSS-Antennen zueinander

kennen. Trotzdem sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 auch mit der zweiten GNS5S-Anteme

durchgeführt werden kann.

Um zusätzlich im späteren Normalbetrieb des Baggers nach der

Kalibrierung auch den Nickwinkel und den Roilwinkel des

Baggers bestimmen und mit einbeziehen zu können, weist der Bagger bevorzugt zusätzlich noch einen am Cberwagen fixierten bevorzugt sechsachsigen Gyrosensor auf, mit dem wie an sich bekannt, das Verkippen bzw. die Drehung um die Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems bestimmt werden kam, Die Lage der drei Achsen des Gyrosensors wird bevorzugt mit Hilfe eines dreiachsigen Beschleunigungssensors bestimmt. Grundsätzlich können Beschleunigungssensor und GYToOsensocr verschiedene Sensoren sein, solange sie dasselbe, nachfolgend als Beschleunigungskoordinatensystem bezeichnete Kocrdinatensystem verwenden. Bevorzugt verwendet man aber beim Stand der Technik an sich bekannte zumindest sechsachsige Gyrosensoren, welche den dreiachsigen Beschleunigungssensor und den dreiachsigen Gyrosensor in einem Sensor umfassen. Solche Sensoren sind am Markt erhältlich. Man kann sogar einen sogenannten neunachsigen Gyrosensor verwenden, welcher zusätzlich noch ein dreiachsiges Magnetometer in einem einzigen Modul mit umfasst. Solche Sensoren sind auch als neunachsige inertiale

Messeinheiten, auch IMUs genannt, bekannt.

Um die Lage des Beschleunigungskoordinatensystems und damit auch die Lage der Achsen des zumindest dreiachsigen Gyrosensors bestimmen zu können, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung der globalen Position und Orientierung eines Baggers dahingehend erweitert werden, dass auf dem Oberwagen des Baggers zusätzlich ein zumindest dreiachsiger Beschleunigungssensor - oder eben gleich ein zumindest sechsachsiger Oyrosensor - mit einem Beschleunigungs-Koordinatensystem angeordnet ist, wobei die Richtung einer ersten Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungs-Koordinatensystem durch eine erste Beschleunigungsmessung mit dem Beschleunigungssensor in einem

yruhenden Zustand des auf einer Ebene stehenden Baggers

bestimmt wird, und der Bagger entlang der Ebene, vorzugsweise beim Fahren entlang der Fahrstrecke, beschleunigt und/oder abgebremst wird, und während des Beschleunigungsvorgangs und/oder des Abbremsvorgangs zumindest eine zweite Beschleunigungsmessung mit dem Beschleunigungssensor durchgeführt wird, wobei die Richtung einer zweiten Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungs-Koordinatensystem durch die zweite Beschleunigungsmessung bestimmt wird und die Richtung der dritten Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungs-Koordinatensystem als Orthogonale auf die erste Achse des Baggerkoordinatensystems und Orthogonale auf die zweite Achse des Baggerkoordinatensysteme bestimmt wird und auf Basis der so bestimmten Richtungen der Achsen des Bagger-Koordinatensystems im BeschleunigungsKocordinatensystem eine Beschleunigungs-BaggerKoordinatentransformation zur Umrechnung von im Beschleunigungs-Koordinatensystem gemessenen Daten in das

Baggerkoordinatensyegtem berechnet und abgespeichert wird.

Auch hier ist die Reihenfolge, ob man zunächst die erste Beschleunigungsmessung oder zunächst die zweite Beschleunigungsmegsung durchführt, egal. Mit der ersten Beschleunigungsmessung im ruhenden Zustand des Baggers wird jedenfalls bevorzugt die Richtung der Schwerkraft als erste

Achse des Baggerkoordinatensystems bestimmt.

Zur Durchführung der zweiten Beschleunigungsmessung kann man nur den Beschleunigungsvorgang oder nur den Abbremsvorgang beim Beschleunigen bzw. Abbremsen des Baggers entlang der Ebene betrachten, Man kann aber auch sowohl den Beschleunigungs- als auch den Abbremsvorgang ZUF weiteren Auswertung heranziehen. Mit der zweiten Beschleunigungsmessung wird jedenfalls bei der bevorzugien

Weiterbildung dieses Verfahrens die Richtung einer zweiten

Achse des Baggerkoordinatensystems im Beschleunigungskoordinatensystem bestimmt. Bevorzugt ist dies die Geradeausfahrtrichtung des Unterwagens. Bevorzugt 18st somit vorgesehen, dass bei der oben genannten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die erste Achse des Baggerkoordinatensystems die Bagger-z-Achse und/oder die zweite Ächse des Baqgerkoordinatensystems die Bagger-x-Achse und/oder die dritte Achse des Baggerkoordinatensystems die Bagger-vy-Achse ist. Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass das Beschleunigungs-Koordinatensystem ein kartesisches

Koordinatensystem ist.

Bei der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation handelt es gich um eine Koordinatentransformation, weiche zur Unterscheidung von der eingangs bereits erwähnten GNSSBaager-Koordinatentransformation eben als BeschleunigungsBagger-Koordinatentransformation bezeichnet wird. Die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation dient dann jedenfalls der Umrechnung der mit dem Beschleunigungssensor und auch mit dem Gyrosensor gemessenen Daten vom Beschleunigungs-Kocordinatensystem in das Bagaerkoordinatensystem, Hierzu kann sie in Form einer Transformationsmatrix aber auch in Form von an sich bekannten anderen Koordinatentransformationen ausgeführt sein. Auf diese Art und Weise können dann die mittels Gyrosensor im Beschleunigungs-Kocrdinatensystem bestimmten Roll- und Nickwinkel des Baggers auch in dessen Baggerkoordinatensystem

umgerechnet und dort dann verwendet werden,

Zur Durchführung der zweiten Beschleunigungsmessung kann der Bagger entlang der Fahrstrecke zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 gefahren werden, Die zweite Beaschleunigungsmessung kann somit in das Verfahren gemäß

Anspruch 1 integriert sein, indem man den Bagger beim

durchzuführen.

Um Sensorrauschen und andere Messfehler bei der Bestimmung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation, und Vorzugsweise auch der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation, zu minimieren, kann eine Optimierung vorgesehen sein. Diese basiert bevorzugt auf einer iterativen Durchführung des nachfolgend genannten Verfahrens im Anschluss an die bislang geschilderten Schritte. Diese Optimierung wird mit zumindest einer Iteration, also einer zumindest zweimaligen Durchführung, vorzugsweise aber mit mehreren Iterationen durchgeführt. Vorzugsweise ist hierzu jedenfalls vorgesehen, dass während der Bagger auf einer Ebene steht, der Cberwagen in zumindest zwei Drehvorgängen um die Oberwagendrehachse gedreht wird, wobei bei jedem der Drehvorgqänge mit der GNSSAntenne Positionsdaten an verschiedenen Positionen der GNSSAntenne aufgezeichnet werden und mit diesen, an den verschiedenen Positionen aufgezeichneten Positionsdaten Für jeden Drehvorgang eine Streuung einer berechneten Lage der Oberwagendrehachse bestimmt wird, wobei durch eine iterative Minimierung dieser Streuung die GNSS-BaggerYoordinatentransformation, und vorzugsweise auch die Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation, optimiert wird bzw. werden, Dieses Verfahren kann mit einem ersten Drehvorgang und zumindest einer Wiederholung, also zumindest einer Iteration, des Drehvorgangs durchgeführt werden, Bevorzugt werden aber mehrere Iterationen durchgeführt, 80

lange bis die Streuung auf ein gewünschtes Maß minimiert ist.

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Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die genannten Verfahrensschritte mit einer entsprechenden Recheneinheit und mit einem entsprechenden Datenspeicher durchgeführt werden können. Diese Recheneinheit kann direkt in den Bagger, 2.B. in Form eines BaggerassistenzsysCems integriert sein. Es ist aber auch möglich, sowohl die Rechenleistung als auch die Datensepeicherung ganz oder teilweise an externe Recheneinheiten auszulagern. Hierzu kann der Bagaer in an sich bekannter Art und Weise über eine kabeigebundene oder kabellose Verbindung mit der externen Recheneinheit in Verbindung stehen, Die Recheneinheit kann jedenfalls auch mit entsprechenden, an sich bekannten Eingabe-Einheiten wie z.B. Tastaturen, Touchscreens, Spracherkennung und dergleichen, wie auch mit entsprechenden Ausgabeeinheiten wie Bildschirmen, Lautsprechern, Touchscreens und dergleichen ausgerüstet sein. Geeignete Recheneinheiten bzw. Computer sind beim Stand der Technik

bekannt und müssen nicht weiter erläutert werden.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen bevorzugten Ausgestaltungsformen betrifft die Erfindung auch, wie eingangs bereits erläutert, einen Bagger, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Dies bedeutet, dass der Bagger alle für die Durchführung des Verfahrens benötigten Komponenten aufweist und diese auch so ausgelegt und programmiert sind, dass das erfindungsgemäße Verfahren und seine bevorzugten Ausgesgtaltungsformen mit

ihnen auch ausgeführt werden kann.

Weitere Merkmale und Einzelheiten bevorzugter Ausgestaltungsformen der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft anhand von schematischen Darstellungen

erläutert, Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zur Durchführung des Verfahrens konfigurierten Baggers auf einer horizontalen Ebene;

Fig. 2 den Bagger aus Fig. 1 auf einer relativ zur Horizontalen geneigten Ebene;

Fig. 3 und 4 Draufsichten auf den Bagger aus Fig, 1;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zu einem GNSSKoordinatensystem;

Fig. & eine Draufsicht, in der die zur Bestimmung des ersten Positionsdatensatzes und des zweiten Positionsdatensatzes benötigten Bewegungen des Baggers schematisiert dargestellt sind;

Fig. 7 eine schematisierte Draufsicht zur Darstellung der Optimierung des ersten Positionsdatensalzes;

Fig. 8 eine schematisierte Darstellung zur Optimierung des zweiten Positionsdatensalzes;

Fig. 9 eine schematisierte Darstellung zur Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation;

Fig. 10 eine schematische Darstellung zur anschließenden Verwendung der GNSS-BaggerKoordinatentransformation;

Fig. 11 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Gierwinkels, des Rollwinkelis und des Nickwinkels;

Fig. 12 eine schematische Darstellung zu einem als sechsachsiger Gyrosensor ausgeführten Beschleunigungssensor;

Fig. 13 eine schematisierte Draufsicht zur Erläuterung der für die Berechnung der Beschleunigungs-BaqgerKoordinatentransformation benötigten zweiten Beschleunigungsmessung des Baggers;

Fig. 14 ein beispielhaft dargestelltes Messergebnis der

zweiten Beschleunigungsmegsundgd;

Fig. 1£ eine schematisierte Darstellung zur Berechnung der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation;

Fig. 16 eine schematisierte Darstellung zur späteren Verwendung der Beschleunigungs-BaggerKoordinatentransformation;

Fig, 17 eine schematisierte Draufsicht au£ den Bagger Zur Darstellung der für die iterative Minimierung der Streuung benötigten Drehbewegung des Bagqggers;

Fig. 18 den Bereich A aus Fig. 17 vergrößert;

In Fig. 1 ist schematisiert ein Bagger 1 dargesteilt, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist und auf einer horizontalen Ebene 12 steht. Im Falle der herizontalen Ebene 12 verläuft der GCravitationsvektor 44 parallel zum Normalvektor 45, so wie dies in Fig. 1 auch dargestellt ist. Auf einer solchen Ebene 12 kann der Bayger 1 die Bewegungen durchführen, die für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungen notwendig sind. Der in diesem Ausführungsbeispiel in der Kabine 62 des Baggers 1 sitzende Baggerfahrer muss für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltungsform die Kabine 62 nicht verlassen. Er benötigt auch keine sonstigen

Hilfemittel.

Der Bagger 1L weist, wie an sich bekannt, einen Unterwagen 2 mit dem Fahrwerk 3 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Fahrwerk 3 um ein Raupenfahrwerk, Es kann sich aber genauso gut um ein an sich bekanntes Fahrwerk mit Rädern, 2.B. mit einer Gummibereifung oder um ein anderes an sich bekanntes Fahrwerk 3 handeln. Der Oberwagen 4 des Baggers 1 ist um die Oberwagendrehachse 65 auf dem Unterwagen 2 drehbar gelagert. Am Oberwagen 4 ist in an sich bekamter

Art und Weise ein Baggerarm 5 bewegbar gelagert, Dieser kann,

wie hier dargestellt, aus zwei aber auch mehr Armgliedern bestehen, welche in an sich bekannter Art und Weise relativ zueinander und relativ zum Oberwagen 4 bewegt werden können. Am vom Oberwagen 4 abgewandten Ende des Baygerarms 5 befindet sich in an sich bekannter Art und Weise das Baggerwerkzeug 42, welches hier als Baggeriöffel dargestelit ist. Natürlich kann es sich auch um andere Baggerwerkzeuge 42 wie z.B.

Sreifer, Meißel usw, handeln.

Der Begriff des Baggers 1 ist weit aufzufassen, Er muss letztendlich eben nur die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und gegebenenfalls auch seiner bevorzugten Ausgestaltungsformen, so weit diese realisiert werden sollen, benötigen Komponenten aufweisen, Die Kabine 62 ist =.B. optional, Es könnte sich auch um einen Bagger 1 handeln, welcher vom Baggerfahrer ferngegteuert wird. Dann

könnte die Kabine 62 eben entsprechend auch entfallen.

Am Oberwagen 4 des Baggers L ist zumindest eine GNSS-Antenmne & fixiert. Bei den hier nachfolgend dargestellten bevorzugten Ausgestaltungsformen eines Baggers 1 ist am Cberwagen 4 zusätzlich noch eine zweite OGNSS-Antenne 47 fixiert. Aus diesem Grund wird hier im Folgenden die GNSS-Antenne 8 auch als erste OGNSS-Antenne 8 bezeichnet. Die beiden GNSS-Antennen 8 und 47 sind in einer £ixen und bekannten relativen Lage

zueinander auf dem Oberwagen 4 des Baqgers 1 fixiert.

In Fig. L ist schematisiert dargestellt, wie die GNSS-Antenne 8 Positionsdaten 10 eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) empfangen kann. Das globale Navigations-Satelilitensystem 9 weist eine Vielzahl von Satelliten 43 auf. Drei davon sind hier schematisiert dargestellt. Wie eingangs bereits erläutert, können für die

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner

bevorzugten Ausgestaltungsform verschiedene, beim Stand der Technik vorhandene und an sich bekannte globale

Navigationssatellitensysteme 3 genutzt werden.

Bevorzugt werden die zur Messung der verschiedenen Daten bzw. Datensätze benötigten Bewegungen des Baggers 1 auf einer horizontalen Ebene 12 ausgeführt. Diese Bewegungen des Baggere 1 können grundsätzlich aber auch auf einer geneigten Ebene 12 ausgeführt werden, so wie dies schematisiert in Fig. 2 dargestellt ist. Bei solchen geneigten Ebenen 12 schließen der Gravitationsvektor 44 und der Normalvektor 45 auf die

Ebene 12 einen Neigungswinkel 46 miteinander ein, der auch

die Neigung der Fhbene 12 gegen die Horizontale wiedergibt.

Wie eingangs bereits erläutert, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass während der Fahrt des Baggers 1 auf der Fahrstrecke 13 der Drehwinkeli 156 des OCberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 relativ zum Unterwagen 2 konstant gehalten wird. Bevorzugte Ausgestaltungsformen sehen hierbei vor, dass der Oberwagen 4 während der Fahrt des Baggers 1 auf der Fahrstrecke 13 in Geradeausfahrtrichtung 14 des Unterwagens 2 ausgerichtet ist, so wie dies in Fig. 3 in einer Draufsicht schematisiert dargestellt ist. Alternativ hierzu ist es, wie in Fig. 4 gezeigt, aber auch möglich, dass der Oberwagen 6 in einem anderen, konstanten Drehwinkel 16 gegen die Geradeausfahrtrichtung 14 des Unterwagens während

der Befahrung der Fahrastrecke 13 gehalten wird,

Unabhängig davon sieht man in den Fig. 3 und 4 auch die beiden, in bekannter Lage voneinander distanziert auf dem Oberwagen 4 fixierten ONSS-Antennen 8 und 47. Zusätzlich ist die Lage der Oberwagendrehachse 5 eingezeichnet. Außerdem sieht man auch den hier in diesem bevorzugten

Ausführungsbeispiel ebenfalls in seiner Position am Oberwagen

4 Fixierten Beschleunigungssensor 31 auf dessen Funktion

weiter hinten noch im Detail eingegangen wird.

Fig. 5 zeigt eine schematisierte Darstellung zu einem, beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt zum Einsatz kommenden kartesischen GNSS-Koordinatensystem 11. Wie an sich bekannt, werden bei globalen Navigationssatellitensystemen $ zunächst Raumkoordinaten gemessen, aus denen die geografische Länge, die geografische Breite und die Höhe des Standortes Über einem definierten Referenzellipsoid berechnet werden. Diese Raumkoordinaten werden bei bevorzugten Ausgestaltungsformen erfindungsgemäßer Verfahren in Positionsdaten 10 in einem kartesischen GNSS-Koordinatensvystem 11 umgerechnet. Diese Umrechnungen sind an sich bekannt. Fig. 5 zeigt hierzu eine gedachte, im Messort tangential auf der Erdoberfläche 48 angeordnete ebene Tangentialfläche 49. Der Ursprung 27 des im Weiteren bevorzugt verwendeten GNSS-Koordinatensystems 11 liegt am Messort in dieser ebenen Tangentialfläche 43. Die GNSS-x-Achse 24 weist bevorzugt in eine Himmelisrichtung, wie hier besonders bevorzugt nach Norden. Die GNSS-z-Achse 25 verläuft bevorzugt vertikal, also parallel zum OGravitationsvektor 44. Die GNSS-y-Achse 26 verläuft bevorzugt orthogonal zur GNSS-x-Achse 24 und zur GNSS-z-Achse 25. Besonders bevorzugt weist die GNSS-y-Achse 26 nach Osten, Wie bereits gesagt, ist ein solches kartesisches GNSSKoordinatensystem 11 aber nur eine bevorzugte Ausgestaltungsform. Jedes andere geeignete GNSSKoordinatensystem 11 kann grundsätzlich für erfindungsgemäße

Verfahren genutzt werden.

Fig. 6 zeigt nun in einer schematischen Draufsicht von oben, wie der Bagger 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Ebene 12 auf der Fahrstrecke 13 in der

Geradeausfahrtrichtung 14 gefahren wird. Dabei wird mit der

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OaNSS-Antenne 8, hier der ersten GNSS-Antemne 8, ein erster Positionsdatensatz 15 im GNSS-Koordinatensystem 11 aufgezeichnet. Wie gesagt, wird während der Fahrt des Baggers % auf der Fahrstrecke 13 der Drehwinkel 16 des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 relativ zum Unterwagen 2 konstant gehalten. Fig. 6 zeigt den Bagger 1 am Anfang 19 und am Ende 20 der Fahrstrecke 132. Eingezeichnet sind beim, sich am Anfang 19 der Fahrstrecke 13 befindenden Bagger 1 auch das GNSS-Koordinatensystem 11 und das Baggerkoordinatensystem 7, In der hier gezeigten bevorzugten Ausgestaltungsformen handelt es sich bei diesen beiden Koordinatensystemen jeweils um kartesische Koordinatensysteme, was, wie eingangs erläutert, aber nicht zwingend so sein muss. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltungsform befindet sich der Ursprung 27 des GNSS-Koordinatensystems 11 in der ersten GNSS-Antenue 8. Die GNSS-z-Achse 25 verläuft hier vertikal. Die GNSS-x-Achse 24 weist bevorzugt nach Norden und die GNSS-y-Achse 26 bevorzugt nach Osten. Auch dies muss, wie erläutert, aber nicht zwingend so sein, Das Baggerkoordinatensystem 7 ist in

iesem bevorzugten Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass die Bagger-z-Achse 22 parallel zur Oberwagendrehachse 6, hier sogar koaxial verläuft. Die Bagger-x-Achse 21 ist in bevorzugten Ausgestaltungsformen, wie hier dargestelit, parallel zur Geradeausfahrtrichtung 14 des Unterwagens 2 angeordnet. Die Bagger-y-Achse 23 verläuft orthogonal zur Bagger-x-Achse 21 und zur Bagger-z-Achse 22. Der Ursprung 28 des Bagger-Koordinatensystems 7 wird bevorzugt so gewählt, dass er im Schnittpunkt der Oberwagendrehachse 6 mit der Ebene 12, auf der sich der Bagger 1 befindet, liegt. Dies ist in Pig. 1 eingezeichnet, Auch auf unebenem Untergrund ist der Ursprung 28 des Baggerkoordinatensystems 7 definiert, da sich die Lage einer Ebene 12 immer aus den Kontaktpunkten des

Fahrwerks 3 des Baggers 1 mit dem jeweiligen Untergrund

ergibt.

Auf der rechten Seite von Fig. 5 ist schematisiert dargestellt, wie der Oberwagen 4 bei ortsfest ruhendem Unterwagen 2 um die Oberwagendrehachse 6 gedreht wird. Dabei wird beim erfindungsgemäßen Verfahren mit der GNSS-Antemne 8 ein zweiter Positionsdatensatz 17 im GNSS-Koordinatensystem 11 aufgezeichnet, Wie eingangs bereits erläutert, erfolgt dieses Drehen des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 5 bei ortsfest ruhendem Unterwagen 2 bevorzugt dann, wenn sich der Bayger 1 am Anfang 19 oder am Ende 20 der Fahrstrecke 13 befindet. Dies muss aber, wie bereits erläutert, nicht zwingend so sein. Es reicht, wenn der Bagger bei dieser

Drehbewegung auf der Ebene 12 steht.

Grundsätzlich ist es möglich, den, wie erläutert, aufgezeichneten ersten Positionsdatensatz 15 und auch den, wie erläutert, aufgezeichneten zweiten Positionsdatensatz 17 in der aufgezeichneten Form für die Berechnung der GNSSBagger-Koordinatentransformation 18 zu verwenden. Da es in der Praxis aber manchmal schwierig ist, den Bagger 1 wirklich exakt geradeaus zu fahren und die GNSS-Antenne 8 beim Drehen des Cberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 auch nicht immer optimal auf einem Kreis bewegt wird, ist in bevorzugten Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass man den ersten Positionsdatensatz 15 und/oder den zweiten Positionsdatensatz 17 vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 optimiert. Fig. 7 zeigt in einer Draufsicht schematisiert die Optimierung des aufgezeichneten, eben nicht gerade verlaufenden ersten Positionsdatensatzes 15 auf eine Gerade 29, Hierfür verwendbare Optimierungsalgorithmen sind in der Mathematik an sich bekannt und eingangs bereits genannt worden.

Anschließend kann der so optimierte erste Pogitionsdatensatz

15 dann für die Berechnung der GNSS-Bagger-

Koordinatentransformation 18 verwendet werden,

Fig. 8 zeigt beispielhaft, dass auch der beim Drehen des Oberwagens 4 um die Cberwagendrehachse 6 aufgezeichnete zweite Positionsdatensatz 17 in der Praxis nicht immer auf einem mathematisch exakten Kreis verläuft. Auch hier bietet es sich an, den zweiten Positionsdatensatz 17 vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 auf einen Kreis 30 zu optimieren, Auch hierfür können die eingangs bereits genannten, in der Mathematik bekannten, Optimierungsalgorithmen verwendet werden. In bevorzugten Ausgestaltungsformen der Erfindung wird damn der so auf einen Kreis 20 oder zumindest ein Kreissegment optimierte zweite Positionsdatensatz 17 zur Berechnung der GNSS-Bagger-

Koordinatentransformation 18 verwendet.

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung zur Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18. Eingangsgrößen hierzu sind der erste Positionsdatensatz 15 und der zweite Positionsdatensatz 17. Der erste Positionsdatensatz 15 enthält, gegebenenfalls entsprechend optimiert, die Positionsdaten 10, die mit der ersten GNSS-Antenne 8 während der Fahrt des Baygers 1 auf der Fahrstrecke 13 aufgezeichnet wurden, Der zweite Positionsdatensatz 17 enthält die, gegebenenfalls optimierten, Positionsdaten 10, welche bei ortsfest ruhendem Unterwagen 2 beim Drehen des Oberwagens 4 um die Oberwagendrehachse 6 mit der ersten GNSS-Antenne 8 aufgezeichnet wurden, Wie aus diesen beiden Datensätzen 15 und 17 eine GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 berechnet werden kann, ist in der Mathematik an sich bekannt und muss nicht weiter erläutert werden. Mit der GNSS-BaggerKoordinatentransformation 18 kännen dann anschließend

jedenfalls, wie in Fig. 10 dargestellt, im GNSS-

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Koordinatensystem Il gemessene Positionsdaten 10 in

Posgitionsdaten 59 im Baugerkoordinatensystem 7 umgerechnet

werden.

Fig. 11 zeigt eine Abbildung des Baugers 1, in der der Gierwinkel 50, der Rollwinkel 51 und der Nickwinkel 52 des Baqggers 1 dargestellt sind. Nachfolgend wird erläutert wie diese Winkel in bevorzugten Ausgestaltungsformen der

Erfindung berücksichtigt werden können.

Der Gierwinkel 50 beschreibt, wie weit der Bagger 1 gegen eine Himmelsrichtung gedreht ist. Bevorzugt wird hier der rechteweisende Steuerwinkel betrachtet, welcher der Winkel zwischen der Bagger-x-Achse 21 des Baggerkoordinatensystems 7 und geografisch Nord ist. Der Rollwinkel 51 ist der Winkel, um den der Bagger 1 um eine Längsrichtung des Unterwagens 2 gekippt ist. Der Nickwinkel 52 beschreibt die Neigung bzw. das Verkippen des Baggers 1 um eine horizontale Querachse,

welche orthogonal zur Längsrichtung des Unterwagens 2 steht.

Der Gierwinkel 50 kann im Normalbetrieb des Baggers 1 in an sich bekannter Art und Weise bestimmt werden, wenn, wie bereits gezeigt und in Fig. 11 auch eingezeichnet, zusätzlich zur ersten GNSS-Antenne 8 eine zweite GNSS-Antenne 47 von der arsten GNSS-Antenne 8S distanziert am Cberwagen 4 des Baggers 1 fixiert ist. Mit Hilfe der bekannten, relativen Lage der beiden GNSS-Sensoren 8 und 47 zueinander kann durch Messung entsprechender Positionsdaten 10 des gicbalen Navigationssatellitensystems 9 mittels der beiden GNSSSensoren 8 und 47 der Gilerwinkel 50 bestimmt werden, Zur Bestimmung von Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 kommen in bevorzugten Ausgestaltungsformen GYyrosenscren zum Einsatz, mit welchen die in Fig. 12 schematisch dargestellte X-

Winkelbeschleunigung 556 und entsprechende Yy-

Winkelbeschleunigung 58 bestimmt werden können, Es handelt sich dabei bevorzugt um am Markt erhältliche, zumindest sechsachsige Gyrosensoren, mit denen sowchl translatorische Begchleunigungen ale auch Winkelbeschlieunigungen in jeweils drei Achsen gemessen werden können, Als solche Gyrosensoren können z.B. sogenannte IMUs, also initiale Messeinheiten, verwendet werden. Diese können, wie am Markt erhältlich, eogar als neunmachsige Sensoren ausgeführt sein, indem sie noch ein dreiachsiges Magnetometer mit umfassen. LeUZLerss wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung aber nicht

benötigt.

Um die zur Bestimmung von Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 benötigten Winkelbeschleunigungen 56 und 58 im späteren Normalbetrieb des Baggers 1 im Baggerkoordinateneseystem 7 verwenden zu können, müssen die in einem Koordinatensystem des Gyrosensors gemessenen Winkelbeschleunigungen 56 und 58 in das Baggerkoordinatensystem 7 umgerechnet werden können, Hierfür benötigt man eine entsprechende Koordinatentransformation. Zur Bestimmung der Lage der drei Achsen des Koordinatensystems des Gyrosensors im Baggerkoordinatensystem 7 reicht es aus, die translatorischen Beschleunigungen zu betrachten. Daher reicht grundsätzlich auch ein dreiachesiger Beschleunigungssensor 31 aus, um diese Koordinatentransformation, welche hier als BeschleunigungsBagaer-Koordinatentransformation 37 bezeichnet wird, berechnen zu können, Das vom Gyrosensor verwendete Kocrdinatensystem wird daher nachfolgend auch als Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 bezeichnet, Es handelt sich um ein kartesisches Koordinatensystem, dessen Ächsen, wie in Fig. 12 auch dargestellt, hier als Beschleunigungs-XAchse 53 als Beschleunigungs-z-Achse 54 und als Beschleunigungs-y-Achse 55 bezeichnet werden. Die xX-

Winkelbeschleunigung 56 bezieht sich, wie in Fig, 12

dargestellt, auf eine Drehung um die Beschleunigungs-X-Achse 53. Die y-Winkelbeschleunigung 58 bezieht sich, wie ebenfalls in Fig. 12 dargestellt, auf eine Drehung um die

Beschleunigungs-Vy-Achse 55.

In den Figuren ist jeweils ein Beschleumnigungssensor 31 eingezeichnet, da dieser für die nachfolgend beschriebene Weiterbildung des Verfahrens zur Kalibrierung ausreicht. Um dann anschließend in der Praxis zur Bestimmung von Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 aber auch die x-Winkelbeschleunigung 56 und die y-Winkelbeschleunigung 58 messen zu können, ist der Beschleunigungssensor 31 in der Praxis aber bevorzugt eben

als ein sechs- oder neunachsiger Gyrosensor ausgeführt.

Wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung der globalen Position und Orientierung eines Baggers 1 dahingehend erweitert werden kann, dass die BeschleunigungsBayger-Koordinatentransformation 37 berechnet werden kann, ist in den Fig. 13 bis 15 veranschaulicht, Fig. 13 zeigt, dass auf dem Oberwagen 4 des Baggers 1 zusätzlich der zumindest dreiachsige Beschleunigungssensor 31 - oder eben gleich ein zumindest sechsachsiger Gyrosensor - mit einem Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 angeordnet ist, wobei die Richtung einer ersten Achse des Baggerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagqger-Zz-Achse 22, im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 durch eine erste Beschleunigungsmessung 33 mit dem Beschleunigungssensor 31 in einem ruhenden Zustand des auf der Ebene 13 stehenden Baggers i bestimmt wird, Bei dieser ersten Beschleunigungsmessung 33 bestimmt der Beschleunigungssensor 31 die Richtung des in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Gravitationsvektors 44, also der

Schwerkraft.

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Für eine, in Fig. 13 schematisiert angedeutete, zweite Beschleunigungsmessung 36 wird der Bagger 1 entlang einer Ebene 12 beschleunigt und/oder abgebremst, um während des Beschleunigungsvorgangs 34 und/oder des Abbremsvorgangs 35, vorzugsweise jeweils, die bzw. eine zweite Beschleunigungsmessung 36 mit dem Beschlieunigungssensor 31 durchzuführen. Aus der zumindest einen zweiten Beschleunigungsmessung 26 kann dann die Richtung einer zweiten Achse des Baggerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-x-Achse 21, im BeschleunigungsKoordinatensvystem 32 bestimmt werden. Die Richtung der dritten Achse des Baygerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-y-Achse 23, im BeschlieunigungsKoordinatensystem 32 kann dann als Orthogeonale auf die erste Achse des Baggerkoordinatensysteme 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-z-Achse 22, und Orthogonale auf die zweite Achse des Baguerkoordinatensystems 7, hier in diesem Beispiel der Bagger-x-Achse 21, bestimmt werden, Auf Basis der so bestimmten Richtungen der Achsen des BaggerKoordinatensvystems 7 im Beschlemigungs-Koordinatensystem 32 kann anschließend die Beschleunigungs-BaggerKoordinatentransformation 37 zur Umrechnung von im Beschleunigungs-Koordinatensystem 32 gemessenen Daten in das

Baggerkoordinatensystem 7 berechnet und abgespeichert werden,

Wie eingangs bereits erläutert, ist bei der beschriebenen Vorgehensweise egal, ob man zunächst die erste Beschleunigungsmessung 32 oder zunächst die zweite

36 durchführt.

Die zweite Beschleunigungsmessung 36 kann, wie eingangs erläutert, gleich in das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 integriert sein, indem man den Bagger 1 beim, in Fig.6

dargestellten, Befahren der Fahrstrecke 13 entsprechend

beschleunigt und/oder abbremst. Es ist aber auch möglich, die zweite Beschleunigungsmessung 36 durch einen separaten Begchleunigungsvorgang 34 und/oder Abbremsvorgang 35 des

Baygers L auf einer Ebene 12 durchzuführen,

Fig. 14 zeigt ein Diagramm, in dem die bei der zweiten Beschleunigungsmessung 36 mit dem Beschleumiqgungssensor 31 gemessene Beschleunigung a gegen die Zeit t aufgetragen ist. Zur Durchführung der zweiten Beschleunigungsmessung 36 kann man nur den Beschleunigungsvorgang 24 oder nur den Abbremsvorgang 35 betrachten, Man kann aber auch sowohl den Beschleunigungsvorgang 34 als auch den Abbremsvorgang 35 Zur

Auswertung heranziehen,

Fig.15 veranschaulicht schematisch, dass mitteis der ersten Beschleunigungsmessung 33 und der zweiten Beschleunigungsmessung 36 die Beschleunigungs-BaggerKoordinatentransformation 37 berechnet und zur weiteren Verwendung im Normalbetrieb des Baggers 1 abgespeichert werden kann. Die Beschleunigungs-BaggerKoordinatentransformatieon 37 dient dann im Normalbetrieb des Baggers der Umrechnung der mit dem Beschleunigungssensor 1 bzw. dem Gyrosensor gemessenen Daten 50 vom BeschleunigungsKoordinatensystem 32 in entsprechende Daten 51 im Baggerkoordinatensystem 7, so wie dies schematisch in Fig. 16 dargestellt ist. Auf diese Art und Weise können dam insbesondere die mittels Gyrosensor im BeschleunigungsKoordinatensystem 32 bestimmten Rollwinkel 51 und Nickwinkel 52 des Baggers 1 auch in dessen Baggerkoordinatensystem 7

umgerechnet und dort verwendet werden, Um Sensorrauschen und andere Messfehler bei der Bestimmung

der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18 und VOrZUgGSWEeLSE

auch der Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation 37

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zu minimieren, kann eine Optimierung vorgesehen sein, Diese basiert bevorzugt auf einer iterativen Durchführung des nachfolgend anhand von Fig, 17 und 18 veranschaulichten Verfahrens im Anschluss an die bislang geschilderten Schritte, Wie eingangs bereits erläutert wird diese Optimierung mit zumindest einer Iteration, also einer zumindest zweimaligen Durchführung, vorzugsweise aber mit mehreren Iterationen realisiert. Fig. 17 zeigt, dass hierzu, während der Bagger 1 auf einer Ebene 12 steht, der Oberwagen 4 in zumindest zwei Drehvorgängen um die Oberwagendrehachse 6 gedreht wird, wobei bei jedem der Drehvorgänge mit der GNSSAntenne 8 Positieonsdaten 10 an verschiedenen Positionen 38 der GNSS-Antenne 8 aufgezeichnet werden. Mit diesen, an den verschiedenen Positionen 38 aufgezeichneten Positionsdaten 10 kann dann für jeden Drehvorgang eine Streuung 39, 40 und 41 einer berechneten Lage der Oberwagendrehachse 6 bestimmt werden, wobei durch eine iterative Minimierung dieser Streuung die GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 18, und vorzugsweise auch die Beschleunigqungs-BaggerKoordinatentransformation 37, optimiert wird bzw. werden, Dieses Verfahren kann mit einem ersten Drehvorgang und zumindest einer Wiederholung, also zumindest einer Iteration, des Drehvorgangs durchgeführt werden, Bevorzugt werden aber mehrere Iterationen durchgeführt, so lange bls die Streuung auf ein gewünschtes Maß minimiert ist. Fig. 18 zeigt den Bereich A aus Fig. 17 vergrößert. In Fig. 18 ist qut zu sehen, wie die Streuung 39, 40 und 41 von Iteration zu

Iteration kleiner wird.

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Legende

zu den Hinweisziffern:

% Bagger

2 Unterwagen

3 Fahrwerk

4 Oberwagen

5 Baggerarm

6 Oberwagendrehachse

7 Baggerkoordinatensystem

8 erste GNSS-AÄAntemnmne

3 globales Navigationssatellitensystem

10 Positionsdaten 11 GNSS-Koordinatensystem 2 Ebene 13 Fahrstrecke 14 Geradeausfahrtrichtung 15 erster Positionsdatensatz 16 Drehwinkel 17 zweiter Positionsdatensatlz 18 GNSS-Bagger-Koordinatentransformation 19 Anfang 20 Ende 21 Bagger-X-Achse 22 Bagger-Zz-Achse 23 Bagger-y-Achse 24 GNSS-x-Achse 25 GNSS-z-Achse 26 GNSS-y-Achse 27 UXSpPprung 2 Ursprung 29 Gerade

30 Kreis

37 38 39 40 AL

42

44 &

46 47 45 459 50 SL 52 53 54 55 56 57 58 55 50 GL

62

30

Beschleunigungssensor Beschleunigungs-Kocordinatensystem erste Beschleunigungsmessung BeschleunigungsSvorgang Abbremsvorgang

zweite Beschleunigungsmessung Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation Position

Streuung

SUEFSUUMT

Baggerwerkzeug

Satellit

Gravitationsvektor Normalvektor

Neigungswinkel

zweite GNSS-AÄAnternne Erdoberfläche

ebene Tangentialfiäche Gierwinkel

Rollwinkel

Nickwinkel Beschleunigungs-x-Ächse Beschleunigungs-z-Achse Beschleunigungs-V-Achse x-Winkelbeschleuniguug z-Winkelbeschleunigung

yv-Winkelbeschleunigung

Positionsdaten Daten

Daten

Kabine

Claims

321

Patentansprüche

1. Verfahren zur Kalibrierung einer globalen Position und Orientierung eines Baggers (1), wobei der Bagger (1) einen Unterwagen (2} mit einem Fahrwerk (3} und einen Oberwagen (4) mit einem Baggerarm (5) aufweist, wobei der Cberwagen (4) um eine Oberwagendrehachse (6) drehbar auf dem Unterwagen {2} gelagert ist und dem Bagger {1} ein Baggerkoordinatensystem (7) zugeordnet ist und auf dem Cberwagen (4) zumindest eine CNSS-Antenne (8) zum Empfang von Positionsdaten (10) zumindest eines globalen Navigationssatellitensystems (9) fixiert ist, wobei mit der GNSS-Antenne {8} die Positionsdaten {10} des globalen Navigationssatellitensystems (9) empfangen werden und diese Positionsdaten (10) in einem GNSSKoordinatensystem (11) aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Bagger (1) auf einer Ebene {12) auf einer Fahrstrecke (3) in einer Geradeausfahrtrichtung {14} des Unterwagens {2} gefahren und dabei mit der GNSS-Antenne (8) ein erster Pesitionsdatensats (15) im GNSS-Koordinatensystem (11) aufgezeichnet wird, wobei während der Fahrt des Baggers {1} auf der Fahrstrecke (13) ein Drehwinkel (16) des ÖOberwagens (4} um die Oberwagendrehachse (6) relativ zum Unterwagen {2} konstant gehalten wird, und wobei bei ortsfest ruhendem Unterwagen (2) der COberwagen (4) um die Oberwagendrehachse {6} gedreht wird, und dabei mit der GNSS-Antenne {8} ein zweiter Positionsdatensatz (17)

im GNSS-Koordinatensystem (11} aufgezeichnet wird und

mit Hilfe des ersten Positionsdatensatzes (15) und des zweiten Pogitionsdatensatzes (17) eine GNSS-BaggerKoordinatentransformation ({18) zur Umrechnung von mit der GNSS-Antenne {8} empfangenen Positionsdaten (10) in das Baggerkoordinatensystem (7) berechnet und

abgespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Drehen des

Oberwagens (4} um die Oberwagendrehachse (6} bei ortsfest ruhendem Unterwagen (2) am Anfang (19) oder am

Ende (20) der Fahrstrecke (13) durchgeführt wird.

‚ Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Baggerkoordinatensystem (7) ein kartesisches Koordinatensystem ist, und das Baggerkoordinatensystem (7) eine parallel zu der Geradeausfahrtrichtung {14} des Unterwagens (2) angeordnete Bagger-x-Achse (21) und eine parallel zur Oberwagendrehachse (6) angeordnete Baggerz-Achse (22) und eine orthogonal zur Bagger-X-Achse {21}

und orthogonal zur Bagger-z-Achse (22) angeordnete

Bagger-y-Achse (23) aufweist.

‚ Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das GNSS-Koordinatensystem (11) ein kartesisches Koordinatensystem ist, und das GNSS-Koordinatensystem {11} eine in eine Himmelsrichtung weisende GNSS-x-Achse {24} und eine vertikal verlaufende ONSS-z-Achse (25) und eine orthogenal zur GNSS-x-Achse (24) und orthogonal zur GNSS-z-Achse (25) angeordnete GNSS-y-Achse (26)

aufweist. ‚ Verfahren nach einem der Ansprüche L bis 4, wobei der rsprung {27} des GNSS-Koordinatenesystems {11} in der

GNSS-Antenne (8) liegt und/oder wobei der Ursprung (28)

33 /44

des Baggerkoordinatensystems (7) in dem Schnittpunkt der

Oberwagendrehachse (6) mit der Ebene (12) liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der, während der Fahrt des Baggers {1} auf der Fahrstrecke {13} aufgezeichnete, erste Positionsdatensatz {15} vor der Berechnung der GNSS-Bagger-Koordinatentransformation

{18} auf eine Gerade (24) optimiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der, bei ortsfest ruhendem Unterwagen {2} während des Drehens des Oberwagens (4) um die Cberwagendrehachse (6) aufgezeichnete, zweite Positionsdatensatz {17} vor der Berechnung der GNSS-RBRagger-Koordinatentransformation (18) auf ein Kreissegment oder einen Kreis (30)

optimiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ebene (12) eine horizontale Ebene ist, und/oder wobei der Oberwagen {4} während der Fahrt des Baggers (1) auf der Fahrestrecke {13) in Geradeausfahrtrichtung (14) des

Unterwagens {2} ausgerichtet ist.

a, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf dem Oberwagen (4) des Baggers (1) zusätzlich ein zumindest dreiachsiger Beschleunigungssensor (31) mit einem Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) angeordnet ist, wobei die Richtung einer ersten Achse des Baggerkoordinatensystems (7) im BeschleunigungsKoordinatensystem {32) durch eine erste Beschleunigungsmessung {33} mit dem Beschleunigungssensor (31} in einem ruhenden Zustand des auf einer Ebene (12) stehenden Baqgqgeres (1) bestimmt

wird, und der Bagger (1) entlang der Ebene (12),

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vorzugsweise beim Fahren entlang der Fahrstrecke {13}, beschleunigt und/oder abgebremat wird, und während des Beschleunigungsvorgangs (234) und/oder des Abbremsvorgangs (35) zumindest eine zweite Beschleunigungsmessung (326) mit dem Beschleunigungssensor (31) durchgeführt wird, wobei die Richtung einer zweiten Achse des Baggerkoordinatensysteme (7) im BeschleunigungsKoordinatensvstem (32) durch die zweite Beschleunigungsmessung (36) bestimmt wird und die Richtung der dritten Achse des Baggerkoordinatensystens {7} im Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) als Orthogonale auf die erste Achse des Baggerkoordinatensystems (7) und Orthogonale auf die zweite Achse des Baggerkoordinatensystems {7} bestimmt wird und auf Basis der so bestimmten Richtungen der Achsen des Baqger-Koordinatensystems (7} im Beschleunigungs-Koordinatensystem {32) eine Beschleunigungs-Bagger-Koordinatentransformation (37) zur Umrechnung von im Beschleunigungs-Koordinatensystem {32) gemessenen Daten (60) in das Baggerkoordinatensystem (7) berechnet und abgespeichert

wird,

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Beschleunigungs-Koordinatensystem (32) ein kartesisches

Koordinatensystem 1sL.

il. Verfahren nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die erste Achse des Baggerkoordinatensvstems (7) die Bagger-z-Achse (22) und/oder die zweite Achse des Baggerkoordinatensystems

{7} die Bagger-x-Achse (21) und/oder die dritte Achse

des Baggerkoordinatensystems (7) die Bagger-y-Achse (23)

ist.

2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei während der Bagger {1} auf einer Ebene (12) steht, der ÖOberwagen (4) in zumindest zwei Drehvorgängen um die Oberwagendrehachse (6) gedreht wird, wobei bei jedem der Drehvorgänge mit der GNSS-Antenne (8) Positionsdaten {10} an verschiedenen Positionen (38) der GNSS-Antenne {8} aufgezeichnet werden und mit diesen, an den verschiedenen Positionen (38) aufgezeichneten Positionsdaten (10) für jeden Drehvorgang eine Streuung (39, 40, 41) einer berechneten Lage der ÖOberwagendrehachse (6) bestimmt wird, wobei durch eine iterative Minimierung dieser Streuung (39, 40, 41) die GNSS-Bayger-Koordinatentransformation (18), und vorzugsweise auch die Beschleunigungs-BaggerKoordinatentransformation {37), optimiert wird bzw.

werden.

13. Bagger {1} der zur Durchführung eines Verfahrens

nach einem der Ansprüche 1 bis 12 konfiguriert ist.