ES3015735T3 - System comprising multiple inertial measurement units - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema que comprende múltiples IMU (1, 2, 3, 4, 5) con al menos una IMU esclava (1, 2, 3, 4) configurada para adquirir y transmitir datos. Además, se proporciona una IMU maestra (5) con una unidad de procesamiento de evaluación, configurada para adquirir datos y recibirlos de la IMU esclava (1, 2, 3, 4), evaluarlos conjuntamente para calcular la cadena cinemática y transmitirlos a una unidad de control electrónico de una máquina conectada al sistema. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema compuesto por varias unidades de medición inercial

La presente invención se refiere a un sistema compuesto por varias unidades de medición inercial (en lo sucesivo denominadas IMU) dispuestas en una excavadora, que pueden medir velocidades de rotación y/o aceleraciones.

Estado de la técnica

Una unidad de medición inercial se compone de varios sensores inerciales, en particular sensores de aceleración, que miden la aceleración en tres dimensiones, y giroscopios que miden las velocidades de rotación, es decir, la velocidad angular, en tres dimensiones. A base de estos datos pueden medirse la posición y la velocidad (angular) de un objeto al que esté fijada la IMU. La determinación de posición se realiza en un sistema de coordenadas global midiendo el vector de la gravedad terrestre en relación con la posición de la IMU. Cuando el objeto se mueve, pueden producirse errores en la medición de los sensores de aceleración, que son compensados por fusión de sensores por medio de los datos de los giroscopios.

En la actualidad, los sistemas IMU se usan para un control automatizado o semiautomatizado de máquinas de trabajo. Las IMU se disponen, por ejemplo, en un brazo de herramienta de la máquina de trabajo, y miden allí la aceleración y la velocidad de rotación. Un ejemplo de uso concreto son las excavadoras, las palas cargadoras y similares, en las que las IMU están dispuestas en el brazo de excavadora y, dado el caso, en el carro superior.

Existen varios enfoques conocidos para el control y la evaluación de las IMU. Por un lado, pueden estar previstas IMU individuales que con la ayuda de la inclinación determinen la posición absoluta del brazo de herramienta. Las IMU individuales actúan independientemente de las demás IMU de la máquina accionada y no reciben datos de ellas. En consecuencia, las IMU individuales mismos no conocen su posición en la máquina de trabajo, de modo que no pueden compensar de forma óptima las aceleraciones que se producen.

Por otra parte, están previstos sistemas combinados de IMU y una unidad de control central adicional. Las IMU están conectadas a la unidad de control central y le envían los datos medidos por las IMU individuales. Los datos pueden ser preprocesados por las IMU o enviados directamente a la unidad de control central como datos brutos, es decir, la aceleración y la velocidad de rotación medidas. Entonces, la unidad de control central calcula a partir de los datos la posición, la velocidad (angular), la inclinación y/o los ángulos intermedios entre las IMU. La unidad de control central es una unidad de control que debe instalarse por separado en la máquina de trabajo o un aparato de control que ya está presente en la máquina de trabajo. Estos sistemas combinados con un aparato de control central adicional suelen ser muy caros y no pueden reequiparse simplemente. Tal solución se dio a conocer, por ejemplo, por el documento US10,724,842B2.

El documento DE102018118147A1 divulga un procedimiento para determinar un ángulo de un aparato de trabajo de una máquina, presentando la máquina un carro inferior y un carro superior giratorio con respecto al mismo, estando el aparato de trabajo fijado al carro superior a través de una articulación giratoria de tal manera que el eje de rotación de la articulación giratoria es ortogonal al eje de rotación del carro superior giratorio, estando el aparato de trabajo provisto de una IMU, es decir, una unidad de medición inercial, que está concebida para detectar una velocidad angular en tres direcciones espaciales que son preferentemente perpendiculares entre sí, y una primera de las tres direcciones espaciales cuya velocidad angular puede ser detectada por la IMU, es paralela al eje de rotación de la articulación giratoria. El procedimiento se caracteriza porque la IMU detecta una velocidad angular que se produce durante un giro del carro superior, y se determina un ángulo del aparato de trabajo con respecto al eje de rotación del carro superior a base de la velocidad angular detectada del carro superior.

El documento US2018/373275A1 divulga un procedimiento para usar retroalimentación de sensor para controlar presiones de fluido en una máquina. Este procedimiento comprende la recepción de una serie temporal de señales procedentes de cada una de una pluralidad de unidades de medición inercial (IMU) que están fijadas a diferentes componentes de la máquina, que indican la aceleración y la velocidad angular de mediciones de movimiento para cada uno de los componentes de la máquina, a los que están fijadas una o varias de la pluralidad de IMU, y la recepción de una señal procedente de al menos un sensor ajeno a la<i>M<u>, que indica al menos una de las siguientes señales: La posición, la velocidad o la aceleración de posibles obstáculos u otras características en un lugar de uso en el que esté operando la máquina, una presión de fluido, un número de revoluciones del motor, una presión de descarga de fluido, una presión máxima de salida de la bomba o una entrada por el operario. El procedimiento comprende además resolver una ecuación cinemática usando las mejores estimaciones de los ángulos de articulación de salida actuales para los componentes de la máquina e información de construcción estructural que caracterizan la máquina, la determinación si se requiere una mayor presión de fluido a un cilindro de accionamiento de fluido que está conectado entre dos de los componentes de máquina, a fin de evitar el calado de uno de los dos componentes de máquina con respecto al otro de los dos componentes de máquina bajo carga después de cada paso de tiempo sucesivo de la serie de pasos de tiempo, o si para un proceso se requiere una adaptación a un apagado de presión para una bomba de fluido en la máquina.

Un procedimiento para controlar el movimiento de una máquina, que se describe en el documento DE102021100324A1, puede incluir la recepción de una pluralidad de señales procedentes de módulos IMU montados en una pluralidad correspondiente de componentes de la máquina, que indican mediciones de orientación y mediciones de movimiento para los componentes de la máquina en los que están montados la pluralidad de módulos IMU. Los módulos IMU contienen un número correspondiente de estimadores de estado y forman una red de malla que está acoplada comunicativamente con un bus de comunicación. El procedimiento también puede incluir la fusión de las señales, la determinación de estimaciones de datos de orientación de salida y datos de movimiento de salida para los componentes de la máquina a base de las señales fusionadas, la determinación de un valor en tiempo real para al menos uno de entre una posición, una velocidad o una aceleración de los componentes de la máquina a base de una evaluación cinemática, y la aplicación del valor en tiempo real determinado en una implementación de un movimiento operativo controlado de los componentes de la máquina.

Se plantea el objetivo de proporcionar un sistema de IMU que trabaje en conjunto, pero que no requiera ningún aparato de control central adicional y que, en particular, haga posible un mejor preprocesamiento de los datos de posición registrados por la IMU.

Divulgación de la invención

Se propone un sistema compuesto por varias IMU dispuestas en una excavadora, que presenta al menos una IMU esclava y una IMU maestra. En concreto, las IMU están conectadas a través de un bus CAN (“Controller Area Network” / bus de área de controlador).

Una de las IMU del sistema está diseñada como IMU maestra, que se diferencia de las IMU esclavas en que presenta una unidad de cálculo de evaluación. Al igual que las IMU esclavas, también la IMU maestra está concebida para registrar datos por sí misma. Los datos son también velocidades de rotación y/o aceleraciones de los objetos en los que está dispuesta la IMU maestra. Además, la IMU maestra está concebida para recibir los datos de la al menos una IMU esclava mencionada anteriormente. Para ello puede usarse la unidad de cálculo de evaluación. Alternativamente, la IMU maestra presenta una unidad de transmisión adicional para recibir los datos de la al menos una IMU esclava. Por medio de la unidad de cálculo de evaluación, la IMU maestra está concebida para evaluar conjuntamente los datos de la al menos una IMU esclava y los datos registrados por ella misma, con el fin de determinar una cadena cinemática. En particular, pueden calcularse las posiciones y los ángulos de la IMU maestra y/o de la al menos una IMU esclava y del objeto en el que está dispuesta la al menos una IMU esclava o la IMU maestra. La unidad de cálculo de evaluación de la IMU maestra es una unidad de cálculo significativamente más potente en comparación con la unidad de transmisión y la unidad de preprocesamiento de la IMU esclava. A continuación, la IMU maestra envía los datos evaluados a un aparato de control de una excavadora conectada al sistema.

La al menos una IMU esclava está concebida para registrar datos y transmitirlos dentro del sistema. Los datos son velocidades de rotación y/o aceleraciones de los objetos en los que está dispuesta la al menos una IMU esclava. Los datos pueden registrarse y transmitirse como datos brutos directamente a partir de la medición. La al menos una IMU esclava presenta una unidad de procesamiento que está concebida para llevar a cabo el preprocesamiento de los datos registrados. Por ejemplo, se puede calcular una matriz coseno-direccional (MCD) a partir de los datos brutos que luego se transmiten. Mediante el preprocesamiento de los datos, que puede realizarse de forma descentralizada en las IMU esclavas, se simplifica la posterior evaluación centralizada. La IMU esclava puede presentar una unidad de transmisión para la transmisión. La IMU maestra le transmite los datos de posición de al menos una IMU esclava.

La IMU maestra puede tener una unidad de transmisión para transmitir los datos calculados a la unidad de control de la excavadora.

Por lo tanto, basta ya con dos IMU, una IMU esclava y una IMU maestra, para realizar el sistema según la invención. Pero también pueden estar previstas varias IMU esclavas conectadas a la misma IMU maestra y le transmiten los datos. En un sistema preferible, todas las IMU excepto una están realizadas como IMU esclavas. Esto reduce los costes, ya que sólo la IMU tiene que disponer de una unidad de cálculo que pueda realizar una evaluación. En la práctica, hasta cuatro IMU esclavas y una IMU maestra han demostrado ser especialmente ventajosas. También son posibles otras configuraciones, por ejemplo, más de cuatro IMU esclavas y una IMU maestra.

También es posible crear sistemas redundantes en los que, por ejemplo, varias IMU esclavas estén dispuestas en el mismo eslabón de la cadena cinemática. También son posibles sistemas parcialmente redundantes en los que, por ejemplo, dos sistemas IMU están montados en una carcasa común y se alimentan a través de una fuente de alimentación y se comunican a través del mismo bus CAN. Estos sistemas redundantes aumentan la seguridad funcional de todo el sistema.

En el sistema, la pluralidad de IMU están conectadas entre sí y los datos son evaluadas conjuntamente. Sin embargo, no es necesaria una unidad de control adicional a la que se conecten las IMU. La evaluación tiene lugar dentro del sistema en la IMU maestra. De esta manera, el sistema se puede implementar fácilmente en la máquina de trabajo, la excavadora, sin necesidad de instalar una unidad de control adicional, por ejemplo en el espacio interior de la máquina de trabajo, o modificar un aparato de control electrónico existente ya en la máquina de trabajo. Preferiblemente, las IMU esclavas sólo están conectadas a la IMU maestra en términos de señales. La IMU maestra puede tener además una interfaz de usuario o estar conectada a una.

Opcionalmente, puede estar previsto al menos un sensor de ángulo que determina el ángulo de un objeto en el que está dispuesto, con respecto a un objeto contiguo de la cadena cinemática. Pueden estar previstos varios tipos de sensores angulares. Un sensor angular está dispuesto preferentemente en el respectivo centro de rotación de los objetos o al menos conectado mecánicamente a él. Este sensor de ángulo está dispuesto en particular al principio de la cadena cinemática. Otro sensor de ángulo está configurado preferentemente como sensor de segmento. Un sensor de segmento normalmente mide en un rango angular inferior a 180° y no tiene que estar dispuesto en el centro de rotación. El sensor de segmento está dispuesto en particular al final de la cadena cinemática, ya que dicho sensor de segmento es menos sensible a las vibraciones y golpes que normalmente se producen al final de la cadena cinemática, especialmente en comparación con una IMU. Los datos del al menos un sensor de ángulo se transmiten a la IMU maestra, donde se incluyen en el análisis. A menudo, la posición angular y la velocidad angular pueden determinarse mejor con el sensor angular que sólo con las IMU. Por ejemplo, la posición angular también puede detectarse en orientación horizontal, lo que no ocurre con las IMU. Esto permite una compensación más precisa de la aceleración centrípeta.

Si están previstas varias IMU esclavas, la IMU maestra puede calcular los ángulos intermedios entre las IMU esclavas individuales y/o la IMU maestra durante la evaluación a partir de los datos evaluados conjuntamente. Alternativamente, la IMU maestra puede calcular el ángulo absoluto de las IMU individuales con respecto a una referencia a partir de los datos evaluados conjuntamente durante la evaluación. En particular, la vertical se utiliza como referencia.

El sistema de IMU según la invención se usa en una excavadora. Las IMU están dispuestas en la excavadora y en su brazo excavador. En general, la IMU maestra puede situarse en cualquier parte de la excavadora. Preferiblemente, la IMU maestra está dispuesta en el carro superior de la excavadora y las IMU esclavas están dispuestas en el brazo de excavadora y, dado el caso, en la herramienta. De esta manera, la IMU maestra puede detectar la posición y la velocidad de rotación del carro superior y, por tanto, del primer eslabón de la cadena cinemática.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra una vista oblicua esquemática de una excavadora que presenta el sistema de IMU según la invención.

La figura 2 muestra una vista en planta desde arriba esquemática de una excavadora de la figura 1.

Formas de realización de la invención

En las figuras 1 y 2 se muestran una excavadora 10 con un carro inferior 11 y con un carro superior 12 que está dispuesto de forma giratoria en el carro inferior 11. En el carro superior 12 está dispuesto un brazo de excavadora 13 que en este caso se compone de cuatro segmentos inclinables entre sí y con respecto al carro superior 12. En el último segmento del brazo excavador 13 está dispuesta como herramienta una pala excavadora 14.

Según la invención, están previstas varias IMU 1, 2, 3, 4, 5 que están implementadas en el carro superior 12 y en el brazo de excavadora 13. En cada segmento del brazo de excavadora está dispuesta una IMU esclava 1,2, 3, 4, que registra una aceleración, en particular relativa a la gravedad terrestre en la dirección X, y una velocidad de rotación del respectivo del brazo de excavadora 13. Las IMU esclavas 1, 2, 3, 4 no presentan ninguna unidad de cálculo de evaluación concebida para la evaluación completa de los datos. Sin embargo, pueden presentar una unidad de procesamiento menos potente, con la que pueden preprocesarse datos brutos. Además, las IMU esclavas pueden presentar una unidad de transmisión con la que se pueden transmitir datos a través de un bus CAN. En el carro superior 12 está dispuesta una IMU maestra 5 que registra una aceleración y una velocidad de rotación del carro superior 12. Las IMU esclavas 1, 2, 3, 4 están conectadas a la IMU maestra 5 a través del bus CAN y envían los datos registrados a la IMU maestra 5. Los datos pueden ser transmitidos directamente como datos brutos grabados o ser preprocesados previamente y ser transmitidos después a la IMU maestra 5 como datos preprocesados, por ejemplo como DCM.

Además, está previsto un sensor de ángulo 6 en el carro superior 12 que está dispuesto en el centro de rotación o conectado mecánicamente de otro modo al centro de rotación y que detecta el ángulo relativo al carro inferior 11 en el plano Y-Z perpendicular a la gravedad terrestre. El sensor de ángulo 6 también está conectado a la IMU maestra 5 y le envía los datos de ángulo. En la conexión entre la cuchara 14 y el brazo de excavadora 13, puede estar previsto un sensor de ángulo adicional, preferiblemente en forma de un sensor de segmento 7, en lugar de la IMU esclava 4 o adicionalmente a ella, que preferiblemente está realizado como sensor de segmento 7. El sensor de segmento 7 mide el ángulo entre la cuchara 14 y la última sección del brazo de excavadora 13 y, para ello, está dispuesto fuera del centro de rotación. El sensor de segmento 7 también está conectado a la IMU maestra 5 y le envía los datos de ángulo. Durante el funcionamiento, en la cuchara de la excavadora 14 se producen fuertes vibraciones y golpes. El sensor de segmento 7 se ve menos afectado por éstas en comparación con la IMU esclava 4. La IMU maestra 5 presenta una unidad de transmisión con la que se reciben los datos de las IMU esclavas 1, 2, 3, 4 y de los sensores angulares 6, 7 a través del bus CAN. Además, la IMU maestra 5 presenta una unidad de cálculo de evaluación con la que se evalúan conjuntamente los datos de las IMU esclavas 1, 2, 3, 4, los datos registrados de la IMU maestra 5 y los datos del sensor angular 6 y, dado el caso, los datos del sensor de segmento 7. Los datos evaluados son transmitidos a una unidad de control (no mostrada) de la excavadora 10 por medio de la unidad de transmisión.

La figura 2 muestra un ejemplo para calcular la velocidad v<2>de la IMU esclava 2 en el segundo segmento del brazo de excavadora 13 (en lo sucesivo, designada por segunda IMU 2) y la velocidad v<5>de la IMU maestra 5 en el carro superior 12. El brazo de excavadora 13 gira junto con el carro inferior 11 por la rotación del carro superior 12. Por tanto, las velocidades v<2>y v<5>son tangenciales a la trayectoria circular sobre la que gira el carro superior 12 y dependen, por tanto, de la velocidad angular w de éste. La IMU maestra 5 determina con los datos adicionales del sensor de ángulo 6 el ángulo del carro superior 12 con respecto al carro inferior 11. Además, la posición absoluta P<5>de la IMU maestra 5 se registra en el sistema de coordenadas global (en la figura 2 sólo se muestra el plano Y-Z). Para ello, la IMU maestra 5 puede determinar su ángulo absoluto en el sistema de coordenadas global. Adicional o alternativamente, el sensor angular 6 puede detectar su posición angular, a partir de la cual puede determinarse la posición P<5>. También se puede detectar el movimiento del tren de rodaje 11 durante el desplazamiento y tener en cuenta el diferente comportamiento de los distintos tipos de accionamiento, como el accionamiento por orugas o el accionamiento por ruedas.

En la figura 2, sólo se considera el caso simple en el que la velocidad v<5>de la IMU maestra 5 es una mera velocidad tangencial al radio del centro de rotación de la excavadora 10. Para calcular la velocidad v<5>de la IMU maestra 5, se usan la posición P<5>de la IMU maestra 5 y la velocidad angular w del carro superior 12 de una manera conocida de por sí. El cálculo se realiza directamente en la unidad de cálculo de evaluación de la IMU maestra 5. La velocidad v<2>de la segunda IMU 2 se calcula también a partir de la posición P<2>de la segunda IMU esclava 2 y de la velocidad angular w del carro superior 12 de una manera conocida de por sí. La posición P<2>de la segunda IMU esclava 2 se calcula a partir de los datos de aceleración y velocidad de rotación registrados de la segunda IMU esclava 2 en el segundo segmento, la IMU esclava 1 en el primer segmento del brazo de excavadora 13 y la IMU maestra 5 en el carro superior 12. Los datos de las IMU esclavas 1, 2 se envían a la IMU maestra 5 y el cálculo se realiza también en la unidad de cálculo de evaluación de la IMU maestra 5. Para calcular la posición P<2>de la segunda IMU esclava 2, la IMU maestra 5 puede calcular el ángulo absoluto de la segunda IMU esclava 2 con respecto al eje X del sistema de coordenadas global. Para el componente de posición en la dirección X en particular, la IMU maestra 5 puede determinar alternativamente el ángulo intermedio entre la IMU maestra 5 y la IMU esclava 1 en el primer segmento y el ángulo intermedio entre la IMU esclava 1 en el primer segmento y la segunda IMU esclava 2. La información sobre la posición P<2>se transmite finalmente desde la IMU maestra 5 a la segunda IMU esclava 2.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Sistema compuesto por varias IMU (1,2, 3, 4, 5) dispuestas en una excavadora (10), con al menos una IMU esclava (1, 2, 3, 4) que está concebida para registrar y transmitir datos,

con una IMU maestra (5) con una unidad de cálculo de evaluación, que está concebida para registrar datos ella misma y para recibir datos de la al menos una IMU esclava (1, 2, 3, 4) y evaluar conjuntamente los datos para un cálculo de una cadena cinemática y transmitir los datos evaluados a un aparato de control electrónico de una excavadora (10) conectada al sistema,caracterizado porquela al menos una IMU esclava (1, 2, 3, 4) presenta una unidad de procesamiento que está concebida para llevar a cabo el preprocesamiento de los datos registrados y porque la IMU maestra (5) transmite los datos de posición de la al menos una IMU esclava (1,2, 3, 4) a ésta, donde los datos de posición transmitidos se integran en el preprocesamiento.

2. Sistema según la reivindicación 1,caracterizado porquela IMU maestra presenta una unidad de transmisión que está concebida para recibir los datos de la al menos una IMU esclava y/o para enviar los datos evaluados a la unidad de control electrónica de la excavadora (10).

3. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado poral menos un sensor de ángulo (6, 7) que determina el ángulo entre dos eslabones de la cadena cinemática.

4. Sistema según la reivindicación 3,caracterizado porqueun sensor angular está dispuesto en un extremo de la cadena cinemática.

5. Sistema según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueestá prevista una pluralidad de IMU esclavas (1, 2, 3, 4) y porque la IMU maestra (5) está configurada para determinar los ángulos intermedios entre las IMU esclavas (1, 2, 3, 4) individuales y/o entre la IMU maestra (5) y las IMU esclavas (1, 2, 3, 4) individuales o los ángulos absolutos de las IMU (1, 2, 3, 4) individuales con respecto a una referencia a partir de los datos evaluados conjuntamente.

6. Sistema según la reivindicación 1,caracterizado porquela IMU maestra (5) está dispuesta en el carro superior (12) de la excavadora (10).