用于控制滑动的系统和方法
【专利摘要】一种用于地面接合牵引装置的自动控制的系统包括指示地面接合牵引装置的速度、机器(10)的加速和机器(10)的俯仰率的传感器(32、33、34)。控制器(30)基于速度确定驱动加速，并且基于加速和俯仰率确定地面加速。控制器(30)至少部分基于操作者输入指令信号以及驱动加速和地面加速之间的差确定指令信号。还提供一种方法。
【专利说明】用于控制滑动的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及控制自推进作业机器的操作参数，更具体地，涉及用于控制和优 化自推进作业机器的履带或轮滑动的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 例如履带驱动机器以及轮式机器的自推进作业机器用于多种任务。这些机器必须 能够在包括不同类型的土壤和地形的多种地面条件下有效作业。在多种作业操作过程中常 常将遇到履带或轮滑动。滑动降低燃料经济性，造成地面接合部件以及动力系的过多磨损， 并可以减小操作者对于机器的控制。
[0003] 美国专利No. 7779947公开一种用于控制机器滑动的系统。加速计可设置成检测 机器的坚直加速。在机器履带滑动时，机器会经历坚直加速，其通过加速计测量。在测量这 种坚直加速时，功率减小信号可以通过机器的控制器产生，以充分减慢履带，以使滑动最小 或消除。
[0004] 以上【背景技术】的描述仅旨在帮助读者。不意图限制这里描述的创新，也不限制或 扩展所描述的现有技术。因此，以上描述不应该用来指示现有系统的任何特殊元件不适用 于这里描述的创新，也不意图指示任何元件在执行这里描述的创新中是关键的。这里描述 的创新的执行和应用通过所附权利要求限定。
【发明内容】
[0005] 在一个方面，一种用于机器的地面接合牵引装置的自动控制的系统包括多个传感 器。驱动传感器能够提供指示地面接合牵引装置的速度的驱动信号。机器上的第一传感器 能够提供指示机器的测量加速的加速信号。机器上的第二传感器能够提供指示机器的测量 俯仰率的俯仰率信号。控制器能够基于驱动信号确定驱动加速，并基于加速信号和俯仰率 信号确定地面加速。控制器还能够比较驱动加速与地面加速，至少部分基于操作者输入指 令信号以及驱动加速和地面加速之间的差确定指令信号，并且将指令信号传递到驱动系统 以控制地面接合牵引装置。
[0006] 在另一方面，提供一种控制机器的地面接合牵引装置的方法。该方法包括通过控 制器接收指示地面接合牵引装置的速度的驱动信号，通过控制器接收指示机器的测量加速 的加速信号，并通过控制器接收指示机器的测量俯仰率的俯仰率信号。驱动加速基于驱动 信号确定，并且地面加速基于加速信号和俯仰率信号确定。驱动加速与地面加速比较。指 令信号至少部分基于操作者输入指令信号以及驱动加速和地面加速之间的差确定。指令信 号从控制器传递到驱动系统以控制地面接合牵引装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1示出根据本发明的机器的示意图；
[0008] 图2示出说明根据本发明的牵引控制过程的流程图；
[0009] 图3示出说明图2的牵引控制过程的另一方面的流程图；
[0010] 图4是来自与本发明一起使用的加速计的信号的示例性性能图；
[0011] 图5是过滤之后的图4的信号的示例性性能图；
[0012] 图6是来自与本发明一起使用的俯仰率传感器的信号的示例性性能图；以及
[0013] 图7是经过图5-6的信号的使用产生的地面加速的估计的示例性性能图。
【具体实施方式】
[0014] 图1示出根据本发明的实施方式的机器10的图示。机器10包括框架12和例如发 动机13的原动机。例如履带15的地面接合驱动机构通过机器10的每侧上的驱动轮14驱 动以推进机器。虽然机器10示出为"履带式"构型，可以使用例如轮式构型的其他构型。另 夕卜，本发明的系统和方法可与适用于本领域的任何机器推进和驱动系机构（包括静液压、 电或机械驱动）一起使用。
[0015] 机器10可包括通过机器10的每侧上的臂17枢转地连接到框架12的铲片16。这 里公开的系统和方法也可使用在具有地面接合铲片的机器之外的机器上。联接到框架12 的第一液压缸21在坚直方向上支承纟产片16,并且允许纟产片16从图1的视点坚直上下运动。 机器10的每侧上的第二液压缸22允许铲片末端23的俯仰角度相对于机器的中心线24改 变。
[0016] 机器10可被构造成使得发动机13驱动液压泵（未示出），液压泵继而驱动液压马 达（未示出）。液压马达可操作地连接到驱动轮14和履带15。液压系统以及驱动轮14和 履带15的操作可以通过包括控制器30的控制系统控制。
[0017] 机器10包括操作者可以从中提供输入以控制机器的驾驶室26。驾驶室26包括一 个或多个输入装置，操作者从中发出指令。操作者可以发出指令以控制机器10的推进和转 向，并操作与机器相关的多种工具。在一些情况下，会希望利用自动控制来帮助或超越操作 者发出的指令。
[0018] 机器10装备有多个传感器，传感器提供指示（直接或间接）履带15的速度（或 速度变化）和机器10的速度（或速度变化）之间的差的数据。例如驱动速度测量传感器 32的驱动传感器可以设置在机器10上。通过驱动速度测量传感器32产生的驱动信号指 示地面接合牵引装置或履带15相对于机器10的速度。换言之，驱动信号指示履带15在机 器10上运动多快。驱动速度测量传感器32可以是液压马达（未示出）上的磁性传感器， 液压马达用来驱动驱动轮14,并因此造成履带15转动。如下面更详细描述，控制器30将来 自驱动速度测量传感器32的驱动信号转换成作为履带15的加速的测量的"履带"加速。
[0019] 例如3轴加速计的第一传感器33可以设置在机器10上。第一传感器33可以用 来提供指示机器10的测量加速的加速信号。例如俯仰率传感器（例如陀螺仪）的第二传 感器34也可设置在机器10上。第二传感器34可以用来提供指示机器10的测量俯仰率的 俯仰率信号。随着机器10运动，测量的俯仰率将指示机器10的俯仰角度的变化率。第一 传感器33和第二传感器34可以安装在铲片16或机器10上的其他位置上。如下面更详细 描述，控制器30将来自第一传感器33的加速信号和来自第二传感器34的俯仰率信号转换 成"地面加速"，"地面加速"是机器10沿着地面或大致平行于机器的中心线24的加速的近 似。
[0020] 控制系统可以设置成以有效方式控制机器10的操作。控制系统可包括电子控制 模块或控制器30。控制器30可接收操作者输入指令信号，并控制操作驱动轮14以及履带 15的液压系统的操作。控制系统可包括一个或多个输入装置，以控制机器10和一个或多个 传感器（包括驱动速度测量传感器32、第一传感器33和第二传感器34)，以提供代表机器 10的多种操作参数的数据和其他输入信号。
[0021] 控制器30可以是电子控制器，其以逻辑方式操作以进行操作、执行控制算法、存 储和取出数据和其他希望操作。控制器30可包括或访问储存器、辅助存储装置、处理器和 运行应用程序的任何其他部件。储存器和辅助存储装置可以是只读储存器（ROM)或随机访 问储存器（RAM)或可以通过控制器访问的集成电路的形式。多种其他电路可以与控制器相 关，例如电源电路、信号调节电路、驱动器电路和其他类型的电路。
[0022] 控制器30可以是单个控制器，或者可以包括一个以上控制器，其布置成控制机器 10的多种功能和/或特征。术语"控制器"指的是以其最广义的含义使用，包括一个或多个 控制器和/或微型处理器，其可以与机器10相关，并可以在控制机器的多种功能和操作中 协作。控制器30的功能可以硬件和/或软件实施，而不考虑功能。控制器30可依赖于与 机器10的操作条件相关的一个或多个数据映射，这些数据映射可以存储在控制器的储存 器内。这些映射的每个可包括表格、图和/或等式形式的数据的集合。控制器30可使用数 据映射来使机器10的效率最大。
[0023] 控制系统和传感器可以被构造成作为用于地面接合牵引装置的牵引控制系统操 作。由此，控制器30可以被构造成接收作为输入值的预定速度或"滑动速度"，高于该速度， 不希望出现地面接合牵引装置的滑动。应该理解到在操作者没有察觉履带或轮滑动的正常 操作的过程中，履带15和地面之间可以出现小或阈值量的滑动。这种阈值量的滑动可以是 大约5% -10%，并且如这里使用，参照驱动加速和地面加速相等或大致相等的情况。换言 之，少量的滑动不认为是驱动加速大于地面加速以及履带速度大于地面速度的情况。
[0024] 在机器10的操作过程中，如下面更详细描述，牵引控制系统可以基于控制器30的 每个监视循环过程中产生的数据上下调整滑动速度。另外，"滑动系数"可以被产生并用来 调整操作者输入指令以减小地面接合牵引装置的速度。滑动系数可以是从零到一百的百分 t匕，使得小于一百的滑动系数的任何值将造成发送到履带15的速度指令的减小（与操作者 输入指令指示的希望输入相比）。
[0025] 机器10可装备有使用者开关（未示出）以启用或停用控制系统的牵引控制行为。 如果牵引控制系统被停用，机器10将根据操作者指令操作，而不考虑机器遇到的操作条 件，例如滑动条件。
[0026] 如果使用者开关被启用，系统将如图2-3的流程图所示操作。在阶段41，操作者提 供操作者输入指令以便在向前或向后方向上推进机器10。在阶段42,控制器确定是否满足 某些预定阈值条件以启用牵引控制系统。一种阈值条件可以是发动机13在预定速度以上 操作。如果发动机13在预定速度以下操作，会希望停用牵引控制系统，因为履带15的实际 滑动的可能性会相对小。
[0027] 另一阈值条件可以是发动机13上的负荷小于预定水平。发动机13的负荷可以通 过控制器30基于发动机的操作条件（包括燃料消耗和操作速度）来确定。在负荷在预定 水平以下时，会希望停用牵引控制系统，因为履带滑动更容易在满负荷操作条件下出现，并 且不太容易在低负荷操作条件下出现。另一阈值条件可以是传感器质量检查，检查中必须 满足传感器的预定初始和操作条件。又一阈值条件可以是机器行驶的速度。如果机器以大 于预定速率行驶，牵引控制器系统可以被停用，因为在机器在预定速率以上行驶时不容易 出现履带滑动。另一阈值条件可以基于预定转向指令的接收。例如，包括一对履带15的机 器10可在某些转弯操作过程中具有比另一履带运动快的履带。应该注意到多种阈值条件 可以根据机器10是否被指令在向前或颠倒方向上操作而不同。其他阈值条件可以根据希 望在控制系统内设置。
[0028] 如果在阶段42没有满足必要的阈值条件，控制器30将在阶段46产生大致等于操 作者输入指令信号的指令信号。换言之，控制器将不执行牵引控制系统的功能，并且大致 等于操作者输入指令信号的指令信号将在阶段47传递到驱动系统以控制地面接合牵引装 置。
[0029] 另一方面，如果在阶段42已经满足必要阈值条件，控制器在阶段43从驱动速度测 量传感器32接收指示履带15的速度的驱动信号。控制器接着在阶段44确定履带的实际或 驱动速度。如果驱动速度大于预定最大启动速度，控制器在阶段45产生等于操作者输入指 令信号的指令信号（阶段46)。预定最大启用速度可以等于或大于滑动速度。在阶段47， 指令信号被传递到驱动系统以控制地面接合牵引装置。
[0030] 如果驱动速度小于预定最大启用速度，可以遵循根据图3的过程"A"。驱动加速基 于驱动速度测量传感器32产生的驱动信号在阶段50确定。为此，由从阶段43接收的驱动 信号确定的驱动速度在阶段50通过控制器30差分以计算驱动加速。如果希望，驱动加速 还可以通过控制器30度量。
[0031] 在阶段51，加速信号通过控制器30从第一传感器33接收。在阶段52,俯仰率信 号通过控制器30从第二传感器34接收。地面加速或机器10的加速在阶段53确定。在此 计算过程中，来自第一传感器33的加速信号可以例如通过高通过滤来过滤。来自第二传感 器34的俯仰率信号可以例如通过低通和高通过滤来过滤。另外，俯仰率信号可以被积分。 过滤的加速信号和过滤和积分的俯仰率信号接着加在一起，以产生沿着地面且大致平行于 中心线24的实际机器或地面加速的近似，如图1所示。通过使用来自第一传感器33的加 速信号和来自第二传感器34的俯仰率信号，系统补偿重力作用以及第一传感器33和第二 传感器34之间的响应率差。
[0032] 参考图4,描述来自第一传感器33的加速信号61的图。该图描述来自第一传感器 33的由线61表示的加速信号，其作为机器10上山或斜坡的模拟运动的时间的函数。在图 5中，图4的加速信号在其进行过滤之后由线62表示。图6描述来自第二传感器34的由 线63表示的俯仰率信号。该图描述来自第二传感器34的俯仰率信号63,其作为图4-5所 示的机器10的相同模拟运动的时间的函数。图7描述通过控制器30产生的由线64表示 的机器10沿着中心线24的估计地面加速。估计地面加速64在过滤、度量和积分之后通过 将图5的过滤加速信号62与图6的俯仰率信号相加来形成。从图4-7可以看出，由于机器 10上山时重力在传感器上的作用，来自第一传感器33和第二传感器34的信号的相加允许 当前系统中的误差的消除或减小。
[0033] 返回图3,在阶段54,驱动加速与地面加速比较。如果驱动加速充分大于地面加 速，控制系统30确定履带15相对于地面滑动。控制器30接着操作以减小履带15的速度。 为此，控制器在阶段55减小滑动系数。因此，滑动系数对于控制器30的每个操作循环减小， 其中驱动加速大于计算的地面加速，因为此条件指示履带15相对于地面滑动。在阶段56， 基于操作者输入指令信号和减小的滑动系数产生指令信号。因此，指令信号至少部分基于 减小的滑动系数和操作者输入指令信号。由于履带15滑动，控制器30的每个操作循环造 成滑动系数减小。在一个例子中，控制器可以大约50Hz的频率操作。因此，滑动系数可相 对快速地减小，直到履带15不再滑动。在产生指令信号之后，它在阶段57传递到驱动系统 以控制地面接合牵引装置。
[0034] 如果驱动加速大于地面加速，该系统可认为是从滑动"复原"。在这种情况下，控制 器30可增加履带15的速度以及滑动系数。
[0035] 如果在阶段54履带15不相对于地面滑动，并且驱动加速不大于地面加速，滑动系 数在阶段58增加。阶段59产生的指令信号基于操作者输入指令信号和增加的滑动系数。 指令信号接着在阶段57传递到驱动系统以控制地面接合牵引装置。
[0036] 通过每次驱动加速大于地面加速时减小滑动系数，履带15的速度被减小，直到速 度最终充分减小，使得履带15不再滑动，并且驱动加速等于或大致等于地面加速。如果希 望，控制器可在多种不同速度和向前和颠倒方向上不同地反作用滑动系数，使得机器10可 在比使用单个滑动系数更窄的范围内操作。
[0037] 在操作中，操作者将经常在一些时间周期内在具有大致一致性表面材料的特殊区 域内进行一系列任务。为了改善履带控制系统的操作，控制器30可"学习"机器操作时所 在的表面材料的性能以及机器操作者的操作性能。这可以通过记录出现履带15的滑动时 的速度作为一系列数据点来实现。在每个操作循环过程中，控制器比较驱动加速与计算的 地面加速。如果驱动加速大于地面加速，履带15相对于地面滑动。控制器30可减小每个 操作循环的滑动系数，直到驱动加速大致等于地面加速。并不出现滑动。控制器30可记录 履带15的速度，并使用这种数据来预测或预计滑动事件会出现的履带速度。
[0038] 滑动事件出现的履带速度可以用来计算新的滑动速度。随着操作者继续操作机器 10,控制器30可通过将新的滑动速度与之前设置或之前计算的滑动速度平均以产生修正 的滑动速度来利用来自每个滑动事件的附加数据。换言之，在驱动加速大致等于地面加速 时，现有或预定滑动速度与履带速度或地面接合牵引装置的速度平均。可以使用此滑动速 度，直到机器10被关闭，或者牵引控制系统被关闭。在一些情况下，如果机器在特殊位置上 怠速，控制器可被构造成使得滑动速度将返回原始或预设滑动速度。如果希望，控制器可在 向前和颠倒方向上利用不同的滑动速度。
[0039] 工业实用性
[0040] 这里描述的系统的工业实用性将容易从以上描述中理解。以上描述适用于具有例 如履带15或轮的地面接合牵引装置的自推进机器。牵引控制系统比较地面接合牵引装置 的速度与机器10的地面速度，以确定是否出现滑动。这通过比较履带15的加速与机器10 的加速来实现。如果履带15的加速显著大于机器10,履带15相对于地面滑动。
[0041] 在一个方面，用于机器10的地面接合牵引装置的自动控制的系统包括多个传感 器。驱动传感器32被构造成提供指示地面接合牵引装置的速度的驱动信号。机器10上的 第一传感器33被构造成提供指示机器的测量加速的加速信号。机器10上的第二传感器34 被构造成提供指示机器的测量俯仰率的俯仰率信号。控制器30被构造成基于驱动信号确 定驱动加速，并且基于加速信号和俯仰率信号确定地面加速。控制器进一步被构造成比较 驱动加速与地面加速，至少部分基于操作者输入指令信号以及驱动加速和地面加速之间的 差确定指令信号，并将指令信号传递到驱动系统以控制地面接合牵引装置。
[0042] 在另一方面，提供一种用于控制机器10的地面接合牵引装置的方法。该方法包括 在控制器30处接收指示地面接合牵引装置的速度的驱动信号、在控制器30处接收指示机 器10的测量加速的加速信号以及在控制器30处接收指示机器的测量俯仰率的俯仰率信 号。驱动加速基于驱动信号确定，并且地面加速基于加速信号和俯仰率信号确定。驱动加 速与地面加速比较。指令信号至少部分基于操作者输入指令信号以及驱动加速和地面加速 之间的差确定。指令信号从控制器30传递到驱动系统，以控制地面接合牵引装置。
[0043] 将理解到以上描述提供本发明的系统和技术的例子。在此方面，本发明的系统可 采用速度和加速传感器，其已经布置在机器上以用于其他控制功能。但是，设想到本发明的 其他应用可在细节上不同于以上例子。即，其他速度和/或加速传感器可以用来导出（直接 或间接）机器加速和可接着用来确定履带滑动的期望机器加速。本发明或其例子的所有参 照意图参照此时描述的特殊例子，并不意图对于本发明的更广泛的范围施加任何限制。相 对于一些特征的区别和贬低的所有言语意图指示这些特征不是优选的，而不使其完全保持 在本发明的范围之外，除非另外指明。
[0044] 这里数值范围的列举只意图用作落入该范围的每个单独数值的单独引用的简便 方法，除非这里另外指明，每个单独数值被结合到说明书中，似乎它们在这里单独引用。这 里描述的所有方法可以任何适当顺序执行，除非这里另外指明或另外与本文明确相反。 [〇〇45] 因此，本发明包括所附权利要求中指出的主题的所有变型和等同，如适用法律所 许可。此外，其所有可能变型中的以上描述的元件的任何组合被本发明所包括，除非这里另 外指明或另外与本文明确相反。
【权利要求】
1. 一种用于具有驱动系统的机器（10)的地面接合牵引装置的自动控制的系统，包括： 驱动传感器（32)，其能够提供指示地面接合牵引装置的速度的驱动信号； 第一传感器（33)，其能够提供指示机器（10)的测量加速的加速信号； 位于机器上的第二传感器（34)，其能够提供指示机器（10)的测量俯仰率的俯仰率信 号；以及 控制器（30)，其能够： 基于驱动信号确定驱动加速； 基于加速信号和俯仰率信号确定地面加速； 比较驱动加速与地面加速； 至少部分基于操作者输入指令信号以及驱动加速和地面加速之间的差确定指令信号； 以及 将指令信号传递到驱动系统以控制地面接合牵引装置。
2. 根据权利要求1所述的用于地面接合牵引装置的自动控制的系统，其中，驱动加速 通过差分驱动信号确定。
3. 根据权利要求1-2中的任一项所述的用于地面接合牵引装置的自动控制的系统，其 中，如果操作者发出预定转向指令，则指令信号等于操作者输入指令信号。
4. 根据权利要求1-3中的任一项所述的用于地面接合牵引装置的自动控制的系统，其 中，驱动传感器测量与地面接合牵引装置操作地相关的马达的速度。
5. 根据权利要求1-4中的任一项所述的用于地面接合牵引装置的自动控制的系统，其 中，地面加速部分通过积分俯仰率信号确定。
6. 根据权利要求1-5中的任一项所述的用于地面接合牵引装置的自动控制的系统，其 中，如果驱动加速大于地面加速，则指令信号小于操作者输入指令信号。
7. 根据权利要求6所述的用于地面接合牵引装置的自动控制的系统，其中，指令信号 至少部分基于根据驱动加速和地面加速之间的差产生的滑动系数。
8. -种用于控制具有驱动系统的机器（10)的地面接合牵引装置的方法，该方法包括： 在控制器（30)处，接收指示地面接合牵引装置的速度的驱动信号； 在控制器（30)处，接收指示机器的测量加速的加速信号； 在控制器（30)处，接收指示机器的测量俯仰率的俯仰率信号； 基于驱动信号确定驱动加速； 基于加速信号和俯仰率信号确定地面加速； 比较驱动加速与地面加速； 至少部分基于操作者输入指令信号以及驱动加速和地面加速之间的差确定指令信号； 以及 将指令信号从控制器（30)传递到驱动系统以控制地面接合牵引装置。
9. 根据权利要求8所述的用于控制机器的地面接合牵引装置的方法，还包括差分驱动 信号以确定驱动加速。
10. 根据权利要求8-9中的任一项所述的用于控制机器的地面接合牵引装置的方法， 还包括测量与地面接合牵引装置操作地相关的马达的速度。
【文档编号】B62D55/18GK104114442SQ201280069548
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年12月4日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】J·加拉韦, T·R·法默 申请人:卡特彼勒公司