专利名称：用于相对于机器上的基准位置确定机具上位置的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于相对于机器上的基准位置确定机具上位置的系统和方法。图I中示意性地示出机器100的示例性实施例。机器100可以是移动式机器，其执行某种与工业，如矿业、建筑、耕作、运输或现有技术中已知的任意其它工业，相关的操作。例如，机器100可以是拖拉机或推土机(如图I所示)、铲运机或现有技术中已知的任意其它机器。尽管以下对示例性实施例的详细描述结合推土机对本发明进行了说明，应当理解所述说明同等地适用于本发明在其它这样的机器中的应用。在所示实施例中，机器100包括动力源102、操作员站或舱104,该操作员站或舱包含有操作机器100所需的控制装置，例如，一个或多个用于推进机器100和/或控制其它机器部件的输入装置。机器100还包括机具106，例如，用于移土的刮片、斗、碎土器或铲斗。所述一个或多个输入装置可包括一个或多个设置在舱104内并且可适于接收来自操作员的、表示机具106的希望运动的输入的操纵杆。舱104还可包括用户界面，该用户界面具有用于向操作员传达信息的指示装置并且可包括键盘、触屏、或任意合适的机构用以接收来自操作员的输入从而控制和/或操作机器100、机具106、和/或其它机器部件。机具106可适于接合、伸入、或切割工地表面并且可进一步适于移动土以实施预定的任务。工地可包括，例如矿区、垃圾堆填区、石矿场、建筑工地、或任意其它类型的工地。移动土可以与改变工地处的地形相关并且可包括，例如土方平整操作、刮削操作、整平操作、松散材料移除操作、或工地上的任意其它类型的地形改变操作。在所示实施例中，机具106包括切削刃108，该切削刃在第一端部110和第二端部112之间延伸(在图2中最佳示出)。机具106的切削刃108的第一端部110可代表或限定机具106的右尖端或右边缘，而机具106的切削刃108的第二端部112可代表或限定机具106的左尖端或左边缘。机具106可通过一个或多个液压机构移动，该一个或多个液压机构操作性地连接到舱104中的输入装置。液压机构可包括一个或多个液压升降致动器114和一个或多个液压倾斜致动器116，以用于在各种不同的位置移动机具106，例如，使机具106升起或使机具106降低，使机具106向左或向右倾斜，或使机具106向前或向后俯仰。在所示实施例中，机器100在机具106的每一侧都包括一个液压升降致动器114和一个液压倾斜致动器116。所示实施例具有两个液压升降致动器114 (如图2中所示)，但两个液压倾斜致动器116中仅有一个被示出(仅示出一侧)。
动力源102是向地面接合机构118提供动力的发动机，该地面接合机构适于支撑、转向和推进机器100。动力源102可具体为发动机，例如柴油发动机、汽油发动机、气体燃料动力发动机、或现有技术中已知的任意其它类型的内燃发动机。可设想，动力源102可替代地实施成非燃烧型的动力源(未示出)，例如燃料电池、动力存储装置、或其它合适的动力源。动力源102可产生机械的或电的动力输出，该动力输出可被转化成液压动力，用以向机器100、机具106、机器100的其它部件提供动力。 机器100还包括设置在机具106和地面接合机构118之间的机架或刚性体部120。适于接收和处理位置数据或信号的位置确定系统122可被安装到机器100的刚性体部120上。位置确定装置122可以是全球卫星定位(GPS)系统接收器。如现有技术中广泛已知的，GPS接收器从多个卫星接收信号并且响应性地确定接收器在相对于工地的坐标系123中、即在工地坐标系(site coordinate system)中的位置。工地坐标系123可以是笛卡尔系统，该笛卡尔系统包括X坐标124、y坐标126和z坐标128。在另一实施例中，在本发明的范围内，位置确定系统122可包括其它类型的定位系统，例如激光参照系统。 机器100还包括机具控制系统130，该机具控制系统130操作性地连接到输入装置和液压致动器114、116，用以控制机具106的运动。控制系统130可响应于操作员希望的为使机具106与工地的地势相接合的机具106运动，引导机具106移动到一预定位置或目标位置。控制系统130可部分地基于例如工程设计或工地设计、生产能力或负载最大化措施、或工地设计和生产能力措施的组合，进一步引导机具106移动到一表示自动确定的机具106运动的预定位置或目标位置。为响应于自动确定的运动信号或命令引导机具106使之准确地移动,控制系统130可要求与机器100相关的某些预定的测量数据并且可需要对与操作机器100相关的其它系统和部件执行某些预定的标定/校准。如图I和2中所示，机器100包括竖直维度尺寸A、第一水平维度尺寸B、和第二水平维度尺寸C (在图2中最佳示出)，该第一水平维度尺寸B在一与其中限定竖直维度尺寸A的平面正交或垂直的平面中被限定，该第二水平维度尺寸C在与第一水平维度尺寸B相同的平面中被限定。可想到并可设想，在不脱离本发明的范围的情况下，机器100可实施成具有在其它平面中限定的其它维度尺寸，例如，在相对于水平或竖直平面以预定的非直角或角度(例如四十五度角)取向的平面中限定的维度尺寸。如图3中所示，机具控制系统130包括至少一个操作性地连接到机器100或与机器100相关的传感器300，例如倾斜传感器；至少一个操作性地连接到机具106或与机具106相关的传感器302，例如液压缸位置传感器、转角传感器、或重力参照倾斜传感器；和控制器304。控制器304适于接收来自输入装置、位置确定系统122、和传感器300、302的输入。机具控制系统130还适于基于来自输入装置、位置确定系统122、和传感器300、302的输入控制或引导机具106的运动。例如，控制器304可响应于从平整控制系统(grade control system) 306接收的输入信号引导机具106以使之移动到一预定位置或目标位置，该控制器可引导机具106以使之切割出一预定的平整轮廓或目标平整轮廓。为引导机具106以使之准确地响应于一自动地确定的运动信号、例如平整控制系统306信号移动，控制器304可利用尺寸A、B和C标定平整控制系统306以建立初始机器条件。控制器304可还利用尺寸A、B和C标定机器传感器300和/或机具传感器302。
在所示实施例中，控制器304适于由从位置确定系统122接收的位置信号来确定或导出尺寸A、B和C。控制器304例如可适于确定机器100上的基准点132在坐标系123中的位置。基准点132或基准位置可代表安装到固定的体部120上的GPS接收器122的绝对位置。如图2中所示，控制器304可适于确定机具106的切削刃108上的一个或多个希望点200、202的位置。所述一个或多个希望位置200、202可代表机具106的一部分。在所示实施例中，所述一个或多个希望位置200、202分别代表右边缘110和左边缘112。替代地或附加地，在某些实施例中，一设置在右边缘110和左边缘112之间的中心点204可代表一
希望位置。控制器304可还适于部分地基于基准位置132和一个或多个希望位置200、202确定代表机器100的竖直维度的尺寸A。控制器304可还适于部分地基于基准位置132和一个或多个希望位置200、202确定代表机器100的水平维度的尺寸B和/或尺寸C。替代地或附加地，控制器304可适于确定代表从基准位置132到一个或多个希望位置200、202的 距离的尺寸(未示出)。控制器304可利用已知的算法、例如矢量数学和/或利用自定义的算法、例如自定义的运动学方程导出或确定尺寸A、B和C。工业实用性由以上的说明可容易地理解本文所述的用于相对于机器上的基准位置确定机具上位置的系统和方法的工业应用。尽管所示的机器是履带式拖拉机，但机器可以是任意类型的、执行至少一个与例如矿业、建筑和其它工业应用相关的操作的机器。另外，本文所述的系统和方法可适于大量的机器和任务。例如铲土机、反铲装载机、滑移转向装载机、轮式装载机、机动平土机以及很多其它机器可受益于所述的系统和方法。按照某些实施例，机具控制系统130适于在坐标系123中确定机器100上的基准位置132，以确定在坐标系123中的机器上的第一希望位置200和/或机器上的第二希望位置202并且确定第一希望位置200或第二希望位置202相对于基准位置132的第一或第二相对希望位置。控制系统130还适于部分地基于基准位置132、第一相对希望位置、或第二相对希望位置来确定一表示机器100的竖直维度A的尺寸或表示机器100的水平维度B或C的尺寸。控制系统130还适于利用竖直维度尺寸A或水平维度尺寸B或C被更新。维度尺寸A、B或C可被用于标定其它机器系统、例如平整控制系统306以及相关的传感器、例如机器传感器300和/或机具传感器302。替代地或附加地，维度尺寸A、B或C可随时间改变，例如由于机具106的切削刃108的磨损而改变。例如，因为右边缘110或左边缘112由于磨损而改变，第一希望位置200或第二希望位置202可相对于基准位置132改变。因此，在某些实施例中，控制系统130适于将维度尺寸A、B或C与之前的维度尺寸相比较并且基于该比较来更新控制系统130。图4示出机具控制系统130的示例性实施例以及相对于机器100上的基准位置132确定机具106上的位置的过程(400)。控制器304适于确定坐标系123中的基准位置132 (步骤402)。在某些实施例中，基准位置132可与机器100的刚性体部120上的固定的或恒定不变的点相关联。控制器304可通过使用GPS接收器122来确定基准位置132。GPS接收器122可被安装到机器100的刚性体部120上或者可以是移动式接收器，该移动式接收器为接收基准点132处的位置数据而放置在刚性体部120上并且在之后被从刚性体部120移下以接收机器100的不同点或位置处的位置数据。控制器304适于在坐标系123中确定机器100上的第一希望位置200(步骤404)。第一希望位置200可代表机具106的第一部分，例如，机具106的切削刃108的右边缘110。控制器304确定第一希望位置200相对于基准位置132的第一相对希望位置(步骤406)。控制器304还适于确定坐标系123中的机器100上的第二希望位置202 (步骤408)。第二希望位置202可代表机器100的第二部分，例如，机具106的切削刃108的左边缘112。控制器304确定第二希望位置202相对于基准位置132的第二相对希望位置(步骤410)。控制器304还适于确定表示机器100的竖直维度的尺寸A、表示机器的第一水平维度的尺寸B、或表示机器的第二水平维度的尺寸C (步骤412)。每个维度尺寸A、B和C部分地基于基准位置132、第一相对希望位置或第二相对希望位置中的至少一个。控制器304 利用第一希望位置200、第二希望位置202、第一相对希望位置、第二相对希望位置、竖直维度尺寸A、第一水平维度尺寸B和第二水平维度尺寸C更新机具控制系统130。替代地或附加地，控制器304进行第一相对希望位置与之前的第一相对希望位置的比较或第二相对希望位置与之前的第二相对希望位置的比较中的至少一个，并且根据所述比较来更新第一相对希望位置或第二相对希望位置中的所述至少一个。另外，控制器304可比较维度尺寸A、B和C中的至少一个与之前的维度尺寸并且可部分地基于所述比较更新机具控制系统130。图5不出一机具控制系统130和相对于机器100上的基准位置132确定机具106上的位置的过程的替代的示例性实施例(500)。控制器304适于当机器100处在第一机器地点时确定机器100的刚性体部120上的基准位置132 (步骤502)。控制器304还适于确定当机器100处在第二机器地点时的第一希望位置200 (步骤504)，其中，第一希望位置200代表机具106的右边缘110，该机具106操作性地连接到机器100的刚性体部120。在所示实施例中，控制器304还确定当机器100处在第二机器地点时的第二希望位置202 (步骤506)，其中，第二希望位置202代表机具106的第二边缘112。在某些实施例中，为确定当机器100处在第二机器地点时的第一希望位置200或第二希望位置202，将第一希望位置200或第二希望位置做出标记、例如使用地面上的棍子，并且使机器100从第一机器地点移动到第二机器地点。使机器100从第一地点移动到第二地点帮助解决与多径误差和信号恶化相关的精确度问题，所述多径误差和信号恶化如公知地可能在例如GPS接收器122过于接近干扰接收器和卫星之间的信号传输的金属物体(例如机器)或高的物体时发生。控制器304还适于接收来自操作性地连接到机器100的传感器300、例如倾斜传感器的信号，其中，该信号可表示俯仰或侧倾(roll)数据中的至少一个，并且接收来自操作性地连接到机具106的传感器302、例如液压缸位置传感器的信号，其中，该信号可表示缸数据(步骤508)。控制器304还适于确定第一希望位置200相对于基准位置132的第一相对希望位置(步骤510)和第二希望位置202相对于基准位置132的第二相对希望位置(步骤512)。控制器304确定表不机器100的竖直维度的尺寸A、表不机器100的第一水平维度的尺寸B和表示机器100的第二水平维度的尺寸C(步骤514)。竖直维度尺寸A、第一水平维度尺寸B和第二水平维度尺寸C中的每一个部分地基于基准位置132、第一相对希望位置、第二相对希望位置、俯仰信号、侧倾信号、或液压缸数据信号中的至少一个。控制器304利用第一和第二相对希望位置以及竖直维度尺寸A、第一水平维度尺寸B和第二水平维度尺寸C更新机具控制系统130 (步骤516)。替代地或附加地，控制器304比较第一相对希望位置与之前的第一相对希望位置或第二相对希望位置与之前的第二相对希望位置中的至少一个，并且根据所述比较更新第一相对希望位置或第二相对希望位置中的所述至少一个。另外，控制器304可比较维度尺寸A、B和C中的至少一个与之前的维度尺寸并且可部分地基于所述比较更新机具控制系统130。机具控制系统130、控制器304和平整控制系统306可包括一个或多个控制模块(例如ECM、ECU等)。所述一个或多个控制模块可包括处理单元、存储器、传感器接口和/或 控制信号接口(用于接收和传输信号)。处理单元可代表一个或多个逻辑和/或处理部件，该一个或多个逻辑和/或处理部件由机具控制系统130使用以执行特定的通信、控制和/或诊断功能。例如，处理单元可适于在机具控制系统130内和/或外的装置之间执行路由信息。另外，处理单元可适于执行包括来自存储装置、如存储器的指令。所述一个或多个控制模块可包括多个处理单元，如一个或多个通用处理单元和/或专用单元(例如ASICS、FPGA等)。在某些实施例中，处理单元的功能性可在集成的微处理器或微控制器(包括集成的CPU、存储器和一个或多个外围设备)内实施。存储器可代表一个或多个已知的、能够存储信息的系统，包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁和光存储装置、磁盘、可编程可擦写部件，如可编程可擦写的只读存储器(EPROM、EEPROM等)和非易失性存储器如闪存。应当理解，以上说明提供了本发明系统和方法的示例。然而，可设想，本发明的其它实施方案可以在细节上与上述示例不同。所有对本发明或其示例的引用都旨在引用在该处所讨论的特定示例，而并非意在暗示对本发明的更一般的范围的任意限定。所有相对于某些特征的区别和贬低性的语言都旨在这些特征并非优选的，而并非将其完全地排除在本发明的范围以外，除非另有说明。本文对数值范围的列举仅应当用作独立地表示落在该范围内的每个单独的值的省略方法，除非本文另有说明，每个单独的值都如同在本文中被独立地列举那样并入到本文中。本文所述的所有方法都能以任意合适的顺序执行，除非在本文中另有说明或另有上下文明确反驳。因此，如适用法律所允许的，本发明包括所附权利要求中的主题的所有的改进方案和等效方案。另外，在所有可能变型方案中的上述元素的任意组合都包含在本发明内，除非在本文中另有说明或另有上下文明确反驳。
权利要求
1.一种机具控制系统(130),该机具控制系统设置在机器(100)中用于相对于机器(100)上的基准位置(132)确定机器(100)上的位置，所述机器具有操作性地连接到机器(100)的刚性体部(120)上的机具(106)，所述机具控制系统包括 操作性地连接到所述机具(106)的控制器(304)，所述控制器(304)适于 确定坐标系(123)中的基准位置(132)； 确定坐标系(123)中的、机具(106)上的第一希望位置(200)； 确定第一相对希望位置，其中，所述第一希望位置(200)是相对于所述基准位置(132)的；以及 利用所述第一相对希望位置来更新所述机具控制系统(130)。
2.根据权利要求I所述的机具控制系统(130)，其中，所述控制器(304)还适于 确定所述坐标系(123)中的、所述机具(106)上的第二希望位置(202);和 确定第二相对希望位置，其中，所述第二希望位置(202)是相对于所述基准位置(132)的，和 利用所述第二相对希望位置更新所述机具控制系统(130)。
3.根据权利要求2所述的机具控制系统(130)，其中，所述控制器(304)还适于 确定表示所述机器(100)的竖直维度(A)的尺寸、表示所述机器(100)的第一水平维度(B，C)的尺寸、以及表示所述机器(100)的第二水平维度(B，C)的尺寸，其中，所述竖直维度(A)的尺寸、所述第一水平维度(B，C)的尺寸、以及所述第二水平维度(B，C)的尺寸中的每一个都部分地基于所述基准位置(132)、所述第一相对希望位置、或所述第二相对希望位置中的至少一个；和 利用所述竖直维度(A)的尺寸、所述第一水平维度(B，C)的尺寸、以及所述第二水平维度(B，C)的尺寸更新所述机具控制系统(130)。
4.根据权利要求3所述的机具控制系统(130)，其中，确定所述基准位置(132)包括确定所述机器(100)的所述刚性体部(120)上的基准位置(132)，以及其中，确定所述第一希望位置(200)包括确定所述机具(106)的第一边缘(110)，确定所述第二希望位置(202)包括确定所述机具(106)的第二边缘(I 12)。
5.根据权利要求4所述的机具控制系统(130)，还包括多个GPS接收器，其中，确定所述基准位置(132)包括使用安装到所述机器(100)的刚性体部(120)上的多个GPS接收器中的一个GPS接收器(122)。
6.根据权利要求2所述的机具控制系统(130)，其中，所述控制器(304)还适于 进行所述第一相对希望位置与之前的第一相对希望位置的比较或所述第二相对希望位置与之前的第二相对希望位置的比较中的至少一个；和 根据所述比较更新所述第一相对希望位置或所述第二相对希望位置中的所述的至少一个。
7.一种用于相对于机器(100)上的基准位置(132)确定机器上的位置的方法，所述方法包括 当所述机器(100)处在第一机器(100)地点时确定所述机器(100)的刚性体部(120)上的基准位置(132)； 当所述机器(100)处在第二机器(100)地点时确定第一希望位置(200)，其中，所述第一希望位置(200)代表机具(106)的第一边缘(110)，所述机具操作性地连接到所述机器(100)的所述刚性体部(120)； 当所述 机器(100)处在所述第二机器(100)地点时确定第二希望位置(202)，其中，所述第二希望位置(202)代表所述机具(106)的第二边缘(112)； 从操作性地连接到所述机器(100)的传感器接收信号，其中，所述信号表示俯仰数据、侧倾数据、或液压缸数据中的至少一个； 确定第一相对希望位置，其中，所述第一希望位置(200)是相对于所述基准位置(132)的； 确定第二相对希望位置，其中，所述第二希望位置(202)是相对于所述基准位置(132)的； 确定表示所述机器(100)的竖直维度(A)的尺寸、表示所述机器(100)的第一水平维度(B，C)的尺寸、以及表示所述机器(100)的第二水平维度(B，C)的尺寸，其中，所述竖直维度(A)的尺寸、所述第一水平维度(B，C)的尺寸、以及所述第二水平维度(B，C)的尺寸中的每一个都部分地基于所述基准位置(132)、所述第一相对希望位置、所述第二相对希望位置、所述俯仰信号、所述侧倾信号、或所述液压缸数据信号中的至少一个；和 利用所述第一相对希望位置、所述第二相对希望位置、所述竖直维度(A)的尺寸、所述第一水平维度(B，C)的尺寸、以及所述第二水平维度(B，C)的尺寸更新机具控制系统(130)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述基准位置(132)包括确定所述机器(100)的所述刚性体部(120)上的基准位置，其中，确定所述基准位置(132)、所述第一希望位置(200)、或所述第二希望位置(202)中的至少一个包括使用多个GPS接收器，以及其中，确定所述基准位置(132)包括使用安装到所述机器(100)的刚性体部(120)上的多个GPS接收器中的一个GPS接收器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述机器(100)的刚性体部(120)上的基准位置(132)包括当所述机器(100)处在第一机器(100)地点时确定所述基准位置(132);以及 其中，确定所述第一希望位置(200)或确定所述第二希望位置(202)包括当所述机器(100)处在第二机器(100)地点时确定所述第一或第二希望位置(200、202)，以及所述第一或第二希望位置(200、202)实施成一表面上的标记。
10.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括 进行所述第一相对希望位置与之前的第一相对希望位置的比较或所述第二相对希望位置与之前的第二相对希望位置的比较中的至少一个；和 根据所述比较更新所述第一相对希望位置或所述第二相对希望位置中的所述的至少一个。
全文摘要
本发明一方面涉及用于相对于机器上的基准位置确定机器上的位置的方法。该方法包括确定一坐标系中的基准位置；确定坐标系中的、机器上的第一希望位置；以及确定相对于基准位置的第一相对希望位置。该方法还包括利用第一相对希望位置更新控制系统。
文档编号E02F9/20GK102770606SQ201180011043
公开日2012年11月7日 申请日期2011年2月22日 优先权日2010年2月26日
发明者E·J·迪施曼, R·A·金登, S·R·克劳泽 申请人:卡特彼勒公司