用于基于感知系统反馈的挖掘机的操作员辅助特征的制作方法

本申请要求于2014年6月25日提交的美国临时专利申请第62/016,875号的35 U.S.C.§119(e)下的权益，其全部内容和主旨均以引用的方式并入本文，如完全在本文中所提出的。

背景技术：

1. 技术领域

本发明的方面涉及挖掘机，并且更加具体地涉及基于感知系统反馈的使用操作员辅助特征的挖掘机。

2. 相关领域的描述

通常，挖掘机是用于挖掘大量表土和矿物的大型且昂贵的机器。这些挖掘机通常包括多个马达，该多个马达控制挖掘机的多个部件的操作。为了进行操作，挖掘机操作员使用一组控制装置来使多个马达同时操作。由于挖掘机的尺寸以及操作的复杂性，所以操作员必须受过高度训练以便适当地和安全地操作挖掘机。

尽管进行了广泛训练，但操作员在操作挖掘机时通常还是会犯错，这可能造成对挖掘机的损坏，并且导致挖掘机的停工期以及增加的周期时间。操作员能够操作挖掘机的熟练度对挖掘机的生产率有很大贡献。

因此，需要的是用于基于感知系统反馈的挖掘机的操作员辅助特征，该操作员辅助特征可以减小：（a）操作员错误可能对挖掘机造成损坏的可能性，以及（b）挖掘机的停工期和增加的周期时间。

技术实现要素：

简言之，电动绳式铲机的控制系统可以构造为测量与待挖掘的工作面相距的距离。在示例性实施例中，电动绳式铲机的控制系统构造为确认或者在其它方面识别电动绳式铲机附近的拖运卡车。进一步地，该控制系统可以响应于来自操作员的单个命令自动地将挖掘机的斗操纵到已知位置中。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的拉铲挖掘机的透视图。

图2是根据本发明的示例性实施例的电动绳式铲机的透视图。

图3A、图3B和图3C描绘了根据本发明的示例性实施例的电动绳式铲机在挖掘位置与倾倒位置之间的摆动周期。

图4是根据本发明的示例性实施例的挖掘机的控制系统的框图。

具体实施方式

为了促进对本发明的实施例、原理和特征的理解，下文参照在例示性实施例中的实施方式来对本发明的实施例、原理和特征进行解释。特别地，在用于基于感知系统反馈的挖掘机的系统和方法的情况下对本发明的实施例、原理和特征进行描述。

然而，本发明的实施例不限于在所描述的系统或者方法中使用。

在下文描述为组成多个实施例的部件和材料意在是例示性的并且不是限制性的。许多合适的部件和材料可以执行与本文描述的材料相同或者类似的功能，这些部件和材料意在包含在本发明的实施例的范围内。

尽管本文可能描述的系统和方法可以涉及拉铲挖掘机或者电动绳式铲机，但所描述的技术也可以提供在多种其它挖掘机中。

现在参照图1，示出了拉铲挖掘机1的一部分。拉铲挖掘机100包括基座102，该基座102安设在地面10上并且支撑机械室104。该机械室104包括从机械室104下前部突起的吊杆106。该吊杆106包括通过脚部销108连接至机械室的脚部。在示例性实施例中，吊杆106可以借助吊索110保持在期望倾斜角处，该吊索110从吊杆106延伸至安装在机械室104的顶部上的A形框架112。铲斗114可以通过提升绳116悬挂，该提升绳116可以通过桅杆上的滑轮118以便卷绕在机械室104中的提升筒120上。

在操作期间，可以由拖绳122使铲斗114朝着拉铲挖掘机100移动，该拖绳122通过导缆器124并且到机械室104中的拖拉筒126上，该导缆器位于接近吊杆脚部销108。拉铲挖掘机100由行走机构128承载，该行走机构128允许将拉铲挖掘机100从一个地点移动至另一个地点或者使其重新定位。行走机构128包括底板，该底板通常在内部由驱动系统驱动，该驱动系统包括内部马达和齿轮组件。

拉铲挖掘机100主要用于在其工作水平下方挖掘并且在升高水平上倾倒。挖掘周期由五个部分组成：（1）拖拉以进行填充，（2）提升并且摆动以便倾倒，（3）倾倒，（4）下降并且回摆，以及（5）定位铲斗。

拉铲周期开始于：使铲斗下降在深坑中并且将铲斗定位为穿透工作面。将铲斗拖拉到面中使得铲斗可以填充有介质。一旦被填充，就开始提升和拖拉，随后进行摆动，同时铲斗清空沟。当铲斗摆动和上升时，提升和拖拉控制装置之间的适当张力将铲斗筒保持在承载位置中。当靠近倾倒位置时，使摆动控制装置反向以便停止摆动并且允许开始进行拖拉直到铲斗倾斜并且倾倒出铲斗的负载。由于机器的摆动惯性，所以摆动方向在使控制装置反向之后的几秒钟不会改变，从而给予铲斗时间来倾倒而不会延迟。在回摆期间，使提升降低并且使拖拉反向以便开始为下一次负载定位铲斗。使摆动控制装置反向以便停止摆动，并且然后在铲斗安设到位时保持中性。执行这些功能的熟练度对机器的生产率和完成该任务的速度有重大贡献。

图2描绘了示例性电动绳式铲机200。该电动绳式铲机200包括履带202，该履带202用于向前和向后推动电动绳式铲机200且使该电动绳式铲机200转向（即，使机器200转向的过程可以是通过改变左右履带相对于彼此的速度和/或方向来完成）。

电动绳式铲机200包括机器室210和驾驶室212。机器室210能够围绕摆动轴线225摆动或者旋转，例如，以便从挖掘位置移动至倾倒位置。电动绳式铲机200还包括支撑斗240的铲柄230。斗240包括用于倾倒内容物的门242。

电动绳式铲机200还包括：吊索250，该吊索250联接在机器室210与吊杆260之间以支撑吊杆260；提升索252，该提升索252附接至筒，该筒可以定位在机器室210内以使提升索252卷绕以便提起和降低斗240和推进马达（crowd motor）从而使铲柄230延伸和缩回。

当电动绳式铲机200的履带202静止时，斗240可操作成基于三个控制动作来移动：（1）提升，（2）推进，以及（3）摆动。如所指出的，提升控制装置适应于通过卷绕和解绕提升索252来提起和降低斗240。在示例性实施例中，提升索252可以卷绕在由交流（AC）马达驱动的大型筒上，路线通过滑轮（滑车），并且从吊杆260处支撑铲斗组件。此外，推进控制装置可以使铲柄230和斗240的位置延伸和缩回。摆动控制装置使机器室210相对于摆动轴线225旋转（例如，见图3A至图3C）。通过熟练地操纵提升索155和推进铲柄组件，将铲斗控制为填充有介质并且将例如该介质倾倒在拖运卡车中，为挖掘的目的。在倾倒其内容物之前，斗240可以操纵到适当的提升位置、推进位置和摆动位置，以便：（1）确保内容物不会错过倾倒位置270；（2）门242在释放时不会碰撞倾倒位置270；以及/或者（3）斗240不会太高，以致释放的内容物可能损坏倾倒位置270或者引起其它不期望结果。

图3A至图3C描绘了电动绳式铲机200从挖掘位置移动至倾倒位置的示例性摆动角。为了例示的目的，吊杆轴线305和倾倒位置轴线310在图3A至图3C上叠置，其中，摆动轴线225是吊杆轴线305与倾倒位置轴线310的交叉。铲柄轴线305与倾倒位置轴线310之间的角度称为θ。在图3A中，斗240可以挖掘到在挖掘位置320处的工作面315中，并且θ=θ₁。在挖掘之后，电动绳式铲机200开始使吊杆260朝着倾倒位置270摆动。接着，如在图3B中示出的，吊杆260在摆动至倾倒的中途，并且θ=θ₂。在图3C中，吊杆260已经停止在倾倒位置270上，并且门242可以释放以便将斗240内的材料倾倒到倾倒位置270中，此处时θ=θ₃。

图4示出了根据示例性实施例的电动绳式铲机的控制系统400的框图。如所示出的，控制系统400可以包括：处理器402、一个或多个传感器404、用户界面406、一个或多个马达408、以及视觉系统410。在示例性实施例中，处理器402接收来自用户界面406、一个或多个传感器404和视觉系统410的输入信号，并且可以响应地控制一个或多个马达408的操作。

在示例性实施例中，处理器402可以是数字信号处理（DSP）电路、现场可编程门阵列（FPGA）、特定用途集成电路（ASIC）等。处理器402可以是任何定制的或者市场上可买到的处理器、中央处理单元（CPU）、多个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器（呈微芯片或者芯片组的形式）、或者通常用于执行指令的许多装置。处理器402可以包括或者联接至存储器和收发器。处理器402可以无线地或者经由有线连接与多个传感器404通信。

一个或多个传感器404可以包括设置在机器上的多个位置中的各种传感器并且可以监测机器的各种操作条件。例如且非限制性地，机器的操作条件包括但不限于：铲柄的位置、斗的位置、斗中的材料的重量、铲柄上的转矩、摆动位置、推进速度、提升速度、推进角等。在示例性实施例中，处理器402监测从一个或多个传感器404接收到的读数，并且可以主动地限制一个或多个马达408的操作。

例如且没有限制性地，在斗清空时，可以将最大下降速度设定至第一水平，并且在铲斗具有超过阈值的负载时，可以将最大下降速度设定至低于第一水平的第二水平。在这种情况下，处理器402可以基于来自一个或多个传感器404的读数来确定斗中的负载，并且处理器402可以限制最大下降速度。示例性地，如果操作员试图通过例如用户界面408以最大速度下降，则处理器402可以进行覆写并且因此基于检测到的负载来限制最大速度。

在示例性实施例中，视觉系统410可以包括一个或多个雷达传感器和/或一个或多个激光传感器，该一个或多个雷达传感器和/或该一个或多个激光传感器构造为：扫描机器操作处于的环境并且创建包括该操作环境和电动绳式铲机的三维模型。控制系统400的处理器402可以使用该三维模型，与来自一个或多个传感器404的读数结合来控制机器的操作。

当机器在挖掘工作面时位于与该工作面相距理想距离处时，该机器通常以其最高效率进行操作。如果电动绳式铲机位于与工作面相距太远，则斗在其穿过工作面期间可能不会有效地填充并且因此未充分使用。在许多情况下，电动绳式铲机的操作员不能够适当地相对于工作面定位电动绳式铲机，这是因为操作员不能够准确地确定电动绳式铲机与工作面之间的距离。为了克服该问题并且改善性能，在示例性实施例中，机器的控制系统400构造为测量与待挖掘的工作面相距的距离。控制系统400可以使用视觉系统410来确定电动绳式铲机位于与工作面相距多远。在示例性实施例中，控制系统400可以监测与工作面相距的距离并且可以经由用户界面为操作员提供与工作面相距的当前距离。在其它示例性实施例中，可以不将与工作面相距的实际距离提供至操作员，而是用户界面可以向操作员提供指示，指示电动绳式铲机与工作面相距太近或者太远。这些指示可以由处理器储存的用于电动绳式铲机与工作面相距的理想距离的阈值来确定。

在示例性实施例中，挖掘机将材料倾倒到大型拖运卡车中，该大型拖运卡车用于运走该材料。在大多数情况下，这些卡车的运输容量超过电动绳式铲机的斗的容量。相应地，为了填充卡车，电动绳式铲机必须向拖运卡车中倾倒多次负载。在示例性实施例中，单个电动绳式铲机可以在挖掘点处使用各种拖运卡车。在这种情况下，电动绳式铲机的操作员必须能够识别各个拖运卡车的每个的运输容量并且将该卡车填充至卡车的运输容量以便完全地使用每个卡车。通常，操作员可能不能适当地估计卡车的运输容量，并且因此，卡车可能未充分使用或超载。

在示例性实施例中，电动绳式铲机的控制系统300构造为确认或者在其它方面识别电动绳式铲机附近的拖运卡车。在一个实施例中，每个拖运卡车可以包括一个或多个射频识别（RFID）标签，该一个或多个射频识别（RFID）标签可以由控制系统使用来识别拖运卡车以及可选地该拖运卡车的底床。在该实施例中，控制系统300可以使用RFID阅读器312来从RFID标签读取识别号码。控制系统300然后可以使用处理器302来查阅数据库314中的识别号码以便识别拖运卡车的运输容量或者其它期望特征。

在另一个实施例中，控制系统400的视觉系统410可以构造为捕集拖运卡车的图像。处理器402可以将拖运卡车的该图像与储存在数据库414中的一组已知拖运卡车图像作比较以便识别拖运卡车的类型。一旦识别出拖运卡车的类型，处理器就可以使用数据库414来识别该拖运卡车的运输容量或者其它期望特征。

在示例性实施例中，一旦控制系统400确定了拖运卡车的类型及其运输容量，控制系统400就可以经由用户界面406来将该运输容量显示给电动绳式铲机的操作员。此外，用户界面可以构造为：基于运输容量以及由电动绳式铲机倾倒到拖运卡车中的土壤的量来显示拖运卡车的剩余负载容量。

如上文所讨论的，该机器包括多个马达，每个马达控制该机器的多个部件中的一个的操作，并且操作员使用一组控制装置来使多个马达同时操作以便控制该机器的操作。在机器的操作期间在多个点中，操作员将机器的斗或者铲斗操纵到一个或多个已知位置中。例如，在每次移动结束时，可以要求操作员将机器操纵到停放位置中，如在图2中示出的。在另一个示例中，可以要求操作员将机器操纵到卷起位置中，如在图2中示出的，在倾倒斗负载之后且在开始新的挖掘操作之前。当前，机器的所有运动都是同时进行的并且由操作员手动地控制。相应地，为了使斗返回至已知位置，同时避免与吊杆下方的履带或者吊杆上的保险杠接触，操作员通常在降低的速度下操纵机器。

在示例性实施例中，控制系统400构造为：响应于来自操作员的单个命令自动地将电动绳式铲机的斗操纵到已知位置中。在示例性实施例中，已知位置可以包括但不限于：卷起位置、停放位置或者自定义位置。在示例性实施例中，用户界面406可以包括一个或多个已知位置按钮，操作员可以使用该一个或多个已知位置按钮来指导控制系统将电动绳式铲机操纵到已知位置中。在示例性实施例中，可以将一个或多个已知位置预先编程到处理器402的存储器中。此外，控制系统400可以允许用户通过修改默认已知位置或者创建新的已知位置来创建自定义已知位置。

在示例性实施例中，当处理器402接收到命令以将电动绳式铲机操纵到已知位置中时，处理器402确定电动绳式铲机的当前位置并且计算从该当前位置操纵到期望已知位置的最有效的路径。在示例性实施例中，处理器402还可以使用由视觉系统410和/或传感器404所提供的信息来确定从当前位置操纵到期望已知位置所使用的路径。例如，处理器402可以使用视觉系统410来确定在当前位置与期望已知位置之间的所计算出的路径中是否存在任何障碍物。在处理器402确定在当前位置与期望已知位置之间的所计算出的路径中存在障碍物的情况下，处理器402将试图计算在该障碍物周围的替代路径。在没有替代路径可用的情况下，处理器402可以经由用户界面406来通知操作员，即由于障碍物挡路所以不能将电动绳式铲机操纵到期望已知位置中。在示例性实施例中，在电动绳式铲机的自动移动期间，控制系统400可以允许操作员手动地覆写自动移动。

在示例性实施例中，控制系统400减小在使操作员手动地将电动绳式铲机从一个位置操纵到另一个位置中时可能出现的低效性。此外，控制系统400可以确保机器始终被放置在正确已知位置中，同时避免机器的路径中的任何障碍物。另外，控制系统400可以通过使用自动化使机器返回至停放位置或者卷起位置来消除延迟并且增加安全性。

本文所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的并且不意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一（a）”、“一（an）”或者“该（the）”意在还包括复数形式，除非文中清楚地另外指明。应进一步理解，术语“包括（comprises）”和/或“包括（comprising）”当在本说明书中使用时指明所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件、以及/或者部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件、以及/或者其组合的存在或者附加。

对应的结构、材料、行动、以及所有构件或者步骤的等同方案加上所附权利要求书中的功能元件意在包括：用于与如具体要求保护的其它要求保护的元件结合来执行该功能的任何结构、材料、或者行为。本发明的描述已经呈现用于例示和描述的目的，但不意在是详尽的或者将本发明限制为所公开的形式。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域的技术人员是明显的。选择和描述实施例是为了最佳地解释本发明的原理以及实际应用，并且使得本领域的其它技术人员能够针对适合于所设想的特定用途的具有多种修改的多个实施例来理解本发明。

尽管已经以示例性形式公开了本发明的实施例，但对于本领域的技术人员而言，在不背离如在所附权利要求书中列出的本发明的精神和范围以及其等同方案的情况下，可以对本发明的实施例做出许多修改、添加、以及删除。