机具的等级管理系统的制作方法

本公开涉及用于施工车辆的等级管理系统。更具体地，本公开涉及一种为与施工车辆相关联的机具提供方向引导的系统，该方向引导至少包括用于受控或受引导的挖掘的深度(或z方向)。

技术实现要素：

在一个方面，本公开提供了一种等级管理系统，该等级管理系统被配置为控制挖掘的深度，该等级管理系统包括车辆，该车辆包括联接到机具的臂组件和联接到臂组件的机具位置传感器，该机具被配置为挖掘到地面中，机具位置传感器配置成检测机具相对于车辆的位置，其中机具位置传感器配置成响应于用机具挖掘地面，检测机具相对于车辆的位置并确定机具的任何部分是否到达进入地面中的目标深度。

在另一方面，本公开提供了一种控制利用车辆挖掘到地面中的深度的方法，该方法包括：选择挖掘到地面中的目标深度，检测机具相对于车辆的位置，使用机具相对于车辆的被检测到的位置来指定机具初始位置，确定从机具初始位置到地面的距离，至少基于机具到达挖掘到地面的目标深度时机具相对于车辆的位置确定机具最终位置，开始用机具进行挖掘，在挖掘期间监测机具相对于车辆的位置，并确定机具相对于车辆的被检测到的位置是否与机具最终位置一致。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1是包括机具的施工车辆的示例的第一侧视图，其中以虚线示出了几个看不见的部件的部分。

图2是图1的施工车辆的相反的第二侧视图，其中，以虚线示出了隐藏在视图之外的若干部件的部分。

图3是图1的施工车辆的一部分的示意性布局，示出了定位成在车辆运行期间用于数据采集的传感器。

图4是图1的施工车辆的俯视示意图，示出了相对于车辆运行时所在的地面来测量车辆位置时所沿着的轴线。

图5是用于控制图1所示的施工车辆的挖掘深度的等级管理系统的实施例的流程图。

在详细解释本公开的实施例之前，应理解的是，本公开不限于其在以下描述中阐述的或在附图中示出的构造细节和部件布置中的应用。本发明能够支持其它实施例并且以各种方式被实践或被执行。

具体实施方式

本申请涉及术语“施工车辆”或“车辆”，但示出了紧凑型履带式装载机。应当理解，术语“施工车辆”和“车辆”可包括紧凑型履带式装载机或滑移转向装置(或滑移装载机或滑移型装载机)。此外，“施工车辆”和“车辆”可以包括任何其他合适的车辆或设备，其可以配置成操作挖掘、钻孔、挖沟或以其他方式移动或移除材料的机具，并且有利的是，控制机具的长度和/或正在产生的空间的深度。作为非限制性示例，“施工车辆”或“车辆”可包括具有铲斗的或用于挖掘、钻孔、挖沟或以其他方式移动材料的其他合适的机具的反铲挖土机。作为另一个非限制性示例，“施工车辆”或“车辆”可以包括具有挖沟机的或用于挖掘、钻孔、挖沟或以其他方式移动材料的其他合适的机具的农用拖拉机。在一些实施例中，本文公开的系统适合于在具有用于挖掘、钻孔、挖沟或以其他方式移动或移除材料的一个或多个机具的设备上应用或与该设备一起使用。

本申请还涉及术语“机具”，但是将该机具示为用于挖掘孔的螺旋钻附件。应当理解，术语“机具”可包括螺旋钻或螺旋钻附件，但不限于螺旋钻或螺旋钻附件。术语“机具”可包括铲斗(或铲斗附件)，挖沟机(或挖沟机附件)，或配置成挖掘、钻孔、挖沟或以其他方式移动或移除材料的任何其他合适的机具或装置。“机具”可以是可拆卸的或可以永久地附接到车辆上。此外，“机具”可包括可与本文所公开的系统一起使用的任何合适的工具或装置，以允许至少一个孔的精确定位，和/或对所挖孔、沟槽、挖空区域、如本文所述的其他凹陷的深度的控制。

如本文所使用的术语“计算”(或“推算”和“被计算”)是参考由所公开的系统执行的计算被使用的。该术语包括计算、确定和估算。

现在参考附图，图1-2示出了作为紧凑型履带式装载机示出的施工车辆10(或车辆10)的实施例。具体参考图1，车辆10包括机架14。轮组件18连接到机架14。轮组件18被示出为连续的履带。轮组件18包括由主动轮26、30驱动的连续的履带行走带22(或连续的履带22或履带板22)。车轮组件18还包括多个行轮34a、34b(或负重轮34a、34b)。虽然未示出，轮组件18还可包括一个或多个惰轮(或链轮)，所述一个或多个惰轮(或链轮)可辅助张紧和/或引导连续的履带22。在其他实施例中，轮组件18可包括多个轮，比如在滑移转向装置上的多个轮。应该理解的是，图1中所示的轮组件18包括在车辆10的相反侧的部件的镜像(被图示，但在图2中未被编号)。

发动机(未示出)联接到机架12，并且可操作以移动车辆10。更具体地，发动机配置成驱动轮组件18(例如，驱动主动轮26、30等)。这有利于车辆10沿着地面38的运动，例如车辆10横穿的地表，地形或任何其他地貌。驾驶室42联接到机架14。驾驶室42限定适于容纳操作车辆10的至少一个人的空间。

参考图1和图2，车辆10包括臂组件46。臂组件46包括第一悬臂50(如图1所示)和第二悬臂54(如图2所示)。第一悬臂50是第二悬臂54的镜像。每个悬臂50、54包括多连杆结构，以便于悬臂50、54的运动。更具体地，每个悬臂50、54包括：第一连杆58a、58b，第二连杆62a、62b，以及第三连杆66a、66b。第一连杆58a、58b在一端通过第一销70a、70b联接到机架14，并且在相反端通过第二销74a、74b联接到第二连杆62a、62b。第二连杆62a、62b通过第三销78a、78b联接到第三连杆66a、66b的一端。第三连杆66a、66b的与第一端相反的第二端通过第四销82a、82b联接到机架14。第一缸86a、86b在一端联接至机架14，并在相反端联接到第二连杆62a、62b。第一缸86a、86b是液压缸86。每个销70a、70b、74a、74b、78a、78b、82a、82b限定旋转轴线，以便每个相应的悬臂50、54在第一缸86a、86b的相应的伸出或缩回期间进行向上和向下运动。虽然臂组件46的所示实施例包括多个连杆，更具体地，每侧上有三个连杆58a、58b、62a、62b、66a、66b，但在其他实施例中，臂组件46可包括任何合适数量的连杆，其被设置成任何适当的定向或定位以抬高和/或降低悬臂50、54的。此外，在其它实施例中，臂组件46可在每侧包括多个缸86a、86b，以便于臂组件46的运动。此外，在其他实施例中，臂组件46可包括由可伸出和/或缩回的多个顺序的连杆(例如，诸如挖掘机，反铲挖土机等)限定的单个悬臂。

机具90联接到臂组件46的机具端94。机具90在第五销98处联接到臂组件46，更具体地，联接到悬臂50、54。第二缸102a、102b在每个悬臂50、54和机具90之间延伸，以便于机具90相对于臂组件46的运动(例如，机具90可以绕由第五销98限定的枢转轴线枢转)。在所示实施例中，机具90被图示为螺旋钻附件90。螺旋钻附件90包括安装板104(或控制表面104)。驱动组件106联接到安装板104。驱动组件106配置成旋转螺旋钻110。驱动组件106被示出为驱动螺旋钻110的皮带传动系统。在其他实施例中，驱动组件106可以包括单独的马达或配置成旋转螺旋钻110的任何其他合适的驱动器。螺旋钻110从安装板104延伸(或突出)。安装板104包括安装部分，该安装部分提供将每个第二缸102a、102b的一端联接到螺旋钻附件90的附接位置(未示出)。安装板104还限定了销接收孔(未示出)，该销接收孔构造成接收第五销98，便于将螺旋钻附件90联接到臂组件46(更具体地，联接到悬臂50、54)。

如图2所示，螺旋钻110包括螺旋钻尖端114(或第一端114)，螺旋钻尖端114与螺旋钻基部118(或第二端118)相反。螺旋钻基部118是螺旋钻110的与基板104接触的部分(或螺旋钻110的与安装板104的螺旋钻侧对齐的部分)。螺旋钻尖端114和螺旋钻基部118之间的距离限定了螺旋钻长度122。换句话说，螺旋钻长度122是螺旋钻110的从安装板104突出的长度。螺旋钻长度122可以是任何合适的长度，并且可以根据附接到车辆10的相关螺旋钻110而改变。

图3示出了用于车辆10的传感器装置的实施例的示意图。传感器装置提供传感器数据，该传感器数据由等级管理系统200(或深度控制系统200)利用，以识别用于挖掘的精确位置、计算机具90相对于地面38(或地表38)的定向或方位、和/或控制挖掘深度以限制过度挖掘。

车辆10包括车辆位置传感器126，其被图示为全球定位系统(gps)接收器126。在图4中，车辆gps接收器126被示出为定位在驾驶室42上。在其他实施例中，车辆gps接收器126可定位在车辆10的任何合适位置上(例如，在机架14上，在臂组件46上等)。gps接收器126可以提供与车辆10的位置有关的实时位置数据(或位置信息)。

车辆10还包括机具位置传感器组件，机具位置传感器组件被配置为计算机具90相对于车辆10的位置(或定向、方位或姿态)。机具位置传感器组件可包括一个或多个缸位置传感器130、134、一个或多个销旋转传感器138和/或至少一个惯性测量单元142中的一种或多种。机具位置传感器组件一起可以计算车辆10相对于地面38(或者地表38)的定向或方位(或姿态)，以及机具90相对于车辆10的相关位置(或定向、方位或姿态)。在其他实施例中，机具位置传感器组件可以计算机具90相对于地面38(或地表38)的不依赖于车辆10的定向或方位(或姿态)。虽然图示的机具位置传感器组件包括多个缸位置传感器130、134、多个销旋转传感器38和惯性测量单元142，但是在其它的实施例中，机具位置传感器组件可以包括适合于计算机具90相对于地面38(或地表38)的位置(或定向、方位或姿态)的传感器的任何组合。

如图3所示，一个或多个缸位置传感器130、134可与每个缸86、102相关联，以检测相关缸86、102的位置。例如，传感器130、134可以是用于检测缸中的压力的压力传感器，缸中的压力与缸伸出(或缩回)位置相关。作为另一示例，传感器130、134可以是长度检测传感器，长度检测传感器检测伸出(或缩回)的缸的长度。在其他实施例中，传感器130、134可以是适合于检测缸的位置以便于通过臂组件46的位置计算机具90的位置的任何传感器。如图4所示，第一缸86a、86b分别包括相关的第一缸位置传感器130a、130b，且第二缸102a、102b分别包括相关的第二缸位置传感器134a、134b。应当理解，与臂组件46和/或机具90相关联的每个缸可包括相关联的传感器130、134。在其他实施例中，不是所有的与臂组件46和/或机具90相关联的缸都相关联的传感器130、134。在缸位置传感器130、134是压力传感器的实施例中，传感器可用于检测机具90(例如，螺旋钻110等)对地面38(或地表)的冲击。

一个或多个销旋转传感器138可以与臂组件46的一个或多个销70、74、78、82相关联。更具体地，销70a、70b、74a、74b、78a、78b、82a、82b中的一个或多个可包括销旋转传感器138，以在臂组件46的运动期间检测相关销70a、70b、74a、74b、78a、78b、82a、82b的旋转。相关销70a、70b、74a、74b、78a、78b、82a、82b的位置/旋转可用于便于通过臂组件46的位置计算机具90的位置。应当理解，每个销70a、70b、74a、74b、78a、78b、82a、82b可以包括相关的销旋转传感器138，或者不是所有的销包括相关的销旋转传感器138。通常，集成到臂组件46中的销旋转传感器138的数量足以检测臂组件46的位置。作为示例，销旋转传感器138可以与一组销(例如，销70a、74a、78a、82a或销70b、74b、78b、82b等)相关联以检测臂组件46的位置。

惯性测量单元142(或imu142或惯性测量传感器142)定位在车辆10上的位置处。例如，惯性测量单元142定位在机架14上。更具体地，惯性测量单元142可以定位在发动机舱中以检测车辆10的姿态(例如，侧倾、俯仰、偏航、车辆10相对于地面或地表38的位置等)。惯性测量单元142可以检测附接部件的位置和/或定向(或方位)的变化。更具体地，每个惯性测量单元142可以检测附接部件的沿着多达三个轴线的变化(或测量附接部件的位置和/或定向(方位))，这三个轴线包括：x轴或侧倾轴、y轴或俯仰轴、以及z轴或偏航轴。惯性测量单元142可以具有与正被测量的每个轴线相关联的传感器，例如陀螺仪和/或加速度计。惯性测量单元142提供传感器数据，该传感器数据与附接部件的沿着测量轴线相对于参考位置的位置相关联。参考位置可以包括被测量部件的重心位置或预设位置(例如，平坦地面/地表38上的定向或方位等)。惯性测量单元142在车辆10的操作期间跟踪相关部件的位置。如图4所示，惯性测量单元142至少检测车辆10的侧倾。另一方面，惯性测量单元142检测车辆绕x轴旋转的距离。惯性测量单元142还至少检测车辆10的俯仰。另一方面，惯性测量单元142检测车辆绕y轴旋转的距离，y轴垂直于x轴。应当理解，可以将多于一个惯性测量单元142集成到车辆10中。此外，惯性测量单元142可以位于车辆10上适于测量车辆10的姿态(例如，侧倾，俯仰，偏航等)的任何位置。应当理解，测量车辆10的姿态以便计算机具90的定向(方位)(或姿态)(例如，螺旋钻110相对于地面/地表38的定向或方位等)。在其他实施例中，惯性测量单元142可定位在适于测量机具90相对于车辆10和/或地面38(或地表38)的定向(方位)(或姿态)的任何位置处。例如，惯性测量单元142可以定位在机具90的一部分上。

控制系统146(或控制器146)可以与车辆位置传感器126(或gps接收器126)和机具位置传感器组件(例如，缸位置传感器130、134、销旋转传感器138和/或惯性测量单元142)通信。通信可以是用于通信的任何合适的有线或无线系统(例如，无线电，蜂窝，蓝牙，802.11无线网络协议等)，并且以虚线示出。等级管理系统200可以驻留在控制系统146上以便于来自车辆10的操作。控制系统146还通过操作员界面(未示出)与驾驶室42通信，以向操作员提供与车辆位置传感器126、机具位置传感器组件以及等级管理系统200有关的信息。

图5示出了等级管理系统200(或等级管理应用200或深度控制系统200)的示例，等级管理系统200使用来自车辆10的信息来计算机具90相对于车辆10(或相对于地面38或者地表38)的定向或方位，并提供操作员反馈以控制挖掘深度以限制过度挖掘。此外，在一些实施例中，系统可以控制挖掘深度以限制过度挖掘。等级管理系统200包括以流程图形式描绘的一系列处理指令或步骤。

如图5所示，该过程开始于步骤204，这是系统设置。在系统设置期间，用户、操作员或其他个人输入与车辆10以及挖掘操作相关联的信息。在步骤204处，操作员可以输入挖掘的目标深度d(或进入地面38中的目标深度d或最终深度d或期望深度d)。作为非限制性示例，操作员可能希望挖出四英尺深的孔以接收柱子。在步骤204处，操作员将孔的深度d输入为“四英尺”。应当理解，操作员可以基于挖掘操作(或挖掘任务)的目标深度输入任何深度d。

接下来，在步骤208处，操作员可以输入与机具90相关联的信息。更具体地，操作员可以输入机具90从控制点(机具90连接到臂组件46或者车辆10的其他部分的位置)到机具90的与地面38(或地表38)接触的部分的偏移距离。例如，在机具90是螺旋钻附件90的实施例中，在步骤208处，用户输入与螺旋钻110相关联的螺旋钻长度122。如图2所示，螺旋钻长度122是螺旋钻110从安装板104(或控制表面104)延伸的距离。因为安装板104提供与臂组件46的连接点，从该连接点处控制螺旋钻附件90，所以安装板104是用于所示螺旋钻附件90的控制点/控制表面。螺旋钻尖端114从安装板104偏移螺旋钻长度122的距离。为了便于控制挖掘深度，输入从控制点到机具90的接触地面38的端部的偏移距离。在各种实施例中，不同尺寸的螺旋钻110可具有不同的螺旋钻长度122。此外，不同的机具90可具有可在步骤208处输入的不同偏移量。作为非限制性示例，对于作为挖沟机(或挖沟机附件)的机具90，可以在步骤208处输入连接到臂组件46的挖沟机的从地面延伸的长度。这提供了从控制表面到挖沟机的与地表38接合的部分的偏移量。作为另一非限制性示例，对于作为铲斗(或铲斗附件)的机具90，可以在步骤208处输入铲斗从连接到臂组件46的表面延伸的长度。这提供了从控制表面到铲斗的与地表38接合的部分的偏移量。应当理解，在步骤204和208处输入的信息可以通过位于驾驶室42中的控制台或操作员界面(未示出)输入。

一旦设置完成，系统200就前进到步骤212。在步骤212处，操作员启动挖掘操作。这可以包括在控制台或操作员界面(未示出)上输入“继续”，“挖掘”，“开始”或其他类似命令以从设置步骤转换到操作步骤。另外或替代地，挖掘操作可以通过臂组件46和/或机具90的操作来被启动(或触发)(例如，通过启动螺旋钻驱动组件106的操作来启动螺旋钻110的旋转等)。

接下来，系统200计算机具90相对于地面38(或地表38)的位置和定向(方位)，这发生在步骤216。位置和定向(方位)计算可包括至少一种计算，和如图所示的多种计算。计算的数量取决于以下因素，如传感器的数量和类型、车辆的类型和/或臂组件46的类型(例如，双悬臂50、54，由多个顺序连杆限定的单个悬臂等，例如在挖掘机或反铲挖土机中，多个顺序连杆可以伸展和/或缩回)。

如图5所示，在步骤220处，系统计算车辆10相对于地面38(或地表38)的定向或方位。这可以包括测量由惯性测量单元142检测到的车辆10的定向或方位。更具体地，检测车辆10的侧倾、或者车辆10围绕x轴(图4中示出)转动的距离。另外，检测车辆10的俯仰、或者车辆10围绕y轴(图4中示出)转动的距离。车辆10的这种定向或方位代表车辆10在其上操作的地形38(或地面38)，车辆10的这种定向或方位用于确定机具90的定向或方位(例如，螺旋钻110相对于地面38的定向或方位等)。如果确定该定向或方位与地面38成角度，或者与待挖孔的方向不对齐，则系统200可以提供操作员反馈以引导机具90(例如，螺旋钻110等)的重新对齐。反馈可以是连续的和实时的，以便于调整(或重新调整)车辆10，以实现机具90(例如，螺旋钻110等)的期望定向或方位。

在步骤224处，该系统计算机具90相对于车辆10的初始位置。更具体地，通过机具位置传感器组件检测机具90的位置。一个或多个缸位置传感器130、134和/或一个或多个销旋转传感器138用于检测臂组件46相对于车辆10的位置。该位置被确定为机具初始位置。因为以臂组件46的各种位置以及传感器130、134、138的相关测量值对系统200预编程，所以臂组件46可以相对于车辆10处于作为初始位置的任何合适的位置或定向。系统200然后利用在步骤208中输入的机具偏移距离与臂组件46的初始位置，来计算机具90相对于车辆的初始位置(例如，螺旋钻110相对于车辆的初始位置、螺旋钻110相对于地面38的初始位置等)。应当理解，步骤220-224可以同时发生，或者可以以相反的顺序发生。在其他实施例中，可以实施任何合适的步骤来确定机具90(例如，螺旋钻110等)相对于车辆10的位置以建立机具90的初始位置。

在步骤228处，该系统继续以开始挖掘。挖掘可以通过操作员移动臂组件46开始，并且因此将机具90(例如，螺旋钻110等)朝向地面38移动，最终接触地面38。接触后，机具90挖入地面38(或地表38)。

当挖掘正在进行中，并且机具90朝向地面38(或地表38)降低时，该系统进行到步骤232并重新计算机具90(例如，螺旋钻110等)相对于车辆10的位置。重新计算机具90相对于车辆10的位置基本上与步骤224中发生的分析相同。

在步骤236处，分析机具90相对于车辆10的被重新计算的位置，以确定是否已到达进入地面38中的目标深度d。更具体地，系统200使用(在步骤204中输入的)目标深度d和在步骤208中输入的机具90离控制点的偏移距离(例如，螺旋钻长度122等)来计算当机具90的一部分到达地面中的目标深度d(或挖掘到地面中的目标深度d)时实现的相对于车辆10的机具最终位置。应当理解，机具90的到达地面中的目标深度d的部分可以是机具90的任何部分。例如，机具90的任何部分可以包括螺旋钻尖端114、在挖掘循环期间铲斗的延伸到地面38中的最低部分、或者机具90的延伸到地面38中并且代表到达目标深度d的任何其他合适的部分。机具最终位置是臂组件46和/或机具90相对于车辆10的位置，该位置与到达地面中的目标深度d相关联。该系统然后将来自步骤232的机具相对于车辆10的被重新计算的位置与与目标深度d相关联的机具最终位置(或机具90相对于车辆10的位置、或臂组件46相对于车辆10的位置)进行比较。如果该系统确定来自步骤232的、机具相对于车辆10的被重新计算的位置尚未到达与目标深度d相关联的机具最终位置(臂组件46相对于车辆10的位置或机具90相对于车辆10的位置)，或确定是“否”，则该系统返回到步骤232，挖掘过程继续，并且步骤232-236重复。如果该系统确定来自步骤232的、机具相对于车辆10的被重新计算的位置已经到达与目标深度d相关联的机具最终位置(臂组件46相对于车辆10的位置或机具90相对于车辆10的位置)，或确定是“是”，则过程进行到步骤240。“是”的确定还表示机具90(或其任何部分)已达到(在步骤204中输入的)目标深度d，意味着挖掘操作已经达到目标深度而没有过度挖掘。

接下来，在步骤240处，该系统向操作员提供已到达目标深度d的通知。该通知可以包括听觉(可听或音响)声音或通知、视觉(可视或可见)通知和/或任何其他合适的通知，以向操作员指示已经到达目标深度d。该通知可以向操作员提供停止挖掘过程的指令(例如，终止机具90的操作，终止螺旋钻110的操作等)。

此外，在系统200的一些实施例中，系统200可以自动控制挖掘深度以限制过度挖掘。在这些实施例中，挖掘和相关联的步骤212至240自动发生，或者无需操作员干预。换句话说，挖掘将在没有操作员参与的情况下进行，并且是完全自动的。一旦实现步骤240，则系统200还可(或替代地)终止机具90的操作(例如，螺旋钻110的停止操作等)。

另外，系统200的一些实施例可以与车辆位置传感器126(或gps接收器126)集成。gps接收器126可用于将车辆10引导到地面38的区域中的特定地理位置(或期望的地理位置)以进行挖掘。这样，操作员和/或系统200可以利用gps接收器126来识别用于挖掘的特定地理位置，将车辆引导到特定地理位置以进行挖掘，然后在特定地理位置处挖掘。

本文公开的车辆10和相关系统200具有某些优点。值得注意的是，系统200可以精确地挖掘到目标(或期望的)深度以限制不期望的过度挖掘。过度挖掘导致在用额外的材料回填和压实挖掘区域以减少挖掘的深度时损失的时间。因此，限制过度挖掘提高了挖掘效率并通过限制修复减少了挖掘期间的总投入时间。本文阐述了本公开的各种附加特征和优点。