自动滑触引导的制作方法

自动滑触引导的制作方法
【专利摘要】一种用于相对于滑触线沿着道路引导非公路卡车的系统和方法通过感测两个或更多个道路侧物体确定非公路卡车在道路上的位置，并使用非公路卡车的确定位置和滑触线相对于两个或更多个道路侧物体的已知位置，自动地确定非公路卡车在滑触线下方的相对位置。基于非公路卡车在滑触线下方的相对位置，非公路卡车自动转向以改变非公路卡车相对于滑触线的位置，例如以保持从滑触线到非公路卡车的电能流。
【专利说明】自动滑触引导

【技术领域】
[0001]本发明涉及滑触驱动机器的引导，并且具体地涉及滑触线使用过程中滑触驱动机器的自动引导。

【背景技术】
[0002]虽然电能具有用于工业材料运输机器的许多优点，这些优点的一些会由于需要承载、填充和保持足够的电能源(例如大型电池或其他电荷储存系统)而抵消。在具有大致重复的行驶型式的应用中，例如在采矿作业和其他类似场合，滑触线系统通过提供一种路径来消除这个问题，行驶机器可沿着该路径从一个或多个输电线(这里称为“滑触线”)来接收电能。这种滑触线可沿着路径连续放置，或者只放置在路径的一些部分，例如上坡行程，以提供辅助能量。
[0003]在滑触系统中，可以是市政电网或现场发电机设施的电能源保持固定，但是滑触驱动机器依然从沿着滑触线的任何地方的电源接收电能。因此，电能的效率可以在需要时获得，而没有伴随的复杂性和大型电池的成本。但是滑触系统的一个显著的局限性在于滑触驱动机器必须跟随滑触线(如果它要从中接收电能的话)。在相关领域中，用于将滑触驱动机器电连接到滑触线的设备(称为“受电弓”)必须在使用滑触线时升高，并且在其他时间降低。
[0004]考虑到以上要求，滑触系统的使用需要机器操作者准确地遵循滑触线并在适当位置升高和降低受电弓。不能满足这些要求会造成效率损失，因为在滑触驱动机器没有从滑触线接收电能时必须使用例如机载发动机的替代功率。此外，机器或受电弓的误导会造成机器以及滑触线和相关设施(例如线、线杆、变压器等)的损坏。
[0005]道路侧的标记有时用来为操作者发出有关升高和降低受电弓的位置的信号，并且施加到机器挡风玻璃的条带可帮助使用者沿着滑触线“瞄准”机器。但是，虽然这些技术会使得操作者更容易准确地引导机器，它们还是需要操作者注意该信号并使机器相应地转向。因此，虽然滑触线的应用经过这些技术的使用而更有效，还是始终存在着一定程度的操作者疲劳。
[0006]将理解到此【背景技术】是出于读者方便而由发明人提供的。意图在于讨论发明人注意到的问题和概念，而不讨论或解释现有技术，除非另外明确说明。因此，此段落中所包含的任何问题或解决方案不是指示该问题或解决方案是现有技术。


【发明内容】

[0007]根据本发明的一个方面，提供一种用于相对于滑触线沿着道路引导非公路卡车的方法。该方法包括通过感测定位在道路旁边的两个或更多个道路侧物体确定非公路卡车在道路上的位置并使用非公路卡车的确定位置以及滑触线相对于两个或更多个道路侧物体的已知位置自动确定非公路卡车在滑触线下方的相对位置。基于非公路卡车在滑触线下方的确定相对位置，该方法使非公路卡车自动转向以改变非公路卡车相对于滑触线的位置。
[0008]根据本发明的另一方面，提供一种用于在作业地点自动引导非公路卡车的系统，其包括用于将电能供应到非公路卡车的滑触线。滑触线沿着具有道路侧特征的道路延伸。该系统包括用于选择性地接触滑触线的受电弓和与非公路卡车相关的一个或多个传感器。控制器链接到一个或多个传感器和机器转向控制，并被构造成通过检测道路侧特征来检测非公路卡车相对于滑触线的位置，并经由机器转向控制使卡车自动转向以便保持受电弓与滑触线接触。
[0009]根据本发明的另一方面，提供一种具有机载激光传感器的非公路卡车的自动引导的系统。该系统包括用于将电能供应到非公路卡车的滑触线，滑触线沿着道路延伸，以及在道路的方向上以彼此隔开的固定距离连续定位并在垂直于道路的方向上与滑触线隔开固定距离定位的多个柱。反射元件以道路上方的固定距离固定到多个柱的每个，使得非公路卡车的激光传感器能够基于来自反射元件的反射来检测多个柱的两个或更多个。
[0010]本发明系统和方法的进一步特征和方面将从阅读详细描述并结合附图而变得清
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【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是其中可以应用本发明原理的实施方式的滑触辅助非公路卡车的侧视图的图示；
[0012]图2是示出根据所示实施方式与滑触线接合的非公路卡车的自动控制的控制系统的不意图；
[0013]图3是示出根据本发明的一个方面的自动机器引导的过程的流程图；
[0014]图4是其中采用本发明的一个方面的作业地点环境的示意地点图；以及
[0015]图5是示出根据本发明的一个方面自动控制停用的过程的流程图。
[0016]虽然本发明容易进行多种改型和替代构造，其一些示例性实施方式将在下面详细示出和描述。但是，应该理解到不旨在局限于所公开的【具体实施方式】；相反，意图在于覆盖本发明的精神和范围内的所有改型、替代构造和等同。

【具体实施方式】
[0017]本发明涉及一种自动引导非公路卡车以便与滑触线接合和保持接合以驱动卡车的系统和方法。现在参考图1，此附图示出其中可以采用本发明原理的实施方式的滑触辅助非公路卡车10的侧视图。非公路卡车10包括支承操作者驾驶室14的底盘12和铲斗16。铲斗16枢转地连接到底盘12，并配置成在非公路卡车10操作时承载负载。占据操作者驾驶室14的操作者可控制非公路卡车10的运动和多种功能。
[0018]底盘12支承多种驱动系统部件。这些驱动系统部件能够驱动一组驱动轮18以推进非公路卡车10。一组空转轮20 (任选为被驱动的)可使用已知方法转向，使得非公路卡车10可以通过操作者引导。在一种实施方式中，驱动轮18配置在底盘12的后部处，并且空转轮20配置在底盘12的前部处。即使非公路卡车10包括具有用于运动的驱动轮以及用于转向的可转向轮的刚性底盘，将理解到可以使用其他机器构造。例如，这种构造可包括铰接底盘和/或支承多个从动轮组的底盘。
[0019]非公路卡车10包括独立的动力源，例如发动机和燃料和/或电动马达和电池。以此方式，非公路卡车10可以在外部动力源不能得到的环境中自驱动。但是通常，更有效的是在可用时利用外部功率。
[0020]为此，非公路卡车10还包括用于从滑触线接触电能的机构。特别是，非公路卡车10包括操作者控制的受电弓22。受电弓22包括多个接触件24 (此视图中一个可见)，分别通过相关的铰接升高机构26支承。操作者从操作者驾驶室14内控制升高机构26，使得在头顶没有滑触线时，或者不希望使用滑触电能时，受电弓22保持降低(如所示)，并且在头顶有滑触线并希望使用滑触电能时，受电弓22升高，使得多个接触件24与滑触线的导体接触。
[0021]如上所述，为了使用滑触线电能，类似于图1的非公路卡车10的非公路卡车的操作者必须确保卡车与滑触线对准，并且受电弓22的多个接触件24在升高受电弓22之前位于线下方。但是，在本发明的原理的实施方式中，使用者引导显示为操作者提供非公路卡车10和/或其受电弓22相对于滑触线的视觉表示。在一种实施方式中，使用者引导显示提供用于沿着滑触线对准的视觉线索。在另一实施方式中，所提供的视觉线索包括对准线索以及用于在行驶方向上定位的线索，例如以示出受电弓22是否在行驶方向上位于滑触线下方。
[0022]相对于非公路卡车10的自动控制，图2是示出在所示实施方式中用于引导非公路卡车10的机器控制系统架构30的示意图。控制系统的核心是被构造成控制器32的处理器。控制器32可以是专用控制器，或者可以体现为现有的控制器，例如机器控制器、发动机控制器、功率管理控制器等。在一种实施方式中，控制器32通过从例如光学或磁性盘存储器、CD、DVD、闪存等非易失性计算机可读取介质读取例如编码或程序的计算机可执行指令并执行这些指令来操作。在执行过程中通过控制器32使用的数据可以从计算机可读取介质或从例如用户界面和/或传感器的外设来源得到，如下面更详细描述。
[0023]在一种实施方式中，控制器32通讯地连接到包括一个或多个激光距离传感器组件34和多个机器控制36的许多机器元件。机器控制36包括机器转向控制38、机器速度控制40以及受电弓控制42。在一种实施方式中，控制器32还链接到用户界面组48。用户界面组48包括用于机器控制的操作者界面，例如转向、速度、受电弓位置。在一种实施方式中，用户界面组48还包括选择器以允许使用者启用或停用沿着滑触线的自动机器引导。
[0024]另外，控制器32通讯地链接到例如数据库44的数据源，其容纳明确滑触线相对于预设道路侧标记的横向位置的数据以及对于滑触线的开始和停止位置进行编码的数据，例如经由GPS坐标。在此方面，控制器32还链接到GPS接收器46以便接收指示非公路卡车10的当前位置的数据。
[0025]一个或多个激光距离传感器组件34的每个包括一个或多个激光以及一个或多个反射传感器，例如感光器。根据通过激光发射的光照射的物体或表面，反射传感器将强烈或微弱地响应。例如如果激光束入射在提供光谱反射的表面(例如镜)上，并且该表面垂直于激光束取向，那么反射传感器将强烈响应。相比之下，如果激光入射在相同表面上，但是该表面相对于激光束以45度取向，那么反射传感器将微弱地响应。另外，激光距离传感器组件34被构造成检测与反射物体的距离。
[0026]除了包括以上部件，每个激光距离传感器组件34还可包括扫描机构。此机构可以是机械或光学的。机械扫描器是物理地重新定向激光装置的发射部分的扫描器，而光学扫描器是在不运动激光本身的发射部分情况下重新定向激光束的扫描器。在任何情况下，扫描激光的能力允许控制器32检查道路侧的连续部分的反射，而不是检查相对于非公路卡车10固定的点的反射。赋予以多个已知角度扫描激光的能力以及确定束以这些角度照射结构的反射的能力，控制器32具有经由三角测绘(triangulat1n)找到位置的能力，如下面更加详细描述。
[0027]如上所述，控制器32链接到GPS接收器46以便接收指示非公路卡车10的当前位置的数据。因此，虽然激光反射的三角测绘允许控制器32确定非公路卡车10相对于滑触线的横向位置，在一种实施方式中，控制器32还能够经由GPS识别非公路卡车线性地沿着滑触线的位置。由于控制器32也能够访问数据库44，并可以确定滑触线相对于道路侧标记的横向位置以及滑触线的开始和停止位置，那么控制器32能够确定使非公路卡车10与滑触线对准所采取的步骤以及何时升高或降低受电弓22。用于执行这种任务的示例性过程如下描述。
[0028]转向图3，此附图示出用于根据所示实施方式执行机器引导过程50的流程图。结合图4的头顶视图，过程50将就图1-2所示架构的范畴进行描述。
[0029]如图4所示，非公路卡车10的作业环境76包括滑触线78，其通常包括沿着道路80的每条车道的双传导缆线。一排支承柱82沿着道路的每侧以离开理想卡车位置固定距离A的方式(在非公路卡车10在相应滑触线78下方对中时激光距离传感器组件34在非公路卡车10上的位置)延伸。
[0030]注意到支承柱82可用来支承滑触线78，或者可以简单地放置在道路侧处以便在自动引导过程中参照。以此配置，如果传感器的激光照射(或者扫描单个传感器)被引导到最近的柱82，相对于柱82的相应角度(相对于垂直于道路80的矢量测量)可以指定为a和b，总和为Θ，物体之间的感测角度。
[0031]在一种实施方式中，支承柱82以彼此隔开固定距离D的方式间隔开，一旦感测角度和固定距离D已知，便允许三角测绘。但是，会希望在道路方向上允许支承柱的位置相对于彼此略微变化。在这种情况下，非公路卡车10的位置可以通过知道相对于两个支承柱的感测角度和距离来确定。在所示实施方式中，与感测柱的距离对于最前面的柱来说是X，并且对于最后面的柱来说是y。
[0032]在x、y和Θ的值是已知的情况下，角度a可以表示为:
[0033]a = Tarf1 (((x/y) -cos θ ) /sin θ )。
[0034]由于a现在已知，从传感器组件到柱之间的假想线的距离D可以计算为:
[0035]D = xCos (a)。
[0036]将理解到三角测绘对于本领域普通技术人员来说是已知的，并且可以替代地使用任何其他三角测绘计算或趋近。
[0037]返回图3，在过程50的阶段52处，控制器32从激光距离传感器组件34收集激光传感器数据，收集的数据指示角度a和b以及距离X和y。在一种实施方式中，反向反射器或镜像角部立方体在大致匹配激光距离传感器组件34地面上方的高度的高度处围绕每个柱82的周边定位。这增强来自柱82的反射，并因此帮助控制器32区分有用范围寻找反射与无用反射，例如来自树、岩石、旁边设备等反射。
[0038]在阶段54，控制器32确定角度a是否达到或超过零度(0° )，即非公路卡车10是否已经经过最前面的柱。如果确定角度a已经达到或超过零度(0° )，那么控制器32在阶段56引导激光距离传感器组件34向前，使得最前面的柱变成滞后柱，并且沿着道路80的下一个相继的柱变成下一个最前面的柱。过程50接着运动到阶段58。如果在阶段54确定角度a没有达到或超过零度(0° )，那么过程50直接继续到阶段58。
[0039]在阶段58，控制器32计算距离D，例如如上所述，并且确定D是否等于、大于或小于从柱线到滑触线78的希望距离。如果D等于希望距离，那么过程50继续到阶段68。如果D小于希望距离，那么过程50继续到阶段62，并且控制器32指令转向离开柱82。在一种实施方式中，这种指令以小于可用转向的整个范围的增量调节机器离开柱82的转向角度，以避免非公路卡车10在采用错误传感器读数或出现其他故障的情况下的意外运动。从阶段62，过程50继续到阶段68。
[0040]如果确定D不等于或小于希望距离，过程50继续到阶段64，其中控制器32确定D是否大于希望距离。在一种实施方式中，如果距离不小于或等于希望距离，假设D大于希望距离。在另一实施方式中，如果D不小于或等于希望距离，如果确定D不大于希望距离则指出错误。如果D大于希望距离，那么过程50继续到阶段66，并且控制器32指令朝着柱82转向。在一种实施方式中，这种指令以小于如上所述的可用转向的整个范围的增量调节机器朝着柱82的转向角度。从阶段66，过程50继续到阶段68。
[0041]已经证实或修正非公路卡车10的转向以使机器与滑触线78对准，控制器32继续以便在随后阶段管理受电弓的操作。因此在阶段68处，控制器32确定非公路卡车10的当前位置是否使其置于滑触线78的可以连接到滑触线78的区段下方，即卡车在线开始或结束处不脱离滑触线78，或者不在未供电区域内。在一种实施方式中，非公路卡车10的相对位置以及滑触线78的可接近区段可以基于与作业地点的位置编码映射相结合而采用的位置的GPS读数。
[0042]如果确定非公路卡车10的当前位置使其置于滑触线78的可接近区段下方，控制器32在阶段70将受电弓的状态设置成升高。在一种实施方式中，如果受电弓没有升高，升高状态需要升高受电弓，如果受电弓已经升高，则使得受电弓保持在升高位置。相反如果确定非公路卡车10的当前位置没有使其置于滑触线78的可接近区段下方，控制器32在阶段72将受电弓的状态设置为降低，在一种实施方式中，如果受电弓已经升高，需要受电弓降低，并且如果受电弓没有升高，将受电弓保持在降低位置。从阶段70和72，过程50返回到阶段52以等待进一步的位置更新数据。
[0043]在进一步实施方式中，控制器32使得车辆速度保持在预设速度或取决于沿着滑触线的位置的速度下。替代地，控制器32可只控制转向和受电弓位置，并且可留给操作者负责选择机器速度。
[0044]在图3所示的替代实施方式中，用来识别非公路卡车的位置的位置数据可以是基于GPS的，而不是基于传感器的。虽然此实施方式消除了针对道路侧物体的位置传感器的需要，在必须的三个GPS卫星中的一个或多个被屏蔽或不能操作的情况下会不太可靠。
[0045]在另一替代实施方式中，经由非公路卡车10中的机器视觉的使用，滑触线本身可用作位置指示器。特别是，不是感测道路侧结构并基于传感器数据推导位置，在此实施方式中，构成滑触线的物理导体使用边缘寻找或线寻找程序通过机器视觉识别。在进一步实施方式中，对应于两个行驶方向的两对导体被识别，并且机器视觉处理接着选择最左侧对以寻找目标(或者最右侧，如果在道路相对侧驾驶)。在此实施方式中，用于升高和降低受电弓的位置也可通过机器视觉识别，或者可继续以其他实施方式中的相同方式识别。
[0046]相对于图2已经描述到，机器控制系统架构30的用户界面组48可包括选择器以允许使用者启用或停用沿着滑触线的自动机器引导。另外，在一种实施方式中也可使用其他条件来停用自动控制。这些其他条件可包括来自碰撞避免系统的报警、线区段条件的结市坐J7K 寸 O
[0047]图5的流程图示出用于根据一种实施方式终止非公路卡车10的自动控制的示例性控制器驱动过程90。将理解到过程90可与机器引导过程50并行地执行，并且在一种实施方式中由于过程90而终止自动引导也可用来终止过程50。过程90可以在自动控制开启时开始，例如经由操作者启用。
[0048]在过程90的阶段92，控制器32确定机器操作者是否选择停用开关，并且如果操作者已经选择停用开关，控制器32在阶段94终止自动控制。否则，过程90继续到阶段96，其中控制器确定机器操作者是否超驰自动转向指令。如果操作者已经超驰自动转向指令，控制器32在阶段94终止自动控制，否则继续到阶段98。
[0049]在阶段98，控制器32确定机器操作者是否已经超驰自动受电弓升高或降低指令。如果确定操作者已经超驰自动受电弓升高或降低指令，控制器32在阶段100终止自动受电弓控制，并返回阶段92。如果确定操作者没有超驰自动受电弓升高或降低指令，过程继续到阶段102，其中控制器32确定碰撞避免警告或报警是否已经触发。例如，向前观察IR或其他传感器系统可基于机器方向和速度检测将要与道路中的另一物体碰撞。如果碰撞避免警告或报警已经触发，控制器32终止自动机器控制并在阶段104施加机器制动，否则过程90继续到阶段106。
[0050]在一种实施方式中，任选“死人”开关可包括在机器控制系统架构30中。这种开关需要操作者的恒定压力来避免死人程序的启用。在此实施方式中，在阶段106确定死人程序是否已经启用，并且如果死人程序已经启用，控制器32终止自动机器控制，并在阶段104施加机器制动。将理解到以上列举之外的用于停止自动机器控制的条件可以另外或替代地包括在过程90中。
[0051]工业实用性
[0052]总的来说，本发明涉及一种用于通过感测例如与滑触线相关并与滑触线隔开固定距离的支承柱的两个或更多个道路侧物体而沿着滑触线自动引导非公路卡车并使用非公路卡车相对于滑触线的确定位置使得非公路卡车自动转向的系统和方法。
[0053]在一种实施方式中，传感器用来感测道路侧支承柱。传感器可以是激光传感器，其用来经过三角测绘推导非公路卡车相对于道路侧支承柱的位置，并因此确定卡车相对于滑触线的位置。单个传感器可以被扫描以照射多个柱，或替代地可以使用多个不同的传感器。
[0054]在另一实施方式中，道路侧柱包括例如在每个柱上的道路上方的大致相同高度处放置的角部立方体或反向反射器的反射元件，该高度是大致卡车传感器的高度。以此方式，可以最小化来自例如碎屑、路旁机器的其他道路侧物体的无关传感器信号。
[0055]使用所述系统和方法，非公路卡车的操作者能够在自动引导周期的过程中放松或集中于其他任务，显著减小操作者的疲劳并改善滑触线使用的效率。在一些情况下，自动引导的使用还可保护卡车和滑触线的基础设施不受损坏。
[0056]从以上内容将理解到本发明提供一种用于引导卡车以便在滑触线可用时保持受电弓和滑触线之间接触的有效和高效机构。虽然只给出一些实施方式，本领域普通技术人员从以上描述将明白多种替代和改型。这些和其他替代被认为是等同的，并且在本发明和所附权利要求的精神和范围内。
【权利要求】
1.一种用于在作业地点自动引导非公路卡车(10)的系统，作业地点包括用于将电能供应到非公路卡车(10)的滑触线(78)，滑触线(78)沿着具有两个或更多个道路侧特征(82)的道路(80)延伸，该系统包括: 受电弓(22)，其用于选择性地接触滑触线(78)； 一个或多个传感器(34)，其与非公路卡车相关；以及 控制器(32)，其链接到一个或多个传感器(34)和机器转向控制(38)，并能够通过检测两个或更多个道路侧特征(82)检测非公路卡车(10)相对于滑触线(78)的位置并经由机器转向控制(38)自动转向卡车(10)以便保持受电弓(22)接触滑触线(78)。
2.根据权利要求1所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，其中，控制器(32)进一步链接到受电弓(22)控制，并能够自动升高或降低受电弓(22)。
3.根据权利要求1-2任一项所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，还包括具有选择器以允许使用者启用或停用自动机器引导的操作者界面(48)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，还包括链接到控制器(32)并包括识别滑触线(78)相对于两个或更多个道路侧特征(82)的横向位置的数据的数据源(44)。
5.根据权利要求4所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，其中，数据源还包括编码滑触线(78)的开始和停止位置的数据，并且其中控制器(32)还能够基于滑触线(78)的开始和停止位置升高或降低受电弓(22)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，还包括链接到控制器(32)并提供指示非公路卡车(10)的当前位置的数据的GPS接收器(46)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，其中，与非公路卡车(10)相关的一个或多个传感器(34)包括一个或多个激光传感器(34)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，其中，两个或更多个道路侧特征(82)包括在道路(80)的方向上以彼此离开的固定距离定位并在垂直于道路(80)的方向上以离开滑触线(78)的固定距离定位的连续多个柱(82)。
9.根据权利要求1-8任一项所述的用于自动引导非公路卡车(10)的系统，其中，确定非公路卡车(10)的位置包括基于两个或更多个道路侧物体(82)的角度位置进行三角测
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10.一种用于相对于滑触线(78)沿着道路(80)引导非公路卡车(10)的方法，包括: 通过感测定位在道路(80)旁边的两个或更多个道路侧物体(82)确定非公路卡车(10)在道路(80)上的位置； 使用非公路卡车(10)在道路(80)上的确定位置和滑触线(78)相对于两个或更多个道路侧物体(82)的已知位置自动确定非公路卡车(10)在滑触线(78)下方的相对位置；以及基于非公路卡车(10)在滑触线(78)下方的确定相对位置，自动转向非公路卡车(10)以改变非公路卡车(10)相对于滑触线(78)的位置。
【文档编号】B60L11/18GK104335127SQ201380028366
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】K·L·斯特拉顿, E·J·拉斯 申请人:卡特彼勒公司