专利名称：使用测距无线电设备的挖掘机控制的制作方法
使用测距无线电设备的挖掘机控制相关申请的交叉引用不适用。关于联邦赞助研究或发展的声明不适用。
背景技术：
已经开发了用于监视和自动控制各种类型的建筑机械(如挖掘机)的操作的控制 系统。在Rocke的1995年10月31日发布的美国专利No. 5，461，803 ；Frenette等的1991 年11月5日发布的美国专利No. 5，062，沈4;以及Cain等的2002年9月10日发布的美国 专利No. 6，447，240中公开了这种一般类型的系统。在这些专利中的每个专利中，均公开了 一种定位和控制系统，该定位和控制系统包括用于测量各种机器部件的相对位置的配置。在期望能够确定机器部件的相对位置的同时，能够监视机器在建筑工地的位置也 是有用的。已经开发和组合了全局定位系统、激光系统、以及测距无线电系统来实现该目 标。在Nichols的公开于2008年10月9日的美国公开No. US 2008/0M7758中显示了一 种这样的系统。Nichols公开的申请公开了承载于移动用户设备上的GPS、激光和测距无线 电接收器的各种组合。对于不能获得GPS接收或者不期望使用GPS接收器的定位应用中，测距无线电设 备是GPS接收器的优良替代。例如，GPS接收器要求视线访问多个卫星，以便正常运行。这 在一些操作设置中可能是不可能的，例如当在室内、地下或者在嘈杂环境中进行作业时。例 如，当挖掘机在露天矿作业时，它可能邻近矿壁作业，该矿壁会有效地阻挡正常GPS运行所 需的一些或者全部卫星传输。另一个示例，挖掘机可能工作在多山或者森林茂密的区域， GPS运行可能不切实际。运行于超宽带(UWB)频率的测距无线电设备能够使用飞行时间分析来非常精确 地测量无线电设备之间的距离。为了进行距离测量，始发测距无线电设备发送由同步码和 报头组成的数据包。报头包含具有目的无线电设备的地址的距离命令，该目的无线电设备 被请求对该数据包作出响应。始发无线电设备在发送时对其主计数器进行复位，以建立本 地时间零点参考。当目的测距无线电设备接收到寻址到它的距离请求时，其记录接收时间 并且用其自身的在报头中包括接收时间和响应发送时间的数据包进行答复。始发无线电设 备接收从目的无线电设备返回的测距包、记录其接收时间并且锁存其主计数器。然后利用 补偿两个无线电设备处的定时时钟的差异的时间信息来计算和记录距离值。期望提供一种改进的使用测距无线电设备的能够确定和控制挖掘机或其他机器 的操作部件的位置的系统。
发明内容
一种用于具有底盘、包括从底盘伸出的动臂和以枢轴安装在动臂末端的斗杆的铲 斗支撑部件、以及以枢轴安装在斗杆末端的挖掘机铲斗的类型的挖掘机的系统确定挖掘机在工地操作期间挖掘机铲斗的位置。该系统包括多个固定的测距无线电设备，位于工地的 已知位置上；一对测距无线电设备，安装在挖掘机的底盘上；第三测距无线电设备，安装在 所述铲斗支撑部件之一上；以及测量电路。所述测量电路响应于所述的一对测距无线电设 备和第三测距无线电设备，并且确定挖掘机底座和铲斗支撑部件相对于多个固定的测距无 线电设备的位置和方向。第三测距无线电设备可以安装在挖掘机的动臂上。作为选择，第三测距无线电设 备可以安装在挖掘机的斗杆上。所述系统可以进一步包括角度传感器，该角度传感器提供 表示动臂和斗杆之间的角度方向的输出。该系统可以进一步包括角度传感器，该角度传感 器提供表示斗杆和铲斗之间的角度方向的输出，所述测量电路响应于所述角度传感器输 出。一台显示器位于挖掘机上，用于给操作者指示挖掘机底盘和铲斗支撑部件的位置和方 向。该显示器还指示铲斗相对于多个固定的测距无线电设备的位置和方向。该系统可以进 一步包括控制铲斗向期望位置移动的控制器。如果需要，该系统可以进一步包括倾角仪，该 倾角仪提供表示斗杆的倾角的输出，所述测量电路响应于该倾角仪。一种用于具有底盘、在第一枢轴接合点以枢轴固定于底盘的动臂、在第二枢轴接 合点以枢轴固定于动臂的斗杆、以及在第三枢轴接合点以枢轴固定于斗杆的铲斗的类型的 挖掘机器的铲斗感测系统可以包括多个固定的测距无线电设备，位于工地的已知位置上； 以及一对测距无线电设备，安装在挖掘机器的底盘上。该系统进一步包括第三测距无线电 设备，其安装在与第二枢轴接合点相邻的斗杆上，并且提供第三测距无线电设备相对于多 个固定的测距无线电设备的相对位置的表示；角度传感器，用于感测动臂与斗杆之间的角 度；以及位置确定电路，响应于角度传感器、所述的一对测距无线电设备和第三测距无线电 设备，基于角度传感器和测距无线电设备的输出来确定第三枢轴接合点的位置。该感测系 统可以进一步包括用于感测斗杆和铲斗之间的角度的角度传感器。所述位置确定电路基于 角度传感器和测距无线电设备的输出确定铲斗齿的位置。该系统可以进一步包括挖掘机器 上的显示器，该显示器用于给机器操作者显示铲斗的位置。一种用于具有底盘、在第一枢轴接合点以枢轴固定于底盘的动臂、在第二枢轴接 合点以枢轴固定于动臂的斗杆、以及在第三枢轴接合点以枢轴固定于斗杆的铲斗的类型的 挖掘机器的铲斗感测系统可以包括多个固定的测距无线电设备，位于工地的已知位置上； 以及一对测距无线电设备，安装在挖掘机器的底盘上。该系统进一步包括第三测距无线电 设备，其安装在与第二枢轴接合点相邻的动臂上，并且提供第三测距无线电设备相对于多 个固定的测距无线电设备的相对位置的表示；角度传感器，用于感测动臂与斗杆之间的角 度，以及位置确定电路，响应于角度传感器、所述的一对测距无线电设备和第三测距无线电 设备，基于角度传感器和测距无线电设备的输出来确定第三枢轴接合点的位置。该系统可 以进一步包括角度传感器，用于感测斗杆和铲斗之间的角度。所述位置确定电路可以基于 角度传感器和测距无线电设备的输出确定铲斗的切割齿的位置。该系统可以进一步包括挖 掘机器上的显示器，用于给机器操作者显示铲斗的位置。。
图1是铲斗感测系统的实施方式的侧面图解示图；图2是图1所示的铲斗感测系统的实施方式的侧面图解示图，但是其挖掘机动臂、斗杆和铲斗移动到不同的位置；图3是从上方看的图1和图2所示的铲斗感测系统的实施方式的图解示图；图4是示出测量电路、控制器和显示器的示意图；以及图5是用于理解与铲斗高度计算有关的等式的斗杆和铲斗几何形状的示意图。
具体实施例方式附图中的图1-3和图5示出了用于挖掘机器的铲斗感测系统。挖掘机器10是包 括底盘11、在第一枢轴接合点14以枢轴固定于底盘的动臂12、在第二枢轴接合点以枢轴固 定于动臂12的斗杆16、和在第三枢轴接合点以枢轴固定于斗杆16的铲斗20。动臂12和 斗杆16构成如期望地支撑和定位铲斗的铲斗支撑部件。启动液压缸MJ6和观来分别引 起动臂12相对于底盘11、斗杆16相对于动臂12以及铲斗20相对于斗杆16的相对移动。 铲斗20包括可以具有锯齿的切割边缘30。铲斗感测系统包括定位在工地的已知位置上的多个固定的测距无线电设备50、 52、53和M。优选地，测距无线电设备50-M是超宽带无线电设备。测距无线电设备50-54 定义了在工地的多个参考点，从这些参考点可以确定挖掘机器10、和包括铲斗30的挖掘机 器10的各个部件的位置。在系统运行之前，通过任意的常规测量技术建立每个固定的测距无线电设备 50巧4的三维位置。如图所示，测距无线电设备50巧4不需要布置成规则图案或者具有均勻 间隔。该系统还包括安装在挖掘机器10的底盘11上的一对测距无线电设备56和58。示 出的无线电设备56和58安装在挖掘机器10的操作室60的顶板上，但是如果需要或为了 方便，还可以将它们定位在其他位置上。第三测距无线电设备固定在一个铲斗支撑部件上， 如图1-3中62处的实线所示为安装在挖掘机器10的动臂12上，以及如图1-3中62'处的 虚线所示为安装在挖掘机器10的斗杆16上。在该系统运行期间，测距无线电设备58、58'、62或62'重复地向固定的测距无 线电设备50、5254和56中的每一个广播，以确定从每个测距无线电设备58、58'、62或 62'到每个固定的测距无线电设备50、5254和56的距离。挖掘机器10的测量电路70响 应于一对测距无线电设备56和58和第三测距无线电设备62或62'。该测量电路70通 过三角测量技术来确定挖掘机底盘11和铲斗支撑部件12和16相对于多个固定的测距无 线电设备50-54的位置和方向。由于已知在工地的固定的测距无线电设备位置，所以确定 测距无线电设备56、58、62或62'的位置。然后这些已知的位置提供用于确定挖掘机器10 的部件的位置和方向的基础。角度传感器80安装在枢轴18处，提供表示参考线81和参考线83之间的角度方 向β的输出。而且，角度传感器83可以安装在枢轴22处，提供表示参考线81和参考线85 之间的角度方向α的输出。角度测量传感器80和82可以是轴角编码器。参考线81在枢 轴接合点10和22之间延伸；参考线83在枢轴接合点14和18之间延伸；以及参考线85在 枢轴接合点22和铲斗22的齿33之间延伸。作为包含于参考线81和水平参考线87之间 的角度的角度B可以通过从角度β中减去为线83的向下斜度的角度A来确定。可以以几 种方式(包括安装在动臂12上的倾角仪89)确定角度Α。还可以通过估计测距无线电设备 56,58和62的相对位置来确定角度Α，这是因为角度A开始与三个测距无线电设备的垂直位置直接相关。还可以使用其他可替代的角度测量配置，例如监视液压缸对、26和观的伸 出的传感器。角度θ等于角度B减去90°。类似地，角度Δ等于角度α加上角度θ减去 90°。知道角度θ和α能够直接计算出距离D1和D2，距离D1和D2的和等于铲斗20的齿 30的高度和枢轴18的高度之间的差。如图5所示，斗杆16、在接合点22铰接到斗杆16的铲斗20、以及铲斗20的齿30 的几何形状使得能够容易地计算出齿30相对于枢轴接合点18的位置。如下定义各个变 量A=倾角仪87输出β =在枢轴18处的角度传感器80输出α =在枢轴22处的角度传感器82输出PU8_22 =枢轴接合点18和22之间的距离PL22_30 =枢轴接合点22和齿30之间的距离B = β -αθ = (B-90° ) = (β-Α-90° )Φ = (180° -B) = [180° _(β_Α)]Δ = (α -Φ) = [α-(180° —B)] = [α-180° +(β—Α)]Δ = [α-180° + β-Α]显然的是D1 = PL22_30 · SIN(A)或者D1 = PL22_30 · SIN[ α -180° + β -A]，以及D2 = PU8_22 · COS ( θ )或者
D2 = PL18j · COS [ β -A-90 ° ]由此，可以看出铲斗20的齿30的高度比枢轴接合点18的高度低D^D2 = PL22_30 · SIN[ α -180° + β -A] +PL18_22 · COS [ β -A-90° ]齿30比枢轴18横向远离挖掘机的距离为D3。显然的是D3 = PU8_22 · SIN( θ )-PL22_30 -COS(A)D3 = Pl18J2 · SIN[ β -A-90。 ] _PL22_30 · COS [ α -180。 + β _Λ]使用来自倾角仪87和测距无线电设备56、58和62的输出三维地确定枢轴接合点 18的位置。相对于测距无线电设备62的垂直位置来确定接合点18的相对垂直位置。使用 倾角仪87和测距无线电设备56、58和62的输出来确定接合点18的χ和y坐标，以在这两 个坐标方向上确定测距无线电设备62和接合点18之间的横向间隔。类似地，已知如上确 定的距离D3和如通过测距无线电设备56、58和62确定的枢轴接合点18的χ和y坐标以 及挖掘机的方向，来确定齿30的χ和y坐标。应当理解，可以使用斗杆16上的倾角仪40来代替角度传感器80。这种倾角仪能 够直接测量角度Θ。应当进一步理解，测量电路70基于测距无线电设备56、58和62或者 62'的位置不仅确定齿30的高度，还确定齿30在所有三维上的位置和齿的方向。如图4所示，在挖掘机器40上设置了显示器100，用于显示挖掘机底盘11和铲斗支撑部件12和16相对于多个固定的测距无线电设备50、52、53和M的位置和方向，以及 铲斗2的位置和方向。为了实现各种计算，给测量电路70提供固定的测距无线电设备50、 52,53和M的位置。控制器110可以给液压阀112提供控制信号，这些控制信号控制液压 缸MJ6和28的伸出和缩回。控制器10响应于来自电路70的测量位置，依次地将铲斗20 移动到期望的位置，以挖掘出期望的轮廓。该轮廓可以由操作者通过输入设备120提供。
虽然为了例证目的上述已经描述特定的实施方式，但是所属领域的技术人员应当 理解可以对这些实施方式进行各种变型。
权利要求
1.一种用于具有底盘、包括从所述底盘伸出的动臂和以枢轴安装在动臂末端的斗杆的 铲斗支撑部件、以及以枢轴安装在斗杆末端的挖掘机铲斗的类型的挖掘机的系统，所述系 统确定挖掘机在工地操作期间挖掘机铲斗的位置，包括多个固定的测距无线电设备，所述固定的测距无线电设备位于工地的已知位置上， 一对测距无线电设备，所述一对测距无线电设备安装在挖掘机的底盘上， 第三测距无线电设备，所述第三测距无线电设备安装在所述铲斗支撑部件之一上，以及测量电路，所述测量电路响应于所述的一对测距无线电设备和所述第三测距无线电设 备，以确定所述挖掘机和所述铲斗支撑部件相对于所述多个固定的测距无线电设备的位置 和方向。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第三测距无线电设备安装在所述挖掘机的所述动臂上。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第三测距无线电设备安装在所述挖掘机的所述 斗杆上。
4.如权利要求1所述的系统，还包括角度传感器，该角度传感器提供表示所述动臂和 所述斗杆之间的角度方向的输出，所述测量电路响应于所述角度传感器输出。
5.如权利要求4所述的系统，还包括角度传感器，该角度传感器提供表示所述斗杆和 所述铲斗之间的角度方向的输出，所述测量电路响应于所述角度传感器输出。
6.如权利要求1所述的系统，还包括所述挖掘机上的显示器，其用于给挖掘机的操作 者提供表示所述挖掘机底盘和所述铲斗支撑部件相对于所述多个固定的测距无线电设备 的位置和方向的显示。
7.如权利要求5所述的系统，还包括所述挖掘机上的显示器，其用于给挖掘机的操作 者提供表示所述铲斗相对于所述多个固定的测距无线电设备的位置和方向的显示。
8.如权利要求5所述的系统，还包括控制器，该控制器响应于所测量的所述铲斗相对 于所述多个固定的测距无线电设备的位置和方向，以使铲斗依次地向期望位置移动。
9.如权利要求1所述的系统，还包括倾角仪，该倾角仪提供表示所述斗杆的倾角的输 出，所述测量电路响应于所述倾角仪输出。
10.如权利要求1所述的系统，还包括倾角仪，该倾角仪提供表示所述动臂的倾角的输 出，所述测量电路响应于所述倾角仪输出。
11.一种用于具有底盘、在第一枢轴接合点以枢轴固定于所述底盘的动臂、在第二枢轴 接合点以枢轴固定于所述动臂的斗杆、以及在第三枢轴接合点以枢轴固定于所述斗杆的铲 斗的类型的挖掘机器的铲斗感测系统，包括多个固定的测距无线电设备，所述固定的测距无线电设备位于工地的已知位置上， 一对测距无线电设备，所述一对测距无线电设备安装在挖掘机器的底盘上， 第三测距无线电设备，所述第三测距无线电设备安装在与所述第二枢轴接合点相邻的 所述斗杆上，并且提供第三测距无线电设备相对于所述多个固定的测距无线电设备的相对 位置的表示，角度传感器，所述角度传感器用于感测所述动臂与所述斗杆之间的角度，以及 位置确定电路，所述位置确定电路响应于所述角度传感器、所述的一对测距无线电设备和第三测距无线电设备，基于所述角度传感器和所述测距无线电设备的输出来确定所述 第三枢轴接合点的位置。
12.如权利要求11所述的铲斗感测系统，还包括角度传感器，其用于感测所述斗杆和 所述铲斗之间的角度，由此所述位置确定电路基于所述角度传感器和所述测距无线电设备 的输出确定铲斗齿的位置。
13.如权利要求12所述的铲斗感测系统，还包括所述挖掘机器上的显示器，其用于给 机器操作者显示铲斗的位置。
14.一种用于具有底盘、在第一枢轴接合点以枢轴固定于所述底盘的动臂、在第二枢轴 接合点以枢轴固定于所述动臂的斗杆、以及在第三枢轴接合点以枢轴固定于所述斗杆的铲 斗的类型的挖掘机器的铲斗感测系统，包括多个固定的测距无线电设备，所述固定的测距无线电设备位于工地的已知位置上，一对测距无线电设备，所述一对测距无线电设备安装在挖掘机器的底盘上，第三测距无线电设备，所述第三测距无线电设备安装在与所述第二枢轴接合点相邻的 所述动臂上，并且提供第三测距无线电设备相对于所述多个固定的测距无线电设备的相对 位置的表示，角度传感器，所述角度传感器用于感测所述动臂与所述斗杆之间的角度，以及位置确定电路，所述位置确定电路响应于所述角度传感器、所述的一对测距无线电设 备和第三测距无线电设备，基于所述角度传感器和所述测距无线电设备的输出来确定所述 第三枢轴接合点的位置。
15.如权利要求14所述的铲斗感测系统，还包括角度传感器，其用于感测所述斗杆和 所述铲斗之间的角度，由此所述位置确定电路基于所述角度传感器和所述测距无线电设备 的输出确定铲斗的切割齿的位置。
16.如权利要求15所述的铲斗感测系统，还包括所述挖掘机器上的显示器，其用于给 机器操作者显示铲斗的位置。
全文摘要
一种用于具有底盘、包括从底盘伸出的动臂和以枢轴安装在动臂末端的斗杆的铲斗支撑部件、以及以枢轴安装在斗杆末端的挖掘机铲斗的类型的挖掘机的系统，该系统确定挖掘机在工地操作期间挖掘机铲斗的位置。该系统包括多个固定的测距无线电设备，它们位于工地的已知位置上。一对测距无线电设备安装在挖掘机的底盘上。第三测距无线电设备安装在一个铲斗支撑部件上。测量电路响应于所述的一对测距无线电设备和第三测距无线电设备，并且确定挖掘机底盘、铲斗支撑部件和铲斗相对于多个固定的测距无线电设备的位置和方向。
文档编号E02F3/36GK102102371SQ201010589179
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月10日 优先权日2009年12月18日
发明者K·卡勒 申请人:天宝导航有限公司