专利名称：用于具有较高机器速度的运土系统的改进的等级控制的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种类型的运土系统，该运土系统为包括一种推土机以将土地地域的轮廓勾画为期望的完成形状，并且更特别地，涉及一种推土机系统，其中切割工具的位置通过GPS接收机连续更新并且使用低等待时间、响应于来自回转传感器和监控垂直加速度的加速计的输出生成的前馈校正信号来校正所述位置。
背景技术：
开发了各种控制配置以控制例如推土机等运土设备，从而使土地地域能够被分级为期望的级别或轮廓。开发了由GPS接收机确定运土装置的位置的多种系统。在这些系统中，根据期望的完成轮廓开发总平面图。通过地域勘定和总平面图，产生切割-填充图，示出了具体的地域面积中用以产生期望的完成轮廓所需要的切割或填充量。信息之后被存储在推土机上的计算机控制系统中。运土装置使用安装在推土机主体上或安装在附连到推土机的刀片的桅杆上的GPS 接收机来确定推土机的切割工具的位置。计算机控制系统基于切割-填充图和检测到的所述装置的平面位置，来计算刀片的高度误差。所述高度误差可以显示给推土机的操作者，该操作者之后可以采取适当的手动调节。可替换地，计算机可以自动调节刀片的高度以减小
尚度"^差ο这些系统遇到的一个局限是GPS位置计算以相当慢的速度进行，例如，以每秒数次的级数进行。因此，控制系统仅能够相当慢地确定机器的位置和切割刀片的位置。这明显地限制了推土机的操作速度，特别是在不平地形上。将意识到，当推土机移动通过工地的颠簸区域时，推土机车架可能纵向倾斜，可能侧向倾斜，并且可能左右偏移。此外，推土机的车架可能上下弹跳。车架的全部这些移动被传递给推土机前部的刀片，并且甚至可能由于刀片恰好位于机器重心(发生晃动和偏移的点)的前部而被放大。降低推土机的操作速度以允许GPS控制系统有效补偿工地的不均勻的表面状况，导致生产力不期望的下降。因此，看到需要一种运土系统和方法，该运土系统和方法具有推土机或其他机器， 并且包括GPS接收机和对由推土机车架的倾斜和垂直移动引起的切割刀片位置中的错误进行补偿的控制器。
发明内容
一种运土系统，包括具有车架和切割刀片的推土机，所述切割刀片由自车架延伸的刀片支架支撑。所述刀片支架包括用于关于所述车架提升和降低刀片的一对液压汽缸以及用于控制切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸。一对GPS接收机安装在推土机的切割刀片上以接收GPS信号。第一回转传感器感测车架绕大致横向于推土机并且经过推土机的重心的轴线的转动。第二回转传感器感测车架绕大致纵向于推土机并且经过推土机的重心的轴线的转动。控制器响应于所述一对GPS接收机以及第一和第二回转传感器，以控制液压汽缸的操作并且由此控制切割刀片的位置。所述控制器以基于GPS接收机的输出的反复计算和基于第一和第二回转传感器的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控切割刀片的位置。所述控制器基于第一和第二回转传感器的输出而确定切割刀片位置的快速改变。 所述控制器基于GPS接收机的输出而周期性地更新切割刀片的实际位置。安装在车架上的加速计确定车架的垂直移动。所述加速计向控制器提供垂直加速度输出，由此所述控制器可以确定车架位置的快速改变，该快速改变可以基于加速计的输出被传递到切割刀片。所述控制器以基于GPS接收机的输出的反复计算和基于第一和第二回转传感器以及加速计的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控切割刀片的位置。所述控制器响应于所述GPS接收机以确定推土机的走向。所述系统可以进一步包括第三回转传感器，该第三回转传感器用于感测车架绕经过推土机的重心的大致垂直的轴线的转动。所述大致垂直的轴线和与所述推土机大致横向的轴线以及与所述推土机大致纵向的轴线垂直。所述控制器以基于GPS接收机的输出的反复计算和基于第三回转传感器的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控推土机的走向。所述运土系统包括运土机器，该运土机器具有车架和由自所述车架延伸的刀片支架支撑的切割刀片。所述刀片支架包括用于关于所述车架提升和降低刀片的一对液压汽缸以及用于控制切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸。回转传感器系统感测车架绕经过机器的重心的大致正交的三个轴线的转动。控制器响应于GPS接收机以及回转仪位置传感器以检测切割刀片的位置改变并控制汽缸的操作，并且由此控制切割刀片的位置。基于GPS接收机的输出的反复计算，通过基于回转传感器系统的输出的低等待时间的前馈校正信号而被校正。所述控制器可以基于GPS接收机的输出而周期性地更新切割刀片的实际位置。所述控制器在基于GPS接收机的输出对切割刀片的位置进行的相继的确定之间，基于回转仪系统的输出，多次确定切割刀片的位置。所述控制器可以响应于GPS接收机，以确定推土机的走向。所述回转仪系统感测所述车架绕经过推土机的重心的大致垂直的轴线的转动。所述控制器以基于GPS接收机的输出的反复计算和基于回转仪系统的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正来监控推土机的走向。安装在车架上的加速计可以用于确定车架的垂直移动。所述加速计向控制器提供垂直加速度输出，由此所述控制器可以确定车架位置的快速改变，该快速改变可以基于加速计的输出被传递到切割刀片。所述控制器以基于GPS 接收机的输出的反复计算和基于回转仪系统以及加速计的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正来监控切割刀片的位置。看出需要一种改进的运土系统。
图1是运土系统的一个实施例的侧视图；并且
图2是示出了图1中的运土系统中的控制器的示意图。
具体实施例方式图1说明了运土系统100的一个实施例，包括具有车架108和切割刀片110的推土机106。切割刀片110由自车架108延伸的刀片支架112支撑。刀片支架112包括用于关于车架提升和降低刀片110的一对液压汽缸114，图1中仅示出了其中的一个。刀片支架 112进一步包括一对臂116，图1中示出了其中的一个，所述一对臂116附连到刀片110的相对端并且在118处枢转地附连到车架108。由于臂112围绕118处枢转，因此，汽缸114 可以分别被延伸或缩回以降低或升高刀片110。汽缸120在刀片110的顶部和臂116之间延伸，并且可以用于绕枢转连接122枢转所述刀片。刀片倾斜汽缸123控制切割刀片110 的横向倾斜。推土机106具有驾驶室124，操作者可以在其中手动操作各种控制器以控制推土机的操作。运土系统100进一步包括一对GPS接收机126，图1中可以看到其中的一个。GPS 接收机126安装在桅杆1 上的切割刀片110的相对端上。GPS接收机接收来自轨道卫星的无线电传输，并且基于每个传输的行进时间确定GPS接收机在三维空间中各自的位置。 该信息被提供到推土机上的控制器140并且由控制器使用以确定切割刀片110的定位，且特别是确定切割刀片110的切割边缘130的定位。GPS接收机126检测刀片110的位置以及刀片110的取向，使推土机106的自动控制成为可能，并且促进了推土机106的半自动控制和手动控制。位置信息被反复计算并且可以每秒数次的速率被控制器140使用。然而，控制器140要求基本连续的精确位置信息。当推土机以相当高的速度行进穿过工地时，优选为位置数据以超过每秒20次位置测量的速率可用。当推土机106向前移动时，车架108通常将承受经切割刀片110和履带132 传递的冲击和振动。因此，车架108可能前后倾斜、侧向倾斜、侧向偏移和上下弹跳。车架的全部这些移动将直接影响切割刀片110的位置。例如，当车架108前后倾斜时，车架108 绕大致水平的轴线转动，所述大致水平的轴线垂直于行进的方向并延伸经过推土机106的重心134。车架108以及包括刀片110的推土机106的其余部分的这种角移动使刀片转动 α角。将意识到由于刀片110在推土机106的前部延伸，因此这种前后晃动的冲击可以是显著的。这种高度中的改变可以被近似为Δ 高度=Sin Δ α X 长度 A当车架108侧向倾斜时，这影响刀片110的位置。这种移动实际上为车架108绕轴线的转动，所述轴线相对于推土机106纵向延伸并且经过推土机106的重心。这使得刀片110的倾斜角变动。车架108的偏移，即车架108绕大致垂直的轴线的转动，改变了刀片110的取向。 偏移使刀片110移动到侧面并且改变推土机106的预期路径。最终，当车架108由于推土机在工地的颠簸地面上行驶而垂直弹跳时，刀片110通常也将垂直弹跳。如果推土机缓慢地移动，则GPS接收机1 进行的位置测量可以足够用于推土机的控制。然而，当推土机以较高的速度在工地上行驶时，如以上描述所产生的位置误差的总量急剧增大，并且还增大了这种位置误差被插入由所述系统使用的位置数据中的速度。图1和2中的系统以比所述系统反复地重新计算GPS接收机126的位置的速率更高的速率，监控车架108的垂直移动、车架108绕水平横向轴线的前后倾斜移动、车架108 绕纵向延伸轴线的摇摆移动以及车架108绕大致垂直的轴线的偏移。因此，可以通过快速致动液压汽缸114和123进行对车架移动中将被传送到刀片110上的短期波动的补偿，所述液压汽缸114和123控制刀片110关于车架108的位置。第一回转传感器136被提供以感测车架108绕轴线150的转动，所述轴线150与推土机大致横向并且经过推土机的重心。 传感器136提供与绕轴线150的转动速率有关的输出。第二回转传感器138被提供以感测车架108绕轴线152的转动，所述轴线152大致纵向于推土机106并且经过推土机的重心 134。传感器138提供与绕轴线152的转动速率有关的输出。控制器140响应于所述一对GPS接收机126以及第一和第二回转传感器136和 138，并且控制器140控制液压汽缸114和123的操作，且由此控制切割刀片110的位置。控制器140以基于GPS接收机1 的输出的反复计算以及基于第一和第二回转传感器136和 138的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正来监控切割刀片110的位置。基于第一和第二回转传感器136和138的输出，控制器140确定因推土机106的车架108的类似的快速移动而引起的切割刀片110的位置的快速改变。控制器140基于GPS接收机126的输出而周期性地更新切割刀片110的实际位置。加速计160还可以安装在推土机的车架108上以感测整个车架108的大致垂直的移动。加速计160向控制器140提供垂直加速度输出，由此控制器140可以基于加速计的输出而确定可以被传递到切割刀片的车架位置的快速改变。控制器140以基于GPS接收机 126的输出的反复计算以及基于第一和第二回转传感器136、138和加速计160的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控切割刀片110的位置。控制器140还可以响应于GPS接收机126以确定推土机106的走向。所述系统可以进一步包括第三回转传感器162，该第三回转传感器162感测车架绕经过推土机106的重心134的大致垂直的轴线164的转动。所述大致垂直的轴线164和与所述推土机大致横向的轴线150和与所述推土机大致纵向的轴线152垂直。所述控制器140以基于GPS接收机 126的输出的反复计算和基于第三回转传感器162的输出对反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控推土机的走向。图2是更详细地描述了控制器140的示意图。控制器140响应于GPS接收机1 和回转仪位置传感器136、138和162以及加速计160以在线路170和172上生成信号，从而控制刀片提升阀174和刀片倾斜阀176。阀174控制应用到液压汽缸114的液压流体， 而阀176控制应用到液压汽缸123的液压流体。来自回转传感器136、138和162的回转仪输出被提供到噪声滤波器180和偏压移除电路182。在被提供到积分器电路188以在线路 190上产生Z速度输出之前，来自加速计160的输出被提供到噪声滤波器184和偏压移除电路186。同样，传感器162的输出在于积分器电路192中被积分以在线路194上产生偏移角输出之前被提供到多个滤波器180中的一个和多个偏压移除电路182中的一个。将意识到刀片110的高度及其倾斜度将使用来自GPS接收机126的输出确定。处理器电路200响应于GPS输出而分别在线路202和204向阀172和176提供控制信号，从而使刀片110能够按需要被提升和定向。这种控制方法在推土机在相对平坦的工地表面上缓慢行驶时很好地发挥作用。然而，当推土机以较高速度行进并且当其所行进的表面有些颠簸时，推土机的车架108承受快速的垂直移动和快速的前后倾斜，GPS算法计算不能以允许足以快速地补偿所引起的刀片110的错误的垂直移动的速率完成。为了补偿这些快速的垂直干扰，线路202上的控制阀信号通过将其与线路206上的低等待时间的前馈校正信号结合而被调节，所述低等待时间的前馈校正信号获得自第一回转传感器136和ζ轴加速计160的输出。将意识到线路208上的倾斜速率和线路190上的ζ速度信号将被乘以与机器几何构型、传感器定位和用于阀174的阀校准数据有关的适当的常数并且被结合以提供低等待时间的校正信号。这种信号基于GPS位置计算之间的短期基础而校正线路202上的信号。同样，线路210上的摇摆速率信号被乘以基于机器几何构型、传感器定位和阀校准数据的校正常数，以在线路212上提供低等待时间的前馈校正信号。线路212上的信号与线路204上的信号结合，并且刀片110的倾斜度的快速改变由倾斜汽缸123的位置的同等的快速改变来补偿。最终，图2还示出了使用偏移回转传感器162来确定车架108绕转动的大致垂直的轴线的转动。线路194上的偏移角信号被用于在处理器200中的走向数据中进行快速、 短期的调节。来自传感器136、138、160和162中的读数是异步的。这些传感器的数字处理被用于实现图2的框图中所示的功能184、180、186、182、188和192。这些传感器被以明显高于 GPS测量的数据速率在500Hz至1000Hz的范围内读取。处理器可以使用“时戳”以记录相对于惯性传感器读数的GPS读数。时戳的精确度将超过1-2毫秒。如果需要，可以通过执行样本插值的形式，以一定的计算开销，获得更高的精确度。如将注意到的，虽然对刀片汽缸的前馈校正的精确度将随着刀片转动的增加而降低，但本实施例可以在不监控刀片是否转动以及转动量的情况下操作。然而，由于这种校正本质上是动态的，因此将仅生成动态误差。由于在刀片上安装了固定的参考位置传感器，其反复地提供校正位置信息，因此将不会发生长期的刀片高度误差。这种动态误差的大小将与机器主体的取向中的扰动的大小与刀片绕大致垂直的轴线的转动的大小的乘积有关。所述一对GPS接收机1 在图1和2中被显示为提供关于刀片110的固定的参考位置。然而，如果需要，这种系统可以由安装在刀片110或由所述刀片承载的桅杆1 上的其他类型的位置传感器或多种类型的位置传感器的组合而实现。例如，可以在刀片110上可提供成对的激光接收机、音速跟踪器、全测站目标(total station target)或棱镜或其他类型的固定的参考位置传感器，以替代所述一对GPS接收机。可替换地，可以使用这些传感器的组合或这些传感器中的一个与刀片斜率传感器的组合。如上所示和所说明，将意识到，校正可以关于车架108绕三个正交轴线的转动以及车架以上述方式的线性垂直移动进行。然而，如果需要，可以完成更少模式的校正。进一步地，虽然说明了分离的回转传感器，但也可以使用单个惯性分量以确定绕多个轴线的转动。
权利要求
1.一种运土系统，包括推土机，其具有车架和切割刀片，所述切割刀片由自所述车架延伸的刀片支架支撑，所述刀片支架包括用于关于所述车架提升和降低所述刀片的一对液压汽缸以及用于控制所述切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸；一对GPS接收机，其安装在所述推土机的所述切割刀片上以接收GPS信号，第一回转传感器，其用于感测所述车架绕大致横向于所述推土机并且经过所述推土机的重心的轴线的转动，第二回转传感器，其用于感测所述车架绕大致纵向于所述推土机并且经过所述推土机的重心的轴线的转动，以及控制器，其响应于所述一对GPS接收机以及所述第一和第二回转传感器，以控制所述液压汽缸的操作，并从而控制所述切割刀片的位置，所述控制器以基于所述GPS接收机的输出的反复计算和基于所述第一和第二回转传感器的输出对所述反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控所述切割刀片的位置。
2.如权利要求1所述的运土系统，其中所述控制器基于所述第一和第二回转传感器的输出而确定所述切割刀片位置的快速改变，并且其中所述控制器基于所述GPS接收机的输出而周期性地更新所述切割刀片的实际位置。
3.如权利要求1所述的运土系统，进一步包括加速计，其被安装在所述车架上以确定所述车架的垂直移动，所述加速计向所述控制器提供垂直加速度输出，由此所述控制器可以确定所述车架位置的快速改变，该快速改变可以基于所述加速计的输出被传递到所述切割刀片，所述控制器以基于所述GPS接收机的输出的反复计算和基于所述第一和第二回转传感器以及所述加速计的输出对所述反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控所述切割刀片的位置。
4.如权利要求3所述的运土系统，其中所述控制器响应于所述GPS接收机，以确定所述推土机的走向，所述系统进一步包括第三回转传感器，该第三回转传感器用于感测所述车架绕经过所述推土机的所述重心的大致垂直的轴线的转动，所述大致垂直的轴线和与所述推土机大致横向的所述轴线以及与所述推土机大致纵向的所述轴线垂直，所述控制器以基于所述GPS接收机的输出的反复计算和基于所述第三回转传感器的输出对所述反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控所述推土机的走向。
5.一种运土系统，包括运土机器，其具有车架和由自所述车架延伸的刀片支架支撑的切割刀片，所述刀片支架包括用于关于所述车架提升和降低所述刀片的一对液压汽缸以及用于控制所述切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸，回转传感器系统，其用于感测所述车架绕经过所述机器的重心的大致正交的三个轴线的转动，以及控制器，其响应于所述GPS接收机以及所述回转仪位置传感器以检测所述切割刀片的位置改变并控制所述汽缸的操作，并从而控制所述切割刀片的位置，基于所述GPS接收机的输出的反复计算通过基于所述回转传感器系统的输出的低等待时间的前馈校正信号而被校正。
6.如权利要求5所述的运土系统，其中所述控制器基于所述GPS接收机的输出而周期性地更新所述切割刀片的实际位置。
7.如权利要求6所述的运土系统，其中所述控制器在基于所述GPS接收机的输出对所述切割刀片的位置进行的相继的确定之间，基于所述回转仪系统的输出，多次确定所述切割刀片的位置。
8.如权利要求5所述的运土系统，其中所述控制器响应于所述GPS接收机以确定所述推土机的走向，所述回转仪系统感测所述车架绕经过所述推土机的所述重心的大致垂直的轴线的转动，所述控制器以基于所述GPS接收机的输出的反复计算和基于所述回转仪系统的输出对所述反复计算的低等待时间的前馈校正来监控所述推土机的走向。
9.如权利要求5所述的运土系统，进一步包括安装在所述车架上的加速计，其用于确定所述车架的垂直移动，所述加速计向所述控制器提供垂直加速度输出，由此所述控制器可以确定所述车架位置的快速改变，该快速改变可以基于所述加速计的输出被传递到所述切割刀片，所述控制器以基于所述GPS接收机的输出的反复计算和基于所述回转仪系统以及所述加速计的输出对所述反复计算的低等待时间的前馈校正，来监控所述切割刀片的位置。
10.一种确定推土机的切割刀片的位置的方法，所述推土机具有车架和所述切割刀片， 所述切割刀片由自所述车架延伸的刀片支架支撑，所述刀片支架包括用于关于所述车架提升和降低所述刀片的一对液压汽缸以及用于控制所述切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸，所述方法包括以下步骤使用桅杆上的一对GPS接收机来周期性地确定所述切割刀片的定位，所述桅杆安装在所述切割刀片上，使用第一回转传感器感测所述车架绕轴线的转动，所述轴线大致横向于所述推土机并且经过所述推土机的重心，使用第二回转传感器感测所述车架绕轴线的转动，所述轴线大致纵向于所述推土机并且经过所述推土机的重心，基于使用所述GPS接收机的输出确定的切割刀片的定位而控制所述汽缸的操作并且由此控制所述切割刀片的位置，所述切割刀片的定位以自第一和第二回转传感器的输出获得的低等待时间的前馈校正信号更新。
11.一种确定推土机的切割刀片的位置的方法，所述推土机具有车架和所述切割刀片， 所述切割刀片由自所述车架延伸的刀片支架支撑，所述刀片支架包括用于关于所述车架提升和降低所述刀片的一对液压汽缸以及用于控制所述切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸，所述推土机进一步包括安装在所述车架上的回转仪系统以及一对GPS接收机，所述方法包括以下步骤使用所述回转仪系统感测所述车架绕经过所述推土机的重心的三个正交轴线中的每个轴线的转动，基于所述回转仪位置传感器的输出而控制所述汽缸的操作并且由此控制所述切割刀片的位置，以及周期性地更新由所述GPS接收机确定的所述切割刀片的实际位置。
12.如权利要求11所述的确定推土机的切割刀片的位置的方法，其中所述推土机还包括安装在所述车架上以确定垂直加速度的加速度传感器，并且其中基于所述回转仪位置传感器的输出、所述加速度传感器的输出和所述GPS接收机的输出而控制所述汽缸的操作并且由此控制所述切割刀片的位置。
13.如权利要求11所述的确定推土机的切割刀片的位置的方法，还包括以下步骤在使用所述GPS接收机对所述切割刀片的位置进行的每个相继的确定之间，基于所述回转仪系统的输出，多次确定所述切割刀片的位置。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述推土机包括在所述车架上的加速计，并且其中基于所述加速计的输出，而对所述切割刀片的被计算的位置进行进一步校正。
15.如权利要求14所述的方法，其中通过提供低等待时间的前馈校正，而基于所述加速计的输出和所述回转仪系统的输出，对所述切割刀片的被计算的位置进行所述校正。
全文摘要
一种用于具有较高机器速度的运土系统的改进的等级控制。一种包括推土机的运土系统，运土系统具有安装在推土机的切割刀片上的一对GPS接收机。切割刀片由自车架延伸的刀片支架支撑。刀片支架包括用于关于车架提升和降低刀片的一对液压汽缸以及用于控制切割刀片的横向倾斜的刀片倾斜汽缸。包括回转传感器和加速计的传感器感测车架绕三个正交轴线的转动和将影响刀片位置的推土机车架的垂直移动。控制器响应于一对GPS接收机以及回转传感器，从而控制液压汽缸的操作并且由此控制切割刀片的位置。控制器以基于GPS接收机的输出的反复计算和基于回转传感器和加速计的输出对这些反复计算的低等待时间的前馈校正来监控切割刀片的位置。
文档编号E02F3/815GK102312452SQ20111018232
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年7月1日
发明者F·B·道格拉斯 申请人:卡特彼勒特林布尔控制技术有限责任公司