用于挖掘检测的系统和方法

用于挖掘检测的系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于确定机器的操作状态的系统。该系统包括工具位置传感器，其被配置为生成指示工具位置的位置信号。该系统还包括压力传感器，其被配置为生成指示机器的气缸压力的压力信号。该系统还包括控制器，其可通信地耦合到工具位置传感器和压力传感器。控制器被配置为接收位置信号和压力信号。控制器还被配置为基于接收的信号确定机器的有效负载权重。而且，控制器还被配置为至少部分基于有效负载权重的变化率和工具的位置，确定机器的挖掘状态。
【专利说明】用于挖掘检测的系统和方法

【技术领域】
[0001]本公开涉及确定具有工具的机器的操作状态，且更具体地，涉及确定与由机器执行的挖掘操作相关联的状态。

【背景技术】
[0002]挖掘操作是可由诸如轮式装载机的机器执行的操作之一。在对机器执行子系统测试的同时，几乎没有任何经验的操作者可以非传统方式执行挖掘操作。这样的事件可在客户现场频繁发生，直到操作者受到正确的训练。
[0003]已知的挖掘检测系统通常通过监测机器上的提升和倾斜泄露传感器以及机器的运动方向来检测挖掘操作的性能。但是，已知的系统可能不能检测非传统的挖掘操作。这可能影响识别训练不足，因为所有的挖掘操作可能不会由这些系统所捕获。而且，机器的生产数据也可能受到影响。而且，由于机器遇到的各种类型的材料，这些系统有时候提供不足或错误的检测。
[0004]美国专利申请号7，953，559涉及一种用于构造结构的负载历史数据库的方法和系统。该方法可包括使用放置在结构上的传感器来检测结构的可测量参数，并基于检测的参数确定作用在结构上的外部负载值。而且，该方法可包括评估针对预先建立的因素评估外部负载的值。基于该评估，外部负载的值被选择性地存储在负载历史数据库中。


【发明内容】

[0005]在一方面，本公开提供了一种用于确定机器的操作状态的系统。该系统包括工具位置传感器，其被配置为生成指示工具位置的位置信号。该系统还包括与气缸相关联的压力传感器。气缸与工具耦合。压力传感器被配置为生成指示气缸压力的压力信号。该系统还包括控制器，其可通信地耦合到工具位置传感器和压力传感器。控制器被配置为接收位置信号和压力信号。控制器还被配置为基于接收的位置和压力信号确定机器的负载权重。而且，控制器还被配置为，至少部分基于有效负载权重的变化率和工具位置来确定机器的挖掘状态。
[0006]在本公开的另一方面，公开了一种确定机器的操作状态的方法。该方法接收指示工具位置的位置信号。该方法接收指示气缸压力的压力信号。气缸与工具相关联。该方法还基于接收的位置和压力信号确定机器的有效负载权重。此外，该方法至少部分基于有效负载权重的变化率和工具位置来确定机器的挖掘状态。
[0007]本公开的其它特点和方面将从以下描述和附图变得明显。

【专利附图】

【附图说明】
[0008]图1是根据本公开实施例的示例性机器的侧视图；
[0009]图2是用于确定图1示出的机器的操作状态的系统的框图；
[0010]图3是示出机器的操作状态的变化的状态转变图；以及
[0011]图4是用于确定机器的操作状态的流程图。

【具体实施方式】
[0012]如可能，在全部附图中将使用相同的参考标号来指示相同或类似的部件。图1示出了合并用于确定在此公开的机器100的操作状态的系统的示例性机器100。在此使用的术语“机器”是指固定或移动的机器，其执行与特定工业诸如采矿、建筑、农业等相关联的某些类型的操作，并在工作环境(例如，建筑工地、矿场、发电厂等)之间或在其内操作。固定机器的非限制性例子包括在工厂或离岸环境(例如海上钻井平台)中操作的发动机系统。移动机器的非限制性例子包括商业机器，诸如卡车、起重机、运土车辆、采矿车、反铲挖土机、材料搬运设备、耕种设备、海洋船舶、飞机，以及在工作环境中操作的任何类型的可移动机器。如图1所示，机器100是运土类型的机器，且更特别地，包括轮式装载机102。图1示出的机器100的类型是示例性的且不旨在限制。假设公开的实施例可实施旨在执行任务的任何类型的机器。
[0013]机器100可包括后端104和?υ端106。后端104可包括附件108和丨呆作员站110。附件可包括电源，诸如发动机(未示出)，其为前端和后端地面啮合设备112提供功率。在一个实施例中，发动机可包括例如柴油发动机、汽油发动机、诸如天然气发动机的气体燃料动力发动机，或任何其它已知的功率源。功率源可替代地包括非燃烧的功率源，诸如燃料电池、功率存储设备、电机或其它类似的机构。前端和后端地面啮合设备112可包括支撑机器100的轮子或卡车。
[0014]而且，机器100可包括作业工具或执行一个或多个任务的工具114。在给定实施例中，轮式装载机102可被用来将有效负载从一个地方移动到另一个地方。有效负载可包括泥浆、岩石、建筑材料、浙青或任何其它填料。在给定实施例中，轮式装载机102可包括提升臂116和吊桶118，此后被统称为机器100的工具114。机器100的工具114与至少一个气缸120耦合。气缸120可以液压或以气压致动。气缸120可与机器100的框架122耦合。在操作期间，工具114能基于气缸120的致动而移动。机器100的操作者可通过在操作者站110中提供的控制操作机器100和工具114。
[0015]而且，在操作期间，工具114可以位于若干不同位置中的任一个。例如，在一个示例性情况中，提升臂116可完全伸展。在另一个例子中，提升臂116可被部分伸展。工具位置传感器124可与工具相关联，并可生成指示工具114位置的位置信号。在一个实施例中，工具位置传感器124可包括旋转传感器，其被配置为生成位置信号，该位置信号指示工具114相对于机器100的框架122的角位置。而且，压力传感器可与机器100的气缸120相关联。如附图所示，在一个实施例中，两个压力传感器126、128可被分别安装在气缸120的杆端130和头端132处。压力传感器126、128可生成压力信号，其指示在气缸120的相应杆端130和头端132的压力。
[0016]本公开涉及被配置为确定机器100的操作状态的控制器134。控制器134可位于机器100上。更具体地，控制器134可被配置为确定机器100的挖掘状态。在此使用的术语“挖掘状态”是指与挖掘循环或操作相关联的机器100的状态。应当注意，附图中示出的控制器134、工具位置传感器124以及压力传感器126、128的位置是基于示例性的。
[0017]图2示出了用于确定机器100的挖掘状态的系统的框图200。如图所示，工具位置传感器124可被通信地耦合到控制器134。而且，压力传感器126、128也可通信地耦合到控制器134。控制器134可被配置为接收来自工具位置传感器124的位置信号。控制器134也可被配置为接收来自压力传感器126、128的压力信号。
[0018]而且，控制器134可被配置为基于接收的信号确定机器100的吊桶118内的有效负载权重。因此，在一个实施例中，控制器134可通信地耦合到数据库202。数据库202可被配置为存储预校准的基准图。基准图可包含用于工具114的位置的不同组合的预估计有效负载权重和与气缸120相关联的压力的读数。因此，控制器134可被配置为检索存储在数据库202中的至少一部分读数，并将接收的信号与读数进行比较。而且，控制器134还基于比较确定有效负载权重。
[0019]本领域普通技术人员将理解，数据库202可以是本领域已知的传统或非传统数据库，诸如基于oracle的数据库。而且，数据库202能根据操作和设计需求存储和/或修改预存储的数据。在一个实施例中，数据库202对于机器100可能是非固有的，并位于远离机器100的远程位置。或者，数据库202对于机器100是固有的。
[0020]控制器100也可被配置为基于工具114的有效负载权重的变化率和位置来确定机器100的挖掘状态。通过发现之前的时间实例的负载权重和当前确定的有效负载权重的差异来确定有效负载权重的变化。而且，根据情况而定，变化可表示权重的大幅增加或减少。在此使用的术语“大幅”指机器100的目标有效负载权重的固定百分比。该固定百分比和目标有效负载权重可基于机器100的类型而变化。
[0021]应当理解在挖掘操作开始时，有效负载权重的大幅增加可由控制器134在特定时间段内确定。例如，当吊桶118进入到堆时，有效负载权重的增加可由控制器134确定。此后，当吊桶从堆中被拉出时，有效负载权重可减少，这也可由控制器134确定。
[0022]在一个实施例中，计时器模块204可选地与控制器134耦合。计时器模块204可向控制器134提供输入，以便检查在给定时间段内有效负载权重是否发生变化。更具体地，计时器模块204可被配置为基于已知的超时特点，检测来自预固定的下部和上部计时器限制的偏差。将结合图3详细描述监测有效负载权重的是否变化的重要性，更具体地是在下部和上部计时器限制中发生的有效负载权重的减少。本领域普通技术人员将理解，计时器模块204的功能可以替代地是由控制器134本身执行的额外功能。
[0023]在示出的实施例中，控制器134可通信地耦合到当前位于机器100的操作者站110内的显示设备206。显示设备206可显示机器100的挖掘状态的通知。显示设备206可包括LCD设备、LED设备、CRT监视器、触摸屏设备或本领域已知的任何其它熟知的显示设备。通知可以是提供给操作者的任何合适的听觉和/或视觉反馈，该反馈指示机器100的当前挖掘状态。
[0024]由控制器134确定的挖掘状态可包括四种可能状态中的任一种。图3是示出从一种状态转换到另一种状态的状态和情况可能发生的状态转换图300。第一状态SI对应于与工具114相关联的未知操作。第二状态S2对应于不由工具114执行的挖掘操作。第三状态S3对应于由工具114执行的试验性挖掘操作，而第四状态S4对应于由工具114执行的挖掘状态。
[0025]这些状态物理地指示挖掘操作的不同阶段。例如，当机器100的吊桶118进入到或位于堆中时，第三状态S3可在挖掘操作开始时达到。当吊桶118在与挖掘操作相关联的给定时间段内被拉出堆时，可达到第四状态S4。在完成挖掘操作后，且当吊桶114中的有效负载权重稳定后，可达到第二状态S2。
[0026]参考图3，当机器100被启动时，第一状态SI可被控制器134识别为机器100的挖掘状态。控制器134随后可被配置为检测故障条件是否与任何接收的位置信号和/或接收的压力信号相关联。由于大量原因，诸如例如硬件故障、电池短路、接地短路、传感器故障等，可基于由控制器134接收的无效或错误的输入而检测到故障条件。如果识别到故障条件，机器100的挖掘状态可继续保持在第一状态SI。如果未检测到故障条件，挖掘状态可转换到第二状态S2。
[0027]当机器100的挖掘状态处于第二状态S2时，控制器134可被配置为检测有效负载权重的增加。更具体地，当权重的增加超过机器100的目标有效负载的第一固定百分比时，有效负载权重的这种增加可被确定。如之前描述的，第一固定百分比可基于机器100的类型而改变。例如，在轮式装载机102的情况下，第一固定百分比可大致上是轮式装载机102的目标有效负载的至少10%。
[0028]应当注意，有效负载权重的增加可指示挖掘操作的开始。但是，当机器100的工具114相对于机器100的框架122自由地向下移动时，也发生有效负载权重的增加。这样的事件与挖掘操作无关，且不会影响机器100的挖掘状态。因此，如果检测到权重增加，则控制器134可被配置为进一步将工具114的位置与预定阈值相比较。该预定阈值可指权重位置的开始，其可包括设置在挖掘操作可能结束的位置上的参考值的位置坐标。
[0029]而且，控制器134可被配置为确定工具114的移动方向。在一个示例性情况中，可确定工具114的运动速度。更具体地，如果工具被确定为是静止的或相对于机器100的框架122而在向上的方向上移动，且工具114的位置低于预定阈值，则控制器134可被配置为将机器100的挖掘状态从第二状态S2转换到第三状态S3。
[0030]本领域普通技术人员将理解，一旦检测到操作状态的开始，即，机器100的挖掘状态处于第三状态S3，则可能随后存在有效负载权重的降低。当吊桶118被从堆中拉出时，随着过量材料会流出吊桶118，可能发生有效负载权重的降低。因此，当机器100的挖掘状态处于第三状态S3时，控制器134可被配置为检测有效负载权重的降低率。更具体地，当有效负载权重减少机器100的目标有效负载的第二固定百分比时，可检测到有效负载权重的减少。例如，在轮式装载机102的情况下，第二百分比可能大约是轮式装载机102的目标有效负载的至少1%。
[0031]但是，在示例性情况下，当机器100沿着不平坦或岩石地形移动时，机器100可能撞到突出部。在这种情况下，控制器134可检测到有效负载权重的增加，以及相对有效负载权重相对急剧或快速的降低。本领域普通技术人员将理解，挖掘操作可持续有限的时间段，在撞到突出部的情况下，该有限的时间段比有效负载权重的快速变化的时间段相对更长。这种时间段可以是固定的，且可基于机器100的类型而变化。因此，控制器134可被配置为监测有效负载权重的增加和有效负载权重的降低之间的时间段，或有效负载权重的降低率。
[0032]如果时间段落在第一预定时限内，则控制器134可被配置为将机器100的挖掘状态从第三状态S3转换到第四状态S4。这可指示由工具114执行的挖掘操作。例如，对于轮式装载机102，第一预定时限可大约位于0.5秒到45秒之间。这样的时限可对应于吊桶118进入到并随后离开堆所需要的时间量。
[0033]或者，如果时间段落在第一预定时限之外，则控制器134可被配置为将机器100的挖掘状态从第三状态S3转换到第二状态S2。这可指示挖掘操作不由工具114执行。例如，当时间段小于0.5秒的一种情况下，轮式装载机102可能会撞到突出部。在另外情况下，当时间段多于45秒时，轮式装载机102可执行与挖掘操作无关的任务。如上所述，计时器模块204可被用来确定时间段是否位于第一预定时限内或落在第一预定时限外。
[0034]当挖掘操作由工具114执行时，在指定时间段后，挖掘操作可完成。在完成挖掘操作后，可稳定吊桶118内的有效负载权重以指示挖掘操作结束。因此，当机器100的挖掘状态处于第四状态S4时，控制器134可被配置为通过机器100的目标负载权重的第三固定百分比，检测有效负载权重的变化率。在示例性情况下，对于轮式装载机102，第三固定百分比可以大约是轮式装载机102的目标有效负载的至少2.5%。
[0035]而且，控制器134可被配置为确定有效负载权重在第二预定时限内是否不变化。在轮式装载机102的情况下，第二预定时限可能是大约2秒。控制器134可被配置为当检测到在第二预定时限内没有有效负载权重的变化时，可将机器100的挖掘状态从第四状态S4转换为第二状态S2。
[0036]应当注意，在第二预定时限内没有有效负载权重的变化可指示轮式装载机102的吊桶118内的有效负载权重的稳定。控制器134可利用计时器模块204或另一个类似的计时器模块，以完成该测时工能。而且，控制器134可被配置为，如果检测到故障情况，则将机器100的挖掘状态从第二状态S2、第三状态S3和第四状态S4种的任一种转换到第一状态SI。
[0037]基于由控制器134确定的机器100的挖掘状态，可由控制器134发布具有指示四种状态S1、S2、S3和S4的任一种的值的输出信号。在一个实施例中，可向要求当前挖掘状态的机器100上的任何其它模块或组件提供输出信号作为输入。在另一个实施例中，可向操作者通知机器100的当前挖掘状态。
[0038]控制器134可包括单个微处理器或多个微处理器，其可包括用于从工具位置传感器124和压力传感器接收信号的装置。各种商业可用的微处理器可被配置为执行控制器134的功能。应当理解，控制器134能轻易地实施通用机器微处理器，其能控制各种机器功能。本领域普通技术人员将理解，控制器134还可额外包括其它组件，且可执行不在此描述的其它功能。应当理解，在此描述的实施例和连接仅是示例性的，且不限制本公开的范围和精神。
[0039]将结合图4描述描述用于确定机器100的操作状态的方法400。
[0040]工业实用性
[0041]已知的挖掘检测系统不能精确地记录由机器执行的所有挖掘操作。典型地，由经验较少的操作者执行的非传统挖掘操作可能不会被这些系统捕获。不可信的挖掘检测可能影响整体的机器生产数据。
[0042]在当前的公开中，如上所述，控制器可被配置为监测有效负载权重的实时瞬时变化，用于确定机器的当前挖掘状态。系统可提供挖掘操作的相对精确的检测，而不考虑操作者的操作方式。而且，系统还实现有效负载和性能监测，以便基于检测精确地执行操作权重计算和操作分段计算。而且，系统可利用超级步语义，其中机器的挖掘状态可通过一个执行中的多个状态转换直到机器可达到的当前挖掘状态。
[0043]图4示出了用于确定机器100的操作状态的方法400。在步骤402，指示工具114位置的位置信号可由控制器134接收。在步骤404，指示气缸120压力的压力信号可由控制器134接收。
[0044]在步骤406，基于接收到的位置和压力信号，控制器134可确定机器100的有效负载权重。在一个实施例中，控制器134可访问并检索存储在数据库202中的预校准的基准图。控制器134可将接收信号与基准图相比较以便确定有效负载权重。
[0045]在步骤408，可基于有效负载权重的变化率和工具114的位置确定机器100的挖掘状态。如之前描述的，机器100的挖掘状态可以是四种状态S1、S2、S3和S4中的任一种。控制器134的输出可指示机器100的当前挖掘状态。
[0046]应当理解，本公开可用在任何材料的挖掘操作期间的轮式装载机应用，以便开始记录周期生产数据和/或在尖断模式操作区间的轮式装载机应用。应当注意，尽管在此描述的本公开是就轮式装载机102而言的，但是本公开可发现其它类型的机器上的应用，诸如例如挖掘机或能在挖掘循环期间提供或接受有效负载的任何其它机器。
[0047]尽管已参考上述实施例特别示出并描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将理解，可由公开的机器、系统和方法的修改推断出各种额外的实施例，而不脱离所公开的精神和范围。这样的实施例应当被理解为落入由基于权利要求书及其任何等价物所确定的本公开的范围内。
【权利要求】
1.一种系统，用于确定机器的操作状态，所述系统包括: 工具位置传感器，其被配置为生成指示工具位置的位置信号； 压力传感器，其与耦合到所述工具的气缸相关联，所述压力传感器被配置为生成指示所述气缸的压力的压力信号；以及 控制器，可通信地耦合到所述工具位置传感器和所述压力传感器，所述控制器被配置为: 接收指示所述工具的位置的所述位置信号； 接收指示所述气缸的压力的所述压力信号； 基于接收的所述位置信号和所述压力信号，确定所述机器的有效负载权重；以及 至少部分基于所述负载权重的变化率和所述工具的位置，确定所述机器的挖掘状态。
2.如权利要求1所述的系统，其中两个压力传感器分别在所述气缸的杆端和头端提供。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器还被配置为将接收到的位置信号和压力信号与预校准的基准图进行比较以确定所述有效负载权重。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述挖掘状态包括以下中的任一个: 第一状态，对应于与所述工具相关联的未知操作； 第二状态，对应于不由所述工具执行的挖掘操作； 第三状态，对应于由所述工具执行的试验性挖掘操作；以及 第四操作，对应于由所述工具执行的挖掘操作。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述控制器还被配置为: 将所述第一状态识别为所述机器的挖掘状态； 检测故障条件是否与接收的位置信号和压力信号中的至少一个相关联；以及如果未检测到所述故障条件，则将所述机器的挖掘状态从所述第一状态转换为所述第二状态。
6.如权利要求5所述的系统，其中当所述机器的挖掘状态处于所述第二状态时，所述控制器被进一步配置为: 由所述机器的目标有效负载的第一固定百分比来检测所述有效负载权重的增加； 基于所述有效负载权重的增加的检测，将所述工具的位置与预定阈值进行比较； 基于所述有效负载权重的增加的检测，确定所述工具相对于所述机器的移动方向；以及 基于所述比较和所述确定，将所述机器的挖掘状态从所述第二状态转换到所述第三状态。
7.如权利要求6所述的系统，其中当所述机器的挖掘状态处于所述第三状态时，所述控制器被进一步配置为: 由所述机器的所述目标有效负载的第二固定百分比检测所述有效负载权重的降低率；以及 将所述机器的挖掘状态从所述第三状态转换到以下中的任一个: 如果在第一预定时限内发生所述有效负载权重的降低率，则是所述第四状态；以及 如果在所述第一预定时限之外发生所述有效负载权重的降低率，则是所述第二状态。
8.如权利要求7所述的系统，其中当所述机器的挖掘状态处于所述第四状态时，所述控制器被进一步配置为: 由所述机器的所述目标有效负载的第三固定百分比检测所述有效负载权重的变化率； 检测所述有效负载权重在第二预定时限内是否没有变化；以及基于在所述第二预定时限内变化率的检测，将所述机器的挖掘状态从所述第四状态转换到所述第二状态。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器还被配置为基于所述故障条件，将所述机器的挖掘状态从所述第二状态、所述第三状态和所述第四状态中的任一个转换为所述第一状态。
10.如权利要求1所述的系统，还包括可通信地耦合到所述控制器的显示设备。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述控制器还被配置为将所述机器的挖掘状态的通知显示在显示设备上。
12.—种方法,用于确定机器的操作状态,所述方法包括: 接收指示工具位置的位置信号； 接收指示与所述工具相关联的气缸压力的压力信号； 基于接收的位置信号和压力信号，确定所述机器的有效负载权重；以及 至少部分基于所述有效负载权重的变化率和所述工具的位置，确定所述机器的挖掘状态。
13.如权利要求12所述的方法，还包括将接收的位置信号和压力信号与预校准基准图进行比较以确定所述有效负载权重。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述挖掘状态包括以下中的任一个: 第一状态，对应于与所述工具相关联的未知操作； 第二状态，对应于不由所述工具执行的挖掘操作； 第三状态，对应于由所述工具执行的试验性挖掘操作；以及 第四状态，对应于由所述工具执行的挖掘操作。
15.如权利要求14所述的方法，还包括: 将所述第一状态识别为所述机器的挖掘状态； 检测故障条件是否与接收的位置信号和压力信号中的至少一个相关联；以及 如果未检测到故障条件，则将所述机器的挖掘状态从所述第一状态转换到所述第二状态。
16.如权利要求15所述的方法,还包括: 由所述机器的目标有效负载的第一固定百分比检测所述有效负载权重的增加； 基于所述有效负载权重的增加的检测，将所述工具的位置与预定阈值进行比较； 基于所述有效负载权重的增加的检测，确定所述工具相对于所述机器的移动方向；以及 基于所述比较和所述确定，将所述机器的挖掘状态从所述第二状态转换到所述第三状态。
17.如权利要求16所述的方法，还包括: 由所述机器的所述目标有效负载的第二固定百分比检测所述有效负载权重的降低率；以及 将所述机器的挖掘状态从所述第三状态转换到以下中的任一个: 如果在第一预定时限内发生所述有效负载权重的降低率，则是所述第四状态；以及 如果在所述第一预定时限之外发生所述有效负载权重的降低率，则是所述第二状态。
18.如权利要求17所述的方法，还包括: 由所述机器的所述目标有效负载的第三固定百分比检测所述有效负载权重的变化率； 检测所述权重在第二预定时限内是否没有变化；以及 基于在所述第二预定时限内的变化率的检测，将所述机器的挖掘状态从所述第四状态转换到所述第二状态。
19.如权利要求18所述的方法，还包括基于所述故障条件，将所述机器的挖掘状态从所述第二状态、所述第三状态和所述第四状态中的任一个转换为所述第一状态。
20.如权利要求12所述的方法，还包括显示所述机器的挖掘状态的通知。
【文档编号】E02F9/20GK104234116SQ201410273339
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】J·E·比特纳 申请人:卡特彼勒公司