专利名称：持续的作业机具角度控制的制作方法
技术领域：
本专利公开一般而言涉及控制附设于机械上的作业机具，更具体而言涉及响应于 机械的运动来控制作业机具的角度。
背景技术：
作业机械如液压挖掘机通常使用作业机具执行任务。例如，液压挖掘机可使用诸 如铲斗之类的作业机具在泥土中挖沟。操作员通常控制机械和作业机具。在挖掘机的情形 中，操作员控制挖掘机的发动机速度、前进运动、旋转运动、悬臂的运动以及铲斗的斜度和 角度。控制挖掘机的运动的所有方面需要训练有素的操作员。作为示例性操作，挖掘机可清理沟渠。操作员使挖掘机定向成平行于沟渠行进。 挖掘机可定位在沿沟渠的任何点。沿沟渠的地面可能是不平整的。例如，在一个点地面可 能朝沟渠倾斜，而在另一个点地面可能远离沟渠倾斜。因而，挖掘机可能会沿其侧倾轴线倾 斜。操作员沿沟渠表面引导铲斗直到铲斗充满泥土为止。然后操作员放平铲斗以保持捕集 的负荷。随着操作员提升铲斗离开沟渠，悬臂远离沟渠摆动以倾倒负荷。在摆动操作期间， 铲斗相对地平线的角度改变一机械沿其侧倾轴线倾斜的量。因此，操作员必须对铲斗的水 平位置进行不断的调节以防止溢出负荷。控制诸如挖掘机之类的作业机械的所有方面需要 技艺精湛的操作员。当挖掘机倾斜时，即使技艺精湛的操作员也不能尽快执行沟渠清理操作。在操作 员填充并提升铲斗之后，铲斗远离沟渠摆动。然而，操作员必须不断地对铲斗的角度进行调 节。为了防止负荷溢出，操作员通常必须减慢机械的摆动速度，从而可在任何物料从铲斗溢 出之前进行铲斗角度调节。除了在机械远离沟渠摆动铲斗时保持作业机具角度以外，在机械的作业循环中的 其它步骤期间操作员必须改变铲斗的角度。例如，随着铲斗接近倾倒点，操作员必须改变铲 斗的角度使得铲斗中的物料从铲斗落下并在正确的倾倒点着地。随着操作员使机械摆动回 到沟渠，必须将铲斗的角度设定于正确的角度以在沟渠中执行下一次挖掘操作。正确的挖 掘角度可基于被挖掘的物料的类型和密度以及沟渠相对于泥土表面和重力二者的角度而 改变。已实施简单的控制方案来保持相对于泥土设定的作业机具角度。用于保持作业机 具角度的一个示例性系统在授予Hendron等人的美国专利7222444中公开。所公开的系统 包括附设于铲斗上的倾斜传感器。倾斜传感器能够感测铲斗相对于泥土的倾斜角度并且生 成相应的铲斗角度信号。控制器接收铲斗角度信号并且生成铲斗控制信号。基于铲斗控制 信号，机械移动铲斗以实现相对于泥土预先选择的角度。虽然此系统能够保持用于作业机 具的大致设定的角度，但它不能基于机械正在执行的任务来改变作业机具的角度。前述背景讨论只是为了帮助读者。其并非意图限制本发明，因此不应当被认为是 表明现有系统的任何具体元件不适合用于本发明内，也并非意图表明任何元件对于实施本 文公开的创新是必不可少的。本文所述的创新的实施和应用由所附权利要求书限定。
发明内容
在一方面，本公开内容描述了一种相对于设计表面斜坡控制作业机具的方法。首 先，自动或手动识别设计表面斜坡。接下来，自动或手动确定作业机具的角度。监测机械的 任何运动，并且确定设计表面斜坡与作业机具之间的距离。最后，基于作业机具的当前角 度、机械的运动以及从设计表面斜坡至作业机具的距离，改变作业机具的角度。本公开内容还描述了一种用于控制连接在机械上的作业机具的运动的系统。连接 在作业机具上的作业执行组件改变作业机具的位置。与作业执行组件相关联并且连接至处 理器的至少一个传感器确定作业执行组件的物理位置和作业机具的物理位置。至少一个输 入装置生成表示对作业执行组件的位置的期望改变的信号。处理器从至少一个输入装置接 收信号，计算作业执行组件的物理位置，确定作业执行组件的当前物理位置和作业机具的 当前物理位置，并且将作业机具设定到适当的物理位置。
图1示出作业机械的侧视图；图2是示出用于控制作业机械的示例性控制装置的框图；图3A示出修改设计表面的图1的作业机械；图3B示出从设计表面向第二位置传送物料的图1的作业机械；图4是示出用于控制连接在作业机械上的作业机具的过程的流程图。
具体实施例方式此公开内容涉及用于控制连接在机械上的作业机具的系统和方法。所述的技术包 括自动或手动识别设计表面斜坡、确定作业机具的角度、监测机械的运动、确定从设计表面 斜坡至作业机具的距离以及最终改变作业机具的角度，使得作业机具的角度是基于作业机 具的当前角度、机械的运动以及从设计表面斜坡至作业机具的距离。现参照附图，图1示出作业机械100的有关部分的示例性实施例。作业机械100 可用于各种土方工程和建筑应用。虽然作业机械100被示为反铲装载机，但应该注意的是， 其它类型的作业机械100，例如挖掘机、正铲挖掘机、物料抓运机等，可与所公开的系统的实 施例联用。作业机械100包括机体101和作业执行组件102，该作业执行组件102具有多个 构件，包括例如悬臂104、斗杆(stick) 106、可伸出的斗杆108和作业机具110，全部可控地 附设于作业机械100上。悬臂104枢转地连接在机体101上，斗杆106枢转地附设于悬臂 104上，可伸出的斗杆108可滑动地与斗杆106关联，作业机具110枢转地附设于可伸出的 斗杆108上。在所示的实施例中，作业执行组件102在基本水平的方向上和基本竖直的方 向上相对于机体101枢转。在作业执行组件102的各个构件之间可连接有致动器112。在所示实施例中，各致 动器112提供并引起枢转地和/或可滑动地连接的构件之间的运动。致动器112例如可为 液压缸。致动器112的运动可采取多种控制方式，包括控制流向致动器112的流体的速度 和方向。
如图2所示，在通向致动器112的流体管线中可设置有液压缸阀214。阀214可适 配成控制流体往返于致动器的流动。可调节阀214的位置以调整流体的流动，从而控制作 业执行组件102的相关致动器112和构件的运动的速度和方向。图2示出了适于控制作业执行组件102的运动的示例性控制装置200。控制装置 200可包括一个或多个位置传感器202、一个或多个力传感器204、输入装置206和控制模块 208。对本领域技术人员来说很明显的是，控制装置200可包括其它构件。在示例性实施例中，位置传感器202配置成感测作业执行组件102的构件的运动。 例如，这些位置传感器202可在操作上联接至致动器112。可选地，位置传感器202可在操 作上联接至连接作业执行组件102的各种构件的接头。这些传感器可为例如长度电位计、 射频共振传感器、旋转电位计、角度位置传感器等。处理器210接收来自位置传感器202的 数据。在感测位置后，位置传感器202将数据发送至处理器210。在获得位置数据后，处理 器例如通过执行载于诸如存储器212之类的介质上的计算机可执行指令而确定作业执行 组件102的位置。在示例性实施例中，力传感器204测量作用在作业执行组件102上的外部负荷并 且形成代表外部负荷的力感测信号。力传感器204可为压力传感器，用于测量任何致动器 112内流体的近似压力。致动器112内流体的压力可用来确定所作用的负荷的大小。在此 示例性实施例中，力传感器204包括与各致动器112相关的两个压力传感器，在致动器112 的各端分别有一个压力传感器。在另一示例性实施例中，力传感器204为与各致动器112 相关的单个应变式负荷传感器。位置传感器202和力传感器204可与用于常规信号激发缩 放和过滤的信号调节器(未示出)通信。在一个示例性实施例中，各单独的位置传感器202 和力传感器204可在其传感器壳体内容纳信号调节器。控制装置200还可包括输入装置206，用来输入信息或操作员指令以控制作业机 械100的诸如作业执行组件102之类的构件。输入装置206例如可用来生成代表所请求的 作业执行组件102的运动的控制信号。输入装置206可为任何标准输入装置，包括例如键 盘、操纵杆、小键盘、鼠标等。在所示实施例中，位置传感器202、力传感器204和输入装置206与控制模块208 电连通。控制模块208可设置在作业机械100上，或者可选地，可远离作业机械100并通过 远程连接与作业机械100通信。在示例性实施例中，控制模块208包含系统控制器或处理器210以及存储器212。 处理器可为微处理器或其它处理器，并且可配置成执行计算机可读代码或计算机程序以执 行功能。存储器212与处理器210通信，并且可提供计算机程序和可执行代码的储存，包括 与作业执行组件102的已知规格相对应的算法和数据。在一个示例性实施例中，存储器212存储与作业执行组件102和作业机具110的 期望运动相关的信息。存储的信息可以预先设定并加载到存储器中。例如，可创建用于作 业机械100的挖掘边界，包括设计表面斜坡的位置，并且将其加载到存储器212中。定位设 计表面300斜坡可手动或自动完成。挖掘边界可代表挖掘场地的期望构造，并且可为平面 边界，或任意形状的表面。预先设定的挖掘边界例如可从蓝图获得并编程到控制模块208 中，通过图形接口创建，或从由计算机辅助制图程序(CAD/CAM)或类似程序生成的数据获 得。将数据加载或输入到控制模块中允许系统监测挖掘边界和设计表面斜坡。系统从而可提醒用户或防止用户在挖掘边界以外挖掘。防止用户在挖掘边界以外挖掘有助于减少挖掘 失误。另外，作业执行组件102和作业机具110的运动可预定确定并且加载到控制模块208 中。控制模块208可从例如存储器212接收设计表面斜坡。可选地，挖掘边界、作业执行组 件的运动以及作业机具110的运动例如可通过在控制模块208中执行的学习算法而随时记 录。以这种方式绘制挖掘边界不需要用户预先确定挖掘边界。在示例性实施例中，控制模块208处理由位置传感器202和力传感器204获得的 信息，以确定作业执行组件102和作业机具110的当前位置和作用于其上的当前力。控制模 块208可使用标准动力学或逆运动学分析来计算和确定作业机具110的位置和其上的力。 在示例性实施例中，基于作业执行组件102的位置和作用于其上的力，控制模块208自动使 作业机具枢转至正确位置。在一个实施例中，除联动装置传感器外还使用位于机械的主机 架上的纵倾和侧倾传感器来确定机械的姿势。图3A示出修改设计表面300的图1的作业机械。在所示实施例中，作业执行组件 102朝设计表面300延伸。在此实施例中，为了进行挖掘，作业机具110必须设定在正确的 挖掘角度302。正确的挖掘角度302基于作业执行组件相对于设计表面300的位置而变化。 随着作业执行组件102和作业机具110靠近设计表面300，阈边界304被经过。阈边界304 限定了设计表面300以上的空间。在靠近阈边界304后，控制模块208将作业机具110设 定于正确挖掘角度。用户请求的用于作业机具110的运动矢量306表示用于作业机具110 的期望运动。如果用户请求的运动矢量306和作业机具110相对于阈边界的位置表明用户 准备修改设计表面，则控制模块208自动将作业机具置于正确挖掘角度302。图3B示出从设计表面300移动物料的图1的作业机械。在此实施例中，随着作业 执行组件102远离设计表面300升高并且在阈边界304上方，控制模块208自动将作业机具 110设定于适当的装载角度308。装载角度308通过按照需要调节装载角度而将作业机具 110保持在适当的地面上方角度，这样作业机具中的物料将不会溢出。因此，装载角度308 可随着作业机械100在不平整的地形上移动或作业执行组件102移动而变化。在一个实施 例中，控制模块208保持相对于重力的装载角度308，使得作业机具110相对于重力是水平 的。在一个实施例中，控制模块208监测位置传感器和力传感器，确定由作业机械100 执行的动作并且将作业机具110置于对与正在执行的活动而言的正确位置。在一个实施例 中，机械操作员可超控(override)作业机具110的自动控制并且手动控制作业机具110。 然而，在可选实施例中，控制模块208对作业机具110进行控制。图4的流程图示出用于控制连接在根据本发明的一个实施例的作业机械100上的 作业机具110的处理过程。在步骤402，作业机具(WT)IlO的角度、作业机具的空间位置和 作业机具的运动方向全部被确定。如上所述，控制模块208可使用标准动力学或逆运动学 分析来确定作业机具110的位置和其上的力。机械可包括安装在作业机具110上的诸如加 速计之类的传感器。传感器也可安装在作业执行组件102上。在确定作业机具110角度、位置和方向之后，在步骤404，系统判定作业机具是否 朝设计表面移动。设计表面的位置和挖掘边界可使用诸如CAD程序之类的软件工具来创 建。在可选实施例中，作业机械100的操作员在一定时段以手动模式使用机械。当机械在 手动模式下工作时，控制模块208或另一计算装置监测作业机械100、作业执行组件102和作业机具110的运动。通过监测作业机械100、作业执行组件102和作业机具110的重复运 动，控制模块208可确定设计表面300的位置。另外，可确定阈边界304的位置。在步骤404判定出作业机具朝设计表面移动之后，在步骤406，系统判定作业机具 110是否在设计表面附近。如上所述，设计表面的位置可采用多种方式确定，包括将位置编 程到控制模块208中并且使控制模块208通过监测操作员的动作和作业机械100、作业执行 组件102和作业机具110的运动而学习设计表面的位置。在一个实施例中，控制模块判定 作业机具110是否越过阈边界304。如果作业机具110越过阈边界304，则系统在步骤406 判定为作业机具110在设计表面附近。如果在步骤406期间系统判定出作业机具110靠近设计表面，则在步骤408期间， 系统使作业机具110转变至其有效工作角度。在图3所示的一个实施例中，有效工作角度 对应于正确挖掘角度302。然而，有效工作角度可基于完成的作业或作业环境而变化。例 如，当设定用于具体作业机具的有效工作角度时，系统除其它因素外可监测土壤密度和湿 度。此外，有效工作角度可随着环境条件改变而随时改变。最后，在一些实施例中，机械操 作员可手动设定有效工作角度。在步骤410期间，将作业机具110设定点作用于作业机具 角度控制器的输入。作业机具角度控制器可为控制模块的一部分，并且可为软件或单独的 硬件。如果在步骤404系统判定出作业机具110未朝设计表面移动，则系统进行至步骤 412。在步骤412，系统判定作业机具是否远离设计表面移动。如果作业机具110远离设计 表面移动，则在步骤414，系统将作业机具110角度设定点转变至有效地面上方角度或运送 角度。有效地面上方角度可基于作业机具而变化。在图3所示的一个实施例中，有效地面上 方角度对应于允许作业机具110运送物料同时最大限度地减少任何溢出的装载角度308。 有效地面上方角度可变化。例如，如果作业执行组件102水平旋转并且作业机械100定位 在坡地上，则有效地面上方角度将相对于作业执行组件102变化。在一个实施例中，地面上 方角度相对于重力保持不变。在使作业机具110转变至有效地面上方角度后，系统在步骤420将作业机具设定 点作用于作业机具角度控制器的输入。如上所述，作业机具角度控制器可为控制模块208 内的硬件部分或软件部分，或者它可为单独的模块。工业实用性从前面的说明很容易理解本文所述的作业机具角度控制的工业实用性。本发明可 应用于多种机械和由机械完成的多种任务。适合本发明的一个示例性机械为挖掘机。挖掘 机是经常在土壤中挖掘的电液机械。图4中提供的示例性方法示出在以挖掘为任务的挖掘 机上执行处理的一个方法。应当重申的是，前面的说明应用于完成各种任务的多种机械。所公开的作业机具角度控制允许作业机械的操作员将注意力集中在有别于控制 作业机具的角度的任务上。根据完成的任务，作业机具的管理可花费操作员明显的时间和 注意力。因而，如果除机械的所有其它方面外还要控制作业机具，则操作员将变得疲劳。疲 劳会导致操作员在一定时间量内完成更少的工作或者会酿成事故。因此，作业机具角度控 制允许机械更有效地工作。同样，上述的方法和系统可适合于各种各样的机械和任务。例如，反铲装载机、压 实机、伐木归堆机、林业机械、工业装载机、滑动转向装载机、轮式装载机以及许多其它机械可从所述的方法和系统受益。应该理解的是，前面的描述提供所公开的系统和技术的示例。然而，可以设想的 是，本发明的其它实施方案在细节方面可不同于前述示例。其所有参考物或示例旨在提供 就这一点讨论的具体示例的参考，并且并非意图在更一般的意义上暗示对本发明的范围的 任何限制。关于特定特征的所有区分和贬低的语言旨在表示并不优选那些特征，而非将其 从本发明彻底排除在外，除非另外指出。除非文中另外指出，文中值的范围的叙述仅旨在用作单独提及处于该范围内的每 个单独值的简便方法；并且将每个单独值结合在说明书中，就像它在文中被单独述及一样。 文中所述的所有方法均能以任何合适的次序执行，除非文中另外指出或否则会与上下文明 显抵触。因此，如适用的法律允许，本发明包括所附权利要求书中述及的主题的所有变型 和等同物。此外，本发明包含上述元件在其所有可能变型中的任何结合，除非文中另外指出 或否则会与上下文明显抵触。
权利要求
一种用于控制连接在机械(100)上的作业机具(110)的方法，该方法包括以下步骤识别设计表面斜坡(300)；确定所述作业机具(110)的有效工作角度；监测所述机械的运动；判定所述作业机具(110)是否在所述设计表面(300)斜坡附近；改变所述作业机具(110)的角度，所述作业机具(110)的角度基于所述作业机具(110)的当前角度、所述机械(100)的运动以及从所述设计表面(300)斜坡至所述作业机具(100)的距离而变化；将所述作业机具(110)的角度设定于所述作业机具(110)的所述有效工作角度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述设计表面(300)斜坡手动加载到存储器 (212)中。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述设计表面(300)斜坡输入到计算机辅助 制图程序中。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括自动绘制所述设计表面(300)斜坡。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述自动绘制所述设计表面(300)斜坡的步骤 进一步包括在操作员手动控制期间监测所述机械(100)的运动和所述作业机具(110)的运动。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括确定所述作业机具(110)的有效地面上方角度。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括将所述作业机具(110)的角度设定于所述作业 机具(110)的所述有效地面上方角度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述监测所述机械(100)的运动的步骤进一步包 括从在操作上与至少一个致动器(112)相联接的至少一个位置传感器(202)获得数据。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括识别挖掘边界。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括防止操作员在所述挖掘边界之外进行挖掘。
全文摘要
本发明涉及一种关于设计表面斜坡(300)控制作业机具(110)的方法，该方法识别表面斜坡并确定作业机具(110)的期望角度。监测机械(100)的运动，并且确定设计表面斜坡(300)与作业机具(110)之间的距离。作业机具(110)的角度基于这些参数中的一个或多个而变化。
文档编号G05D1/04GK101903839SQ200880121593
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月19日
发明者H·R·帕特尔, R·D·科赫 申请人:卡特彼勒公司