用于位于远方的机械的机具模拟系统的制作方法

专利名称：用于位于远方的机械的机具模拟系统的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及模拟系统，以及更具体地，涉及显示与位于远方的机械相关的图 像的机具模拟系统。
背景技术：
例如，诸如挖掘机、载重车、推土机、自动平地机、运输卡车以及其他类型的重型设 备之类的机械被用于执行各种任务。在执行这些任务期间，机械操作在对于操作者不舒适 的极端环境条件下，或者工地远离文明地区。由于这些因素，通过机载操作者来完成一些任 务是昂贵、劳动密集、费时以及低效的。该问题的一种解决方案包括远程控制机械。具体地，如果提供有机械和工作环境 的视觉表示，远离机械的非机载操作者可以从更舒适的位置来控制机械的操作。通过从现 场到操作者的实况视频馈送广播来提供机械和工作环境的视觉表示。然后，操作者通过图 形用户接口提供操作指令，操作指令随后被发送到机械以控制机械。但是通过实况视频馈送来远程控制机械存在的一个问题与从机械向远程位置传 输馈送所需的大带宽有关。在其中不能获得传输实况视频馈送所需的大带宽的远程控制 操作期间，操作者必须往返于远程控制台与推土机之间，重复地进行视觉检查刮土铲载荷 (blade load)和对刮土铲进行远程控制调整这一过程。该重复过程是低效而费时的。在1999年9月7日颁发给Yamamoto等的美国专利No. 5，950，141 (，141专利)描 述了解决这些问题的尝试。’ 141专利描述的系统包括用于检测在刮土铲上施加的反作用力 (reaction)的装置、用于计算累积了泥土的刮土铲的载荷因子的装置以及用于显示载荷因 子的值或简化的图形表示的装置。’ 141专利的系统可以将推土机移动到位，并根据在刮土 铲的面上积累的泥土量的自动检测来使推土机从挖掘自动切换到承载。操作者通过手动操 作或在无线电控制器的帮助下从远程位置来指引推土机到位。因此，’ 141专利描述了一种 用于自动进行推土操作而不依赖于操作者感知和对操作的影响的系统。虽然’ 141专利的系统提供了一种用于在不能获得大带宽的情况下远程控制推土 机的自动系统，但该系统使具有经验的操作者不能使用其技能和经验来影响推土操作。在 该’ 141专利系统中，操作者仅能将机械指引到推土位置，而不能控制在该位置的推土和材 料移动操作。因为不能利用操作者的技能，因此降低了’ 141系统对不可预见的环境做出反 应的适应能力。此外，不能利用有经验的推土机操作者可能为工地带来的推土作业中的速 度和技能。本公开旨在克服上述一个或多个问题。

发明内容
根据一个方面，本公开涉及一种用于机械的机具模拟系统。所述系统包括远离所 述机械的用户接口以及与所述用户接口、所述机械通信的处理器。所述处理器被配置为接 收在所述机械的位置处的多个参数输入；基于所述多个参数计算机具载荷；以及在所述用
3户接口上显示机具载荷。根据另一方面，本公开涉及一种显示机具载荷的方法。所述方法包括接收在机械 位置处测量的输入参数；基于所接收的输入参数计算所述机械的机具载荷；以及向远离所 述机械位置的用户显示机具载荷。


图1为行驶在工地的示例性公开的机械的图示；图2为用于图1的机械的示例性公开的模拟和控制系统的示意性略图；以及图3为用于图2的系统的示例性公开的图形用户接口的图示。
具体实施例方式图1示例了在工地12进行推土操作的示例性机械10。机械10可以为本领域公知 的任何运土机械，例如，图1示出的推土机，其中机械10的功能包括将工地12的材料处理 为结构需要的形式。如图2所示，机械10与具有多个部件的模拟系统14关联，该多个部件互相作用以 监视机械10的操作并响应于操作进行分析。具体而言，机械10包括与控制器18通信的数 据模块16。可以预期，如果需要的话，数据模块16和控制器18可以集成在单个单元中。还 可以预期模拟系统14包括除图2所示出的部件之外的附加或不同的部件。数据模块16包括遍及机械10分布的多个感测装置16a_f以从机械10的各种部 件和系统收集实时数据。例如，感测装置16a-f可以关联到机具20 (例如，推土机刮土铲)、 动力源22、变速器装置24、一个或多个致动器装置26、驱动和/或导向牵引装置30、变矩器 (未示出)、流体供应(未示出)、操作者输入装置(未示出)、和/或机械10的其他系统和 部件。这些感测装置6a-f自动收集来自机械10的实时数据，例如，机具20的操纵、动力 源22的操作、和/或机械行驶特性(例如，速度、扭矩、打滑率(track slip rate)等等)； 机械10的定向和位置；流体压力、流速、温度、污染水平、和/或粘性；电流和/或电压水 平；流体(即，燃料、油、水等)消耗率；载荷水平(例如，有效载荷值、最大可允许载荷限制 的百分比、有效载荷历史、有效载荷分布等等)；变速器输出率；循环时间；空转时间、等级 (grade)；近期进行的维护和/或修理操作；以及其他这样的信息块。机械数据模块16还产 生或保持附加信息，例如，日期、时刻以及操作者信息。收集的数据可相对于时间、日期、操 作者、或其他信息块来索引，并传送到控制器18。例如，第一感测装置16a可以与设置在机械10上的常规俯仰和滚转(pitch and roll)倾角电子装置关联。例如，该电子装置包括设置在玻璃瓶内并浸没在导电流体中的电 极，以便当机械倾角改变时，电极的浸没深度同样改变，因而电极之间的路径的电阻也相应 地改变。这样，可以基于测量的电阻来限定机械10的俯仰和滚转。应该理解，还可以替代 地或附加地使用本领域公知的其他俯仰和滚转和/或倾角探测器。替代地，感测装置16a 可测量机械10的地速(ground speed)。例如，第二感测装置16b与牵引装置30关联以收集实时速度和/或其速率数据。 例如，感测装置16b能够确定牵引装置30的实时旋转速度。应该理解，通过在上述机械的 地速和牵引装置速度之间的检测的差来指示牵引装置30的打滑率(即，牵引装置30原地旋转的速率)。替代地，通过感测装置16b检测的牵引装置30中一个或多个的速度的突然 增加来指示打滑率。在另一方面，感测装置16b可收集实时转向命令信息。例如，在牵引装置30包括 驱动的不可转向带或履带的情况下，其旋转速度的测量的差指示了相应的转向速率和机械 10经过的方向。在其中牵引装置30包括可导向轮等等的另一实例中，感测装置16b可简单 地测量其当前转向角。例如，第三感测装置16c可以与变速器装置24关联以收集与机械10所利用的当 前变速器输出(例如，排档)有关的实时数据。此外，感测装置16c还收集与变速器装置24 的扭矩输出有关的实时数据。第四感测装置16d与动力源22关联以收集与动力源22的速 度输出(RPM)和/或扭矩输出有关的信息。第五感测装置16e与致动器装置26关联以收集与机具架32和/或机具20的位 置有关的实时数据。例如，致动器装置26可以包括在最小长度和最大长度之间的范围内可 延伸的液压缸。结合机具架32和/或机具20的公知的运动学和几何形状，便可以基于感 测的致动器装置26的延伸长度来确定机具架32和/或机具20在位置坐标中的三维位置 和取向。例如，第六感测装置16f可以与机具20关联以收集与施加到机具20的载荷有关 的实时数据。载荷可以表示为机具20啮合(engage)或支撑的材料的力、重量、体积和/ 或质量。另外，载荷可以被确定为机具20能够啮合或支撑的最大全载量(capacity)载荷 (即，全载荷)的百分比。最大全载量载荷可以基于机具架32、机具20和/或机械10的其 他部件的公知规范。例如，装置16f包括直接确定支撑的材料的力、重量、体积和/或质量 的度量机制。替代地，装置16f可以包括设置在机具20的表面周围的一个或多个光学传感 器以感测啮合到机具20的材料的载量。基于公知的规范，可以确定机具20啮合的材料的 体积。在另一方面，感测装置16f可以测量由致动器装置26施加的力以将机具20保持在 期望位置。这样，结合机具架32与机具20之间的公知扭矩关系和机械10的其他规范，该 测量的力便允许确定载荷的力、重量、质量、体积和/或百分比载量。应该理解，可以替代地 或附加地使用本领域公知的其他载荷感测方法。控制器18可以与数据模块16通信并包括用于监视、记录、存储、索引、处理和/或 通信上述机械10的与操作方面有关的实时数据的任何装置。例如，这些装置包括诸如存储 器、一个或多个数据存储装置、中央处理单元之类的部件，或任何其他用于运行计算机应用 的部件。此外，虽然本公开的方面通常被描述为被存储在存储器中，但是本领域的技术人员 将理解，这些方面可以存储在或读取自不同类型的计算机程序产品或计算机可读介质中， 例如计算机芯片和二级存储设备，包括硬盘、软盘、闪速驱动器、光学介质、CD-ROM或其他形 式的RAM或ROM。控制器18还包括用于与非机载、位于远方的用户接口 34通信的装置。例如，控制 器18包括能够通过直接数据链路(未示出)或无线通信链路(未示出)来传送和接收数 据的硬件和/或软件。无线通信包括能够使控制器18交换信息的卫星、蜂窝、红外、射频、 微波或任何其他类型的无线电磁通信。还预期，如果需要，可以在模拟系统14内替代地包 括独立的模块，以有助于控制器18与用户接口 34之间的数据通信。在一个方面，控制器18 向基站36通信数据，该基站36被配置为向用户接口 34中继通信。与工地12关联的其他可模拟的机械可以同样相似地向基站36通信数据。随后，数据被传送到诸如服务器的中介 (未示出)，该中介适宜地封装所接收的数据并将其发送到用户接口 34用于模拟。用户接口 34表示与机械10关联的商业实体(例如，制造商、经销商、零售商、所有 者、服务提供商、客户或产生、保持、发送和/或接收与机械10相关的信息的任何其他实体) 的一个或多个接收、计算、和/或显示系统。一个或多个计算系统例如包括机械模拟器、大 型机、工作站、桌面电脑、个人数字助理以及本领域公知的其他计算系统。例如，接口 34可 包括诸如存储器、一个或多个数据存储装置、处理器38 (例如，中央处理单元，CPU)的部件 或用于运行应用或数学算法的任何其他部件。在一个方面，接口 34包括防火墙和/或需要 用户验证，例如，用户名和密码，以便防止未授权的实体访问。用户接口 34可用于远程发出操作者命令信号，其控制机械10在工地12 (参见，图 1)处的操作。命令信号从用户接口 34被传送到控制器18。例如，接口 34可包括机械控制 应用，以接收操作者命令信号并适宜地封装该信号以便传送到控制器18。这样，控制器18 响应于接收的操作者命令信号而产生机械命令信号以控制机械10的各种操作方面。例如， 控制器18可以改变电信号、水压力、流体流速、流体消耗水平等等，以便根据接收的操作者 命令来改变引擎速度、地速、变速器输出率、转向角、机具和/或机具架定位。用户接口 34还可包括输入装置40、监视器44以及信息面板50 (如图3所示)。在 一个方面，输入装置40与机械10上包括的操作者接口相似。例如，输入装置40包括与机 械10类似的(或相同的)操纵杆、轮、杆、踏板、开关和/或按键的设置。这样，操作者操纵 输入装置40对机械10的效果与机械10内的操作者接口的对应操纵相似。替代地，输入装 置40可以为通用的，并用于远程控制许多不同类型的可模拟的机械10。然而，应该理解，例 如，装置40可简单地体现为一个或多个常规计算机接口装置，例如，键盘、触摸板、鼠标、或 本领域公知的任何其他接口装置。监视器44包括液晶显示器(IXD)、CRT、PDA、等离子体显示器、触摸屏、便携手持装 置、或本领域公知的任何这样的显示装置。在一个方面，监视器44包括围绕操作者的全360 度显示器以扩展地真实显示模拟的工地12。如图3所示，信息面板50包括与从接收的实时信息导出的各参数值关联的多个指 示器50a-i。例如，面板50可包括用于示出机械10的当前地速(mph或km/h)的机械地速 指示器50a、示出当前引擎转速(RPM)的引擎速度指示器50b、燃料水平指示器50c、和/或 变速器输出率(排档)指示器50d。此外，面板50包括识别出牵引装置30滑动的速率的打 滑指示器50e。例如，打滑指示器50e可以示出左履带以0. 2mph的速率滑动。面板50还包 括机械俯仰和滚转指示器50f，以向操作者提供机械相对于水平面的当前的倾角角度(例 如，20度俯仰角和12度滚转角)。附加地，面板50可包括示出了啮合到机具20的载量的 载荷指示器50g和/或示出了牵引装置30的当前转向角(例如，22度向左)的转向命令 指示器50h。面板50可以包括其他指示器，例如，机械位置指示器50i，其示出了机械10相 对于工地12的位置的竖直俯视图(例如，在工地12的地图上的机械10的图标)。替代地 或附加地，机械位置指示器50i可以指示当前的经度和纬度，和/或表示机械10相对于工 地12的当前位置的其他坐标。应理解，可以基于接收的实时数据在面板50中选择性地提 供任何其他感兴趣的参数值，以便为机械操作者提供增加的真实性。处理器38 (参考图2)能够通过预先编程的应用和/或算法执行算法计算。处理器38使用感测装置16a-f收集的实时数据的所有或一些作为这些算法的输入。使用由感 测装置16a_f收集的提供的输入和预编程的算法，处理器38可以进行下述计算，以确定和 量化机具20上的刮土铲载荷。处理器38进行第一算法计算以确定对应于机械10的“前向地功率(forward ground power)”的值。该算法是由感测装置16a_f提供的五个输入变量的函数。第一变量 为由感测装置16d提供的与动力源22相关的引擎速度输出(RPM)。第二变量为由感测装 置16c提供的变速器装置24的扭矩输出。第三变量为同样由感测装置16c提供的机械10 利用的变速器输出(例如，排档)。第四变量为由感测装置16a提供的机械10的俯仰和滚 转。第五变量为同样由感测装置16a提供的机械10的地速。处理器38进行第二算法计算以确定对应于机具20的“刮土铲载荷功率的估计”的 值。该算法是三个输入变量的函数。第一变量为在上述第一算法中计算的“前向地功率”。 第二变量由感测装置16f提供，可以是被表示为由机具20啮合或支撑的材料的力、重量、体 积和/或质量的刮土铲载荷。第三变量同样由感测装置16f提供，可以是对致动器装置26 施加的、用于将机具20保持在希望的位置的力的测量。第二算法还可以基于机具架32与 机具20之间的公知的扭矩关系。处理器38可以进行第三和最终的算法计算以基于百分比度量(0-100% )确定对 应于机具20上的刮土铲载荷的值。该算法是三个输入变量的函数。第一变量为上述第二 算法计算的“刮土铲载荷功率的估计”。第二变量由感测装置16b提供，可以是实时转向命 令输入。第三变量同样由感测装置16b提供，可以是牵引装置30的旋转速度和机械10经 历的对应的转向率和方向之间的测量的差(即，滑动)。处理器38使用上述第三算法计算的刮土铲载荷值来构建机具20和材料对机具20 施加的力的计算机模型。处理器38在监视器44上将该计算机模型显示为机具20在载荷 下的等距(即，二维)虚拟图像。因为虚拟模型基于实时数据，因此处理器38可以持续进 行计算(基于由感测装置16a_f提供的更新输入)以更新反映机械10和机具20的实时状 况的计算机图像。因此，在监视器44上显示的虚拟图像可以从机械10的操作者台46模拟 机具20的实际视图，并且该视图持续更新以匹配实时状况。工业适用性当不能得到用于传输实况视频馈送的大带宽时，该公开的模拟系统可以远程显示 机械的刮土铲载荷信息。具体地，公开的模拟系统可以基于实时数据测量提供刮土铲载荷 的增强的显示(即，正由机具20移动的材料的两或三维视图)，使得操作者可以舒适并有效 地控制机械。现在将描述机械10的操作。操作者通过输入用户名和密码登陆用户接口 34，并启动机械10的远程机械控制 应用。一旦机械10被适当地访问，操作者可以通过输入装置40为处理器38提供输入以点 火机械10。用户接口 34将输入无线地传送到控制器18以开始机械10的操作。在点火机 械10之前或之后，感测装置16a-f操作为向控制器18提供感测的数据。控制器18将感测 的数据无线地传送到处理器38。控制器18无线地传送感测装置16d提供的引擎速度输出(RPM)、感测装置16c提 供的变速器装置24的扭矩输出、感测装置16c提供的变速器输出(即，排档)、感测装置16a 提供的机械10的俯仰和滚转、以及感测装置16a提供的机械10的地速。处理器38将该数
7据输入到第一算法以计算机械10的“前向地功率”。控制器18无线地传送刮土铲载荷(被表示为机具20啮合或支撑的材料的力、重 量、体积和/或质量)和致动器装置26施加的力(以将机具20保持在希望的位置)的测 量，其中这两个输入都是通过感测装置16f提供。处理器38将该数据和在第一算法中计算 的“前向地功率”输入到第二算法以计算机具20的“刮土铲载荷功率的估计”。控制器18还无线地传送实时转向命令信息和滑动，其中这两个输入由感测装置 16b提供。处理器38输入该数据和机具20的“刮土铲载荷功率的估计”，以计算机具20的 基于百分比度量(0-100%)的刮土铲载荷。处理器38使用上述第三算法计算的刮土铲载 荷值在显示器44上构建机具20和材料对机具20施加的力的计算机模型。处理器38可以 (基于由感测装置16a_f提供的更新的输入)持续进行计算，以更新反映机械10和机具20 的实时状况的计算机图像。因为处理器38可以响应于接收的与机械10有关的实时数据而远程地显示刮土铲 载荷，因此有助于远程控制机械10的机具20而不需使用实况视频馈送。避免使用实况视 频馈送消除了对大带宽的需要。特别地，实时刮土铲载荷数据可以通过无线电信号或其他 低带宽载波而传送到用户接口 34，其中处理器38利用这些数据给出模拟的刮土铲载荷。因 此，即使在没有大带宽连接的情况下，在控制机具20时也可以利用位于远方的操作者的经 验和技能。显然，对于本领域的技术人员而言，可以对本公开的方法和系统进行各种修改和 改变。在考虑了这里公开的方法和系统的说明和实践的基础上，该方法和系统的其他实施 例对本领域的技术人员而言也是显而易见的。旨在将说明和实例仅仅考虑为示例性的，下 列权利要求及其等价物指出了本公开的真实范围。
权利要求
一种机械(10)的机具模拟系统(14)，包括用户接口(34)，远离所述机械；以及处理器(38)，与所述用户接口和所述机械通信，所述处理器被配置为接收在所述机械的位置处的多个参数输入；基于所述多个参数计算机具(20)载荷；以及在所述用户接口上显示机具载荷。
2.根据权利要求1的机具模拟系统，其中所述处理使用第一、第二以及第三算法来计 算机具载荷。
3.根据权利要求2的机具模拟系统，其中所述第一算法使用的多个参数包括以下中的 至少一个所述机械的动力源(22)的速度输出、所述机械的变速器装置(24)的扭矩输出、 所述变速器装置的排档、所述机械的俯仰、所述机械的滚转以及所述机械的地速。
4.根据权利要求3的机具模拟系统，其中所述第二算法使用的多个参数包括由所述 机具支撑的刮土铲载荷和致动器装置(26)在所述机具上施加的力中的至少一个，以及前 向地功率。
5.根据权利要求4的机具模拟系统，其中所述第三算法使用的多个参数包括机械转向 信息和所述机械的牵引装置的滑动值中的至少一个，以及机具载荷功率。
6.一种显示机具(20)载荷的方法，包括以下步骤 接收在机械(10)位置处测量的输入参数；基于所接收的输入参数计算所述机械的机具载荷；以及 向远离机械位置的用户显示机具载荷。
7.根据权利要求6的方法，其中所述计算包括使用第一、第二以及第三算法，所述第一 算法使用的输入参数包括以下中的至少一个所述机械的动力源(22)的速度输出、所述机 械的变速器装置(24)的扭矩输出、所述变速器装置的排档、所述机械的俯仰、所述机械的 滚转以及所述机械的地速。
8.根据权利要求7的方法，其中所述第二算法使用的输入参数包括由所述机具支撑 的刮土铲载荷和致动器装置(26)在所述机具上施加的力中的至少一个，以及前向地功率。
9.根据权利要求8的方法，其中所述第三算法使用的输入参数包括机械转向信息和 所述机械的牵引装置(30)的滑动值中的至少一个，以及机具载荷功率。
10.一种机械(10)，包括 动力源(22)；牵引装置(30)，由所述动力源驱动以推进所述机械； 架(32)，将所述动力源连接到所述牵引装置； 机具(20)，附接到所述架并通过所述动力源移动； 操作者控制台(46)，远离所述机械，并包括用户接口(34)；以及 根据上述权利要求1-5中的任一项的机具模拟系统(14)，其与所述动力源、所述牵引 装置、所述机具以及所述操作者控制台通信。
全文摘要
公开了一种用于机械的机具模拟系统(14)。所述系统具有远离所述机械的用户接口(34)以及与所述用户接口和所述机械通信的处理器(38)。所述处理器被配置为接收在所述机械的位置处的多个参数输入；基于所述多个参数计算机具(20)载荷；以及在所述用户接口上显示机具载荷。
文档编号G06F17/28GK101911059SQ200980101767
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月7日 优先权日2008年1月7日
发明者A·奥普登博施, F·P·尤特, J·C·圣玛丽亚, J·舒尔茨, J-J·克拉尔, K·L·斯特拉通 申请人:卡特彼勒公司