CN101194073B - 通过gps的挖沟机引导 - Google Patents

Abstract

一种引导控制系统，被配置为控制安装在挖沟机器的机架上的挖掘装置的定位和空间方向，该挖沟机器用于将地球表层处理为期望的沟外形。该挖掘装置的动态切割边缘的位置受到监视和控制，使得所感测的动态切割边缘位置基本上等于所计算的动态切割边缘位置。引导控制系统包括传感器、处理器和提供关于期望的沟外形的数字设计信息的可存取存储器。

Description

通过GPS的挖沟机引导

技术领域

本发明通常涉及用于控制由机器执行的装置的控制系统，具体地说，涉及用于在挖沟机器挖掘地球表层时控制其挖掘装置的方法和设备。 

背景技术

用于在施工地点挖掘地球表层的挖沟机器通常包括安装某种形式的挖沟或挖掘装置-如挖掘链轮(digging chain)或岩石轮-的驱动单元。在准备地球的表层以例如设置排水沟、下水道、公共管道、空中索道等时，通常期望通过挖掘装置将地表的轮廓或坡度形成为尽可能地接近期望的最终表面。地球的表层形成得有多准确要取决于挖掘装置的切割边缘的位置可以确定和维持得有多准确，以及挖掘装置的行进方向可以确定得有多准确。 

很多现有技术的系统控制由机器执行的工具定位，包括挖沟机的挖掘装置。例如，WO99/28565公开了一种用于通过控制器从安装在推土机上的传感器和一对GPS接收器接收位置和方向信息来调整推土机的铲土机或犁的定位和方向的方法，传统的控制系统利用激光作为在沟中定位挖掘装置的基准。为了准确地定位挖掘装置，需要直接在该挖掘装置的切割边缘上方安装激光接收器，诸如由EP 1 288 377公开的那样。但是，该挖掘装置的切割边缘的位置在挖掘操作期间不断改变。由于挖掘装置的斜度随着挖掘深度而改变，因此安装在切割边缘上方的激光接收器的天线杆角度也类似地改变，由此导致不准确地度量挖掘装置的切割边缘的位置。对这个问题的现有解决方案是当挖掘装置的斜度改变时手动地将安装激光接收器的天线杆重新调整到竖直位置，以便在操作过程中保持准确度。可以理解，上述现有技 术的方案是劳动量大的，并且由于每次当挖掘装置的斜度(pitch)改变时都必须停止挖掘装置以便于技术人员重新调整天线杆，从而导致挖掘操作中的延迟。 

发明内容

与上述背景技术相反，本发明提供大量优于现有技术的优点和进步。具体地说，本发明提供一种用于控制正在将地球的表层处理为期望形状的挖掘装置的切割边缘的定位的引导控制系统和方法。 

按照本发明的第一方面，公开了一种用于调整安装在挖沟机器的机架上并且可以通过驱动机构可调整地移动的挖掘装置的动态切割边缘的定位和方向以控制将地球表层处理为期望的沟外形的方法。该方法包括：通过至少一个全球导航系统接收器获得挖沟机器的当前位置；通过第一传感器获得挖掘装置的当前度量；从第二传感器获得挖沟机器的当前空间方向；和将挖沟机器的当前位置、挖沟机器的当前空间方向以及挖掘装置的当前度量与公知的机器尺寸和校准信息组合起来，以提供切割边缘的当前位置。该方法还包括将切割边缘的当前位置与数字设计信息比较，以确定切割边缘的当前位置和切割边缘的期望位置之间的位置差异，该切割边缘的期望位置由关于沿着期望沟外形的给定位置的数字设计信息指示；以及如果该位置差异大于预定程度的误差则至少调整挖掘装置的动态切割边缘的定位，使得由挖掘装置处理的地表尽可能接近期望的沟外形。 

按照本发明的第二方面，公开了一种用于控制安装在挖沟机器的机架上并且可以通过驱动机构可调整地移动的挖掘装置的切割边缘的定位以控制将地球的表层处理为期望的沟外形的引导控制系统。该引导控制系统包括第一传感器，适用于产生表示挖掘装置相对于挖沟机器的机架的斜度的第一信号；第二传感器，适用于产生表示挖沟机器相对于地球的空间方向的第二信号；以及至少一个全球导航系统接收器，适用于产生表示挖沟机器的全球位置的第三信号。所述引导控制系统还包括与所述驱动机构和传感器系统电耦合的处理器，并且所述处理器被编程为通过响应于至少来自第一传感器的第一信号、至少来自第二传感器的第二信号和至少来自至少一个全球导航系统接收器的第三信号而控制驱动机构的启动，来控制挖掘装置的切割边缘的 定位。 

附图说明

在考虑本说明书和附图的情况下，本发明的其它特征和优点将变得明显。 

图1是结合了本发明的轨道挖沟机的等比例视图； 

图2是按照本发明的用于调整轨道挖沟机(track trencher)上的挖掘装置的定位和方向的引导控制系统的示意表示；以及 

图3是按照本发明的用于调整轨道挖沟机上的挖掘装置的定位和方向的引导控制系统程序的示意框图。 

具体实施方式

尽管在此是根据所示出的实施例来描述本发明的，对于本领域的技术人员来说，很明显可以在不脱离本发明精神的情况下进行各种修正、重新配置和替换。 

在此，在用挖沟机将地球表层例如处理为期望的形状和坡度(grade)的方面来具体描述本控制系统。但是这只是为了举例，不意欲这样限制本发明。本控制系统可以用在任何合适的挖沟机器或方法中以手动或自动控制其挖掘装置的切割边缘的定位。 

下面参照附图，具体参照图1，示出很适用于结合按照本发明的新颖的引导控制系统的轨道挖沟机10的一个实施例。轨道挖沟机10典型地包括发动机12，并在一对分别位于轨道挖沟机10的两侧的轨道上沿着地面13移动，其中左侧轨道14在图1中可以看见。发动机12与这对轨道14耦合，它们一起包括轨道挖沟机10的驱动单元16。如实践中那样，对轨道挖沟机10的推进和驾驶的控制通过轨道挖沟机10的主用户接口18进行。 

挖掘臂20枢轴地安装在驱动单元16的机架17上，该机架17提供臂安装旋转轴以允许对挖掘深度的控制。挖掘装置22与臂20旋转地耦合并由驱动单元16驱动，而且典型地执行特定类型的挖掘操 作。 

挖掘装置22，如挖掘链轮、岩石轮或其它挖掘附件，通常用于以合适的速率挖掘(或填充)具有可变宽度和深度的沟。在所示实施例中，挖掘装置22是挖掘链轮；但是可以按照类似于挖掘链轮的方式来控制岩石轮。在围着挖掘地点开动轨道挖沟机10时，挖掘装置22通常在传输配置23中保持在地面13的上方。在挖掘期间，挖掘装置22在挖沟配置24中通过臂20下降，穿透地面13，并挖掘出期望深度的沟25。 

还参照图2，如图所示挖掘装置22可以通过附接在驱动单元16和臂20之间的至少一个液压驱动器或冲头(ram)26升高和降低。还提供了另一个液压驱动器或冲头27，用于在竖直轴附近相对于驱动单元16倾斜挖掘装置22和/或臂20。如标准实践中那样，还可以提供另一个机械或液压的驱动器(未示出)，用于相对于驱动单元16水平地转动臂20。还可以提供更多的液压驱动器或冲头(未示出)，用于向挖掘装置22提供附加的挖掘力。 

当轨道挖沟机10移动泥土时，挖掘装置22下降到地表面13，同时挖掘装置将泥土推至旁边以产生相对平滑的表面沟25。挖掘装置22受控地下降到期望的深度，可选择地从一边到另一边地移动以产生期望的沟宽度，并且通过一对轨道14的向前运动而被拉动。可以理解本发明的引导控制系统30(图2)控制挖掘装置22的动态切割边缘32的定位，使得该定位可以准确地遵循已经输入引导控制系统30的期望沟外形28的数字设计信息33。可以理解该动态切割边缘32代表挖掘装置22最深的切割点(坡度点)。 

随着轨道挖沟机10继续在工作地点的地面13上前进，该地面可能是不平坦和粗糙的表面，或者随着挖掘装置22的深度根据期望沟外形28的数字设计信息33改变，摆角(pivot angle)α(即，臂20的斜度)随着表面和深度的变化而改变。随着摆角α改变，挖掘装置22的动态切割边缘32与地面之间的关系也改变，如果不加监视和控制，这种改变将导致所形成的沟25偏离期望的沟外形28。换句话说，当 臂20上升或下降时，不管是不是有意地，动态切割边缘32的位置都会例如从挖掘装置22上的点W移动到W’，如图1所示。 

轨道挖沟机10包括引导控制系统(GCS)30，其补偿轨道挖沟机10相对于地面的位置变化，挖掘装置22的深度，以及动态切割边缘32中的总位置变化。GCS 30具有安装在驱动单元16上并与挖掘装置22连接的第一传感器34，用于检测挖掘装置22相对于驱动单元16的位移。在一个实施例中，第一传感器34是所连接的线性编码器(例如电缆编码器)，用于在挖掘装置通过臂20相对于驱动单元下降和升高时度量臂20和/或挖掘装置22上的点与驱动单元16上的点之间的线性位移。在另一个实施例中，第一传感器34可以是电位计，机械地连接该电位计的接触电刷以便随着挖掘装置22和臂20围绕安装在驱动单元16上的枢轴转动而移动，其中该电位计的阻抗作为挖掘装置22和臂20的摆角α的函数而改变。第一传感器34与计算机36的输入电连接。 

计算机36包括处理器35和可存取的存储器37，用于存储和执行实施本发明的控制程序。该控制程序一般由图3中的符号300表示，下面将在以下部分中对其进行详细讨论。计算机36包括合适的输入和输出端口，用于与多个获取各种数据、处理该数据，并与轨道挖沟机10的机器控制器38接口以监视和优化挖掘过程的其它子系统通信。控制系统用户接口40优选地位于安装在轨道挖沟机10上的操作员座位41的附近，如图1所示，并且提供一种用于与计算机36通信的装置。机器控制器38与计算机36通信，并且响应于从控制系统用户接口40接收的操作员输入来合作地控制挖掘装置22和臂20的操作。 

轨道挖沟机10的运动和方向受到监控，而且按照需要由计算机36自动控制。这种功能由GCS 30提供，该GCS 30还包括安装在轨道挖沟机10上的数据收发器42和一个或多个全球导航系统(GNS)接收器，如通过图1中的符号44以及图2中的符号44a和44b所示，它们与计算机36接口。来自绕高空轨道飞行的多个全球导航卫星， 如GPS、GLONASS、GALILEO及其组合的信号，由每个GNS接收器44接收，使得计算机36可以将来自动态切割边缘32的一个或多个参考位置的地理位置数据，如经度、纬度、海拔数据以及位移(朝向)数据，确定到厘米程度的精确度。 

在一个实施例中，使用安装在轨道挖沟机10上的一对GNS接收器44a和44b的两个横向间隔的天线，可以使计算机36监视驱动单元16的位置、朝向(heading)和滚动(roll)。同样与计算机36电连接的第二传感器46安装在驱动单元16上，用于向计算机36提供轨道挖沟机10相对于地面的空间方向。在一个实施例中，第二传感器46至少监视轨道挖沟机10的驱动单元16的斜度。在另一个实施例中，除了斜度外，第二传感器46还监视驱动单元16的滚动。在一个具体的实施例中，第二传感器46是倾角仪，而在其它实施例中，可以是任何适用于检测斜度变化并且如果需要的话，还检测滚动的基于重力的传感器，如斜度传感器、加速计或摆动传感器。可以理解，由GNS接收器44a和44b和第二传感器46向将计算机36提供的信息，使得计算机36可以在工作地点跟踪轨道挖沟机10的位置，还基于驱动单元16在移动时的朝向、位置以及斜度和滚动的度数提供对挖掘装置22的方向和定位的进一步补偿，并由此提供对动态切割边缘32的方向和定位的进一步补偿。 

从轨道挖沟机10的控制装置提供一系列输入48，例如在主用户界面18上提供，该输入使得操作员可以手动地操作用于定位和运行挖掘装置22的驱动机构49。从计算机36到机器控制器38的控制线50启动和抑制驱动机构49的由螺线管操作的液压控制阀组件52和54，下面将参照图3详细讨论。 

驱动机构49的控制器38提供分别与第一和第二控制阀组件52和54连接的相应输出39和41。两个控制阀组件52和54可以是多种市场上可买到的类型中的任意一种。每个控制阀组件52和54都具有一对工作端口61和63，它们分别连接到各冲头26和27的上、下腔室以伸长和缩回各冲头。在一个实施例中，在每个控制阀组件52和 54上的一对螺线管(未示出)通过输出39和41由来自控制器38的补偿信号电操作。 

利用每个控制阀组件52或54，螺线管之一的启动将来自泵(未示出)的液压流体施加到第一圆柱腔室，并将来自第二圆柱腔室的液压流体排出到槽中，由此拉伸了相应的活塞。控制阀组件52或54的另一个螺线管的激励将来自泵的液压流体施加到第二圆柱腔室，并排出来自第一圆柱腔室的液压流体，由此缩回相应的活塞。因此通过选择性地致动各个螺线管之一，冲头26可以提升或降低挖掘装置22和臂20，而且缸(cylinder)27可以使挖掘装置22围绕竖直轴倾斜。本领域的技术人员可以理解，轨道挖沟机的操作员通过输入48可以独立地手动控制每个控制阀组件52和54。 

一旦关于预定的期望沟外形28的数字设计信息33通过用于电子接收从远程系统65发送的数字设计信息的数字收发器42输入到计算机36中，或者通过控制系统用户界面40手动地输入到计算机36中，操作员就命令计算机36执行控制程序300。可以理解：还可以通过数据收发器42向计算机36提供关于轨道挖沟机10的位置的更新以及关于期望沟外形28的数字设计信息33。控制程序300通过计算机36在控制线50上产生调整信号，该信号促使控制器38调整挖掘装置22的切割边缘32的位置和方向，以遵循关于期望沟外形28的数字设计信息33。将挖掘装置22定位在经过勘查的起始位置上，可以保证轨道挖沟机10和最终形成的沟22恰当地和紧密地接近期望的沟外形28，从而在挖沟操作期间不需要对动态切割边缘32的位置和深度的其它外部度量。 

在使用引导控制系统30时，计算机36响应来自第一传感器34的信号，该信号表明挖掘装置22和臂20相对于驱动单元16的旋转运动或斜度。计算机36处理来自第一传感器34的电信号，并且在一个实施例中，当挖掘装置22和臂20降低到地面13中时，计算机36使用存储在存储器中的查找表67来确定动态切割边缘32相对于驱动单元16上的已知位置的坐标位置(x，y，z)。可以理解：该查找表67 是臂20的高度和动态切割边缘32的位置之间的预定线性关系。在一个实施例中，通过在臂下降和升高时围绕挖掘装置22的半径映射切割边缘32的对应位置的同时映射臂20的运动来确定该查找表67。 

在另一个实施例中，计算机36可以通过将来自第一传感器32的信号用作角位移的指示，来推导出动态切割边缘32的位置。具体地说，在启动自动控制之后，计算机36将来自第一传感器34的信号电平存储作为挖掘装置22的内部(home)或基准枢轴位置。响应与此，控制器根据该传感器电信号，计算出角度α。然后α的值用于推导出由于降低或升高挖掘装置22和臂20而导致的动态切割边缘32的位置变化。 

在另一个实施例中，计算机存储来自GNS接收器44a和44b的位置信号作为内部或基准坐标位置。此后，通过第一传感器32向计算机36提供挖掘装置22的动态切割边缘32位置的反馈。因此响应于来自GNS接收器44a和44b的信号通过计算机36建立该动态切割边缘32的绝对位置。计算机36还将GNS接收器44a和44b之间的高度变化解释为表明了轨道挖沟机10相对于地面的倾斜。第二传感器46向计算机36提供该机器的实际斜度。 

计算机36接着采用由传感器34和46以及GNS接收器44a和44b提供的信号来命令控制器38如何操作冲头26和27，以便使挖掘装置22的切割边缘32遵循期望沟外形28的数字设计信息33，并且补偿由相对于地面13俯仰(pitching)和倾斜的轨道挖沟机10导致的轨道挖沟机10的运动。 

在另一个实施例中，轨道挖沟机10的位置也由外部的激光控制系统(未示出)提供。该激光控制系统包括激光发射器(未示出)，其发射限定基准平面的旋转的激光束。该激光发射器位于工作地点的一个已知位置上。激光检测器56位于轨道挖沟机10的驱动单元16上。来自激光发射器的激光束掠过整个激光检测器56。表明激光束在检测器上的相对位置的信号从激光检测器56传送给计算机36。计算机36被编程为基于来自激光检测器的该信号确定轨道挖沟机10的相 对位置和高度，由此确定挖掘装置22相对于正被挖掘装置处理的地球表面的相对竖直位置。据此，动态切割边缘32恰当地位于工作地点的合适高度上。 

也可以将轨道挖沟机10的期望路径编程到计算机36中作为数字设计信息33的一部分。GCS 30还监视轨道挖沟机10的实际路径，同时计算机36确定轨道挖沟机10是否偏离期望路径。据此，计算机36还可用于向控制器38给出操纵输入以保持在数字设计信息33中提供的期望路径，由此消除对第二引导系统的需要。 

图3是按照本发明的用于调整挖掘装置20的动态切割边缘32的定位和方向的引导控制系统程序300的示意框图。在步骤310，引导控制系统30被编程为通过GNS接收器44a和44b获得当前的位置(地点)和朝向。在步骤320，引导控制系统30被编程为从第二传感器46获得当前的机器空间方向。在一个实施例中，该空间方向至少是轨道挖沟机10相对于地面的斜度。在其它实施例中，该空间方向是相对于地面的斜度和滚动。但是，应当理解：如果无法得到传感器46的输入的话，计算机36可以在一个实施例中被编程为根据GNS接收器44a和44b提供的坐标位置的差异来确定斜度或滚动，或二者。 

接着在步骤330，计算机36通过第一传感器34获得臂20的当前度量(图2中的度量“a”)。如图2所示的实施例所示，度量“a”是臂20相对于轨道挖沟机10的驱动单元的线性行程。然后在步骤340，计算机36将轨道挖沟机10的当前位置和朝向、当前空间方向以及挖掘装置的当前度量与已知的机器尺寸(dimension)和校准信息组合起来，以提供切割边缘32的当前位置。在一个实施例中，切割边缘32的当前位置具有3个坐标维度(X，Y，和Z)或(北，东，海拔)，在其它实施例中可以是经度、纬度和海拔。 

应当理解所述校准信息是在将引导控制系统30安装到轨道挖沟机10上时确定的，并且包括诸如在臂20末端的挖掘装置22的半径或直径69(图1)(图2中的度量“b”)，从挖掘装置22在臂末端围绕其旋转的轴的中心到编码器与臂的连接点的距离(图2中的度量 “c”)，以及第二和第三传感器以及GNS接收器相对于轨道挖沟机上的某个位置(如轨道挖沟机的第一传感器34的安装位置)的安装位置的信息。 

在一个实施例中，为了提供切割边缘32的当前位置，计算机36采用由第一传感器34提供的度量“a”，然后在计算机36的存储器中提供的查找表67中找到对应的度量“d”(图2)。应当理解：在这种实施例中，查找表67中每个度量“d”的值是通过针对每个值“a”人工度量“d”而预先建立的。在其它实施例中，计算机可以在臂20下降或升高时使用度量“a”、“b”和“c”之间的角度或向量关系来计算出“d”。 

在步骤350，计算机36将切割边缘32的当前位置与存储在计算机36的存储器中的数字设计信息33相比较，以确定切割边缘的当前位置和切割边缘32的期望位置之间的位置差异，切割边缘32的期望位置是由针对沿着期望路径28的给定位置的数字设计信息表明的。 

一旦确定了该位置差异，在步骤360中计算机36检查该位置差异是否大于预定的可接受的误差程度。该误差程度被设置为确保只有由于斜度变化而不是由于传感器噪声所导致的、将挖掘装置22的切割边缘32维持在期望沟外形28上所需要的调整才作为控制信号由计算机发送出去。如果该位置差异大于误差程度，则在步骤370，计算机36通过控制线50向控制器38发送合适的调整信号，以补偿该位置差异。控制器38利用从计算机36发送的调整信号来调整冲头26和27的定位。以这种方式，通过挖掘装置成型的地表的轮廓或坡度尽可能接近于期望的沟外形28。 

应当理解，当挖掘装置22的切割边缘32偏离位置时，以及当该切割边缘32处于期望位置时，计算机36还可以在控制系统用户界面40上提供可视的指示。 

还应当理解，线性编码器32、GNS接收器44a和44b、以及位于驱动单元46上的空间方向传感器46的使用被提供给未受到臂20的深度和角度影响的引导控制系统30。另一个好处是该系统的装备位置受到更多的保护，因此减少了故障的机率。 

虽然详细地并参照优选实施例描述了本发明，很明显在不脱离在所附权利要求中定义的本发明范围的情况下可以进行修正和变化。 

Claims (12)

1.一种用于调整旋转挖掘装置的动态切割边缘的定位和方向的方法，其中，该切割边缘的位置随着该挖掘装置向上和向下移动而围绕该旋转挖掘装置移动以提供期望的挖掘深度，所述旋转挖掘装置被枢轴地安装在挖沟机器的机架上并且通过驱动机构可调节地移动以便控制将地球表层处理为期望的沟外形，所述方法包括：

通过安装在该挖沟机器上的至少一个全球导航系统接收器获得该挖沟机器的当前位置；

当通过第一传感器获得在所述切割边缘处理该挖沟机器下的该表层时该旋转挖掘装置的当前度量，其中所述第一传感器是线性编码器或电位计；

从第二传感器获得该挖沟机器的当前空间方向；

将该挖沟机器的所述当前位置、该挖沟机器的所述当前空间方向以及该旋转挖掘装置的所述当前度量与已知的机器尺寸和校准信息组合起来，以提供该切割边缘的当前位置；

将该切割边缘的所述当前位置与数字设计信息比较，以确定该切割边缘的所述当前位置和该切割边缘的期望位置之间的位置差异，该切割边缘的所述期望位置由针对沿着该期望的沟外形的给定位置的所述数字设计信息指示；

如果该位置差异大于预定程度的误差，则至少自动调整该旋转挖掘装置的该动态切割边缘的所述定位，使得由该挖掘装置处理的该表层尽可能接近该期望的沟外形。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果所述位置差异大于该预定程度的误差，则向所述挖沟机器的控制器发送合适的调整信号，以自动调整所述挖掘装置的该动态切割边缘的定位。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法作为引导控制系统程序运行，该引导控制系统程序使得处理器可以调整该旋转挖掘装置的该动态切割边缘的定位和方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法作为引导控制系统程序运行，该引导控制系统程序使得处理器可以调整该旋转挖掘装置的该动态切割边缘的定位和方向，并且其中，在可由所述处理器存取的存储器中提供所述数字设计信息。

5.根据权利要求1所述的方法，包括：如果所述位置差异大于该预定程度的误差，则向所述挖沟机器的控制器发送合适的调整信号，以自动调整所述旋转挖掘装置的动态切割边缘的定位，其中所述控制器使用所述调整信号来调整至少一个冲头的定位。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：当所述旋转挖掘装置的该切割边缘偏离位置时，在控制系统用户界面上提供第一可视指示，并且当按照该期望的沟外形定位所述旋转挖掘装置的该切割边缘时，提供第二可视指示。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：远程接收所述数字设计信息。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法作为引导控制系统程序运行，该引导控制系统程序使得处理器可以调整该旋转挖掘装置的该动态切割边缘的定位和方向，并且其中，在可由所述处理器存取的存储器中提供所述数字设计信息，并且所述方法还包括：将所述数字设计信息接收到所述存储器中。

9.一种被配置成执行根据权利要求1的方法的引导控制系统。

10.一种根据权利要求1的挖沟机器，还包括：

被配置成执行根据权利要求1的方法的引导控制系统。

11.根据权利要求10所述的挖沟机器，其中所述挖掘装置是挖掘链轮。

12.根据权利要求10所述的挖沟机器，其中所述挖沟机器是轨道挖沟机。

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