CN101910522A

CN101910522A - 装载机和装载机机具控制系统

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Publication number: CN101910522A
Application number: CN2008801249156A
Authority: CN
Inventors: M·尼科尔斯
Original assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Current assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-08-13
Also published as: US20110091308A1; CN101910522B; DE112008003445T5; US20090162177A1; US8082084B2; WO2009079038A1; US7881845B2

Abstract

本发明提供一种装载机(10)和装载机的控制系统，用于监测由装载机承载的机具(30)的一部分的位置。该装载机包括具有左、右直立塔部(14，16)的车身和具有接地驱动元件(20，21，22，23)的装载机驱动系统。每个互连的左、右提升臂组件(26，28)都具有在提升臂枢轴点(A)处与车身的相应塔部枢转地相连接的机具提升臂。提升致动器(30)连接在车身与提升臂之间。机具围绕机具枢轴(B)与提升臂组件枢转地相连接。提升臂枢轴点和机具枢轴在侧立面上形成笔直基准线(AB)。至少一个机具倾斜致动器(36)连接在至少一个提升臂组件与机具之间。位置传感器(40)在等于或高于提升臂枢轴点的位置处安装在车身上。倾斜计(50)能够与互连的左、右提升臂组件一起移动从而提供对提升臂组件沿着笔直基准线的倾斜的指示。角度传感器(52)提供对所述机具相对于互连的左、右提升臂组件的定向的指示。控制器响应于位置传感器、响应于倾斜计并且响应于角度传感器。控制器确定位置传感器的位置和机具的一部分相对于位置传感器的位置。

Description

装载机和装载机机具控制系统

技术领域

本发明涉及一种装载机，例如滑移装载机或多地形装载机，并且尤其涉及用于这种装载机的控制装置。各种类型的装载机是本领域所公知的，并且通常具有车身和支撑车身的接地驱动元件。该驱动元件可以是前后驱动轮对，或是左右驱动履带。通常，这种装载机具有互连的左、右提升臂组件和机具，这些提升臂组件在装载机后部附近枢转地安装到车身的相应塔部(tower portion)上，该机具为例如铲斗，枢转地连接在提升臂的前端。液压提升致动器或类似装置连接在车身与提升臂组件之间来升降该提升臂。一个或多个液压致动器还连接在提升臂组件与机具之间，以便在装载机的操作期间使机具相对于提升臂倾斜。

背景技术

这种类型的装载机具有很多用途，并且它们通常具有各式各样的能够很容易互换的机具。这样的机具的例子包括挖土铲斗、通用铲斗、多功能铲斗、货叉、通用抓斗器、轻型料斗、通用叉、工业抓斗器、工业抓钩叉、角形平铲、螺旋钻、路刷、刨路机(cold planer)、液压锤、园林整地耙、园林耕作机、物料装卸臂、树桩切割机、挖沟机和振动压实机。挖土铲斗及其它机具可用来挖掘物料，并且还可通过向后推土而沿前进方向和倒退方向都进行推土。与平路机和推土机一起使用的传统导向和自动刮板控制系统通常包括直接安装在机器刮板上的位置传感器。因为机具的大范围移动，以及因为装载机上的机具通常具有频繁的变化，所以这对装载机而言是不可实施的。

但是，非常期望能够通过为操作员显示机具相对于机具的期望高度所处的位置，或者通过对机具的自动控制，来对装载机机具进行控制。

发明内容

利用根据本发明构造的诸如滑移装载机或多地形装载机的装载机来满足这个需要。该装载机包括具有左、右直立塔部的车身、具有接地驱动元件的装载机驱动系统以及互连的左、右提升臂组件。每个互连的左、右提升臂组件都具有在提升臂枢轴点处与车身的相应塔部枢转地相连接的机具提升臂，和连接在车身与提升臂之间的提升致动器。该装载机还包括围绕机具枢轴与提升臂组件枢转地相连接的机具。提升臂枢轴点和机具枢轴在侧立面上限定了笔直基准线。至少一个机具倾斜致动器连接在至少一个提升臂组件与机具之间。位置传感器以与提升臂枢轴点成固定关系地安装在车身上。倾斜计与互连的左、右提升臂组件一起移动，从而提供对提升臂组件沿着笔直基准线的倾斜的指示。角度传感器安装在提升臂组件上并且提供对机具相对于互连的左、右提升臂组件的定向的指示。控制器响应于位置传感器、响应于倾斜计并且响应于角度传感器，来确定位置传感器的位置和机具的一部分相对于位置传感器的位置。

该装载机可以是多地形装载机，在这种情况下，接地驱动元件包括一对从动履带。或者，该装载机可以是滑移装载机，在这种情况下，接地驱动元件包括多个从动轮。

角度传感器可以包括邻近机具枢轴的倾斜计。或者，倾斜致动器可以包括液压缸，角度传感器可以包括液压缸伸出量(extension)传感器。

位置传感器可以包括全站仪标杆，和响应于跟踪全站仪标杆位置的全站仪的接收器。或者，位置传感器可以包括GNSS天线和接收器。或者，位置传感器可以包括激光接收器，其响应于扫过基准面的激光束。或者，位置传感器可以包括激光接收器，其响应于一对斜扇形激光束，所述一对斜扇形激光束围绕大致竖直轴线旋转并且横扫激光接收器。

该机具可以包括铲斗，机具的所述部分可以包括铲斗的齿。或者，该机具可以包括叉、刨路机、挖沟机、螺旋钻、振动压实机、拖曳箱或刮板。

一种用于装载机的控制系统，这种装载机具有：车身；装载机驱动系统，其包括支撑所述车身的接地驱动元件；互连的左、右提升臂组件，每个所述提升臂组件都包括在提升臂枢轴点处与所述车身枢转地相连接的机具提升臂和连接在所述车身与所述机具提升臂之间的提升致动器；机具，其与提升臂组件枢转地相连接以围绕机具枢轴运动，所述提升臂枢轴点和所述机具枢轴在侧立面中限定了笔直基准线；至少一个机具倾斜致动器，其连接在至少一个所述提升臂组件与所述机具之间。所述控制系统包括以与提升臂枢轴点成固定关系地安装在车身上的位置传感器。倾斜计与互连的左、右提升臂组件一起移动，从而提供对提升臂组件沿着笔直基准线的倾斜的指示。角度传感器提供对机具相对于互连的左、右提升臂组件的定向的指示。控制器响应于位置传感器、响应于倾斜计并且响应于角度传感器。所述控制器确定位置传感器的位置和机具的一部分相对于位置传感器的位置。该机具可包括铲斗，其中机具的所述部分包括铲斗的齿。

该控制系统还包括用于向装载机的操作员显示机具的一部分的位置的显示器。另外，该控制系统包括用于显示工地表面的期望位置的显示器，由此，操作员可以观察获得期望工地轮廓所需的挖出量或填充量。

角度传感器可以包括与机具相关联的倾斜计。或者，倾斜致动器可以包括液压缸，角度传感器可以包括液压缸伸出量传感器。

位置传感器可以包括激光接收器，该激光接收器响应于扫过基准面的激光束。或者，位置传感器可以包括激光接收器，该激光接收器响应于一个或一对斜扇形激光束，所述一个或一对斜扇形激光束围绕大致竖直轴线旋转并且横扫激光接收器。或者，位置传感器可以包括全站仪标杆，和响应于跟踪全站仪标杆位置的全站仪的接收器。或者，位置传感器可以包括GNSS天线和接收器。或者，更进一步地，位置传感器可以是用于基于地面的无线电定位系统的接收器，其可以选择性地与GPS接收器或激光接收器相组合。

因此，本发明的目的是提供一种装载机和控制系统，其中，可以监测和控制固定在装载机的提升臂组件上的可互换机具的位置，而不需要在机具上安装传感器或检测器。

附图说明

图1是根据本发明构造的滑移装载机的侧视图，其中提升臂和机具处于放下位置；

图2是与图1类似的侧视图，但是示出的装载机朝着相反方向并且其提升臂和机具处于抬起位置；

图3是示出装载机的各部分的相对位置的图；和

图4是根据本发明的控制系统的示意图；和

图5是示出装载机的各部分的相对位置的图并且示出了可选的角度测量方法。

具体实施方式

图1和图2示出了根据本发明构造的装载机，更具体地说是滑移装载机。将会认识到，尽管本发明示为滑移装载机的一部分，但是，本发明也可以在多地形装载机中实施，这种多地形装载机具有作为接地驱动元件的一对从动履带，代替用在所示滑移装载机中的车轮。总体上用10表示的装载机包括：具有左、右各自的立杆或塔部14和16的车身12，和总体上用18表示的操作员控制台。接地驱动元件包括安装在车身12上并支撑车身12的多个从动轮20、21、22和23。这些从动轮20-23是装载机驱动系统的一部分，该装载机驱动系统还包括发动机(未示出)，该发动机安装在车身21里、在操作员控制台18的后方的后部发动机罩24中。该装载机可以由驱动一个或多个液压泵的柴油机提供动力和驱动。将会认识到，这种装载机会具有由液压马达或液压缸提供动力或驱动的各种装载机部件。

该装载机还包括互连的左、右提升臂组件26和28，它们在枢轴点A处与车身12的相应塔部14和16枢转地相连接。提升臂组件26和28具有诸如铲斗30的机具，该机具在其前端与提升臂组件26和28枢转地相连接以围绕机具枢轴点B运动。在所示装载机10中，机具30通过联结器组件31附接到提升臂组件26和28上。联结器组件31自身与提升臂组件26、28枢转地相连接。提升臂组件26、28基本上是彼此的镜像，从而对这两个组件中的部件采用相同的附图标记。每个提升臂组件28都包括在提升臂枢轴点A处与车身12的塔部枢转地相连接的提升臂32。枢轴点A在驱动轮20-23的后方。提升臂枢轴点A和机具枢轴点B在侧立面中限定了笔直基准线AB。

每个提升臂32都相对于车身12枢转，以便利用提升致动器34提升铲斗30或其它机具，该提升致动器通常是传统的液压缸或其它线性动作致动器。提升致动器34的一端在位于后驱动轮上方的点R处连接到车身12的塔部上。提升致动器34的相对端在点K处连接到提升臂32上。

铲斗30可以利用一个或多个倾斜致动器36相对于提升臂32枢转，倾斜致动器36通常是液压或其它线性动作致动器，如图所示，倾斜致动器36连接在提升臂32与联结器组件31之间。倾斜致动器36的一端连接到提升臂32上，相对端在点C处连接到联结器31上。铲斗30限定有一系列挖土齿T。笔直基准线BT从机具枢轴B延伸至齿T。

位置传感器40以与提升臂枢轴点A成固定关系地安装在车身上。位置传感器40可以包括GNSS天线和接收器，其以公知的方式确定天线和接收器40的三维位置坐标。

然而，应当认识到，位置传感器可以是许多其它已知的位置传感装置中的任何一种。位置传感器40可以是例如全站仪标杆(total station target)。位于工地上的固定、已知位置的自动全站仪引导激光束到装载机的标杆上并且接收从标杆反射回来的光束。利用时间-射程计算，确定从全站仪到标杆的距离。于是，标杆的相关角位置和从全站仪到标杆的距离精确地限定了标杆的位置。全站仪做出这个确定，然后把传感器40的计算的位置发送给装载机10上的接收器。

或者，位置传感器40可以包括激光接收器，该激光接收器包括竖排的接收器元件，这些接收器元件检测扫过基准面的基准激光束。这类位置传感器只提供高度信息。也就是说，由使激光束扫过基准面的激光发射器来产生基准激光束。因为光束的高度是固定的，因此，当接收器检测光束时，传感器40的高度也就知道了。然而，位置传感器40将不会确定传感器40的X和Y位置。

在另一可替代结构中，位置传感器40可以包括通常具有单个接收器元件的激光接收器，该单个接收器元件检测一对斜扇形激光束，所述一对斜扇形激光束围绕大致竖直轴线旋转并且横扫激光接收器。产生这些激光束的发射器位于工地上的已知点处。接收器检测光束时的相对时间提供对接收器的竖直位置的指示。如果在光束旋转期间控制光束的方向，那么也能够确定发射器到位置传感器40的方向(heading)。或者，位置传感器40可以是用于基于地面的无线电定位系统的接收器，该定位系统可以选择性地与GPS接收器或激光接收器相组合。

用这些可替代类型的位置传感器装置中任何一种来确定位置传感器40的竖直位置。参照图3，将看到，这个确定是确定铲斗30的齿位置的过程的一部分，或是确定在提升臂组件32的端部处附接到联结器31上的任何其它机具的工作部分位置的过程的一部分。图3示出了装载机部件的重要点的相对位置。提升臂枢轴点A在传感器40下方的固定距离S处。如将从图3所获知的，在枢轴点A下方到铲斗的齿T的高度会是距离H。距离H又等于H₁加上H₂，H₁是在枢轴点A下方到枢轴点B的相关位置，H₂是在枢轴点B下方到齿T的相关位置。将会认识到，如果装载机显著地倾向前方、后方或两侧，那么在传感器40下方到提升臂枢轴点A的距离会小于距离S。倾斜计或一对垂直倾斜计在需要时能够量化这个倾斜，使得在位置计算中能够做出适当补偿。然而，如果传感器40和枢轴点A比较近，那么位置计算中的任何误差就会很小。

H₁和H₂的计算如下。装载机10包括倾斜计50(图2)，该倾斜计50安装在提升臂32上，并且能够与互连的左、右提升臂组件一起移动，从而提供对提升臂组件沿着笔直基准线AB的倾斜的指示。如图3所示，这个倾斜标为角度a。因此距离H₁等于AB sin(a)。

装载机还包括用于检测角度c的角度传感器，该角度c是直线AB与直线BT之间的角度。这可以采取液压缸伸出量传感器52的形式，该液压缸伸出量传感器52提供与缸36的伸出量相关的输出，缸36的伸出量又直接与角度c有关。会认识到，角度c等于角度r加上90°加上角度b。角度r等于90°-a。

因此，c＝(90°-a)+90°+b。

并且，b＝a+c-180°。

因为H₂等于TB sin(b)，所以H₂＝TB sin(a+c-180°)。

因为H＝H₁+H₂，

所以H＝AB sin(a)+TB sin(a+c-180°)。

因此，如果传感器40的高度是H_sensor，铲斗齿的高度H_teeth是H_teeth＝H_sensor-S-AB sin(a)-TB sin(a+c-180°)。

如上所指出的，提供对机具相对于互连的左、右提升臂组件32的方向的指示的角度传感器可以包括检测液压缸36的伸出量的传感器。或者，传感器可以包括角度传感器，该角度传感器附接到提升臂32的前端并附接到机具联结器31上，以便提供对它们之间的相对角度的指示。或者，可以利用倾斜计有效地测量角度b，该倾斜计安装到联结器31上，使得倾斜计的移动与机具相关联。

将会认识到，本发明允许在频繁更换机具并且使每个机具都固定有传感器不可实施的情况下对装载机上的机具的特定部分的位置进行精确估计。这种类型的装载机可以使用各式各样的机具，包括刨路机、挖沟机、螺旋钻、振动压实机、刮板、箱式刮板以及各种叉和铲斗。对于这些机具中的每一个，其对于监测特定工作部分的位置都是有用的。将会认识到，将需要考虑机具在联结器31上的定向和从枢轴点B延伸到机具上的相关点的基准直线的长度，该基准直线类似于线BT。还将认识到，这种线的长度及其定向对于每个机具而言都不相同。

图4示出了用于装载机的本发明的控制系统。控制系统包括以与提升臂枢轴点A成固定关系地安装在车身12上的位置传感器40，和能够与互连的左、右提升臂组件32一起移动从而提供对提升臂组件沿着笔直基准线AB的倾斜的指示的倾斜计50。诸如液压缸伸出量传感器52的角度传感器与机具和提升臂组件32相关联，用于提供对机具相对于互连的左、右提升臂组件的定向的指示。角度传感器还可以包括与机具相关联的倾斜计，例如安装在联结器31上的倾斜计。控制系统还包括控制器60，该控制器60响应于位置传感器40、响应于倾斜计50并且响应于角度传感器52，来确定位置传感器40的位置和机具的工作部分相对于位置传感器的位置。

控制系统还包括用于向装载机的操作员显示机具的一部分的位置的显示器70。当所用机具是例如如图1和2所示的铲斗时，就显示铲斗齿的位置。当所用机具不是铲斗时，就将显示机具的另一部分的位置。通常，机具的所述部分会是机具的关键操作部分。将会认识到，线TB或从装载机的枢轴点B出来的类似线的长度在一个机具与下一个机具之间会不同，当不同的机具安装在联结器上时，基准线相对联结器31的定向也是如此。这个数据将被储存在控制器60中。设置有操作员输入端72，以便允许操作员输入这个数据，或是如果机具的这个数据已经预先储存在控制器60中时为控制器识别安装在联结器31上的特定机具。

H₁和H₂的计算还可以用下列方式实现，如图5所示。装载机10可以包括倾斜计，该倾斜计安装在提升臂32上并且能够与互连的左、右提升臂组件一起移动，从而提供对提升臂笔直基准线AB相对于竖直方向的倾斜角α的指示。因此距离H₁等于AB cos(α)。

装载机还包括用于检测角度β的角度传感器，角度β是直线AB的延长线与直线TB之间的角。这可以采取液压缸伸出量传感器52的形式，该液压缸伸出量传感器52提供与缸36的伸出量相关的输出，缸36的伸出量又直接与角度β有关。将认识到，角度β加上角度α减去90°等于角度d。还将认识到，H₂等于TB sin(d)，因此

H₂＝TB sin(90°-(α+β))。

因为H＝H₁+H₂，

所以H＝AB cos(α)+TB sin(90°-(α+β))。

因此，如果传感器40的高度是H_sensor，铲斗齿的高度H_teeth是：

H_teeth＝H_sensor-S-AB cos(α)+TB sin(90°-(α+β))。

注意到，这考虑了点T高于或低于点B且点B高于或低于点A的情况。将会认识到，任何许多已知的角度测量技术可用于本发明来确定角度α和β。

将会认识到，在机具的关键操作部分在整个工地的位置上要被抬升或降低到特定高度的情况中，装载机的操作可以是自动的。例如，如果铲斗齿的X、Y和Z位置是已知的，并且如果齿的期望高度Z对于测得的X和Y位置是已知的，那么，通过在控制器60的控制下抬升或降低机具，测得的Z就可能达到等同于期望Z。

尽管已经描述了本发明的当前优选实施例，将会理解，在本发明的范围内，可以在下列权利要求的范围内做出各种变化。

Claims

1.一种装载机，包括：

车身，其具有左、右直立塔部；

装载机驱动系统，其包括接地驱动元件；

互连的左、右提升臂组件，每个所述提升臂组件都具有

机具提升臂，其在提升臂枢轴点处与所述车身的相应塔部枢转地相连接，以及

提升致动器，其连接在所述车身与所述机具提升臂之间；

机具，其围绕机具枢轴与所述提升臂组件枢转地相连接，所述提升臂枢轴点和所述机具枢轴在侧立面上限定了笔直基准线；

至少一个机具倾斜致动器，其连接在至少一个所述提升臂组件与所述机具之间；

位置传感器，其以与所述提升臂枢轴点成固定关系地安装在所述车身上；

倾斜计，其能够与所述互连的左、右提升臂组件一起移动，从而提供对所述提升臂组件沿着所述笔直基准线的倾斜的指示；

角度传感器，其用于提供对所述机具相对于所述互连的左、右提升臂组件的定向的指示；

控制器，其响应于所述位置传感器、响应于所述倾斜计并且响应于所述角度传感器，来确定所述位置传感器的位置和所述机具的一部分相对于所述位置传感器的位置。

2.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述装载机是多地形装载机，并且所述接地驱动元件包括一对从动履带。

3.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述装载机是滑移装载机，并且所述接地驱动元件包括多个从动轮。

4.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述角度传感器包括与所述机具相关联的倾斜计。

5.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述角度传感器包括在所述机具与所述提升臂组件的枢转连接处的角度传感器，所述角度传感器用于提供所述机具与所述提升臂组件之间的相关角度的指示。

6.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述倾斜致动器包括液压缸，并且所述角度传感器包括液压缸伸出量传感器。

7.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述位置传感器包括全站仪标杆，和响应于跟踪所述全站仪标杆位置的全站仪的接收器。

8.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述位置传感器包括GPS天线和接收器。

9.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述位置传感器包括激光接收器，所述激光接收器响应于扫过基准面的激光束。

10.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述位置传感器包括激光接收器，所述激光接收器响应于一个或多个扇形激光束，所述一个或多个扇形激光束围绕大致竖直轴线旋转并且横扫所述激光接收器。

11.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括铲斗，并且所述机具的所述部分包括所述铲斗的齿。

12.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括叉。

13.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括刨路机。

14.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括挖沟机。

15.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括螺旋钻。

16.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括振动压实机。

17.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括刮板。

18.根据权利要求1所述的装载机，其特征在于，所述机具包括箱式刮板。

19.一种用于装载机的控制系统，这种装载机具有：车身；装载机驱动系统，其包括支撑所述车身的接地驱动元件；互连的左、右提升臂组件，每个所述提升臂组件都包括在提升臂枢轴点处与所述车身枢转地相连接的机具提升臂和连接在所述车身与所述机具提升臂之间的提升致动器；机具，其与提升臂组件枢转地相连接以围绕机具枢轴运动，所述提升臂枢轴点和所述机具枢轴在侧立面中限定了笔直基准线；至少一个机具倾斜致动器，其连接在至少一个所述提升臂组件与所述机具之间，所述控制系统包括：

位置传感器，其在与所述提升臂枢轴点等高或高于所述提升臂枢轴点的位置处安装在所述车身上；

倾斜计，其与所述互连的左、右提升臂组件一起移动，从而提供对所述提升臂组件沿着所述笔直基准线的倾斜的指示；

角度传感器，其与所述机具和所述提升臂组件相关联，从而提供对所述机具相对于所述互连的左、右提升臂组件的定向的指示；以及

控制器，其响应于所述位置传感器、响应于所述倾斜计并响应于所述角度传感器，来确定所述位置传感器的位置和所述机具的一部分相对于所述位置传感器的位置。

20.根据权利要求19所述的控制系统，还包括用于向所述装载机的操作员显示所述机具的一部分的位置的显示器。

21.根据权利要求20所述的控制系统，还包括用于显示工地表面的期望位置的显示器，由此操作员可以观察获得期望工地轮廓所需的挖出量或填充量。

22.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述角度传感器包括与所述机具相关联的倾斜计。

23.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述倾斜致动器包括液压缸，并且所述角度传感器包括液压缸伸出量传感器。

24.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述位置传感器包括所述装载机上的全站仪标杆，和所述装载机上的响应于跟踪所述全站仪标杆位置的全站仪的接收器。

25.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述位置传感器包括GNSS天线和接收器。

26.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述位置传感器包括激光接收器，所述激光接收器响应于扫过基准面的激光束。

27.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述位置传感器包括激光接收器，所述激光接收器响应于一个或多个扇形激光束，所述一个或多个扇形激光束围绕大致竖直轴线旋转并且横扫所述激光接收器。

28.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于，所述机具包括铲斗，并且所述机具的所述部分包括所述铲斗的齿。