CN101999070A - 具有重心补偿的有效负载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于和具有至少两个链接部件(24)的作业机(18)一起使用的有效负载计算系统(42)。有效负载计算系统可具有配置为测量该至少两个链接部件状态的至少一个状态传感器(44)。有效负载计算系统还可具有和该至少一个状态传感器通信的处理设备(48)。处理设备可计算该至少两个链接部件每个的重心变化。处理设备还可配置为采用该至少一个状态传感器确定作业机所移动的有效负载质量。

Description

具有重心补偿的有效负载系统

技术领域

本发明总体涉及一种有效负载计算系统，更特别是，涉及一种用于作业机链接部件重心变化的有效负载计算系统。

背景技术

各种类型的机器可采用作业机从工地转移材料并将该材料装载至运输车辆(例如卡车和有轨车)上。这些机器包括挖掘机、轮式装载机、锄耕机、和其它运送材料的机器。通过机器装载的运输车辆可具有由制造商的最大负载定额值和/或其它因素例如高速公路车辆的重量限制所决定的特定负载容量。为促使最大程度地利用运输车辆，期望尽可能接近其负载容量地装载每辆运输车辆。但是超载运输车辆具有负面后果。特别是，在运输车辆上放置过多重量将大大提高运输车辆的维护成本或者如果在运输之前去除超出的材料则造成昂贵的延迟。

为监控放置在每辆运输车辆上的材料重量，机器制造商开发了有效负载计算系统。有效负载计算系统可确定作业机当前运载的材料重量(例如挖掘机铲斗中的材料重量)、以及在特定循环或者时间段期间装载至运输车辆上的材料的总重量。为改进生产率，有效负载计算系统可在机器和/或作业机运动中确定机器和/或作业机运载的材料重量(而非进行静态计算)。

2003年2月11日授予Crane III等人的美国专利6,518,519('519专利)公开了确定作业机所运送质量的一种方法。'519专利公开了一种具有底架、和底架耦合的司机室、以及和司机室耦合的悬臂。第一致动器与悬臂和司机室耦合，并相对于司机室移动悬臂。该机器具有和悬臂耦合的操纵杆，和与操纵杆和悬臂耦合相对于悬臂移动操纵杆的第二致动器。机器还具有用于接收有效负载的铲斗。铲斗与操纵杆耦合，第三致动器与铲斗和操纵杆耦合并相对于操纵杆移动铲斗。

采用各种检测设备确定悬臂相对于司机室的第一接合角，操纵杆相对于悬臂的第二接合角，铲斗相对于操纵杆的第三接合角，施加至第一致动器的第一致动器力，施加至第二致动器的第二致动器力，以及施加至第三致动器的第三致动器力。例如还可通过访问存储器中的数据集确定机器的多个物理特征。处理设备及时地在至少两个距离从测量设备接收信号，并采用动态方程确定铲斗的质量或者重量以及其中的根据所接收的信号以及机器的预定物理特征的任何有效负载。在动态方程中，铲斗的质心位置以未知参数表示，但是操纵杆和悬臂的质心位置(在固定的xy坐标系统中)都假定为已知项。铲斗和有效负载的质量/重量的确定可在悬臂、操纵杆和铲斗中的一个或者全部处于运动状态时进行。

尽管现有技术机器可在悬臂、操纵杆、和铲斗的一个或者全部运动时确定有效负载的质量/重量，但是链接的质心位置的改变可产生所确定质量的误差。

所公开的机器系统旨在克服上面列出的一个或多个问题。

发明内容

一方面，本发明涉及一种和具有至少两个链接部件的作业机一起使用的有效负载计算系统。有效负载计算系统可具有至少一个配置为测量该至少两个链接部件的状态的状态传感器。有效负载计算系统还可具有和至少一个状态传感器通信的处理设备。处理设备可计算该至少两个链接部件每个的重心变化。处理设备还可配置为采用该至少一个状态传感器确定作业机所运送的质量。

另一方面，本发明涉及一种计算有效负载的方法。该方法包括致动至少两个链接部件的其中一个以移动有效负载并测量该至少两个链接部件上的力。该方法还可包括测量该至少两个链接部件的状态。该方法还可包括采用测量的力和测量的状态计算负载的质量，同时考虑该至少两个链接部件每个的重心变化。

附图说明

图1图示了示例性公开的机器；

图2图示了可以和图1的机器一起使用的示例性公开的有效负载计算系统；

图3图示了示例性公开的作业机；以及

图4为描述在图2中所示出的有效负载系统示例性运行的流程图。

具体实施方式

图1示出了示例性机器10。机器10可以为进行某种和产业例如采矿、建筑、农业、运输或者任何其它本领域已知的产业相关的操作的作业机。例如，机器10可以为运土机器，例如挖掘机、轮式装载机、锄耕机、或者任何本领域已知的合适运土机器。机器10可包括平台12，底架14、电源16和作业机18。

平台12可以可旋转地设置在底架14上并且可提供与作业机18相连的底部部件(未示出)。平台12还可包括操作员可从其控制机器10的运行的操作员站20。

底架14可以为一个或多个牵引装置22的结构支架。牵引装置22可包括位于机器10每侧上配置为使得机器10可经工作面平移运动的轨道。可选地，牵引装置22可包括轮子、皮带或者本领域已知的其它牵引装置。任何牵引装置22都可驱动和/或可操控。

电源16可为机器10的运行提供电力。电源16可具体化为内燃机，例如柴油机、汽油机、气体燃料发动机(例如天然气发动机)、或者任何其它类型的本领域已知的内燃机。电源16可选择地具体化为电力的非燃烧式源，例如燃料电池或者耦合至电动机的其它电力储存设备。电源16可为驱动牵引装置22提供旋转输出，从而驱动机器10。电源16还可提供电力以相对于底架14旋转平台12。

作业机18可包括一个或多个设计为完成特殊任务的链接部件24。具体地，链接部件24可具体化为悬臂部件28、操纵杆部件30、和作业工具32。悬臂部件28的第一端可旋转连接至平台12，而悬臂部件28的第二端可旋转连接至操纵杆部件30的第一端。作业工具32可旋转连接至操纵杆部件30的第二端。认为作业工具32例如可具体化为铲斗、抓钩器、抓斗、吊钩或者任何其它本领域已知的合适作业工具。每个链接部件24可包括一个或多个致动器26并被其致动。认为链接部件24可在基本上与工作面正交的平面上平移或旋转。

如图2所示，每个致动器26可以为例如包括活塞组件36和管道38的液压缸。活塞组件36可包括两个液压表面，一个表面与第一腔室相连，另一个表面与第二腔室相连。第一和/或第二腔室可选择地供应加压流体并排出加压流体以在两个液压表面上产生力的不平衡。力的不平衡可造成活塞组件36在管道38内轴向移动。还认为致动器26可选择地具体为电动机、气动机、或者本领域已知的任何其它致动设备。

液压系统40可提供加压流体以驱动每个致动器26。具体地，液压系统40可包括泵(未示出)和多个控制阀(未示出)。泵(被电源16的旋转输出驱动)可对与多个控制阀连通的液压油加压。该多个控制阀可选择地经一条或者多条液压管路41向致动器26的第一和/或第二腔室提供加压流体，从而使得活塞组件36轴向移动。认为液压系统40可包括其它的或者不同的元件，例如蓄电池、止回阀、减压或者增压阀、压力补偿元件、限制孔口、以及本领域已知的其它液压元件。

还如图2所示，机器10可包括配置为计算或者评估作业机18所运送质量(或者重量)的有效负载计算系统42。有效负载计算系统42可包括一个或多个状态传感器44、方位传感器45、一个或多个力传感器46、和处理设备48。

状态传感器44可以为位于链接部件24的一个或多个接合点附近的角度检测设备(即作业工具32和操纵杆部件30之间的接合点、操纵杆部件30和悬臂部件28之间的接合点，和悬臂部件28和平台12之间的接合点)。状态传感器44可包括旋转编码器、电位计、或者其它角度或者位置检测设备(例如状态传感器44可位于线性致动器上并且可配置为采用致动器位置确定接合角度)。状态传感器44的输出信号可用于确定作业机18的状态，例如每个链接部件24的位置、速度、加速度、角度、角速度、或者角加速度。

力传感器46可配置为输出可用于确定致动器26和/或链接部件24所产生或者经受的力的信号。例如，力传感器46可具体为设置并配置为测量致动器26的第一和/或第二腔室中或者供应至其中的加压流体压力的压力传感器。认为处理设备可以使用测量的压力以及致动器26和链接部件24的物理尺寸以确定链接部件24的接合点扭矩。力传感器46可可选择地具体为应变计、压电换能器、或者其它位于链接点、致动器接合点、或者其它合适位置的力测量设备。

方位传感器45可测量机器10的斜度和滚动。方位传感器可位于机器10上的任何合适位置，例如操作员站20。方位传感器45可具体为一个或多个陀螺仪、加速度计、重力倾斜仪、或者其任意组合。

处理设备48可监视和/或更改机器10及其组件的性能。处理设备48可无线地或者经一条或多条通信线路43与状态传感器44、方位传感器45、和力传感器46通信。认为处理设备48还可与电源16、操作员站20、液压系统40、和/或机器10的其它元件通信(未示出)。

处理设备48可具体为单个微处理器或者多个微处理器。多种市场购买的微处理器可配置为执行处理设备48的功能，而且应当理解处理设备48可容易具体为能够监视和/或控制多种机器功能的通用机器微处理器。处理设备48可包括存储器、次存储设备、处理器、和任何其它运行应用的元件。各种其它电路可以和处理设备48相关，例如电源电路、信号调节电路、数据采集电路、信号输出电路、信号放大电路、和本领域已知的其它类型的电路。处理设备48可包括一个或多个存储在处理设备48的内存储器中的地图。这些地图每张都包括表格、图形和/或方程形式的数据收集。处理设备48可包括动态模型、校准步骤和评估步骤。

动态模型可包括使得接合点扭矩T和其它可测量和/或可计算项相关的方程。T可以为包括作业机18每个接合点例如T_bo、T_st和T_wt上的接合点扭矩值的向量或者矩阵(参见图3)。认为动态模型可包括本领域已知的任何合适模型(例如基于数学或者逻辑的关系)。一个可接受的动态模型为：

$T=M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+N(q,\stackrel{\·}{q})\stackrel{\·}{q}+G\left(q\right)+F\left(\stackrel{\·}{q}\right),---\left(1\right)$

其中q为连接状态向量，M(q)为惯性矩阵，

为科里奥利和离心项的矩阵，G(q)为重力扭矩矩阵，而

为摩擦矩阵。接合点扭矩关系可被转换为并表示为下述形式的线性参数模型：

$T=W(q,\stackrel{\·}{q},\stackrel{\·\·}{q})\mathrm{\Ψ},---\left(2\right)$

其中

为非线性函数的矩阵，Ψ为参数向量。

$\mathrm{\Ψ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}\left(1\right)\\ \mathrm{\ψ}\left(2\right)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\ψ}\left(n\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

参数向量Ψ的每个元素ψ可包括和链接部件的质量M、惯性力I、重心(“CG”)位置量度相关的项。例如参数向量可表示为：

$\mathrm{\Ψ}=\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{wt}}+M_{\mathrm{wt}}{r_{\mathrm{wt}}}^2\\ I_{\mathrm{st}}+M_{\mathrm{st}}{r_{\mathrm{st}}}^2+M_{\mathrm{wt}}{b_{\mathrm{st}}}^2\\ I_{\mathrm{bo}}+M_{\mathrm{bo}}{r_{\mathrm{bo}}}^2+(M_{\mathrm{st}}+M_{\mathrm{wt}}){b_{\mathrm{bo}}}^2\\ M_{\mathrm{wt}}{r}_{\mathrm{wt}}\cos \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{wt}}\right)\\ M_{\mathrm{wt}}{r}_{\mathrm{wt}}\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{wt}}\right)\\ M_{\mathrm{wt}}{b}_{\mathrm{st}}+M_{\mathrm{st}}{r}_{\mathrm{st}}\cos \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{st}}\right)\\ M_{\mathrm{st}}{r}_{\mathrm{st}}\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{st}}\right)\\ (M_{\mathrm{wt}}+M_{\mathrm{st}})b_{\mathrm{bo}}+M_{\mathrm{bo}}{r}_{\mathrm{bo}}\cos \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{bo}}\right)\\ M_{\mathrm{bo}}{r}_{\mathrm{bo}}\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{bo}}\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，也如图3所示，α和r为定义指定链接部件的CG位置的角度和半径，r起始于链接部件接合点(指定的链接部件可以为悬臂部件28、操纵杆部件30、或者作业工具32)，b为指定链接部件的长度，下标“wt”表示和作业工具32相关的项，“st”表示和操纵杆部件30相关的项，而“bo”表示和悬臂部件28相关的项。

返回到图2，校准步骤可用于校准有效负载计算系统42。处理设备48可通过收集计算参数向量Ψ的多组数据开始校准步骤。

例如，处理设备48可通过一定范围的值改变每个链接部件角θ_bo、θ_st、θ_wt(参见图3)(例如，θ_bo，1、θ_st，1、θ_wt，1；θ_bo，2、θ_st，2、θ_wt，2；θ_bo，3、θ_st，3、θ_wt，3……θ_bo，n、θ_st，n、θ_wt，n)。认为处理设备48可连续或者断续地改变θ_bo、θ_st和θ_wt。随着θ_bo、θ_st、θ_wt改变，处理设备48可从状态传感器44、方位传感器45、和/或力传感器46获得测量值(该测量值可包括或者可容易转换为例如与链接部件24或者链接部件接合点相关的角度、位置、力、和/或扭矩)。处理设备48可随着θ_bo、θ_st和θ_wt改变按照预定的角度或者预定的频率获得测量值。因此，用于校准的测量数据可包括在多个角度测量的接合点扭矩(例如T_{θbo，1、θst，1、θwt，1}、T_{θbo，2、θst，2、θ wt，2}、T_{θbo，3、θst，3、θwt，3}……T_{θbo，n、θst，n、θwt，n})。处理设备48可采用多组测量数据结合预编程链接数据(例如链接部件24的物理尺寸)对多个角度的每个计算参数向量Ψ的值(例如，Ψ_{θbo，1、θst，1、θwt，1}、Ψ_{θbo，n、θst，n、θwt，nθwt，2}、Ψ_{θbo，3、θ st，3、θwt，3}……Ψ_{θbo，n、θst，n、θwt，n})。处理设备48可采用例如方程(2)结合最小二乘算法计算每个参数向量。

动态模型，更具体地，计算的参数向量Ψ_{θbo，1、θst，1、θwt，1}、Ψ_{θbo，2、θst，2、 θwt，2}、Ψ_{θbo，3、θst，3、θwt，3}……Ψ_{θbo，n、θst，n、θwt，n}可进行可将所计算的参数向量转换为单个补偿参数向量Ψ_comp的补偿。为获得Ψ_comp，随着其值随预定链接部件角改变，处理设备48可将多项式函数拟合为一个或多个计算的参数向量元素Ψ。例如，处理设备48可将多项式拟合为作为θ_wt函数的第六参数向量元素Ψ(6)，和作为θ_st函数的第八参数向量元素Ψ(8)，等。

以通常的形式，每个补偿参数向量元素Ψ_comp可表示为：

ψ_Comp＝k₁θ+k₂θ²+k₃θ³，              (5)

其中k₁、k₂、k₃为从多项式曲线拟合获得的常数。认为补偿的参数向量可允许动态模型计算由于例如致动器26中受压流体的流入或流出、管道38中活塞组件36的轴心位移、致动器26离开链接部件24的任何运动、材料装载至作业工具32、和其它可能的CG变化原因造成的链接部件的CG变化。还认为处理设备48可补偿和链接部件24的任意一个或者任意组合相关的参数向量(例如仅仅和悬臂部件28相关的参数向量元素；悬臂部件28和操纵杆部件30；或者悬臂部件28、操纵杆部件30、和作业工具32)。在校准步骤中，处理设备48可根据预编程限值检查补偿的参数向量以确保补偿的参数向量处于预定范围内。处理设备48然后可存储补偿的参数向量。

评估步骤可用于评估作业机18所移动的有效负载质量(有效负载可以为材料、物体、或者任何其它质量)。为评估有效负载MPL的质量，方程(2)可写为：

$T=W(q,\stackrel{\·}{q},\stackrel{\·\·}{q}){\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{comp}}+\hat{W}(q,\stackrel{\·}{q},\stackrel{\·\·}{q})M_{\mathrm{PL}}---\left(6\right)$

其中

为非线性函数的第二矩阵。在示例性操作中，操作员可命令作业机18捡起材料或者物体并将其移动至可将其卸载的新位置。当移动材料或者物体时，处理设备48可从状态传感器44和力传感器46接收数据。来自状态传感器44的数据(即状态数据)可包括例如每个链接部件24的位置、速度、加速度、角度、角速度、或者角加速度。处理设备48可利用所接收的传感器数据(即状态数据和接合点扭矩数据)和预编程链接数据确定和/或设置方程(6)的T、

Ψ_comp、和

的值。换言之，接合点扭矩数据可用于设置T，可先验地(例如从校准)确定Ψ_comp，并且可采用传感器数据和/或预编程链接数据确定

和

处理设备48然后可采用最小二乘法技术和/或适应评估技术(基于Lyapunov理论)计算M_PL。

工业应用性

所公开的有效负载计算系统可适用于需要进行有效负载计算的任何机器上。对重心变化的补偿可提高有效负载测量的精度。改进的精度可提高其中涉及所公开机器的特定操作的生产率。现在将描述有效负载计算系统42的运行。

如图4所示，处理设备48可首先确定有效负载计算系统42的动态模型是否需要校准(步骤100)。处理设备48可要求固定周期地或者根据用户命令对动态模型进行校准。如果有效负载计算系统42的动态模型需要校准，则处理设备48可开始校准步骤(步骤110)。在校准步骤中，处理设备48可改变链接部件24的角度并从状态传感器44、方位传感器45和力传感器46接收测量值。传感器数据可用于计算动态模型的参数向量。计算的参数向量Ψ然后可被补偿以获得补偿的参数向量Ψ_comp。如果已经对有效负载计算系统42进行了校准，则处理设备48可从前次校准再调用补偿的参数向量(步骤120)。

一旦进行了校准，有效负载计算系统42可计算作业机18移动的有效负载质量(步骤130)。例如，机器10(参见图1)可在向运输车辆(未示出)装载材料的地方进行装载操作。在装载操作中，操作员可命令作业机18拾起、运送并在其后向运输车辆倾倒装载材料。移动负载时，处理设备48可从状态传感器44和力传感器46接收数据。处理设备48采用所接收的传感器数据(即状态数据和接合点扭矩数据)和预编程连接数据确定或者设置方程(6)的T、

Ψ_comp、和

的值。处理设备然后采用最小二乘法技术和/或适应性评估技术(基于Lyapunov理论)从方程(6)计算有效负载M_PL的质量。

一旦有效负载评估步骤(即步骤130)完成，则处理设备48可显示和/或存储计算的有效负载质量(步骤140)。认为还可显示和/或存储累计的计算d有效负载质量(在指定时间段或者工作循环上)。

处理设备48然后对照地图检查所计算的有效负载质量以确定所计算的有效负载质量是否处于预定的可接收范围内(步骤150)。可接收的范围例如可限定作业机18在特定时间段内可移动的质量的合理范围。如果所计算的有效负载质量不在预定的可接收范围内，则处理设备48可重新计算有效负载质量(返回到步骤130)。如果有效负载质量处于可接受的范围内，则处理设备48可确定操作员是否经一个或多个位于操作员站20的操作员输入设备命令了对有效负载计算系统42进行了重置(步骤160)。如果已经命令了操作员重置，则处理设备48可断开有效负载测量路线。可选地，处理设备48可返回评估有效负载质量(返回到步骤130)。

可实现有效负载计算系统的若干优点。特别是，对每个链接部件重心的补偿可提高质量测量的精度。有效负载质量的改进测量可通过允许所公开的机器更接近于其最大容量地装载相关的运输车辆或者集装箱而改进生产率。通过更好地保证最大负载而非过载，所公开的有效负载计算系统还可降低相关运输车辆的维护成本或者在运输之前必须移除过量材料的情况下减少昂贵的延迟。

对本领域技术人员明显的是可对所公开的有效负载计算系统进行各种更改和改变而不偏离所公开的范围。有效负载计算系统的其它实施例将在本领域技术人员考虑到对这里所公开的有效负载计算系统的说明和实践而变得显而易见。期望的是说明和实例仅仅被看作是示例性的，真实的范围由附加的权利要求所表示。

Claims (10)

1.一种和具有至少两个链接部件(24)的作业机(18)一起使用的有效负载计算系统(42)，包括：

至少一个状态传感器(44)，其被配置为测量所述至少两个链接部件的状态；以及

处理设备(48)，其与所述至少一个状态传感器通信，其中所述处理设备计算所述至少两个链接部件每个的重心变化，所述处理设备被配置为采用所述至少一个状态传感器确定由所述作业机运送的有效负载质量。

2.根据权利要求1的有效负载计算系统，其中所述至少两个链接部件的每个包括致动器(26)。

3.根据权利要求2的有效负载计算系统，还包括配置为测量所述致动器处的力的一个或多个力传感器(46)，其中所述处理设备与所述一个或多个力传感器通信，并且所述处理设备被配置为采用一个或多个力传感器确定有效负载的质量。

4.根据权利要求4的有效负载计算系统，其中所述处理设备包括模型，并且所述处理设备利用该模型确定有效负载的质量。

5.根据权利要求5的有效负载计算系统，其中所述处理设备被配置为通过在从所述一个或多个力传感器和所述至少一个状态传感器接收测量值时改变所述至少两个链接部件的每个的角度而校准模型。

6.一种计算有效负载质量的方法，包括：

致动至少两个链接部件(24)的其中一个以移动负载；

测量所述至少两个链接部件处的力；

测量所述至少两个链接部件的状态；以及

采用所述测量的力和测量的状态计算负载的质量，同时考虑所述至少两个链接部件每个的重心变化。

7.如权利要求6的方法，其中所述至少两个链接部件包括悬臂部件(28)、操纵杆部件(30)和作业工具(32)。

8.如权利要求7的方法，其中所述状态包括角度、角速度、或者角加速度中的至少一个。

9.如权利要求8的方法，还包括校准，其中在移动负载之前进行校准，并包括在测量力和测量状态的同时改变所述至少两个链接部件每个的角度。

10.一种机器(10)，包括作业机(18)，所述作业机(18)具有悬臂部件(28)和如权利要求1-5任一项所述的有效负载计算系统。

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