CN102713087A - 用于限制操作员对机具的控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明在一方面描述了机具控制系统，该机具控制系统包括操作地连接到机具上的控制器。控制器适于接收来自输入装置的表示操作员所希望的机具运动的信号和接收表示自动确定的机具运动的自动产生的信号。控制器还适于基于输入装置信号或自动产生的信号确定是否移动机具。当机具的一部分在所希望的切割平面上方时，控制器适于基于输入装置信号产生移动机具的控制信号。

Description

用于限制操作员对机具的控制的系统和方法

技术领域

本发明一般地涉及机具控制系统，并更具体地涉及用于限制操作员对机具的控制的系统和方法。

背景技术

土方机械如履带式拖拉机、自动平地机、装载机和铲运机都具有例如推土铲刀或铲斗的机具，所述机具在作业现场上使用，以便改变一段土地的地形或地势。机具可以由操作员或由控制系统控制，以便随着土方机械在作业现场上移动而在作业现场进行工作。

定位机具以尤其是为了实现最终表面外形或最终平整度（grade）是需要专门技能和努力的复杂而耗时的任务。因此，通常希望提供机具的自动控制，以便简化操作员控制。但是，已知的自动系统不具有这种模式，即，操作员是机具的主要控制者而控制系统提供有限的操作员指令的功能。

所公开的系统和方法针对克服上述问题中的一个或多个。

发明内容

一方面，本发明描述了机具控制系统，该机具控制系统包括操作地连接到机具上的控制器。控制器适于接收来自输入装置的表示操作员所希望的机具运动的信号和接收表示自动确定的机具运动的自动产生的信号。控制器还适于基于输入装置信号或自动产生的信号确定是否移动机具。当机具的一部分在所希望的切割平面上方时，控制器适于基于输入装置信号产生移动机具的控制信号。

附图说明

图1示意性地示出具有根据本发明的示例性实施例的机具控制系统的机器。

图2示意性地示出根据本发明的示例性实施例的机具控制系统。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的机具控制过程的一个实施例的流程图。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的机具控制过程的一个实施例的流程图。

具体实施方式

本发明涉及用于限制操作员对机具的控制的系统和方法。机器100的示例性实施例在图1中示意性地示出。机器100可以是执行与例如采矿业、建筑业、农业、运输业等工业或本领域中已知的任何其它工业相关联的某种操作的移动机器。例如，机器100可以是拖拉机或推土机（如图1中所示）、自动平地机、装载机、铲运机或本领域中已知的改变地形或地势的任何其它车辆或机器。

机器100包括动力源102、容纳有操作机器100所必需的控制装置的操作站或操作室104，所述控制装置例如是一个或多个用于推进机器100和/或控制其它机器部件的输入装置106。机器100还包括工作工具或机具108，例如用于土方工作的铲刀。所述一个或多个输入装置106可以包括一个或多个设在操作室104内的操纵杆、杠杆、按钮和其它致动器，并可以适于接收来自操作员的表示机具108的所希望的运动的输入。为了简化起见，仅讨论并在附图中示出一个具体体现为操纵杆的输入装置106。

在某些实施例中，操作室104还可以包括具有用于向操作员传递信息的显示器的用户界面110，且可以包括键盘、触摸屏或任何适于接收来自操作员的用于控制和/或操作机器100、机具108和/或其它机器部件的输入的机构。可供选择地或者附加地，操作员可以位于操作室外部和/或距机器100一定距离处并远离那个位置地控制机器100、机具108和/或其它机器部件。

机具108可以适于接合、切割或穿透作业现场111的表面，且还可以适于土方工作以完成预定的任务。作业现场111可以包括例如矿场、垃圾填埋场、采石场、建筑工地或任何其它类型的作业现场。土方工作可以与改变作业现场111处的地形相关联，并且预定的任务可以包括例如平整操作、铲运操作、找平操作、松散材料清除操作或任何其它类型的在作业现场111处改变地形的操作。

在所示的实施例中，机具108包括在第一端114和第二端116之间延伸的切割刃112。机具108的切割刃116的第一端114可以是机具108的右尖端或右边缘，机具108的切割刃112的第二端114可以是机具108的左尖端或左边缘。机具108可以通过一个或多个操作地连接到在操作室104内的输入装置106上的液压机构运动。

液压机构可以包括一个或多个液压升降致动器118和一个或多个液压倾斜致动器120，用于将机具108移动到不同位置，例如使机具108上升或下降、使机具108左倾或右倾或者使机具108前俯或后仰。在所示的实施例中，机器100在机具108的每一侧都包括一个液压升降致动器118和一个液压倾斜致动器120。在所示的实施例中，示出两个液压升降致动器118，但仅示出两个液压倾斜致动器120当中的一个（即，仅示出机器的一侧）。

动力源102可以具体体现为向地面接合机构122提供动力的发动机，该地面接合机构122适于支承、推进机器100和使之转向。动力源102可以具体体现为发动机，例如柴油发动机、汽油发动机、气体燃料动力发动机或本领域中已知的任何其它类型的燃烧式发动机。可以设想，动力源102可供选择地可以具体体现为非燃烧式动力源（未示出），例如燃料电池、蓄电装置或另外合适的动力源。动力源102可以产生机械动力或电力输出，该输出可以转换成用于向机器100、机具108和其它机器部件提供动力的液压动力。

机器100还包括操作地连接到输入装置106上的机具控制系统124和用于控制机具108运动的液压机构118、120。如图2A和2B所示，机具控制系统124包括现场设计126、平整度控制系统128和控制器130，该控制器130适于接收来自输入装置106的输入和来自平整度控制系统128的输入并适于基于来自输入装置106和/或平整度控制系统128的输入控制机具108的运动。在一个实施例中，机具控制系统124可以包括一个或多个控制器130。然而，为了简化起见，仅讨论和在附图中示出一个控制器130。

控制器130可以响应于接收自输入装置106的表示代表操作员所希望的机具108的运动的位置的输入信号指挥机具108移动到预定或目标位置。表示操作员所希望的机具108的运动的位置信号可以包括升降信号，例如降低机具信号和升高机具信号。表示操作员所希望的机具108的运动的位置信号还可以包括倾斜信号，例如左倾信号或右倾信号。

在某些实施例中，机具108的左倾运动和右倾运动可以通过使用一个或多个输入装置106实现，以便单独地移动切割刃112的第一端114或单独地移动切割刃112的第二端116。在某些实施例中，移动第一端114可以通过使用一个或多个输入装置106当中的一个——例如使用右缸高度杆（未示出）——实现，而移动第二端116可以通过使用一个或多个输入装置106当中的另一个——例如使用左缸高度杆（未示出）——实现。可供选择地或者附加地，移动第一端114和移动第二端116可以通过使用具体体现为图1中所示的操纵杆的同一输入装置106实现。但是，在另一些实施例中，位置信号不包括倾斜信号。

控制器130可供选择地或者附加地可以响应于接收自平整度控制系统128的表示机具108的自动确定的运动的输入信号指挥机具108移动到预定或目标位置。机具的自动确定的运动可以基于来自现场设计126的输入。表示机具108的自动运动的位置信号还可以包括升降信号，例如降低机具和升高机具。表示机具108的自动运动的位置信号可以包括或可以不包括倾斜信号，例如左倾或右倾信号，如上面详细论述的。

现场设计126包括基于工程设计的与作业现场的施工表面有关的数据。现场设计126中所提供的施工表面可以是能够表示不规则的三维（3D）表面或平坦平面的地面轮廓。在所示的实施例中，施工表面是代表用于作业现场111的所希望的切割平面或所希望的最终平整度的设计平面132。

在某些实施例中，平整度控制系统128可以适于确定机器100在作业现场111内的相对定位或位置。在另一些实施例中，平整度控制系统128可以适于基于机器100在作业现场111内的定位或位置确定机具108的相对定位或位置。机器100和/或机具108的相对定位或位置可以使用一个或多个本领域中已熟知的位置传感器、GPS接收器和/或激光系统确定。

在所示的实施例中，平整度控制系统128接收来自现场设计126的表示用于作业现场111的设计平面132的输入，并确定机具108相对于设计平面132的相应目标位置。控制器130接收来自平整度控制系统128的表示基于机具108相对于设计平面132的相对位置由平整度控制系统128产生的目标位置的输入。目标位置表示使机具108与作业现场111的地势接合以达到设计平面132所需的机具108的位置。

控制器130还接收来自输入装置106的表示操作员所希望的用于使机具108与作业现场111的地势接合的机具108的位置的输入。控制器130适于接收由平整度控制系统128产生的目标位置信号和由输入装置106产生的目标位置信号，并适于基于机具108与设计平面132的相对位置产生用于将机具108移动到相应的平整度控制系统128目标位置或相应的输入装置106目标位置的控制信号或指令。可以施加移动机具108的控制信号，以致动液压致动器118、120来将机具108移动到相应的目标位置。

控制器130可以适于通过比较机具108的切割刃112的一部分与设计平面132的相对定位来估计机具108和设计平面132的相对位置。在所示的实施例中，切割刃112的所述部分设在机具108的切割刃112的在第一端114和第二端之116之间的大约中心134处。控制器130可以确定所述部分134是在设计平面132上方还是在设计平面132下方。控制器130可以适于根据中心134是在设计平面132上方、在设计平面132上还是在设计平面132下方来基于来自输入装置106的输入或基于来自平整度控制系统128的输入确定是否控制机具108的运动。

在另一些实施例中，控制器130可以适于通过比较机具的切割刃114的多个部分与设计平面132的相对定位来估计机具108与设计平面132的相对位置。切割刃112的多个部分可以包括设在切割刃112的大约中心134处的部分和切割刃112的设在大约第一端114处和/或大约第二端116处的部分。

如图2B中所示，切割刃112的第二端116在设计平面132下方，而切割刃112的第一端114和切割刃112的中心134二者分别在设计平面132的上方和在设计平面132上。控制器130可以适于根据中心134是在设计平面132上方、在设计平面132上还是在设计平面132下方和/或根据第一端和第二端114、116是在设计平面132上方、在设计平面132上还是在设计平面132下方基于来自输入装置106的输入或基于来自平整度控制系统128的输入来确定是否控制机具108的运动。

平整度控制系统128和控制器130可以包括一个或多个控制模块（例如，ECMs、ECUs等）。所述一个或多个控制模块可以包括处理单元、存储器、传感器接口和/或控制信号接口（用于接收和传送信号）。处理单元可以是一个或多个被机具控制系统124使用的逻辑和/或处理元件，以便执行某些通信、控制和/或诊断功能。例如，处理单元可以适于在机具控制系统124内部和/或外部的装置中执行路由信息。

另外，处理单元可以适于执行来自存储装置如存储器的指令。所述一个或多个控制模块可以包括多个处理单元，例如一个或多个通用处理单元和/或专用处理单元（例如，ASICS、FPGAs等）。在某些实施例中，处理单元的功能可以体现在集成微处理器或微控制器内，包括集成CPU、存储器及一个或多个外围设备。存储器可以是一个或多个已知的能够存储信息的系统，包括但不限于随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、磁和光学存储装置、盘、可编程可擦元件如可擦可编程只读存储器（EPROM、EEPROM等）以及非易失性存储器如闪存。

工业适用性

从上面的论述可以很容易理解本文所述的用于限制操作员对机具的控制的系统和方法的工业适用性。尽管机器示出为履带式拖拉机，但该机器可以是执行至少一种与例如采矿、建筑和其它工业应用相关联的操作的任何类型的机器。而且，本文所述的系统和方法能够适用于各种各样的机器和任务。例如，反铲装载机、滑移装载机、轮式装载机、自动平地机、铲运机和许多其它机器能够受益于上述系统和方法。因此，本发明可应用于许多机器和在许多环境中应用。

根据某些实施例，机具控制系统124适于对由平整度控制系统128产生的目标位置信号和由输入装置106产生的目标位置信号进行比较，并基于机具108与设计平面132的相对位置产生用于将机具108移动到相应的平整度控制系统128目标位置或相应的输入装置106目标位置的控制信号。

图3示出机具控制系统的机具控制过程和操作的示例性实施例（200）。控制器130适于接收由输入装置106产生的表示操作员所希望的机具108的位置的目标位置信号（步骤202）。控制器130还适于接收由平整度控制系统128产生的表示为与作业现场111的地势接合以达到设计平面所需的机具108的位置的目标位置信号（步骤204）。控制器将相关的输入装置106目标位置信号与设计平面132进行比较，并确定输入装置106目标位置信号表示在设计平面132上或在设计平面132下方的相对位置还是表示在设计平面132上方的相对位置（步骤206）。

如果相关的输入装置106目标位置信号在设计平面132上方（如图2A中所示）（步骤206：否），则控制器130使用输入装置106目标位置信号（步骤208）来将机具108移动到表示操作员所希望的位置的目标位置（步骤210）。如果相关的输入装置106目标位置信号在设计平面132上或在设计平面132下方（步骤206：是），则控制器130使用平整度控制系统128目标位置信号（步骤212）来将机具108移动到表示根据现场设计126自动确定的机具108的运动的目标位置（步骤210）。

图4示出根据本发明的机具控制系统的机具控制过程和操作的另一个实施例（300）。控制器130适于接收来自输入装置106的表示操作员所希望的机具108的运动的目标位置信号（步骤302）。控制器130还适于接收由平整度控制系统128根据现场设计126自动产生的目标位置信号（步骤304）。

控制器130确定操作员目标位置信号是否是升降信号，例如降低机具信号或升高机具信号（步骤306）。如果操作员目标位置信号是升降信号（步骤306：是），则控制器将代表操作员目标位置信号的相对位置与设计平面132进行比较，并确定操作员目标位置信号代表机具108的中心部分134在设计平面132上或在设计平面132下方的相对位置还是代表中心部分134在设计平面132上方（步骤308）的相对位置。

如果代表操作员目标信号的相对位置是在设计平面132上方（步骤308：是），则控制器130使用升降信号并将机具108移动到代表操作员目标位置信号的位置（步骤310）。然而，如果操作员目标位置信号代表机具的中心部分134在设计平面132上或在设计平面132下方的相对位置（步骤308：否），则控制器确定升降信号是否是降低机具信号（步骤312）。

如果升降信号不是降低机具信号，也就是说，是升高机具信号（步骤312：否），则控制器130使用升降信号（升高机具信号）并将机具108移动到代表操作员目标位置信号的位置（步骤310）。然而，如果升降信号是降低机具信号（步骤312：是），则控制器130使用由平整度控制系统128所产生的现场设计126目标位置信号并将机具移动到相应的位置（步骤314）。

但是，如果操作员目标位置信号不是升降信号（步骤306：否），则控制器确定操作员目标位置信号是否是倾斜信号，例如机具左倾信号或机具右倾信号（步骤316）。如果操作员目标位置信号是倾斜信号（步骤316：是），则控制器130适于将相关的操作员目标位置信号与设计平面132进行比较并确定操作员目标位置信号是否代表机具108的第一端114或第二端116在设计平面132上或在设计平面132下方的相对位置。

第一端114或第二端116在设计平面132上或在设计平面132下方与倾斜信号是机具左倾信号或机具右倾信号相对应或相关联。但是，即使第一端114或第二端116是在设计平面132上或在设计平面132下方，控制器130也使用倾斜机具信号并将机具移动到相应的位置（步骤318）。如图2B中所示，与左倾信号相对应或相关联的第二端116被允许在设计平面132下方移动。然而，中心部分134必须保持在设计平面132上方。因此，控制器适于基于机具的中心部分与设计平面132的相对位置监测中心134是否在设计平面132上方并控制机具108（也就是说，返回步骤308，以继续与机具108的升降运动相关的控制顺序）。

应该理解，上述描述提供了所公开的系统和方法的示例。然而，可以设想，本发明的另一些实施方案可以在细节上与上述示例不同。本发明或其示例的所有参考意在参考那时论述的具体示例，且更一般地不暗含对本发明的范围的任何限制。除非另外指出，否则关于某些特征的区分和贬低的所有语言都意在表示不优选那些特征，但并不完全从本发明的范围排除这些特征。

除非本文另外指出，否则本文的数值范围的叙述仅用作是指单独落在该范围内的每个单独的数值的简化方法，且每个单独的数值接合在说明书中，好像它在本文中单独列举的那样。除非本文另外指出或者与上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法都能够以任何合适次序实施。

因此，本发明包括可适用法律所允许的所附权利要求书中所述的主题的所有修改和等同方案。而且，除非本文另外指出或者与上下文明显矛盾，否则本发明包括上述元件的所有可能变化的任何组合。

Claims (10)

1.一种机具控制系统（124），该机具控制系统（124）包括：

操作地连接到机具（108）上的控制器（130），该控制器（130）适于：

接收来自输入装置（106，110）的表示操作员所希望的机具运动的信号；

接收表示自动确定的机具运动的自动产生的信号；

基于输入装置信号或自动产生的信号确定是否移动机具（108）；和

当机具（108）的一部分（134）在所希望的切割平面（132）上方时，基于输入装置信号产生适于移动机具的控制信号。

2.如权利要求1所述的机具控制系统（124），其特征在于，当机具（108）的所述部分（134）在所希望的切割平面（132）上或在所希望的切割平面（132）下方时，自动产生的信号移动机具（108）。

3.如权利要求2所述的机具控制系统（124），其特征在于，输入装置信号是降低机具信号。

4.如权利要求2所述的机具控制系统（124），其特征在于，输入装置信号是倾斜机具信号，即使当机具的所述部分（134）在所希望的切割平面（132）上或在所希望的切割平面（132）下方时，控制器（130）也适于基于倾斜机具信号移动机具（108）。

5.如权利要求4所述的机具控制系统（124），其特征在于，机具（108）的所述部分（134）是机具（108）的切割刃（112）的设在切割刃（112）的第一端（114）和第二端（116）之间的大约中心处的区域，即使当切割刃的中心（134）在所希望的切割平面（132）上或在所希望的切割平面（132）下方时，控制器（130）也适于基于倾斜机具信号移动机具（108）。

6.如权利要求5所述的机具控制系统（124），其特征在于，即使当第一端（114）或第二端（116）在所希望的切割平面（132）上或在所希望的切割平面（132）下方时，控制器（130）也适于基于倾斜机具信号移动机具（108）。

7.如权利要求3所述的机具控制系统（124），其特征在于，自动产生的信号是降低机具信号、升高机具信号或倾斜机具信号中的至少一个。

8.一种机器（100），包括：

机具（108）；

机具控制系统（124），该机具控制系统（124）构造成限制操作员对机具（108）的控制，机具控制系统（124）包括：

操作地连接到机具（108）上的控制器（130），该控制器（130）适于：

接收来自输入装置（106，110）的表示操作员所希望的机具运动的信号；

接收表示自动确定的机具运动的自动产生的信号；

基于输入装置信号或自动产生的信号确定是否移动机具（108）；和

当机具（108）的一部分（134）在所希望的切割平面（132）上方时，基于输入装置信号产生适于移动机具的控制信号。

9.如权利要求18所述的机器（100），其特征在于，当机具（108）的所述部分（134）在所希望的切割平面（132）上或在所希望的切割平面（132）下方时，自动产生的信号移动机具（108）。

10.如权利要求19所述的机器（100），其特征在于，输入装置信号是倾斜机具信号，即使当机具的所述部分（134）在所希望的切割平面（132）上或在所希望的切割平面（132）下方时，控制器（130）也适于基于倾斜机具信号移动机具（108）。

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