CN102817390A - 绳索挖掘机的回转自动化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绳索挖掘机的回转自动化。在挖掘操作期间，操作者控制绳索挖掘机向铲斗中装载物料。控制器经由操作者输入或者传感器数据来接收用于铲斗和在其中的倾卸物料的料斗的方位数据。控制器然后计算用于铲斗行驶到料斗上的方位以倾卸铲斗中的内容物的理想路径。在一些实施例中，控制器输出操作者反馈，以帮助操作者沿理想路径行驶到料斗。在一些实施例中，控制器限制铲斗动作，使得操作者不可以偏离理想路径超出某一限度。在一些实施例中，控制器自动控制铲斗到达料斗的运动。

Description

绳索挖掘机的回转自动化

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月14日提交的美国临时申请61/475,474的优先权，在此其全部内容通过引用并入。

背景技术

本发明涉及使用绳索挖掘机进行的物料移动。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于绳索挖掘机的回转至料斗动作(swing-to-hopper motion)的各种程度的自动化的系统以及方法。在挖掘操作期间，操作者控制绳索挖掘机向铲斗中装载物料。控制器，或者经由操作者输入或者传感器数据，而接收铲斗的方位数据以及在其中倾卸铲斗中的物料的料斗的方位数据。然后控制器计算铲斗行驶到料斗上的方位以便倾卸铲斗中的内容物的理想路径。在一些实施例中，控制器输出操作者反馈来帮助操作者沿理想路径行驶至料斗。在一些实施例中，控制器限制铲斗动作，使得操作者不可以偏离理想路径超出某一限度。在一些实施例中，控制器自动控制铲斗到达料斗的移动。本发明的实施例也适用于帮助铲斗从料斗回转回挖掘位置的卷曲(tuck)方位。

在一个实施例中，提供了一种包括自动回转系统的绳索挖掘机。绳索挖掘机包括回转马达、提升(hoist)马达、推压(crowd)马达、可操作于挖掘以及倾卸物料并且经由提升马达、推压马达、以及回转马达的操作定位的铲斗、以及控制器。控制器包括接收当前铲斗数据以及指示出铲斗倾卸其中的物料的位置的倾卸位置信息的理想路径生成器模块。理想路径生成器计算理想回转路径，以及还基于理想回转路径而计算理想提升路径以及理想推压路径。理想路径生成器然后输出理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。

在另一实施例中，提供了一种生成用于回转绳索挖掘机的理想路径的方法。绳索挖掘机包括回转马达、提升马达、推压马达、以及可操作用以挖掘以及倾卸物料的铲斗。铲斗经由提升马达、推压马达、以及回转马达的操作定位。该方法包括接收当前铲斗数据以及指示铲斗倾卸其中的物料的位置的倾卸位置信息。该方法还包括计算理想回转路径，以及还基于理想回转路径而计算理想提升路径以及理想推压路径。然后输出理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。

在另一实施例中，提供一种包括自动回转系统的绳索挖掘机。绳索挖掘机包括回转马达、提升马达、推压马达、可操作用于挖掘以及倾卸物料并且经由提升马达、推压马达、以及回转马达的操作定位的铲斗、以及控制器。控制器包括接收当前铲斗数据以及指示出铲斗倾卸其中的物料的位置的倾卸位置信息的理想路径生成器模块。理想路径生成器至少计算理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径中的一种。理想路径生成器然后输出理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。

在一些实施例中，理想路径生成器模块还接收来自操作者的回转激进(aggressiveness)程度，其中基于回转激进程度而计算理想回转路径。另外，可以从全球定位卫星(GPS)数据以及存储了先前操作者控制倾卸的位置的存储器之一中接收倾卸位置信息。绳索挖掘机还可以包括反馈模块，其接收包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、以及当前推压马达方位的当前铲斗数据；接收理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径，以及向操作者提供相对于倾卸位置信息的当前铲斗数据的音频、视觉、以及触觉反馈中的至少一种。反馈模块可以例如经由显示器向操作者示出倾卸位置信息以及当前铲斗数据。

在一些实施例中，绳索挖掘机还包括边界生成器模块，其接收包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、以及当前推压马达方位的当前铲斗数据；接收理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径；以及生成用于理想提升路径以及理想推压路径的边界。

在一些实施例中，绳索挖掘机还包括铲斗控制信号模块，其接收：(a)来自边界生成器模块的边界、(b)当前铲斗数据、以及(c)用于经由提升马达、推压马达、以及回转马达控制铲斗运动的操作者控制。铲斗控制信号模块还比较当前铲斗数据与边界，并且当当前铲斗数据指示出提升马达以及推压马达的至少一个在边界处或边界以外时，调节操作者控制来保持提升马达以及推压马达在边界以内。边界可以是斜坡函数、恒定窗口、以及多项式曲线中的一个。

在一些实施例中，铲斗控制信号模块接收理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。作为响应，铲斗控制信号模块分别根据理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径来输出控制回转马达、提升马达、以及推压马达的控制信号。

在一些实施例中，绳索挖掘机还包括模式选择器模块，其接收指示出至少三种回转自动化模式之一的操作者模式选择，以及控制绳索挖掘机以使用所选择的回转自动化模式进行操作。至少三种操作模式可以包括以下模式中的至少三种：非回转自动化模式、轨迹反馈模式、教导模式、动作限制模式、以及全自动化模式。另外，模式选择器模块可以接收指示至少一种设备故障的系统信息，从而控制绳索挖掘机以不同的回转自动化模式进行操作。

在一些实施例中，绳索挖掘机还包括料斗对准系统，包括照相机以及激光扫描仪的至少一个。料斗对准系统确定何时铲斗在倾卸位置的预定范围以内，以及控制铲斗控制信号模块以执行铲斗的可视伺服，以便使铲斗与倾卸位置对准。

考虑详细说明以及伴随附图，本发明的其他方面将变得很明显。

附图说明

图1描述根据本发明实施例的示例性绳索挖掘机以及移动采矿破碎机。

图2A-C描述绳索挖掘机在挖掘位置与倾卸位置之间的回转。

图3-5描述铲斗在移动采矿破碎机的料斗之上的对准。

图6描述根据本发明实施例的用于回转自动化的控制系统。

图7描述根据本发明实施例的用于操作者反馈模式的方法。

图8-10描述根据本发明实施例的各种操作者反馈系统。

图11描述根据本发明实施例的用于动作限制模式的方法。

图12-20描述根据本发明实施例的各种理想路径以及动作限制边界限度。

图21描述根据本发明实施例的用于教导模式的方法。

图22描述根据本发明实施例的用于检测回转至料斗动作的方法。

图23A-24描述根据本发明实施例的加速以及减速控制器。

图25-27描述根据本发明实施例的料斗对准系统。

图28说明根据本发明实施例的用于回转自动化的控制器。

具体实施方式

在详细解释本发明的任意实施例之前，应该理解申请中的本发明并不局限于以下说明书中阐述或以下附图中图解的组件的详细结构以及布置。本发明可以是其他实施例，也可以用多种方式实施或执行。

图1描述示例性绳索挖掘机100。绳索挖掘机100包括履带(tracks)105，用于推动绳索挖掘机100前进以及后退、以及用于使得绳索挖掘机100转弯(即，通过改变左右履带相互之间相对的速度和/或方向)。履带105支撑包括驾驶室115的基座110。基座110可以绕回转轴线125回转或旋转，例如，从挖掘位置移向倾卸位置。履带105的运动对于回转动作而言不是必需的。绳索挖掘机还包括支撑可绕枢轴旋转铲斗手柄135(手柄135)以及铲斗140的铲斗轴130。铲斗140包括用于倾卸铲斗140内的内容物的门145。

绳索挖掘机100还包括联接在基座110与铲斗轴130之间的、用于支撑铲斗轴130的拉紧吊索150；系在基座110内的绞盘(未示出)上、用于缠绕绳索155以抬高和放下铲斗140的提升绳索155；以及系在另一绞盘(未示出)上、用于伸出以及缩回铲斗140的推压绳索160。在一些情况下，绳索挖掘机100是P&H采矿设备公司生产的P&H

4100系列挖掘机。

图1还描述移动采矿破碎机175。在操作期间，绳索挖掘机100通过打开门145来将铲斗140内的物料倾卸到料斗170中。虽然将绳索挖掘机100描述成与移动采矿破碎机175一起使用，但是绳索挖掘机100也可以将铲斗140中的物料倾卸到诸如倾卸式货车(未示出)的其他物料收集器中，或直接倾卸到地面上。

移动采矿破碎机175包括接收来自铲斗140的物料的料斗170以及运输物料到破碎机185的输送机或板式给料机(apron feeder)180。破碎机185破碎从板式给料机180接收的物料，然后沿着输出输送机190输出破碎的物料。在一些情况下，破碎机185是具有大约每小时10公吨的破碎容量的双滚筒破碎机。移动采矿破碎机175还包括在它的远端，例如，在板式给料机180上，具有用于轧碎物料的锤子/轧碎机的吊杆195。移动采矿破碎机175还可以使用履带200转弯，以及推动前进以及后退。在一些情况下，移动采矿破碎机是P&H采矿设备公司生产的4170C^TM移动采矿破碎机。移动采矿破碎机175有时也指井下破碎(in-pit-crushing)以及输送(IPCC)系统。

图2A-C描述了绳索挖掘机100从挖掘方位移动到倾卸方位的示例性回转角度。作为参考，在图2A-C上，轴心线205与料斗轴线210重叠，回转轴线125与轴心线205以及料斗轴线210相交。轴心线205与料斗轴线210之间的角度称为θ。在图2A中，铲斗轴130在挖掘位置220处用铲斗140挖掘到表土(overburden)215中，并且θ＝θ₁。在挖掘之后，绳索挖掘机100开始将铲斗轴130朝向料斗170回转。在图2B中，铲斗轴130处在通过回转至料斗的中间方位，并且θ＝θ₂。在图2C中，铲斗轴130停在料斗170上方，释放门145以倾卸铲斗140内的物料到料斗170中，并且θ＝θ₃。

诸如绳索挖掘机100的绳索挖掘机具有容量，从而通过一次挖掘聚集多吨物料。例如，在一些实施例中，铲斗140的容量为额定有效载荷重量接近100公吨，并且大于50m³物料。在其他实施例中，绳索挖掘机100的容量更大或更小。对于一次挖掘收集的如此大量的物料，期望在释放门145之前正确定位铲斗140到料斗170上以避免漏出料斗以及洒出物料。另外，通常期望提高挖掘与倾卸周期之间的速度，以提高总效率并且增加物料移动的速率。在一些情况下，绳索挖掘机操作者经过多年的经验增进技能以及技术，以确保利用绳索挖掘机100进行快速、安全、以及有效的回转倾卸动作。

当绳索挖掘机100的履带105静止时，铲斗140可操作于基于三种控制动作：提升、推压、以及回转而移动。如上所述，提升控制通过缠绕以及松开提升绳索155来抬高以及放下铲斗140。推压控制伸出以及缩回手柄135和铲斗140的位置。回转控制相对于回转轴线125旋转手柄135(见例如图2A-C)。在倾卸它的内容物之前，铲斗140被操纵到适当的提升、推压、以及回转方位，以便：1)确保内容物不漏出料斗170；2)当门145释放时不撞击料斗170；以及3)铲斗140不要太高以致于释放的内容物损坏料斗170或导致其他不期望的结果。

图3-5分别描述了用于铲斗(bucket)的回转、提升、以及推压方位的可接受窗口。如图3所示，铲斗140的回转角度(θ)的可接受范围是与通过料斗170的轴线210成±θ_MAX(使用图2A-C的约定)。图4描述当在最大提升高度与最小提升高度之间时的铲斗140在料斗170上的高度的可接受范围。图5描述当在最大推压伸出与最小推压伸出之间时的铲斗140在料斗170上伸出的可接受范围。虽然如上所述，这些范围相对于倾卸到料斗170中描述，但是铲斗140也可以倾卸物料到其他区域，诸如安置在直接位于地面上的料堆上的倾卸式货车上。这些各种倾卸区域以及料斗170都可以称为“倾卸位置”。

绳索挖掘机100包括控制系统300，其包括回转自动化控制器(控制器)305，如图6所示。控制器305包括处理器310、存储通过处理器310可运行的指令的存储器315、以及例如用于允许在控制器305与操作者之间或控制器305与提供关于各种机器参数的反馈的传感器之间通信的各种输入/输出。在一些情况下，控制器305是微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等等。

控制器305接收来自操作者控制器320的输入，该操作者控制器320包括推压控制325、回转控制330、提升控制335、以及门控制340。推压控制325、回转控制330、提升控制335、以及门控制340包括例如诸如驾驶杆、杆、脚踏板、及其他致动器的操作者控制器的输入装置。操作者控制器320经由输入装置接收操作者输入，以及输出数字动作命令给控制器305。动作命令包括例如升起、降下、推压伸出、推压缩回、顺时针回转、逆时针回转、铲斗门释放、左履带前进、左履带后退、右履带前进、以及右履带后退。当接收到动作命令时，一般地，控制器305如操作者所命令地控制铲斗控制器343，其包括一个或多个推压马达345、回转马达350、提升马达355、以及挖掘机门闩锁360。例如，如果操作者经由回转控制330指示逆时针旋转手柄135，则控制器305一般将控制回转马达350逆时针旋转手柄135。然而，如将更详细解释所示，在本发明的一些实施例中，控制器305可操作以用于限制操作者动作命令，以及生成与操作者输入无关的动作命令。

控制器305还与多个传感器363通信，以监控铲斗140的位置以及状态。例如，控制器305联接到推压传感器365、回转传感器370、提升传感器375、以及挖掘机传感器380。推压传感器365向控制器305指示铲斗140伸出或缩进的程度。回转传感器370向控制器305指示手柄135的回转角度。提升传感器375基于提升绳索155位置而向控制器305指示铲斗140的高度。挖掘机传感器380指示铲斗门145是打开(用于倾卸)还是关闭。挖掘机传感器380还可以包括向控制器305提供关于铲斗140内的负载的附加信息的重量传感器、加速度传感器、以及倾斜传感器。在一些实施例中，一个或多个推压传感器、回转传感器370、以及提升传感器375是指示推压马达345、回转马达350、和/或提升马达355的绝对方位或相对运动的旋转变压器(resolver)。例如，为了指示相对运动，当提升马达355旋转以缠绕提升绳索155而抬高铲斗140时，提升传感器375输出用于指示提升旋转量以及运动方向的数字信号。控制器305将这些输出译成铲斗140的高度位置、速度、和/或加速度。当然，在本发明的其他实施例中，推压传感器365、回转传感器370、提升传感器375、以及挖掘机传感器380还包括有其他类型的传感器。

操作者反馈385向操作者提供与绳索挖掘机100以及与绳索挖掘机100通信的其他系统(例如，料斗170)的状态有关的信息。操作者反馈385包括以下一个或多个：显示器(例如液晶显示器(LCD))；一个或多个发光二极管(LED)或其他照明装置；抬头(heads-up)显示器(例如，投射到驾驶室115的窗户上)；用于音频反馈的扬声器(例如，哔哔声，口头消息)；触觉反馈装置，诸如使驾驶室座椅或操作者控制器320振动的振动装置；或另一反馈装置。以下更具体地描述操作者反馈385的具体实施方式的详情。

在一些实施例中，控制器305还与料斗通信系统390和料斗对准系统395通信。例如，料斗通信系统390可操作以用于发送生产数据以及状态数据给控制器305。示例性生产数据包括使用时间、物料输入量、物料输出量等等。示例性状态数据包括：料斗170内当前负载的重量以及高度；板式给料机180、破碎机185、以及输出输送机190目前是否被启用以及其相关联的操作速度、是否正在操作吊杆195、是否正在移动(例如，经由履带200)移动采矿破碎机175、或者是否正在复位料斗或移动采矿破碎机175的其他部分(例如，在履带200不移动的情况下)的指示；以及其他状态信息。在一些实施例中，当控制器305经由料斗通信系统390接收到料斗170已满或者不可以再接受来自铲斗140的负载的指示时，防止门145打开。

料斗对准系统395包括例如全球定位卫星(GPS)模块、光学照相机以及图像处理、和/或激光扫描仪。料斗对准系统395使得控制器305能够获得对准铲斗140与料斗170的方位信息，尤其在下述全自动化模式中。在一些实施例中，控制器305包括其他输入和/或输出(I/O)装置400，诸如键盘、鼠标、外部硬盘、无线或有线通信装置等等。

控制系统300是绳索挖掘机100的回转自动化系统的一部分。回转自动化系统对绳索挖掘机100的操作者提供各种程度的帮助。回转自动化系统包括多个操作模式，至少包括：1)轨迹反馈模式；2)动作限制模式；3)教导模式；以及4)全自动化模式。在一些情况下，以模块化方式设计模式，使得每个模式都建立在之前模式的特征以及组件之上。例如，动作限制模式建立在轨迹反馈模式上；教导模式建立在动作限制模式上；而全自动化模式建立在教导模式上。使用公共构架并且开发模块化方法以将组件集成化允许产生强大的系统，所述系统通过将系统的复杂度减小到可以保持全部操作的模式，可以对传感器或者信息的损失进行反应。所述方法还允许更安全的集成、试验、和样机制造、以及扩展到具有未来传感器集成以及用户需要的技术。另外，如在此处的说明中而将变得很明显的，在一些实施例中，各种模式的特征以及组件可以组合形成混合模式。

在轨迹反馈模式下，控制器305识别绳索挖掘机100将遵循以便为了倾卸到料斗170中而准确定位铲斗140的理想路径。当操作者将铲斗140向料斗170回转时，控制器305经由操作者反馈385向操作者提供相对于理想路径的与铲斗140方位以及动作有关的一种或多种形式的反馈。在轨迹限制模式中，控制器305实施理想路径的上下边界。通过上下边界，控制器305防止铲斗140偏离到料斗170的理想路径太远。教导模式使能回转、推压、以及提升控制的半自动化操作。操作者首先指定倾卸位置(例如料斗170的位置)。在执行挖掘操作之后，操作者初始化自动回转阶段(例如，使用操作者控制器320)。控制器305然后控制铲斗140遵循理想路径而到达计划的倾卸位置。在全自动化模式下，在初始化之后，不要求操作者主动输入以执行回转阶段。主动测量料斗170相对于铲斗140的方位以及取向，以识别倾卸位置，生成理想路径，以及控制铲斗140沿着理想路径到达倾卸位置。

轨迹反馈模式

轨迹反馈模式包括：1)生成铲斗140从挖掘位置220前进到料斗170以及返回到挖掘位置220所沿着的理想路径；以及2)向操作者提供指示铲斗140与理想路径的差别的视觉、音频、或触觉反馈。轨迹反馈模式向操作者建议理想路径，但是并不主动控制铲斗140。因此，轨迹反馈模式使能试验以及对于生成的理想路径的分析，以诊断理想路径的问题以及改进理想路径的生成，而不关心控制器305将不正确地控制铲斗140。为此，控制器305可操作以用于输出操作者实际路径与生成的理想路径之间的比较。比较经由操作者反馈385输出给操作者和/或输出给外部装置，例如，用于管理人进行检查。外部装置可以是本地的(例如，绳索挖掘机100机载的另一计算机)、场内的(例如，在附近车辆或工厂中的管理人的膝上型电脑、图形输入板、或智能手机)、或场外的(经由诸如因特网的网络联接的计算机装置)。

图7描述了使用控制系统300的轨迹反馈方法425。在步骤430，由控制器305例如使用传感器363以及操作者控制器320获得挖掘机数据集。如表1所示，挖掘机数据集包括与铲斗140的方位、运动、以及状态相关的变量。

在步骤435，控制器305获得料斗数据集。如表2所示，料斗数据集包括用于将铲斗140定位到料斗170之上的期望回转、提升、以及推压方位。在一些实施例中，基于之前操作者的倾卸操作而获得料斗数据集。换句话说，如传感器363所确定的，之前经由门闩锁360打开门145时的回转、提升、以及推压方位被记录为料斗数据集。当生成理想轨迹时，假定该料斗数据集是铲斗140卸载时的理想方位(例如，在料斗170之上)。在其他实施例中，使用来自料斗对准系统395的数据或经由操作者手动输入旋转变压器计数数据来确定料斗数据集。

在步骤440，控制器305确定是否启动回转反馈。在一些实施例中，操作者经由致动器(例如，按钮)指示控制器305启动回转反馈。在其他实施例中，在检测到铲斗140的挖掘周期完成以及开始回转至料斗操作之后，控制器305自动启动回转反馈。例如，通过监控挖掘机数据集，控制器305检测何时挖掘机数据集内的一个或多个变量(例如，回转速度或方位、提升速度或方位、推压速度或方位)超过指示回转至料斗操作可能已经开始的某一阈值(见例如图22)。

在步骤445，控制器305生成铲斗140到达料斗170上方的存储的理想倾卸方位的理想路径。为了生成理想路径，处理器310运行包括一个或多个挖掘机数据集参数以及料斗数据集参数的算法。如此生成理想路径，以致于铲斗140将移动到回转、提升以及推压动作的作业限度(performance limit)上或附近。然而，操作者可以规定生成较低激进性的理想路径，使得铲斗140将以低于绳索挖掘机100的作业限度的速率移动。例如，作为挖掘机数据集的一部分，也可以包括激进程度。

为了在步骤445生成理想路径，确定包括回转速度、加速度以及减速度的回转动作的准确轮廓。理想路径的一方面是计算减速铲斗140所需要的时间以及开始减速的点。当操作者开始回转阶段时，最大加速率计算如下

其中

是回转马达350的每分钟转数(RPM)。在回转初始化部分期间，即，当由回转马达350施加最大转矩时，测量加速速率。当在水平面上或在向下的坡上进行挖掘时，假定减速率

大于加速速率(即，

)。进一步地，因为估算的减速度将产生超调(overshoot)是不大可能的，所以减速率被估计为等于加速速率

因此，

使用估算的减速率以及当前测量的铲斗140的回转速度控制器305用以下方程生成用于减速减速铲斗140的回转以对准到料斗170之上所需要的估算时间：

$t_{\mathrm{decel}}=\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{decel}}}.$

使用用于给定恒定加速度，或在这种情况下为给定恒定减速度的位移的方程来估算用于将铲斗140回转速度

返回到零的回转旋转变压器的位移量。换句话说， $\mathrm{\Δ}{\mathrm{SRC}}_{\mathrm{decel}}=\mathrm{SwgRatio}*({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t*t_{\mathrm{decel}}+\frac{1}{2}*{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{decel}}*{t_{\mathrm{decel}}}^2),$ 其中，SwgRatio是回转马达小齿轮与回转旋转变压器之比。当铲斗140向料斗170回转时，连续更新当前回转旋转变压器计数SRC_t以及ΔSRC_decel。基于上述计算，给定铲斗140的当前速度和方位以及料斗170的方位，控制器305估计当SRC_t-SRCd＝ΔSRC_decel时(即，当回转反向触发条件为真时)开始减速，将导致控制器305停止回转铲斗140到用于倾卸的料斗170上。因此，当SRC_t-SRCd＝ΔSRC_decel时，通过反转回转马达350，铲斗140的回转开始减速。

另外，控制器305基于到料斗170的剩余回转旋转变压器计数(SRC_rem)而计算回转至料斗170的剩余时间(t_rem)。假定当前速度恒定以及使用以下方程：SRC_rem＝SRC_t-SRC_d-ΔSRC_decel计算到料斗170的剩余回转旋转变压器计数(SRC_rem)。进一步地，使用以下方程：

计算回转至料斗170的剩余时间(t_rem)。控制器305连续计算上述方程，以维持回转减速率以及开始减速的适当时间的准确估算。

使用回转至料斗170的剩余时间(t_rem)，控制器305估算铲斗140的期望提升以及推压轨迹。使用以下命名约定：HRC_t0是开始回转阶段时(t＝t₀)的初始提升方位；HRC_t是当前提升方位；HRC_d是铲斗140在料斗170上的期望提升方位；CRC_t0是开始回转阶段时(t＝t₀)的初始推压方位；CRC_t是当前推压方位；而CRC_d是铲斗140在料斗170上的期望推压方位。

使用下列方程：连续计算提升马达355的期望速度其中t_rem是上述回转至料斗170的剩余时间，而HstRatio是等于提升马达的轴速度与提升旋转变压器的计数速度之比的增益参数。该方程假定铲斗140将到达料斗170上的期望的提升方位HRC_d，同时铲斗140到达料斗170上的正确的回转方位SRC_d。在其他实施例中，更改方程，以在到达期望回转方位SRC_d之前，使得铲斗140到达期望提升方位HRC_d(例如，通过降低t_rem的值)。通过连续计算

如果操作者相对于理想提升路径太快或太慢移动提升马达，则控制器305可以调节理想

使用下列方程：

来连续计算推压马达345的期望速度

其中t_rem是上述回转至料斗170中的剩余时间，而CwdRatio是等于推压马达的轴速度与推压旋转变压器的计数速度之比的增益参数。该方程假定铲斗140将到达料斗170上的期望推压方位CRC_d，同时铲斗140到达料斗170上的正确回转方位SRC_d。再次地，在其他实施例中，更改方程，以在到达期望回转方位SRC_d之前，铲斗140已经到达期望推压方位CRC_d(例如，通过降低t_rem的值)。通过连续计算

如果操作者相对于理想推压路径太快或太慢移动推压马达，则控制器305可以调节理想

在步骤445，在时间＝t₀时生成初始理想路径之后，在步骤450控制器305经由操作者反馈385输出反馈。例如，控制器305向操作者同时输出期望的提升、推压、以及回转轨迹。以下将更详细地描述用于向操作者提供反馈的具体方法以及系统。然而，反馈一般向操作者指示铲斗140的提升、推压、以及回转动作是否遵循步骤445中生成的理想路径。在步骤455，控制器305确定铲斗140是否已经到达料斗170。换句话说，在步骤455，控制器305确定是否CRC_d＝CRC_t；HRC_d＝HRC_t；以及SRC_d＝SRC_t。如果铲斗140已经到达料斗170，则在步骤460，操作者例如通过门控制340启动门闩锁360，使铲斗门145打开。

如果铲斗140没有到达料斗170，则在步骤465控制器305获得更新的挖掘机数据集。其后，控制器305返回到步骤445，以使用在步骤465中获得的更新的挖掘机数据集来重新生成至料斗170的理想路径。当向料斗170移动铲斗140时，通过步骤445、450、455、以及465的连续循环，控制器305基于当前条件而连续更新至料斗170的理想路径，并且向操作者提供更新的反馈。

当在步骤455确定到达料斗170以及在步骤460倾卸铲斗140中的负载时，控制器305前进到步骤470，以生成回到挖掘位置220的理想返回路径。在步骤470生成理想返回路径、在步骤475提供操作者反馈、在步骤480确定是否到达挖掘位置220、以及在步骤485更新挖掘机数据集分别类似于步骤445、450、455、以及465。除推压、提升、以及回转的开始以及结束方位互换之外，关于步骤445、450、455、以及465的上述方程分别适用于步骤470、475、480、以及485。因此，除CRC_t0，HRC_t0，以及SRC_t0用相对应的料斗170的推压、提升、以及回转方位代替，以及CRC_d，HRC_d，以及SRC_d用相对应的挖掘位置220的推压、提升、以及回转方位代替之外，关于步骤445、450、455、以及465的上述方程适用于步骤470、475、480、以及485。

在一些实施例中，因为在时间t₀时的初始推压、提升、以及回转方位(即，CRC_t0，HRC_t0，以及SRC_t0)表示在回转至料斗动作开始时铲斗140的方位，则控制器305对其进行回呼，并且将其用作期望的目的地。在其他实施例中，当铲斗140在期望的挖掘位置220时，操作者通过启动致动器(例如，其是其他I/O装置400的一部分)来将期望的挖掘位置220存储到控制器305中。在一些实施例中，将铲斗140的卷起方位的推压以及提升方位作为期望的推压以及提升方位存储。使用该卷起方位值，在完成回转至挖掘位置220时，铲斗140处在卷起方位，准备开始下一个挖掘周期。用于推压以及提升的卷起方位值可以由操作者使用致动器来存储、可以由控制器基于之前开始的挖掘周期而推断、或者可以是预设值(例如，在制造过程期间预设)。当铲斗140移动到卷起方位时，重力关闭门145，允许挖掘机门闩锁360啮合以保持门关闭直到下一个倾卸操作时为止。

如上所述，在步骤450以及475中可以经由操作者反馈385向操作者提供各种形式的反馈。在一些实施例中，采用视觉输出系统作为操作者反馈385的一部分。在一些实施例中，除了视觉输出系统之外，或者代替视觉输出系统提供音频反馈和/或触觉反馈。

图8描述浮动趋势(floating trend)窗口反馈系统500(FTW系统500)。在FTW系统500中，操作者反馈385包括单独描述用于铲斗140的提升、推压、以及回转的理想路径以及铲斗140的当前提升、推压、以及回转方位的显示屏505。显示屏505包括提升窗口510a、推压窗口510b、以及回转窗口510c。提升窗口510a、推压窗口510b、以及回转窗口510c分别包括方位线515a、515b、以及515c，其为铲斗140的各个提升、推压、以及回转方位绘制旋转变压器方位相对于时间(秒)的曲线。每个提升窗口510a、推压窗口510b、以及回转窗口510c还分别包括如水平虚线520a、520b、以及520c所示的理想终点旋转变压器方位。提升、推压、以及回转旋转变压器的当前方位是相应的方位线515a、515b、以及515c的每个的最右点，其分别用窗口525a、525b、以及525c突出显示。在一些实施例中，每个提升、推压、以及回转动作的理想路径也分别在提升、推压、以及回转窗口510a-c上描述。

提升窗口510a、推压窗口510b、以及回转窗口510c的每个都使用相同的时间刻度，使当前时间方位对于操作者而言可以经由窗口525a、525b、以及525c容易地识别。当铲斗140向料斗170回转时，随着当前数据在x轴上朝向设定时间范围(horizon)左移，连续更新每个提升窗口510a、推压窗口510b、以及回转窗口510c，而窗口525a、525b、以及525c保持不动。因此，操作者观察每个提升、推压、和回转动作的期望最终方位(水平虚线520a、520b、以及520c)、每个提升、推压、和回转动作的过去方位数据(分别在窗口525a、525b、和525c的左边的方位线515a、515b、和515c)、以及由窗口525a、525b、525c突出显示的铲斗140的当前提升、推压、和回转方位。

在一些实施例中，方位线515a、515c、以及515c是第一颜色(例如，绿色)，窗口525a、525b、以及525c是第二颜色(例如，黄色)，而水平虚线520a、520b、以及520c是第三颜色(例如，红色)。在一些实施例中，提升窗口510a内的线515a以及520a是第一颜色(例如，绿色)，推压窗口510b内的线515b以及520b是第二颜色(例如，蓝色)，而回转窗口510c内的线515c以及520c是第三颜色(例如，红色)。

图9描述LED方位面板系统540(面板系统540)。在面板系统540中，操作者反馈385包括具有推压—提升屏550以及回转屏555的显示器545。在推压—提升屏550中，基于提升传感器375以及推压传感器365的旋转变压器计数，输送铲斗140的提升以及推压方位被转化为x-y轴图。铲斗140方位由基于当前推压以及提升旋转变压器计数(CRC_t，HRC_t)的标灯560a来表示；期望提升方位HRC_d由水平区域565表示；而期望推压方位CRC_d由垂直区域570表示。

当铲斗140经由提升马达355上下移动时，标灯560a分别在推压—提升屏550上沿y轴上下移动。当铲斗140经由推压马达345伸出以及缩回时，标灯560a分别在推压—提升屏550上沿x轴左右移动。在一些实施例中，标灯560a上、下、左、右移动可以相反，和/或x与y轴互换。

推压—提升屏550中水平区域565以及垂直区域570以外的四个象限575经由红色LED阵列照亮成红色。期望提升方位(水平区域565)以及期望推压方位(垂直区域570)经由绿色LED阵列照亮成绿色。标灯560a被照亮成与四个象限575以及期望提升方位(水平区域565)和期望推压方位(垂直区域570)的红色以及绿色形成对比的黄色或另一颜色。当标灯560a在水平区域565与垂直区域570的相交处时，铲斗140具有料斗170上的正确提升以及推压方位。

在回转屏555中，基于回转传感器370的旋转变压器计数，沿方位弧580输送(convey)铲斗140的回转方位。铲斗140的回转方位由标灯560b表示，期望回转方位585在方位弧580的中间表示。当铲斗140在挖掘位置220与料斗170之间回转时，标灯560b沿弧向期望回转方位585移动。在期望回转方位585以外的弧部分590经由红色LED的弧照亮成红色，类似于象限575。期望回转方位585经由绿色LED阵列照亮成绿色。类似于标灯560a，标灯560b是与红色以及绿色形成对比的黄色或另一颜色，以便可由操作者容易地识别。

在一些实施例中，当标灯560a以及560b到达各个期望方位时，单独照亮期望提升方位(水平区域565)、期望推压方位(垂直区域570)、以及期望回转方位585的绿色LED。例如，期望回转方位585照亮成红色或最初不照亮；然而，当标灯560b到达回转方位585时，回转方位585照亮成绿色，以向操作者指示铲斗140在料斗170上的正确回转方位。类似地，期望提升方位(水平区域565)不照亮成绿色，直到标灯560a在料斗170上的正确提升方位时为止，以及期望推压方位(垂直区域570)不照亮成绿色，直到标灯560a在料斗170上的正确推压方位时为止。因此，当期望推压方位(垂直区域570)、期望提升方位(水平区域565)、以及期望回转方位585全部照亮成绿色时，操作者就知道铲斗140在料斗170上的、用于倾卸其内容物的正确方位。

另外，在一些实施例中，仅仅标灯560a位于其中的象限575照亮成红色，而其它象限575不照亮。类似地，标灯560b位于其中的弧580的部分照亮成红色，而在期望回转方位585的另一侧的弧580的部分不照亮。给出图9中的标灯560a以及560b方位，右上象限575将照亮成红色，以及弧590的左半部将照亮成红色，而推压-提升屏550以及回转屏555的其余部分将变暗(除标灯560a和560b之外)。

虽然依照LED阵列描述显示器545，但是在本发明的一些实施例中也使用诸如等离子体或LCD显示屏的其他显示屏。另外，本发明的实施例也设想在显示器545上突出显示当前以及期望回转、推压、以及提升方位的其他颜色方案以及方法。

在本发明的一些实施例中，由抬头显示器(HUD)600部分提供操作者反馈385，如图10所示。例如，HUD 600可操作地输送关于图8的显示屏505以及图9的显示器545描述的操作者反馈信息。HUD 600使得操作者能够维持与铲斗140的视觉接触，同时观看操作者反馈385。HUD 600可以是另外的、或代替诸如显示屏505以及显示器545的视觉反馈系统。

HUD 600经由安装在驾驶室115的内顶面上的投影仪610将图像投影到驾驶室115的前玻璃605上生成。与绳索挖掘机100以及破碎机175相关的额外的反馈也可以显示在HUD上，诸如额外的方位数据、故障数据、以及对于给定的操作者当前任务的其他期望信息。

HUD 600也可操作于使用替代的测量仪器类型来输送以及比较铲斗140的当前方位与期望方位(例如，料斗170或挖掘位置220上)。如图10所示，HUD 600包括表示铲斗140的回转方位的水平测量仪器615，而垂直测量仪器620表示推压方位和/或提升方位。在一些实施例中，使用另一垂直测量仪器来显示在垂直测量仪器620中未示出的推压或提升方位。

动作限制模式

动作限制模式就其包括理想路径生成这一点而言，认为其建立在轨迹反馈模式上，但是其还通过限制铲斗140的动作来帮助操作者将铲斗140移向料斗170。当操作者向料斗170回转铲斗140时，控制器305相对于理想路径的边界限度来监控铲斗140的当前提升以及推压方位。如果操作者推压或提升控制输入将导致铲斗140偏离越过理想路径的边界限度，则控制器305使操作者输入无效并且阻止这些动作。动作限制模式的各种实施例包含有用于限制铲斗140动作的不同约束方法。

图11描述了使用控制系统300实施动作限制模式的方法640。类似于图7中的方法425的步骤430以及435，方法640从分别在步骤645以及650获得挖掘机数据集(见以上表1)以及料斗数据集(见以上表2)开始。在步骤655，控制器305确定是否启动动作限制模式，其用与方法425的控制器305估算步骤440一样的方法确定。当进入动作限制模式时，控制器305在步骤670生成至料斗170的理想路径，以及理想路径的边界限度。理想路径用相对于上述方法425的步骤445类似的方式生成；然而，1)理想路径被计算以用于提升以及推压动作，而不是回转动作，以及2)不连续更新理想路径，而是，基于开始回转时的铲斗140方位(SRC_t0)以及期望回转位置(SRC_d)而在开始回转时计算理想路径。不连续更新地计算理想路径允许将边界限度施加到更简单的恒定理想路径上，以降低生成边界限度时计算的复杂性。然而，在一些实施例中，与边界限度一起连续更新理想路径，如在操作者反馈模式中一样。

在步骤675，控制器305沿生成的理想路径生成用于铲斗140的推压以及提升动作的边界限度。以下更详细地描述边界限度的生成。在步骤680，控制器305选择性地提供上述相对于方法425的操作者反馈。因此，除限制铲斗140动作之外，动作限制模式还可以提供有助于操作者在料斗170与挖掘位置220之间移动铲斗140的操作者反馈。

在步骤685，控制器305确定操作者是否超过在步骤675中生成的推压或提升边界限度。如果超过推压或提升边界限度，则在步骤690控制器305酌情调节(推进、限制、或将其至零)妨碍(violate)推压或提升动作的动作，阻止进一步偏离在步骤670生成的理想路径。为了限制推压和/或提升动作或将其置零，控制器305减少给各个提升马达355以及推压马达345的推压和/或提升命令或将其置零。为推进推压和/或提升动作，控制器305增加给各个提升马达355以及推压马达345的推压和/或提升命令。其后，如果没有超过边界，则控制器305前进到步骤695，确定料斗170是否已经到达。如果没有，则在步骤700控制器305获得更新的挖掘机数据集。控制器305然后返回到步骤675中以生成更新的边界限度。控制器305重复步骤675-700，直到在步骤695中，到达料斗170以及执行倾卸阶段(步骤705)时为止。在倾卸阶段，操作者例如通过门控制340启动门闩锁360，使铲斗门145打开，以倾卸负载。

在步骤705中倾卸铲斗140中的负载之后，控制器305前进到步骤710，以生成回到挖掘位置220的理想返回路径。除推压、提升、以及回转的开始与结束方位互换之外，在步骤710生成理想返回路径、在步骤715生成边界限度、在步骤720选择性地提供操作者反馈、在步骤725确定是否超过边界限度、在步骤730限制动作、在步骤735确定是否到达挖掘位置220、以及在步骤740更新挖掘机数据集分别类似于步骤670、675、680、685、690、695、以及700。因此，除CRC_t0、HRC_t0、以及SRC_t0用相对应的料斗170的推压、提升、以及回转方位代替，以及CRC_d、HRC_d、以及SRC_d用相对应的挖掘位置220的推压、提升、以及回转方位代替之外，上述关于步骤670、675、680、685、690、695、以及700的方程适用于步骤710、715、720、725、730、735、以及740。

在一些实施例中，期望挖掘位置220是用于在步骤670生成理想路径的、在时间t₀时的初始推压、提升、以及回转方位(即，CRC_t0、HRC_t0、以及SRC_t0)。在其他实施例中，当铲斗140在期望挖掘位置220时，操作者通过启动致动器(例如，其是其他I/O装置400的一部分)来将期望挖掘位置220存储到控制器305中。在一些实施例中，将用于铲斗140的卷起方位的推压以及提升方位作为用于挖掘位置220的期望推压以及提升方位而存储。使用这些卷起方位值，在完成回转至挖掘位置220时，铲斗140处在卷起方位，准备开始下一个挖掘周期。用于推压以及提升的卷起方位值可以由操作者使用致动器来存储、可以由控制器基于之前开始的挖掘周期而推断、或者可以是预设值(例如，在制造过程期间)。当铲斗140移动到卷起方位时，重力关闭门145，允许挖掘机门闩锁360啮合，以保持门关闭直到下一个倾卸操作时为止。

如上所述，在步骤670，控制器305计算在铲斗140的提升以及推压开始方位(HRC_t0，SRC_t0)与期望方位(HRC_d，SRC_d)之间的理想路径。对于任意给定回转，理想路径使能恒定轨迹方程，但是为了满足技术人员需要或用户偏好，也可以设计以及变更理想路径。

在一些实施例中，动作限制算法使用的理想路径是铲斗140的提升以及推压开始方位(HRC_t0，CRC_t0)到期望方位(HRC_d，CRC_d)之间的斜坡(ramp)方程。在提升以及推压运动中，斜坡方程最小化计算成本并且产生渐进、平滑运动，而不会使绳索挖掘机100超负载(over-stressing)。示例提升坡道方程是

${\mathrm{HRC}}_{\mathrm{traj}}={\mathrm{HRC}}_d+({\mathrm{HRC}}_d-{\mathrm{HRC}}_{t0})*\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_t}{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_{t0}}\right).$

为了说明，假定SRC_t0＜SRC_d，当操作者向期望回转位置SRC_d回转铲斗140时，SRC_t(当前铲斗140回转方位)增加，使得HRC_traj接近期望提升位置SRC_d。换句话说，当铲斗140到达期望回转位置SRC_d时，1)SRC_d＝SRC_t，使方程的斜坡部分

变为零，以及2)提升轨迹HRC_traj等于期望提升位置HRC_d。

用于推压动作的用户轨迹方程是类似的，其中， ${\mathrm{CRC}}_{\mathrm{traj}}={\mathrm{CRC}}_d+({\mathrm{CRC}}_d-{\mathrm{CRC}}_{t0})*\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_t}{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_{t0}}\right).$ 为了匹配各种期望轨迹，可以更改以及改变这些方程。例如，理想路径可以使用多项式曲线，它可以改变实现期望方位的时间(例如，使得在铲斗140到达期望回转方位之前，提升到期望提升位置)，可以规定期望的进入/退出速度，或可以包括其他用户化。

为了生成对铲斗140动作的边界限度，在步骤675中还估算动作限制算法。动作限制算法阻止操作者过度偏离回转以及推压动作的期望轨迹。一旦超过上限或下限，动作限制算法就用于调节(加速、限制、或将其置零)推压和/或提升动作的速度。例如，如果操作者在接近料斗170时企图将铲斗140提升为过高于料斗170，使得铲斗140将超过上限，则控制器305将置零发送给提升马达355的提升速度基准命令(阻止经由提升马达355进一步抬高铲斗140)。提升以及推压动作的上下限使用各种约束方程建立。边界限度适用于理想路径，当操作者向或远离期望回转方位SRC_d移动铲斗140时，连续更新边界限度。

斜坡约束方程是方法640中使用的一种约束方程。斜坡约束方程包括开始以及结束限制，斜坡的坡度取决于总回转距离(abs(SRC_d-SRC_t0))与期望回转方位SRC_d的比例来决定。为了说明，提升动作的斜坡约束方程是： ${\mathrm{HRC}}_{\lim }=m_r*\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_t}{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_{t0}}\right)+c_r,$ 其中m_r是提升旋转变压器计数中的斜坡坡度的开始方位，而c_r是提升旋转变压器计数中的斜坡坡度的结束方位。然后基于HRC_lim以及HRC_traj而计算HRC_boundary如下：HRC_boundary＝HRC_traj±HRC_lim。

图12说明在m_r设置为1800计数而c_r设置为200计数的情况下，基于斜坡约束方程以及恒定理想路径(等于零)的提升边界。x轴表示在回转旋转变压器计数中到期望回转方位(SRC_d)的回转距离，而y轴表示在提升旋转变压器计数中到提升理想路径的提升距离。提升理想路径750用直线示出；而上提升边界755a以及下提升边界755b用虚线示出。

上述提升轨迹(HRC_traj)方程取决于回转动作。图13说明载开始提升方位为1500计数而结束提升方位为零计数的情况下的提升轨迹(HRC_traj)，并且描述提升轨迹怎样影响边界限度。提升理想路径760用实直线示出，而上提升边界765a以及下提升边界765b用虚直线示出。

另一约束方程是作为静止窗口的恒定约束方程。例如，边界方程保持HRC_boundary＝HRC_traj±HRC_lim，然而，HRC_lim设置为恒定值c_w(即，HRC_lim＝c_w)，其中c_w指示关于理想路径的静止窗口的尺寸。图14说明在c_w设置为500提升旋转变压器计数的情况下的恒定约束方程。提升理想路径770用直线示出；而上提升边界775a以及下提升边界775b用虚线示出。图15说明作为改变提升轨迹的函数的恒定窗口约束，其随着回转至料斗170的过程而改变。在图15中，提升理想路径780用实直线示出；而上提升边界785a以及下提升边界785b用虚直线示出。

另一约束方程是多项式曲线。多项式曲线基于建立特征方程以及求解取决于提升以及推压开始方位、期望方位、以及期望速度的一系列系数。限制方程是三次多项式：HRC_lim＝a₀+a₁*SRC_t+a₂*SRC₂ ²+SRC_t ³。

由于取决于操作者从哪里开始回转，所以为每个回转阶段求解系数。

$\left[\begin{array}{cccc}1& {\mathrm{SRC}}_{t0}& {{\mathrm{SRC}}_{\mathrm{to}}}^2& {{\mathrm{SRC}}_{t0}}^3\\ 0& 1& 2*{\mathrm{SRC}}_{t0}& 3*{{\mathrm{SRC}}_{t0}}^2\\ 1& {\mathrm{SRC}}_d& {{\mathrm{SRC}}_d}^2& {{\mathrm{SRC}}_d}^3\\ 0& 1& 2*{\mathrm{SRC}}_d& 3*{{\mathrm{SRC}}_d}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\\ a_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{HRC}}_{t0}\\ H\stackrel{\·}{R}{C}_{t0}\\ {\mathrm{HRC}}_d\\ H\stackrel{\·}{R}{C}_d\end{array}\right]$

考虑到某种程度的用户化，可以改变初始以及期望的提升旋转变压器速度(

以及

)以增大多项式曲线。图16描述在提升旋转变压器速度设置为零的情况下的多项式曲线。在图16中，提升理想路径750用直线示出；而上提升边界755a以及下提升边界755b用虚线示出。

图17描述作为提升轨迹的函数的多项式曲线，其中，提升理想路径800用直线示出，而上提升边界805a以及下提升边界805b用虚线示出。改变提升旋转变压器速度导致多项式曲线改变曲线如何从开始移动到完成。改变提升旋转变压器速度使能对于曲线包络的控制。例如，图18描述具有边界限度815a以及815b的理想路径810，其基于在开始提升旋转变压器速度被设置为非零值的情况下的多项式曲线。因此，边界限度815a以及815b具有较长颈部(狭窄端)的钟形曲线，其要求操作者更快地让铲斗140更加接近于理想路径810。

也可以使用另一约束方程。例如，控制器305可以对上下边界实施不同的约束方程(见例如图19以及20)，或使用由各种方位约束混合的多项式。图19以及20描述在上边界825a以及835a实施为斜坡约束而下边界825b以及835b实施为多项式曲线的情况下的理想路径820以及830。多项式混合包括用于建立创建关键点的不同的方位约束，然后产生满足所有关键点的约束方程。例如，二次多项式拟合将产生通过三个关键点的方程。使用的关键点越多，多项式将越复杂(例如，多个点的正弦拟合)。为了降低多个关键点的复杂性，同时对准确度进行一定的让步，控制器305也可以对关键点实施最小二乘法拟合。

教导模式

在教导模式下，1)操作者“教导”控制器305铲斗140的期望结束方位(例如，在料斗170之上)以及铲斗140的开始方位(挖掘位置220)，2)控制器305生成理想路径，以及3)控制器305自动控制铲斗140的回转至料斗动作。图21说明用控制系统300实施教导模式的方法850。类似于方法425以及640，教导模式方法850从获得挖掘机数据集(步骤855)以及料斗数据集(步骤860)开始。在教导模式方法850的一些实施例中，控制器305获得用于挖掘机数据集以及料斗数据集的附加数据，包括：布尔(boolean)回转自动化触发器；挖掘机前后安放倾斜计；挖掘机左右安放倾斜计；布尔期望倾卸方位触发器；料斗前后安放倾斜计；以及料斗左右安放倾斜计。

为了教导控制器305，操作者可以通过移动铲斗140到适当方位以及触发存储回转、推压、以及提升旋转变压器计数到控制器305中的存储操作来手动输入结束方位以及开始方位。例如，操作者可以通过将期望倾卸方位触发器改变为真来触发存储操作。操作者通过按下驾驶杆按钮、用特别的方式按下脚踏板和/或喇叭触发器、和/或经由到图形用户界面(GUI)的输入，来将期望倾卸方位触发器改变为真。在一些实施例中，控制器305可操作于自动检测期望结束方位以及开始方位。例如，控制器305可以通过存储倾卸操作(即，释放铲斗140的门145)时的回转、推压、以及提升旋转变压器计数而自动检测期望结束方位。另外，控制器305可以通过记下完成挖掘周期时的回转、推压、以及提升旋转变压器计数而自动检测铲斗140的开始方位。

在步骤865，控制器确定铲斗140是否离开挖掘位置220处的矿堆(bank)，以及是否启动回转自动化。在一些实施例中，操作者手动启动回转自动化按钮(例如，经由其他I/O装置400)以便启动回转自动化。在其他实施例中，控制器305自动检测操作者正在从层堆缩回，以及已经开始向期望的倾卸方位(即，料斗170)回转。例如，图22说明方法865a，其是通过自动回转至料斗检测来实施的步骤865。在步骤865b，控制器305确定提升的旋转变压器计数HRC是否大于预设值(例如，4000)。如果HRC大于预设值，则控制器305开始定时器(步骤856b)。定时器继续直到步骤865d、865e、以及865f的条件是真时为止。当操作者输入推压命令(经由推压控制325)从而以大于最大推压缩回命令20％的速率来缩回推压时，控制器305确定步骤865d的条件是真。当操作者输入回转命令(经由回转控制330)从而以大于最大回转命令50％的速率来回转铲斗140时，控制器305确定步骤865e的条件是真。如果操作者输入回转命令(经由回转控制330)以向料斗170回转铲斗140，则控制器305确定步骤865f的条件是真。

一旦步骤865d、865e、以及865f的条件评价为真，控制器305就停止在步骤865c开始的定时器(步骤865g)。在步骤865h，控制器确定定时器的开始与停止之间的经过的时间是否小于预定值(例如，三秒)。如果是，则控制器305确定操作者已经开始回转至料斗动作(步骤865i)以及评价步骤865(图21)为真。

在一些实施例中，除手动回转自动化按钮之外，还实施图22的自动回转至料斗检测。在组合系统中，与图22中描述的自动方法的状态无关，手动回转自动化按钮向控制器305指示已经启动回转自动化(在步骤865)。

在步骤865确定已经启动回转自动化之后，控制器305前进到生成用于铲斗140至料斗170的理想路径(步骤870)。在教导方法中，用与上述相对于操作者反馈模式一样的方法计算铲斗140回转动作的理想路径。即，控制器基于当前铲斗回转速度(SRC)以及到达料斗170的剩余的回转旋转变压器计数(SRC_rem)而估算将铲斗140停止到料斗170上所需要的总回转旋转变压器计数(ΔSRC_decel)。当铲斗140回转时，ΔSRC_decel最终变为等于当前回转旋转变压器计数方位(SRC_t)，其小于期望的回转旋转变压器计数(SRC_d)，其向控制器305发信号通知开始减速铲斗回转动作。当铲斗140向料斗170回转时，随着ΔSRC_decel以及SRC_rem的连续更新，连续监控回转动作，其保证连续计算的理想路径保持准确。

然而，在教导模式下，如在动作限制模式中进行的那样计算提升以及推压动作的理想路径。即，用于提升以及推压的理想路径HRC_traj以及CRC_traj分别被计算如下：

${\mathrm{HRC}}_{\mathrm{traj}}=H{\mathrm{RC}}_d+({\mathrm{HRC}}_d-{\mathrm{HRC}}_{t0})*\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_t}{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_{t0}}\right)$

${\mathrm{CRC}}_{\mathrm{traj}}={\mathrm{CRC}}_d+({\mathrm{CRC}}_d-{\mathrm{CRC}}_{t0})*\mathrm{abs}\left(\frac{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_t}{{\mathrm{SRC}}_d-{\mathrm{SRC}}_{t0}}\right)$

一旦生成用于提升、推压、以及回转动作的理想路径，控制器305就前进到主动并且自动地控制铲斗140，而不需要操作者输入(例如，经由操作者控制器320)。在步骤875，控制器305根据在步骤870生成的理想路径来加速铲斗140向料斗170的回转动作。同时，控制器305根据在步骤870生成的理想路径来开始控制提升以及推压动作。在步骤880，控制器305确定铲斗140是否沿理想回转路径到达控制器305将开始减速的点。如果没有，则在返回到步骤870之前，控制器305在步骤882更新挖掘机数据集。在步骤870中，控制器305更新理想回转路径，但是维持之前生成的用于提升以及推压动作的理想路径。

控制器305循环步骤870、875、880、以及882，直到控制器305在步骤880确定铲斗140将减速(基于理想回转路径)时为止。控制器305前进到步骤885，沿理想回转路径减速铲斗140的回转动作，以及继续沿其相应的理想路径来控制提升以及推压动作。控制器305还在步骤887继续更新挖掘机数据集以及在步骤885更新理想回转路径，直到在步骤890铲斗140停止在料斗170上时为止。在步骤895，控制器305前进到倾卸铲斗140中的内容物。在一些实施例中，没有操作者输入(例如，以便确认铲斗140在料斗170上)时，控制器305不可以倾卸负载。

在步骤895倾卸铲斗140中的负载之后，类似于步骤865如何确定回转至料斗动作是期望的(例如，操作者按下回转自动化按钮)，控制器305等待操作者期望回转铲斗140回到挖掘位置220的确定。一旦控制器305确定操作者期望回转铲斗140到挖掘位置220，控制器305就前进到步骤897，以生成回到挖掘位置220的理想返回路径。

除推压、提升、以及回转的开始以及结束方位互换之外，在步骤897生成理想返回路径、在步骤900加速铲斗140、在步骤905确定是否开始减速铲斗140、在步骤907更新挖掘机数据集、在步骤910减速铲斗140以及更新理想回转路径、在步骤915确定是否到达挖掘位置、以及在步骤917更新挖掘机数据集分别类似于步骤870、875、880、882、885、890以及887。因此，除用相对应的料斗170的推压、提升、以及回转方位代替CRC_t0、HRC_t0、以及SRC_t0以及用相对应的挖掘位置220的推压、提升、以及回转方位代替CRC_d、HRC_d、以及SRC_d之外，上述相对于步骤870、875、880、882、885、890以及887的方程适用于步骤897、900、905、907、910、915、以及917。在一些实施例中，期望的挖掘位置220是在时间t₀时的初始推压、提升、以及回转方位(即，CRC_t0、HRC_t0、以及SRC_t0)。在其他实施例中，当铲斗140在期望的挖掘位置220时，操作者通过启动致动器(例如，其是其他I/O装置400的一部分)来将期望的挖掘位置220存储到控制器305中。

在一些实施例中，将铲斗140卷起方位的推压以及提升方位作为期望推压以及提升方位来存储。使用这些卷起方位值，在完成回转至挖掘位置220时，铲斗140处在卷起方位，准备开始下一个挖掘周期。推压以及提升的卷起方位值可以由操作者使用致动器来存储、可以由控制器基于之前开始的挖掘周期而推断、或可以是预设值(例如，在制造过程期间预设)。当铲斗140移动到卷起方位时，重力关闭门145，允许挖掘机门闩锁360啮合保持门关闭直到下一个倾卸操作时为止。

当在步骤865确定已经启动回转自动化时，控制器305可以通过各种技术退出自动的回转动作。例如，如果推进绳索挖掘机100或移动采矿破碎机175，则方法850可以自动中止或自动控制铲斗140停止(例如，通过向每个回转、推压、以及提升马达施加反向转矩)。或者，可以要求操作者将回转驾驶杆或另一致动器保持在全基准(full-reference)附近，以便继续方法850(例如，“安全开关(dead manswitch)”)。如果操作者拉开回转驾驶杆或其他致动器，则方法850将停止，以及铲斗140动作将停止。

为了实现沿理想回转路径加速铲斗140，控制器305包括加速度控制器930，如图23所示。在已经开始回转自动化以及生成理想路径之后，在步骤875加速度控制器930变为有效。加速度控制器930的目标是提供稳定以及快速的铲斗140的回转加速度。阶段开关935初始设置为接收来自触发阶跃940的输出。阶段开关935将触发阶跃940的输出转送给回转马达350，以加速铲斗140。回转传感器370输出回转马达速度给开关935。当回转马达350达到开关935中存储的预设转速时，开关935切换到接收来自零源945的零输出。当回转马达速度降低到开关935中的存储值以下时，开关935再次切换到用以接收触发阶跃940的输出。开关935来回切换以维持具体回转速度，直到铲斗140到达理想回转路径的减速部分时为止。

在控制器305确定减速铲斗140的回转动作(步骤880)之后，开关935被设置为接收来自零源945的零输出以及启动减速控制器950(步骤885)。减速控制器950减慢铲斗140的回转动作，使得其停止在料斗170之上。类似于操作者手动减速铲斗140，当铲斗140回转动作接近于零时，减速控制器950向回转马达350发送转矩反向命令的脉冲。

最初，减速控制器950经由开关955以及开关960输出来自触发阶跃965的转矩反向命令，其等于或大于来自加速控制器930中的触发阶跃940的转矩命令。由于减速命令大于加速命令，所以维持在生成理想回转路径时较先提出的假定。

当回转速度降低到开关955中存储的阈值以下时，开关955切换到用以接收脉冲生成器970的输出。脉冲生成器970被设计成当回转马达350的速度接近零时，通过发送转矩反向命令脉冲来模仿操作者对回转动作的控制，从而减速回转速度。当回转速度降低到开关960中存储的下阈值以下时，开关960切换到用以接收零源975的零输出。

脉冲生成器970可操作以用于改变脉冲的幅度以及持续时间来控制回转马达350的减速程度。脉冲幅度取决于当前回转速度SRC与零之差，而脉冲持续时间取决于当前回转旋转变压器方位(SRC_t)与期望回转方位(SRC_d)之差。当当前回转速度SRC接近于零时，脉冲幅度减小。当当前回转旋转变压器方位(SRC_t)接近于期望回转方位(SRC_d)时，脉冲持续时间减少。发送脉冲方法使能对于铲斗140的受控的减速以及最小化料斗170的过冲(overshoot)。在一些实施例中，当铲斗140接近料斗170时，脉冲生成器970的幅度与持续时间中只有一个发生改变。幅度以及持续时间之一可以基于

与0之差或者SRC_t与SRC_d之差的任意一个或者两者而改变。在其他实施例中，脉冲生成器970输出具有恒定幅度以及持续时间的脉冲。

在一些实施例中，除图23A-B的加速控制器930以及减速控制器950之外，在控制器305中还包括自适应减速控制器980。最初，自适应减速控制器980不如上所述地改变铲斗140的减速度。即，最初，减速速率假定为近似等于加速速率。在多个回转的过程中，自适应减速控制器980监控铲斗140的实际加速度以及减速度。基于监控，减速控制器980估算加速速率与减速速率之间的更准确的关系。例如，如图24所示，自适应减速控制器980接收铲斗140的实际加速速率以及减速速率(例如，从回转传感器370中)。在其他实施例中，自适应减速控制器980基于从回转传感器370接收的速度或方位数据而计算加速以及减速速率。

基于监控的至料斗170的回转，自适应减速控制器980生成系数k_adapt来根据以下方程：

来调节回转减速速率。最初，k_adapt设置为1。基于监控的回转，如果自适应减速控制器980确定减速速率激进太大以及没有必要太快减速铲斗140(降低了绳索挖掘机100的总效率)，则自适应减速控制器980减小k_adapt。反之，如果减速速率没有足够激进性，则增大k_adapt。当推进绳索挖掘机100时，k_adapt重新设置为1，自适应减速控制器980再次开始监控以确定是否应该调节k_adapt。在一些实施例中，k_adapt不调节实际减速速率，而是调节何时触发减速(即，何时步骤880评价为真时)。

自适应减速控制器980还从机器安放倾斜计中接收挖掘机倾斜数据，以增加预测的回转减速速率的准确度以及执行公正的校核来确认铲斗140没有被定位为使得加速速率可以克服回转动作的减速速率。换句话说，倾斜计数据使得系统可以校核绳索挖掘机100是否以某一角度搁放(即，关于地面倾斜)，使得自适应减速控制器980可以验证加速/减速关系假设，以及如果必要的话，改变理想路径来补偿改变。

在一些实施例中，当在教导模式、操作者反馈模式、以及动作限制模式的一个或多个下生成理想路径时，控制器305考虑铲斗140的负载的质量。当铲斗140的质量增加时，回转、提升、以及推压动作的最大加速以及减速程度降低。在一些实施例中，连续监控铲斗140的质量。在其他实施例中，为了降低理想路径生成的复杂性，在回转至料斗或返回至挖掘位置动作期间，估算以及维持铲斗140的质量恒定。然而，为了进一步降低复杂性，如相对于以上操作者反馈模式所述地，将测量的加速速率用作估算的减速速率。

全自动化模式

在全自动化模式下，没有操作者输入，控制系统300可操作以用于：1)检测料斗170与铲斗140的相对方位；2)生成理想路径，以及3)控制铲斗140的回转至料斗动作。先前模式从先前倾卸方位或操作者反馈中推断期望的倾卸方位。全自动化模式结合料斗对准系统395来获得料斗170的方位、或料斗170与铲斗140之间的相对方位，而不需要操作者输入。因此，在一些实施例中，除了操作者不教导控制器305料斗170的方位之外，全自动化模式类似于教导模式。此外，料斗对准系统395可操作以用于获得期望倾卸方位(料斗170)并且将其传达给控制器305，而不需要操作者教导控制器305。在其他实施例中，料斗对准系统395用在用户反馈模式和/或动作限制模式中以获得料斗170的位置，而不需要用户反馈或者不会较早的倾卸。

如图25所示，在一些实施例中，料斗对准系统395包括分别位于绳索挖掘机100以及移动采矿破碎机175上的GPS单元990a以及990b。当前GPS系统可以亚厘米精度测量物体的方位，其足以为全自动化模式获得料斗170以及铲斗140的方位。控制器305从料斗对准系统395的GPS单元990a以及990b中接收方位以及方位信息，然后可操作以用于计算料斗170以及铲斗140的当前方位信息。例如，控制器305从GPS单元990b中知道料斗170的相对偏移以及从GPS单元990a中知道铲斗140的相对偏移。因此，控制器305可以将来自GPS单元990a以及990b的方位以及方位信息解释成铲斗140以及料斗170的方位信息。这些信息然后可用在上述方法425、640、以及850的全自动化版本中。在一些实施例中，GPS单元990a以及990b与惯性导航单元结合在一起，改进准确度以及测量料斗170以及铲斗140的方位。

在操作中，移动采矿破碎机175经由无线电或网状无线连接将来自GPS单元990b的方位以及方位信息无线发送给控制器305。来自GPS单元990b的方位以及方位信息以铲斗140的方位为基准，以提供相对于回转轴线125的期望倾卸方位。期望的倾卸方位转换成回转旋转变压器方位(SRC)，其提供给控制器305以及用在上述方法425、640、以及850中。

铲斗140的期望推压以及提升方位与期望回转方位无关，因此单独进行计算。目标是基于GPS单元990b的输出而将物理的倾卸方位(x，y坐标)转换为在铲斗140的轨迹生成以及运动控制中使用的提升以及推压旋转变压器计数。计算铲斗140的期望提升以及推压方位的三种方法包括使用：1)数学运动学模型，2)提升-推压笛卡尔位移假定，以及3)鞍状阻滞(saddle block)安装的倾斜计。

数学运动学模型是绳索挖掘机100的矢量表示。数学运动学模型使用各种组件的几何信息(例如，铲斗140的高度、铲斗手柄135的长度、等等)，以及对挖掘机的约束的理解(例如，铲斗140连接到铲斗手柄135、铲斗手柄135连接到铲斗轴130、等等)来按所需定位绳索挖掘机100的附件(例如，铲斗140以及铲斗手柄135)。当提升马达355以及推压马达345旋转时，运动学模型从传感器363中接收数据(例如，推压、提升、以及回转旋转变压器数据)，以跟踪铲斗140的方位。控制器305与绳索挖掘机100的运动学模型数据一起解释用于绳索挖掘机100的来自GPS单元990a的位置数据，以确定用于将铲斗140定位到倾卸方位上的期望推压、提升、以及回转旋转变压器计数(如基于GPS单元990b的输出而确定)。

提升-推压笛卡尔位移假定包括：假定铲斗140在接近水平的推压方位以及接近垂直的提升方位。用该假定，移动推压近似于水平移动(x轴动作)，而移动提升近似于垂直移动(y轴动作)。因此，提升-推压笛卡尔位移假定也包括假定推压动作只沿x轴移动铲斗140，而提升动作只沿y轴移动铲斗140。基于提升-推压笛卡尔位移假定，控制器305解释用于绳索挖掘机100的来自GPS单元990a的位置数据，以及铲斗140的假定方位，以确定用于将铲斗140定位到倾卸方位上的期望推压、提升、以及回转旋转变压器计数(基于GPS单元990b的输出而确定)。

在第三实施方式中，鞍状阻滞倾斜计用于计算铲斗140的期望提升以及推压方位。方法包括将鞍状阻滞倾斜计固定到手柄上以测量手柄角度。控制器305然后可以基于手柄角度以及当前推压旋转变压器计数而计算铲斗140的方位。基于手柄角度以及当前推压旋转变压器计数，控制器305解释用于绳索挖掘机100的来自GPS单元990a的位置数据，以及铲斗140的确定的方位，以确定将铲斗140定位到倾卸方位上的期望推压、提升、以及回转旋转变压器计数(基于GPS单元990b的输出而确定)。

在一些实施例中，料斗对准系统395使用一个或多个光学照相机或3-D激光扫描仪来实施视觉或基于激光的伺服。上述操作模式(例如，轨迹反馈模式、动作限制模式、教导模式、或使用GPS单元的全自动化模式)之一用于回转铲斗140到料斗170的预定范围内。预定范围可以是光学照相机或3-D激光扫描仪识别料斗170和/或铲斗140的范围，或具体的距离(例如，3米)。一旦在范围内，视觉伺服就用于具体地以高准确度将铲斗140对准到料斗170上的正确方位。在一些情况下，然而，具有GPS单元的全自动化模式具有足够高的准确度，以致于没有必要进行视觉或激光伺服。

在光学照相机布置中，视觉伺服基于光学照相机的输出而控制铲斗140的运动。图26描述使用位于面向料斗170的移动采矿破碎机175上的立体布置中的两个光学照相机995a以及995b的一个实施例。光学照相机995a以及995b经由无线电或网状无线通信来无线输出数据给控制器305。控制器305进而施加更正命令来控制铲斗140的运动。

立体布置使得相对于料斗170更准确地对铲斗140的方位的深度感知。光学照相机995a以及995b向可用的受控输出提供基座系统的限制模型。每个照相机995a以及995b像人眼一样动作，跟踪铲斗140上的关键位置(例如，铲斗140的外缘)。一旦控制器305经由照相机995a以及995b的输出来识别铲斗140，控制器305就执行轨迹计算，以及识别用于将铲斗140定位到料斗170上的任意控制更正。

在一些实施例中，使用3-D激光扫描仪998。激光扫描仪998a基于类似于视觉伺服系统的那些原理而操作，但是使用激光扫描仪998代替照相机995a以及995b。激光扫描仪998安装在移动采矿破碎机175(见图27A)以及绳索挖掘机100(见图27B)中的一个上。激光扫描仪998识别转换为铲斗140以及料斗170周围的3D环境的距离矩阵。

当安装在铲斗140上时，激光扫描仪998被定向为向前看向移动采矿破碎机175，以便标识料斗170的形状以及结构。控制器305也被设计成用激光扫描仪998沿回转路径识别障碍物，通过沿回转路径调节推压、提升、以及回转动作来避免与那些障碍物碰撞。当安装在移动采矿破碎机175上时，激光扫描仪998被定向为看向绳索挖掘机100，以便标识铲斗140的方位以及取向。如同立体照相机布置一样，一旦控制器305经由激光扫描仪998的输出识别铲斗140或料斗170，控制器305就执行轨迹计算，以及识别用于将铲斗140定位到料斗170上的任意控制更正。

图28更详细地说明图6的控制器305。控制器305还包括理想路径生成器模块1000、边界生成器模块1002、铲斗控制信号模块1004、反馈模块1006、以及模式选择器模块1008，其每个都可以由运行存储在存储器315中的指令的处理器310、ASIC、以及FPGA中的一个或多个实施。理想路径生成器模块1000包括理想回转路径模块1010、理想提升路径模块1012、以及理想推压路径模块1014。理想路径生成器模块1000接收倾卸位置数据1016、当前铲斗数据1018、以及回转激进程度1020。倾卸位置数据1016可以包括料斗数据集(见，例如，步骤435)、或用于指示另一种倾卸区域的位置的类似的方位信息。当前铲斗数据1018包括诸如由传感器363提供的铲斗方位信息。当前铲斗数据1018可以包括挖掘机数据集(参见，例如步骤430)。

回转激进程度可以由操作者或其他用户经由其他I/O 400输入。回转激进程度指示在生成理想路径中使用的回转的激进性。一般地，回转激进性越高(越快)，挖掘机限制越多，并且潜在地，操作者被推动。例如，经验丰富的操作者可以选择更大激进性的理想路径以供反馈模式使用。相应地，可以增加回转操作期间铲斗的加速度、最高速度、以及减速度。经验较少的操作者，或在挖掘地带与倾卸区域之间的易于有障碍物的路径的情况下，可以请求较少激进性的回转。一般地，较少激进性的回转使得绳索挖掘机100的组件遭受较少的机械磨耗。

理想路径生成器1000生成如上所述的理想路径(例如，相对于方法425、640、以及850)。理想回转路径模块1010生成理想回转路径，以及提供理想回转路径给理想提升路径模块1012和理想推压路径模块1014。其后，理想提升路径模块1012以及理想推压路径模块1014分别生成理想提升路径以及理想推压路径。理想回转、推压、以及提升路径被输出到边界生成器模块1002、铲斗控制信号模块1004、以及反馈模块1006。

边界生成器模块1002、铲斗控制信号模块1004、以及反馈模块1006根据模式选择器模块1008指示的模式而改变其操作。模式选择器模块1008接收用户模式选择1022以及系统信息1024作为输入。用户模式选择1022指示操作者想要使用的回转自动化模式来操作绳索挖掘机100。例如，操作者可以使用GUI或操作者控制器320的开关装置或其他I/O 400，以输入模式选择。模式选择可以是以下之一：(a)非回转自动化模式；(b)轨迹反馈模式；(c)动作限制模式；(d)教导模式；(e)全自动化模式；以及(e)混合模式。系统信息1024也提供给模式选择器模块1008。系统信息可以来自例如传感器363以及绳索挖掘机100的其他故障检测系统。在正常操作中(即，不存在影响回转自动化系统的故障)，则模式选择器模块1008将向边界生成器模块1002、铲斗控制信号模块1004、以及反馈模块1006指示选择的模式。

在非回转自动化模式下，控制器305不实施诸如轨迹反馈模式、动作限制模式、教导模式、或全自动化模式中发现的回转自动化特征。相反，操作者正常地控制绳索挖掘机100，而不需要回转自动化的协助。

在轨迹反馈模式下，理想路径与当前铲斗数据1018一起由反馈模块1006接收。作为响应，反馈模块1006实施方法425的计算以及处理，以及输出控制信号给操作者反馈385，以提供反馈。

在动作限制模式下，边界生成器模块1002接收理想路径以及根据上述各种技术(例如，相对于图12-20)之一生成边界。铲斗控制信号模块1004与用户命令1026一起接收生成的边界。用户命令1026是来自操作者控制器320的、指示操作者铲斗140的期望运动的控制信号。铲斗控制信号模块1004确定是否超过边界(例如，图11的步骤685)，以及通过输出信号给铲斗控制器343而相应地调节铲斗140的动作(参见例如步骤690)。还有在动作限制模式下，反馈模块1006可以如在反馈模式下执行地一样，接收理想路径以及当前铲斗数据1018，并且提供操作者反馈。另外，反馈模块1006可以从边界生成器模块1002中接收生成的边界，以及沿理想路径侧显示边界，以帮助操作者。

在教导模式下，操作者首先手动地执行回转以及倾卸操作，使得可以向理想路径生成器模块1000教导倾卸位置数据1016。其后，用户命令1026可以用来指示是否例如经由上述安全开关技术执行回转。铲斗控制信号模块1004然后接收来自理想路径生成器模块1000的理想路径。铲斗控制信号模块1004生成用于铲斗控制器343的控制信号，使得铲斗140遵循理想路径。

在全自动化模式下，由料斗对准系统395提供倾卸位置数据1016，以获得倾卸位置的方位、或倾卸位置与铲斗140之间的相对方位，而不需要操作者输入。一旦开始，铲斗控制信号模块1004就从理想路径生成器模块1000中接收理想路径以及生成用于铲斗控制器343的控制信号，使得铲斗140遵循理想路径。类似于其他模式，理想路径生成器模块1000可以连续地接收当前铲斗数据1018、回转激进程度1020、以及倾卸位置数据1016，以便连续地更新供控制器305的其他模块使用的理想路径。

在不正常操作中，模式选择器模块1008从系统信息1024中接收存在影响回转自动化的故障的指示。模式选择器模块1008确定故障是否阻止用户选择的回转自动化模式的正确操作。如果故障阻止用户选择的回转自动化模式的正确操作，则模式选择器模块1008将确定可操作的下一个最高自动化程度的模式，并且将该模式作为选择模式输出给边界生成器模块1002、铲斗控制信号模块1004、以及反馈模块1006。例如，如果用户选择全自动化模式，但是系统信息1024指示料斗通信系统390不可以提供倾卸位置给理想路径生成器模块1000，则模式选择器模块1008将自动选择教导模式。类似地，如果在动作限制模式、教导模式、或全自动化模式中，系统信息1024指示铲斗控制信号模块1004有故障以及不可以提供控制信号给铲斗控制器343，则模式选择器模块1008将自动选择轨迹反馈模式。相应地，在存在影响回转自动化系统的故障时，模式选择器模块1008可以不考虑用户选择的回转自动化模式。

在一些实施例中，包括理想路径生成的一些或所有控制器305的功能以及组件，在绳索挖掘机100和/或移动采矿破碎机175的外部执行。例如，绳索挖掘机100和/或移动采矿破碎机175可以输出方位数据给计算铲斗140的理想路径的远程服务器，然后将理想路径返回给控制器305。

因此，除了别的方面之外，本发明提供了一种具有各种操作模式以及操作模式的组合的回转自动化系统以及方法。

Claims (28)

1.一种绳索挖掘机，包括自动回转系统，所述绳索挖掘机包括：

回转马达；

提升马达；

推压马达；

铲斗，所述铲斗可操作以用于挖掘和倾卸物料，并且经由所述提升马达、推压马达、和回转马达的操作来定位；和

控制器，所述控制器包括理想路径生成器模块，该理想路径生成器模块：

接收指示所述铲斗倾卸其中的物料的倾卸位置的倾卸位置信息，

接收当前铲斗数据，

计算理想回转路径，

基于所述理想回转路径而计算理想提升路径和理想推压路径，和

输出所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径。

2.根据权利要求1所述的绳索挖掘机，所述理想路径生成器模块还接收来自操作者的回转激进程度，其中，基于所述回转激进程度而计算所述理想回转路径。

3.根据权利要求1所述的绳索挖掘机，其中，所述当前铲斗数据指示出所述回转马达、所述提升马达、和所述推压马达的当前方位。

4.根据权利要求1所述的绳索挖掘机，其中，从全球定位卫星(GPS)数据和存储了先前的操作者控制倾卸的位置的存储器之一中接收所述倾卸位置信息。

5.根据权利要求1所述的绳索挖掘机，还包括反馈模块，该反馈模块

接收所述当前铲斗数据，所述当前铲斗数据包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、和当前推压马达方位，

接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径，和

向操作者提供相对于所述倾卸位置信息的所述当前铲斗数据的音频、视觉、和触觉反馈中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的绳索挖掘机，其中所述反馈模块图示所述倾卸位置信息和当前铲斗数据。

7.根据权利要求1所述的绳索挖掘机，还包括边界生成器模块，其

接收所述当前铲斗数据，所述当前铲斗数据包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、和当前推压马达方位，

接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、所述理想推压路径，和

生成用于所述理想提升路径和所述理想推压路径的边界。

8.根据权利要求7所述的绳索挖掘机，还包括铲斗控制信号模块，其：

接收来自所述边界生成器模块的边界，

接收所述当前铲斗数据，

接收操作者控制，所述操作者控制用于经由所述提升马达、推压马达、和回转马达控制所述铲斗的运动，

将所述当前铲斗数据与所述边界作比较，并且当所述当前铲斗数据指示出所述提升马达和推压马达的至少一个在所述边界处或在所述边界以外时，调节所述操作者控制，以保持所述提升马达和推压马达在所述边界以内。

9.根据权利要求7所述的绳索挖掘机，其中，所述边界是斜坡函数、恒定窗口、和多项式曲线之一。

10.根据权利要求1所述的绳索挖掘机，还包括模式选择器模块，其：

接收指示出至少三种回转自动化模式之一的操作者模式选择，和

控制所述绳索挖掘机以按所选择的回转自动化模式进行操作。

11.根据权利要求10所述的绳索挖掘机，其中所述至少三种操作模式包括以下模式中的至少三种：非回转自动化模式、轨迹反馈模式、教导模式、动作限制模式、和全自动化模式。

12.根据权利要求10所述的绳索挖掘机，其中，所述模式选择器模块：

接收指示出至少一个设备故障的系统信息，并且

从而控制所述绳索挖掘机以不同的回转自动化模式进行操作。

13.根据权利要求1所述的绳索挖掘机，还包括铲斗控制信号模块，其：

接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径，

分别根据所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径生成控制所述回转马达、提升马达、和推压马达的控制信号。

14.根据权利要求14所述的绳索挖掘机，还包括料斗对准系统，所述料斗对准系统包括照相机和激光扫描仪的至少一个，所述料斗对准系统：

确定何时所述铲斗在所述倾卸位置的预定范围以内，

控制所述铲斗控制信号模块以执行所述铲斗的视觉伺服，以便使所述铲斗对准所述倾卸位置。

15.一种方法，生成用于回转绳索挖掘机的理想路径，所述绳索挖掘机包括回转马达、提升马达、推压马达、和铲斗，所述铲斗可操作地挖掘和倾卸物料、并且经由所述提升马达、推压马达、和回转马达的操作来定位，所述方法包括：

接收指示出所述铲斗倾卸其中物料的倾卸位置的倾卸位置信息，

接收当前铲斗数据，

计算理想回转路径，

基于所述理想回转路径而计算理想提升路径和理想推压路径，和

输出所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括接收来自操作者的回转激进程度，其中，基于所述回转激进程度而计算所述理想回转路径。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述当前铲斗数据指示出所述回转马达、所述提升马达、和所述推压马达的方位。

18.根据权利要求15所述的方法，其中从全球定位卫星(GPS)数据和存储了先前操作者控制倾卸的位置的存储器之一中接收所述倾卸位置信息。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括

接收所述当前铲斗数据，所述当前铲斗数据包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、和当前推压马达方位，

接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径，和

向操作者提供相对于所述倾卸位置信息的所述当前铲斗数据的音频、视觉、和触觉反馈中的至少一个。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括图示所述倾卸位置信息和当前铲斗数据。

21.根据权利要求15所述的方法，还包括

接收所述当前铲斗数据，所述当前铲斗数据包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、和当前推压马达方位，

接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径，和

生成用于所述理想提升路径和所述理想推压路径的边界。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

接收来自所述边界生成器模块的边界，

接收所述当前铲斗数据，

接收操作者控制，所述操作者控制用于经由所述提升马达、推压马达、和回转马达控制所述铲斗的运动，

将所述当前铲斗数据与所述边界作比较，并且当所述当前铲斗数据指示出所述提升马达和推压马达中的至少一个在所述边界处或在所述边界以外时，调节所述操作者控制，以保持所述提升马达和推压马达在所述边界以内。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述边界是斜坡函数、恒定窗口、和多项式曲线之一。

24.根据权利要求15所述的方法，还包括：

接收指示出至少三种回转自动化模式之一的操作者模式选择，和

控制所述绳索挖掘机以按所选择的回转自动化模式进行操作。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述至少三种操作模式包括以下模式中的至少三种：非回转自动化模式、轨迹反馈模式、教导模式、动作限制模式、和全自动化模式。

26.根据权利要求24所述的方法，还包括：

接收指示出至少一个设备故障的系统信息，并且

从而控制所述绳索挖掘机以不同的回转自动化模式进行操作。

27.根据权利要求15所述的方法，还包括

接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径，

分别根据所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径生成控制所述回转马达、提升马达、和推压马达的控制信号。

28.根据权利要求27所述的方法，

确定何时所述铲斗在所述倾卸位置的预定范围以内，

使用照相机和激光扫描仪中的至少一个来执行所述铲斗的视觉伺服，以便使所述铲斗与所述倾卸位置对准。

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