CN102918210B - 用于挖掘的定位装置及类似设备 - Google Patents

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Abstract

由装载执行土方移动工作的铲斗(5)的不同部件(1、3、3a)执行的复杂运动通过超声波设备(7、8、9、10、11)来监控，所述超声波设备与在处理单元(P)中的校准步骤和即时测量期间获得的长度和角度有关，以便输出铲斗位置的视觉指示或者用于自动控制挖掘或其他土方移动操作的信号。

Description

用于挖掘的定位装置及类似设备
技术领域
本发明涉及在挖掘和土方移动设备中用于控制部件的位置和运动的装置，这些部件相对于彼此且相对于地面呈可移动的关系，所述装置包括安装于所述部件上的超声波发射器和接收器。
背景技术
本申请中的术语“包括”旨在传达本发明相关条目的集合的概念，但这并不排除可能出现和/或相关更多的条目。术语“包括”并非意在传达排除其它项目的穷举概念，该穷举可用“由……组成”的表述方式更好地描述出来。
在一个反铲挖土机和类似设备中，一个必需部件是安装到斗杆上的铲或铲斗，斗杆的长度可能会改变，且斗杆的另一端连接到吊臂上。所有的运动通常是通过液压缸产生的。铲斗及其前缘是与地面的接触面，其通过土方移动设备的动作来改变或盛装待从一个地方移动到另一个地方的土方。铲斗的运动必须精确控制，通常精度为0.01米。参考坐标系经常是全球坐标格网(GPS)或局部坐标网格，例如包括旋转激光平面。铲斗的深度通常是最需要的测量值。然而，该深度通过知晓这些部件之间的空间关系以及知晓这些部件的至少一个点的绝对位置来间接地获知。
直接监控铲斗前缘的运动是不可能的，相反依靠间接的方法。在US2538000的图2和9中充分地说明了在挖掘和土方移动设备中不同元件之间的关系的复杂性。为了演示几个可动部件的同步运动，追踪了这些部件上的点的三个轨迹，这些轨迹细分成使得相等编号的细分对应不同点的同步位置。运动是高度非线性的。然而，当已知所有元件之间的角度关系并且考虑到斗杆延伸部的长度时，也有可能用几何学和三角学方法计算出铲斗边缘的位置。通过在旋转轴上的分角器可以直接确定角度关系，并且通过线性编码器也可以直接确定斗杆的长度。上述元件必须在制造时构造到设备中，因为上述元件不适合翻新。
在监控用于翻新的设备的情况下，通常通过安装在各种部件上的倾斜传感器来间接得到角度关系。在处理获得的倾斜信号和关于各种各样距离的认知中，运用几何学关系。可通过连续超声波场测量一些距离，在超声波场中，超声波发射器发射连续波，并由超声波接收器接收的信号的相位测量提供所需的数据。在WO/03088136A2中，这个解决方案针对一般性的应用被描述。如JP2001064992A中描述的，为了在这种土方移动设备的不同部件的运动中提供安全性，以超声波发射器和接收器的形式的接近度传感器确保这些部件不发生碰撞。在WO2010/003636A1中描述了一种线性阶梯的测量，其中通过测量线性阶梯的延伸程度的相同超声波元件来测量所建立的参考距离，从而执行温度和压力影响的补偿。
其它方法依赖于微波或激光进行距离测量。具体地，激光系统很容易出现故障，这归咎于在光学表面和窗口上的污垢沉淀以及归咎于发射器与接收器之间的视场中断。
发明内容
上面描述的解决方案自身不适合简单的翻新和校准，而本发明的目的在于提供简单的翻新和校准。尤其在如下装置中获得这种简单的改型和校准，该装置具体地在于，所述发射器和接收器放置于所述挖掘和土方移动设备的这些部件上，使得所述发射器和接收器的几何关系依赖于这些部件的相对位置而变化；并且至少一个超声波发射器传输间歇爆发(intermittent burst)的超声波能量；并且所述超声波接收器具有在超声波能量爆发之后的接收时间窗口，接收到的信号被传送至处理单元，用于计算预定部件的位置。
术语“时间窗口”是指能够接收超声波信号的任何时间有限的启用，并可以例如是如下时间段的启用，在该时间段中预期使用超声波信号。在另一实施例中，涉及也可用作接收器的超声波装置，时间窗口可以在传输脉冲之后立即打开并保持打开直到接收到第一反射脉冲为止。
优选的具体实施例具体地在于，这些部件包括安装在牵引机主体上的吊臂、斗杆和铲斗，广角超声波脉冲发射器放置在所述斗杆上靠近斗杆-铲斗接头，所述超声波脉冲发射器发射由两个超声波接收器接收的脉冲，这两个超声波接收器相互具有预定距离地设置在牵引机主体上，到达所述接收器处的到达时间以及所述接收器之间的所述距离一起由处理单元用以借助三角测量来确定所述斗杆-铲斗接头的位置。
与本文中的超声波发射器或接收器有关的术语“广角”是指其辐射特性/灵敏度特性，有时被称为孔径。普通超声波设备仅在一个方向上具有强波瓣的辐射图案(窄角)。全方位超声波设备将具有圆形的辐射图案。在本发明中，圆形辐射图案将意味着在接收到的信号中辐射功率的损失和/或太大的噪声成分。由于这个原因，辐射图案减少为圆的广角扇形。借助放置在强辐射波瓣的路径上的合适形状的反射器，窄角超声波设备可被转换成广角设备。
进一步优选的具体实施例具体地在于，在所述牵引机主体上安装有倾斜传感器；并且在所述铲斗上安装有超声波脉冲反射器；并且该处理单元确定所述铲斗的所述尖端相对于地面的位置。
进一步优选的具体实施例具体地在于，在所述牵引机主体上安装有倾斜传感器；并且超声波脉冲反射器安装到用于使得所述铲斗旋转的连杆装置；并且所述处理单元确定所述铲斗的所述尖端相对于地面的位置。
进一步优选的具体实施例具体地在于，所述反射器是有源广角超声波装置，其能够从接收模式切换到发射模式。
进一步优选的具体实施例具体地在于，来自所述超声波接收器的表示超声波发射器和超声波接收器之间的即时距离的信号由声速校正，所述声速由从所述发射器经反射器反射回到用作接收器的所述发射器的往返信号的传输时间确定，以便获得表示所述铲斗的尖端相对于地面的位置的校正信号。
进一步优选的具体实施例具体地在于，来自所述超声波接收器的表示超声波发射器和超声波接收器之间的即时距离的信号由声速校正，所述声速由来自温度和压力传感器的提供给所述处理单元的信号确定，从而获得表示所述铲斗的尖端相对于地面的位置的校正信号。
进一步优选的具体实施例具体地在于，所述斗杆设置有斗杆延伸部；并且所述广角超声波发射器/接收器安装到所述斗杆延伸部上；并且另一超声波接收器安装到斗杆上；并且从所述超声波发射器/接收器到所述接收器的传输时间是所述斗杆的即时长度的量度，目的在于确定所述铲斗的尖端相对于地面的位置。
进一步优选的具体实施例具体地在于，对所述超声波接收器接收到来自所述发射器的超声波信号作出响应的信号以及来自所述牵引机主体上的倾斜仪的信号的传输以电磁辐射的方式发生，与所述处理单元相关地设置合适接收器。
进一步优选的具体实施例具体地在于，对所述超声波接收器接收到来自所述发射器的超声波信号作出响应的信号以及来自所述牵引机主体上的所述倾斜仪的信号的传输借助从所述接收器和倾斜仪传输的超声波信号发生，所述广角超声波接收器以错时方式接收所有这些信号。
超声波发射器发射超声波脉冲，牵引机主体上的接收器接收脉冲，两个接收器的所接收脉冲之间的延迟以及两个接收器之间的已知距离主要允许计算超声波发射器的位置，在所有实践目的上，超声波发射器的位置和斗杆-铲斗接合的位置是相同的。借助安装在承载接收器的结构上的倾斜仪，就可以相对于准确的水平面来确定XY位置，即该结构的高度。
为了提高精确度，可适当地结合使用不止一个发射器和不止三个接收器。这意味着精确度并不与大基线相关联，而可以通过使用更小部件进行多次确定来获得。
进出超声波部件的信号可以由电缆传输，然而超声波发射器也可以被提供为红外发射器，其与超声波脉冲并行地发射脉冲。超声波接收器也同样被提供为红外接收器。这创建了接收器的释放开始时间，计时开始，并且计时当超声波脉冲到达时再次停止，提供了传输时间，其与超声波发射器和该超声接收器之间的距离成正比。
也可通过包含广角超声波发射器的组件来执行处理，由于所有超声波部件是各种各样的设备，其将既用作发射器，也用作接收器。信号的适当选通(各种“时间窗口”的开启和关闭)确保这类操作。该组件被使得包含所有信号处理，并为了在不过度布线的情况下实现，处理的顺序如下：广角超声波设备发射脉冲，该脉冲由第一固定超声波设备接收而遭受该脉冲。在预定且精确的延迟后，该超声波设备以发射响应超声波脉冲的方式来响应，响应超声波脉冲被用作接收器的广角超声波设备接收。第一超声波脉冲通过第二固定超声波设备接收而遭受脉冲。在不同的预定且精确的延迟后，该超声波接收器以发射响应超声波脉冲的方式来响应，所述响应超声波脉冲被用作接收器的广角超声波设备接收。因此，该组件具有执行三角测量所需的全部信息，即，相对于基线的从第一发射脉冲到达两个固定设备的消逝时间。该系统可结合有倾斜仪，以提供关于斗杆-铲斗接头和其高度的所需信息。
附图说明
参照附图，本发明将被进一步描述，在附图中：
图1示出了用于包括铲的反铲式设备的设备的示意性侧视图；
图2示出了根据本发明一个具体实施例的信号处理路径的框图；
图3示出了装置的不同实施例的细节的示意性侧视图；以及
图4示出了根据本发明另一个具体实施例的信号处理路径的框图。
具体实施方式
在图1中示出了牵引机式车辆主体的部分T。在该具体实施例中，倾斜仪I安装在主体上。在主体T上安装有吊臂1，所述吊臂在竖直平面内可绕接头或枢轴2枢转。通过提供与在牵引机T上安装吊臂相关的另一竖直枢轴，该平面可绕着竖直轴线旋转。吊臂1的另一端通过接头或枢轴4连接到梁，该梁被称作斗杆3。斗杆3是可延长的。在斗杆3的另一端处，通过枢轴或接头6连接有铲斗5。吊臂1和斗杆3可通过未示出的液压缸进行操作。铲斗能够由液压机构类似地操作，且图3示出了液压缸的活塞杆30。
广角超声波脉冲发射器(其能够电子地切换到接收模式)7在与接头6的限定距离处安装到斗杆(或斗杆延伸部，当斗杆延伸部是可用的时)。用于实施本发明的发射器/接收器公知为Pepperl+Fuchs超声波传感器类型UC4000，其配备有分配半锥。超声波接收器8和9安装在牵引机的主体T上，在超声波接收器8和9之间存在限定的距离，且从超声波接收器8和9到接头2的距离也是已知的。使用上面提到的相同类型的传感器是完全可行的，只是没有分配锥(dispersing cone)。因此，当已知距离7-9和7-2时，便可通过三角测量确定接头6离主体T的距离。反射超声波的元件放置于铲斗5上位于限定位置10处。传感器或超声波接收器11安装到斗杆上，以便测量斗杆延长。以从广角发射器7发射超声波脉冲作为时间基准(“0”)，生成下述原始数据。如果采用图1所示的各种元件的几何关系，便可按顺序生成提到的数据。当元件相对于彼此并且相对于地面移动时一些数据会变化的事实是能够精确确定铲的位置的计算的基础。
根据本发明可获得的数据是：
——从发射器7到铲斗反射器10并返回处于接收模式的发射器7的传输时间；
——从发射器7到斗杆传感器11的传输时间；
——从发射器7到车辆主体T上的传感器8的传输时间；
——从发射器7到车辆主体T上的传感器9的传输时间。
当使用依赖于声速的温度和压力时，传输时间数据可转换为距离数据。温度和压力可直接测量或参考距离能够是“时控的”，从而获得转换因子。温度和压力的传感器可安装到靠近处理器的发射器/接收器7上。
在一改进实施例中，倾斜传感器可安装到铲斗5上，以提供涉及其角度相对于重力的数据。现代倾斜仪仅在一个平面上是非常坚固的并且展现灵敏度。仅需要短线缆来将其连接到广角发射器7上，以提供电力并且传输数据。
基于知晓两个传感器8和9之间的固定距离和铲斗5的尖端5a与铲斗反射器10之间的距离及角度关系，现在可以计算出铲斗的尖端5a相对于车辆主体T的精确关系。同样地，通过使用装好的倾斜传感器，获得铲斗倾斜度。如果与由独立装置获得的精确测量的高度相结合而使用来自倾斜传感器I的倾斜数据，获得铲斗位置的绝对测量。
采用两个接收器(例如8和9)，可以进行斗杆-铲斗接头的位置的二维确定。通过在由发射器和接收器8和9定义的平面之外简单添加第三接收器，可由复合三角测量进行三维确定。如果吊臂1和斗杆3的平面相对于牵引机的主体T旋转，情况将如此。
所有这些计算都在处理单元P执行，处理单元P在图l中未被示出。在设备和处理单元之间的用于通信的数据总线以及供电电缆是众所周知的，并可用于本发明。
在本发明改进的实施例中，设备和处理单位之间的通信以无线方式发生，且结合超声波发射器/接收器7放置处理单元。这样做的优势在于仅供电电缆必须被安装。在这方面如下两种变型是优选的：
a)发射器/接收器7和其他传感器(8、9、11)之间的数据通信借助红外光(LED)或其他电磁辐射(无线电信号)发生，其比激光更能容忍污垢和阳光的存在，和
b)借助用于距离测量的相同类型的超声波脉冲来发生数据通信，但将传感器(8、9、11)用作发射器并且使用适当编码的超声波信号。在该具体实施例中，倾斜传感器I以及可选直接安装到铲斗5的传感器(未示出)设置有类似的发射器/接收器元件。
为了使得系统针对新铲斗进行校准，只需将铲斗放置在使其尖端5a和接头6之间的连线是竖直的位置并测量接头6和尖端5a之间的距离或者发射器/接收器7和尖端5a之间的距离即可。在该铲斗第一次被使用时将这两个测量中的任一输入该系统，并用不同常量进行计算。
图2表示处理单元P的结构，其利用传感器产生的数据，并提供对应于实时操作情况的适当输出。处理单元具有输入20，用于输入涉及计算所需的元件长度的计算数据，包括铲斗5的校准。这些数据作为常量存储在内部存储器中。此外，从倾斜仪I到输入12、从温度传感器到输入13以及从压力传感器到输入14，都有输入。
处理单元P也是广角发射器/接收器7(7X、7R)的控制器，并能够使超声波脉冲信号通过输出17x，从而限定该系列测量的时间零点。从铲斗5上的反射器10反射的脉冲由切换到接收模式7R的发射器/接收器7接收，并且相应的电子信号在输入17r被接收。类似地，当超声波脉冲分别在传感器11、8和9被接收时，电子信号在输入端111、18和19被接收。
如果由IR实现来自传感器的信号的传输，则处理器的结构本质上基本不改变；只需提供IR接收器，以将信号转换为适合输入12、111、18、19的电子信号。
处理单元P借助其自身公知的三角学手段来大致计算出铲斗的尖端5a的未知位置，且该输出能够作为在指示操作员的操作情景的网格中的位置显示可视地显示出。这将使操作员通过操作车辆的控制部件和在其上安装的挖掘部件来手动顺从并获得所需轮廓。然而，输出也可以是对土方移动设备的自动操作有用的数据流的形式，从而确保借助通过计算获得的铲斗尖端的位置反馈来获得具体轮廓。
图3表示了本发明的不同实施例，其用于不便于在铲斗上提供超声波反射元件10的情况。如果铲斗针对现场的不同铲斗将被改变，情况将如此。在这种情况下，反射器33安装到杠杆31上，该杠杆31用于旋转所装配的铲斗。通过液压缸发生该旋转，液压缸的活塞杆30已示出。同样在这种情况下，通过三角运算不难处理几何关系，只要新的校准按照如上描述被执行，并通过输入20输入数据以用于存储为新常量。反射元件33可为如上描述的有源广角超声波设备，而且它也可与倾斜传感器结合，以间接指示铲斗的倾斜度。
在图4中示出了在所有传感器都是发射器/接收器类型时发生的信号/数据处理的结构。为了允许发射器/接收器7传输所有测量数据，这些数据需被排序或多路传输。这通过在每个传感器11、8、9、I上提供如下固定且单独的延迟时间来获得，该延迟时间从接收来自发射器7X的超声波脉冲开始直到该具体单元传送回其响应。无源反射器10(用于铲斗角度测量)和反射器(用于在相同的温度和压力条件下获取参考长度)显然没有延迟，并将提供返回接收器7R的第一信号。为了使得处理单元P能够将接收到的信号分配给正确的测量，将信号分离器D安装到接收器7R的信号路径上。信号分离器的任务是向每个获得的读数分配标签以及将所述数据重构成对处理单元有用的形式。输出与如上所述的带电缆的情况完全一样。
总之，本发明涉及借助超声波设备7、8、9、10、11监控由装载执行土方移动工作的铲斗5的不同部件1、3、3a执行的复杂运动，所述超声波设备与在处理单元P中的校准步骤和即时测量期间获得的长度和角度有关，以便输出铲斗位置的视觉指示或者用于自动控制挖掘或其他土方移动操作的信号。
上述具体实施例的前述说明如此充分地展示了本发明的本质，以致于本领域技术人员通过应用现有知识，能够容易地修改或调整该具体实施例以用于各种应用，无需过量的实验也不违背一般观念，因此，这种调整和修改应当并旨在理解为包含在所公开实施例的等同含义和范围内。应当理解，本文采用的措辞和术语只是为了说明，并不是为了进行限制。在不脱离本发明的情况下，用于实施各种已公开功能的方法、材料和步骤可以采取各种形式。
因此，正如在上述说明书和/或下述权利要求书中可能出现的后面跟着功能性说明的表达方式“用来…的机构”和“用于...的装置”或者任何方法步骤语言都旨在限定和涵盖所有的构造上的、物理的、化学的或电的元件或结构，或者所有的方法步骤，其可能存在于实施所述功能的当前或未来的，无论是否正好等同于上述说明书中公开的实施例；也就是说，能使用用于实现相同功能的其他装置或步骤；而且这样的表述意图作最宽的解释。

Claims (9)

1.一种用于控制挖掘和土方移动设备中的部件(1、3、5)的位置和运动的装置，这些部件相对于彼此并且相对于地面可移动，所述装置包括安装在这些部件上的超声波发射器和超声波接收器(7、8、9)，其特征在于，所述超声波发射器和超声波接收器放置于所述挖掘和土方移动设备的这些部件上，使得所述超声波发射器和超声波接收器的几何关系依赖于这些部件的相对位置而变化；并且所述超声波发射器中的至少一个超声波发射器(7)传输间歇爆发的超声波能量；并且所述超声波接收器具有在超声波能量爆发之后的接收时间窗口，接收到的信号被传送至处理单元(P)，用于计算预定部件的位置，
这些部件包括安装在牵引机主体(T)上的吊臂(1)、斗杆(3)和铲斗(5)，所述超声波发射器(7)包括广角超声波脉冲发射器，该广角超声波脉冲发射器设置在所述斗杆(3)上靠近斗杆-铲斗接头(6)，所述广角超声波脉冲发射器发射由两个超声波接收器(8、9)接收的脉冲，这两个超声波接收器相互具有预定距离地设置在牵引机主体(T)上，到达所述超声波接收器(8、9)处的到达时间以及所述超声波接收器之间的所述距离一起由处理单元(P)用以借助三角测量来确定所述斗杆-铲斗接头(6)的位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述牵引机主体(T)上安装有倾斜传感器(I)；并且在所述铲斗(5)上安装有超声波脉冲反射器(10)；并且所述处理单元(P)确定所述铲斗(5)的尖端(5a)相对于地面的位置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述牵引机主体(T)上安装有倾斜传感器(I)；并且超声波脉冲反射器(33)安装到用于使得所述铲斗(5)旋转的连杆装置(31、32)上；并且所述处理单元(P)确定所述铲斗(5)的尖端(5a)相对于地面的位置。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反射器(33)是有源广角超声波装置，其能够从接收模式切换到发射模式。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，来自所述超声波接收器(8、9)的表示超声波发射器(7X)和超声波接收器(8、9)之间的即时距离的信号由声速校正，所述声速由从所述超声波发射器(7X)经反射器(ref)反射回到用作接收器(7R)的所述超声波发射器的往返信号的传输时间确定，以便获得表示所述铲斗(5)的所述尖端(5a)相对于地面的位置的校正信号。
6.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，来自所述超声波接收器(8、9)的表示超声波发射器(7X)和超声波接收器(8、9)之间的即时距离的信号由声速校正，所述声速由来自温度和压力传感器的提供给所述处理单元(P)的信号确定，从而获得表示所述铲斗(5)的所述尖端(5a)相对于地面的位置的校正信号。
7.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述斗杆(3)设置有斗杆延伸部(3a)；并且所述广角超声波脉冲发射器安装到所述斗杆延伸部(3a)上；并且另一超声波接收器(11)安装到所述斗杆(3)上；并且从所述广角超声波脉冲发射器到所述另一超声波接收器(11)的传输时间是所述斗杆的即时长度的量度，目的在于确定所述铲斗(5)的所述尖端(5a)相对于地面的位置。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，对所述接收器(8、9、11)接收到来自所述发射器(7X)的超声波信号作出响应的信号以及来自所述牵引机主体(T)上的倾斜传感器(I)的信号的传输以电磁辐射的方式发生，与所述处理单元(P)相关地设置合适接收器。
9.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，对所述超声波接收器(8、9、11)接收到来自所述超声波发射器(7X)的超声波信号作出响应的信号以及来自所述牵引机主体(T)上的倾斜传感器(I)的信号的传输借助从所述接收器(8、9、11)和所述倾斜传感器(I)传输的超声波信号发生，所述广角超声波接收器(7R)以错时方式接收所有这些信号。
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