CN103298656A - 装载分析系统和方法 - Google Patents

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Abstract

机器（100）包括车架（104）和可倾卸的车身（108）。电子控制器（216）可操作地连接至机器。至少一个加速度计（204）被设置为测量车架（104）和/或可倾卸的车身（108）的加速度，并且向电子控制器提供加速度信号（304、306、308）。电子控制器被设置为接收并且分析该加速度信号并且向远程控制站（114）和/或执行装载的装载机器（102）提供指示严重装载状态的装载信号（302）。

Description

装载分析系统和方法
技术领域
本专利公开内容总体涉及载重运载车辆，并且更具体地涉及被配置为运载如例如在地表采矿作业中使用的重的集料材料载重的车辆。
背景技术
诸如露天采矿的某些应用包括将例如矿石的集料材料从采矿点运输至处理或航运设施。典型的采矿作业使用拖运卡车，其将采集的材料搬运到中央位置。当一些采矿作业全天候作业时，这些拖运卡车可以完成每日数百次出行。将集料材料装载到拖运卡车上通常通过使用轮式装载车或挖掘机来实现。
典型的装载作业包括用负载填充装载机机器的铲斗，并且使负载从上面沉积在拖运卡车的可倾卸的车身中。如可以理解的，取决于装载高度、集料密度、以及集料稠度，相当大的冲击应力可能作用于拖运卡车上。例如，包含巨石的铲斗负载如果从可倾卸的车身之上的高距离处落下，则可以在拖运卡车上引起引力。此外，突然降落的集料也可以能引起到可倾卸的车身和它的安装元件的不利的应力。
能够在拖运卡车的装载期间发生的这种相对高的振动和冲击性装载对于卡车组件的耐久性可能是有害的，并且如果过度，则可能引起拖运卡车的损害。传统上，拖运卡车操作员将察觉到过多的负载和在装载期间可能引起的振动并且通知装载操作员。然而，依赖于拖运卡车操作员的培训和经验，操作员对装载的严重程度的感知是主观的测量，这可能不足够检测并校正可能损坏拖运卡车的装载实践。此外，不需要操作员的自治拖运卡车的构想将在装载期间从卡车移除操作员，并且对于装载的严重的程度的确定可以由对于确定装载期间的拖运卡车的状态不是非常好的定位的装载机器的操作员来进行。
发明内容
本公开内容在一个方面描述了一种机器。该机器包括车架和可倾卸的车身。电子控制器可操作地连接至机器。至少一个加速度计被设置为测量车架和/或可倾卸的车身的加速度，并且向电子控制器提供加速度信号。电子控制器被设置为接收并分析加速度信号，并且向远程控制站和/或执行装载的装载机器提供指示严重装载状态的装载信号。
在另一个方面，本公开内容描述了一种用于适合于由装载机机器装载集料材料的车辆的装载分析系统。车辆包括与控制站和/或装载机无线通信的自治导航和控制系统。装载分析系统包括可操作地连接至车辆的车辆控制器。装载机控制器可操作地连接至装载机。至少一个加速度计被设置为测量车辆的加速度并且向车辆控制器提供加速度信号。车辆控制器被设置为接收并且分析加速度信号，并且向装载机控制器提供指示严重装载状态的装载信号。装载机控制器被设置为响应于接收到装载信号向装载机的操作员提供严重装载状态已经发生的通知。
在又一个方面，本公开内容描述了一种分析自治拖运卡车的装载状态的方法。该方法包括至少部分基于指示自治拖运卡车的位置的信息确定是否正在装载自治拖运卡车。在自治拖运卡车静止并且被装载时，监测自治拖运卡车的加速度计。在自治拖运卡车正被装载并且所监测的加速度指示存在过度振动时，提供装载信号。向执行装载的装载机传送装载信号，并且以严重转载状态的指示向装载机的操作员提供存在过度振动的通知。
附图说明
图1是根据本公开内容的在装载作业期间拖运卡车的示意图。
图2是根据本公开内容的装载分析系统的框图。
图3是根据本公开内容的在装载系统中使用的控制器的功能图。
图4和图5是根据本公开内容的装载计算器的两个可替换的视图。
图6是根据本公开内容的用于分析装载的方法的流程图。
具体实施方式
在以下的描述中，出于说明的目的，将自治拖运卡车的示例性实施例用作表示能够从所公开的系统和方法的优势中获益的应用的实施例。虽然图示和描述的具体的拖运卡车是适合于采矿应用的一种拖运卡车，但是预期到具有较少的严重装载特性的其它应用。此外，所公开的系统和方法可以用于拖运卡车和其它非自治控制的车辆(即包括能够察觉他们的车辆的装载状态的操作员)中。甚至在这些应用中，所公开的系统和方法的实施可以有利地向车辆或机器拥有者和/或在一个实施例中的装载机机器的操作员提供关于车辆的装载状态的客观标准，从而不会超过可接受的参数。
图1是在由装载机102装载期间的拖运卡车100的概要视图。拖运卡车100是从后透视图示出的并且包括具有车轮106的车架104。拖运卡车100包括形成腔体110的可倾卸的车身108，集料材料的载重可以被装载在该腔体中。壁112围绕腔体110以在传输中包含载重。
在图示的实施例中的拖运卡车100是自治的拖运卡车，其接收来自基站114的运动和其他功能命令。基站114可以本地地定位于采矿地点，或可以可替换地远程定位。通信信号116可以在基站114和拖运卡车100之间无线交互，例如，通过使用无线电或其他电磁数字或模拟传输。在图示的实施例中的拖运卡车100包括与基站114的天线120交互通信信号116的天线118。通信信号116是双向信号，其可以从基站114向拖运卡车100运送命令、以及向基站114通报由拖运卡车100发送的消息。
装载机102被示出为具有设置在可倾卸的车身108上方的装载位置处的铲斗122。铲斗122枢轴地连接在吊杆124的末端，吊杆124枢轴地连接至装载机102的车架126。在作业期间，占用装载机102的驾驶室128的操作员将铲斗122移动至将填充材料的位置中。装载机102移动例如车轮130，但是预取到其他的地面接合构件。然后将填满的铲斗122移动到可倾卸的车身108的上方以及边缘壁112的上方以便将铲斗负载倒空至可倾卸的车身。通过向下倾斜铲斗完成铲斗122的倒空，从而铲斗负载可以落入可倾卸的车身108的腔体110中。
在确定拖运卡车100的装载的严重程度时，可以考虑各种参数。例如，在装载的铲斗122的重心和可倾卸的车身108的底部之间的高度h可以影响铲斗负载落在拖运卡车100上的力。此外，当将铲斗负载倾卸入可倾卸的车身108时，铲斗122相对于吊杆124的转动速率可以影响材料沉积在拖运卡车100上的速率，其进而可以影响在拖运卡车100的各种组件上的装载。集料材料的成分也可以影响在拖运卡车100上的装载，例如，如果巨石或其他重的物体存在于铲斗负载中，则拖运卡车100的装载可能增加。特别是如果由拖运卡车100的操作员提供至装载机102的操作员的反馈，则可以由装载机102的操作员估计并且典型地补偿这些和其他参数。然而，来自拖运卡车100操作员的反馈可能基于操作员的主观感知，并且在一些应用中，在拖运卡车没有操作员而是为自治地操作的情况下，来自拖运卡车100操作员的反馈甚至可以不可用。
在根据本公开内容的一个实施例的自治拖运卡车100中，装载分析系统被配置为检测并且诊断严重的装载状态。可以通过通信信号116向基站114提供适当的信号，基站114继而将信号132提供至装载机102。装载机102被配置为通过天线134接收信号132，并且处理信号以向装载机102的操作员提供拖运卡车100的装载为严重的指示，从而可以采取校正动作。
在图2中示出了装载系统200的框图。如所示的，系统200包括各种子系统，这些子系统协作并且彼此通信以确定严重装载状态并且向装载机的操作员和/或基站或控制站提供指示严重装载状态的信息，从而可以及时采取校正动作。更具体地，系统200包括车辆载有的装载分析和导航子系统202。
如之前所讨论的，在图示的实施例中的拖运卡车是自治控制的拖运卡车，其包括致力于车辆的导航和控制的系统。虽然这些导航和控制系统在本公开内容的范围之外，但是与本公开内容相关，它们包括惯性测量单元(IMU)204、中央处理单元(CPU)206、以及全球定位系统(GPS)208。这些基本组件与无线通信接口或链路210一起被配置为使能够实现在工地周围的拖运卡车的自治导航和运动。在作业期间，GPS可以通过GPS通信线路212向CPU 206提供位置信息。CPU 206可以将从GPS 208接收的信息和期望的机器的定位、以及和预定的路线进行比较，并且适当地命令通常由机器控制块213表示的各种机器系统(例如推进、操纵、刹车等)，以影响机器的运动是沿着期望的路线朝向期望的位置。在运动期间，IMU 204可以经过IMU通信线路214向CPU 206提供指示机器运动的反馈信息。
在图示的实施例中，IMU 204是这样的电子设备，其可以使用加速度计和螺旋仪的组合来测量并且提供指示车辆的速度和方向的信号。虽然IMU通常用于机动飞行器，但他们的用以确定移动车辆的速度和定向的能力使它们在陆用车辆的导航中有用，因为它们允许CPU 206使用期望的路线追踪车辆的位置并且确保例如到达适当的目的地。然而，与本公开内容相应，IMU 204的加速度计也在测量指示过度装载的振动中有用。
因此，IMU包括三个螺旋仪和三个加速度计，它们共同被配置为沿着三个正交轴线测量加速度并且测量车辆的斜度、偏转和滚动。如下文将更详细讨论的，可以预期当IMU可用时，这六个自由度中的每一个自由度可以用于确定车辆装载状态的严重程度。可替换地，可以仅使用三个或比三个更少的加速度计。
指示由拖运卡车经历的振动和方向变化的信息，诸如在装载期间的摇动，由IMU 204测量并且经过通信线路218提供给装载监测器216。通信线路218上的信息可以有利地包括指示IMU 204可以提供的六个自由度的每一个自由度中的运动的信号，或者可替换地，可以仅由单个加速度信号构成，该单个加速度例如由用于测量沿着通常垂直的轴线的加速度单个加速度计提供。装载监测器216可以确定是否发生严重的装载，并且经由装载通信线路220向CPU 206提供适当的信号。虽然装载监测器216被示作与CPU 206分离的块，但是可以预期的是装载监测器216的功能可以集成或附加到在CPU 206内操作的程序和算法中，并且在将IMU 204与装载监测器216互连的线路218上提供的信息可以从已经在将IMU 204与CPU 206互连的线路214上提供的信息中获取。
当装载监测器216向CPU 206提供指示严重的装载状态的信息或信号的时候，CPU 206可以首先进行车辆(例如拖运卡车100)是否处于装载位置的确定。换句话说，IMU 204的加速度计可以检测可以指示装载车辆时的严重的装载状态的过度的振动，但是过度的振动在机器例如在粗糙的地形上的运动期间仍然可能发生。
当装载车辆并且装载监测器216向CPU 206提供严重的装载已经发生的指示时，CPU 206可以经由无线链路210、经由控制通信信道224向基站单元或中央控制222提供指示严重转载连同可选地检测到的严重装载的具体参数的信号。该信号可以由无线链路223接收并且由中央控制222的CPU 225评估，中央控制222被配置为生成指示严重的装载的信号，并被发送至执行装载的机器。可替换地，CPU 206可以将信号直接提供给连接至CPU 228的无线链路226，CPU 228在与执行装载的装载机机器相关联的装载机子系统230中操作。
当在装载机子系统230处接收到严重装载状态已经发生的信号时，装载机子系统230的CPU 228可以在操作员可视的显示器232上显示警告或信息消息。在可替换的实施例中，装载机子系统的CPU228可以进一步采取缓解措施，例如限制诸如铲斗122(图1)的装载设备的转动速率、高h(图1)等。
在图3-图5中示出了可以在装载监测器216之内操作的算法或者等效方式的几个具体实现。图3是用于确定严重的装载状态已经发生的一个实施例的高层表示。因此，负载监测模块300可以被配置为接收来自其他机器系统的各种输入，处理该各种输入以提供严重装载信号302。输入包括来自用于测量沿着三个正交轴线(例如X、Y、Z)中的每个轴线的加速度和关于每个轴线的旋转的六个传感器中的每个传感器的信号。在一个实施例中，X轴沿着车辆的纵向轴线延伸并且与车辆向前移动时的行进方向对齐，Y轴垂直于X轴水平低延伸，并且Z轴当车辆静止于平坦的表面上时是竖直的。相应地，负载监测模块300可以接收分别指示沿着X轴、Y轴和Z轴检测的加速度的加速度信号αX 304、αY 306和αZ 308，以及分别指示关于X轴、Y轴和Z轴检测到的旋转运动的转动位移信号ωX 310、ωY 312和ωZ 314。
负载监测模块300还可以接收使能标志316，其可以是数字值1或0，其中当车辆处于装载位置时由值1指示或被激活。可以将使能标志316提供至六个分析例程318的每一个，分析例程318的每一个被配置为接收提供至模块300的相应信号并且单独地基于相应的参数分析是否指示严重的装载。虽然六个这样的例程318被示出对应于加速度和转动运动的六个输入信号的每一个信号，但是当提供更少的相应的输入信号时可以使用少于六个的例程。此外，指示加速或转动运动的一个或多个输入信号的处理可以集成在单个的这样的例程中。
在图4中示出了分析例程318的一个实施例，并且在图5中示出了可替代的实施例。在图4中示出的实施例，例程318接收使能信号316和输入参数，例如表示沿着X轴的加速度的幅度的αX 304。将αX 304的幅度与适用于该具体参数的的阈值限制321进行比较。当使能信号有效时并且当αX 304的幅度至少等于阈值限制321时，比较器功能320可以提供指示在被监测的特定方向上过度振动(或转动，如适用)的信号322。在一个可替换的实施例中，当检测到的加速的幅度大于期望的幅度时，统计功能323可以提供信号322。
在这个可替换的实施例的一个实施方式中，功能323可以包括基于模型的算法或历史数据的统计积累，诸如柱状图。柱状图是示出实验数据的分布的视觉印象的图形表示，并且表示连续变量的概率分布的估计。以这种方式，功能323可以针对一段时间内用于特定应用的期望的或正常的严重程度等级进行“训练”。其后，功能323可以将在任何特定的装载作业期间所检测的幅度与在过去已出现的幅度相比较以确定所检测的幅度比这些考虑为正常的更严重。
现在返回至图3，将来自被监测的参数中的每个参数的各种信号提供给复用器324，服用器324转而将它们提供至逻辑功能326。虽然在一个实施例中，可以基于任何单个参数做出严重装载的确定，但是逻辑功能326可以在被检测的参数中寻找模式，从而避免严重装载的错误指示。例如，当多于一个参数同时呈现增加的值时，逻辑功能326可以声明严重装载状态。基于车辆对严重装载状态的已知响应，选择各种参数。在一个实施例中，过载状态可能表现为Z轴中的伴随摇动的加速度或者关于X轴的转动变换。例如，可以基于各种信号322的出现使用与/或门将指示严重装载的具体类型的这些和其它关系编码入并且结合在逻辑功能326中。
虽然本文图示和讨论的布置是与用于采矿应用的拖运卡车有关，但是它在各种其它类型的其它机器中也具有通用的可用性。术语“机器”可以指执行与工业相关联的某些类型的作业的任何机器，工业诸如采矿、建筑、耕作、运输、或本领域的任何其它工业。例如，机器可以是运土机器(诸如轮式装载机)、挖掘机、自动倾卸卡车、锄耕机、自动平地机、材料装卸机等。此外，工具可能被连接至机器。这种工具可以用于各种任务，例如包括装载、压制、提升、刷洗，并且工具例如包括铲斗、压土机、叉式起重设备、刷子、钩杆、切割机、剪刀、刀片、破碎机/锤子、螺丝钻等。
工业应用性
本公开内容可应用于被配置为运输通过装载机机器被装载到车辆上的载重(例如集料材料)的车辆或其他机器。将理解的是上述描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可以预期本公开内容的其它实施方式可能在细节上与前述示例不同。
在图6中示出了用于分析拖运卡车或其它类似的车辆或机器的装载的方法的流程图。方法包括在402处确定车辆是否处于装载位置。在404处，获得指示装载严重程度的至少一个参数。在一个实施例中，可以通过加速度计和/或螺旋仪(诸如可以在IMU设备中找到的那些)提供指示装载严重程度的参数。在406处，分析至少一个参数以确定严重装载状态是否已经发生。例如，当如由各种被分析的参数所指示的、机器的过度的振动和/或摇动已发生时，在406处的分析可以提供指示严重装载已发生的信号。在一个实施例中，响应于至少一个提供已经超过阈值(诸如振动阈值)的指示的参数提供信号。在可替换的实施例中，确定可以基于多于一个参数中的过度值的特定组合或一致性的存在，例如在多于一个方向中的振动或这与摇动运动一致的振动。在408处，执行检查以确定车辆是否处于装载位置并且是否存在指示严重装载的信号。
当在408处的检查指示车辆处于装载位置并且严重装载已经发生时，在410处，提供严重装载存在的信号。在410处的信号可以被提供至通信设备。在410处的通信配置可以包括到控制站和/或执行车辆的装载的装载机器的无线连接。在信号被提供至控制站的实施例中，控制站可以转发或生成新的信号，该新的信号定向到执行车辆的装载的机器，该新的信号提供严重装载已经发生的指示。
执行装载的机器被配置为从正在被装载的车辆和/或控制站接收信号，并且在412处，向操作员提供应当评估导致严重装载状态的装载参数的通知。在412处的通知可以以任何适当的方式完成，包括在显示器上提供视觉指示和/或提供声音报警以警告操作员。在可替换的实施例中，装载机可以进一步被配置为响应于收到来自正在被装载的车辆和/或控制站的严重装载通知，减轻严重装载状态，例如通过对装载工具的操作实施限制，诸如设置将负载沉积到车辆的最大下落高度，设置负载可以被装载到车辆上的最大速率等。
本公开内容或其示例的所有参考意图参考在讨论时被讨论的具体示例并且不意图暗含对本公开内容更普遍的范围的任何限制。关于某些特征的区别和贬低性的所有措词意图指示对于那些特征的缺乏优选，但若无相反的指示并不从本公开的整体范围内排除它们。除非本文另外指出或另外明确地与上下文矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。

Claims (10)

1.一种机器(100)，包括：
车架(104)；
与所述车架(104)连接的可倾卸的车身(108)；
可操作地连接至所述机器(100)的电子控制器(216)；
至少一个加速度计(204)，被设置为测量所述车架(104)和所述可倾卸的车身(108)中的至少一个的加速度，并且向所述电子控制器(216)提供加速度信号(304)；
其中所述电子控制器(216)被设置为接收并且分析所述加速度信号(304)，并且向远程控制站(114)和装载机器(102)中的至少一个提供指示严重装载状态的装载信号(302)，所述装载机器(102)执行所述装载。
2.根据权利要求1所述的机器(100)，还包括设置在所述机器(100)上并且与所述电子控制器(216)可操作地关联的无线通信设备(210)，其中所述无线通信设备被配置为接收来自所述电子控制器(216)的所述装载信号(302)并且向所述远程控制站(114)和所述装载机器(102)中的至少一个发送所述装载信号(302)。
3.根据权利要求1所述的机器(100)，还包括全球定位系统接收器(208)，所述全球定位系统接收器(208)与所述电子控制器(216)可操作地关联并且被设置为向所述电子控制器(216)提供指示所述机器(100)的位置的位置信息(212)。
4.根据权利要求3所述的机器(100)，其中所述电子控制器(216)还被配置为至少部分基于所述位置信息确定所述机器(100)是否处于装载状态。
5.根据权利要求4所述的机器(100)，其中所述电子控制器(216)被配置为在所述电子控制器(216)已经确定所述机器(100)处于所述装载状态之后，提供指示严重装载状态的所述装载信号(302)。
6.根据权利要求1所述的机器(100)，还包括两个附加加速度计，共计三个加速度计，所述三个加速度计中的每一个加速度计被配置为沿着三个轴线中的一个轴线测量对应的加速度，所述三个轴线以彼此正交的关系设置。
7.根据权利要求6所述的机器(100)，其中所述电子控制器(216)被设置为接收两个附加加速度信号。
8.根据权利要求6所述的机器(100)，还包括三个螺旋仪，每个螺旋仪被配置为沿着所述三个轴线中的对应的一个轴线测量转动运动，并且向所述电子控制器(216)提供指示转动位移的信号(132)。
9.根据权利要求8所述的机器(100)，其中所述电子控制器(216)被设置为基于多于一个的加速度信号(304)的组合提供所述装载信号(302)。
10.根据权利要求1所述的机器(100)，其中所述机器(100)是适合于由装载机(102)机器(100)装载集料材料的车辆，所述车辆具有装载分析系统(216)并且包括与控制站和/或所述装载机(102)无线通信的自治导航和控制系统(213)，所述装载分析系统(200)包括：
可操作地连接至所述车辆(100)的车辆控制器(202)；可操作地连接至所述装载机(102)的装载机控制器(230)；
其中所述至少一个加速度计(204)被设置为测量所述车辆的加速度并且向所述车辆控制器(230)提供加速度信号(304)；
其中所述车辆控制器(202)被设置为接收并且分析所述加速度信号(304)，并且向所述装载机控制器(230)提供指示严重装载状态的装载信号(302)，并且
其中所述装载机(102)控制器被设置为响应于接收到所述装载信号(302)向所述装载机(102)的操作员提供严重装载状态已经发生的通知(232)。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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