CN103339327A - 用于机器的控制系统 - Google Patents

Abstract

控制系统（50）和方法操作成储存指示机器（10）的构件的行程位置的端点的目标信号。至少部分基于从传感器（64）接收的信号而确定机器（10）的构件的位置和速度并且生成指令信号以基于来自操作员的输入、对行程位置的端点的接近和构件的速度而控制构件的运动。传输指令信号以控制构件的运动。还可限定行程位置的多个端点。

Description

用于机器的控制系统

技术领域

本发明总体上涉及一种控制系统，并且更具体地涉及一种用于控制作业机具在作业工具的行程位置的期望端点附近的运动的控制系统。

背景技术

诸如挖掘机和物料处理机的机器的控制可能是需要操作员的大量技能的复杂任务并且典型地需要操纵诸如操纵杆的多个输入装置。一个示例可以是诸如铲斗的作业工具沿期望路径以一致、受控的方式从诸如挖掘位置的第一位置运动至诸如倾倒位置的第二位置。在到达倾倒位置时，操作员典型地将操作输入装置以减慢作业工具的运动，从而精确地定位作业工具，并且在铲斗的情况下在铲斗处于其期望倾倒位置之前使来自铲斗的任何溢出最小化。

1999年10月19日授予Egawa等人的美国专利5,968,104（’104专利）中公开了包括对作业工具的运动的一部分的自动化控制的机器的一个示例。具体而言，’104专利公开了一种具有范围限制挖掘控制系统的液压挖掘机。该范围限制挖掘控制系统具有容许操作员设定允许铲斗的一端运动的挖掘范围的设定装置。该范围限制挖掘控制系统还包括配置于动臂、臂和铲斗的枢转点以检测它们相应的旋转角度和速度的角度传感器、用于检测挖掘机的主体在来回方向（前后方向）上的倾角的倾角传感器、和用于在动臂响应于由控制杆生成的信号而向上运动时检测动臂的负荷压力的压力传感器。

该挖掘控制系统基于变化的机器参数而限制铲斗的速率。具体地，随着铲斗接近边界，操作员在前后或上下运动操作期间（即在挖掘操作期间）设定挖掘范围，铲斗的速率在边界的方向上减慢，以使得铲斗在挖掘范围的边界停止而不会离开期望挖掘范围。通过基于变化的机器参数例如速率、负荷、位置、姿势和温度而调节与铲斗的运动相关的控制阀的流率特性来控制铲斗的停止。尽管’104专利的范围限制控制系统在某些条件下可改善液压挖掘机的操作员控制和机器性能，但其系统并未提供对机器操作员面临的某些挑战的完整而有效的解决方案。

前面的背景技术说明仅意在帮助读者。其并非意在限制本文中描述的创新或者限制或扩大所说明的现有技术。因此，前面的说明不应该看作指出现有技术系统的任何特定元件不适合在本文中描述的创新内使用，也并非意在指出包括解决激发的问题的任何元件在实施本文中描述的创新中必不可少。本文中描述的创新的实施方案和应用由所附权利要求限定。

发明内容

在一个方面，提供了一种与机器一起使用的控制系统。该控制系统可包括控制器，该控制器配置成储存指示动臂、斗杆和框架的行程位置的端点的目标信号并且接收指示作业工具的期望运动的操作员输入装置致动信号。该控制器还可至少部分地基于从机器上的传感器接收的信号而确定动臂、斗杆和框架的位置和速度，并且基于操作员输入装置致动信号、动臂、斗杆和框架对它们相应的行程位置的端点的接近以及动臂、斗杆和框架的速度而控制动臂、斗杆和框架的运动。该控制器还可传输指令信号以控制动臂、斗杆和框架在作业工具的行程位置的期望端点附近的运动。

根据以下描述，也将了解所公开的包括方法的控制系统以及机器的另外和可选的特征和方面。

附图说明

图1是根据本发明的与目标车辆相邻的挖掘机的侧视图；

图2是图1的挖掘机内的控制系统的控制构件的简化示意图；

图3是示出了用于在行程位置的端点附近控制挖掘机的构件的过程的流程图；

图4是示出了用于生成指示行程位置的端点的目标信号的过程的流程图；

图5是示出了用于生成指示行程位置的端点的目标信号的替代过程的流程图；

图6是示出了用于生成指示行程位置的端点的目标信号的又一过程的流程图；以及

图7是示出了用于在行程位置的两个端部之间顺次控制挖掘机的构件的过程的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有协作以挖掘并装载泥土材料到附近的目标机器例如运输车辆12上的多个系统和构件的示例性机器10。在一个示例中，机器10可体现为液压挖掘机。然而，预期机器10可体现为其它类型的挖掘机器，例如反铲装载机、正铲挖掘机、轮式装载机、或另一种类似的机器及物料处理机。机器10可尤其包括机具系统14，该机具系统14配置成使作业工具16在第一位置例如挖掘位置18（例如在沟渠内）与第二位置例如倾倒位置20（例如在目标机器例如运输车辆12上方）之间运动，以及用于手动控制机具系统14的操作员站22。

机具系统14可包括利用流体致动器来使作业工具16运动的联动结构。更具体地，机具系统14可包括动臂部件24，该动臂部件相对于框架42上下枢转并由一对相邻的双动动臂液压缸28（图1中仅示出一个）驱动。机具系统14还可包括斗杆部件30，该斗杆部件在动臂部件24与斗杆部件30之间绕水平轴线32上下枢转并由单个双动斗杆液压缸36驱动。机具系统14还可包括单个双动作业工具液压缸38，该液压缸可操作地连接到作业工具16以使作业工具16绕经过斗杆部件30和作业工具16的水平轴线30上下枢转。因此，斗杆部件30经由轴线32和40将作业工具16枢转地连接到动臂部件24。框架42可相对于底架部件44水平枢转连接，并通过回转马达49绕竖直轴线46运动。可设想如果期望的话，更大或更小数量的流体致动器可被包括在机具系统14内并以与上述不同的方式连接。

各液压缸28、36、38可体现为具有布置成形成两个截然不同的压力腔室的管和活塞组件（未示出）的线性致动器。压力腔室可被选择性地供给加压流体和排出加压流体以使活塞组件在管内移位，由此改变液压缸28、36、38的有效长度。流体进出压力腔室的流率可与液压缸28、36、38的伸出或缩回的速率有关，而两个压力腔室之间的压力差可与液压缸28、36、38在相关的联动部件上分配的力有关。液压缸28、36、38的伸出和缩回引起作业工具16的运动。

与液压缸28、36、38相似，回转马达49也可通过不同流体压力驱动。具体地，回转马达49可以是包括位于叶轮（未示出）的相对侧的第一和第二腔室（未示出）的旋转致动器。在给第一腔室充填加压流体并从第二腔室排出流体时，叶轮被促使沿第一方向旋转。相反地，当第一腔室排出流体而第二腔室被充填加压流体时，叶轮被促使沿反方向旋转。流体进出第一和第二腔室的流率影响回转马达49的旋转速率，而叶轮两侧的压力差影响其输出转矩。

多个不同的作业工具16可附连到机器10上并可经由操作员站22控制。除图1所示的铲斗外，作业工具16可包括用来执行特定任务的任何装置，例如像叉形装置、铲刀、铲子、或本领域中已知的任何其它任务执行装置。尽管在图1的实施例中被连接成相对于机器10枢转和摆动，但作业工具16可以替换地或另外旋转、滑动或以本领域中已知的任何其它合适的方式运动。

操作员站22可包括体现为位于操作员座椅（未示出）附近的单轴或多轴操纵杆（图2）的一个或多个操作员输入装置48。操作员输入装置48可以是配置成通过产生指示在特定方向上的期望或命令的作业工具速率和/或力的作业工具位置信号来定位和/或定向作业工具16的比例型控制器。可设想不同的操作员输入装置可替换地或另外被包括在操作员站22内，例如轮子、旋钮、推拉装置、开关、踏板、和本领域中已知的其它操作员输入装置。

如图2所示，机器10可包括控制系统50，该控制系统包括液压缸28、36、38和回转马达49以及协作以使作业工具16响应于从操作员输入装置48接收的输入而运动的其它流体构件。特别地，控制系统50可包括配置成产生和分配加压流体流的一个或多个流体回路（未示出）。动臂控制阀52、斗杆控制阀54、铲斗控制阀56和摆动控制阀58可定位成接收加压流体流并且选择性地计量分别往来于液压缸28、36、38和回转马达49的流体以调节它们的运动。具体地，动臂控制阀52可具有可响应于来自操作员的输入而运动以控制与动臂部件24相关的动臂液压缸28的运动的元件，铲斗控制阀56可具有可运动以控制与作业工具16相关的作业工具液压缸38的运动的元件，斗杆控制阀54可具有可运动以控制与斗杆部件30相关的斗杆液压缸36的运动的元件，并且回转控制阀58可具有可运动以控制由摆动马达49分配给框架42的回转运动的元件。

由于与动臂、斗杆、铲斗和回转控制阀52、54、56、58相关的元件相似并以相似的方式工作，因此文中将说明动臂控制阀52的操作。在一个示例中，动臂控制阀52可包括第一腔室供给元件（未示出）、第一腔室排出元件（未示出）、第二腔室供给元件（未示出）、和第二腔室排出元件（未示出）。为了使动臂液压缸28伸出，使第一腔室供给元件运动以允许加压流体使动臂液压缸28的第一腔室充填加压流体，而第二腔室排出元件运动以从动臂液压缸28的第二腔室排出流体。为了使动臂液压缸28沿反方向运动，使第二腔室供给元件运动以给动臂液压缸28的第二腔室充填加压流体，同时使第一腔室排出元件运动以从动臂液压缸28的第一腔室排出流体。可设想，如果期望的话，供给和排出两种功能可替换地由与第一腔室相关的单个元件和与第二腔室相关的单个元件或由控制所有充填和排出功能的单个阀执行。

供给和排出元件可响应于命令而借助于螺线管（未示出）运动。更具体地，液压缸28、36、38可伸出并且回转马达49可以以大致对应于流体进出第一和第二腔室的流率的速率并利用大致对应于流体压力的力旋转。为了实现经由操作员输入装置指示的操作员期望或命令的速率和/或力，基于假定或测得的压力的命令可发送到供给和排出元件的螺线管（未示出），所述螺线管使供给和排出元件打开对应于所需流率的量。因此，供给和排出元件的较大开度通常将引起缸28、36、38和回转马达49的更快运动，而较小的开度通常将引起较慢的运动。当供给和排出元件完全关闭时，运动将通常被禁止。命令的形式可以是流率命令或阀元件位置命令。

控制系统50还可包括与操作员输入装置48以及动臂、斗杆、铲斗和回转控制阀52、54、56、58通信以协调上述运动的控制器60。控制器60可体现为包括用于控制控制系统50的操作的装置的单个微处理器或多个微处理器。许多商售微处理器能够配置成履行控制器60的功能。应理解，控制器60可以易于在能够控制许多机器功能的通用机器微处理器中体现。控制器60可以包括存储器、辅助存储设备、处理器、以及用于运行应用的任何其它构件。各种其它电路可以与控制器60相关，诸如供电电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路和其它类型的电路。

与输入装置位置信号、期望的致动器速率或力、相关的流率和压力、和/或与液压缸28、36、38和回转马达49的运动相关的阀元件位置有关的一个或多个脉谱图可储存在控制器60的存储器中。这些脉谱图中的每个可包括表格、曲线图和/或公式的形式的数据集合。在一个示例中，期望速率和命令的流率可形成用于控制上述第一和第二腔室供给和排出元件的2D表格的坐标轴。使流体致动器以期望速率运动所需的指令流率与适合的供给和排出元件的对应阀元件位置可在另一单独的2D脉谱图中或连同期望速率一起在单个的3D脉谱图中关联。还设想期望的致动器速率可在单个2D脉谱图中与阀元件位置直接相关。控制器60可配置成允许机器10的操作员直接修改这些脉谱图和/或从储存在控制器60的存储器中的可用关系脉谱图中选择特定脉谱图以实现流体致动器运动。可设想，如果期望的话，脉谱图可另外或替换地可基于机器操作模式而自动选择。

控制器60可配置成接收来自操作员输入装置48的输入以及响应于该输入并基于上述关系脉谱图而指令控制阀52、54、56、58的操作。具体而言，控制器60可接收指示作业工具16在特定方向上的期望速率和/或力的输入装置位置信号，并且参照储存在控制器60中的存储器中的所选择的和/或修改后的关系脉谱图来针对控制阀52、54、56、58内的各个供给和排出元件确定流率值和/或相关位置。然后可对适合的供给和排出元件命令流率或位置，以使第一或第二腔室以引起期望的作业工具运动的速度充填和/或排出。

控制系统50可配备有用于监视机器10的各种构件的位置和速度的一个或多个传感器64。在一个示例中，传感器64可以是与各个液压缸28、38、36相关的位置传感器，以分别确定动臂液压缸28、斗杆液压缸36和作业工具液压缸38各者的位移量。在另一示例中，传感器64可以是与机具系统14的枢轴接头相关的角度传感器。在另一示例中，传感器64可以是倾角计和/或陀螺仪。传感器64还可包括配置成检测框架42的俯仰和侧倾的倾斜传感器，并且可包括用于例如通过使用例如本地激光器系统或一个或多个全球定位系统（“GPS”）传感器来确定机器相对于本地或全球基准的位置和取向的传感器。在一些例子中，可使用一对GPS传感器。在另一些例子中，可使用单个GPS传感器来确定全球位置并连同罗盘一起来确定取向。此外，传感器64可包括能够确定速度或角速度的元件以及配置成检测作业机具16的有效负荷（即容纳于作业工具16内并由其运输的物料的质量）的负荷传感器。传感器64的结合可针对机器10的具体需要和应用而按需选择。基于从传感器64生成的信号并基于机器10的已知运动学结构，控制器60配置成命令控制阀52、54、56、58使作业工具16以操作员所期望的速率和/或力相对于挖掘和倾倒位置定位。此外，基于由传感器64生成的信号，控制器60能够导出并记录机具系统14的一部分或全部位置、速度、加速度、取向、质量和/或惯性。

在一些情形中，控制器60可配置成选择性地限制机具系统14的运动。更具体地，当执行重复的任务例如挖掘和装载运输车辆12时，操作员可能期望使用控制器60来控制或限制作业工具在其接近一个或多个位置时的运动。例如，如果作业工具16是铲斗并且操作员正在挖掘位置18执行一系列挖掘操作并且然后使铲斗运动到运输车辆12上方的倾倒位置20，则操作员可能希望利用自动化或半自动化的控制来协助结合倾倒操作定位作业工具16。参照图3中的流程图100，操作员首先限定和储存用于倾倒铲斗的行程位置的目标或端点。该限定和储存能够以许多方式完成，但在每个例子中，如在阶段102所示，可识别指示动臂部件24、斗杆部件30和框架42各者的行程位置的端点的用于传感器64的期望目标信号。此外，指示框架42的俯仰和侧倾的传感器64还可用来识别期望的俯仰和侧倾目标信号。在阶段104，将所产生的目标信号储存在控制器60内。

随着操作员操纵一个或多个操作员输入装置48以使用机具系统14执行各种任务中的任何任务，由操作员输入装置48生成的信号在阶段106被传输至控制器60并由其接收。来自机器10的各种传感器64的数据信号由控制器60在阶段108接收。如果期望的话，数据信号可以是在阶段110例如进行了滤波、放大和格式或协议转换的条件。控制器60在阶段112利用来自传感器64的数据来确定作业工具16、动臂部件24、斗杆部件30和框架42的位置和速度。控制器60还可利用倾度和翻转数据来进一步限定作业工具16、动臂部件24、斗杆部件30和框架42的位置。在阶段114，基于从传感器64接收的数据，控制器60判断作业工具16是否正在朝向或远离行程位置的端点运动。如果作业工具正在离开行程位置的端点运动（并因此不满足阶段114），则控制器60将不会修改来自操作员输入装置48的操作员输入信号（阶段120），并且在阶段122将通过操作员输入信号来控制控制系统50。然而，如果作业工具正在朝行程位置的端点（即倾倒位置）运动，则在阶段116基于作业工具16、动臂部件24、斗杆部件30和框架42的位置和速度以及潜在地框架42的倾度和翻转而将来自操作员输入装置的信号与数据脉谱图中的值进行比较。

该数据脉谱图可大体配置成协助随着作业工具接近行程位置的端点而减慢动臂部件24、斗杆部件30和框架42各者以及因此作业工具16的运动，以简化操作员对将作业工具定位在行程位置的端点付出的努力。因此，如果来自操作员输入装置48的操作员输入信号小于数据脉谱图中的值并且在此意义上，控制器60在阶段120不会修改来自操作员输入装置48的操作员输入信号并且在122操作员输入信号将被控制器60作为指令信号用来控制控制系统50。然而，对于满足阶段116的条件的操作员输入信号（即，大于数据脉谱图值的任意操作员输入信号），在阶段118利用来自数据脉谱图的数据生成用于控制控制系统50的指令信号并且随后在阶段122将所述指令信号传输至控制系统122。利用这种控制系统，随着作业工具16例如铲斗接近行程位置的端点例如倾倒位置20，则通过各液压缸28和36的运动和由回转马达49产生的回转运动而产生的作业工具16的运动被减慢或阻尼至由操作员经操作员输入装置48指导的速率或由控制器60的数据脉谱图指定的数据中较小的一者。换言之，如果操作员正在比基于数据脉谱图的命令将引起的速率更缓慢地使动臂部件24和/或斗杆部件30上下运动和/或使框架42回转，则操作员的输入信号将控制正在比数据脉谱图更缓慢地运动的各构件的操作，而操作员输入装置针对其命令比数据脉谱图值快的运动的那些构件将按数据脉谱图值运动。应指出，由于控制器60可基于速率来采取控制，因此控制器60采取控制的位置可变化。例如，动臂部件24的运动越快，则该运动越有可能被控制为距离行程位置的端点更大的距离，以便降低动臂部件24的陡然速率变化或减速的可能性。

如上所述，在阶段102生成指示行程位置的端点的目标信号可采用各种方式执行。图4中的流程图130示出了一个示例，其中在阶段132，操作员使用操作员输入装置48来将作业工具16定位在行程位置的期望端点，例如倾倒位置20。当在阶段134致动目标操作员接口例如开关62时，在阶段136读取来自各传感器的数据以确定作业工具16在行程位置的期望端点的目标数据值。更具体地，在图3的阶段102读取来自与动臂部件24、斗杆部件30和框架42相关的各传感器64的数据信号并且将其用作用以指示用于动臂部件24、斗杆部件30和框架42各者的行程位置的期望端点的目标信号。如果机器10还包括其它传感器64，例如用于指示倾度和翻转的传感器，以及用于指示本地或全球位置和定向的传感器，则也可读取来自这些传感器的数据信号并且将其用作指示行程位置的期望端点的附加目标信号。

在行程位置的端点生成目标信号的另一示例中，图5中的流程图140示出了目标信号的生成，其中以机器10在阶段142例如通过致动操作员接口（例如开关62）进入学习模式而开始。可使用进入学习模式的其它方式，包括使控制器60配置成在机器起动时进入学习模式。一旦处于学习模式下，操作员便利用操作员输入装置48在阶段144将作业工具16定位在行程位置的期望端点，例如用于倾倒铲斗的倾倒位置20。在使作业工具16运动以例如通过倾倒铲斗来执行预定操作阶段146时，在阶段148读取各传感器以确定作业工具16在行程位置的期望端点的数据值。更具体地，在图3的阶段102读取来自与动臂部件24、斗杆部件30和框架42相关的各传感器64的数据信号并且将其用作用以指示用于动臂部件24、斗杆部件30和框架42各者的行程位置的期望端点的目标信号。如果机器10还包括其它传感器64，例如用于指示俯仰和侧倾的传感器，以及用于指示本地或全球位置和定向的传感器，则也可读取来自这些传感器的信号并且将其用作指示行程位置的期望端点的附加目标信号。

在又一示例中，可如图6中的流程图150所示通过控制器60来生成或计算目标信号。在阶段152，将机器10的尺寸输入控制器60中。这些尺寸包括作业工具16以及实现作业工具16的运动的每个构件例如动臂部件24、斗杆部件30、框架42和底架部件44的详细尺寸。每个构件的尺寸以及来自与作业工具、动臂部件24、斗杆部件30和框架42相关的传感器64的数据容许控制器60计算作业工具16的边界（以及机器10的其它构件的边界）的特定位置并基于计算出的位置来控制机器10的运动。在阶段154，将机器10的全球位置和取向以及框架42的俯仰和侧倾输入控制器60中。这种数据的输入可以是手动的、自动的或半自动组合。一对间隔开的GPS传感器64可安装在机器10上并且用来确定机器的全球位置、取向以及俯仰和侧倾。在一替代结构中，可利用单个GPS传感器64来确定机器10的全球位置，并连同罗盘一起指示机器10的取向，并且利用其它传感器来确定俯仰和侧倾。

在阶段156，将目标机器例如运输车辆12的尺寸输入控制器60中。该目标机器的尺寸在运输车辆示例中可包括车体或翻斗（dump box）13（图1）的长度和宽度以及翻斗的顶部在基准地面上方的高度。在阶段158，将目标机器的全球位置和取向以及其俯仰和侧倾输入控制器60中。一对间隔开的GPS传感器64可安装在机器上并且用来确定目标机器的全球位置、取向以及俯仰和侧倾。在一种替代结构中，可利用单个GPS传感器64来确定目标机器的全球位置并连同罗盘一起指示目标机器的取向，并且利用另外的传感器来确定目标机器的俯仰和侧倾。结果，获知翻斗13的顶部的周界的精确位置。

在阶段160，可设定行程位置例如倾倒位置相对于翻斗13的顶部的期望端点。操作员可设定特定位置，例如相对于翻斗的长度和宽度以及相对于翻斗顶部的高度的位置，或者可利用默认设定，该默认设定可将倾倒位置设定为相对于翻斗的尺寸的预先限定的位置，例如像在其中心和在翻斗顶部上方的预定高度。基于所输入的目标车辆的尺寸、位置、取向以及俯仰和侧倾，在阶段162计算作业工具16例如铲斗的行程位置的期望端点。在阶段164，控制器60利用计算出的作业工具16的行程位置的端点以及所输入的机器10的尺寸、位置、取向以及俯仰和侧倾来生成指示动臂部件24、斗杆部件30和框架42的行程位置的端点的目标信号。

如果期望的话，控制器60可配置成将作业工具16的运动限制在以预定顺序的一系列两个或更多间隔开的位置。例如，根据处于机具14端部的铲斗的规格、运输车辆12的规格和正被运动的物料，可能期望将物料倾倒在运输车辆中的替代位置。这种过程在图7中的流程图170中阐述并且以与在图3中的流程图中阐述相似的方式操作，但其中行程位置的目标或端点在每一次倾倒操作之后变化。与图3的过程一样，在对应于行程位置的第一端对应的阶段172产生第一目标信号。第一目标信号可以以与图4中阐述的方式生成，其中作业工具在阶段132运动至行程位置的期望第一端点。在阶段134致动目标操作员接口例如开关62并且在阶段136读取传感器64，其中使用来自这些传感器的数据作为指示行程位置的第一端点的第一目标信号。然后在图7的阶段174将这些第一目标信号储存在控制器60内。然后重复该过程以通过限定行程位置的第二端点来在阶段176生成第二目标信号，以使得作业工具以与在阶段132指出相似的方式运动至行程位置的期望第二端点。在阶段134致动目标操作员接口例如开关62并且在阶段136读取传感器64，其中使用来自这些传感器的数据作为指示行程位置的第二端点的第二目标信号。然后在阶段178将这些第二目标信号储存在控制器60内。

控制器60在阶段180将目标位置设定成对应于行程位置的第一端点。一旦已设定行程位置的端点，操作员便可如期望那样操作机器10，直至作业工具在阶段182到达行程位置的第一端点。在运动至行程位置的第一端点时，接着是图3的阶段106-122的处理，其中使用对应于行程位置的第一端点的第一目标信号作为图3的目标信号。一旦已发生预定操作，例如在行程位置的第一端点倾倒铲斗（阶段184），控制器60便在阶段186改变在图3中识别的目标信号以对应于第二目标信号，第二目标信号对应于行程位置的第二端点。如果操作员由于任何原因使铲斗运动至行程位置的第一端点但不执行预定操作例如倾倒铲斗（阶段184），则控制器60将继续限制作业工具16在行程位置的第一端点附近的运动，直至已发生预定操作。在使目标信号在阶段186变成第二目标信号之后，接着是图3的阶段116-132的处理，其中使用对应于行程位置的第二端点的第二目标信号作为图3的目标信号。操作员可如期望那样操作机器10，直至作业工具16在阶段188到达行程位置的第二端点。一旦已发生预定操作，例如在行程位置的第二端点倾倒铲斗（阶段190），控制器60便在阶段180改变在图3中识别的目标信号以对应于第一目标信号，第一目标信号对应于行程位置的第一端点。可重复这种在行程位置的第一和第二端点之间交替的顺序，直至向控制器发送信号以终止该交替的操作顺序。

可使用限定或建立行程位置的多个端点的方式，例如使用在图5中阐述的处理并指示控制器60在作业工具16第一次执行预定操作例如倾倒铲斗时在阶段148从传感器读取数据，并且在图7的阶段174将该数据作为对应于行程位置的第一端点的目标信号储存。操作员可继续机器10的操作，并且一旦作业工具16在第二位置执行预定操作例如倾倒铲斗控制器便可第二次在阶段158读取传感器数据并且在图7的阶段178将该数据作为对应于行程位置的第二端点的目标信号储存。在限定行程位置的多个端点的另一替代方式中，操作员可例如基于目标车辆的类型和尺寸来选择控制器60包括行程位置的端点的设定图案的模式。在限定行程位置的多个端点的又一替代方式中，在图6中阐述的处理可用来通过基于机器10和运输车辆12的尺寸以及各者的全球位置、取向及俯仰和侧倾计算它们的值来生成行程信号的目标端点。在操作员可相对于翻斗13的长度和宽度以及相对于翻斗顶部的高度设定特定位置的图6的阶段160期间，操作员可指定期望位置作为行程位置的第一和第二端点或指示控制器基于翻斗的位置计算行程位置的第一和第二端点。尽管利用行程位置的两个端点设定在图7中阐述的处理，但可通过限定行程位置的另外的端点和在行程位置的端点之间交替的期望顺序来利用行程位置的多于两个端点。

应指出，在生成或计算对应于行程位置的端点的目标信号的每一个示例中，这些信号可包括框架42的俯仰和侧倾。如果要在储存目标信号之后改变框架42的当前倾斜或翻滚，则控制器60可操作成基于机器10的运动学结构而重新计算用于动臂部件24、斗杆部件30和框架42各者的目标信号并且将这些重新计算出的信号作为目标信号储存。类似地，如果要监视目标车辆的俯仰和侧倾并利用其作为动臂部件24、斗杆部件30和框架42的目标信号以及框架42的目标俯仰和侧倾的生成或计算的一部分，并且要改变目标车辆的当前俯仰和侧倾，则控制器60可操作成基于机器10的运动学结构重新计算用于动臂部件24、斗杆部件30和框架42各者的目标信号并且将这些重新计算出的信号作为目标信号储存。

工业适用性

根据前面的说明，将容易地了解本文中所述的控制系统的工业适用性。本发明适用于许多机器和通过机器完成的许多任务。该控制系统适合的一种示例性机器为挖掘机。然而，控制系统可适用于受益于在行程位置的端点附近对作业工具的控制的任何挖掘机器或物料处理机。

所公开的控制系统可在作业工具到达与行程位置的端点相距预定距离的位置时修改来自机器的操作员的指令信号，以便减慢或控制作业工具的运动。如果作业工具与行程位置的端点隔开大于预定距离的距离、作业工具运动离开行程位置的端点或者该运动比控制器将生成的修改后的命令慢，则通过来自操作员的命令而不是通过控制系统的控制器来控制机器。在一示例中，控制系统配置成减慢或阻尼机具系统的姿势运动以便减慢作业工具在行程位置的端点附近的运动。通常期望避免作业工具的运动的突然变化以便减少物料从作业工具的任何溢出。控制系统通过协助操作员避免快速减速并在倾倒操作前协助使铲斗在行程位置的端点附近精确地定位而简化了机器的操作。

应了解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。但是，可以预期，本发明的其它实施方案可在细节方面可不同于前面的示例。所有对本发明或其示例的说明旨在就这一点说明具体示例且并非旨在更一般地对本发明的范围加以任何限制。对某些特征的区别和贬低的所有语言旨在表示不优选这些特征，但并不将此类特征完全排除在本发明的整体范围之外，除非另外指出。

文中对数值范围的叙述仅旨在用作单独参考落在该范围内的各单独的数值的简便方法，除非文中另外指出，并且将各单独的数值结合在说明书中，就如它在文中被单独叙述一样。文中所述的所有方法可采用任何合适的次序执行，除非文中另外指出或另外明显与上下文抵触。

因此，此发明如适用的法律所允许的那样包括在此所附的权利要求中叙述的主题的所有改型和等同物。此外，上述特征在其所有可能的变型中的任何结合为本发明所涵盖，除非文中另外指出或另外明显与上下文抵触。

Claims (10)

1.一种用于控制机器（10）的作业工具（16）在所述作业工具（16）的行程位置的期望端点附近的运动的控制系统（50），所述机器（10）包括可操作地连接到框架（42）的动臂部件（24）、可操作地连接到所述动臂部件（24）的斗杆部件（30）和可操作地连接到所述斗杆部件（30）的所述作业工具（16），所述控制系统（50）包括：

控制器（60），所述控制器配置成：

储存指示所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的行程位置的端点的目标信号；

接收指示所述机器（10）上的操作员输入装置（48）的致动的信号，操作员输入装置（48）致动信号指示所述作业工具（16）的期望运动；

至少部分地基于从所述机器（10）上的传感器（64）接收的信号而确定所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的位置和速度；

基于所述操作员输入装置（48）致动信号、所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）对它们的行程位置的相应端点的接近以及所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的速度而生成指令信号以控制所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的运动；并且

将所述指令信号传输至所述控制系统（50）以控制所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）在所述作业工具（16）的行程位置的期望端点附近的运动。

2.根据权利要求1所述的控制系统（50），其中，所述控制器（60）还配置成基于所述机器（10）上的目标操作员输入装置（48）的致动而将指示所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的位置的信号作为所述目标信号储存。

3.根据权利要求1所述的控制系统（50），其中，所述控制器（60）还配置成在所述作业工具（16）执行预定操作时自动储存所述目标信号。

4.根据权利要求1所述的控制系统（50），其中，所述控制器（60）还配置成至少部分地基于所述机器（10）的预定尺寸和全球定位信号以及定位在所述作业工具（16）的行程位置的期望端点附近的目标机器（12）的预定尺寸和全球定位信号而生成指示所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的期望端点位置的信号，并且将所生成的信号作为所述目标信号储存。

5.根据权利要求4所述的控制系统（50），其中，所述目标机器（12）包括负荷接收结构，并且所述预定尺寸包括所述负荷接收结构相对于地面基准的高度及所述负荷接收结构的尺寸。

6.根据权利要求1所述的控制系统（50），其中，所述控制器（60）还配置成基于三种操作模式的其中至少两种而储存所述目标信号，所述操作模式包括：

第一模式，包括致动目标操作员输入装置（48）以将指示所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的位置的信号作为所述目标信号储存；

第二模式，在所述第二模式中，所述作业工具（16）运动至倾倒定向从而将指示所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的位置的信号作为所述目标信号自动储存；和

第三模式，包括至少部分地基于所述机器（10）的预定尺寸和全球定位信号以及所述作业工具（16）的行程位置的期望端点附近的目标机器（10）的预定尺寸和全球定位信号而生成指示所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的期望端点位置的信号并且将所生成的信号作为所述目标信号储存。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的控制系统（50），其中，所述作业工具（16）为铲斗，行程位置的期望端点为所述铲斗的第一倾倒位置，并且所述控制器（60）还配置成：

通过储存指示在所述作业工具（16）定位在所述第二倾倒位置的情况下所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的行程位置的第二端点的第二目标信号来建立大体上与所述第一倾倒位置横向地隔开的所述铲斗的第二倾倒位置；

接收指示所述机器（10）上的所述操作员输入装置（48）的致动的第二信号，第二操作员输入装置（48）致动信号指示所述作业工具（16）的朝向所述第二倾倒位置的期望运动；

至少部分地基于从所述机器（10）上的所述传感器（64）接收的信号而确定所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的位置和速度；

基于所述第二操作员输入装置（48）致动信号，所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）对它们的行程位置的相应第二端点的接近以及所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的速度而生成第二指令信号以控制所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的运动；

将所述第二指令信号传输至所述控制系统（50）以控制所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）在所述第二倾倒位置附近的运动；并且

以预定顺序操作以控制所述第一倾倒位置和所述第二倾倒位置附近的运动，以使得当在所述第一倾倒位置和所述第二倾倒位置倾倒所述铲斗时所述铲斗在所述第一倾倒位置与所述第二倾倒位置之间交替倾倒位置。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的控制系统（50），其中，所述控制器（60）还配置成使得至少部分地通过基于对所述操作员输入装置（48）致动信号的所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的期望运动速率与数据脉谱图的比较以及所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）的速度而生成所述指令信号，所述数据脉谱图包括所述动臂部件（24）、所述斗杆部件（30）和所述框架（42）基于对它们的行程位置的相应端点的接近的运动速率，并且所述指令信号基于在所述期望运动速率与所述数据脉谱图运动速率之间较慢的运动速率。

9.一种机器（10），包括根据权利要求1-8中任一项所述的控制系统。

10.一种控制机器（10）的作业工具（16）在所述作业工具（16）的行程位置的期望端点附近的运动的方法，包括由根据权利要求1-9中任一项所述的控制系统执行的步骤。

Images