CN103577683A - 铲车训练模拟器的深度相关帮助功能 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铲车训练模拟器的深度相关帮助功能。用于训练操作员的系统和方法。系统包括计算装置，所述计算装置包括处理单元和计算机可读介质。所述计算机可读介质存储训练模拟器应用。当训练模拟器应用被所述处理单元执行时，所述训练模拟器应用被配置成（i）从所述操作员接收操作命令；（ii）基于所述操作命令，生成模拟工作环境和具有模拟铲斗的模拟铲车，所述模拟铲车和所述模拟铲斗位于所述模拟工作环境中；（iii）生成指示器，所述指示器向所述操作员提供深度相关信息，所述深度相关信息涉及所述模拟铲斗相对于所述模拟工作环境中的参考点的位置；和（iv）向至少一个输出装置输出所述模拟工作环境和所述指示器，以向所述操作员显示。

Description

铲车训练模拟器的深度相关帮助功能

相关申请的交叉引用 

本申请要求2012年8月2日提交的美国临时专利申请No.61/742,096的优先权，其公开内容在此通过引用以其整体并入。 

技术领域

本发明涉及用于在模拟环境中训练诸如铲车的工业机器操作员的方法和系统。 

背景技术

诸如电动绳铲或电动力铲、索斗铲等等的工业机器被用于执行挖掘操作，以例如从矿堆积物移除材料。操作员在挖掘操作期间控制铲车，以向铲斗装载材料。操作员将铲斗中的材料堆积到拖运卡车中。在卸载材料后，挖掘循环继续，并且操作员将铲斗回转至所述堆积物，以执行另外的挖掘。 

考虑到铲车的成本以及铲车的效率值和成本有效操作，适当地循环操作员是重要的。然而，基于这些相同参数，难以向操作员提供实境或现场训练。因此，能够使用基于计算机的训练模拟器来训练操作员。基于计算机的模拟器生成一种提供模拟铲车和模拟工作环境的模拟训练环境。在至少一个监视器或屏幕上显示该训练环境。然而，监视器或屏幕是2维的。因此，难以在该训练环境中提供适当的深度视角。即使（使用基于计算机的技术）以3维生成和显示该训练环境时，监视器或屏幕的2维特性也限制了适当显示深度的能力。 

深度是在实境环境下操作铲车的重要方面。例如，操作员必须相对于堆积物适当定位铲斗，以防止挖掘到堆积物的平坡面以下。另外， 操作员必须将铲斗适当地定位在拖运卡车的平板之上，以确保铲斗中的材料被放置到卡车中。如果没有这些任务的适当深度视角，训练模拟器就可能不会适当地训练操作员利用铲车来执行这些或其他任务。 

发明内容

因此，本发明的实施例提供用于训练铲车的操作员的方法。一种方法包括：利用处理器生成一种模拟训练环境，该模拟训练环境包括具有模拟铲斗的模拟铲车；和在该模拟训练环境中显示指示器，所述指示器标记低级别平面的至少一部分。该方法也包括：基于铲斗在模拟训练环境中的位置，确定模拟铲斗的至少一部分是否低于该低级别平面；和当模拟铲斗的至少一部分低于该低级别平面时，就向模拟铲车的操作员提供至少一个警告。 

另一种方法包括：利用处理器生成一种模拟训练环境，该模拟训练环境包括模拟拖运卡车和具有模拟铲斗的模拟铲车；和在模拟训练环境中显示模拟铲斗的回转路径的至少一部分的指示器。本发明也包括：确定模拟铲斗是否位于离模拟拖运卡车的预定距离内；并且当模拟铲斗位于离模拟拖运卡车的预定距离内时，就向操作员发出警报。 

本发明的进一步实施例提供一种训练操作员的系统。该系统包括计算装置，该计算装置包括处理单元和计算机可读介质。该计算机可读介质存储训练模拟器应用。当该训练模拟器应用被处理单元执行时，该训练模拟器应用被配置成（i）从操作员接收操作命令；（ii）基于该操作命令，生成模拟工作环境和具有模拟铲斗的模拟铲车，模拟铲车和模拟铲斗位于模拟工作环境中；（iii）生成指示器，该指示器向操作员提供深度相关信息，所述深度相关信息涉及模拟铲斗相对于模拟工作环境中的参考点的位置；和（iv）向至少一个输出装置输出模拟工作环境和指示器，以向操作员显示。 

通过考虑具体实施方式和附图，本发明的其他方面将变得显而易 见。 

附图说明

本专利或申请文件包括彩色完成的至少一幅附图。应要求，并且支付必需的费用，事务所将提供具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。 

图1图示了根据本发明实施例的用于训练操作员的系统。 

图2-4是图示由图1的系统生成的模拟训练环境的屏幕截图。 

图5a-c和6a-b是图示由图1的系统生成的水平级别检测功能的屏幕截图。 

图7a-b、8a-c和9a-d是图示由图1的系统生成的铲车至卡车对齐功能的屏幕截图。 

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明的应用不限于下文说明书中阐述或下文附图中所示的构造和组件布置的细节。本发明能够具有其他实施例，并且能够以各种方式实践或执行本发明。而且，能够以各种顺序执行本文描述的方法、操作和次序。因此，除非本文另外指出，否则其中在详细说明书或本申请的权利要求中提出的元件、步骤或限制的顺序不暗示必需顺序。而且，除非本文另外指出，否则本文所述的方法和处理步骤能够被组合为更少步骤，或者能够被分为另外的步骤。 

另外，应理解，本文使用的措词和术语是出于说明的目的，并且不应将其视为限制性的。本文使用的“包括…”、“包含…”或“具有…”及其变体意思是涵盖后面所列举的项目及其等同物，以及另外的项目。广泛使用术语“安装”、“连接”和“耦合”，并且包括直接和间接的安装、安装和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且能够包括直接或间接的电连接或耦合。而且，也可使用任 何已知的手段，包括直接连接、无线连接等等来执行电子通信和通知。 

也应注意，可使用多个基于硬件和软件的装置，以及多个不同的结构性组件来实现本发明。另外，应理解，本发明的实施例可包括硬件、软件和电子组件或模块，出于讨论的目的，仿佛大多数组件都仅在硬件中实施一样图示和描述这些硬件、软件和电子组件或模块。然而基于对本详细说明书的阅读，本领域技术人员应明白，在至少一个实施例中，可在可由一个或多个处理器执行的软件（例如，存储在非易失性计算机可读存储器上的）中实施本发明的基于电子组件的方面。同样地，应注意，可利用多个基于硬件和软件的装置，以及多个不同的结构性组件来实现本发明。例如，说明书中所述的“控制器”能够包括标准处理组件，诸如一个或多个处理器、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口和连接组件的各种连接（例如，系统总线）。 

图1图示了根据本发明实施例的用于训练操作员的系统。该系统包括计算装置10，计算装置10包括可操作成生成提供模拟铲车和模拟工作环境的模拟训练环境等等的硬件和软件的组合。如图1中所示，计算装置10包括：处理单元12（例如，微处理器、微控制器或其他适当的可编程装置）；非易失性计算机可读介质14；和输入/输出接口16，等等。处理单元12、介质14和输入/输出接口16被一个或多个控制和/或数据总线（例如，公用总线18）连接。在图1中出于说明目的大致示出控制和/或数据总线。 

应理解，在其他构造中，计算装置10包括另外的、更少的或不同的组件。也应理解，计算装置10能够包括通用计算机，该通用计算机执行存储在介质14中的各种模块或应用。在其他实施例中，计算装置10包括服务器，该服务器执行各种模块或应用，并且其他装置连接至服务器（例如，在至少一个网络上）以提供对服务器的输入和获得服务器的输出。在另外的其他实施例中，计算装置10是提供模拟训练的 专用装置，并且作为控制台的一部分被包括，控制台包括安装在平台上的仿制铲车内部，以模拟实际铲车。 

计算机可读介质14存储程序指令和数据，并且特别存储训练模拟器应用19。处理单元12被配置成从介质14检索应用19，并且执行应用19，以生成如下文所述的包括模拟铲车和模拟工作环境的模拟训练环境。输入/输出接口16将来自计算装置10的数据传送至外部系统、网络和/或装置，并且从外部系统、网络和/或装置检索数据。输入/输出接口16也能够将从外部源接收到的数据存储至介质14，和/或向处理单元12提供所述数据。 

如图1中所示，输入/输出接口16与至少一个输入装置20通信。输入装置20能够包括由操作员控制的装置，以向模拟铲车发出操作命令（例如，推进铲车、回转铲斗、卷扬铲斗、推压铲斗、从铲斗倾斜材料，等等），和/或选择用于模拟工作环境的操作参数（例如，相机视角、铲车类型、矿物类型、天气、当日时间，等等）。例如，输入装置20能够包括键盘、操纵杆、鼠标、触摸屏、轨迹球、触觉按钮、踏板，等等。在一些实施例中，输入装置20包括类似于实际铲车中所包括的控制装置。输入装置20能够经由一个或多个有线连接（例如，通用串行总线（“USB”）电缆）和/或无线连接而连接至计算装置10。在一些实施例中，当计算装置10充当托管训练模拟器的服务器时，输入装置20包括通过至少一个网络上（例如，局域网（“LAN”）或因特网）访问该服务器的计算装置。 

输入/输出接口16也与至少一个输出装置22通信。输出装置22能够包括至少一个监视器或屏幕（例如，液晶显示器（“LCD”）监视器），该监视器或屏幕向操作员显示所生成的模拟训练环境。在一些实施例中，输出装置22包括多个屏幕，所述多个屏幕向操作员提供宽视角训练环境。输出装置22也能够包括投影仪，该投影仪将所生成的训练环境投射在至少一个表面上。输出装置22也能够包括向操作员提供 可听或可触反馈的装置。例如，输出装置22能够包括向操作员提供可听警告或现实工地声音的一个或多个扬声器。输出装置22也能够包括向操作员提供触觉反馈（例如，指示碰撞或撞击）的振动装置。在一些实施例中，输出装置22也包括可移动椅子，该可移动椅子移动（例如，使用液压机构）以向操作员提供实际训练体验。如上文对输出装置所述的，输出装置22能够经由一个或多个有线连接和/或无线连接而连接至计算装置10。 

应理解，在一些实施例中，能够将操作为输入装置20和输出装置22两者的装置连接至输入/输出接口16。例如，能够使用向操作员显示模拟训练环境并且从操作员接收命令或选择的触摸屏。另外，当计算装置10操作为托管训练模拟器应用19的服务器时，接入服务器的装置操作为输入装置20和输出装置22两者。 

如上所述，计算装置10执行训练模拟器应用19，以生成模拟训练环境。图2-4是示出根据本发明的实施例的由应用19生成的模拟训练环境的屏幕截图。如图2-4所示，该训练环境包括模拟铲车50，模拟铲车50包括模拟铲斗55。模拟铲车50显示在模拟工作环境（例如，模拟露天矿）中，该模拟工作环境能够包括其他车辆和物体，诸如模拟拖运卡车60。如图2-4所示，应用19能够从多相机视角或视角显示模拟训练环境。 

为了在模拟训练环境中提供深度视角，应用19包括用于提供各种深度相关帮助功能的指令和数据。该帮助功能在模拟训练环境中提供各种指示器（例如，视觉、听觉、触觉等等），以帮助操作员因此判断深度和操作铲车50。由应用19提供的一种帮助功能包括水平级别检测功能。该水平级别检测功能检测操作员在模拟训练环境中何时以模拟铲斗55挖掘到水平级别平面（例如，铲车50所坐落的地面）65下。在实境情况下，如果操作员挖掘地比水平级别平面低，则在支撑铲车的地面中形成沟渠，并且铲车能够掉落到该沟渠中，这产生对操作员 和铲车都不安全的情况。 

如图5a-c所示，由应用19提供的水平级别检测功能在模拟环境中显示标记水平级别平面65的至少一部分的指示器80。在一些实施例中，应用19显示与操作员应挖掘的侧壁或堆积物90相邻的指示器80。当操作员尝试将铲斗55的齿放置在堆积物90的适当区域中时，指示器80帮助操作员获得视角。如图5a-c所示，指示器80能够包括高亮彩色区域，该高亮彩色区域覆盖或代替铲车50在其中挖掘的地面或表面的一部分（例如，以与地面或表面颜色不同的颜色）。在其他实施例中，指示器80能够包括标记或符号、轮廓线或线，或者代替高亮区域或者除了高亮区域之外的动画（例如，闪动的颜色、线或形状）。 

随着操作员在模拟环境中移动铲斗55（例如，使用一个或多个输入装置20），应用19检测铲斗55的一部分（例如，铲斗55的齿）是否位于低于水平级别平面65或者在水平级别平面65之下。如果操作员将模拟铲斗55的一部分移动至水平级别平面65之下，则应用19就向操作员提供警告。在一些实施例中，应用19改变指示器80（例如，颜色、尺寸、形状、图案或动画），以向操作员提供警告。例如，如果铲斗55不位于水平级别平面65之下，则应用19就以第一颜色（例如，绿色）显示指示器80（参见图5a-c）。如果铲斗55的至少一部分位于水平级别平面65之下，则应用19以第二颜色（例如，红色）显示指示器80（参见图6a-b）。而且，在一些实施例中，取决于铲斗55相对于水平级别平面65的位置，应用19使指示器80从一种颜色逐渐变为另一种颜色。例如，应用19能够将指示器80从第一颜色逐渐变为第二颜色，以便指示器80的颜色越接近第二颜色，操作员将铲斗55定位在级别平面65之下越低。应用19也能够使用多种颜色通知操作员，铲斗55在水平级别平面上、处于该水平级别平面或在该水平级别平面下多远。因此，操作员的目标之一可以是，通过将铲斗齿放置在水平级别平面65和堆积物90的接缝处来保持指示器80尽可能地接近特定颜色。 

替换地或另外，应用19能够被配置成使用指示器80的不同于颜色的特征，以当铲斗55位于低于平面65时向操作员发出警报。例如，应用19能够被配置成，当铲斗55位于低于平面65时，改变指示器80的尺寸、图案、形状或动画（例如，使指示器闪烁或跳动）。另外或作为使用指示器80向操作员提供警告的替换方式，应用19能够被配置成在模拟环境中显示视觉警告（例如，基于文本的警告、铲斗55、铲车50和/或环境的另外颜色加亮），和/或生成听觉或触觉警告，以向操作员发出铲斗55位于级别下的警报。 

应理解，在一些实施例中，应用19仅当操作员将模拟铲斗55放置在水平级别平面65之下时，才提供指示器80（或者以其他方式向操作员提供警告或其他反馈）。例如，如果铲斗55不位于级别下，则应用19可不显示指示器80。 

另外或作为对水平级别检测功能的替换方式，应用19能够提供铲车对齐深度相关功能。该功能帮助操作员将铲斗55与模拟工作环境中的其他物体对齐，或者避免诸如铲斗55的模拟工作环境中的其他物体回转。例如，操作员能够使用铲车对齐功能将铲斗55与模拟拖运卡车60对齐，以确保将来自铲斗55的材料适当地放置到卡车60中。如图7a-b所示，为了提供该功能，应用19显示指示器100。指示器100标记铲斗55的回转路径的至少一部分（例如，铲斗55的中心路径）。如果指示器100交叉或与模拟工作环境中的物体交迭，则操作员就认识到，如果将铲斗55回转至该位置（例如，不以其他方式移动铲车50），则物体就将在至少一维中（例如，深度）与铲斗55交迭。如图7a-b所示，指示器100可以是圆形轮廓。在另外的其他实施例中，指示器100能够包括标记或符号、形状或区域，或者代替圆形轮廓或者除了圆形轮廓之外的动画（例如，闪动的颜色、线或形状）。 

当铲斗55与模拟工作环境中的另外的物体对齐时，应用19能够 向操作员发出警报。例如，应用19能够取决于铲斗55相对于模拟工作环境中的其他物体的位置来修改指示器100（例如，颜色、尺寸、形状、图案或动画）。在一个实施例中，当操作员将铲斗55定位在离模拟拖运卡车60的卡车平板中心预定距离内时，应用19以第一颜色（例如，绿色）显示指示器100（参见图8a-c）。如果铲斗55未被定位在离卡车平板中心的预定距离内，则应用19以第二颜色（例如，红色）显示指示器100（参见图9a-d）。 

在一些实施例中，应用19使用多种阈值和多种颜色，以使用指示器100向操作员传递深度信息。例如，如果铲斗55不处于离卡车平板中心的第一预定距离内（例如，约50英尺），则应用19以第一颜色（例如，红色）显示指示器100。当铲斗55位于离卡车中心的第二预定距离内（例如，约25英尺），但是不在离卡车平板中心的第三、较小预定距离内（例如，约2英尺）时，应用19以第二颜色（例如，黄色）显示指示器100。最后，当铲斗55位于在离卡车平板中心的第三预定距离内时，应用19以第三颜色（例如，绿色）显示指示器100。类似地，应用19可使用指示器100的颜色，以向操作员传递是否需要向前或向后移动铲斗55，以适当地与卡车平板的中心对齐。除了指示器100以外，应用19也可显示一个或多个指示器（例如，箭头或基于文本的消息），以通知操作员是否需要向前或向后移动铲斗55，以适当地与卡车平板的中心对齐。 

在一些实施例中，应用19也改变铲斗55或铲车50的其他部分，以进一步强调铲斗55和卡车60之间的当前关系。例如，如图8a-c和9a-d所示，应用19能够改变铲斗55的颜色，以匹配指示器100的当前颜色。替换地或另外，应用19能够被配置成使用指示器100的颜色不同于的特征，以当铲斗55被适当定位和/或不适当定位以装载卡车60时通知操作员（例如，使用闪烁或其他动画、基于文本的消息、听觉反馈、触觉反馈等等）。而且，如图9a所示，在一些实施例中，应用19显示卡车60上的中心线120，操作员能够将指示器100与该中心线 对齐，以将铲斗55定位在卡车60的中心上。应用19也能够基于铲斗55是否位于离中心线120的预定距离内，改变中心线120的颜色或其他特征。 

因此，本发明的实施例在铲车的模拟训练环境中提供深度相关帮助功能。具体地，本发明的实施例提供下列系统和方法，所述系统和方法用于：生成模拟训练环境，所述模拟训练环境包括具有模拟铲斗的模拟铲车；和在模拟训练中显示至少一个指示器，所述至少一个指示器向操作员提供与模拟铲斗相对于模拟训练环境中的参考点的位置有关的深度信息。如上所述，参考点能够包括水平级别平面或模拟拖运卡车上的卡车平板中心。然而，应理解，参考点能够包括模拟环境中的任何位置或物体，操作员必须将模拟铲斗55或铲车50与该位置或物体对齐，诸如挖掘深度、铲斗55的停车或维护高度、铲车的停止位置，等等。在一些实施例中，能够由操作员选择或设置参考点。当操作员正在适当或不适当地操作铲车时，该系统和方法也能够警告或者对操作员发出警报。此外，应理解，能够在用于其他类型的工业设备的模拟训练环境中使用本申请中所述的深度相关帮助功能，以向操作员提供特定参考点的深度信息。因此，本发明的实施例不限于铲车的模拟训练环境。 

在所述权利要求中阐述了本发明的各种特征。 

Claims (30)

1.一种用于训练铲车的操作员的方法，所述方法包括：

利用处理器生成模拟训练环境，所述模拟训练环境包括具有模拟铲斗的模拟铲车；

在所述模拟训练环境中显示标记低级别平面的至少一部分的指示器；

基于所述铲斗在所述模拟训练环境中的位置，确定所述模拟铲斗的至少一部分是否低于所述低级别平面；以及

当所述模拟铲斗的至少一部分低于所述低级别平面时，向所述模拟铲车的操作员提供至少一个警告。

2.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述低级别平面的所述指示器包括：以一种颜色加亮所述低级别平面的至少一部分。

3.根据权利要求2所述的方法，其中向所述操作员提供所述至少一个警告包括：以第二颜色加亮所述低级别平面的至少一部分。

4.根据权利要求2所述的方法，其中向所述操作员提供所述至少一个警告包括：使所述指示器从第一颜色变为所述第二颜色。

5.根据权利要求1所述的方法，其中向所述操作员提供所述至少一个警告包括：改变所述指示器的颜色、尺寸、形状、图案和动画中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的方法，其中向所述操作员提供所述至少一个警告包括：在所述模拟训练环境中向所述操作员提供基于文本的警告。

7.根据权利要求1所述的方法，其中向所述操作员提供所述至少一个警告包括：向所述操作员提供听觉警告和触觉警告中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述指示器包括加亮与模拟堆积物邻近的水平级别平面的一部分。

9.一种用于训练铲车的操作员的方法，所述方法包括：

利用处理器生成模拟训练环境，所述模拟训练环境包括模拟拖运卡车和具有模拟铲斗的模拟铲车；

在所述模拟训练环境中显示所述模拟铲斗的回转路径的至少一部分的指示器；

确定所述模拟铲斗是否位于离所述模拟拖运卡车的预定距离内；以及

当所述模拟铲斗位于离所述模拟拖运卡车的预定距离内时，向所述操作员发出警报。

10.根据权利要求9所述的方法，其中显示所述指示器包括：以一种颜色显示所述指示器。

11.根据权利要求10所述的方法，其中向所述操作员发出警报包括：以第二颜色显示所述指示器。

12.根据权利要求9所述的方法，其中向所述操作员发出警报包括：改变所述指示器的颜色、尺寸、形状、图案和动画中的至少一个。

13.根据权利要求9所述的方法，其中向所述操作员发出警报包括：改变所述模拟铲车的至少一部分。

14.根据权利要求13所述的方法，其中改变所述模拟铲车的至少一部分包括：将所述模拟铲斗的颜色改变为所述指示器的颜色。

15.根据权利要求9所述的方法，其中向所述操作员发出警报包括：在所述模拟训练环境中向所述操作员提供基于文本的消息。

16.根据权利要求9所述的方法，其中向所述操作员发出警报包括：向所述操作员提供听觉反馈和触觉反馈中的至少一个。

17.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：在所述模拟训练环境中，显示所述模拟拖运卡车的平板中心线的至少一部分的第二指示器。

18.根据权利要求17所述的方法，其中向所述操作员发出警报包括改变所述第二指示器的颜色。

19.根据权利要求9所述的方法，其中所述指示器包括圆形轮廓线。

20.一种用于训练操作员的系统，所述系统包括：

计算装置，所述计算装置包括处理单元和计算机可读介质，所述计算机可读介质存储训练模拟器应用；

其中当所述训练模拟器应用被所述处理单元执行时，所述训练模拟器应用被配置成：

从所述操作员处接收操作命令，

基于所述操作命令，生成模拟工作环境和具有模拟铲斗的模拟铲车，所述模拟铲车和所述模拟铲斗位于所述模拟工作环境中，

生成指示器，所述指示器向所述操作员提供深度相关信息，所述深度相关信息涉及所述模拟铲斗相对于所述模拟工作环境中的参考点的位置，以及

向至少一个输出装置输出所述模拟工作环境和所述指示器，以向所述操作员显示。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述参考点包括水平级别平面。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述指示器标记所述模拟工作环境的至少一部分水平级别平面。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述训练模拟器应用进一步被配置成：当模拟铲斗的至少一部分位于所述水平级别平面之下时，修改所述指示器。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述训练模拟器应用被配置成：通过改变所述指示器的颜色来修改所述指示器。

25.根据权利要求20所述的系统，其中所述参考点包括所述模拟训练环境中所包括的模拟拖运卡车的平板中心线。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述指示器标记所述模拟铲斗的回转路径的至少一部分。

27.根据权利要求26所述的系统，其中所述训练模拟器应用进一步被配置成：当所述模拟铲斗与所述参考点对齐时，修改所述指示器。

28.根据权利要求27所述的系统，其中所述训练模拟器应用被配置成：通过改变所述指示器的颜色来修改所述指示器。

29.根据权利要求25所述的系统，其中所述训练模拟器应用进一步被配置成：生成第二指示器，所述第二指示器标记所述参考点的至少一部分。

30.根据权利要求29所述的系统，其中所述训练模拟器应用进一步被配置成：当所述模拟铲斗与所述参考点对齐时，修改所述第二指示器。

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