CN105143839A - 估计牵引机器中有效载荷的质量的方法 - Google Patents

Abstract

一种由可编程控制器156实施以估计移动牵引机器100的床板130的有效载荷质量的方法。所述方法包括：确定机器100是否处于稳定加速度和坡度，估计变速器转矩，计算在至少一个地面接合元件111处的车轴转矩，计算在所述地面接合元件111处的力，确定机器100的加速度，计算具有有效载荷133的机器100的质量，基于估计的机器100的质量和滚动阻力调节具有有效载荷133的计算的机器100的质量，以及提供有效载荷133的质量的估计。

Description

估计牵引机器中有效载荷的质量的方法

技术领域

本发明通常涉及有效载荷牵引机器，且更具体地，涉及估计由有效载荷牵引机器所承载的质量的方法。

背景技术

牵引机器在各种工业中使用，以将有效载荷从一个位置运输到另一个位置。为了有效操作这种机器，需要承载最佳大小的有效载荷。使机器装载量小于其满负荷量，可能导致不必要运行相关联的过量成本和维护计划的增加。机器过载可能导致增加的磨损及昂贵的维护费用。

人们已经提出用于确定牵引机器中有效载荷的质量的很多方法。虽然通过在称上物理称量机器重量，并且然后扣除机器自身重量可能是测量有效载荷的可靠方法，但这种装置在大型机器中不实用。此外，物理称量机器的重量在本领域中通常不可能。

发明人Kirby的欧洲专利申请公开0356067公开了一种利用方程式重量等于力除以加速度来计算车辆质量的方法，也就是说，W＝f/a，基于用于获得力和加速度的数值的计算结果进行调节。通过与制动机构相关联的测量，或通过由安装在公路车辆传动轴上的磁性标识器测量的传动部件的变形或扭转，Kirby提出基于惯性加速度计的加速度测量。轴的扭转导致来自标识器的信号之间的延迟，其中时间间隔与加速度力成比例。Kirby进一步提出结合来自速度计装置的时间信号由传感器装置确定的力，其中机器在水平地面上在两种速度之间以恒定加速度行驶。Kirby指出计算中所得的常数可以在已知称重机器中进行评估，并通过校准进行消除，以使得可以使用上述方程式计算车辆的重量。

发明内容

在一方面，本发明描述了一种在具有可移动地面接合元件和床板的牵引机器中由可编程控制器实现的方法。该方法估计在机器向前移动期间床板中包含的有效载荷。该方法包括确定机器是否处于稳定加速度和坡度，估计变速器转矩，计算至少一个地面接合元件的车轴转矩，计算在所述地面接合元件处的力，确定机器的加速度，计算具有有效载荷的机器的质量，基于估计的机器质量和滚动阻力调节具有有效载荷的机器的质量，以及提供有效载荷质量的估计。

在另一方面，本发明描述了非暂时性计算机可读介质，其包括计算机可执行指令，这些计算机可执行指令有助于执行一种由估计在机器向前移动期间具有可移动地面接合元件的牵引机器的床板中包含的有效载荷的可编程控制器来实现的方法。该方法包括确定机器是否处于稳定加速度和坡度，估计变速器转矩，计算至少一个地面接合元件的车轴转矩，计算在所述地面接合元件处的力，确定机器的加速度，计算具有有效载荷的机器的质量，基于估计的机器质量和滚动阻力调节具有有效载荷的机器的计算质量，以及提供动态有效载荷的估计。

在另一方面，本发明描述了一种牵引机器，其具有多个可移动地面接合元件、适用于承载有效载荷的床板、适用于在多个档位中操作的变速器、适用于指示机器当前操作状态的加速度计，以及可编程控制器。可编程控制器由计算机可执行指令配置成使用一组参数估计在机器向前移动期间在床板中包含的有效载荷的质量，所述参数包括：变速器的操作状态、在当前档位中的时间长度、坡度、油门位置、当前机器加速度操作状态、至少一个地面接合元件的各参数、空载机器质量以及估计的滚动阻力。

附图说明

虽然所附权利要求书具体阐述了本发明的特征，但是通过下面结合附图的详细描述可以更好地理解本发明及其优点，在附图中：

图1是铰接卡车机器/车辆的概略侧视图，其示为适用于结合根据本发明估计有效载荷质量的方法的机器的一个例子。

图2是根据本发明的方法的各方面的示例性机器的可编程控制器及到控制器的输入的框图表示；

图3为流程图，其概括由可编程控制器执行的示例性方法的操作，以确定估计根据本发明的有效载荷的质量的方法的可靠性；

图4为流程图，其概括由可编程控制器执行的示例性方法的操作，以估计根据本发明的牵引机器的有效载荷的质量；

图5为流程图，其概括了用于结合图3和图4的方法确定牵引机器的有效载荷的质量的示例性策略的操作；以及

图6为流程图，其概括了用于结合图3至图5的方法确定牵引机器的有效载荷的质量的示例性策略的操作。

具体实施方式

本发明涉及牵引机器以及对承载的有效载荷的质量的确定。图1提供了结合根据本发明的机器有效载荷控制策略的机器100的一个示例的示意性侧视图。在图1的图示中，机器100为卡车，其为机器的一个示例，用以图示所描述的机器有效载荷控制策略的构思。尽管结合卡车示出了布置，但是，本文所述的布置具有在各种其它类型的有效载荷牵引机器中的潜在适用性，诸如轮式装载机、自动平地机等。术语“机器”指的是执行与行业相关联的某些类型操作的任何机器，诸如采矿、建筑、农业、运输或者本领域中已知的任何其它行业。例如，机器可以是自动倾卸卡车、反铲挖掘机、平地机、物料搬运机等。由于车辆是行驶的机器，因此术语车辆旨在包含与术语机器基本上相同的范围。

参考图1，所示出的机器100为铰接式卡车102，其包括耦合在铰接轴110处且支撑于地面接合元件111上(诸如前轮112和/或后轮114)的前车架部分104和后车架部分106。前车架部分104支撑驾驶室120并且通常支撑驱动系统122。驱动系统122通常包括配置成将动力传递至变速器126的内燃机124。变速器转而可以配置成使用任何已知的方式借助于车轴116将动力传递至地面接合元件111(例如，前轮112)。车轮112具有半径118，其对应于在驱动表面上的从动轮的滚动半径118(例如，从动轮112的中心到地面的距离)。

后车架部分106支撑床板130。在所示出的机器100中，床板130可以响应于来自通常位于驾驶室120中的操作者起重控制器134(见图2)的命令，通过一个或多个起重油缸132选择性地枢接在装载位置(示出)与卸载位置(以虚线示出)之间。虽然示出了具有枢转的床板130的铰接式卡车102，但是本发明的各方面也可以应用于其它有效载荷牵引机器(包括例如非铰接式机器)或者包括结合了倾倒板的床板的机器(顶出板可以由一个或多个倾倒油缸进行驱动，从而类似地推动床板130中包含的有效载荷133)。

机器100可以包括另外的操作者控制器(例如油门136)以及操作者可以通过其从档位的给定选择中选出特定档位的变速器档位控制器138(见图2)。机器100可以另外包括与机器100的操作相关联的多个测量仪器和/或传感器，诸如驾驶室速度传感器140、发动机速度传感器142、与前后方向(X)144和垂直方向(Z)145相关联的(多个)加速度计、和/或横摆传感器146。机器100可以进一步包括适于感测环境特征的传感器。例如，机器100可以包括倾斜传感器、倾角计或坡度检测器150。虽然在图2中的控制系统152的简化框图中示意性示出了这些控制器和传感器中的每一个，但是机器100可以包括附加的不同的或更少的控制器和传感器。

控制器和传感器提供指示对可编程控制器156的相应控制或感测的特征信号。在机器100的操作期间，控制器156可配置为通过关于图3至图6所述的方法，接收并处理与机器100的操作相关的信息，并提供在动态操作期间由机器100承载的有效载荷133的质量的确定。所确定的质量可通信地例如耦合到驾驶室120内的显示器160，或远程操作或监视位置(未示出)。为了本发明目的，术语“动态运行”或“动态条件”将指代这样的操作和状况，其中作为驱动系统122的对诸如前轮112和/或后轮114的地面接合元件111提供动力的结果，机器100正移动。

控制器156可包括处理器(未示出)和存储器组件(未示出)。处理器可以是微处理器或本领域中已知的其它处理器。在一些实施例中，处理器可由多个处理器组成。与所述方法相关的指令可被读取至或纳入诸如存储器组件的计算机可读介质，或被提供给外部处理器。在替代实施例中，可使用硬连线电路来代替软件指令或与其结合使用。因此实施例并不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

在此使用的术语“计算机可读介质”指的是参与向处理器提供指令以供执行的任何介质或介质组合。这种介质可采取多种形式，包括但不局限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘。易失介质包括动态存储器。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤。

常见形式的计算机可读介质包括例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带或者任何其它磁性介质、CD-ROM、任何其它光介质、打孔纸、纸带、具有孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM以及EPROM、FLASH-EPROM、其它任何存储芯片或者存储盒，或者计算机或处理器可从其读取的任何其它介质。

存储器组件可包括如上所述任何形式的计算机可读介质。存储器组件可包括多个存储器组件。

控制器156可以是在单个机壳内封闭的控制模块的一部分。在替代实施例中，控制模块可包括在多个机壳中可操作地连接并且封闭的多个组件。在其它的实施例中，控制模块可位于单个位置或多个可操作地连接的位置，包括固定地附接到机器100或远程附接到机器100。

现在参考图3和图4，其示出用于动态有效载荷133的质量的确定的示例性控制策略。该策略包括两方面：即确定是否存在合适的条件用于动态有效载荷133(图3)的估计质量的有效计算，以及所估计质量(图4)的计算。虽然各种步骤以特定顺序示出并讨论，但本领域技术人员将理解，除非另外特别指出，否则为了获得最终的动态有效载荷估计，这些步骤也可以替代的顺序实施。例如，虽然该策略首先示出了确定允许有效计算的条件是否存在，接着基于各种输入的实际计算，但通过首先执行实际计算，接着确定计算是否有效，该策略可同样执行，或该策略可同步执行。

为使得有效载荷133的估计质量计算在动态条件下有效，机器100必须以相对高的转矩情况并在处于或接近稳定的加速度和坡度处操作。参考如图3所示的策略300，动态有效载荷133的可靠性确定由位于框310中的任何合适的机制启动。尽管具体的查询步骤以特定的顺序示出并解释，但这些步骤也可以其它顺序(包括同步)实施。

参考决策框320，为了可靠地估计动态条件期间的有效载荷133，控制器156确定变速器126是否在大于预定档位的档位操作。此外，为确保档位操作处于非瞬态操作，控制器156确定变速器126在至少给定的时间段内是否保持在操作档位(见决策框330)。如果不满足这些要求中任一个，则在动态条件期间的有效载荷质量估计将不被认为可靠。

关于变速器126的操作的信息可由任何适当机构提供。例如，在一些实施例中，控制器156指导变速器126(包含所利用的操作档位)的操作，并且可包括在给定档位中的时间确定。另外或可替代地，与变速器126相关联的传感器等可提供指示操作档位以及在该档位中的时间的信号。

参考决策框340，控制器156确定机器100是否正以高于预定坡度的坡度操作。仅通过示例的方式，适当的预定坡度可以是6％。坡度可由任何的适当机构确定。例如，倾斜传感器、倾斜计或坡度检测器150可向控制器156提供指示坡度的信号。可替代地，坡度可通过任何适当数据计算，诸如例如基于来自加速度计的信号的计算。在动态条件期间有效载荷质量的估计将仅在机器100正以至少给定坡度上操作时是可靠的。

此外，机器100必须以处于高于预定水平的位置中的油门操作以便使估计可靠。油门位置可由任何适当机构确定。例如，可设置传感器，或油门136的操作者控制可向控制器156提供指示油门位置的信号，根据所述信号，控制器156可将油门位置与预定水平比较以便确定动态条件期间有效载荷质量的所得估计是否将可靠。适当的油门位置可例如接近全开油门。

虽然图3中未示出，但装置可进一步包含用于监视传感器是否正在工作的装置。传感器可能不再操作的情况可例如是导线已切断时。

转向图4，其示出用于在动态条件期间有效载荷133的估计质量的计算的策略400，其中机器100在相对高的转矩中并且处于或接近稳定加速度和坡度(即如可由图3中所述的策略300确定)的情况中操作。如由决策框405所示，计算将仅在机器100的操作满足这些预定的条件时是可靠的。虽然决策框布置在图4中所述的策略400的开始位置处，但其可同样布置在任何位置或紧跟估计质量的计算。

如框410中所示，估计来自变速器126的输出转矩。可通过任何适当方法、装置或机器操作参数值估计或计算转矩。例如，动态估计器可利用发动机ECM的发动机转矩信号广泛散布的。基于机器操作参数值可估计转矩，这些值包含报告的发动机转矩、速率比(转矩转换器输入与转换器输出的比率)和发动机速度。如框415中所示，可过滤来自变速器126的估计转矩，基于机器100的详细细节应用过滤常数以便获得指示变速器转矩的信号。

如框420处所示，为计算施加在车轮112的车轴116处的转矩，指示变速器转矩的信号乘以基于传输损耗效率的力因数(框425)和车轴比调节430。车轴比调节430可基于车轴116的档位比。为确定施加在车轮112处的力(F)(参见框435)，施加在车轴116处的转矩除以车轮112的半径118(参见框440)。

布置在机器100的床板130处的加速度计144提供指示在床板130处X方向中(即在前后方向中)的加速度的信号。过滤常数用于过滤来自加速度计144的信号以提供指示加速度(a)的已过滤加速度计信号(参见框445)。

通过使车轮112处的力(F)除以基于已过滤加速度计信号(框450)的加速度(a)来计算机器100(包含有效载荷133)的质量(框445)。借助有效载荷133对机器100的计算质量进行调节(框455)以说明机器100的质量。基于机器100的估计滚动阻力和之前质量计算，对空载机器100的估计质量(框460)进行调节(框465)，并且从机器100(包含有效载荷133)的估计质量中减去以提供动态有效载荷133的质量的初始估计。可同样基于机器100的细节和之前质量计算作出其它调节(框470)以在框475处提供动态有效载荷133的质量的最终估计。

用于估计机器100的有效载荷133的动态质量的策略可以是用于估计机器100的有效载荷133的质量的较大策略或集成算法的一部分。转向图5，示出了用于在各种条件期间有效载荷133的质量估计的示例性集成策略500。该集成策略500可以包括用于确定动态质量估计值的策略(框510)，与装载事件相关的策略(框520)以及与倒空事件相关的策略(框530)。通过这种方式，当机器100正在操作功能时，可编程控制器156监视机器100的各种功能和参数以及环境，从而确定质量判定是否适当。可以将计算的估计质量值用于算法中，以继续做出与机器100相关的确定。

更具体地说，如果在决策框540或决策框550中的任何一个处检测到存在可靠确定动态质量估计的条件，则可以利用动态条件期间用于确定承载的有效载荷133的质量的策略510。诸如图3所示，策略300可以在决策框540和550处用于检测并确定是否存在可靠估计动态质量的条件。同样，诸如图4所示，策略400可以用于计算有效载荷133(见框510)的动态质量。

根据动态质量估计的确定(框510)，如果检测到床板130倒空(决策框560)，则涉及倒空事件的策略530可以应用于确定床板130是否倒空，床板130中没有包含任何有效载荷133。相反地，如果检测到装载事件(决策框570)，则涉及装载事件的策略520可以应用于确定装载事件是否发生。

同样地，根据策略520对装载事件的确定，如果检测到用于可靠确定动态质量估计的条件(决策框550)，则可以应用用于在动态条件下质量确定的策略510。相反地，如果检测到倒空事件(决策框580)，则涉及倒空事件的策略530可以应用于确定床板130是否倒空。

最后，根据策略530对倒空事件的确定，如果检测到用于可靠确定动态质量估计(决策框540)的条件，则可以应用用于在动态条件下质量确定的策略510。再次相反地，如果检测到装载事件(决策框590)，则涉及装载事件的策略520可以应用于确定装载事件是否发生。

图5所示的集成策略500示出图6中顶级水平算法600的较大上下文中的上下文。可以从诸如例如图2所示的各种来源提供信息。仅通过示例，关于如下的信息可被提供：来自坡度检测器150的坡度(框601)，基于来自变速器126的计算或信息的变速器输出转矩(框602)，来自驾驶室速度传感器140的驾驶室速度(框603)，基于操作者变速器档位控制138的档位(框604)，基于用于油门136的传感器或操作者控制装置的油门位置(框605)，基于发动机速度传感器142的发动机速度(框606)，基于传感器或操作者起重控制装置134的起重杆位置(框607)，基于加速度计144和145在X和Z方向中的床板加速度，以及基于横摆传感器146的横摆率(框610)。此外，在实施例中，可以使用任何适当机构以提供如下指示，即提供信息的传感器或其它装置是否处于工作状态(见例如PC状态611以及动态估计器状态612)。

根据提供的信息，单个策略620-623可以应用于确定动态有效载荷的质量估计的可靠性，估计动态有效载荷质量，倒空检测以及装载事件检测。另外，实施例可以进一步包括用于提供所有单个策略正在进行的指示的任何适当机构(框603)。根据单个策略620-623的操作以及诸如图5所示的集成策略500的集成策略(框640)，可以确定估计的质量。然后，对估计质量进行换算(框640)，以将其发送到数据链模块(未示出)从而提供广泛散布的质量估计(框650)。

此外，可以将获得的估计质量用于其它算法，如框670所示，质量修正环路。例如，可以将机器100和有效载荷133的估计质量用于与机器100的滚动阻力相关的计算和估计，如在图4中所示策略中的框460和465所利用的。

工业实用性

本发明适用于机器100，其包括用于承载有效载荷133的床板130。所公开策略的实施例可以在不使用任何其它重量传感器的情况下具有估计有效载荷质量的能力。

一些实施例中可考虑到用于计算在车轮105处的估计力(F)的一种或多种因素的适当损失。

用于计算动态有效载荷133质量的策略可在计算将是准确时的恰当时间利用。

将理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，预料到本发明的其它实施例可与前述例子在细节上不同。对本发明或其示例的所有参考都旨在参考在该点处被讨论的特定示例，并且不旨在更广泛地暗示任何限制为本发明的范围。关于某些特征的差别和贬低的所有语言旨在指示缺乏对这些特征的偏好，但不是将这些完全排除在本发明的范围之外，除非另有指示。

除非文中另外指明或上下文中明显矛盾的，术语“一个”和“一种”，以及“该”和“至少一个”以及描述本发明的上下文中类似指示词(特别是以下权利要求的上下文)解释为包括单数和复数的情况，除非文中另外指明或上下文中明显矛盾。紧接一项或多项列表(例如“A和B中的至少一个”)的术语“至少一个”的使用解释为从所列项(A或B)或两个或更多个所列项(A和B)的任何组合所选择的一项。

除非在此另外指出，否则在此对数值范围的叙述仅仅旨在用作速记方法，分别涉及属于范围内的各单独数值，并且每个单独数值包含在说明书内，如同在此个别列举的一样。除非文中另外指明或上下文中明显矛盾，本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行。

因此，本发明包括现行法律所允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同物。此外，除非文中另有指明或与上下文明显矛盾，本发明包括在其所有可能变化中的上述要素的任何组合。

Claims (10)

1.在具有可移动地面接合元件111和床板130的牵引机器100中，由可编程控制器156实现的一种在机器100向前移动期间估计所述床板130中所含的有效载荷133的方法，所述方法包括：

确定所述机器100是否处于稳定加速度和坡度，

估计变速器转矩，

计算在至少一个所述地面接合元件111处的轴转矩，

计算在所述地面接合元件111处的力，

确定所述机器100的加速度，

计算具有所述有效载荷133的所述机器100的质量，

基于估计的机器质量和和滚动阻力，调节具有所述有效载荷133的所述机器100的计算质量，以及

提供所述有效载荷133的质量的估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述机器100是否处于稳定加速度和坡度的步骤包括：

确定所述变速器126是否处于比预定档位更高档位的档位，以及

确定所述档位是否在给定时间段内还没有被改变。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述确定所述机器100是否处于稳定加速度和坡度的步骤包括：确定所述机器100是否处于比预定坡度更高的坡度。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述确定所述机器100是否处于稳定加速度和坡度的步骤包括：确定所述油门位置是否高于预定水平。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述确定所述机器100是否处于稳定加速度和坡度的步骤包括：

确定所述机器100是否位于高于预定坡度的坡度上，以及

确定所述油门位置是否高于预定水平。

6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：

过滤所述变速器转矩估计，

基于所述转矩估计、估计的变速器损失效率和车轴比调节，计算车轴转矩，

其中，所述地面接合元件111是车轮112，且所述计算在所述地面接合元件111处的力的步骤包括基于所述车轮112的半径118计算车轮力，以及

确定所述机器100的加速度包括过滤加速度计信号。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的方法，其进一步包括：

过滤所述变速器转矩估计，

基于所述转矩估计、估计的变速器损耗效率和车轴比调节，计算车轴转矩，

其中，所述地面接合元件111为车轮112，且所述计算在所述地面接合元件111处的力的步骤包括基于所述车轮112的半径118计算车轮力，以及

确定所述机器100的所述加速度包括过滤加速度计信号。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算车轴转矩的步骤包括基于所述转矩估计、估计的变速器126损耗效率和车轴比调节来计算车轴转矩。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算在所述地面接合元件111处的力的步骤包括基于从所述地面接合元件111的车轴到地面之间的距离计算在所述地面接合元件111处的力。

10.一种牵引机器100，其包括

多个可移动地面接合元件111，

适于承载有效载荷133的床板130，

适于在多个档位中操作的变速器126，

适于指示所述机器100当前操作状态的加速度计，

可编程控制器156，其由计算机可执行指令配置成通过根据权利要求1至9中任一项所述的方法估计在所述机器100向前移动期间包含在所述床板130中的有效载荷133的质量，所述可编程控制器156使用一组参数，所述组参数包括：

所述变速器126的操作状态、

在所述当前档位中的时间长度、

坡度、

油门位置、

当前机器加速度操作状态、

至少一个地面接合元件111的参数、

空载机器质量以及

估计的滚动阻力。