CN105386482B - 用于控制车辆部件移动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制车辆部件移动的方法，尤其是用于控制第一车辆部件相对于第二车辆部件的移动的方法，包括如下步骤：确定第二车辆部件上的接受力，该力由运行期间第一车辆部件的加速移动导致，确定第一车辆部件的加速度幅值使得第一车辆部件上的接受力不被超过，和根据所确定的加速度控制第一车辆部件的加速。

Description

用于控制车辆部件移动的方法

分案申请

本申请是申请号为200680051851.2的中国专利申请的分案申请，上述申请的申请日为2006年1月26日，发明名称为“用于控制车辆部件移动的方法”。

技术领域

本发明涉及用于控制第一车辆部件相对于第二车辆部件的移动的方法。本发明特别地可应用于工程车辆。

背景技术

术语“工程车辆”包括类似于建筑机械的不同类型的处理材料或泥土的车辆，例如轮式装载机、锄耕机和挖掘机。本发明将在下文中以应用于轮式装载机的例子描述。这应仅认为是优选应用的例子。

工程车辆例如用于建筑和挖掘作业。轮式装载机可以用于将重的载荷从一个位置运输到另一个位置，轮式装载机在两个或多个位置之间经常遇到一系列转弯和改变坡度的坡道。

本方法可以用于控制在作业循环期间能移动通过多个位置的作业工具的移动。这样的工具典型地包括铲斗、叉和其他材料处理设备。典型的与铲斗相关的作业循环包括相继地将铲斗和相关的提升臂定位到用于将铲斗填充材料的挖掘位置，运送位置，升起位置和用于将材料从铲斗移除的倾倒位置。

控制杆安装到操作者的位置处且连接到电液回路以用于移动铲斗和/或提升臂。操作者手动移动控制杆以打开和关闭液压阀，该液压阀将加压流体引导到液压缸，该液压缸又导致作业工具移动。例如，当提升臂将被升起时，操作者将与提升臂液压回路相关的控制杆移动到液压阀导致加压流体流动到提升缸的顶端的位置，因此导致提升臂升起。当控制杆返回到空档位置时，液压阀关闭且加压流体不再流动到提升缸。

在正常运行中，作业工具经常突然起动或在执行了希望的作业循环功能后突然停止，这导致铲斗和/或提升臂、车辆和操作者的速度和加速度的迅速改变。这可能例如在工具移动到希望的运动范围的末端时发生，且可能由于速度和加速度的迅速改变而引起操作者的不适。

美国专利US 6,047,228披露了用于限制对工程机械的工具的控制的方法。控制器从工具位置传感器接收了工具位置信号，且从操作者操纵杆传感器获得了操作者控制信号。控制器包括多个查询表，这些表对应于用于控制工具的作业功能。查询表用于确定到达阀的电阀信号的幅值，该阀通过液压缸控制工具。电阀信号的幅值通过将来自查询表的预先确定的最大极限值与操作者控制信号的幅值进行比较并选择较小的值来确定。这导致操作者可以指令的(作业工具移动的)最大速度的降低。极限值例如选择为在工具达到物理最大倾倒角度前停止工具的枢转移动。这导致倾倒总是在相同的点开始，且阀跟随预先确定的线到达固定的值，而与当前的工具载荷和相对速度无关。这导致减速度的变化，且驾驶舱上的力将任意地改变。

发明内容

本发明的第一目的是实现增加操作者在车辆运行期间的舒适性的控制方法。本发明特别地涉及在第一车辆部件的加速/减速期间为在第二车辆部件上实现确定的接受力创造条件的控制方法。特别地，第二车辆部件包括车架且第一车辆部件包括作业工具。

此目的通过如下步骤实现：确定第一车辆部分的减速度以在最终位置处实现预先确定的最终速度，基于预先确定的最终速度、最终位置和所确定的减速度来确定用于初始化减速的开始位置，和根据所确定的减速度控制第一车辆部件从开始位置到最终位置的减速。

根据本发明的一个实施例，该方法应用于作业工具的端部衰减。因此，最终位置可以表示几何或机械端部位置或在端部位置附近，且在最终位置处最终速度为零或接近零。

根据本发明的进一步的实施例，该方法包括如下步骤：在初始化减速前检测车辆运行参数，且也基于检测到的车辆运行参数确定开始位置。特别地，检测第一车辆部件相对于第二车辆部件的速度。优选地，检测到的运行参数指示第一车辆部件的角速度。因此，用于初始化受控减速的开始点对于不同的检测到的运行条件而变化。这进一步为与检测到的车辆运行参数的幅值无关地实现第二车辆部件上的预先确定的力创造了条件。

根据本发明的进一步的实施例，该方法包括如下步骤：检测车辆运行参数且计算作为检测到的车辆运行参数的函数的减速度。特别地，载荷被检测到。优选地，检测车辆液压系统内的压力，其中液压系统适合于将第一车辆部件相对于第二车辆部件移动，且检测到的液压压力代表了载荷。

因此，用于初始化受控减速的开始点基于第一车辆部件的角速度，以及载荷。

根据刚才所提到的实施例的扩展，减速度具有与检测到的载荷的逆关系。第二车辆部件受到的力(F)等于载荷或重量(m)乘以加速度(或减速度)(a)。通过使用逆关系，减速度可以被控制，使得第二车辆部件与检测到的载荷的幅值无关地受到相同的力。

根据对刚才所提交的实施例的替代，该方法包括使用预先确定的减速度的步骤。因此，此预先确定的减速度可以独立于载荷。换言之，估计了载荷的幅值，且开始位置将取决于第一车辆部件的初始相对速度。

本发明的第二目的是在第一车辆部件(例如作业工具)的正向加速度期间，即在运动开始过程期间在第二车辆部件上实现确定的接受力。术语“正向加速度”的含义是速度增加。第二车辆部件可以由车架形成。

此目的通过包括如下步骤的方法实现：确定加速度以在最终位置处实现增加的预先确定的最终速度，和根据所确定的加速度控制第一车辆部件从开始位置到最终位置的加速。

以上所述的目的进一步通过包括如下步骤的方法实现：确定第二车辆部件上的接受力，该力由运行期间第一车辆部件的加速移动导致，确定第一车辆部件的加速度幅值使得第二车辆部件上的接受力不被超过，和根据所确定的加速度控制第一车辆部件的加速。术语“加速”在此的含义是正向加速度，即速度增加，或负向加速度，即速度降低。换言之，负向加速度是减速或减慢。

根据一个实施例，在第二车辆部件上由于所述的加速移动导致的确定的接受力大体上相同而与施加在第一车辆部件上的任何载荷的幅值以及第一车辆部件在加速初始之前的任何相对速度的幅值无关。

进一步的优选实施例和优点将从如下的描述和附图中显见。

附图说明

将在下文中参考在附图中示出的实施例解释本发明，各图为：

图1在侧视图中示意性地示出了轮式装载机，

图2示出了用于控制轮式装载机的移动的车辆系统的一个实施例，和

图3是代表了本发明的一个实施例的曲线图。

具体实施方式

图1示出了轮式装载机101。轮式装载机101的车体包括带有前框架的前部车辆部分102和带有后框架的后部车辆部分103，每个部分具有一对半轴112、113。后部车辆部分103包括驾驶舱114。车辆部分102、103通过铰接接头相互连接在一起，其方式使得它们可以相互绕竖直轴线枢转。枢转运动通过布置在两个部分上的两个具有液压缸104、105形式的第一促动器来实现。因此，轮式装载机是铰接式工程车辆。液压缸104、105因此在车辆的纵向方向上的水平中心线的每侧上布置一个，以使轮式装载机101转向。

轮式装载机101包括用于处理物体或材料的设备111。设备111包括装载臂单元或起重臂106和具有装配在装载臂单元上的铲斗形式的作业工具或载荷运送器107。装载臂单元106的第一端可枢转地连接到前部车辆部分102。工具107可枢转地连接到装载臂单元106的第二端。

可以通过具有液压缸108、109形式的两个第二促动器将装载臂单元106相对于车辆的前部部分102升起和降低，液压缸108、109每个在一端处联接到前部车辆部分102，且在另一端处联接到装载臂单元106。铲斗107可以通过具有液压缸110形式的第三促动器相对于装载臂单元106倾斜，第三促动器110通过连杆臂系统115在一端处联接到前部车辆部分102且在另一端处联接到铲斗107。

图2示出了用于控制轮式装载机101的移动的设备201的一个实施例。实线指示了主液压管道，双点划线指示了电信号。

控制设备201包括液压系统202，该液压系统202包括适合于为液压缸104、105、108、109、110从容器206提供加压液压流体的泵204。阀装置208可运行地连接在泵204和液压缸之间。优选地为具有柴油发动机形式的内燃机的动力源210可运行地连接到泵204以驱动泵。发动机210进一步适合于通过动力总成(未示出)驱动车辆101。

控制设备201进一步包括控制单元或计算机212。多个操作者控制的电气元件214布置在驾驶舱114内的操作者位置处以用于控制车辆。操作者控制的元件214由操作杆形成且连接到控制单元212。控制杆214控制起重臂106的运行，铲斗107的倾斜运行，以及转向运行。

控制杆位置传感器感测了各控制杆214的位置且相应地生成操作者指令的电信号。电信号传输到控制单元212的输入。控制杆位置传感器216优选地包括旋转电位计，它响应于控制杆的枢转位置而产生了脉宽调制的信号；然而，任何能响应于控制杆的枢转位置产生信号的传感器都可以应用于本发明。例如，电位计可以由布置在液压缸内的射频(RF)传感器替代。

起重臂位置传感器218感测了起重臂106相对于车架的高度位置，且相应地重复地产生起重臂位置信号。控制单元212接收起重臂位置信号且确定起重臂提升速度或起重臂下降速度。

作业工具位置传感器220感测了作业工具107相对于起重臂106的枢转位置且相应地重复地产生作业工具位置信号，且确定作业工具的倾斜速度和方向。

在一个实施例中，起重臂位置传感器218和作业工具位置传感器220包括旋转电位计。旋转电位计响应于起重臂106相对于车架的角位置和铲斗107相对于起重臂106的角位置产生了脉宽调制的信号。起重臂的角位置是提升缸108、109的伸出的函数，而铲斗107的角位置是倾斜缸110和提升缸108、109的伸出的函数。传感器218、220可以容易地是任何能直接或间接测量液压缸的相对伸出的其他传感器。例如，电位计可以由布置在液压缸内的射频(RF)传感器替代。

载荷传感器222感测由作业工具207运送的载荷。根据一个实施例，载荷传感器感测液压系统202内的压力，该压力代表了载荷。压力传感器222电联接到控制单元212。压力传感器222感测回路压力或施加到相应的液压缸104、105、108、109、110上的载荷。在一个例子中，压力传感器222可以是应变计或任何其他载荷确定传感器。压力传感器222可以位于适用于确定液压缸上的载荷的任何位置处。本领域一般技术人员将认识到可以利用任何能确定液压促动器上的载荷的其他传感器。

阀装置208包括多个电液阀。电液阀的每个响应于由控制单元212产生的电信号且相应地将液压流体提供到相关的液压缸(多个液压缸)。阀促动器可以是电磁促动器或本领域一般技术人员已知的任何其他的促动器。

控制单元212可以存储数学函数或等式，它们提供了基于起重臂和/或铲斗速度、移动方向和作业工具上的载荷的希望的运行参数值(输出)。每个函数或等式可以将运行参数或移动速度限定为输入的函数。因此，控制单元212接收了例如关于起重臂和铲斗的位置的信息，并确定起重臂和铲斗的位置，移动方向和由铲斗运送的载荷的幅值，然后确定液压缸(多个液压缸)的合适的加速度/减速度。

用于控制作业工具107相对于车架的移动的方法的一个实施例将在下文中参考图3描述。更特定地，将在铲斗的倾斜运行期间描述端部衰减方法。因此，作业工具107从初始速度减速到零速度或接近零速度。移动被控制使得由端部衰减导致的且影响车架(且因此影响了驾驶舱114和操作者)的预先确定的接受的力的幅值将相等，而与初始作业工具速度和作业工具载荷无关。载荷(m)加倍要求减速度(a)减半，以根据公式F＝m*a而获得相同的力(F)的幅值。

图3是表示了本发明的一个实施例的曲线图。在曲线图中示出的四条线302、304、306、308代表了不同的初始铲斗角速度。实线302和虚线304指示了用于衰减载荷2m的移动的衰减方法。点划线306和点虚线308指示了用于衰减载荷m的移动的衰减方法。根据公式F＝m*a，较大的载荷2m的减速度是较小的载荷m的减速度的一半。在移动控制期间使用大体上恒定的减速度。此外，衰减过程的开始和结束是平滑的，以避免可能在驾驶舱内被感觉到的减速度峰值。

此外，较高的初始铲斗角速度将导致减速度的较早的开始点，见图3中对于线302、304、306、308的点A、B、C、D。

根据一个实施例，减速方法包括确定是否需要端部衰减的第一步骤。在进行此步骤中，控制单元212从位置传感器218、220接收信号且确定铲斗接近其中要求端部衰减的端部位置。

减速方法的最终位置预先确定为希望的最大倾倒或提升或下降角度，例如机械上的端部，或对作业工具的移动方式的几何限制，或液压缸的端部位置，或接近这样的端部位置。因此，该方法提供了当倾斜(或提升)缸接近希望的最大角度附近的极端运动学增益区域(gain region)时的速度限制效果；因此，降低了操作者感觉到的“颠簸”且降低了缸内的力。此外，在最终位置处的最终速度预先限定为零。

例如，对于倾倒，该方法适合于在铲斗到达物理最大倾倒角度前停止铲斗的枢转移动。因此，铲斗移动可以在接合机械止动件(与无限大的运动学增益有关)前停止，以提供对作业工具的结构保护。

然后，检测作业工具受到的载荷。这优选地通过检测车辆液压系统202内的压力实现，该压力代表了作业工具载荷。减速度作为检测到的载荷的函数计算得到，使得在最终位置将实现零速度或接近零速度。更特定地，减速度的幅值确定为使得在车架上接收到的来自所述的减速移动的力大体上相同，而与开始减速前的载荷的幅值和作业工具的相对速度的幅值无关。

然后，基于在最终位置处最终速度应为零或接近于零且基于计算出的减速度来确定初始化减速的开始位置。然后，从确定的开始位置开始，根据所确定的减速度进行作业工具从开始位置到最终位置的减速。更特定地，计算出与控制了特定的作业工具的移动的液压促动器相关的阀的移动速度，且因此控制阀的移动。

根据作为上一个提及的实施例的扩展的一个实施例，控制单元将衰减区内的阀位置控制到至少是操作者输入的和衰减算法结果的位置。

进一步地，根据另外的实施例，控制方法用于在起重臂106向地面降低时衰减运动。这通常称为返回到挖掘(RTD)功能。

进一步地，根据另外的实施例，控制方法用于在起重臂106向上朝着其最大高度位置提升时衰减运动。

进一步地，根据另外的实施例，控制方法用于在操作者在操作期间意外地释放了相关的杆时衰减起重臂和铲斗运动的任一个。杆然后自动地返回到空档位置。然而，需要将起重臂或铲斗的运动制动到停止。

根据进一步的实施例，提供了控制第一车辆部件相对于车架的加速度的方法，第一车辆部件例如为作业工具。该方法包括如下步骤：确定正向加速度以在最终位置处实现增加的预先确定的最终速度。

首先，确定用于初始化加速的开始位置。开始位置例如为机械或几何端部位置。然而，它也可以是例如两个端部位置之间的中途。优选地为铲斗相对速度的车辆运行参数在初始化加速前被检测。初始加速度通常在端部位置处接近零。进一步地，检测作业工具受到的载荷。加速度基于检测到的载荷来确定。更特定地，加速度作为检测到的载荷函数而计算出。

更特定地，加速度的幅值在初始化加速前确定为使得由于加速移动而作用在车架上的力大体上相同，而与在作业工具上施加的任何载荷的幅值和作业工具的相对速度的幅值无关。

然后，根据确定的加速度控制作业工具从开始位置到最终位置的加速。

本发明另外提供了例如在重力辅助运行(即当起重臂106被降低时)期间的“平滑起动”功能。该功能选择为当起重臂106从其希望的最大高度下降时逐渐增加起重臂106的速度极限。因此，当起重臂106从其最大高度下降时，电阀信号幅值成比例地增加。这通过防止“颠簸”运行而提供了降低功能的更大的可控性。

根据一个实施例，用于感测起重臂和铲斗的位置的传感器可以布置为感测与作业工具相关的液压缸的位置。位置传感器可以进一步包括霍尔效应传感器，变换器(resolver)、转速计等。

在一个典型的实施例中，控制单元212可以预编程为带有包含了用于输入的运行参数值的图或表，运行参数值例如为起重臂和铲斗位置，促动器速度和方向，以及促动器上的载荷。这样的图或表可以在车辆101运行前制定，例如在液压系统202的测试运行或实验室测试期间制定，且可以预先存储在位于控制单元212内的存储器内。基于输入，选择减速度(或加速度)且然后确定开始点。

进一步地，可以考虑液压缸的移动方向以实现希望的缸的加速或减速。例如，当液压缸伸出以升高铲斗内的载荷时可能希望具有较慢的液压促动器的加速或减速，且当液压缸收缩以降低空的铲斗时可能希望具有较快的加速或减速。

控制器212包括存储器，存储器包括带有计算机程序段或程序代码的计算机程序，以用于在程序运行时实施控制方法。此计算机程序可以以多种方式通过传输信号传输到控制器，例如通过以有线和/或无线方式从另一个计算机下载，或通过安装在存储电路内。特别地，传输信号可以通过互联网传输。

本发明也涉及包括存储在计算机可读取装置上的计算机程序段的计算机程序产品，以在程序运行时实施控制方法。计算机程序产品例如可以包括磁盘。

因此，虽然本发明已特定地示出且参考以上的优选实施例描述，但本领域一般技术人员将理解的是可以构思多种另外的实施例而不偏离随后的权利要求的范围。

根据一个替代实施例，在车架上接受的力确定为使得它对于不同的运行状态而变化。减速度的幅值基于所确定的允许的力来确定。接受的力可以是预先确定到针对不同的运行状态的不同的设定值。例如，在运行期间检测运行参数且基于检测到的运行参数确定在车架上的允许力。运行参数可以代表作业工具的竖直位置和/或作业工具受到的载荷。根据一个实施例，对于作业工具的较低的竖直位置允许较高的力。根据另一个实施例，对于较高的载荷可以接受较高的力。

根据一个进一步的替代实施例，在端部衰减期间在最终位置处的最终速度不为零。以此方式，在设备被磨损时也形成了到达端部位置的条件。替代地，最终位置被连续地标定以被修正。

根据一个另外的替代实施例，在端部衰减期间在最终位置处的最终速度基于所确定的载荷来确定。当载荷小时接受较高的最终位置。

控制方法适用于在任何液压功能中所有类型的从一个速度到另一个速度的速度改变。因此，速度改变不必是负改变(衰减)。替代地，控制方法可以用于正速度改变和负速度改变两者。

根据一个替代，用于起重臂和/或铲斗的位置传感器适合于直接向控制单元提供角速度信号。用于计算减速度或加速度的角速度可以设定为多个传感器信号的均值。

根据另一个替代，与特定的作业功能(例如提升或倾倒)相关的控制杆的位置确定为用于指示载荷。加速度或减速度通过基于检测到的控制杆位置和作业工具速度的接近来计算。此外，作为对检测控制杆的位置的替代，可以检测在控制阀内的用于移动的滑动位置，且将其用于指示用于所述的计算的载荷。

根据进一步的替代，检测了指示载荷的到泵的转矩输入。例如，可以在提升运行期间确定来自内燃机的输出转矩。这给出了对泵特征的指示。此外，电动马达可以用于驱动泵。在运行期间来自电动马达的输出转矩指示了载荷。

可以检测另外的运行参数且将其用作补充输入来确定减速度或加速度。

术语“第二车辆部件”可以作为车辆框架的替代，由提升臂、车辆驾驶舱或其他车辆部件形成。

术语“载荷”不限制于第一车辆部件受到的具有物体或材料的形式的外部载荷，而是可以包括来自作业工具的总载荷和外部载荷，且也可以包括提升臂的载荷。

此外，作为替代，可以在液压系统内多个位置上检测压力，以实现载荷值。例如，来自提升和倾斜的压力组合用于取决于装载臂单元的几何尺寸而确定总载荷值。

本发明可以用于控制不同于作业工具的其他车辆部件的移动。例如，可以通过本发明的方法来控制铰接车辆的通过液压缸(见图1和图2的缸104、105)的转向。术语“第一车辆部件”在此情况中由前部车体部分102形成，且术语“第二车辆部件”由后部车体部分103形成。

另外，本发明例如可以用于挖掘机。挖掘机通常具有下部车辆部分，下部车辆部分包括下部车架，车辆动力总成和接地构件，例如履带或车辆。挖掘机进一步具有上部车辆部分或壳体，它包括上部车架和操作者驾驶舱。上部车辆部分围绕车辆轴线可旋转地连接到下部车辆部分。本发明可以用于控制上部车辆部分相对于下部车辆部分的减速和/或加速。

另外，本发明可以例如用于设计为使用在树林内的工程车辆。本发明可以用于控制起重机或起重臂或用来切割原木和/或从原木移除分叉/分枝的作业工具的移动。

Claims (6)

1.一种用于控制作业工具相对于车辆的车架的移动的方法，包括如下步骤：确定所述车架上的接受力，该力由运行期间所述作业工具的加速移动导致；确定所述作业工具的加速度幅值使得所述车架上的所述接受力不被超过；和根据所确定的加速度控制所述作业工具的加速。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所确定的由于所述加速移动导致的所述车架上的所述接受力基本上相同，而与施加在所述作业工具上的任何载荷的幅值以及所述作业工具在加速初始之前的任何相对速度的幅值无关。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述作业工具适合于沿角向路径相对于所述车架进行移动。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述车辆包括起重臂，该起重臂可移动地相对于所述车架布置，且受控的移动包括所述起重臂的提升或降低运动。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述作业工具可倾斜地布置在起重臂上，且受控的移动包括所述作业工具的倾斜运动。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述作业工具的移动被液压地控制。