CN107709674A - 用于确定竖直位置的方法和电子控制单元 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种使用包括工具(14)的工程机械(10)来确定地面部(40)的至少一个点的竖直位置的方法。工程机械(10)还包括适于确定工具(14)的至少竖直位置的位置确定装置(32)以及适于确定施加到工具(14)的力的力确定装置(28)。该方法包括：‑使用力确定装置(28)确定表示地面部(40)和工具(14)之间的接触力的接触力值；‑确定接触力值是否在预定的接触力值范围内，以及‑如果确定接触力值在预定的接触力值范围内，则使用位置确定装置(32)来确定工具(14)的与地面部(40)接触的部分的至少竖直位置。

Description

用于确定竖直位置的方法和电子控制单元
技术领域
本公开涉及一种使用包括工具的工程机械来确定地面部(ground portion)的至少一个点的竖直位置的方法。此外，本公开涉及一种使用包括工具的工程机械来整平地面区域(ground area)的方法。此外，本公开涉及一种用于确定由工程机械的工具从材料主体移除的材料实体的体积的方法。此外，本公开还涉及以下项中的每一个：计算机程序、计算机可读介质、电子控制单元、工程机械控制系统和工程机械。
背景技术
在使用工程机械进行地面修整操作、例如整平操作或诸如挖掘的材料移除操作时，可能希望获得关于已被修整或将要被修整的地面部的位置的信息。
为此，US 5,996,702提出了一种用于操作工程机械工具的方法，其中，确定该工程机械工具的至少一部分的位置并将其用于估计工程机械工具操作的最终结果。
然而，仍希望改进US 5,996,702中提出的该方法。
发明内容
本公开的目的是提供一种用于获得关于地面部的位置的信息的可靠和/或通用的方法。上述目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。
这样，本公开涉及一种使用包括工具的工程机械来确定地面部的至少一个点的竖直位置的方法。该工程机械还包括适于确定工具的至少竖直位置的位置确定装置和适于确定施加到工具的力的力确定装置。
该方法包括：
-使用力确定装置来确定表示所述地面部和工具之间的接触力的接触力值；
-确定该接触力值是否在预定的接触力值范围内，以及
-如果该确定接触力值在所述预定的接触力值范围内，则使用位置确定装置来确定工具的与所述地面部接触的部分的至少竖直位置。
上述方法意味着一种确定工具的至少一部分是否与所述地面部接触的可靠方式。这继而意味着可以获得关于地面部位置的可靠信息。
如本文所使用的，表述“范围”旨在涵盖封闭范围及开放范围。例如，开放范围可以具有其绝对值为无穷大的端点，导致上述确定接触力值是否在预定的接触力值范围内的特征相当于确定接触力值的绝对值是否等于或大于预定的接触力值阈值的特征。
可选地，该工程机械包括用于移动所述工具的装置，该方法还包括：
-移动所述工具，直到接触力值在所述预定的接触力值范围内。
上述特征意味着一种获得期望的接触力值的适当方式。
可选地，该工程机械包括用于沿至少竖直方向移动所述工具的装置。
可选地，所述预定的接触力值范围的端点表示所述工具的重量。
可选地，该工程机械包括工具负载传感器，并且其中，确定接触力值的特征包括使用该工具负载传感器。
为了其它目的，例如为了确定工具中的负载的重量，该工程机械可以配备有工具负载传感器。这样，工具负载传感器的使用意味着可以执行根据本公开的方法而不必为工程机械提供其唯一目的是确定地面部和工具之间的接触力的、额外的传感器。
可选地，该方法进一步包括将所述竖直位置传输到数据接收器。
可选地，该方法进一步包括：
-确定所述工具的一部分的水平位置，并将该水平位置传输到数据接收器。
可选地，该方法进一步包括：
-使用全球导航卫星系统和/或全站仪来确定所述水平位置。
可选地，所述工具包括适于接收材料的材料接收部和适于不接收材料的周围部(surrounding portion)，确定接触力值的特征包括确定表示所述地面部与工具的所述周围部的一部分之间的接触力的接触力值。
本公开的第二方面涉及一种使用包括工具的工程机械来整平地面区域的方法。该方法包括：
-将所述工具的预定部分施加到所述地面部，从而对所述地面部整平，和
-使用根据本公开的第一方面的方法来确定地面部的至少一个点的竖直位置。
本公开的第二方面意味着一种确定被整平的地面部的至少竖直位置的适当方式。例如，该至少竖直位置可以使用与已经用于整平过程的相同器具(即工具)来确定。
本公开的第三方面涉及一种用于确定由工程机械的工具从材料主体移除的材料实体的体积的方法，该方法包括：
-首先使用根据本公开内容的第一方面的方法来确定地面部的至少一个点的竖直位置，然后：
-使用所述工具从材料主体中移除材料实体，该材料实体包含所述地面部，
-确定在所述工具已经移动经过材料主体之后剩余的材料主体表面的至少竖直位置，以及
-使用所述地面部的竖直位置和所述材料主体表面的竖直位置来确定所述材料实体的体积。
本公开的第三方面意味着一种在材料移除操作开始之前确定地面部的至少竖直位置的适当方式。例如，至少竖直位置可以使用与将用于材料移除过程的相同器具(即工具)来确定。
可选地，该方法包括：
-首先使用根据本公开的第一方面的方法来确定所述地面部的多个点的竖直位置，从而生成地面部表面的估计。
本公开的第四方面涉及一种包括程序代码组件的计算机程序，该程序代码组件用于当程序在计算机上运行时执行本公开的第一、第二或第三方面的计算步骤。
本公开的第五方面涉及一种携载有计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括程序代码组件，该程序代码组件用于当程序产品在计算机上运行时执行本公开的第一、第二或第三方面的计算步骤。
本公开的第六方面涉及一种用于包括工具的工程机械的电子控制单元，该工程机械还包括适于确定工具的至少竖直位置的位置确定装置和适于确定施加到工具的力的力确定装置，该电子控制单元适于：
-使用力确定装置来确定表示所述地面部与工具之间的接触力的接触力值；
-确定接触力值是否在预定的接触力值范围内，以及
-如果确定接触力值在预定的接触力值范围内，则使用位置确定装置来确定工具的与所述地面部接触的部分的至少竖直位置。
本公开的第七方面涉及一种工程机械控制系统，其包括根据本公开的第六方面的电子控制单元。
本公开的第八方面涉及一种工程机械，其包括根据本公开的第七方面的工程机械控制系统。
附图说明
参照附图，下面是作为例子给出的、对本发明的实施例的更详细描述。
在附图中：
图1是工程机械的示意性侧视图。
图2示出了根据本发明的第一方面的方法的一个实施例；
图3图示了根据本发明的第二方面的方法的一个实施例；
图4示出了根据本发明的第三方面的方法的一个实施例，
图5示出了根据本发明的第三方面的方法的另一实施例。
应当指出的是，附图不一定按比例绘制，而且，为了清楚起见，本发明的某些特征的尺寸可能已经被放大。
具体实施方式
在下文中，将针对例如图1所示的挖掘机形式的工程机械10来描述本发明。挖掘机10应看作工程机械的一个例子，其可以包括根据本发明的电子控制单元和/或工程机械控制系统，和/或可以为该工程机械实施根据本发明的方法。
图1的工程机械10包括主体12、工具14、以及将工具14连接到主体12的连接件16。在图1中，连接件16包括悬臂18和杆20，应指出的是，其它工程机械可以包括具有更多或更少部件的连接件。例如，可以设想的是，某些工程机械(例如轮式挖掘机)可以包括枢转地连接到主体的第一悬臂(未示出)、枢转地连接到第一悬臂的第二悬臂(未示出)、以及枢转地链接到第二悬臂的杆。
主体12具有在竖直方向V上的竖直延伸。另外，并且如图1所示，主体12还具有在沿着工程机械10的预期行驶方向的纵向维度L上的延伸、以及在与竖直维度V和纵向维度L中的每一个均垂直的横向维度T上的延伸。
仅作为示例，且如图1所示，悬臂18可以枢转地连接到主体12，并且可由悬臂致动器22致动，该悬臂致动器22连接到主体12和悬臂18中的每一个。以类似的方式，杆20可以枢转地连接到悬臂18，并且可以由杆致动器24致动，该杆致动器24连接到悬臂18和杆20中的每一个。仅作为示例，悬臂致动器22和杆致动器24中的至少一个或两者可以包括液压缸，例如双作用液压缸。另外，工具14可以通过工具致动器26(例如，液压工具致动器26)而相对于杆20移动。例如，工具14可以相对于杆20枢转。
此外，图1的工程机械10包括力确定装置28，该力确定装置28适于确定施加到工具14的力。在图1的实施例中，力确定装置28被实施为适于确定工具14的负载的工具负载传感器。然而，也可以设想的是，力确定装置28可以包括另一种类型的传感器，例如压力传感器(未示出)。
在图1的实施例中，力确定装置28位于工具14和连接件16之间，例如在工具14和杆20之间。然而，也可以设想的是，力确定工具28可位于另一位置，例如，在包括压力传感器的力确定装置28的实施例中位于工具14中。此外，还设想了这样的实施例：其中，力确定装置28位于上文讨论的致动器22、24、26中的一个上，或位于被连接到致动器22、24、26的任何液压回路(未示出)中。
图1的工程机械10还包括电子控制单元30，该电子控制单元30可以适于控制工程机械的操作和/或处理与工程机械10的操作有关的数据。作为非限制性和非穷尽性的示例，该特征“处理数据”可以包括如下项中的一种或多种：确定数据、存储数据、传输数据或接收数据。
仅作为例子，电子控制单元30可以包括计算机程序，该计算机程序包括用于执行将在下文中陈述的方法中的任一种方法的计算步骤的程序代码组件。例如，电子控制单元30可以包括携载有计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括用于执行下文将陈述的方法中的任一种方法的计算步骤的程序代码组件。
此外，工程机械10包括位置确定装置32，该位置确定装置32适于确定工具14的至少竖直位置。作为非限制性示例，可以使用表示前文讨论的致动器22、24、26中的每一个致动器的当前状况(例如，行程)的信息来确定这样的竖直位置。然而，也设想的是，位置确定装置32的实施还和/或另外可以确定工程机械10的部件(例如主体12、悬臂18、杆20和工具14)之间的相对角度。位置确定装置32的这种实施可以包括适于确定连接件16的至少两个部件之间的相对角度的一个或多个角度计或传感器(未示出)。作为进一步的替代方案，位置确定装置32可以作为上述实施中的任一种的替代或补充还包括一个或多个倾斜仪或相似类型的更先进的量具。
电子控制单元30可以形成工程机械控制系统的一部分。这样的工程机械控制系统也可以包括上述位置确定装置32。
仅作为示例，并且如图1所示，位置确定装置32可以是工程机械10中的独立单元。作为另一个非限制性示例，位置确定装置32可以形成工程机械的另一个单元(例如电子控制单元30)的一部分。
另外，图1所示的工程机械10的实施例包括适于确定工程机械10的位置的全球导航卫星系统34。全球导航卫星系统的非穷尽列表包括：GPS、GLONASS、伽利略或北斗。仅作为示例，作为全球导航卫星系统的替代或补充，工程机械10的实施例可以包括用于确定工程机械10的位置(例如，水平位置)的另一类型的组件，例如全站仪(TS)或自动全站仪(ATS)。
图1示出了处于整平操作中的工程机械，即，此时工具14相对于地面36移动以弄平地表面38。作为非限制性示例，在整平操作期间，工具14可以沿着与地表面38的预期延伸平面大致平行的方向移动。
然而，图1的工程机械10也可以用于其它类型的操作。仅作为示例，工程机械10可用于材料移除操作，例如挖掘。作为非限制性示例，该材料移除操作可以包括：工具的至少一部分相对于地面36沿竖直方向及水平方向移动，以便使工具14至少部分地填充有材料。
在操作(例如上文陈述的任一个操作)中，可能希望使用包括工具的工程机械来确定地面部的至少一个点的竖直位置。
图2示出了使用包括工具的工程机械来确定地面部40的至少一个点的竖直位置的方法的实施例。地面部40是地面36的一部分，例如一个点、一片限定的区域或一坨限定的体积。通常，地面部40包括地表面38的一部分。
该方法包括：
S10：使用力确定装置28来确定表示地面部40和工具14之间的接触力的接触力值N；
S12：确定接触力值N是否在预定的接触力值范围内，以及
S14：如果确定接触力值N在预定的接触力值范围内，则使用位置确定装置32来确定工具14的与地面部40接触的部分的至少竖直位置Vi。
仅作为例子，包括上述步骤S10、S12和S14的该方法可以由控制单元(例如图1所示的电子控制单元30)执行。此外，还设想的是，控制单元(例如图1所示的电子控制单元30)可适于执行方法特征和/或控制工程机械的部件，以执行下文讨论的本发明实施例和/或方面的方法特征。
工程机械可以包括用于移动工具14的装置，例如用于沿至少竖直方向V移动该工具的装置。作为非限制性示例，这种移动装置可以包括上文讨论的致动器(图2中未示出)。该方法可进一步包括：移动工具14，直到接触力值N在所述预定的接触力值范围内。
所述预定的接触力值范围可以是开放的范围或封闭的范围。仅作为例子，所述预定的接触力值范围的端点可以表示该工具的重量Wi。在这样的实施中，该范围可以按照以下公式：Wi≤N<∞。还可以设想的是，上文讨论的方法的其它实施例可以包括其它类型的范围，例如f1xWi≤N≤f2xWi，其中f1和f2是范围因子。仅作为示例，第一范围因子f1可以在0<f1≤1的范围内，并且第二范围因子f2可以基本上大于1。尽管上文讨论的范围f1xWi≤N≤f2xWi已经被表示为封闭的范围，但也可以设想的是，其至少一个端点可以是开放的。
如上所述，力确定装置28可以被实现为适于确定工具14的负载的工具负载传感器。这样的负载传感器可用于确定表示地面部40和工具14之间的接触力的接触力值N。
例如，可以使用该工具负载传感器，使得所确定的等于或小于零的工具负载表示接触力值N在预定的接触力值范围内。
图2还示出了工具14可以包括适于接收材料的材料接收部14'和适于不接收材料的周围部14”。仅作为示例，并且如图2所示，周围部14”可以包括凸起部，或甚至可以由该凸起部构成。
此外，确定接触力值N的特征可以包括确定表示地面部40与工具14的周围部14”的一部分之间的接触力的接触力值。
此外，确定工具14的与地面部40接触的部分的至少竖直位置Vi的特征可以包括确定工具14的与地面部40的接触的预定部分的至少竖直位置Vi。这样，不需要关于整个工具14的形状或甚至整个周围部14”的形状的信息，而是仅知晓关于工具14的预定部分的形状和位置的信息可能就足够了。
仅作为示例，并且如图2所示，工具14的这种预定部分的示例可以包括工具14的周围部14”的大致平坦部15，或甚至由该大致平坦部15构成。在图2的实施例中，该工具可以被定向成使得大致平坦部15是基本水平的或者以已知的角度倾斜。那么，大致平坦部15的竖直位置、或者在大致平坦部15倾斜的情况下该大致平坦部15的最下部分将提供对于地面部40的竖直位置的适当估计。
此外，作为另一个非限制性示例，工具14的最下部分可以被视为工具14的与地面部40接触的部分。这样，上文讨论的特征S14可以包括使用位置确定装置32来确定工具14的最下部分的至少竖直位置Vi。
作为其替代或者除了上述实施中的任一个之外，确定工具14的与地面部40接触的部分的至少竖直位置Vi的特征可以包括确定工具14的参照部17的至少竖直位置。仅作为示例，并且如图2所示，该工具的参照部17可以是工具14的尖端。
这样，如果确定了参照部17的至少竖直位置，则能够确定地面部40的竖直位置。例如，如果参照部17的竖直位置、工具14的形状以及工具14的定向是已知的，则能够确定地面部40的竖直位置。作为非限制性示例，前文讨论的大致平坦部15可以定位成邻近参照部17，即，所述尖端。这样，使用关于参照部17的位置和大致平坦部15的位置的信息，能够确定工具14的与地面部40接触的部分的竖直位置Vi。
所确定的工具14的与地面部40接触的部分的竖直位置Vi表示地面部40的至少一个点的竖直位置，该位置Vi例如可以根据上文讨论的实施中的任一种来确定。
这样，当确定了该竖直位置Vi时，它可以被传输到数据接收器(未示出)，例如地面数据接收器。仅作为示例，这样的数据接收器可以位于工程机械(图2中未示出)上，或者它可以与工程机械分开。取决于例如该数据接收器相对于工程机械的位置，上文讨论的传输可以通过一条或多条导线或者替代地以无线的方式实现。
此外，该方法还可以包括确定工具14的一部分的水平位置并将该水平位置传输到数据接收器。作为一个非限制性示例，该水平位置可以使用上文已参照图1讨论过的位置确定装置和/或全球导航卫星系统来确定。
还设想的是，该方法的实施例可以包括将竖直位置Vi和所确定的接触力值N传输到数据接收器。作为示例，竖直位置Vi和相关联的接触力值N可以成对地存储在数据接收器中。还设想的是，该方法的实施例可以包括：将关于该水平位置及所确定的接触力值N的信息连同竖直位置Vi一起传输。
图3示出了使用包括工具的工程机械来整平地面区域的方法的实施例。该方法包括将工具14的预定部14”施加到地面部，从而对地面部进行整平。如图3所示，预定部14”可优选是上文已参照图2陈述的周围部14”。此外，并且如图3所示，预定部14”可优选是周围部14”的大致平坦部。
此外，如图3中的箭头所示，预定部14”可以在大致水平方向上移动，即，在处于沿纵向维度L和横向维度T延伸的水平面中的方向上移动。
此外，该方法包括使用根据本公开的第一方面的方法(例如，已经参照图2陈述的方法的实施例)来确定地面部40的至少一个点的竖直位置Vi。
图4示出了用于确定由工程机械的工具从材料主体移除的材料实体42的体积的方法的实施例。
该方法包括：首先使用根据本公开内容的第一方面的方法(例如，已参照图2陈述的方法的实施例)来确定地面部40的至少一个点的竖直位置Vi。
图4的方法进一步包括：在确定了竖直位置Vi之后：
-使用工具14从材料主体移除材料实体42，该材料实体包含地面部40，
-确定在工具14已经移动经过材料主体之后剩余的材料主体表面44的至少竖直位置，以及
-使用所述地面部的竖直位置Vi和材料主体表面40的竖直位置来确定材料实体的体积。
应指出的是，图4中的方法的上述特征不必按上文列出的顺序执行。例如，确定材料主体表面44的至少竖直位置的特征和/或确定材料实体的体积的特征可以在工具14移除材料实体42的同时被执行。
仅作为示例，可以通过在工具14的整个宽度上以解析的方式或以数值的方式累积由地表面38和材料主体表面44包围的体积来确定材料实体体积。假设工具14在其整个宽度上具有恒定形状并且还假设地表面38沿着该工具的宽度是恒定的，可以通过确定由沿着材料主体表面44的线和沿着地表面38的线所包围的面积并将由此确定的面积乘以该工具的宽度来确定材料实体的体积。
能够以多种方式来估计地表面38。在图4所示的实施例中，地表面38被估计为水平面，其竖直位置与地面部40的单个点的竖直位置Vi一致。
然而，图5示出了用于确定材料实体42的体积的方法的替代实施例，该实施例包括：首先使用根据本公开的第一方面的方法来确定地面部40的多个点Vk i、Vk+1 i、Vk+2 i的竖直位置，从而生成对地面部表面的估计。这样，在图4的实施例中，该工具已经被定位于各个位置pk、pk+1、pk+2处，这些位置pk、pk+1、pk+2在水平面中彼此相距一定距离，并且，对于这些位置中的每个位置，使用根据本公开的第一方面的方法来确定竖直位置Vk i。使用相应的点pk、pk +1、pk+2的如此确定的竖直位置Vk i、Vk+1 i、Vk+2 i及水平坐标，可以生成地表面38的估计。作为非限制性示例，地表面的这种估计可以在所有三个维度L、T、V上扩展。
一旦已经确定了地表面的估计，就可以例如根据上文已经陈述的过程来确定材料实体体积。
应该理解，本发明不限于上文描述的并在附图中示出的实施例；而是，技术人员将认识到，可以做出许多修改和变型。

Claims (17)

1.一种使用包括工具(14)的工程机械(10)来确定地面部(40)的至少一个点的竖直位置的方法，所述工程机械(10)还包括适于确定所述工具(14)的至少竖直位置的位置确定装置(32)和适于确定施加到所述工具(14)的力的力确定装置(28)，所述方法包括：
-使用所述力确定装置(28)来确定表示所述地面部(40)和所述工具(14)之间的接触力的接触力值；
-确定所述接触力值是否在预定的接触力值范围内；以及
-如果确定所述接触力值在所述预定的接触力值范围内，则使用所述位置确定装置(32)来确定所述工具(14)的与所述地面部(40)接触的部分的至少竖直位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工程机械(10)包括用于移动所述工具(14)的装置，所述方法进一步包括：
-移动所述工具(14)，直到所述接触力值在所述预定的接触力值范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述工程机械(10)包括用于沿至少竖直方向移动所述工具(14)的装置。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述预定的接触力值范围的端点表示所述工具(14)的重量。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述工程机械(10)包括工具(14)负载传感器，并且其中，确定接触力值的特征包括使用所述工具(14)负载传感器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：
-将所述竖直位置传输到数据接收器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法进一步包括：
-确定所述工具(14)的一部分的水平位置，并将所述水平位置传输到所述数据接收器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法进一步包括：
-使用全球导航卫星系统(34)和/或全站仪来确定所述水平位置。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述工具(14)包括适于接收材料的材料接收部(14')和适于不接收材料的周围部(14”)，所述确定接触力值的特征包括确定表示所述地面部(40)与所述工具(14)的所述周围部(14”)的一部分之间的接触力的接触力值。
10.一种使用包括工具(14)的工程机械(10)来整平地面区域的方法，所述方法包括：
-将所述工具(14)的预定部分施加到所述地面部(40)，从而对所述地面部(40)进行整平，和
-使用根据前述权利要求中的任一项所述的方法来确定地面部(40)的至少一个点的竖直位置。
11.一种确定由工程机械(10)的工具(14)从材料主体移除的材料实体的体积的方法，所述方法包括：
-首先使用根据权利要求1至9中的任一项所述的方法来确定地面部(40)的至少一个点的竖直位置，然后：
-使用所述工具(14)从所述材料主体移除所述材料实体(42)，所述材料实体(42)包含所述地面部(40)，
-确定在所述工具(14)已经移动经过所述材料主体之后剩余的材料主体表面(44)的至少竖直位置，以及
-使用所述地面部(40)的所述竖直位置和所述材料主体表面的所述竖直位置来确定所述材料实体的所述体积。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括：
-首先使用根据权利要求1至9中的任一项所述的方法来确定所述地面部(40)的多个点的竖直位置，从而生成地面部表面的估计。
13.一种计算机程序，其包括程序代码组件，所述程序代码组件用于当所述程序在计算机上运行时执行根据权利要求1至12中的任一项所述的计算步骤。
14.一种计算机可读介质，其携载有包括程序代码组件的计算机程序，所述程序代码组件用于当所述程序产品在计算机上运行时执行根据权利要求1至12中的任一项所述的计算步骤。
15.一种用于包括工具(14)的工程机械(10)的电子控制单元(30)，所述工程机械(10)还包括适于确定所述工具(14)的至少竖直位置的位置确定装置(32)和适于确定施加到所述工具(14)的力的力确定装置(28)，所述电子控制单元(30)适于：
-使用所述力确定装置(28)来确定表示所述地面部(40)和所述工具(14)之间的接触力的接触力值；
-确定所述接触力值是否在预定的接触力值范围内；以及
-如果确定所述接触力值在所述预定的接触力值范围内，则使用所述位置确定装置(32)来确定所述工具(14)的与所述地面部(40)接触的部分的至少竖直位置。
16.一种工程机械(10)控制系统，其包括根据权利要求15所述的电子控制单元。
17.一种工程机械(10)，其包括根据权利要求16所述的工程机械(10)控制系统。
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