CN108216364B - 用于在机器铰接期间的碰撞缓解的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于铰接式作业车辆的碰撞缓解系统和方法。该系统包括控制器，该控制器配置成基于与围绕铰接式作业车辆的所感测对象相对应的信号来确定围绕铰接式作业车辆的安全区域。控制器进一步配置成基于来自操作地联接于铰接式作业车辆的一组传感器系统的信号来确定铰接式作业车辆上一个或多个外围点的位置和速度。控制器进一步配置成接收驾驶员控制输入。控制器进一步配置成当预期铰接式作业车辆上的外围点落在距安全区域的最近边缘的预定距离内时向驾驶员控制输入施加限制。

Description

用于在机器铰接期间的碰撞缓解的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种作业车辆，且更具体地说涉及用于作业车辆的碰撞缓解系统和方法。
背景技术
诸如建筑、农业、采矿的工业通常采用铰接式机器。铰接式机器通常包括前和后框架，该前和后框架由挂接接头铰接在一起用于相对枢转运动。当其中一个框架相对于另一个运动时，铰接式机器转弯以改变行进方向。不同于仅仅通过旋转车轮才能改变方向的汽车和卡车，铰接式机器需要至少是机器长度一半的间隙距离，以完成转弯。当机器紧邻于包括但不限于其它作业机器、建筑和岩石的周围外部对象时，机器的间隙距离的此种大型重新构造在受限的区域中有时可能是危险的。这会导致困难或者与周围对象的意外相互作用，并且当在此种机器中执行转弯或其它操作时引起碰撞。
U.S.7,721,842 B2(之后称为’842专利)涉及一种具有受控转向缓冲的铰接式作业车辆转向系统以及相关联方法。设有转向系统来用于作业车辆，该作业车辆包括铰接式第一和第二车辆部段。转向系统包括控制器，该控制器适合于基于速度请求信号来确定第一车辆部段相对于第二车辆部段绕铰接轴线朝向第一车辆部段的位置范围的端部区域的末端所请求的请求转向速度是否至少等于预定转向速度。转向系统进一步包括基于位置信号来确定第一车辆部段是否定位在位置范围的端部区域中；并且所请求的转向速度是否至少是预定转向速度且第一车辆部段定位在端部区域中，并且基于该信号确定第一车辆部段的实际转向速度低于所请求的转向速度。
’842专利的转向系统提供对铰接式作业车辆的转向速度的操作；然而，此种转向系统并不提供任何装置来检测和/或防止或缓解此类机器与外部对象的碰撞。
发明内容
在本发明的一个方面中，描述一种铰接式作业车辆。该铰接式作业车辆包括具有第一对车轮的前框架和具有第二对车轮的后框架。铰接式作业车辆还包括联接装置，该联接装置将前框架枢转地联接于后框架。铰接式作业车辆包括动力系，该动力系配置成驱动第一和第二对车轮。该铰接式作业车辆进一步包括转向系统，该转向系统配置成基于驾驶员控制输入来提供前框架相对于后框架绕联接装置的受控铰接。铰接式作业车辆包括第一传感器系统、第二传感器系统以及第三传感器系统，该第一传感器系统配置成感测围绕铰接式作业车辆的对象，该第二传感器系统配置成感测前框架相对于后框架的实时铰接角度，且该第三传感器系统配置成感测第一和第二对车轮的实时旋转。铰接式作业车辆还包括实时处理电路，该实时处理电路电气地联接于转向系统、第一传感器系统、第二传感器系统以及第三传感器系统。处理电路配置成基于来自第一传感器系统的与围绕铰接式作业车辆的所感测对象相对应的信号来确定围绕铰接式作业车辆的安全区域。处理电路进一步配置成基于来自第二传感器系统和第三传感器系统的信号来确定铰接式作业车辆上的一个或多个外围点的位置和速度。处理电路配置成接收驾驶员控制输入。处理电路进一步配置成当预期铰接式作业车辆上的外围点落在距安全区域的最近边缘的预定距离内时向驾驶员控制输入施加限制。
在本发明的另一方面中，描述一种用于铰接式作业车辆的碰撞缓解系统。碰撞缓解系统包括存储器，该存储器配置成存储程序指令和传感器信号。碰撞缓解系统还包括与存储器通信的控制器。控制器配置成基于来自第一传感器系统的与围绕铰接式作业车辆的所感测对象相对应的信号来确定围绕铰接式作业车辆的安全区域。控制器还配置成基于来自与铰接式作业车辆操作地联接的一组传感器系统的信号来确定铰接式作业车辆上一个或多个外围点的位置和速度。控制器还配置成接收驾驶员控制输入。控制器进一步配置成当预期铰接式作业车辆上的外围点落在距安全区域的最近边缘的预定距离内时向驾驶员控制输入施加限制。
在本发明的又一方面中，描述一种用于铰接式作业车辆的碰撞缓解方法。该方法包括基于来自第一传感器系统的与围绕铰接式作业车辆的所感测对象相对应的信号来确定围绕铰接式作业车辆的安全区域。该方法进一步包括基于来自与铰接式作业车辆操作地联接的一组传感器系统的信号来确定铰接式作业车辆上一个或多个外围点的位置和速度。该方法还包括接收驾驶员控制输入。该方法进一步包括当预期铰接式作业车辆上的外围点落在距安全区域的最近边缘的预定距离内时向驾驶员控制输入施加限制。
从以下描述和附图中，本发明的其它特征和方面会显而易见。
附图说明
包含在说明书中并且构成其一部分的附图是对一个或多个实施例的说明，并且连同描述一起解释这些实施例。附图无需按比例绘制。此外，附图中的任何数值或尺寸仅仅是用于说明的目的并且可表示或者可以不表示实际或较佳的数值或尺寸。在适用的情形下，可并不示出一些或所有选择特征，以助于描述或理解基础特征。
图1示出根据本发明一个或多个实施例的示例性铰接式作业车辆的示意侧视图；
图2示出根据本发明的一个或多个实施例的示例性铰接式作业车辆的示意俯视图，该铰接式作业车辆具有绕其后框架铰接的前框架；
图3示出根据本发明的一个或多个实施例的示例性铰接式作业车辆的俯视平面图，该铰接式作业车辆具有位于其周围的外部对象；
图4示出根据本发明的一个或多个实施例的示例性铰接式作业车辆的框图，该铰接式作业车辆具有碰撞缓解系统；
图5示出表示控制根据本发明一个或多个实施例的示例性铰接式作业车辆中的铰接的算法的流程图；以及
图6示出表示根据本发明一个或多个实施例的用于示例性铰接式作业车辆的碰撞缓解方法的流程图。
具体实施方式
下文结合附图阐述的描述旨在对所描述主题的各个实施例的描述并且并非必须旨在表示仅有的实施例。在某些情形中，该描述包括用于提供对所描述主题的理解的特定细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可在没有这些特定细节的情形下实践这些实施例。在一些情形中，结构和部件能以框图形式示出，以避免使得所描述的主题不清楚。在可能的情形下，在所有附图中会使用对应的或类似的附图标记，以指代相同或对应的部件。
说明书中对于“一个实施例”或“一实施例”的任何参照意指结合一实施例描述的特定特征、结构、特点、操作或功能包括在至少一个实施例中。因此，术语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在说明书中的任何出现并非必须指代相同的实施例。此外，特定特征、结构、特点、操作或功能可在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合，并且所描述主题的实施例可以并且应覆盖所描述实施例的修改和变型。
还应注意的是，如说明书、所附权利要求以及摘要中所使用地，单数形式“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”包括复数参照，除非上下文另有清楚地指示。也就是说，除非另有清楚地规定，如这里所使用地，词语“一(a)”和“一个(an)”等等携有“一个或多个”的含义。附加地，应理解的是，诸如“左”、“右”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“侧部”、“高度”、“长度”、“宽度”、“上部”、“下部”、“内部”、“外部”、“内”、“外”等等这里可能使用的术语仅仅描述参照点，并且并非必须将所描述主题的实施例限制为任何特定的定向或构造。此外，诸如“第一”、“第二”、“第三”等的术语仅仅识别这里所描述地多个部分、部件、参照点、操作和/或功能的一个，且类似地并非必须将所描述主题的实施例限制为任何特定的构造或定向。
一般而言，本发明的实施例能提供用于铰接式作业车辆的碰撞缓解系统，该碰撞缓解系统包含在铰接式作业车辆操作的同时通过使用与铰接角度、机器的外围的几何形状以及围绕铰接式作业车辆的外部对象相关的信息来避免或缓解铰接式作业车辆的碰撞。所描述主题的实施例能替代地限制具有中心枢轴设置的作业车辆中的摆动指令。
参照图1，示出总地由附图标记100表示的铰接式作业车辆。图1具体地示出铰接式轮式装载机机器，该铰接式轮式装载机机器可用在诸如建筑、农业和采矿的工业中。虽然所描述主题的实施例参照铰接式轮式装载机机器描述，但所描述主题的实施例并不受此限制，并且可等同地适用于其它土方机器，例如液压挖掘机、铲土机、拖运卡车、机动平地机以及具有铰接布置的任何其它机器。此外，虽然示出并且描述轮式作业机器，但所描述主题的实施例也可实施在其它作业机器中，包括履带式作业机器。之后，“铰接式作业车辆100”不作任何限制地简称为“机器100”。此外，如上所述，所描述主题的实施例能与并不具有铰接布置的作业车辆相关，而是具有中心枢轴布置，在该情形中可限制摆动指令。
通常，机器100包括主体101来将各个部件支承在其中。组合地参照图1-2，机器100可包括前框架102和后框架104。此外，如图所示，前框架102和后框架104由联接装置106枢转地联接在一起。联接装置106提供铰接接头，以将前框架102联接于后框架104。如这里使用的术语“联接装置”可包含铰接接头；且之后，术语“联接装置106”与术语“铰接接头106”可互换地使用。具体地说，联接装置106可具有隔开的安装部分(未示出)，这些安装部分固定于前框架102和后框架104的每个，该前框架和后框架可沿着在附图中表示为‘A’的大体垂直轴线附接在一起(例如，销接在一起)。采用此种构造，安装部分连同前框架102和后框架104一起可绕垂直轴线‘A’旋转，由此允许机器100能使用垂直轴线‘A’来转向，这将在下文进行详细描述。
机器100可包括支承在前框架102上的前车轴组件107和支承在后框架104上的后车轴组件108。机器100还可包括第一对车轮109和第二对车轮110，该第一对车轮和第二对车轮分别由前车轴组件107和后车轴组件108支承。图1示出第一和第二对109、110的每对的一个车轮。此外，机器100可包括例如安装在后框架104上的动力系111。动力系111通常可包括动力源112和变速器113，该动力源和变速器可将原动力提供给至少第二对车轮110，且由此将运动提供给机器100。动力源112可例如是柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机、电动发动机、混合动力发动机或本领域已知的任何其它发动机。动力源112可替代地是燃料电池、动力存储装置等等。此外，变速器113可以是机械变速器、液压变速器或本领域已知的任何其它变速器类型。在一些示例中，变速器113可操作，以在动力源112和从动的第一和第二对车轮109、110之间提供多个输出速比(或连续可变速比)。例如在图3的说明中，变速器113可包括与前车轴组件107和后车轴组件108联接的前差速器和后差速器(未示出)。在一些示例中，变速器113可进一步包括变矩器(未示出)，该变矩器可有助于传递由动力源112产生的扭矩。
在一些实施例中，机器100还可包括提升臂116，该提升臂通常支承在前框架102上。如图所示，提升臂116具有枢转地安装于前框架102的第一端部部分117和安装液压受控工具120(之后简称为“工具120”)的第二端部部分118。提升臂116可由一对提升气缸122(在图1中示出一个)在大体垂直平面中运动，该对提升气缸在第一端部123处枢转地安装于前框架102并且在第二端部124处安装于提升臂116。如图1中所示，工具120可以是诸如铲斗的作业器具，用于加载和卸载物质或材料。此外，如图所示，工具120可枢转地安装于提升臂116，并且能由联动气缸126绕安装件旋转，该联动气缸枢转地安装在提升臂116和工具120之间。在一个示例中，联动气缸126是其中具有活塞和液压流体的伸缩气缸。处于描述的目的，提升臂116连同工具120一起通常可被认为是机器100的主体101的一部分。
机器100还可包括转向系统128，以控制前框架102相对于后框架104绕垂直轴线‘A’的铰接。参照图2，例如从机器100的俯视图中观察到地是，从机器100的操作者的角度来看，转向系统128可包括位于机器100的左侧上的第一转向气缸130和位于机器100的右侧上的第二转向气缸132。具体地说，第一转向气缸130和第二转向气缸132可支承在后框架104的前部分134和前框架102的后部分136之间。第一和第二转向气缸130、132能以相对的方式致动以控制转向功能。换言之，在第二转向气缸132缩回的同时，第一转向气缸130能延伸，且反之亦然。转向气缸130、132的此种协调致动能影响机器100的转向，该机器当然经受作用在机器100上的其它力，例如作用在工具120以及第一和第二对车轮的一个或多个车轮上的力。例如，位于机器100的左侧上的第一转向气缸130可缩回，而位于机器100的右侧上的第二转向气缸132同时地延伸，由此致使前框架102能相对于后框架104绕垂直轴线‘A’逆时针枢转，并且使得机器100朝向左侧转向。然而，在所公开主题的一个或多个实施例中，转向系统128的不同构造可用于使得机器100转向，例如位于机器100的仅仅一侧处的单个转向气缸。此外，转向气缸130、132可由其它类型的致动器替代，例如电动机、液压马达等等。
如图1中所示，机器100可进一步包括操作者站台138。操作者站台138可包括用于机器100的控制的不同界面装置(未示出)，这些界面装置连同各种显示器或指示器一起来将信息传送至操作者。界面装置可例如包括车轮、操纵杆、按钮、开关、触摸屏或用于控制第一对车轮109和提升臂116的诸如枢转、旋转、盘曲、滑动、摆动之类的运动的其它装置，并且由此限定机器100的外围点的总体铰接和外极限。具体地说，界面装置可包括与转向系统128相关联的转向控制件140。在一个示例中，转向控制件140可呈转向车轮的形式，该转向车轮可根据需要旋转以控制前框架102相对于后框架104绕垂直轴线‘A’的旋转运动。在其它示例中，转向控制件140可不作任何限制地呈操纵杆、按钮、触摸屏等等的形式。
参照图2，可观察到地是，机器100以铰接角度‘β’定位，其中，前框架102相对于后框架104向左或逆时针旋转。在一个示例中，从操作者面向前的角度来看，铰接角度‘β’的正数值可指示前框架102的逆时针枢转，而铰接角度‘β’的负数值可指示顺时针枢转。可理解地是，在图1中，机器100定位成使得前框架102的纵向轴线与后框架104的纵向轴线对准，且因此在该情形中，铰接角度‘β’接近零度。如所讨论地，转向系统128能控制前框架102相对于后框架104绕垂直轴线‘A’的旋转运动。换言之，转向系统128可在联接装置106处提供扭矩，该扭矩致使前框架102相对于后框架104绕垂直轴线‘A’进行旋转运动。具体地说，扭矩至少部分地可由转向系统128的第一和第二转向气缸130、132的协调延伸和缩回而产生。
可设想地是，机器100的操作可由该机器的通常存在于操作者站台138中的驾驶员/操作者控制，但本发明的概念还可在自主或远程控制的机器100中实践。例如，驾驶员可将驾驶员控制输入(之后简称为“控制输入”)提供给转向控制件140以指令转向系统128，并且由此提供前框架102相对于后框架104绕联接装置106的受控铰接。驾驶员可通过调谐或以其它方式移动转向控制件140来实现上述目的。可理解的是，转向控制件140可调节转向系统128的第一和第二转向气缸130、132的转向气缸压力，且由此基于控制输入来控制第一和第二转向气缸130、132的延伸和缩回。控制输入可包括针对铰接角度、铰接角向速度、铰接角度指令、一个或多个转向气缸压力以及一个或多个联动气缸压力的至少一个的数值；这里使用的术语具有它们的常用含义。
图3示出示例性工作部位300，其中，机器100可操作以执行一个或多个操作。在图3的说明中，机器100示作在工作部位300中位于外部对象302附近，例如以另一机器的形式中所示。另一机器可例如是反铲装载机(如图所示)、自动倾卸卡车或存在于工作部位300中的任何其它机器。可设想的是，虽然外部对象302以另一机器的形式示出；外部对象302可以是类似于岩石或树的固定结构、移动对象或人类或者工作部位300中的任何其它障碍物。机器100和外部对象302之间的碰撞会损坏机器100或外部对象302。
图4示出机器100的简化示意图。在一些实施例中，机器100包括碰撞缓解系统400(在图4中示意地表示)，以检测机器100的某一距离内的任何外部对象(类似于外部对象302)，并且通过限制机器100的铰接来避免碰撞或者通过减小机器100的铰接速率来缓解碰撞的撞击力。具体地说，碰撞缓解系统400可超越和/或限制由机器100的操作者提供的控制输入，以控制机器100的铰接。碰撞缓解系统400基于与机器铰接角度、机器的外围几何形状以及外部障碍物/对象距机器100的机器100外围点的距离相关联的信息工作，这将在后续段落中详细地讨论。
在一个实施例中，如图4中所示，碰撞缓解系统400包括第一传感器系统402，该第一传感器系统配置成感测围绕机器100的对象。在一些示例中，第一传感器系统402可进一步配置成监控机器100的诸如机器100的一个或多个外围点等各个部件的位置。第一传感器系统402能安装在机器100的主体101之上或者远离该主体安装。在一个示例中，第一传感器系统402可包括一个或多个照相机。如这里所使用地，照相机可包括图像捕获装置，例如单声道或立体声照相机。通常，第一传感器系统402可包括360°照相机，该360°照相机例如定位在机器100中的操作者站台138的顶部上。替代地是，第一传感器系统402可包括多个照相机，这些照相机设置在机器100的各个位点处并且在数量上足以提供围绕机器100的360°全景视图。第一传感器系统402可包括一些形式的电路，以拼接所接受的图像来产生360°全景视图，该全景视图可借助位于操作者站台138中的一定形式显示器单元来可选地显示给机器100的驾驶员。通常，所捕获的图像可以是同心图像，这些同心图像可用于摄像测量技术来确定任何外部对象距机器100的主体101的距离。在其它示例中，第一传感器系统402可以是传感器/检测器，该传感器/检测器使用电磁波来确定位于距机器100的主体101某一距离内的任何外部对象的存在。传感器/检测器基于发送电磁波并接收来自对象的反射波的原理工作，以给出关于对象的位置、速度等的信息。例如，第一传感器系统402可包括一个或多个雷达(无线电检测和测距)传感器、一个或多个激光雷达(光检测和测距)传感器、一个或多个声纳(声音导航和测距)传感器等等的任何一个。
碰撞缓解系统400还可包括多个传感器，例如电容式、电阻式、电势测定、压电式或与机器100的各个部件相关联的任何其它类型的机电传感器，用于感测各种不同参数，以评估机器100的所有外围点的位置。例如，碰撞缓解系统400可包括第二传感器系统404，该第二传感器系统配置成感测前框架102相对于后框架104的实时铰接角度‘β’。第二传感器系统404可包括一个或多个旋转位置传感器，例如但不限于使用陀螺仪和/或加速度计的挂接角度传感器，其与联接装置106操作地相关联以确定铰接角度‘β’。替代地，第二传感器系统404可包括与第一和第二转向气缸130、132的每个相关联的转向气缸传感器，以确定转向气缸压力数值，这些转向气缸压力数值进而可用于确定前框架102相对于后框架104的实时铰接角度‘β’。在一些示例中，第二传感器系统404可进一步利用所确定实时铰接角度‘β’的一系列数值，从而以任何已知的方式计算铰接速率，即机器100中铰接角度‘β’的改变速率。此外，碰撞缓解系统400可包括第三传感器系统406，该第三传感器系统配置成感测第一和第二对车轮109、110的实时旋转。第三传感器系统406可包括一个或多个旋转传感器，这些旋转传感器单独地与第一对车轮109和第二对车轮110的每个相关联，以确定车轮109、110的位置和速度。此外，机器100在一些实施例中可包括第四传感器系统408，该第四传感器系统配置成感测其中的液压受控工具120的实时位置。第四传感器系统408可包括一个或多个旋转位置传感器，例如但不限于与提升臂116操作地相关联的陀螺仪和/或加速度计，以确定液压受控工具120相对于机器100的主体101的角度且由此位置。替代地，第四传感器系统408可包括与联动气缸126相关联的联动气缸传感器(未示出)，以确定联动气缸压力，该联动气缸压力可用于确定液压受控工具120相对于机器100的主体101的位置。
在一些实施例中，碰撞缓解系统400可包括实时处理电路410，之后简称为“控制器410”。控制器410可设置成与第一传感器系统402、第二传感器系统404、第三传感器系统406和第四传感器系统408的每个信号通信。控制器410可以是使用一个或多个集成电路、微芯片、微控制器、微处理器的逻辑单元、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或适合于执行指令或执行逻辑操作的其它电路的所有或部分。诸如缓冲器、锁存器、开关等等的其它外围电路可在控制器410内实施或者根据需要单独地实施。各种其它电路也可与控制器410相关联，该控制器例如是电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路以及其它类型的电路。此外，碰撞缓解系统400可包括存储器412，该存储器与控制器410通信并且配置成存储程序指令和传感器信号。存储器412可包括非瞬态计算机可读介质，例如RAM、ROM、闪存存储器、硬盘驱动器等等。存储器412可进一步配置成存储与机器100的操作相关联的电子数据。
在一些实施例中，碰撞缓解系统400中的控制器410可配置成基于来自第一传感器系统402的与围绕机器100的所感测对象相对应的信号来确定围绕机器100的安全区域。如这里所使用地，“安全区域”可限定为围绕机器100的主体101的区域，在该区域内，位于其极限外围点处的部件能运动或铰接，而不会产生与任何外部对象碰撞的风险。可理解的是，安全区域可呈围绕机器100的三维包络部的形式。在一些实施方式中，安全区域可限定机器100的最大铰接角度，该最大铰接角度例如由图3中的实线310表示。具体地说，主体101和由实线310限定的弧之间的区域提供安全区域，其中，机器100可自由地铰接，而不会产生碰撞的风险。此外，超出边界的区域、例如由图3中虚线315所指示的铰接角度是在机器100移动或铰接时与外部对象302存在碰撞可能性的区域。
此外，碰撞缓解系统400中的控制器410可配置成基于来自第二传感器系统404、第三传感器系统406和第四传感器系统408的信号来确定机器100上一个或多个外围点的位置和速度。如这里所使用地，术语“外围点”是位于机器100的主体101的外或极限边缘上的任何点；例如，具体地说，是在前框架102相对于后框架104铰接时工具120的侧边缘上的任何点。本领域技术人员可设想的是，通过考虑前框架102相对于后框架104的铰接角度‘β’和铰接速率(例如由第二传感器系统404确定)、机器100的运动(例如由第三传感器系统406确定)以及此外工具120的实时位置(例如由第四传感器系统408确定)来确定一个或多个外围点的位置和速度。
此外，碰撞缓解系统400中的控制器410可配置成接收例如由转向控制件140提供的控制输入。在一些实施方式中，控制器410也可接收表示转向角度(其可等于铰接角度‘β’)的转向角度信号、表示转向角度改变速率(其可等于铰接速率)的转向速率信号、表示车轮109、110的运动的车轮旋转信号以及表示相应转向气缸130、132的压力(其可等于转向气缸压力)的多个气缸压力信号。
此外，碰撞缓解系统400中的控制器410进一步配置成当预期机器100上至少一个外围点落在距安全区域的最近边缘的预定距离内时向控制输入施加限制。可通过限制机器100的前框架102和后框架104之间的铰接来施加限制。通常，控制器410确定机器100中一个或多个外围点和外部对象302之间的迫近碰撞。在一个示例中，控制器410可在联接装置106处实施扭矩或减速控制，以减小前框架102相对于后框架104绕联接装置106的铰接速率。在其它示例中，控制器410可在联接装置106处实施扭矩或减速控制，以在前框架102相对于后框架104绕联接装置106的铰接上提供硬止挡。实施对控制输入的限制或扭矩减小，以使得一个或多个外围点在主体101上的运动(具有与外部对象302碰撞的风险)限制在安全区域内，以避免迫近碰撞；或者例如如果机器100无法停止在安全区域内，至少减小此类外围点的速度，以缓解机器100和外部对象302之间的碰撞撞击。可理解的是，控制器410可基于机器100的铰接特征来计算所需的扭矩减小量。此外，控制器410可例如通过调节机器100的动力系111和/或转向系统128来减小扭矩或速度所计算的量。例如，如图4中所示，控制器410可将指令发送至转向阀或者转向气缸130、132两者以控制机器100的铰接。
在一个实施例中，控制器410可能够通过考虑来自传感器系统402、404、406、408的实时信号来动态地调节控制输入上的限制。例如，如果在前框架102相对于后框架104铰接的同时外部对象在预先计算的安全区域内运动(例如由第一传感器系统402确定)，控制器410可考虑在机器100附近最近运动的外部对象302来动态地更新安全区域的边界。
在一些示例中，控制器410可进一步包括用于机器100的操作者的反馈单元(未示出)，作为操作者站台138中的其中一个界面装置。反馈单元可呈报警灯的形式以告知操作者前进，例如实施扭矩或速度减小，因为已确定与外部对象302迫近碰撞。在一些示例中，控制器410可进一步包括计算单元(未示出)，该计算单元可实时地或批量地记录工作部位300的各个位置处已避免的所有碰撞的数量和/或将其发送至远程位置。这可有助于开发机器100的更佳导航计划，以避免工作部位300中操作期间的此类障碍物。在无法防止碰撞的情形中，控制器410可基于机器行进的速度来记录和/或发送主体101和外部对象302之间的接触幅值。
工业实用性
具有相对于彼此绕垂直轴线铰接的独立前框架和后框架的机器广泛地用在越野工业中。例如，许多轮式装载机是铰接式机器，这些铰接式机器至少通过使得前框架和/或后框架相对于彼此“弯曲”(并且在一些情形中并不直接地通过使得车轮“转弯”)而转向。在此类机器中，在前框架和后框架之间的铰接增强时，完成转弯所需的间隙距离可接近高达机器长度的至少一半。机器的安全操作区域的此种大型重新构造在受限的区域中有时可能是危险的，而不管机器是否紧邻于包括但不限于其它作业机器、建筑和岩石的周围外部对象。这会引入困难或者与周围对象的意外相互作用，并且在此种机器中执行转弯或操作期间引起碰撞。
本发明提供碰撞缓解系统400，该碰撞缓解系统使用各种传感器来获取与机器100的铰接角度、实施臂几何形状以及外部对象相关的信息，并且在与外部对象(类似于外部对象302)迫近碰撞的情形中，由碰撞缓解系统400来执行转向超越，以通过限制铰接来避免碰撞或者通过减小铰接速率来缓解碰撞的撞击力。主要概念涉及在了解紧邻于机器100的外部对象、以及机器100的铰接角度(经由第二传感器系统404和第三传感器系统406)和实施臂几何形状(经由第四传感器系统408)的情形下(经由第一传感器系统402)超越或改变操作者转向指令(经由电液压或所有电动转向)的能力，以避免或减小碰撞撞击。确切地说，控制器410保持追踪机器100的外围点在例如工具120的空间中的结构以及位置。如果外部对象、类似于外部对象302进入到安全区域中，控制器410就会确定机器100仍能安全铰接而不会做出接触的剩余角度。如果机器100的操作者给出可导致与外部对象302碰撞的控制输入，控制器410采取动作来改变控制输入，以通过限制铰接来避免接触，或者通过在机器100接近外部对象302时减小铰接速率来缓解撞击力。
碰撞缓解系统400的工作在图5中以流程图500的形式表示。在框块502处，碰撞缓解系统400中的控制器410接收机器传感器输入，即来自第一传感器系统402、第二传感器系统404、第三传感器系统406和第四传感器系统408的一个或多个的输入。在框块504处，控制器410处理机器传感器输入，以确定机器100的一个或多个外围点的位置。在框块506处，控制器410处理所确定的一个或多个外围点，以限定围绕机器100的安全区域。在框块508处，控制器410接收控制输入以限定期望的操作者铰接区域，即操作者通过评估转向指令而期望铰接机器100的程度。在框块510处，控制器410将期望的操作者铰接区域与安全区域相比较。在框块512处，控制器410检查机器100是否接近安全区域。如果否的话，在框块514处，控制器410允许控制输入能执行并且因此铰接机器100。如果是的话，在框块516处，控制器410限制控制输入，以将铰接式作业车辆的铰接保持在安全区域内或者限制安全区域以外的铰接扭矩。
图6示出以流程图的形式表示的方法600，用于缓解机器100的碰撞。方法600的框块602可包括使用控制器410基于来自第一传感器系统402的与围绕机器100的所感测对象相对应的信号来确定围绕机器100的安全区域。方法600的框块604可包括使用控制器410来基于来自操作地联接于机器100的一组传感器系统404、406、408来确定机器100上一个或多个外围点的位置和速度。方法600的框块606可包括接收控制输入。方法600的框块608可包括当预期机器100上的任何一个外围点落在距安全区域的最近边缘预定距离内时使用控制器410向控制输入施加限制。如这里所使用地用于执行控制器410的各个功能的过程已在上文段落中进行了描述，并且出于本发明的清楚起见这里并不详细地重复。
本发明的系统和方法能防止机器100在工作部位300中进行铰接的同时与任何外部对象302的可能碰撞，或者至少减小碰撞的撞击，由此，本发明的实施例可减小或完全消除对于机器100的损坏，例如框架损坏、车轴弯曲和/或对于液压管线的损坏。同时，本发明的实施例增大机器100内部操作者的安全性以及那些靠近机器100的所有的安全性。此外，本发明的实施例允许操作者能更便利且精确地执行转向操作，并且还减小操作者疲劳，因为如果有任何错误操作者仍可足够地确信本发明的系统可避免可能的碰撞；因此，可设想地是，本发明的系统也可有助于培训无经验的操作者。此外，本发明的实施例允许机器100能在工作部位300的受限空间或紧凑区域中操作，由此改进总体的机器效率。
虽然已参照上述实施例具体地示出并且描述了本发明的各方面，但本领域技术人员应理解的是，通过修改所公开的机器、系统以及方面，可设想各种附加的实施例，额不会偏离所公开的精神和范围。此类实施例应理解为落在基于权利要求及其任何等同物所确定的本发明范围内。

Claims (20)

1.一种铰接式作业车辆，包括：
前框架，所述前框架具有第一对车轮；
后框架，所述后框架具有第二对车轮；
联接装置，所述联接装置将所述前框架枢转地联接于所述后框架；
动力系，所述动力系配置成至少驱动所述第二对车轮；
转向系统，所述转向系统配置成基于在驾驶员操作所述铰接式作业车辆时接收的驾驶员控制输入来提供所述前框架相对于所述后框架绕所述联接装置的受控铰接；
第一传感器系统，所述第一传感器系统配置成感测围绕所述铰接式作业车辆的对象；
第二传感器系统，所述第二传感器系统配置成感测所述前框架相对于所述后框架的铰接角度；
第三传感器系统，所述第三传感器系统配置成感测所述第一和第二对车轮的实时旋转；以及
实时处理电路，所述实时处理电路电气地联接于所述转向系统、所述第一传感器系统、所述第二传感器系统以及所述第三传感器系统，且所述处理电路配置成：
基于来自所述第一传感器系统的与围绕所述铰接式作业车辆的所感测对象相对应的信号来确定围绕所述铰接式作业车辆的安全区域；
基于来自所述第二传感器系统和所述第三传感器系统的信号来确定所述铰接式作业车辆上一个或多个外围点的位置和速度；
接收所述驾驶员控制输入以控制所述前框架相对于所述后框架绕所述联接装置的铰接；
响应于接收所述驾驶员控制输入以控制所述前框架相对于所述后框架绕所述联接装置的铰接，通过将与所接收的驾驶员控制输入相关联的期望的驾驶员操作铰接角度与围绕所述铰接式作业车辆确定的安全区域进行比较来确定是否向驾驶员控制输入施加限制；以及
响应于确定是否施加所述限制，当预期所述铰接式作业车辆上的外围点落在距所述安全区域的最近边缘的预定距离内时向所述驾驶员控制输入施加所述限制。
2.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，进一步包括：
液压受控工具；以及
第四传感器系统，所述第四传感器系统配置成感测所述液压受控工具的实时位置，
其中，所述实时处理电路进一步配置成基于来自所述第四传感器系统的信号来确定所述铰接式作业车辆上的一个或多个外围点的位置和速度。
3.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，向所述驾驶员控制输入施加限制是减小所述前框架的所述铰接速率。
4.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，向所述驾驶员控制输入施加限制是在所述前框架相对于所述后框架绕所述联接装置的铰接上进行硬止挡。
5.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，所述第一传感器系统包括一个或多个照相机。
6.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，所述第一传感器系统包括一个或多个雷达传感器。
7.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，所述第一传感器系统包括一个或多个激光雷达传感器和/或一个或多个声纳传感器。
8.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，所述处理电路被配置成基于来自所述第一传感器系统的与围绕所述铰接式作业车辆的所感测对象相对应的所述信号来动态地调节所述安全区域，并且/或者基于来自所述第二传感器系统和所述第三传感器系统的所述信号来动态地调节对所述驾驶员控制输入的限制的施加。
9.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，所述第二传感器系统包括一个或多个旋转位置传感器。
10.根据权利要求1所述的铰接式作业车辆，其中，所述第三传感器系统包括一个或多个旋转传感器。
11.根据权利要求2所述的铰接式作业车辆，其中，所述第四传感器系统包括一个或多个旋转位置传感器。
12.一种集成在铰接式作业车辆中的碰撞缓解系统，所述系统包括：
转向系统，所述转向系统配置成基于在驾驶员操作所述铰接式作业车辆时接收的驾驶员控制输入来提供前框架相对于后框架绕联接装置的受控铰接；
存储器，所述存储器配置成存储程序指令和传感器信号；以及
控制器，所述控制器与所述存储器和所述转向系统通信，且所述控制器配置成：
基于来自第一传感器系统的与围绕所述铰接式作业车辆的所感测对象相对应的信号来确定围绕所述铰接式作业车辆的安全区域；
基于来自操作地联接于所述铰接式作业车辆的一组传感器系统的信号来确定所述铰接式作业车辆上一个或多个外围点的位置和速度；
接收在驾驶员驾驶所述铰接式作业车辆时接收的驾驶员控制输入，以控制所述前框架相对于所述后框架绕所述铰接式作业车辆的联接装置的铰接；
响应于接收所述驾驶员控制输入以控制所述前框架相对于所述后框架绕所述联接装置的铰接，通过将与所接收的驾驶员控制输入相关联的期望的驾驶员操作铰接角度与围绕所述铰接式作业车辆确定的安全区域进行比较来确定是否向所述驾驶员控制输入施加限制；
响应于确定是否施加所述限制，当预期所述铰接式作业车辆上的外围点落在距所述安全区域的最近边缘的预定距离内时向所述驾驶员控制输入施加所述限制；以及
根据对所述驾驶员控制输入的所述限制来控制所述转向系统。
13.根据权利要求12所述的碰撞缓解系统，其中，向所述驾驶员控制输入施加限制是减小所述铰接式作业车辆的前框架相对于后框架绕联接装置的铰接速率。
14.根据权利要求12所述的碰撞缓解系统，其中，向所述驾驶员控制输入施加限制是在所述铰接式作业车辆的前框架相对于后框架绕联接装置的铰接上进行硬止挡。
15.根据权利要求12所述的碰撞缓解系统，其中，所述第一传感器系统包括一个或多个照相机。
16.根据权利要求12所述的碰撞缓解系统，其中，所述第一传感器系统包括一个或多个雷达传感器。
17.根据权利要求12所述的碰撞缓解系统，其中，所述第一传感器系统包括一个或多个激光雷达传感器。
18.根据权利要求12所述的碰撞缓解系统，其中，所述第一传感器系统包括一个或多个声纳传感器。
19.根据权利要求12所述的碰撞缓解系统，其中，所述一组传感器系统包括一个或多个位置传感器以及一个或多个旋转位置传感器。
20.一种利用在铰接式作业车辆中运行的碰撞缓解系统来缓解所述铰接式作业车辆的碰撞的方法，所述方法包括：
利用所述铰接式作业车辆的电路，基于来自第一传感器系统的与围绕所述铰接式作业车辆的所感测对象相对应的信号来确定围绕所述铰接式作业车辆的安全区域；
利用所述铰接式作业车辆的电路，从与所述铰接式作业车辆可操作地联接的一组传感器系统接收信号；
利用所述铰接式作业车辆的电路，基于来自操作地联接于所述铰接式作业车辆的一组传感器系统的信号来确定所述铰接式作业车辆上一个或多个外围点的位置和速度；
利用所述铰接式作业车辆的电路，接收在驾驶员操作所述铰接式作业车辆时接收的驾驶员控制输入，以通过所述铰接式作业车辆的转向系统控制所述铰接式作业车辆的前框架相对于后框架绕联接装置的铰接；
响应于接收所述驾驶员控制输入以控制所述前框架相对于所述后框架绕所述联接装置的铰接，利用所述铰接式作业车辆的电路，通过将与所接收的驾驶员控制输入相关联的期望的驾驶员操作铰接角度与围绕所述铰接式作业车辆确定的安全区域进行比较来确定是否向所述驾驶员控制输入施加限制；
响应于确定是否施加所述限制，当预期所述铰接式作业车辆上的外围点落在距所述安全区域的最近边缘的预定距离内时，利用所述铰接式作业车辆的电路向所述驾驶员控制输入施加所述限制，以及
利用所述铰接式作业车辆的电路，根据对所述驾驶员控制输入的所述限制控制所述转向系统。
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