CN108733047A - 机器稳定性控制系统 - Google Patents

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CN108733047A CN201810268486.5A CN201810268486A CN108733047A CN 108733047 A CN108733047 A CN 108733047A CN 201810268486 A CN201810268486 A CN 201810268486A CN 108733047 A CN108733047 A CN 108733047A
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Abstract

根据本公开，用于向机器提供稳定性控制的系统和方法包括：在设置在机器上的陀螺仪处生成偏航信号，并在与陀螺仪通信的控制器处接收偏航信号。控制器还与用户输入装置进行通信，该用户输入装置产生用于驱动所述机器的至少一个装置的控制信号。控制器被配置为至少部分地基于偏航信号改变从所述用户输入装置提供给所述至少一个装置的控制信号。

Description

机器稳定性控制系统
技术领域
本公开涉及一种具有转向系统的机器。
背景技术
诸如非公路车辆之类的机器包括用于跨越地形驱动机器和使得机器转向的系统。这些系统可以包括单独的专用推进系统和转向系统或也用作转向系统的推进系统，例如在双路径(双轨)车辆的情况下。具有某些推进系统的机器，特别是那些用于非公路应用的机器，如果缺少操作员校正，由于诸如地形偏差和/或作用在机器上的外力等环境刺激而趋于不直行。例如，松软或潮湿的表面，成堆的污垢，倾斜的表面和/或其他类似的环境刺激可能导致意图沿直线路径的机器意外地偏离所述直线路径，从而需要机器的操作者校正偏差。
发明内容
根据本公开，一种用于机器的稳定性控制系统可以包括：设置在所述机器上的陀螺仪和控制器。所述控制器与所述陀螺仪通信；并且用户输入装置产生用于驱动所述机器的至少一个装置的控制信号。所述陀螺仪产生偏航信号，并且所述控制器被配置为接收来自所述陀螺仪的偏航信号和来自所述用户输入装置的控制信号。所述控制器被配置为至少部分地基于所述偏航信号来改变从所述用户输入装置提供给所述至少一个装置的所述控制信号。
根据本公开，所述控制器可以基于所述偏航信号维持累积的偏航，并改变所述控制信号以最小化所述累积的偏航。所述控制器可以通过对在一段时间内从所述陀螺仪接收的偏航信号取平均值来确定所述累积的偏航。所述控制器也可以通过在所述一段时间内仅累积从所述陀螺仪接收的超过截止阈值的偏航信号来确定所述累积的偏航。
根据本公开，所述控制器可以确定来自所述用户输入装置的控制信号是否包括转向分量；和当来自所述用户输入装置的控制信号不包括转向分量时，所述控制器可以至少部分地基于所述偏航信号仅改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
根据本公开，所述陀螺仪和所述控制器可以设置在所述机器上的单个壳体内。所述陀螺仪可以通过CAN总线被连接到控制器，并且所述控制器可以包括PID控制器。
根据本公开，一种用于向机器提供稳定性控制的方法可以包括：从所述机器的用户输入装置接收命令机器移动的输入信号；响应于所述输入信号向所述机器的至少一个装置提供控制信号；从与所述机器相关联的陀螺仪接收偏航信号；和至少部分基于所述偏航信号改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
根据本公开，所述方法还可以包括：用所述陀螺仪监测所述机器的累积的偏航。监测所述累积的偏航可以包括对在一段时间内从所述陀螺仪接收的偏航信号取平均值。根据本公开，至少部分地基于所述偏航信号来改变提供给所述至少一个装置的控制信号的步骤可以包括最小化所述累积的偏航。
根据本公开，所述方法还可以包括：确定所述输入信号是否命令所述机器的直接轨迹，并且仅当所述输入信号命令所述机器的直接轨迹时，至少部分基于所述偏航信号改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
根据本公开，所述机器可以是具有至少两个装置的双路径机器，并且其中至少部分地基于所述偏航信号改变所述控制信号包括向所述至少两个装置提供不同的控制信号。
根据本公开，一种机器可以包括：主体；至少一个装置，其配置成在表面上推进所述主体。用户输入装置产生用于驱动所述至少一个装置的控制信号，并且陀螺仪设置在所述主体上，所述陀螺仪产生偏航信号。所述机器可以包括：控制器，其与所述陀螺仪和所述用户输入装置通信，所述控制器被配置为从所述陀螺仪接收偏航信号和从所述用户输入装置接收控制信号，并且至少部分基于所述偏航信号改变从所述用户输入装置提供给所述至少一个装置的控制信号。
根据本公开，所述控制器基于所述偏航信号维持累积的偏航并且改变所述控制信号以最小化所述累积的偏航。所述控制器可以通过对在一段时间内从所述陀螺仪接收的偏航信号取平均值来确定所述累积的偏航。所述控制器也可以通过在所述一段时间内仅累积从所述陀螺仪接收的超过截止阈值的偏航信号来确定所述累积的偏航。
根据本公开，用于机器的所述控制器可以确定来自所述用户输入装置的控制信号是否包括转向分量；和当来自所述用户输入装置的控制信号不包括转向分量时，所述控制器可以至少部分地基于所述偏航信号仅改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
根据本公开，所述陀螺仪和所述控制器可以设置在所述机器上的单个壳体内机器。所述机器还可以包括连接所述至少一个装置，所述用户输入装置，所述陀螺仪和所述控制器的CAN总线。
如附图所示，根据本公开的实施例的详细描述，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是包括根据本公开的稳定性控制系统的机器的示意图；
图2是图1的在地形上操作的机器的俯视图；
图3是用于向图1的机器提供稳定性控制的示意性控制图；和
图4是图1的机器的稳定性控制系统的示意性控制图。
具体实施方式
在进一步详细描述各种实施例之前，应该理解的是，本发明不限于所描述的特定实施例。本领域的普通技术人员将会理解，本文描述的控制器和系统可以被改变和修改，只要其适于正被处理的应用，并且本文描述的控制器和系统可以用于其他合适的应用中，并且这样的其他添加和修改不会偏离其范围。
参考图1，示出了包括根据本公开的稳定性控制系统12的机器10。机器10可以是具有转向系统的任何车辆，包括单路径(单轨)和双路径(双轨)车辆。例如，机器可以是非公路车辆，例如滑移式装载机，拖拉机，叉车，推土机，反铲挖掘机，起重机，樱桃捡取器，全地形车辆等。
机器10包括主体14和至少一个装置16，该至少一个装置16可操作地联接到用于推动主体14越过地形的一个或多个轮子，踏板和/或其他类似的驱动元件。在一些应用中，例如在机器10是双路径车辆的情况下，机器10可以包括至少两个装置16，该至少两个装置除了提供推进之外还提供机器10的转向系统。在其他应用中，例如机器是单路径车辆的情况下，机器10可以包括转向系统，该转向系统具有用于使得机器10转向的专用转向致动器18，而至少一个装置16提供推进。至少一个装置16和/或转向致动器18可以包括机械和/或液压推进和转向系统或其组合。
该机器还包括控制器20，用户输入装置24和设置在主体14上或内的陀螺仪26，该控制器20包括推进系统22和稳定性控制系统12。用户输入装置24和陀螺仪26可操作地连接到控制器20以分别向推进系统22和稳定性控制系统12提供输入，从而允许控制器20命令至少一个装置16以及可选地命令转向致动器18以驱动具有根据本公开的稳定轨迹控制装置的机器10和使得该机器10转向。
用户输入装置24可以是用于向机器10施加驱动和/或转向移动的任何合适的控制装置，且包括用于上面列出的各种机器的任何已知的操作员控制装置。例如，用户输入装置24可以包括方向盘，一个或多个操纵杆，踏板或任何其他类似的操作员控制装置。
控制器20，至少一个装置16，可选的转向致动器18，用户输入装置24和陀螺仪26以及机器10的其他各种子系统可以通过控制器区域网络(CAN或CAN总线)或其他类似网络彼此连接，其中控制器区域网络(CAN或CAN总线)或其他类似网络允许控制器20，至少一个装置16，转向致动器18，用户输入装置24，陀螺仪26以及各种其他子系统，微处理器和/或连接到CAN或其他类似网络的任何其他设备使用CAN或本领域已知的其他通信协议来彼此通信。
控制器20包括所有必要的电子器件，软件，存储器，存储元件，数据库，固件，逻辑/状态机器，微处理器，通信链路以及任何其他输入/输出接口以执行本文所述的功能和/或实现本文所述的结果。例如，控制器20可以包括一个或多个处理器和存储器，或者与一个或多个处理器和存储器通信，存储器可以包括系统存储器，包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。合适的计算机程序代码可以被提供给控制器20以用于执行许多功能，包括结合稳定性控制系统12和推进系统22所讨论的那些功能。
一个或多个处理器可以包括一个或多个传统微处理器，并且还可以包括一个或多个辅助协同处理器，例如数学协同处理器等。该一个或多个处理器可以被配置为与诸如服务器，其他处理器，计算机，蜂窝电话，平板电脑等的其他网络和/或设备进行通信。
所述一个或多个处理器可以与存储器通信，所述存储器可以包括磁性，光学和/或半导体存储器，例如随机存取存储器(“RAM”)，只读存储器(“ROM”)，闪存，光存储器或硬盘驱动存储器。存储器可存储由陀螺仪26检测到的累积的偏航以供稳定性控制系统12在提供根据本公开的稳定性控制时使用。存储器还可以存储通常存在于计算设备中的任何其他数据和/或信息，所述其他数据和/或信息包括操作系统和/或一个或多个其他程序(例如，计算机程序代码和/或计算机程序产品)，所述操作系统和/或一个或多个其他程序存储在非暂时性存储器部分中并且适于指导控制器20根据本文讨论的各种实施例执行。推进系统22，稳定性控制系统12和/或其部分和/或任何其他程序可以例如以压缩格式，未编译和/或加密格式存储，并且可以包括可由一个或多个处理器执行的计算机程序代码。计算机程序代码的可执行指令可以从除存储器之外的非暂时性计算机可读介质读取到一个或多个处理器的主存储器中。尽管程序中的指令序列的执行使得一个或多个处理器执行本文描述的处理步骤，但是硬连线电路可以用来代替用于实现本发明的处理的可执行软件指令，或与该可执行软件指令组合使用。因此，本发明的实施例不限于硬件和软件的任何特定组合。
例如，本文讨论的方法和系统还可以在诸如现场可编程门阵列，可编程阵列逻辑，可编程逻辑器件等的可编程硬件设备中实现。程序也可以用软件来实现以供各种类型的计算机处理器执行。可执行代码的程序例如可以包括计算机指令的一个或多个物理或逻辑块，其可以例如被组织为对象、过程、处理或功能。然而，所识别的程序的可执行文件不需要物理地定位在一起，而是可以包括存储在不同位置的单独的指令，这些指令在逻辑上连接在一起时构成程序并实现程序的所陈述的目的，例如提供工作流分析。在一个实施例中，可执行代码的应用可以是许多指令的汇编，这些指令可以分布在几个不同的代码分区或分段上，分布在不同程序中，并且分布在多个设备上。
例如，虽然图1中示出的稳定性控制系统12是控制器20的一个一体部件，但稳定性控制系统12也可以是一个单独的部件，其包括一个稳定性控制器壳体，该壳体容纳所有必要的处理器，存储器等，以提供根据本公开的稳定性控制。单独的稳定性控制系统12可以通过CAN总线或其他类似的网络可操作地连接到控制器20。类似地，陀螺仪26可以是布置在机器10的主体14上的单独部件，或者可以与例如在单独的稳定性控制器壳体中的稳定性控制系统12一体化，该稳定性控制器壳体连接到CAN总线或类似网络。
如本文所使用的术语“计算机可读介质”是指提供或参与向控制器20的一个或多个处理器(或本文所述的设备的任何其他处理器)提供指令和/或数据以用于执行的任何介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质或存储器和易失性存储器。非易失性存储器可以包括例如光盘，磁盘或光磁盘或其他非暂时性存储器。易失性存储器可以包括动态随机存取存储器(DRAM)，其通常构成主存储器或其他暂时存储器。
参考图2，稳定性控制系统12如图1所示利用图1所示的控制器20来实现以稳定机器10的直线轨迹。因此，当机器10被控制为沿直线路径28移动时，机器10不会由于环境刺激32(诸如作用在机器10上的地形偏差和/或外力)而意外地从直线路径28偏离到非预期路径30上，该机器10如果不存在图1所示的稳定性控制系统12，那么为了维持机器10沿直线路径28的轨迹，需要操作员校正。示例性环境刺激32可包括例如疏松或潮湿的表面，污物堆，倾斜表面和/或其他类似的环境刺激物，这些刺激可能导致机器10无意中通过牵引力等的损失而偏离直线路径28。
参考图3，在操作中，由于机器10还没有移动，所以累计的偏航33最初被设置为零，如步骤34所示。累积的偏航33是由陀螺仪26在短时间内产生的原始偏航数据信号的平均值。为了解决许多陀螺仪常见的信号漂移，累积的偏航33可以由控制器20使用信号截止阈值来确定，累积的偏航33通过在一段时间内仅累积超过信号截止阈值的偏航数据信号来确定。因此，信号截止阈值允许控制器20将机器10的实际旋转(即，高于截止阈值的偏航信号值)与漂移信号噪声(即低于截止阈值的偏航信号值)区分开。控制器20还可以使用在一段时间内低于截止阈值的偏航信号值的平均值作为信号漂移的偏移量。
为了使控制器20以稳定的直线轨迹推进和引导机器10，控制器20必须首先从用户输入装置24接收控制信号，该控制信号命令机器10在步骤36的移动。如果用户输入装置24还没有产生控制信号，那么控制器20可以简单地继续等待来自用户输入装置24的控制信号。或者，如果从用户输入装置24接收到控制信号，则在步骤38，控制器20评估控制信号是否包括转向分量，即操作者是否打算使得机器10转向，或者控制信号是否命令机器10沿直线轨迹，例如直线路径28，如图2所示。如果来自用户输入装置24的控制信号确实包括转向分量，则这意味着操作者希望机器10转向，并且因此在步骤40，控制器20可以通过如图1所示的推进系统22命令至少一个装置16和/或转向致动器18基于来自用户输入装置24的控制信号来推动机器10和使得机器10转向。
可选地，如果控制器20在步骤38确定来自用户输入装置24的控制信号不包括转向分量，则这意味着操作者打算沿着直线轨迹驱动机器，诸如直线路径28，如图2所示。在这种情况下，控制器20可以通过根据本公开的稳定性控制系统12实现稳定的直线轨迹，首先，在步骤42，基于累积的偏航33改变从用户输入装置24接收到的控制信号。例如，如图4所示，稳定性控制系统12可以包括反馈回路44，随着机器10移动，所述反馈回路44根据由如图1所示的陀螺仪26产生的偏航信号确定的累积的偏航33且响应来自如图1所示的用户输入装置24的控制信号，而修改由如图1所示的驱动系统22产生的转向设定点控制信号46。例如，如上所述，累积的偏航33可以由控制器20使用信号截止阈值来确定，累积的偏航33仅根据超过信号截止阈值的偏航数据信号来确定，从而允许控制器20将机器10的实际旋转(即，高于截止阈值的偏航信号值)与漂移信号噪声(即，低于截止阈值的偏航信号值)区分开。如上所述，控制器20还可以使用低于截止阈值的偏航信号值的平均值来偏移所述信号漂移。以上述方式使用累积的偏航33，而不是来自由陀螺仪26产生的偏航信号的原始数据，允许控制器20避免由于陀螺仪漂移而引起的偏航信号中的误差，其中陀螺仪漂移是很多陀螺仪的共同点。这样，通过利用来自如图1所示的陀螺仪26的偏航信号，在每个控制回路期间，稳定性控制系统12确定累积的偏航33，该累积的偏航指示由于机器10被直线驱动并且因此不应该经历任何偏航的事实导致的转向误差。因此，累积的偏航33表示机器10已经表现出多少旋转，即转向误差。如图1所示的控制器20通过例如使用PID(比例-积分-微分)控制器48来消除该转向误差，以通过改变提供给如图1所示的至少一个装置16和/或可选的转向致动器18的控制信号来稳定机器10的轨迹，从而通过将累积的偏航33减小到零来基于偏航信号校正转向。每个控制回路PID控制器48计算转向误差以作为期望转向设定点控制信号46和由如图1所示的陀螺仪26测量的累积偏移33之间的差值，并且基于比例，积分和微分项应用校正以将累积的偏航33减小到零。
返回参考图3，一旦控制器20在步骤42改变控制信号，则控制器20然后在步骤50命令至少一个装置16和/或转向致动器18基于改变后的控制信号推进机器10，从而沿着直线轨迹推进机器10，例如图2中所示的直线路径28。例如，如果机器10是具有两个静液压驱动系统(例如滑移转向器)的双路径机器，则控制器20改变两个驱动系统相对于彼此的控制信号中的一个和/或两个，使得两个驱动系统的传动速度不再彼此匹配，对于直线轨迹而言通常使得两个驱动系统的传动速度匹配。控制信号之间的相对变化对机器10的转向产生影响，在没有通过用户输入装置24发出实际转向的情况下，消除机器10的偏航并保持例如沿如图2所示的直线路径28的直线轨迹。
在步骤52，控制器20然后在该一段时间内从如图1所示的陀螺仪26接收偏航信号并且在步骤54，更新累积的偏航33以提供机器10展现多少旋转的测量，因为该旋转表示转向误差。控制器20然后根据图3的方法继续控制机器10的移动和转向。
因此，本公开的稳定性控制系统12通过自动补偿发送到驱动和/或转向系统的一个转向命令或多个命令，来有利地测量和消除机器10的偏航，所述驱动和/或转向系统可以是例如一个或更多的液压系统。相应地，返回参考图2，如图1所示的控制器20有利地稳定了机器10的直线轨迹，从而当机器10沿直线轨迹(例如直线路径28)行进时，机器10不会由于作用在机器10上的环境刺激32无意地从直线路径28偏离到例如到非预期路径30，该机器10如果没有图1所示的稳定性控制系统12，那么为了保持机器10沿直线路径28的轨迹，需要操作员修正。
尽管在本公开中已经描述了各种实施例，但是本领域的普通技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的精神和范围整体的情况下对各种实施例进行修改。例如，尽管已经结合生成偏航信号的陀螺仪来描述了本公开的系统和方法，但陀螺仪可以用能够进行偏航测量的任何其他定向传感器来代替。因此，本说明书中描述的特定实施例应被认为仅仅是说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种用于机器的稳定性控制系统，所述稳定性控制系统包括：
陀螺仪，其设置在所述机器上，所述陀螺仪产生偏航信号；
控制器，其与所述陀螺仪通信；和
用户输入装置，其产生用于驱动所述机器的至少一个装置的控制信号，
所述控制器被配置为接收来自所述陀螺仪的偏航信号和来自所述用户输入装置的控制信号；
其中所述控制器被配置为至少部分地基于所述偏航信号来改变从所述用户输入装置提供给所述至少一个装置的所述控制信号。
2.根据权利要求1所述的稳定性控制系统，其中，所述控制器基于所述偏航信号维持累积的偏航，并改变所述控制信号以最小化所述累积的偏航。
3.根据权利要求2所述的稳定性控制系统，其中，所述控制器通过对在一段时间内从所述陀螺仪接收的偏航信号取平均值来确定所述累积的偏航。
4.根据权利要求3所述的稳定性控制系统，其中，所述控制器通过在所述一段时间内仅累积从所述陀螺仪接收的超过截止阈值的偏航信号来确定所述累积的偏航。
5.根据权利要求1所述的稳定性控制系统，其中，所述控制器确定来自所述用户输入装置的控制信号是否包括转向分量；和
其中，当来自所述用户输入装置的控制信号不包括转向分量时，所述控制器至少部分地基于所述偏航信号仅改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
6.根据权利要求1所述的稳定性控制系统，其中，所述陀螺仪和所述控制器设置在所述机器上的单个壳体内。
7.根据权利要求1所述的稳定性控制系统，其中，所述控制器包括PID控制器。
8.一种用于向机器提供稳定性控制的方法，所述方法包括：
从所述机器的用户输入装置接收命令机器移动的输入信号；
响应于所述输入信号向所述机器的至少一个装置提供控制信号；
从与所述机器相关联的陀螺仪接收偏航信号；和
至少部分基于所述偏航信号改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
用所述陀螺仪监测所述机器的累积的偏航。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，监测所述累积的偏航包括对在一段时间内从所述陀螺仪接收的偏航信号取平均值。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，至少部分地基于所述偏航信号来改变提供给所述至少一个装置的控制信号的步骤包括最小化所述累积的偏航。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括：
确定所述输入信号是否命令所述机器的直线轨迹。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
仅当所述输入信号命令所述机器的直线轨迹时，至少部分基于所述偏航信号改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述机器是具有至少两个装置的双路径机器，并且其中至少部分地基于所述偏航信号改变所述控制信号包括向所述至少两个装置提供不同的控制信号。
15.一种机器，包括：
主体；
至少一个装置，其配置成在表面上推进所述主体；
用户输入装置，其产生用于驱动所述至少一个装置的控制信号；
陀螺仪，其设置在所述主体上，所述陀螺仪产生偏航信号；和
控制器，其与所述陀螺仪和所述用户输入装置通信，所述控制器被配置为从所述陀螺仪接收偏航信号和从所述用户输入装置接收控制信号，并且至少部分基于所述偏航信号改变从所述用户输入装置提供给所述至少一个装置的控制信号。
16.根据权利要求15所述的机器，其中，所述控制器基于所述偏航信号维持累积的偏航并且改变所述控制信号以最小化所述累积的偏航。
17.根据权利要求16所述的机器，其中，所述控制器通过对在一段时间内从所述陀螺仪接收的偏航信号取平均值来确定累积的偏航。
18.根据权利要求17所述的机器，其中，所述控制器通过在所述一段时间内仅累积从所述陀螺仪接收的超过截止阈值的偏航信号来确定所述累积的偏航。
19.根据权利要求15所述的机器，其中，所述控制器确定来自所述用户输入装置的控制信号是否包括转向分量；和
其中，当来自所述用户输入装置的控制信号不包括转向分量时，所述控制器至少部分地基于所述偏航信号仅改变提供给所述至少一个装置的控制信号。
20.根据权利要求15所述的机器，还包括连接所述至少一个装置、所述用户输入装置、所述陀螺仪和所述控制器的CAN总线。
CN201810268486.5A 2017-04-21 2018-03-28 机器稳定性控制系统 Active CN108733047B (zh)

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