CN111139882B - 基于操作值提高作业机械稳定性的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于操作值提高作业机械稳定性的系统和方法。作业机械包括基于操作值进行稳定性控制的系统和方法。该作业机械包括控制系统，该控制系统具有带有负载传感器、臂位置传感器和铰接角传感器的传感器系统。控制器与传感器系统通信。该控制器被配置为接收移动命令并且从该传感器系统接收一组值。该控制器被配置成基于所接收的该组值来确定用于该工作车辆的正常操作的操作窗口，基于所接收的该组值来确定移动限制，并且限制部件的移动超出该移动限制。

Description

基于操作值提高作业机械稳定性的系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于作业车辆的液压系统。
背景技术
许多工业作业机械，例如建筑设备，使用液压来控制各种可移动的器具。操作员设置有可操作地联接到一个或多个液压致动器的一个或多个输入或控制装置，其操纵设备的选定部件或装置的相对位置以执行各种操作。例如，装载机可用于升降和移动各种材料。装载机可包括通过吊杆枢转地联接到框架的铲斗或叉形附件。一个或多个液压缸联接到吊杆和/或铲斗以在相对于框架的位置之间移动铲斗。
发明内容
根据一个示例性实施方式，作业机械包括后主体部分和枢转地联接到后主体部分的前主体部分。由前主体部分和后主体部分之间的相对角度限定铰接角度。铰接致动器联接到后主体部分和前主体部分。铰接致动器被配置为使前主体部分相对于后主体部分在铰接角度范围内枢转。机械臂联接到前主体部分。作业器具联接到机械臂并且配置成接收负载。臂致动器联接到机械臂，以在下部位置和上部位置之间移动机械臂。下部位置和上部位置之间的距离限定机械臂的行进距离。传感器系统包括负载传感器、臂位置传感器和铰接角度传感器。控制器与传感器系统通信。控制器被配置为接收移动命令并从传感器系统接收一组值。控制器被配置为基于所接收的一组值来确定用于工作车辆的正常操作的操作窗口，基于所接收的一组值来确定移动限制，并且限制部件的移动超出移动限制。
根据另一示例性实施方式，用于作业机械的控制系统包括具有负载传感器、臂位置传感器和铰接角度传感器的传感器系统。控制器与传感器系统通信。控制器被配置为接收移动命令并从传感器系统接收一组值。控制器被配置为基于所接收的一组值来确定用于作业车辆的正常操作的操作窗口，基于所接收的一组值来确定移动限制，并且限制部件的移动超出移动限制。
另一示例性实施方式包括一种在作业车辆操作期间控制稳定性的方法。接收用于作业车辆致动器的移动的操作员命令。从传感器单元接收一组值，其中，该组值表示负载值、高度值和铰接角度值中的至少两者。基于所接收的一组值来确定用于作业车辆的正常操作的操作窗口。基于所接收的一组值来确定移动限制。限制作业车辆致动器的移动超出移动限制。
附图说明
通过参考附图对这些示例性实施方式的描述，各种示例性实施方式的方面和特征将变得更加明显，在附图中：
图1是作业器具处于下降位置的示例性作业机械的侧视图。
图2是图1的作业机械的俯视图。
图3是图1的作业器具处于部分升起的位置的作业机械的侧视图。
图4是图1的作业器具处于完全升起的位置的作业机械的侧视图。
图5是图1的作业器具处于完全升起和倾斜位置的作业机械的侧视图。
图6是图1的作业车辆的一个示例性液压系统示意图。
图7是图1的作业车辆的一个示例性控制系统示意图。
图8是图1的作业车辆的一个示例性高度稳定性控制系统的流程图。
图9是高度稳定性控制系统的最大高度值相对于铰接角度和负载的三维图。
图10是图1的作业车辆的一个示例性铰接角度稳定性控制系统的流程图。
图11是铰接角度稳定性控制系统的最大铰接角度值相对于负载和吊杆高度的三维图。
图12是示出利用高度稳定性控制系统和铰接角度稳定性控制系统的作业机械的额定操作能力的三维图。
具体实施方式
图1至图5示出了描绘为装载机10的作业机械的一个示例性实施方式。然而，本公开不限于装载机，并可以延伸到其他工业机械，例如挖掘机、履带牵引装置、收割机、集材机、反铲挖土机、伐木归堆机、自动平地机或任何其他作业机械。因此，尽管附图和现有的描述可能涉及装载机，但是应当理解，本公开的范围延伸超出装载机，并且在适用的情况下，将替代地使用术语“机械”或“作业机械”。术语“机械(machine)”或“作业机械(workmachine)”旨在更广泛，并且包含除了用于本公开目的的装载机之外的其他车辆。
图1和图2示出了轮式装载机10，其具有带有前框架的前主体部分12和带有后框架的后主体部分14。前主体部分12包括一组前轮16，后主体部分14包括一组后轮18，一个前轮16和一个后轮18定位于装载机10的每一侧。不同的实施方式可以包括不同的地面接合构件，例如踏面或轨道。
前主体部分12和后主体部分14通过铰接连接件20彼此连接，使得前主体部分12和后主体部分14可以相对于彼此在铰接角度AA范围(正交于行进方向和车轮轴线，例如在与前主体部分12与后主体部分14对齐的中心点的正负40度数之间)内枢转。铰接连接件20包括一个或多个上连接臂22、一个或多个下连接臂24以及一对铰接缸26(图中示出一个)，在装载机10的每侧上具有一个铰接缸26(例如，左铰接缸和右铰接缸)。通过在铰接缸26中延伸和缩回活塞杆来实现前主体12的枢转移动。
后主体部分14包括操作员驾驶室30，操作员在驾驶室30中控制装载机10。控制系统(图未示出)定位于驾驶室30中，并且可包括方向盘、控制杠杆、操纵杆、控制踏板和控制按钮的不同组合。操作员可以致动控制系统的一个或多个控制器，以便操作装载机10和不同装载机部件的移动。后主体部分14还含有原动机32和控制系统34。原动机32可包括引擎，例如柴油引擎，控制系统34可包括车辆控制单元(VCU)。
作业器具40通过一个或多个吊杆臂42可移动地连接到前主体部分12。作业器具40用于处理和/或移动物体或材料。在所示实施方式中，作业器具40被描绘为铲斗，尽管也可以使用其他器具，例如叉形组件。吊杆臂可定位于作业器具40的每一侧上。在所提供的侧视图中只示出了单个吊杆臂，并且在本文中称为吊杆42。各种实施方式可包括单个吊杆臂或两个以上吊杆臂。吊杆42围绕第一枢转轴线A1可枢转地连接到前主体部分12的框架，并且作业器具40围绕第二枢转轴线A2可枢转地连接到吊杆42。
如图3至图5所示，一个或多个吊杆液压缸44安装到前主体部分12的框架上并连接到吊杆42。通常使用两个液压缸44，每侧一个液压缸44连接到每个吊杆臂，尽管装载机10可具有例如一个、三个、四个等任意数量的吊杆液压缸44。吊杆液压缸44可以延伸或缩回以升起或下降吊杆42，从而调节作业器具40相对于前主体部分12的垂直位置。
一个或多个枢转连杆46连接到作业器具40和吊杆42。一个或多个枢转液压缸48安装到吊杆42并连接到相应的枢转连杆46。通常使用两个枢转液压缸48，每侧一个枢转液压缸48连接到每个吊杆臂，尽管装载机10可具有任何数量的枢转液压缸48。例如图3和图4所示，枢转液压缸48可延伸或缩回以围绕第二枢转轴线A2旋转作业器具40。在一些实施方式中，作业器具40可以以不同的方式移动，并且可以使用不同数量或配置的液压缸或其他致动器。
图6示出了液压系统100和控制系统200的一个示例性实施方式的部分示意图，该液压系统100和控制系统200被配置为向图1至图5中所示的装载机10中的器具供应流体，尽管该液压系统100和控制系统200可适于与如上所述的其他作业机械一起使用。为了清楚起见，示出了液压系统100的一部分的基本布局，并且本领域普通技术人员将理解，根据机械和可移动器具，可使用不同的液压、机械和电气部件。
液压系统100包括至少一个泵102，该泵102接收来自贮存器104的流体，例如液压油，并以期望的系统压力将流体供应到一个或多个下游部件。泵102由引擎106提供动力。泵102能够提供可调节的输出，例如可变排量泵或可变输送泵。尽管仅示出了单个泵102，但是根据系统和作业机械的要求，可以使用两个或多个泵。
为了简单起见，所示实施方式描绘了将流体输送到单个阀108的泵102。在一个示例性实施方式中，阀108是电动液压阀，其接收来自泵的液压流体并将液压流体输送到一对致动器110A、110B。致动器110A、110B可以表示图3至图5所示的吊杆缸44，或者可以是本领域普通技术人员已知的任何其他合适类型的液压致动器。图6示出了两个双作用液压致动器110A、110B的一个示例性实施方式。每个双作用致动器110A、110B包括第一腔室和第二腔室。流体通过相关联的阀108选择性地输送到第一腔室或第二腔室，以延伸或缩回致动器活塞。致动器110A、110B可与贮存器104流体连通，使得离开致动器110A、110B的流体排放到贮存器104。
液压系统100通过控制器202与控制系统200(在图7中更详细地示出)连通。在一个示例性实施方式中，控制器202是车辆控制单元(“VCU”)，尽管也可以使用其他合适的控制器。控制器202包括多个输入和输出，用于从装载机10中的不同部件接收信息和命令并且将信息和命令传送到装载机10中的不同部件。控制器202与不同部件之间的通信可通过CAN总线、其他通信链路(例如，无线收发器)或通过直接连接来实现。其他常规通信协议可包括J1587数据总线、J1939数据总线、IESCAN数据总线等。
控制器202包括存储器，该存储器用于存储软件、逻辑、算法、程序、一组指令等用于控制阀108和装载机10的其他部件。控制器202还包括处理器，该处理器用于实施或执行存储在存储器中的软件、逻辑、算法、程序、一组指令等。存储器可以存储查找表、各种函数的图形表示、以及用于实施或执行软件、逻辑、算法、程序、一组指令等的其他数据或信息。
控制器202与阀108通信，并且可以向泵102发送控制信号112以调节致动器110A、110B的输出或流速。控制信号的类型以及如何调节阀108将根据系统而变化。例如，阀108可以是电动液压伺服阀，其基于接收到的控制信号112调节致动器110A、110B的液压流体的流速。
一个或多个传感器单元204可与致动器110A、110B相关联。传感器单元204可检测与致动器110A、110B有关的信息，并将检测到的信息提供给控制器202。例如，一个或多个传感器可以检测与致动器位置、缸压、流体温度或致动器的移动速度有关的信息。尽管描述为与吊杆臂有关的单个单元，但传感器单元204可包含定位于作业机械内的任何位置处或与作业机械相关联以检测或记录操作信息的传感器。
图5示出了一个示例性实施方式，其中传感器单元204包括与致动器110A、110B的第一腔室连通的第一压力传感器118A和与致动器110A、110B的第二腔室连通的第二压力传感器118B。压力传感器118A、118B用于测量致动器110A、110B上的负载。在一个示例性实施方式中，压力传感器118A、118B是压力换能器。
图5还示出了与传感器单元204相关联的位置传感器206。位置传感器206被配置为检测或测量致动器110A、110B的位置且将该信息传送到控制器202。位置数据可以指示吊杆42的高度。在一个示例性实施方式中，位置传感器206可以是测量吊杆42的位置的旋转位置传感器。代替旋转位置传感器，可以使用一个或多个惯性测量单元传感器。位置传感器206还可以是缸内位置传感器，其直接测量一个或多个致动器110A、110B中的液压活塞的位置。位置传感器206还可以包括作业器具位置传感器，以检测作业器具40的位置和倾斜。尽管对于位置传感器206仅示出了单个单元，但是它可以表示一个或多个传感器，包括吊杆位置传感器和作业器具位置传感器。附加传感器可以与传感器单元204相关联，并且一个或多个附加传感器单元可以结合到系统100中。
控制器202还与一个或多个操作员输入机械208通信。一个或多个操作员输入机械208可以包括例如操纵杆、节气门控制机械、踏板、杠杆、开关或其他控制机械。操作员输入机械208位于装载机10的驾驶室30内，并可用于通过调节液压致动器110A、110B来控制作业器具40的位置。
图7示出了控制系统200的一个示例性实施方式的部分示意图，该控制系统200被配置为监测和控制图1至图5中所示的装载机10的操作，尽管该控制系统200可适于与如上所述的其他作业机械一起使用。为了清楚起见，示出了控制系统200的一部分的基本布局，并且本领域的普通技术人员将理解，可以根据机械和可移动器具来使用部件。
控制系统200包括如上所述的连接到多个传感器的控制器202。传感器包括在图6所示的吊杆位置传感器204和吊杆压力传感器206。许多其他传感器向控制器202提供信息，包括铲斗位置传感器210、地面速度传感器212、惯性测量单元214和铰接角度传感器216。控制器接收来自操作员输入机械208的命令，例如控制吊杆42的高度的操作员吊杆升起或下降命令218或控制前主体12的铰接角AA的操作员转向命令220。控制器202传送吊杆升起和下降命令218到吊杆升起电磁阀222。转向命令220被传送到转向左电磁阀224和转向右电磁阀226以控制铰接角度AA。
在操作过程中，操作员通过操纵一个或多个输入机械208来调节作业器具40的位置。操作员能够开始和停止作业器具40的移动，并且还能够通过加速和减速来控制作业器具40的移动速度。作业器具40的移动速度部分地基于进入致动器110A、110B的液压流体的流速。作业器具的移动速度也将根据被处理材料的负载而变化。升起或下降空铲斗可以具有初始或标准速度，但是当提升或下降装满砂砾的铲斗或支撑木材负载的叉时，铲斗的移动速度将基于材料的重量而减小或增加。
在诸如装载机的作业机械10的操作过程中，稳定性是一个问题。不稳定性可由作业器具在升起位置支撑的负载引起。例如，较重负载升起到吊杆臂42的最高位置可增加作业机械向前倾翻的可能性。这种负载不稳定性可以通过车辆在向前或向反方向的移动而增加。当以一定角度支撑负载时，也可能导致不稳定性，例如导致作业机械向侧面倾翻。例如，在正方向或负方向上的铰接角度越大，不稳定的速率越大。
根据一个示例性实施方式，控制系统200被配置为通过基于铰接角度和负载限制吊杆高度、基于负载和吊杆高度限制铰接角度或两者的组合来增加操作期间车辆的稳定性。
图8示出了由控制器202为吊杆高度稳定性控制系统300执行的指令的部分流程图。典型地，当控制器202接收到吊杆升起命令时，控制器202向阀108发送控制信号112以向致动器110A、110B的第二腔室供应流体，从而延伸液压活塞。液压流体的流速可以基于操作员输入的力或位置、或者基于设定的速率。
控制器112最初接收吊杆升起命令(步骤302)，并基于例如分别从吊杆压力传感器206和铰接角度传感器216接收的吊杆负载和铰接角度AA来确定操作窗口(步骤304)和吊杆高度限制(步骤306)。在一些实施方式中，可以基于例如由惯性测量单元214确定的机械的俯仰和滚动来进一步修改操作窗口和高度限制。例如，惯性测量单元214可用于确定机械何时处于非水平状态，例如边坡、斜坡或两者的组合，并减小操作窗口和高度限制以增加机械的稳定性。可以同时或以任何顺序确定操作窗口和高度限制。
如果吊杆高度在操作窗口内(步骤308)，则控制器202在正常操作(步骤310)下进行并将控制信号发送到阀108。如果已经达到高度限制(步骤312)，则控制器202停止吊杆升起(步骤314)。可以通过忽略升起命令或通过减少从阀108到致动器110A、110B的流量来停止吊杆升起，使得不移动或移动被最小化。如果吊杆高度不在操作窗口内但尚未达到高度限制，则控制器202减少吊杆升起命令(步骤316)，并将减少的控制信号发送到阀(步骤318)。减少的控制信号减慢吊杆的移动速度。在操作窗口和高度限制之间，控制器202可以将控制信号减少设定的量，或者可以随着吊杆高度接近高度限制而增加该数量。图9示出了描绘基于负载和铰接角度的最大高度的一个示例性调节的图。
图10示出了由控制器202为铰接角度稳定性控制系统400执行的指令的部分流程图。典型地，当控制器202接收转向命令时，控制器202向阀发送控制信号以向铰接缸26供应流体，根据需要例如通过转向左电磁阀224和/或转向右电磁阀226以延伸或缩回铰接汽缸26。液压流体的流速可以基于操作员输入的力或位置、或者基于设定的速率。
控制器112最初接收转向命令(步骤402)，并基于例如分别从吊杆压力传感器206和吊杆位置传感器204接收的吊杆负载和吊杆高度来确定操作窗口(步骤404)和铰接角度限制(步骤406)。在一些实施方式中，可以基于例如由惯性测量单元214确定的机械的俯仰和滚动来进一步修改操作窗口和铰接限制。例如，惯性测量单元214可用于确定机械何时处于非水平状态，例如边坡、斜坡或两者的组合，并减小操作窗口和铰接限制以增加机械的稳定性。可以同时或以任何顺序确定操作窗口和高度限制。
如果铰接角度在操作窗口内(步骤408)，则控制器202在正常操作(步骤410)下进行并将控制信号发送到一个或多个转向阀。如果已经达到铰接限制(步骤412)，则控制器202停止转向命令(步骤414)。可以通过忽略该命令或通过减少铰接致动器26的流量来停止转向命令，使得不移动或移动被最小化。如果转向命令不在操作窗口内但尚未达到铰接限制，则控制器202减少转向命令(步骤416)，并将减少的控制信号发送到阀(步骤418)。减少的控制信号减慢铰接缸26的移动速度。在操作窗口和铰接限制之间，控制器202可以将控制信号减少设定的量，或者可以随着铰接角度接近铰接限制而增加该量。图11示出了描绘基于负载和吊杆高度的最大铰接角度的一个示例性调节的图。
吊杆高度稳定性控制系统300和铰接角度稳定性控制系统400可组合以限定作业机械10的吊杆高度和铰接角度的操作窗口，以增加操作期间的稳定性。如图12所示，稳定性的增加还可以增加作业机械10的某些操作的额定操作能力。通常，机械将额定在图12所示的下限，以确保在所有条件下都符合安全操作。增加的稳定性允许为机械设置更高的额定值，并且将在更高的负载下自动限制高度和铰接角度，以确保安全操作。
出于解释一般原理和实际应用的目的提供了某些示例性实施方式的上述详细描述，从而使得本领域的其他技术人员能够理解各种实施方式的公开内容，并且可预期适于特定用途的各种修改。此描述并非旨在详尽无遗或将本公开限于所公开的示例性实施方式。本文所公开的任何实施方式和/或元件可彼此组合以形成未具体公开的各种附加实施方式。因此，附加的实施方式是可能的，并且旨在包含在本说明书和所附权利要求的范围内。本说明书描述了实现更一般目标的具体示例，其可以以另一种方式实现。
如在本申请中所使用的，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“向上”、“向下”和其他定向描述符旨在便于描述本公开的示例性实施方式，并且不旨在将本公开的示例性实施方式的结构限制到任何特定位置或定向。诸如“基本上”或“近似地”的程度术语被本领域普通技术人员理解为指给定值之外的合理范围，例如与实施方式和部件的制造、组装和使用相关联的一般公差或分辨率。

Claims (16)

1.一种作业机械，该作业机械包括：
后主体部分；
前主体部分，所述前主体部分枢转地联接到所述后主体部分，其中，由所述前主体部分和所述后主体部分之间的相对角度限定铰接角度；
铰接致动器，所述铰接致动器联接到所述后主体部分和所述前主体部分，所述铰接致动器被配置为使所述前主体部分相对于所述后主体部分在铰接角度范围内枢转；
机械臂，所述机械臂联接到所述前主体部分；
作业器具，所述作业器具联接到所述机械臂，所述作业器具被配置为接收负载；
臂致动器，所述臂致动器联接到所述机械臂以在下部位置和上部位置之间移动所述机械臂，其中，所述下部位置和所述上部位置之间的距离是所述机械臂的行进距离；
传感器系统，所述传感器系统包括负载传感器、臂位置传感器和铰接角度传感器；以及
控制器，所述控制器与所述传感器系统通信，
其中，所述控制器被配置为接收移动命令并且从所述传感器系统接收表示负载值、臂高度值和铰接角度值中的至少两者的一组值，其中，所述控制器被配置为基于所接收的一组值来确定用于所述作业机械的正常操作的操作窗口，基于所述接收的一组值来确定移动限制，并且限制部件的移动超出所述移动限制，其中，所述控制器被配置为在所述操作窗口和所述移动限制之间减少所述部件的移动，其中，所述部件的移动能在所述操作窗口与所述移动限制之间被减少可变的量，该可变的量随着接近所述移动限制而增加。
2.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述移动命令是吊杆升起命令，并且所述移动限制是吊杆高度限制。
3.根据权利要求2所述的作业机械，其中，所述操作窗口和所述吊杆高度限制是基于所述负载值和所述铰接角度值来确定的。
4.根据权利要求3所述的作业机械，其中，所述控制器被配置为基于所述负载和机械臂位置来确定所述前主体部分的铰接角度限制，并且被配置为限制所述前主体部分枢转超出所述铰接角度限制。
5.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述移动命令是转向命令，并且所述移动限制是铰接角度限制。
6.根据权利要求5所述的作业机械，其中，所述操作窗口和所述铰接角度限制是基于所述负载值和所述臂高度值来确定的。
7.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述传感器系统包括惯性测量单元，所述惯性测量单元被配置为测量所述前主体部分的俯仰和滚动，并且其中，所述控制器被配置为基于俯仰和滚动的量进一步确定所述操作窗口和所述移动限制。
8.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述臂致动器是液压致动器，并且所述控制器与向所述臂致动器供应流体的阀通信。
9.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述铰接致动器是液压致动器，并且所述控制器与向所述铰接致动器供应流体的阀通信。
10.一种在作业车辆的操作期间控制稳定性的方法，所述方法包括：
接收用于作业车辆致动器的移动的操作员命令；
从传感器单元接收一组值，其中，所述一组值表示负载值、高度值和铰接角度值中的至少两者；
基于所接收的一组值确定用于所述作业车辆的正常操作的操作窗口；
基于所述接收的一组值确定移动限制；以及
限制所述作业车辆致动器的移动超出所述移动限制，
该方法还包括：在所述操作窗口和所述移动限制之间减少致动器移动，其中，所述致动器移动在所述操作窗口与所述移动限制之间被减少可变的量，该可变的量随着接近所述移动限制而增加。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述操作员命令是吊杆升起命令，并且所述移动限制是吊杆高度限制。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述操作窗口和所述吊杆高度限制是基于所述负载值和所述铰接角度值来确定的。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述移动命令是转向命令，并且所述移动限制是铰接角度限制。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述操作窗口和所述铰接角度限制是基于所述负载值和所述高度值来确定的。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一组值包括惯性测量值，并且其中，控制器被配置为基于所述惯性测量值进一步确定所述操作窗口和所述移动限制。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述作业车辆致动器是液压致动器，并且所述控制器与向所述作业车辆致动器供应流体的阀通信。
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