CN111989442A - 工程机械中的地面倾斜角测量方法及装置 - Google Patents

工程机械中的地面倾斜角测量方法及装置 Download PDF

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CN111989442A CN201980026837.4A CN201980026837A CN111989442A CN 111989442 A CN111989442 A CN 111989442A CN 201980026837 A CN201980026837 A CN 201980026837A CN 111989442 A CN111989442 A CN 111989442A
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angle
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许连行
慎幸縡
许洙京
全永哲
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  • Operation Control Of Excavators (AREA)
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Abstract

一种工程机械中的地面倾斜角测量方法，包括：通过设置于工程机械的加速度传感器和行驶速度传感器获取沿具有规定的坡度的地面行驶的所述工程机械的加速度测量值及车速测量值；由所述车速测量值计算所述地面上的行驶加速度分量；在所述加速度测量值中加减计算出的所述行驶加速度分量来计算沿所述地面施加作用的重力加速度分量；以及将计算出的所述重力加速度分量应用于关于沿所述地面施加作用的加速度的动力学方程式来计算所述地面的倾斜角。

Description

工程机械中的地面倾斜角测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种工程机械中的地面倾斜角测量方法及装置。更详细而言，涉及一种测量诸如在坡地进行作业的轮式装载机的工程机械中的地面倾斜角的方法及用于执行该方法的地面倾斜角测量装置。
背景技术
诸如轮式装载机的工程机械可以在坡地行驶或在坡地上执行作业。此时，可以使用IMU(Inertia Measurement Unit，惯性测量单元)，用以感测所述坡地的地面倾斜角。然而，IMU的问题在于，其为价昂的传感器，且根据地面角度和俯仰(pitch)角度会发生误差，并且，根据轮式装载机的作业状态(突然停止、突然出发、铲斗装载重量)，轮胎按压量不同，导致误差变大。
发明内容
技术问题
本发明的一课题在于，提供一种更经济且能够准确地测量工程机械中的地面倾斜角的地面倾斜角测量方法。
本发明的另一课题在于，提供一种用于执行上述地面倾斜角测量方法的地面倾斜角测量装置。
技术方案
用于达成上述本发明的一课题的一些示例性的实施例提供一种工程机械中的地面倾斜角测量方法，包括：通过设置于工程机械的加速度传感器和行驶速度传感器获取沿具有规定的坡度的地面行驶的所述工程机械的加速度测量值及车速测量值；由所述车速测量值计算所述地面上的行驶加速度分量；在所述加速度测量值中加减计算出的所述行驶加速度分量来计算沿所述地面施加作用的重力加速度分量；以及将计算出的所述重力加速度分量应用于关于沿所述地面施加作用的加速度的动力学方程式来计算所述地面的倾斜角。
在一些示例性的实施例中，由所述车速测量值计算所述行驶加速度分量的步骤可以包括：将按每个采样时间获取的车速测量值转换为加速度单位。
在一些示例性的实施例中，计算所述地面的倾斜角时，可以通过下面的数学公式(1)计算：
[数学公式(1)]
Figure BDA0002731202840000021
其中，a_x表示由加速度传感器测量的加速度测量值，a_vehicle表示地面上的行驶加速度分量，g为重力加速度。
在一些示例性的实施例中，所述方法还可以包括：对计算出的所述地面的倾斜角进行滤波。
在一些示例性的实施例中，所述方法还可以包括：计算对应于附件中装载的装载物的重量的所述工程机械的轮胎按压角度；以及反映计算出的所述按压角度来校正计算出的所述地面的倾斜角。
在一些示例性的实施例中，计算所述工程机械的轮胎按压角度时，可以通过压力传感器获取动臂缸压力测量值，并通过角度传感器获取动臂的角度测量值，并由所述压力测量值和所述角度测量值计算所述轮胎按压角度。
用于达成上述本发明的另一课题的一些示例性的实施例提供一种工程机械中的地面倾斜角测量装置，包括：加速度传感器，其用于输出沿具有规定的坡度的地面行驶的工程机械的加速度测量值；行驶速度传感器，其用于按每个采样时间输出所述工程机械的车速测量值；以及角度计算部，其接收由所述加速度传感器及所述行驶速度传感器输出的所述加速度测量值及所述车速测量值，并在所述加速度测量值中加减由所述车速测量值计算的所述地面上的行驶加速度分量来计算重力加速度分量，且将该重力加速度分量应用于关于沿所述地面施加作用的加速度的动力学方程式来计算所述地面的倾斜角。
在一些示例性的实施例中，所述角度计算部可以包括：第一运算部，其将按每个采样时间输出的所述车速测量值转换为加速度单位来计算所述地面上的行驶加速度分量；第二运算部，其在所述加速度测量值中加减所述行驶加速度分量来计算所述重力加速度分量；以及第三运算部，其将计算出的所述重力加速度分量应用于关于沿所述地面施加作用的重力加速度的方程式来计算所述地面的倾斜角。
在一些示例性的实施例中，所述角度计算部还可以包括：滤波部，其对所述角度计算部计算出的所述地面的倾斜角进行滤波。
在一些示例性的实施例中，所述地面倾斜角测量装置还可以包括：压力传感器，其用于输出动臂缸压力测量值；动臂角度传感器，其用于输出动臂的角度测量值；以及角度校正部，其由所述动臂缸压力测量值和所述动臂的角度测量值计算对应于附件中装载的装载物的重量的所述工程机械的轮胎按压角度，并反映计算出的所述按压角度来校正计算出的所述地面的倾斜角。
发明的效果
根据一些示例性的实施例，通过加速度传感器和行驶速度传感器获取沿具有规定的坡度的地面行驶的工程机械的加速度测量值和车速测量值，并由所述加速度测量值及所述车速测量值计算沿所述地面施加作用的重力加速度分量，并将该重力加速度分量作为变量应用于关于在坡地施加作用的加速度的动力学方程式来计算坡地的地面倾斜角。
从而，利用加速度传感器，而不使用价昂的IMU传感器，因而更经济，且能够根据铲斗的装载状态考虑车辆的倾斜来更准确地计算地面倾斜角。
但是，本发明的效果不限于上面提及的效果，可以在不脱离本发明的思想及领域的范围内被多样地扩展。
附图说明
图1是示出一些示例性的实施例的轮式装载机的侧面图。
图2是示出图1的轮式装载机中的地面倾斜角测量装置的框图。
图3是示出在图1的轮式装载机进行坡地行驶时施加作用的加速度分量的图。
图4a和图4b是示出由图2的地面倾斜角测量装置的滤波部对计算出的地面倾斜角进行滤波的值的图表。
图5是示出一些示例性的实施例的轮式装载机中的地面倾斜角测量方法的顺序图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
在本发明的各图中，为了本发明的清楚性，将结构物的尺寸比实际放大而图示。
在本发明中，第一、第二等术语可以用于说明多种构成要素，但这些构成要素不应限定于这些术语。这些术语仅用作区分一构成要素与另一构成要素的目的。
当提及某一构成要素与另一构成要素“连结”或“连接”时，应理解为可以与该另一构成要素直接连结或连接，但中间也可能存在别的构成要素。相反，当提及某一构成要素与另一构成要素“直接连结”或“直接连接”时，应理解为中间不存在别的构成要素。用于说明构成要素间的关系的其他表述，即“在……之间”及“正好在……之间”，或“与……相邻的”及“与……直接相邻的”等也应如此进行解释。
本发明中使用的术语仅为说明特定的实施例而使用，并不意图限定本发明。除非上下文中明确不同地定义，单数的表达方式包括复数的表达方式。在本申请中，“包括”或“具有”等术语应理解为用于指定说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或这些的组合的存在，而不是预先排除一个或一个以上的其他特征或数字、步骤、动作、构成要素、部件或这些的组合的存在或可附加性。
对于本文中公开的本发明的实施例，特定的结构性乃至功能性说明只是以用于说明本发明的实施例的目的例示的，本发明的实施例可以被实施为多样的形态，而不应解释为限于本文中说明的实施例。
图1是示出一些示例性的实施例的轮式装载机的侧面图。图2是示出图1的轮式装载机中的地面倾斜角测量装置的框图。图3是示出在图1的轮式装载机进行坡地行驶时施加作用的加速度分量的图。图4a和图4b是示出由图2的地面倾斜角测量装置的滤波部对计算出的地面倾斜角进行滤波的值的图表。虽然图1至图4b中图示了轮式装载机，但并不因此而限定一些示例性的实施例的工程机械中的地面倾斜角测量装置仅利用于轮式装载机，而是可以适用于如挖掘机等具有用于为了进行作业而在坡地行驶的行驶装置的工程机械。
参照图1至图4b，轮式装载机10可以包括相互能够旋转地连接的前方车体12及后方车体14。前方车体12可以包括作业装置及前方轮70。后方车体14可以包括驾驶室40、发动机舱50及后方轮72。
所述作业装置可以包括动臂20及铲斗30。动臂20可以以能够自由旋转的方式安装于前方车体12，铲斗30可以以能够自由旋转的方式安装于动臂20的一端部。动臂20可以通过一对动臂缸22连接于前方车体12，动臂20可以通过动臂缸22的驱动向上下方向旋转。倾斜臂34可以以能够自由旋转的方式安装在斗杆20的中心部，倾斜臂34的一端部和前方车体12通过一对铲斗缸32连接，且通过倾斜杆倾斜臂34连接于另一端部的铲斗30可以通过铲斗缸32的驱动向上下方向旋转(倾卸或挖掘)。
可以在后方车体14搭载用于使轮式装载机10行驶的发动机及行驶装置。所述发动机可以配置于发动机舱50内，并向所述行驶装置供给功率输出。所述行驶装置例如可以包括变矩器、变速器、螺桨轴、车轴等。所述发动机的功率输出通过所述变矩器、所述变速器、所述螺桨轴及所述车轴被传递至前方轮70及后方轮72，使得轮式装载机10行驶。
前方车体12和后方车体14可以通过中心销16相互能够旋转地连接，并且，通过转向缸(未图示)的伸缩，前方车体12可以相对于后方车体14向左右弯曲。
在一些示例性的实施例中，轮式装载机10可以不包括用于在沿具有规定的坡度的地面行驶时测量地面倾斜角的地面倾斜角测量装置100。如图2所图示，地面倾斜角测量装置100可以包括测量部及角度计算部120。此外，地面倾斜角测量装置100还可以包括角度校正部130。
具体地，所述测量部可以包括多个传感器。例如，所述测量部可以包括加速度传感器110、行驶速度传感器112、动臂缸压力传感器114、动臂角度传感器116。
加速度传感器110可以设置于驾驶室40内，并测量轮式装载机10行驶时的加速度。加速度传感器110可以将测量出的所述加速度数据(加速度测量值)输出至角度计算部120。
行驶速度传感器112可以检测轮式装载机10行驶时的车速。例如，行驶速度传感器112可以检测所述变速器的输出轴的旋转速度。行驶速度传感器112可以将测量出的所述车速数据(车速测量值)按每个采样时间输出至角度计算部120。行驶速度传感器112可以以100Hz的采样周期收集所述车速数据。不同于此，所述测量部也可以从发动机控制装置(Engine Control Unit，ECU)等接收数据，而不另行具备行驶速度传感器。
动臂缸压力传感器114可以设置于动臂缸22的内部来测量动臂缸22的压力。例如，动臂缸压力传感器114可以包括设置于动臂缸22的内部的缸盖侧的盖压力传感器。所述盖压力传感器可以测量所述缸盖侧的压力。动臂缸22的压力可以是所述缸盖侧的压力。动臂缸压力传感器114可以将测量出的所述动臂缸压力数据(测量值)输出至角度校正部130。
动臂角度传感器116可以设置于动臂接头，并测量动臂20的角度。例如，所述动臂角度传感器可以是利用霍尔效应(Hall effect)的霍尔传感器。动臂角度传感器116可以将测量出的所述动臂的角度数据(测量值)输出至角度校正部130。
角度计算部120可以接收从加速度传感器110及行驶速度传感器112输出的所述加速度数据及所述车速数据，并将该数据应用于关于沿地面G施加作用的重力加速度的方程式来计算所述地面的倾斜角θ。角度计算部120可以包括第一运算部122、第二运算部124、第三运算部126及滤波部128。
如图3所图示，轮式装载机10沿相对于地平面具有规定的坡度的地面G行驶时由速度传感器110测量的值a_x可以包括行驶加速度分量a_vehicle和重力加速度分量g·sinθ。此时，所述地平面可以是相对于重力方向垂直的平面。
第一运算部122可以将按每个采样时间(例如，100Hz)输出的所述车速数据转换为加速度单位(m/s2)来计算地面G上的行驶加速度分量a_vehicle。第二运算部124可以在所述加速度数据中加减行驶加速度分量a_vehicle来计算重力加速度分量。第三运算部126可以将由第二运算部124计算的所述重力加速度分量应用于关于沿地面G施加作用的加速度的动力学方程式来计算地面的倾斜角。此时，所述动力学方程式可以通过下面的公式(1)表示：
Figure BDA0002731202840000061
其中，a_x表示由加速度传感器测量的加速度数据，a_vehicle表示地面上的行驶加速度分量，g为重力加速度。
滤波部128可以对计算出的所述地面的倾斜角进行滤波。图4a和图4b示出对轮式装载机在坡地加速和减速时计算的地面倾斜角数据进行滤波的结果值。如图4a所图示，可以采用1Hz的FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)来减小变动幅度。如图4b所图示，可以采用0.5Hz的FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)来进一步减小变动幅度。此外，滤波部128可以通过卡尔曼滤波器(Kalman Filter)去除高频噪声。从而，可以通过去除对应于车辆的纵摇(pitching rate)的噪声来获取具有与由IMU传感器测量的数据实质上相同或相似的水准的可靠性的数据。
角度校正部130可以由所述动臂缸压力数据和所述动臂的角度数据计算对应于作为附件的铲斗30中装载的装载物的重量的轮胎按压角度，并反映计算出的所述按压角度来校正计算出的所述地面的倾斜角。
角度校正部130可以由所述动臂缸盖的压力推定所装载的装载物的重量，并根据对推定的所述重量来校正计算出的所述地面的倾斜角。此外，角度校正部130可以以与所述动臂的角度成比例的方式校正计算出的所述地面的倾斜角。
例如，可以如下面的表1所示创建包括动臂的角度及对应于装载物的重量的按压角数据的误差校正表之后，由此校正计算出的所述地面的倾斜角。
[表1]
Figure BDA0002731202840000071
在一些示例性的实施例中，地面倾斜角测量装置100还可以包括输入部(未图示)，该输入部用于测量轮式装载机10行驶的坡地的地面倾斜角，并输出结果值。地面倾斜角测量装置100可以在仪表板设置菜单中包括地面倾斜角测量选择按钮功能作为所述输入部的一部分。用户可以通过所述仪表盘设置菜单的所述地面倾斜角测量选择按钮选择是否执行所述地面倾斜角测量模式。
如上述，地面倾斜角测量装置100可以接收来自加速度传感器110的加速度数据及来自行驶速度传感器112的车速数据，并由所述加速度数据及所述车速数据计算沿所述地面施加作用的重力加速度分量，并将该重力加速度分量作为变量应用于关于在坡地施加作用的加速度的动力学方程式来计算坡地的地面倾斜角。
从而，利用加速度传感器，而不使用价昂的IMU传感器，因而更经济，且能够根据铲斗的装载状态考虑车辆的倾斜来更准确地计算地面倾斜角。
下面对利用图2的地面倾斜角测量装置测量轮式装载机中的地面倾斜角的方法进行说明。
图5是示出一些示例性的实施例的轮式装载机中的地面倾斜角测量方法的顺序图。
参照图2和图5，当轮式装载机10沿具有规定的坡度的地面行驶时，可以从加速度传感器110获取加速度数据(S100)，并从行驶速度传感器112获取车速数据(S110)。
在一些示例性的实施例中，当用户选择角度传感器110的校正模式时，可以在铲斗30中没有装载物的无负荷状态下使动臂缸22以期望的速度移动。例如，可以将动臂缸22的缸杆控制为进行等速运动。
加速度传感器110可以设置于驾驶室40内，并测量轮式装载机10行驶时的加速度。行驶速度传感器112可以检测轮式装载机10行驶时的车速。例如，行驶速度传感器112可以检测所述变速器的输出轴的旋转速度。行驶速度传感器112可以按每个采样时间(例如，100Hz的采样周期)获取车速数据。
接下来，可以由所述车速数据计算行驶加速度分量a_vehicle(S120)，并在所述加速度数据中加减所述行驶加速度分量来计算地面上的重力加速度分量(S130)。
首先，可以将按每个采样时间(例如，100Hz)输出的所述车速数据转换为加速度单位(m/s2)来计算机地面G上的所述行驶加速度分量。
轮式装载机10沿坡地行驶时由加速度传感器110测量的加速度测量值a_x可以包括所述行驶加速度分量a_vehicle和重力加速度分量g·sinθ。从而，可以在所述加速度测量值a_x中加减所述行驶加速度分量a_vehicle来计算重力加速度分量。
之后，可以将所述重力加速度分量应用于沿所述地面施加作用的动力学方程式来计算地面的倾斜角(S140)。
基于所述动力学方程式的沿所述地面的重力加速度分量为g·sinθ，等同于计算出的所述重力加速度分量(a_x±a_vehicle)。从而，可以由所述加速度数据及所述车速数据计算所述重力加速度分量，并将该重力加速度分量作为变量应用于关于在坡地施加作用的加速度的动力学方程式来计算坡地的地面倾斜角。
在一些示例性的实施例中，可以对计算出的所述地面的倾斜角进行滤波。可以采用已设定的周期(例如，0.5Hz)的FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)来减小计算出的所述倾斜角的变动幅度。此外，可以通过卡尔曼滤波器(Kalman Filter)来去除高频噪声。从而，可以通过去除对应于车辆的俯仰率(pitching rate)的噪声来获取具有与由IMU传感器测量的数据实质上相同或相似的水准的可靠性的数据。
在一些示例性的实施例中，可以由动臂缸压力数据和动臂的角度数据计算对应于铲斗30中装载的装载物的重量的轮胎按压角度，并反映计算出的所述按压角度来校正计算出的所述地面的倾斜角。
动臂缸压力传感器114可以设置于动臂缸22的内部来测量动臂缸22的压力。例如，动臂缸压力传感器114可以包括设置于动臂缸22的内部的缸盖侧的盖压力传感器。所述盖压力传感器可以测量所述缸盖侧的压力。动臂缸22的压力可以是所述缸盖侧的压力。
动臂角度传感器116可以设置于动臂接头，并测量动臂20的角度。例如，所述动臂角度传感器可以是利用霍尔效应(Hall effect)的霍尔传感器。
可以由所述动臂缸盖压力推定所装载的装载物的重量，并根据所推定的所述重量来校正计算出的所述地面的倾斜角。此外，可以以与所述动臂的角度成比例的方式校正计算出的所述地面的倾斜角。
随着所述动臂的角度增加，动臂缸盖压力有可能根据铲斗30中装载的荷重成比例地增加。当确定铲斗30中装载的荷重时，可以计算对应于所述装载物的重量的车辆的按压角度。可以将计算出的所述按压角度反映于计算出的所述地面倾斜角来进行校正。
尽管上面参照本发明的实施例进行了说明，本领域的一般的技术人员而言应该可以理解在不脱离下面的权利要求书中记载的本发明的思想及领域的范围内可以多样地修改和变更本发明。
附图标记
10：轮式装载机，12：前方车体，14：后方车体，16：中心销，20：动臂，22：动臂缸，30：铲斗，32：铲斗缸，34：倾斜臂，40：驾驶室，50：发动机舱，52：液压泵，60：动臂接头，62：动臂缸接头，64：动臂缸链接装载件，66：铲斗接头，70：前方轮，72：后方轮，100：地面倾斜角测量装置，110：加速度传感器，112：行驶速度传感器，114：动臂缸压力传感器，116：动臂角度传感器，120：角度计算部，122：第一运算部，124：第二运算部，126：第三运算部，128：滤波部，130：角度校正部。

Claims (10)

1.一种工程机械中的地面倾斜角测量方法，其特征在于，包括：
通过设置于工程机械的加速度传感器和行驶速度传感器获取沿具有规定的坡度的地面行驶的所述工程机械的加速度测量值及车速测量值；
由所述车速测量值计算所述地面上的行驶加速度分量；
在所述加速度测量值中加减计算出的所述行驶加速度分量来计算沿所述地面施加作用的重力加速度分量；以及
将计算出的所述重力加速度分量应用于关于沿所述地面施加作用的加速度的动力学方程式来计算所述地面的倾斜角。
2.根据权利要求1所述的工程机械中的地面倾斜角测量方法，其特征在于，
由所述车速测量值计算所述行驶加速度分量的步骤包括：
将按每个采样时间获取的车速测量值转换为加速度单位。
3.根据权利要求1所述的工程机械中的地面倾斜角测量方法，其特征在于，
计算所述地面的倾斜角时，通过下面的数学公式(1)计算：
[数学公式(1)]
Figure FDA0002731202830000011
其中，a_x表示由加速度传感器测量的加速度测量值，a_vehicle表示地面上的行驶加速度分量，g为重力加速度。
4.根据权利要求1所述的工程机械中的地面倾斜角测量方法，其特征在于，还包括：
对计算出的所述地面的倾斜角进行滤波。
5.根据权利要求1所述的工程机械中的地面倾斜角测量方法，其特征在于，还包括：
计算对应于附件中装载的装载物的重量的所述工程机械的轮胎按压角度；以及
反映计算出的所述按压角度来校正计算出的所述地面的倾斜角。
6.根据权利要求5所述的工程机械中的地面倾斜角测量方法，其特征在于，
计算所述工程机械的轮胎按压角度的步骤包括：
通过压力传感器获取动臂缸压力测量值；
通过角度传感器获取动臂的角度测量值；以及
由所述压力测量值和所述角度测量值计算所述轮胎按压角度。
7.一种工程机械中的地面倾斜角测量装置，其特征在于，包括：
加速度传感器，其用于输出沿具有规定的坡度的地面行驶的工程机械的加速度测量值；
行驶速度传感器，其用于按每个采样时间输出所述工程机械的车速测量值；以及
角度计算部，其接收由所述加速度传感器及所述行驶速度传感器输出的所述加速度测量值及所述车速测量值，并在所述加速度测量值中加减由所述车速测量值计算的所述地面上的行驶加速度分量来计算重力加速度分量，且将该重力加速度分量应用于关于沿所述地面施加作用的加速度的动力学方程式来计算所述地面的倾斜角。
8.根据权利要求7所述的工程机械中的地面倾斜角测量装置，其特征在于，
所述角度计算部包括：
第一运算部，其将按每个采样时间输出的所述车速测量值转换为加速度单位来计算所述地面上的行驶加速度分量；
第二运算部，其在所述加速度测量值中加减所述行驶加速度分量来计算所述重力加速度分量；以及
第三运算部，其将计算出的所述重力加速度分量应用于关于沿所述地面施加作用的重力加速度的方程式来计算所述地面的倾斜角。
9.根据权利要求8所述的工程机械中的地面倾斜角测量装置，其特征在于，所述角度计算部还包括：
滤波部，其对所述角度计算部计算出的所述地面的倾斜角进行滤波。
10.根据权利要求7所述的工程机械中的地面倾斜角测量装置，其特征在于，还包括：
压力传感器，其用于输出动臂缸压力测量值；
动臂角度传感器，其用于输出动臂的角度测量值；以及
角度校正部，其由所述动臂缸压力测量值和所述动臂的角度测量值计算对应于附件中装载的装载物的重量的所述工程机械的轮胎按压角度，并反映计算出的所述按压角度来校正计算出的所述地面的倾斜角。
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