CN113136906A - 智能铰接式动臂挖掘系统 - Google Patents

Abstract

智能铰接式动臂挖掘系统的实施例包括：终止于挖掘工具中的铰接式动臂组件、电动液压(EH)致动子系统，以及动臂组件跟踪传感器，该动臂组件跟踪传感器提供指示挖掘工具移动的跟踪数据。控制器架构可在挖掘深度限制模式下操作，在该挖掘深度限制模式下，控制器架构：(i)利用由动臂组件跟踪传感器提供的跟踪数据来跟踪挖掘工具相对于虚拟挖掘底面的当前位置；(ii)确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将何时导致虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂；以及(iii)当确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制EH致动子系统以便以防止虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂的方式更改由操作员命令的移动。

Description

智能铰接式动臂挖掘系统

技术领域

本公开涉及可在智能控制模式下操作的铰接式动臂挖掘系统，该智能控制模式例如为挖掘深度限制模式，在该模式下，操作员输入命令被选择性地更改以防止虚拟挖掘底面被反铲式铲斗或其他安装在动臂上的挖掘工具破裂。

背景技术

某些作业车辆通常配备有铰接式动臂挖掘组件，该铰接式动臂挖掘组件终止于诸如反铲式铲斗、螺旋钻、挖沟机或液压锤之类的挖掘工具中。如在拖拉机的反铲式附接件的情况下那样，铰接式动臂挖掘组件可以被制造为模块化单元，旨在由操作员进行快速的现场附接和拆卸。可替代地，如在履带式挖掘机和一些牵引式挖掘机的情况下那样，铰接式动臂挖掘组件可以以非模块化的方式接合到作业车辆的底盘，不旨在进行快速的现场拆卸和互换。无论是以模块化还是非模块化的方式实现，都可以利用由电子控制器执行的电动液压(EH)控制方案来控制铰接式动臂挖掘组件。在铰接式动臂挖掘组件的操作期间，经由操作员接口(例如，包括操纵杆或类似的手动控制件)输入的操作员输入命令被传输到控制器，控制器将操作员输入命令转换为相应的阀控制信号。阀控制信号然后被传输到阀致动器，阀致动器调节流量控制阀以改变流向集成在铰接式动臂组件中的液压缸的液压流体流量。响应于液压流体流量的这种变化，液压缸适当地伸出或缩回，以便以由作业车辆操作员所命令的方式移动铰接式动臂挖掘动臂组件(特别是挖掘工具)。

发明内容

在各个实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统包括：铰接式动臂组件，该铰接式动臂组件终止于挖掘工具中；电动液压(EH)致动子系统，该电动液压(EH)致动子系统包括集成到铰接式动臂组件中的液压缸；以及动臂组件跟踪传感器，该动臂组件跟踪传感器联接到铰接式动臂组件并且被配置为提供指示挖掘工具移动的跟踪数据。控制器架构联接到EH致动子系统和动臂组件跟踪传感器。控制器架构可在挖掘深度限制模式下操作，在该挖掘深度限制模式下，控制器架构：(i)利用由动臂组件跟踪传感器提供的跟踪数据来跟踪挖掘工具相对于虚拟挖掘底面的当前位置；(ii)至少部分地基于铰接式动臂组件的当前位置，确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将何时导致虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂；以及(iii)当确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制EH致动子系统，以便以防止虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂的方式更改由操作员命令的移动。

在另外的实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统包括：EH致动子系统，该EH致动子系统包括集成到铰接式动臂组件中的液压缸；动臂组件跟踪传感器，该动臂组件跟踪传感器联接到铰接式动臂组件并且被配置为提供指示挖掘工具移动的跟踪数据；以及操作员接口，该操作员接口被配置为接收指导铰接式动臂组件的移动的操作员输入命令。控制器架构联接到EH致动子系统、操作员接口以及动臂组件跟踪传感器。控制器架构被配置为：(i)利用由动臂组件跟踪传感器提供的跟踪数据来跟踪挖掘工具相对于二维平面的当前位置，该二维平面限定了利用挖掘工具所期望创建的挖掘特征的边界；以及(ii)响应于经由操作员接口接收到的操作员输入命令，控制EH致动子系统以使挖掘工具的切铲边缘沿着二维平面移动而不会使该二维平面破裂。

一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中阐明。根据说明书、附图和权利要求书，其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

下文将结合以下附图描述本公开的至少一个示例：

图1是根据本公开的示例性实施例所示的配备有智能电动液压(EH)铰接式动臂挖掘系统(这里为智能反铲系统)的作业车辆(这里为拖拉机)的侧视图；

图2是图1所示的智能EH反铲系统的立体图，该智能EH反铲系统包括几个窗口，这几个窗口更详细地示出了示例性反铲系统的选定部件；

图3是图1和图2中所示的示例性智能EH反铲系统的示意性侧视图，其示出了在实施例中旋转位置传感器和压力传感器可以集成到铰接式动臂组件中的位置；

图4是图3所示的铰接式动臂组件的示意性侧视图，其示出了在缺少由智能EH反铲系统的实施例提供的挖掘深度限制功能的情况下，无意地将挖掘特征挖掘到过深深度的操作员误差的可能性；

图5是适于由智能EH反铲系统(图1至图3)的控制器架构执行的示例性过程的流程图，以在利用反铲系统创建挖掘特征时执行挖掘深度限制功能以及可能的其他控制功能；

图6至图9依次示出了智能EH反铲系统的铰接式动臂组件可以将操作员输入命令转换为反铲式铲斗的切铲边缘沿着虚拟挖掘底面的移动而不会使该虚拟挖掘底面破裂的示例性方式；并且

图10是配备有智能EH反铲系统的牵引式挖掘机的等距视图，并且还示出在本公开的至少一些实施例中操作员可以使虚拟挖掘底面围绕其旋转的两个轴线(纵摇和横摇)。

在各个附图中，相似的附图标记指示相似的元件。为了图示的简单和清楚，可以省略众所周知的特征和技术的描述和细节，以避免不必要地使随后在具体实施方式中描述的本发明的示例性和非限制性实施例不清楚。应当进一步理解，除非另有说明，否则附图中出现的特征或元件不必按比例绘制。

具体实施方式

在以上简要描述的附图中示出了本公开的实施例。如所附权利要求所阐述的那样，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以想到对示例性实施例的各种更改。

概述

已经开发了用于在某些作业车辆的环境中引导工具或实现移动的智能控制系统，例如用于定位机动平地机的推土铲的智能控制系统。然而，在满足这种挖掘组件的独特需求的同时，即使存在用于引导铰接式动臂挖掘组件的移动的任何智能控制系统，这种智能控制系统也相对较少。当例如利用铰接式动臂挖掘组件来将挖掘特征(例如，沟槽)挖掘到一定规格时，这种工业缺陷导致生产率降低和人为误差的机会增加。缺少铰接式动臂挖掘组件的智能引导，操作员可能难以将挖掘工具的移动与操作员输入命令相关联，特别是传统的控制方案涉及对动臂组件联动装置围绕该动臂组件联动装置的多个销或枢轴接头的旋转控制，从而导致挖掘工具的非线性移动。当作业车辆由非水平的地形支撑时(这使作业车辆的底盘绕其横摇轴线和/或纵摇轴线倾斜)，操作员直观地预测针对给定的一组操作员输入命令的挖掘工具移动的能力可能会进一步降低。此外，坐在作业车辆的操作员站中的操作员可能难以以较高的准确度来判断期望创建挖掘特征的挖掘区域与挖掘工具在挖掘任务期间行进经过三维(3D)体积空间(在本文中称为“工具空间”)时的挖掘工具位置之间的空间关系。

至少由于这些原因，当利用常规的、未经引导的铰接式动臂挖掘组件进行挖掘操作时，操作员可能会创建过深的沟槽或类似的挖掘特征。这种过深的沟槽的创建可能会存在挖掘工具与地下的管道、电缆沟道或其他埋入物体之间意外接触的风险。另外，在期望将挖掘特征的底面赋予目标斜率(特定的斜率或坡度)的情况下，挖掘特征挖掘至一定规格(例如，期望的形状和尺寸)的任务变得更加复杂，这又增加了人为误差的机会并加剧了挖掘任务期间操作员的精神负担。进一步的挑战是，操作员通常发现难以以使挖掘工具的切铲边缘沿着挖掘特征的侧壁移动以提供相对平坦或“干净”的切口的方式来控制铰接式动臂挖掘组件。当操作员试图清洁最接近作业车辆的挖掘特征的表面(通常称为挖掘特征的“背面”)时，可能是这种情况，因为在进行挖掘操作的期间且不重新定位作业车辆的情况下，该表面通常保持与操作员的直接视线(LOS)的隔离。

因此，存在对包括可在智能控制或挖掘工具引导模式下操作的铰接式动臂挖掘组件的系统(在本文中为“智能铰接式动臂挖掘系统”)的持续工业需求动臂，这克服了与缺乏智能引导功能的常规铰接式动臂挖掘组件相关联的限制。理想地，这种智能铰接式动臂挖掘系统可在工具引导模式下操作，从而帮助操作员以直观且一致的方式赋予挖掘特征期望的形状和尺寸。对于这种智能铰接式动臂挖掘系统，也期望以可预测的方式将操作员输入命令转化为安装在动臂上的挖掘工具的移动，而与作业车辆底盘在挖掘操作期间的定向无关。在利用电动液压(EH)致动子系统来实现终止于反铲式铲斗或其他安装在动臂上的挖掘工具中的铰接式动臂挖掘组件的移动的其他情况下，期望智能铰接式动臂挖掘系统可在控制模式下操作，以减轻EH致动子系统的失速和其他过载状况。

本文公开了提供这种功能的智能铰接式动臂挖掘系统的实施例。首先阐述由智能铰接式动臂挖掘系统的一些(而无需是全部)实施例执行的挖掘深度限制功能，当激活时，该功能防止(或至少阻止)操作员控制铰接式动臂挖掘组件以将挖掘特征挖掘到过深的深度。在各个实施方式中，智能铰接式动臂挖掘系统的一个或多个控制器(在本文中为“控制器架构”)利用由动臂组件跟踪传感器提供的数据来跟踪挖掘工具相对于虚拟挖掘底面的位置。动臂组件跟踪传感器可以包括任何类型和数量的传感器，该任何类型和数量的传感器用于监测挖掘工具相对于作业车辆底盘或其他固定参考点的移动。例如，在一种方法中，旋转位置传感器被集成到动臂组件联动装置的枢轴接头中；并且，由旋转位置传感器捕获的角位移读数结合动臂组件联动装置的已知尺寸用于跟踪挖掘工具的位置，并且可能地，具体地跟踪挖掘工具的切铲边缘在3D工具空间中的位置。除了这种旋转位置读数以外或替代这种旋转位置读数，还可以考虑其他传感器输入，例如，集成到动臂组件中的液压缸的线性位移、基于惯性的传感器读数(由包含在动臂组件中的诸如MEMS加速计或陀螺仪之类的微机电(MEMS)装置捕获)、由指示作业车辆底盘的当前定向的传感器(例如，MEMS装置、测斜仪或附接到作业车辆底盘的类似传感器)捕获的测量值、和/或挖掘工具的视觉系统跟踪，仅列举几个示例。

不管跟踪挖掘工具的特定方式如何，控制器架构都会至少部分地基于铰接式动臂组件的当前位置来重复确定或预测铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将何时导致虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂。当确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制器架构控制铰接式动臂挖掘组件(例如，通过传输到EH致动子系统的命令)，以便以防止虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂的方式更改由操作员命令的移动。相反，当确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将不会导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制器架构将实施由操作员命令的移动而不对该由操作员命令的移动进行更改。以这种方式，允许操作员在虚拟挖掘底面上方的空间范围内利用标准控制方案(更通俗地说是“照常挖掘”)来控制铰接式动臂挖掘系统。然而，如果操作员无意间试图控制铰接式动臂挖掘组件以使挖掘工具移动通过虚拟挖掘底面，则控制器架构将执行某些动作以防止虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂。这种动作可以包括在某些情况下(例如，当挖掘工具基本上沿着与挖掘底面正交的轴线移动时)阻止挖掘工具的移动；然而，在其他情况下，控制器架构有利地控制铰接式动臂挖掘组件，以在由操作员输入命令所指示的方向上沿着虚拟挖掘底面移动挖掘工具(例如，挖掘工具的切铲边缘)。

在实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统的控制器架构将虚拟挖掘底面限定为挖掘工具移动所通过的3D工具空间内的边界或二维(2D)平面。在其他实施例中，控制器架构可以将虚拟挖掘底面限定为具有更复杂的非平面拓扑结构，例如弯曲的或台阶形表面几何形状。在确定执行操作员输入命令是否将导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制器架构不仅会考虑挖掘工具的当前位置和其他相关因素(例如，作业车辆底盘的定向)，而且还会考虑虚拟挖掘底面在3D工具空间中的位置和定向。在实施例中，控制器架构可以通过将虚拟挖掘底面上的点定位在地面高度参考点下方一挖掘深度设定值处来确定虚拟挖掘底面的位置；挖掘深度设定值表示从地面高度参考点向下延伸至地面参考点的竖直距离(例如，沿着与重力平行的方向测得的竖直距离)。挖掘深度设定值可以由利用合适的操作员接口(例如图形用户接口(GUI))输入的操作员输入来指定，该图形用户接口允许操作员将期望的挖掘深度作为具体的英尺数或米数输入到GUI字段中。比较而言，可以基于操作员输入、利用指示相对于作业车辆底盘的挖掘地面高度的传感器输入、或其任何混合组合来将地面高度参考点确定为默认值。

关于利用传感器输入来确定挖掘地面高度，这种传感器输入可以由能够通过测量从地面反射的能量(例如，激光、声波或雷达)信号来直接测量挖掘地面的高度或高程的传感器提供(例如，在作业车辆上存在测距设备(DME)的情况下)。在其他情况下，可以将至少一个旋转位置传感器结合在智能铰接式动臂挖掘系统的稳定支撑臂中，在该情况下，控制器架构可以基于来自一个或多个旋转位置传感器的指示稳定支撑臂在部署成地面接触位置时的旋转角度的数据来估计挖掘地面高度。在测得挖掘地面高度的这种情况下，如果需要，可以根据捕获到挖掘地面高度测量值的位置推测地面高度参考点的平面坐标。

在另外的实施例中，可以利用校准过程来建立地面高度参考点。例如，在一种方法中，首先提示操作员以将挖掘工具放置在期望在其中创建挖掘特征的地面区域之上或附近的地面接触位置的方式来控制铰接式动臂挖掘组件。操作员还提供指示该任务何时完成的输入；然后，响应于该操作员输入，控制器架构估计挖掘工具的当前位置以确定地面高度参考点。具体地，控制器架构可以估计挖掘工具的当前空间位置和定向，然后建立与挖掘工具的最低表面重合的地面高度参考点。因此，提供了直观的、由操作员驱动的校准过程，在此过程中，操作员可以有效地将挖掘工具设置在挖掘区域中的地面上，输入挖掘工具下方的期望的挖掘深度，然后开始利用智能铰接式动臂挖掘系统对挖掘特征进行挖掘。另外，在某些实施例中，操作员还可以在进行挖掘操作之前指定挖掘特征底面的坡度或斜率(或以其他方式使虚拟挖掘平面围绕其纵摇和/或横摇轴线旋转)，如下面进一步描述。

在其他实施例中，除了上述虚拟挖掘底面以外或替代上述虚拟挖掘底面，智能铰接式动臂挖掘系统还可以使操作员建立挖掘特征的其他虚拟(例如，2D平面)边界。例如，在某些情况下，控制器架构可以在挖掘操作期间防止使挖掘特征的虚拟侧壁破裂，例如沟槽的背面。此外，控制器架构可以更改将导致挖掘特征背面(或其他虚拟侧壁)的破裂的操作员输入命令，从而使挖掘工具的切铲边缘沿着挖掘特征背面移动。以这种方式，操作员可以容易地控制智能铰接式动臂挖掘系统以刮擦(并因此彻底清洁)沟槽或其他挖掘特征的背面，同时维持挖掘特征的期望尺寸。

在某些实施方式中，智能动臂挖掘系统可以在其他控制或挖掘工具引导模式(例如线性或笛卡尔控制模式)下操作。在这种情况下，控制器架构可以将操作员输入命令(例如操纵杆旋转位移)转化为挖掘工具沿一个或多个轴线的线性移动。这种线性控制模式在与上述挖掘深度限制功能结合使用时可以特别有益，其中，控制器架构建立挖掘特征的虚拟挖掘底面(或其他平面边界)的位置和定向。在这种实施例中，控制器架构可以将操作员输入命令转化或转换为挖掘工具沿着如下的一者或两者的线性移动(并且可能具体来说是挖掘工具的切铲边缘的线性移动)：(i)平行于虚拟挖掘底面的一个或多个第一轴线，以及(ii)与虚拟挖掘底面正交的一个或多个第二轴线。因此，通过以这种方式相对于虚拟挖掘底面来参考线性化的挖掘工具移动，创建了一种用于控制挖掘任务期间挖掘工具移动的高度直观的操作员控制方案。尽管如此，在其他实施例中，操作员输入命令可以被转换或转化为挖掘工具沿着相对于不同参考系(例如，作业车辆的底盘)或相对于重力方向定向的一个或多个轴线的线性移动。结合上述挖掘深度限制功能，各种其他控制方案也是可以的并且同样可行。

除了上述挖掘深度限制功能以外或替代上述挖掘深度限制功能，智能铰接式动臂挖掘系统的实施例还可以执行其他智能控制功能。例如，在某些实施方式中，智能铰接式动臂挖掘系统的控制器架构可以在过载保护模式下操作。当在这种模式下操作时，控制器架构可以响应于检测到过载状况而自动地(也就是说，无需操作员输入)控制EH致动子系统以减小挖掘工具的穿透深度。可以基于估计到或检测到的置于作业车辆的发动机上的负载来确定这种过载状况。可替代地，当挖掘工具的预期速度超过挖掘工具的实际速度一定幅度时，可以检测到过载状况。在另一些情况下，控制器架构例如通过监测EH致动子系统的液压缸或流路内的压力水平，可以检测到在确定EH致动子系统由于挖掘工具的过度负载而已经或将很快遇到失速状况时过载状况的发生。在后一种情况下，控制器架构可以自动控制EH致动子系统来减小挖掘工具的穿透深度，以减轻铰接式动臂组件的负载抵抗运动，并因此消除或取代失速状况。

下面结合图1至图10描述配备有智能铰接式动臂挖掘系统的作业车辆的示例性实施例。首先，下面结合图1至图9讨论被实现为安装到拖拉机的智能反铲系统附接件的示例性智能铰接式动臂挖掘系统。随后，下面结合图10描述示例性的智能铰接式动臂挖掘系统，该示例性的智能铰接式动臂挖掘系统同样实现为以非模块化的方式附接到拖拉机的智能反铲系统。尽管如此，以下示例强调了智能铰接式动臂挖掘系统的实施例可以采取其他形式，可以与多种作业车辆结合使用，并且在实施例中可以以模块化或非模块化的方式实施。另外，在其他实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统可以配备反铲式铲斗以外的挖掘工具，诸如不同类型的铲斗、挖沟机、螺旋钻或液压锤/破碎机。

示例性智能铰接式挖掘系统和作业车辆

参照图1和图2，示出了配备有智能铰接式动臂挖掘系统22的作业车辆(这里为拖拉机20)的示例性实施例。在该示例中，智能铰接式动臂挖掘系统22采取智慧或智能反铲系统的形式，因此在下文中被称为“智能反铲系统22”。除了智能反铲系统22以外，示例性拖拉机20还包括前悬式装载机(FEL)组件24、与FEL组件附接的拖拉机底盘26以及位于拖拉机底盘26顶上的驾驶室28。拖拉机底盘26由多个地面接合轮30支撑，这些地面接合轮30由容纳在拖拉机20的发动机室34中的内燃机32驱动。当坐在驾驶室28内设置的第一操作员站内时，操作员可以驾驶拖拉机20，操作FEL组件24，并且以其他方式控制拖拉机20的功能。

在某些实施例中，拖拉机20可以包括由驾驶室28包围的单个操作员站。在这种实施例中，用于控制智能反铲系统22的操作员输入控制件(例如，操纵杆、控制杆、按钮等)可以位于驾驶室28内。此外，驾驶室28内的座椅可以旋转至少180度，以允许操作员在操作智能反铲系统22时，特别是在控制反铲系统22中包括的铰接式反铲组件46的移动时，可以采取面向后的就座位置。可替代地，并且如图1和图2的示例所示，拖拉机20还可以包括第二操作员站36(这里为“反铲操作员站36”)，第二操作员站36可以被设置为拖拉机反铲附接件的一部分。在该示例中，反铲操作员站36包括面向后的座椅38、显示装置40以及用于控制铰接式反铲组件46的移动的操作员接口(包括各种操作员输入控制件42、43、44)。更具体地，操作员可以与输入控制件42、43、44(这里包括第一操纵杆42和第二操纵杆44)进行交互，以控制反铲式铲斗48(通常是“挖掘工具”)的移动，铰接式反铲组件46终止于反铲式铲斗48中。

除了反铲式铲斗48以外，铰接式反铲组件46还包括反铲附接件框架50、内动臂或近端动臂52(以下称为“提升动臂52”)以及外动臂或远端动臂54(以下称为“铲斗臂54”)。反铲附接件框架50还包括有凹口的拖拉机安装端60，该拖拉机安装端60可以利用合适的硬件(例如可移动销)附接到拖拉机底盘26的后端或尾端。双稳定支撑臂56铰接式接合到反铲附接件框架50的相对侧。稳定支撑臂56可在收起或缩回位置与展开或伸出位置(所示)之间旋转。在执行挖掘任务之前，可以通过延伸一对液压稳定器缸58将稳定支撑臂56旋转到与地面接合的展开位置。操作员可以利用例如智能反铲系统22的操作员接口中包括的控制杆43来命令稳定支撑臂56旋转到展开位置。

在操作期间，通过使包括在EH致动子系统70(图1)中的多个液压缸62、64、66、68伸出和缩回来驱动铰接式反铲组件46。这些液压缸包括回转缸62、提升动臂缸64、铲斗臂缸66和铲斗缸68。回转缸62的伸出和缩回使提升动臂52(以及由此的铲斗臂54和反铲式铲斗48)围绕相对于反铲附接件框架50和拖拉机底盘26的竖直轴线旋转。提升缸64的伸出和缩回使提升动臂52围绕第一枢轴接头旋转，提升动臂52在该第一枢轴接头处接合到反铲附接件框架50。铲斗臂缸66的伸出和缩回使铲斗臂54围绕第二枢轴接头旋转，铲斗臂54在该第二枢轴接头处接合到提升动臂52。最后，铲斗缸68的伸出和缩回使反铲式铲斗48围绕第三枢轴接头旋转或“卷曲”，铲斗缸68在该第三枢轴接头处接合到铲斗臂54。尽管为清楚起见未在图1和图2中示出，但EH驱动子系统70还包含各种其他液压部件，这些其他液压部件可以包括流动管线(例如软管)、泵、机油箱、配件、安全阀、过滤器等。EH致动子系统70还包括电子阀致动器和诸如滑阀式多路阀之类的流量控制阀，该流量控制阀可以被调控以调节加压液压流体往返于液压缸58、62、64、66、68的流量。如图2右下方显示的详细窗口所示，流量控制阀以及可能的阀致动器可以合并到控制阀组72中，该控制阀组72通常在操作员座椅38下方的位置处安装在铰接式反铲组件46内。

控制器架构74(图1)控制智能反铲系统22的操作。控制器架构74可以采取适合执行本文档中所述的控制和挖掘机具引导功能的任何形式。如本文中出现的术语“控制器架构”在非限制性意义上被用来大体上指智能反铲系统22(或其他智能铰接式动臂挖掘系统)的处理架构。因此，控制器架构74可以包含任何实际数量的处理器(中央和图形处理单元)、单独的控制器、计算机可读存储器、电源、存储装置、接口卡以及其他标准化部件，或者可以与任何实际数量的处理器(中央和图形处理单元)、单独的控制器、计算机可读存储器、电源、存储装置、接口卡以及其他标准化部件相关联。例如，在一种实施方式中，控制器架构74可以包括诸如反铲附接件控制器、阀控制器和/或车辆(拖拉机)控制器之类的多个控制器的组合。进一步强调这一点，图2(以放大的形式)描绘了可以安装在反铲组件46内的单独的控制器单元76。与控制器单元76相邻的标号78表示多个这种控制器单元76可以包括在智能反铲系统22中并通过总线或其他数据通信连接可操作地互连。控制器架构74还可以包括被设计为执行本文所述的各种处理任务、计算和控制/显示功能的任何数量的固件和软件程序或计算机可读指令，或者与被设计为执行本文所述的各种处理任务、计算和控制/显示功能的任何数量的固件和软件程序或计算机可读指令配合。这种计算机可读指令可以存储在与控制器架构74相关联(可访问控制器架构74)的存储器80的非易失性扇区内。虽然在图1中一般性地示为单个块，但是存储器80可以包含适合于存储计算机可读代码或指令以及用于支持智能反铲系统22的操作的其他数据的任何数量和类型的存储介质。在实施例中，存储器80可以作为系统级封装、片上系统或其他类型的微电子封装或模块被集成到控制器架构74中。

智能反铲系统22还包括多个传感器82或传感器阵列82，如图1的左上方示意性所示。传感器阵列82包括用于跟踪反铲式铲斗48在三维空间中的移动和定位的动臂组件跟踪传感器84。动臂组件跟踪传感器84可以包括用于监测反铲式铲斗48的位置和移动特性的任何数量和类型的传感器。在各个实施例中，动臂组件跟踪传感器84可以包括旋转位置传感器，该旋转位置传感器用于监测动臂组件联动装置围绕其动臂枢轴接头的移动。在这种实施例中，旋转位置传感器可以结合到动臂组件联动装置的枢轴接头中，并且可能直接结合到反铲结构销中。一个这种旋转位置传感器85的示例出现在图2所示的右上方的详细窗口中。在此示例中，传感器85采取旋转位置传感器的形式，例如旋转可变位移传感器(RVDT)或电位计，该旋转位置传感器用于检测铲斗臂54相对于提升动臂52围绕销或枢轴接头98的旋转位移。结合图1和图2，参照图3，如图3中的标号88和图例90所示，类似的旋转位移传感器也可以集成到在反铲附接件框架50和提升动臂52之间形成的销或枢轴接头96以及在铲斗臂54和反铲式铲斗48之间形成的销或枢轴接头100中。还可以设置这种旋转位移传感器以测量铰接式反铲组件46相对于反铲附接件框架50的摆动角度，从而测量铰接式反铲组件46相对于拖拉机20的摆动角度，如围绕图3中进一步出现的坐标图例92的X轴所得到的摆动角度。

在另外的实施例中，动臂组件跟踪传感器84可以包括用于监测反铲式铲斗48在3D工具空间中的移动的其他类型的传感器。例如，这种其他传感器可以包括用于测量液压缸62、64、66、68的行程的线性可变位移传感器(LVDT)或其他这种线性位移传感器，然后该液压缸62、64、66、68的行程可以被转换为动臂组件联动装置的角位置。附加地或替代地，可以将诸如被包装为惯性测量单元(IMU)的MEMS加速度计和陀螺仪之类的MEMS装置安装到拖拉机底盘26、提升动臂52、铲斗臂54、反铲式铲斗48。然后，这种MEMS装置可以通过有线或无线连接与控制器架构74通信，以提供架构74在跟踪反铲式铲斗48的移动和位置时所利用的加速度和/或角位移数据。在其他实施例中，动臂组件跟踪传感器84可以包括一个或多个相机，该一个或多个相机的视野涵盖反铲式铲斗48所行进通过的3D工具空间，在这种情况下，控制器架构74可以通过对相机馈送的视觉分析来跟踪反铲式铲斗的位置。在另外的实施方式中，可以利用其他类型的动臂组件跟踪传感器并将其集成到铰接式反铲组件46中。最后，如图1进一步所示，传感器阵列82还可以包括安装到底盘26的诸如MEMS装置、测斜仪等的一个或多个传感器102，该一个或多个传感器102用于监测拖拉机底盘26的定向。以这种方式，控制器架构74在跟踪反铲式铲斗48的移动时(例如在提升动臂52围绕竖直轴线(在拖拉机定向偏离纯水平或平面定向的情况下，该竖直轴线相对于重力方向可能会有所不同)相对于反铲附接件框架50摆动时)，可以考虑拖拉机底盘26的定向。

智能反铲系统22的传感器阵列82除了包括用于监测拖拉机底盘26的定向和动臂组件联动装置的移动的传感器以外，还可以包括其他类型的传感器110。这种其他传感器110可以包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器提供指示相对于反铲附接件框架50、相对于拖拉机底盘26或相对于另一个固定参考点所测得的局部地面高程或高度的数据。附加地或可替代地，这种其他传感器110可以包括用于在执行挖掘任务时测量抵抗铰接式反铲组件46的移动的力的传感器。在某些情况下，这种传感器110可以直接测量或估计施加在拖拉机20的发动机32上的负载。在其他情况下，这种传感器110可以测量集成到铰接式反铲组件46中的液压缸64、66、68内的液压流体压力，或EH致动子系统70的流动网络中的液压流体压力。这在图3中进一步用标号104示意性表示，标号104表示集成到液压缸64、66、68中的每一个液压缸中的压力传感器。当执行过载保护功能时，控制器架构74可以考虑从压力传感器104或其他压力传感器接收到的压力读数，如下面结合图5更充分地描述的。

如上所述，在实施例中，传感器阵列82可以包括用于估计局部地面高程或高度的附加传感器110。在这种实施例中，拖拉机20可以配备有面向后的DME或类似的障碍物检测传感器，该面向后的DME或类似的障碍物检测传感器可以被控制器架构74用来估计到拖拉机20后部的挖掘地面高度。在其他情况下，传感器110可以包括结合到智能反铲系统22的稳定支撑臂56中的至少一个旋转位置传感器(例如，RVDT或电位计)。尽管这种旋转位置传感器集成到将稳定支撑臂56连接到反铲附接件框架50的接头中，这种旋转位置传感器可以与图2右上方所示的示例性旋转位置传感器85类似(如果不相同的话)。在后一种情况下，控制器架构74可以基于来自一个或多个旋转位置传感器的指示稳定支撑臂56在旋转到展开的地面接触位置时的旋转角度的数据，并结合使用稳定支撑臂56的已知尺寸来估计挖掘地面高度。

操作员与智能反铲系统22的操作员接口进行交互以控制铰接式反铲组件46的移动的方式在各个实施例中会有所不同，并且或许可能会基于操作员选择的特定控制方案而有所不同。通过非限制性示例，操作员可以在应用标准化控制方案时以以下方式来控制铰接式反铲组件46的移动，在该方式中，通过操纵杆42、44(图1至图3)的旋转位移来输入操作员输入命令。在该示例中，第一操纵杆(例如，操纵杆42)从中性位置或原始位置围绕第一轴线(从操作员的视角向左或向右)的旋转导致提升动臂52相对于反铲附接件框架50分别向操作员的左侧或右侧摆动。操纵杆42沿着垂直于第一轴线的第二轴线从中性位置的旋转(使得操纵杆的顶部更靠近或远离操作员移动)导致提升动臂52分别在向上方向或向下方向上围绕枢轴接头96旋转。比较而言，第二操纵杆(例如，操纵杆44)沿着第一轴线(从操作员的视角向左或向右)从中性位置的旋转导致反铲式铲斗48围绕枢轴点100旋转并分别向内卷曲或展开。最终，操纵杆44沿着垂直于第一轴线的第二轴线从中性位置的旋转(使得操纵杆的顶部更靠近或远离操作员移动)导致铲斗臂54围绕枢轴接头98分别远离或朝向提升动臂52旋转动臂。

从前面的段落中可以理解，在常规控制方式下，同时控制铰接式反铲组件46的各个链节以预期的方式(例如沿着大致线性的轴线)来移动反铲式铲斗48可能是一项艰巨的任务。这可能给试图以将挖掘特征挖掘为期望形状和尺寸的方式来控制铰接式反铲组件46的操作员带来困难，尤其是当拖拉机底盘26由不平坦或非水平的地形支撑时。由于这些和其他原因，在缺少本文档中所描述的智能引导功能的常规系统中，在试图将挖掘特征(例如，挖掘沟槽)创建为期望形状和尺寸时，操作员出错的机会仍然不希望地增加了。考虑例如图4所示的使用场景，其中以下描述的智能反铲系统22的挖掘深度限制功能被停用。在图4中(以及在下面描述的图6至图9中)，局部地面高程或高度由实线106表示，而挖掘特征的期望底面位置由虚线108表示。如竖直偏移标号112所示，在该示例中，操作员无意中以使反铲式铲斗48的切铲边缘移动到挖掘特征的期望底面位置下方的方式来控制铰接式反铲组件46。因此，操作员随后可能需要填充挖掘特征的过深深度，从而降低了效率。同时，这种操作员误差存在使管道、电缆沟道或埋在待挖掘的地面区域内的其他这种物体意外移位或损坏的风险。因此，为了避免这种不希望的情况并防止产生具有过深深度的挖掘特征，在智能反铲系统22的实施例中，控制器架构74有利地执行挖掘深度限制算法或功能。现在将结合图5描述在较大的智能动臂组件控制过程的背景下执行的这种挖掘深度限制功能的示例。

现在参照图5，根据本公开的示例性实施例，提出了一种智能动臂组件控制过程114。智能动臂组件控制过程114在下面被描述为由智能反铲系统22的控制器架构74执行，并因此在下文中被描述为“智能反铲控制过程114”。然而，应注意，该智能动臂组件控制过程可以被执行为控制或引导其他类型的铰接式动臂组件的移动，而与铰接式动臂组件所附接的作业车辆的特定类型和动臂组件所终止在其中的特定挖掘工具无关。智能反铲控制过程114包括多个过程步骤116、118、120、122、124、126、128、130、132、134、136，下面依次描述每个步骤。取决于实现智能反铲控制过程114的特定方式，图5中一般性示出的每个步骤可以需要单个过程或多个子过程。此外，仅通过非限制性示例的方式提供了图5所示和以下描述的步骤。在智能反铲控制过程114的替代实施例中，可以执行附加的过程步骤，可以省略某些步骤，和/或可以以替代的顺序执行所示的过程步骤。

响应于预定触发事件的发生，智能反铲控制过程114在步骤116处开始。在某些情况下，触发事件可以是指示操作员意图在不久的将来利用智能反铲系统22执行挖掘操作或挖掘任务的事件，该事件可以通过操作员与反铲系统22的操作员接口的交互或通过将稳定支撑臂56旋转到展开的地面接触位置来表示。在其他情况下，控制器架构74可以响应于不同的触发事件(例如响应于指示期望执行智能反铲控制过程114的操作员输入)来开始执行智能反铲控制过程114。

在开始智能反铲控制过程114(步骤116)之后，控制器架构74前进至控制过程114的步骤118。在步骤118处，控制器架构74建立虚拟挖掘底面在3D工具空间中的位置和定向，在随后的挖掘操作中，反铲式铲斗48(或其他挖掘机具)移动通过该3D工具空间。在实施例中，控制器架构74至少部分地基于挖掘深度设定值和地面高度参考点来建立虚拟挖掘底面的位置。具体地，控制器架构74可以通过首先确定地面高度参考点的位置，然后向下(例如，在平行于重力的方向上)移动由挖掘深度设定值指定的竖直距离来确定虚拟挖掘底面上的点的空间位置。在智能反铲控制过程114的步骤118期间，挖掘深度设定值可以由操作员利用智能反铲系统22的操作员接口来输入，并在需要时从存储器80中调用。例如，操作员可以与在显示装置40(图2)上产生的GUI屏幕交互以输入作为特定英尺数或米数的期望挖掘深度。在这方面，在图5中进一步示出了数据输入箭头138，该数据输入箭头138指示可以在控制过程114的步骤118期间考虑操作员设定。

如图5中的数据输入箭头138进一步指示的，可以通过从存储器80调用默认值或在适用时利用来自附加传感器102的传感器输入来确定地面高度参考点。这种传感器的示例包括障碍物检测系统(例如，DME)和集成到稳定支撑臂56中的旋转位置传感器，如前所述。在利用传感器数据估计挖掘地面高度的情况下，如果需要，可以根据捕获到挖掘地面高度测量值的位置来推测地面高度参考点的平面坐标。例如，如果利用稳定支撑臂的角位移来确定稳定支撑臂与地面接触的位置处的挖掘地面高度，则可以通过沿着平行于拖拉机20的纵向轴线的轴线移动特定距离(例如，几英尺或几米)推测局部地面来建立地面高度参考点。这可以考虑以下情况：拖拉机底盘26当前具有倾斜的定向(例如，当拖拉机20位于山丘上时可能是这种情况)，并且地面高度参考点处的地面高度相对于挖掘地面高度读数竖直偏移一定量。

在其他情况下，可以以另一种方式建立地面高度参考点。例如，可以如下来执行用于建立地面高度参考点的直观方法，该直观方法避免了对专用传感器的依赖。首先，提示操作员(例如，通过在显示装置40上产生的消息或图形)以将反铲式铲斗48放置在期望在其中创建沟槽或其他挖掘特征的地面区域之上或附近的地面接触位置中的方式来控制铰接式反铲组件46。进一步提示操作员提供指示何时完成该操作并且反铲式铲斗48当前位于地面接触位置的操作员输入。然后，响应于该操作员输入，控制器架构74估计反铲式铲斗48的当前位置(以及可能地，反铲式铲斗48的最下表面)，从而确定地面高度参考点。以这种方式，提供了高度直观的过程，通过该过程，操作员可以有效地将反铲式铲斗48放置在挖掘区域的地面上，输入反铲式铲斗48下方区域之下的期望的挖掘深度，然后开始挖掘操作或挖掘任务。另外，在某些实施例中，操作员还可以在进行挖掘操作之前指定挖掘特征底面的坡度(或以其他方式使虚拟挖掘平面围绕其纵摇和/或横摇轴线旋转)。

除了在智能反铲控制过程114的步骤118期间确定虚拟挖掘底面的位置以外，控制器架构74还确定虚拟挖掘底面的定向。在实施例中，控制器架构74可以自动设定虚拟挖掘底面相对于诸如重力方向或拖拉机底盘26之类的参考系的定向。例如，在一种方法中，控制器架构74可以将虚拟挖掘底面(例如，2D平面)定向为与重力方向正交地延伸。在操作员可以调整虚拟挖掘底面的定向的实施例中，智能反铲系统22还可以使操作员能够输入期望利用铰接式反铲组件46来创建的挖掘特征的地面的目标坡度或斜率。控制器架构74然后调整虚拟挖掘底面围绕平行于虚拟挖掘底面且垂直于纵摇轴线延伸的横摇轴线的角度定向，以与操作员输入的目标坡度相对应。因此，在某些实施例中，也可以允许操作员调整虚拟挖掘底面围绕纵摇轴线的角度定向，以在将挖掘特征挖掘成期望的形状和几何形状时提供更多的灵活性。

在其他实施例中，除了虚拟挖掘底面以外或替代虚拟挖掘底面，智能反铲系统22还可以使操作员能够建立挖掘特征的其他虚拟边界(例如，虚拟侧壁)。例如，在某些实施方式中，控制器架构74还可以确定铰接式反铲组件46的由操作员命令的移动是否将导致虚拟侧壁被反铲式铲斗48破裂，该虚拟侧壁从虚拟挖掘底面延伸到地面高度处。当确定铰接式反铲组件46的由操作员命令的移动将导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制器架构74可以控制EH致动子系统70以便以防止虚拟侧壁被反铲式铲斗48破裂的方式更改由操作员命令的移动。在各个实施方式中，虚拟侧壁或二维平面可以限定期望利用铰接式反铲组件46(具体为反铲式铲斗48)创建的挖掘特征的背面。此外，控制器架构74可以命令EH致动子系统70，使得反铲式铲斗48的切铲边缘在适当时沿二维平面移动，以允许对挖掘特征背面进行彻底的清洁或刮擦而不会使背面边界破裂。以这种方式，操作员可以在缺少对背面的直接LOS时容易地清洁沟槽(或其他挖掘特征)的背面，并且同时确保反铲式铲斗48的切铲边缘不会使期望的沟槽背面边界破裂。

前进到智能反铲控制过程114的步骤120，控制器架构74接下来识别智能反铲系统22当前正在其下操作的特定控制模式。在某些实施例中，智能反铲系统22可以在单个(标准)控制模式下操作，如前所述，在这种情况下，可以从控制过程114中省略步骤120。然而，在其他实施例中，智能反铲系统22可以在多个控制模式或挖掘工具引导模式下操作，这些模式可以由操作员利用智能反铲系统22的操作员接口进行选择。在这一方面，如前所述，智能反铲系统22可以在线性控制模式下运行，在该线性控制模式下，控制器架构74将操作员输入命令(例如，操纵杆42、44中的一个或两个的旋转)转化为反铲式铲斗48沿着一个或多个轴线的线性移动。当与挖掘深度限制功能结合使用时，这种线性控制模式可以是特别有益的，如在智能反铲控制过程114的过程期间进一步实现的。因此，智能反铲系统22的实施例可以将操作员输入命令转化为反铲式铲斗48沿着如下的一者或两者的线性移动：(i)平行于虚拟挖掘底面的第一轴线，以及(ii)与虚拟挖掘底面正交的第二轴线。挖掘工具的移动被线性化并参考虚拟挖掘底面的这种线性控制模式，可以使操作员在挖掘操作期间以高度直观和有效的方式控制挖掘工具的运动。在其他情况下，智能动臂挖掘系统可以在这种线性控制模式下操作，在该线性控制模式下，操作员输入命令被转化为挖掘工具沿着相对于不同参考系(例如，作业车辆的底盘)或相对于重力方向定向的一个或多个轴线的线性移动。各种其他控制也是可以的，例如在缸(而不是工具)空间中执行的水平控制模式。

继续智能反铲控制过程114，控制器架构74在控制过程114期间跟踪反铲式铲斗48的当前位置和运动(步骤122)。如图5中的数据输入箭头140所示，控制器架构74结合由车辆定向传感器102提供的指示拖拉机底盘26的当前纵摇和横摇的数据来考虑，并至少部分地基于由动臂组件跟踪传感器84(图1)提供的跟踪传感器数据来跟踪反铲式铲斗的位置和运动。在步骤122期间，可以利用各种不同的方法来跟踪反铲式铲斗48的移动(并控制反铲式铲斗48的移动)，该各种不同的方法例如包括运动速度前馈和速度反馈控制方案。如上所述，在实施例中，可以考虑枢轴接头96、98、100的当前角位置，并与动臂组件的已知尺寸相结合以使控制器架构74能够确定反铲式铲斗48在任何给定时间点的当前位置和定向。控制器架构74也可以利用线性和角速度估计值(如果由动臂组件跟踪传感器84提供)来跟踪反铲式铲斗48的位置和移动。

在步骤124处，控制器架构74确定新接收到的操作员输入命令的执行(或反铲式铲斗48在特定方向上的连续运动)是否将导致虚拟挖掘底面(或其他虚拟边界)被反铲式铲斗48破裂。如果确定操作员输入命令的执行将不会导致虚拟挖掘底面的破裂，则控制器架构74前进到智能反铲控制过程114的步骤128。相反，如果确定操作员输入命令的执行将导致虚拟挖掘底面的破裂，则控制器架构74前进到步骤126并控制EH致动子系统70以便以防止虚拟挖掘底面被反铲式铲斗48破裂的方式更改由操作员命令的移动。例如，控制器架构74可以控制EH致动子系统70来更改由操作员命令的移动，使得反铲式铲斗48的切铲边缘在由相应的操作员输入命令指示的方向上沿着虚拟挖掘底面移动。下面结合图6至图9进一步示出和描述控制器架构74可以控制EH致动子系统70以使反铲式铲斗48的切铲边缘沿着虚拟挖掘底面移动而不会使该虚拟挖掘底面破裂的一种方式的示例。控制器架构74然后前进到智能反铲控制过程114的步骤128。

在接下来对步骤128的讨论中，控制器架构74确定对新接收到的操作员输入命令的更改是否适当，以避免违反其他预先建立的条件，例如避免超过缸的长度限制。此外，在智能反铲系统22期望在挖掘操作期间提供过载保护的实施例中，可以在智能反铲控制过程114的步骤128处执行这种过载保护功能。为此，在步骤128期间，控制器架构74可以响应于对过载状况的检测而自动地(也就是说，不需要操作员输入)控制EH致动子系统70来减小穿透深度。例如，控制器架构74可以命令EH致动子系统70将反铲式铲斗48在远离虚拟挖掘底面的方向上移动指定量，确定这种穿透深度的减小是否已经消除了过载状况，如果还没有解决过载状况，则命令铲斗48进一步远离虚拟挖掘底面移动。如果控制器架构74最终没能以这种方式解决过载状况，则智能反铲控制系统22可能会生成相应的警报或警告，例如出现在显示装置40的屏幕上的视觉警报。

在智能反铲控制过程114的各种实施方式中，当施加在拖拉机20的发动机32上的负载超过或接近最大阈值时，控制器架构74可以在步骤128期间检测到过载情况。在其他情况下，当反铲式铲斗48的预期或期望速度超过反铲式铲斗48的实际速度预定幅度时，控制器架构74可以检测到过载状况的发生(并因此自动减小反铲式铲斗48的穿透深度)。在其他情况下，当确定EH致动子系统70已经遇到或将很快遇到失速状况时，控制器架构74可以检测到过载状况的发生。在后一种情况下，控制器架构74可以自动控制EH致动子系统70来减小挖掘工具的穿透深度，以减轻铰接式反铲组件46的负载抵抗运动，并因此消除或取代失速状况。在某些实施例中，控制器架构74可以基于由液压流动网络内的一个或多个传感器102提供的液压流体压力读数来确定何时发生或即将发生这种失速状况；例如，如果液压流体压力接近、等于或超过释放压力，则EH致动子系统70可以自动减小挖掘工具的穿透深度或执行类似的防失速动作。

继续参照图5，并且现在阐述智能反铲控制过程114的步骤132，控制器架构74接下来将操作员输入命令(无论是否在步骤126、130期间被更改)转换为对应的EH阀控制信号。然后，控制器架构74将EH阀控制信号传输到包括在EH致动子系统70中的适当的阀致动器。然后，阀致动器调整流量控制阀内的阀元件(例如，阀芯)的位置，以改变流向液压缸62、64、66、68的液压流体流量，从而以期望的方式使动臂组件联动装置(具体是使反铲式铲斗48)移动。此后，在步骤134处，控制器架构74确定是否应该终止智能反铲控制过程114的当前迭代；例如由于完成当前的挖掘任务。如果确定终止过程114被批准，则控制器架构74前进到步骤136并终止智能反铲控制过程114。相反，如果确定智能反铲控制过程114应继续，则控制器架构74返回到步骤118并重复或循环先前描述的过程步骤。因此，通过以相对快速的方式(例如，实时的方式)重复上述过程步骤，可以提供对铰接式反铲组件46的高响应控制，同时实现上述挖掘深度限制功能和/或上述其他智能控制功能(例如，过载保护和/或线性控制功能)。

接下来对图6至图8进行讨论，示出了示例性场景，在该示例性场景中控制器架构74命令EH致动子系统70以使反铲式铲斗48在由操作员输入命令指示的方向上沿着虚拟挖掘底面(由线108表示)移动，如上文结合智能反铲控制过程114的步骤126所指出的。具体地，在该示例性场景中，控制器架构74控制EH致动子系统70以协调铰接式反铲组件46的移动，使得反铲式铲斗48的切铲边缘142在箭头144所示的方向上沿着虚拟挖掘底面(线108)滑动。为了使反铲式铲斗48的切铲边缘142沿着虚拟挖掘底面移动，需要使液压缸64、66、68同步伸出和缩回，至少使提升缸64在该运动的不同阶段都伸出和缩回，如由箭头146所指示的。类似地，提升动臂52、铲斗臂54和反铲式铲斗48围绕枢轴接头96、98、100进行同步旋转，如箭头148所示。换句话说，控制器架构74控制EH致动子系统70以在竖直方向(在该示例中)上将累积的液压缸速度驱动为零，同时使反铲式铲斗48的切铲边缘在与由操作员命令的工具移动的剩余矢量分量相对应的方向上沿着虚拟挖掘底面(线108)移动。当防止铲斗48破裂这种边界时，可以根据需要利用类似的方法使反铲式铲斗48的切铲边缘142沿着虚拟挖掘特征的其他虚拟边界(例如，上述背面平面)进行刮擦。

最后回到图10，示出了配备有智能反铲系统152的牵引式挖掘机150的等距视图，如根据另一示例性实施例所示。在许多方面，智能反铲系统152类似于以上结合图1至图9描述的智能反铲系统22，并且以下描述同样适用于智能反铲系统22。例如，与智能反铲系统22一样，智能反铲系统152包括动臂组件154，动臂组件154具有内动臂或提升动臂156、外动臂或铲斗臂158以及反铲式铲斗160。提升动臂156在第一枢轴接头处接合到反铲框架162，提升动臂156在第二枢轴接头处接合到铲斗臂158的第一端，并且铲斗臂158的第二端在第三枢轴接头处接合到反铲式铲斗160。提升动臂156围绕第一枢轴接头的旋转由提升缸164的伸出和缩回控制，铲斗臂158围绕第二枢轴接头的旋转由铲斗臂缸166的伸出和缩回控制，并且反铲式铲斗160围绕第三枢轴接头的旋转或卷曲由铲斗缸168的伸出和缩回控制。再次，智能反铲系统22还包括两个稳定支撑臂170，两个稳定支撑臂170可以通过两个稳定器缸172的伸出或缩回在收起(缩回)位置与展开(伸出)位置之间旋转。

尽管为清楚起见未在图10中示出，但是智能反铲系统152同样包含上文结合反铲系统22所述的各种其他部件，这些各种其他部件包括例如动臂组件位置传感器阵列、EH致动子系统和控制器架构。在智能反铲系统152的操作期间，控制器架构以前述方式跟踪反铲式铲斗160相对于虚拟挖掘底面176的移动(包括反铲式铲斗160的切铲边缘174的移动)。这里，虚拟挖掘底面176具有平面拓扑结构，并且由在反铲式铲斗160移动通过的3D工具空间中定向的2D平面限定。控制器架构还至少部分地基于反铲式铲斗160的当前位置和运动矢量来确定铰接式动臂组件154的由操作员命令的移动将何时导致虚拟挖掘底面176被反铲式铲斗160破裂。当确定铰接式动臂组件154的由操作员命令的移动将导致虚拟挖掘底面176的破裂时，控制器架构控制EH致动子系统以防止虚拟挖掘底面176被反铲式铲斗160破裂的方式更改由操作员命令的移动。

操作员可以通过如上所述的将操作员输入输入到合适的接口(例如，GUI字段)中来设定由图10中的双向箭头178表示的挖掘深度。此外，在实施例中，操作员可以能够调整虚拟挖掘底面176围绕如下的一者或两者的角位置：(i)平行于虚拟挖掘底面176延伸的横摇轴线180，以及(ii)平行于虚拟挖掘底面176且垂直于横摇轴线180延伸的纵摇轴线182。例如，尤其是相对于纵摇轴线182，操作员可以提供指定虚拟挖掘底面176的目标坡度或斜率的输入。然后，智能反铲系统152的控制器架构将目标坡度设定值转换为虚拟挖掘底面176围绕纵摇轴线182的角位移。以这种方式，操作员可以通过利用操作员接口(例如，位于拖拉机150的驾驶室内的显示屏上产生的GUI接口)将特定坡度(例如，加或减指定的百分数，诸如+5％坡度或-5％坡度)输入到反铲系统152中，从而以直观的方式设定利用智能反铲系统152创建的沟槽或其他挖掘特征的期望坡度。

在实施例中，控制器架构还可以确定利用智能反铲系统152所期望创建的挖掘特征的一个或多个虚拟侧壁的位置和定向。例如，如图10所示，控制器架构可以建立背面平面184的位置和定向，背面平面184从虚拟挖掘底面176延伸到地面高程。在某些实施方式中，操作员还可以能够通过例如利用操作员接口使背面平面184围绕轴线186(如图10中的箭头188所示)旋转来调整背面184(或其他虚拟侧壁)的定向。再次，在智能反铲系统152的操作期间，控制器架构可以确定铰接式动臂组件154的由操作员命令的移动何时将导致背面平面184的破裂；并且，当确定铰接式动臂组件154的由操作员命令的移动将导致背面平面184的破裂时，控制器架构可以控制EH致动子系统以防止背面平面184被反铲式铲斗160破裂的方式更改由操作员命令的移动。具体地，控制器架构可以控制智能反铲系统152以使反铲式铲斗160的切铲边缘174沿着背面平面184移动，从而实现不会使平面184破裂的刮擦动作。以这种方式，如图所示，即使在缺少到平面184的直接视线的情况下，操作员也能够彻底清洁利用智能反铲系统152所创建的挖掘特征的背面。

智能动臂挖掘系统的枚举示例

为了便于参考，进一步提供了智能动臂挖掘系统的以下示例，并对以下示例进行了编号。

示例1、在各个实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统包括：铰接式动臂组件，该铰接式动臂组件终止于挖掘工具；电动液压(EH)致动子系统，该电动液压(EH)致动子系统包括集成到铰接式动臂组件中的液压缸；以及动臂组件跟踪传感器，该动臂组件跟踪传感器联接到铰接式动臂组件并且被配置为提供指示挖掘工具移动的跟踪数据。控制器架构联接到EH致动子系统和动臂组件跟踪传感器。控制器架构可在挖掘深度限制模式下操作，在该挖掘深度限制模式下，控制器架构：(i)利用由动臂组件跟踪传感器提供的跟踪数据来跟踪挖掘工具相对于虚拟挖掘底面的当前位置；(ii)至少部分地基于铰接式动臂组件的当前位置，确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将何时导致虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂；以及(iii)当确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制EH致动子系统以便以防止虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂的方式更改由操作员命令的移动。

示例2、根据示例1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，控制器架构还被配置为建立虚拟挖掘底面在挖掘工具移动通过的三维(3D)工具空间中的位置和定向。

示例3、根据示例2所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，控制器架构将虚拟挖掘底面限定为3D工具空间中的二维平面。

示例4、根据示例2所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，控制器架构至少部分地基于挖掘深度设定值和地面高度参考点来建立虚拟挖掘底面的位置。

示例5、根据示例4所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，响应于接收到指示挖掘工具当前位于地面接触位置处的操作员输入，控制器架构至少部分地基于挖掘工具的估计位置来建立地面高度参考点。

示例6、根据示例4所述的智能铰接式动臂挖掘系统，还包括地面高度传感器，地面高度传感器联接到控制器架构并被配置为向控制器架构提供指示相对于作业车辆的底盘的地面高度的数据。控制器架构至少部分地基于由地面高度传感器提供的数据来建立地面高度参考点。

示例7、根据示例6所述的智能铰接式动臂挖掘系统，还包括稳定支撑臂，稳定支撑臂可在收起位置和展开位置之间旋转。地面高度传感器被配置为检测至少一个稳定支撑臂在旋转到展开位置时的角位置。

示例8、根据示例2所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，控制器架构至少部分地基于指示利用挖掘工具所期望创建的挖掘特征的目标坡度的操作员输入来建立虚拟挖掘底面的定向。

示例9、根据示例1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，当控制EH致动子系统以便以防止虚拟挖掘底面被挖掘工具破裂的方式更改由操作员命令的移动时，控制器架构更改由操作员命令的移动，以使挖掘工具的切铲边缘在由操作员输入命令指示的方向上沿着虚拟挖掘底面移动。

示例10、根据示例1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，控制器架构被配置为：(i)进一步确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动是否将导致虚拟侧壁被挖掘工具破裂，该虚拟侧壁从虚拟挖掘底面延伸到地面高度处；以及(ii)当确定铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将导致虚拟挖掘底面的破裂时，控制EH致动子系统以便以防止虚拟侧壁被挖掘工具破裂的方式更改由操作员命令的移动。

示例11、根据示例10所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，虚拟侧壁包括二维平面，该二维平面限定了利用挖掘工具所期望创建的挖掘特征的背面。

示例12、根据示例1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，控制器架构还可以在线性控制模式下操作，在该线性控制模式下，控制器架构将操作员输入命令转化为挖掘工具沿着如下至少一者的线性移动：(i)平行于虚拟挖掘底面的第一轴线；以及(ii)与虚拟挖掘底面正交的第二轴线。

示例13、根据示例1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，控制器架构还可以在负载限制控制模式下操作，在该负载限制控制模式下，响应于检测到过载状况，控制器架构命令EH致动子系统以减小挖掘工具的穿透深度。

示例14、根据示例13所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，过载状况包括EH致动子系统的当前失速或预期失速。

示例15、根据示例1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，挖掘工具包括反铲式铲斗。铰接式动臂组件包括内动臂以及外动臂，内动臂在第一枢轴接头处附接到或可附接到作业车辆的底盘，外动臂具有第一端部和第二端部，第一端部在第二枢轴接头处接合到内动臂，第二端部在第三枢轴接头处接合到反铲式铲斗。

结论

因此，已经提供了可在智能控制模式下操作的铰接式动臂挖掘系统(例如，配备有呈反铲式铲斗形式的挖掘工具的智能反铲系统)的实施例。在各个实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统可在挖掘深度限制模式下操作，在该挖掘深度限制模式下，在挖掘操作期间，操作员的输入命令被选择性地更改或覆写以防止虚拟挖掘底面(或另一虚拟边界)被挖掘工具破裂。在实施例中，这种虚拟挖掘底面可以被限定为3D工具空间内的2D平面，控制器架构基于地面高程参考点与虚拟挖掘底面上的点之间的挖掘深度设定值(竖向间隔)来确定虚拟挖掘底面的位置。在某些实施方式中，操作员可以能够调整虚拟挖掘底面围绕其纵摇和/或横摇轴线的定向，以例如确定在挖掘操作期间所创建的挖掘特征的坡度或斜率。除了这种挖掘底面以外或替代这种挖掘底面，铰接式动臂挖掘系统还可以限定其他虚拟(例如，平面)边界，诸如挖掘特征的背面或其他虚拟侧壁，并防止挖掘工具破裂该其他虚拟边界。在至少一些实施例中，当执行操作员输入命令将导致虚拟挖掘底面(或其他虚拟边界)的破裂时，控制器架构可以不停止挖掘工具的移动，而是更改操作员输入命令以使挖掘工具(并且可能地，具体使挖掘工具的切铲边缘)沿着虚拟挖掘底面移动，而不会破裂该虚拟挖掘底面。

在实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统还可以在线性控制模式下操作；并且在某些情况下，挖掘系统的控制器架构可以将操作员输入命令(例如，操纵杆位移)转化为挖掘工具沿与虚拟挖掘底面平行的轴线和/或与虚拟挖掘底面正交的轴线的线性移动。在至少一些实施例中，智能铰接式动臂挖掘系统还可以通过在检测到过载状况(例如，EH致动子系统的当前失速或预期失速)时自动减小挖掘工具的穿透深度来提供过载保护。通过这种智能控制模式，可以大大提高操作员能够完成挖掘任务的效率，同时减少人为误差的概率，并使操作员所承受的精神负担最小化。同时，为操作员提供了更大的灵活性来指定挖掘特征的期望尺寸和形状，同时利用智能铰接式动臂挖掘系统来可靠地创建挖掘特征以满足该指定。

如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

本公开的描述已经出于说明和描述的目的被给出，但是并不意图是穷举性的或限于本公开所公开的形式。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述这里明确参考的实施例，以便最好地解释本公开的原理及其实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本公开并认识到所描述示例的许多替代、修改和变化。因此，除了那些明确描述的实施例和实施方式之外的各种实施例和实施方式均在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种智能铰接式动臂挖掘系统，所述智能铰接式动臂挖掘系统与作业车辆结合使用，所述智能铰接式动臂挖掘系统包括：

铰接式动臂组件，所述铰接式动臂组件终止于挖掘工具；

电动液压(EH)致动子系统，所述电动液压(EH)致动子系统包括集成到所述铰接式动臂组件中的液压缸；

动臂组件跟踪传感器，所述动臂组件跟踪传感器联接到所述铰接式动臂组件，并且被配置为提供指示挖掘工具移动的跟踪数据；以及

控制器架构，所述控制器架构联接到所述电动液压(EH)致动子系统和所述动臂组件跟踪传感器，所述控制器架构能够在挖掘深度限制模式下操作，在所述挖掘深度限制模式下，所述控制器架构：

利用由所述动臂组件跟踪传感器提供的所述跟踪数据来跟踪所述挖掘工具相对于虚拟挖掘底面的当前位置；

至少部分地基于所述铰接式动臂组件的所述当前位置，确定所述铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将何时导致所述虚拟挖掘底面被所述挖掘工具破裂；以及

当确定所述铰接式动臂组件的所述由操作员命令的移动将导致所述虚拟挖掘底面的破裂时，控制所述电动液压(EH)致动子系统以便以防止所述虚拟挖掘底面被所述挖掘工具破裂的方式更改所述由操作员命令的移动。

2.根据权利要求1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述控制器架构还被配置为建立所述虚拟挖掘底面在所述挖掘工具移动通过的三维(3D)工具空间中的位置和定向。

3.根据权利要求2所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述控制器架构将所述虚拟挖掘底面限定为所述三维(3D)工具空间中的二维平面。

4.根据权利要求2所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述控制器架构至少部分地基于挖掘深度设定值和地面高度参考点来建立所述虚拟挖掘底面的所述位置。

5.根据权利要求4所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，响应于接收到指示所述挖掘工具当前位于地面接触位置处的操作员输入，所述控制器架构至少部分地基于所述挖掘工具的估计位置来建立所述地面高度参考点。

6.根据权利要求4所述的智能铰接式动臂挖掘系统，还包括地面高度传感器，所述地面高度传感器联接到所述控制器架构并被配置为向所述控制器架构提供指示相对于所述作业车辆的底盘的地面高度的数据；并且

其中，所述控制器架构至少部分地基于由所述地面高度传感器提供的所述数据来建立所述地面高度参考点。

7.根据权利要求6所述的智能铰接式动臂挖掘系统，还包括稳定支撑臂，所述稳定支撑臂能够在收起位置和展开位置之间旋转，所述地面高度传感器被配置为检测至少一个所述稳定支撑臂在旋转到所述展开位置时的角位置。

8.根据权利要求2所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述控制器架构至少部分地基于指示利用所述挖掘工具所期望创建的挖掘特征的目标坡度的操作员输入来建立所述虚拟挖掘底面的所述定向。

9.根据权利要求1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，当控制所述电动液压(EH)致动子系统以便以防止所述虚拟挖掘底面被所述挖掘工具破裂的方式更改所述由操作员命令的移动时，所述控制器架构更改所述由操作员命令的移动，以使所述挖掘工具的切铲边缘在由操作员输入命令指示的方向上沿着所述虚拟挖掘底面移动。

10.根据权利要求1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述控制器架构被配置为：

进一步确定所述铰接式动臂组件的由操作员命令的移动是否将导致虚拟侧壁被所述挖掘工具破裂，所述虚拟侧壁从所述虚拟挖掘底面延伸到地面高度处；以及

当确定所述铰接式动臂组件的由操作员命令的移动将导致所述虚拟挖掘底面的破裂时，控制所述电动液压(EH)致动子系统以便以防止所述虚拟侧壁被所述挖掘工具破裂的方式更改所述由操作员命令的移动。

11.根据权利要求10所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述虚拟侧壁包括二维平面，所述二维平面限定了利用挖掘工具所期望创建的挖掘特征的背面。

12.根据权利要求1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述控制器架构还能够在线性控制模式下操作，在所述线性控制模式下，所述控制器架构将操作员输入命令转化为所述挖掘工具沿着如下至少一者的线性移动：

平行于所述虚拟挖掘底面的第一轴线；以及

与所述虚拟挖掘底面正交的第二轴线。

13.根据权利要求1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述控制器架构还能够在负载限制控制模式下操作，在所述负载限制控制模式下，响应于检测到过载状况，所述控制器架构命令所述电动液压(EH)致动子系统减小所述挖掘工具的穿透深度。

14.根据权利要求13所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述过载状况包括所述电动液压(EH)致动子系统的当前失速或预期失速。

15.根据权利要求1所述的智能铰接式动臂挖掘系统，其中，所述挖掘工具包括反铲式铲斗；并且

其中，所述铰接式动臂组件包括

内动臂，所述内动臂在第一枢轴接头处附接到或能够附接到所述作业车辆的底盘，以及

外动臂，所述外动臂具有第一端部和第二端部，所述第一端部在第二枢轴接头处接合到所述内动臂，所述第二端部在第三枢轴接头处接合到所述反铲式铲斗。

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