CN113167050B

CN113167050B - 工程机械的倾斜度控制

Info

Publication number: CN113167050B
Application number: CN201980069546.3A
Authority: CN
Inventors: E·S·恩格尔曼; M·A·塔文; C·K·赖夫
Original assignee: Caterpillar Paving Products Inc; Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Current assignee: Caterpillar Paving Products Inc; Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: US20200123716A1; WO2020086577A1; CN113167050A; US11105051B2; DE112019005293T5

Abstract

一种系统可以包括第一运输装置(106、210、212、214、216)、控制器(150)和倾斜度控制系统(230、302)。控制器能够控制工程机械(100、200、300)，其包括能够在操作表面上移动工程机械的第一运输装置。倾斜度控制系统包括第一和第二坡度传感器。第一坡度传感器(142、218、220、222、224)联接到第一运输装置，并且第二坡度传感器(142、218、220、222、224、225)联接到工程机械。控制器基于从倾斜度控制系统接收的倾斜信息来控制工程机械。

Description

工程机械的倾斜度控制

技术领域

本发明一般涉及工程领域。更具体地，本发明涉及用于工程机械的倾斜度控制的系统和方法。

背景技术

冷铣刨机和旋转搅拌机可用于从诸如公路和停车场的表面去除旧的或退化的路面。这些和其它工程机械可能穿过不平坦的地形，导致工程机械的倾斜，影响性能。

Berning等人的题为“道路铣刨机和用于测量铣削深度的方法”的美国专利9879390号公开了一种用于“测量道路铣刨机的铣削深度”的方法。

发明内容

为了总结本发明的至少一部分，在此提供实例的非限制性列表：

在一个方面，本发明涉及一种包括第一运输装置、控制器和倾斜度控制系统的系统。第一运输装置可以使工程机械在操作表面上移动。控制器可以控制包括第一运输装置的工程机械。倾斜度控制系统包括联接到第一运输装置上的第一坡度传感器以及联接到工程机械上的第二坡度传感器。控制器可以基于从倾斜度控制系统接收的倾斜信息来控制工程机械。

在另一方面，本发明涉及一种控制工程机械的倾斜度的方法。方法包括在第一坡度传感器处收集与工程机械的第一运输装置相关的位置或取向信息。方法进一步包括在第二坡度传感器处收集与工程机械的一部分相关的位置或取向信息。方法还包括基于来自第一和第二坡度传感器的位置或取向信息来确定工程机械相对于操作表面的倾斜度测量值。方法进一步包括基于倾斜度测量值延伸或缩回第一提升柱。

在另一方面，本发明涉及一种系统，其包括第一坡度传感器、第二坡度传感器、多个运输装置和控制器。第一坡度传感器在第一位置处联接到工程机械。第二坡度传感器在第二位置处联接到工程机械。控制器可以基于对从第一和第二坡度传感器接收的信息的比较来操纵多个运输装置中的第一运输装置。

本装置、系统和方法的这些和其他实例和特征将在下面的详细描述中部分地阐述。本概述旨在提供本专利申请的主题的概述。其并非旨在提供本发明的排他的或详尽的去除。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。

附图说明

附图以示例而非限制的方式一般性地示出了本文件中所讨论的各种实施例。

图1是根据至少一个实例的包括倾斜度控制系统的工程机械的侧视图。

图2是根据至少一个实例的包括倾斜度控制系统的工程机械的示意平面图。

图3是根据至少一个实例的包括倾斜度控制系统的工程机械的示意图。

具体实施方式

本发明涉及用于交换用于控制和/或监视机器的操作的参数数据的系统和方法。术语“机器”可以指执行与产业(诸如例如采矿、建筑、农业、运输或任何其他产业)相关联的操作的任何机器。作为一些示例，该机器可以是车辆、反铲装载机、冷刨机、轮式装载机、压实机、伐木归堆机、林业机械、集运机、收割机、挖掘机、工业装载机、转向臂装载机、物料搬运机、平地机、管道铺设机、道路取料机、滑移装载机、集材机、伸缩臂叉装机、拖拉机、推土机、拖拉机刮板或其他地面设备、地下设备、船舶设备等。

倾斜度控制系统可以包括定位在工程机械上的一个或多个坡度传感器，以确定工程机械的倾斜度。坡度传感器可以定位在工程机械的运输装置的轨道上，并且在一些实例中，定位在工程机械的底盘或框架上。运输装置的轨道上的坡度传感器可指示轨道的角度或位置，其可用于确定工程机械的框架是否平行于操作表面。在一些实例中，一个或多个轨道传感器可以与定位在工程机械的框架上的一个或多个坡度传感器一起使用，以指示工程机械相对于操作表面的角度。倾斜度控制系统允许控制器通过基于从倾斜度控制系统接收的信息调节这些运输装置的提升柱来维持工程机械的框架平行于操作表面(或相对于操作表面的预定偏移角度)。

为了本发明的目的，坡度传感器意指可用于(单独地或与其他坡度传感器或信息组合地)确定工程机械的框架相对于操作表面的取向或角度的任何传感器，例如测量坡度的传感器、角度传感器、线性传感器(包括磁阻传感器、激光传感器、弦丝电位计等)、旋转角度位置传感器、惯性测量单元(IMU)、单轴传感器、多轴传感器、六自由度(6DoF)传感器、光学传感器(包括智能相机等)，这些传感器的组合等。使用倾斜度控制系统允许更精确地控制工程机械以保持工程机械的框架(或以预定的偏移量)平行于操作表面。

图1是工程机械100的侧视图，在所示实例中其是冷铣刨机。冷铣刨机100包括框架102，动力源104和运输装置106可以连接到框架102。运输装置106可经由提升柱108连接到框架102。在至少一个实例中，运输装置106可以包括提升柱108，使得控制运输装置106可以包括控制提升柱108。铣削组件110可以例如在运输装置106之间联接到框架102的下侧。

框架102沿着框架轴线116在第一(例如，前部)端112与第二(例如，后部)端114之间纵向地延伸。动力源104可以以任何数量的不同形式提供，包括但不限于奥托和狄塞尔循环内燃机、电动机、混合动力发动机等。来自动力源104的动力可传输至机器100的各种部件和系统，例如运输装置106和铣削滚筒118。

框架102可以经由提升柱108由运输装置106支撑。每个运输装置106可以是允许冷铣刨机100在地面上移动的任何种类的地面接合装置，例如铺砌路面或已经由冷铣刨机100处理的地面。在所示实例中，运输装置106配置为轨道组件，每个轨道组件包括轨道144和轨道144围绕其旋转的轨道框架146。运输装置106可以配置为在轴线116的方向上沿着地面在向前和向后方向上移动冷铣刨机100。提升柱108可以配置成用于使框架102相对于运输装置106和地面升高和降低。

铣削组件110可以包括可操作地连接到动力源104的可旋转铣削滚筒118。铣削滚筒118可以包括设置在其上的多个切割工具，例如凿子。铣削滚筒118可以围绕滚筒或壳体轴线120旋转，轴线在垂直于框架轴线116的方向上延伸到图1的平面中。随着可旋转铣削滚筒118围绕滚筒轴线120自旋或旋转，切割工具可以接合现有公路、桥梁、停车场等的硬化材料122，例如沥青和混凝土。此外，当切割工具接合这种硬化材料122时，切割工具移除这些硬化材料122的层。可旋转滚筒118及其切割工具的自旋动作然后可以将硬化材料122转移到输送机系统124。

铣削组件110可以进一步包括形成用于容纳铣削滚筒118的腔室的滚筒壳体126。滚筒壳体126可以包括前壁和后壁，以及位于铣削滚筒118上方的顶盖。此外，滚筒壳体126可以包括在铣削滚筒118的相对于冷铣刨机100的行进方向的左侧和右侧上的侧向盖或侧板。滚筒壳体126可以朝向地面敞开，使得铣削滚筒118可以从滚筒壳体126接合地面。此外，滚筒壳体126可以从框架102移除以用于维护、修理和运输。

冷铣刨机100还可以包括操作员站或平台128，操作员站或平台128包括操作员界面130，操作员界面130用于向控制器150输入命令以控制冷铣刨机100，并用于输出与冷铣刨机100的操作相关的信息。这样，冷铣刨机100的操作者可以从平台128执行冷铣刨机100的控制和监测功能，例如通过观察由位于冷铣刨机100上的传感器输出的各种数据。此外，操作者界面130可以包括对于操作运输装置106和提升柱108的控制。

抗板结系统132可以联接到滚筒壳体126上并且可以包括：向上定向的基板(在图1中不可见)，基板延伸跨过切割室的前侧；向前突出犁状件134，用于推动位于硬化材料122上的松散材料；以及多个滑动件136。输送机系统124可以包括主输送机138和副输送机140。主输送机138可以定位在铣削滚筒118的前方，并且可以联接到并支撑在抗板结系统132的基板上。主输送机138可以将从硬化材料122切割的材料经由铣削滚筒118馈送到从框架端部112向前突出的副输送机140。定位机构143可以联接到副输送机140上，以实现副输送机140的左、右、上和下位置控制。副输送机140可以将移除的硬化材料122沉积到容器中，例如自卸车的箱体中。

冷铣刨机100可以包括附图中未示出的其他部件，这些部件在此不再进一步详细描述。例如，冷铣刨机100可以进一步包括燃料箱，冷却系统，铣削流体喷洒系统，各种电路等。另外，虽然本申请参照包括铣削滚筒的冷铣刨机进行描述，但是本发明可应用于其它类型的工程机械。

冷铣刨机100可以在硬化材料122上驱动，使得前部运输装置106在硬化材料122上滚动。冷铣刨机100可以配置成用于从道路上去除硬化材料122以便在后面留下铣刨表面。在一些实例中，后部运输装置106可以在铣刨表面上滚动，其中铣削组件110在已铣削和未铣削的已硬化材料122的表面之间产生已硬化材料122的边缘。铣削表面可以包括铺砌材料已经被完全去除的表面，或者铺砌材料的最上层已经被去除的表面，或者包括由铣削组件110混合的材料的表面。

冷铣刨机100可以配置成沿向前方向(参见图1从左到右)行进以去除硬化材料122。抗板结系统132可在硬化材料122的顶部上方行进以防止或抑制硬化材料122在移除硬化材料122的操作期间过早去除。铣削滚筒118可以跟随在抗板结系统132后面以接合硬化材料122。铣削滚筒118可以配置成参考图1逆时针旋转，这样使得这些硬化材料122的材料可以通过切割铣削滚筒118的齿或凿子而被提升并且破碎成小片。抗板结系统132可配置为将硬化材料122的片容纳在滚筒壳体126内。移除的硬化材料122的片可以被向上推到主输送机138上并且例如通过环形带向前运送到副输送机140。副输送机140可以从前框架端112向前悬臂伸出以便定位在收集容器(例如自卸车的箱体)上方。虽然参照上切割机描述了所示实例，但是本申请也适用于下切割机。

在移动经过硬化材料122的过程中，运输装置106会遇到由运输装置106滚过的障碍物、突起或斜坡。这样的障碍物、突起或斜坡可以导致冷铣刨机100在一个或多个方向上倾斜。在至少一个实例中，工程机械100可以包括倾斜度控制系统以确定工程机械100的倾斜，使得控制器150可以控制工程机械100以补偿倾斜。

倾斜度控制系统包括耦合到工程机械100的多个坡度传感器142，以收集与工程机械100的前后倾斜(俯仰)、左右倾斜(滚动)或两者相关的信息。在一些实例中，多个坡度传感器142中的一个或多个可以定位在一个或多个运输装置106上，例如定位在轨道框架146上，以收集与运输装置106的位置或取向相关的信息。在一些实例中，多个坡度传感器142中的一个或多个可定位在框架102上或工程机械100的另一部分上，以收集关于工程机械100的位置或取向的信息。在一些实例中，可比较来自两个或多个坡度传感器142中的每一者的信息以确定工程机械100的取向。在至少一个实例中，定位在运输装置106上的一个或多个坡度传感器142与定位在工程机械100的框架102上的一个或多个坡度传感器142结合使用，使得来自这些传感器的信息可以进行比较以确定工程机械100相对于切割平面(工作表面)的位置或取向，并使用信息调节工程机械100以保持机械的框架102平行于切割平面。在至少一个实例中，控制器150调节工程机械100以保持框架102平行于运输装置146的轨道。在一些实例中，操作者可选择在上坡或下坡处操作工程机械100，在这种情况下，倾斜度控制系统可用于将工程机械100的框架102保持在从平行于操作表面的预定偏移处。在至少一个实例中，倾斜度控制系统仅需要定位在单个运输装置上的一个传感器(而不是多个)来控制工程机械100的倾斜。

控制器150可使用来自多个传感器142的信息连同其它机器信息(例如转向数据)来控制冷铣刨机100相对于操作表面的倾斜或倾斜度。在至少一个实例中，多个传感器142可用于通过控制铣削滚筒118的取向来控制铣削滚筒118的切割平面。在至少一个实例中，多个传感器142可以用于保持冷铣刨机100水平以用于切割。在至少一个实例中，控制器150使用倾斜度信息(基于坡度传感器)来调整(例如，延伸或缩回)一个或多个提升柱108。在至少一个实例中，包括多个传感器142的倾斜度控制系统可用于控制工程机械100在颠簸或其他障碍物上方移动时或在不同高度的表面之间移动时的稳定性。

图2是根据至少一个实例的包括倾斜度控制系统230的工程机械200的平面示意图。工程机械200包括前端202、右侧204、后端206和左侧208。工程机械200还包括右前运输装置210、右后运输装置212、左后运输装置214和左前运输装置216。倾斜度控制系统230包括联接到工程机械200的多个坡度传感器218、220、222、224、225。在所示实例中，多个坡度传感器218、220、222、224被示出为定位在运输装置210、212、214、216上。然而，倾斜度控制系统230可以包括比所示更多或更少的坡度传感器。

在一些实例中，倾斜度控制系统230可以包括每个运输装置210、212、214、216或工程机械200的其他部分(例如、框架)的多个坡度传感器218、220、222、224、225。在至少一个实例中，坡度传感器218、220、222、224、225中的一个或多个是单轴传感器。在至少一个实例中，倾斜度控制系统230在每一侧上不需要两个坡度传感器。在至少一个实例中，倾斜度控制系统230仅需要在工程机械200的前端202处的坡度传感器218、224中的一个和在工程机械200的后端206处的坡度传感器220、222中的一个。在另一实例中，倾斜度控制系统230仅需要左侧208上的坡度传感器222、224中的一个和右侧204上的坡度传感器210、212中的一个。在至少一个实例中，倾斜度控制系统230仅包括在前部运输装置210、216上的坡度传感器。在另一实例中，倾斜度控制系统230仅包括在后部运输装置212、214上的坡度传感器。在另一实例中，倾斜度控制系统230仅包括右侧运输装置210、212上的坡度传感器。在另一实例中，倾斜度控制系统230仅包括左侧运输装置214、216上的坡度传感器。在至少一个实例中，倾斜度控制系统230仅包括定位在单个运输装置上的单个坡度传感器。在这些实例中的任一个中，一个或多个坡度传感器225可以定位在工程机械200上，而不是定位在运输装置210、212、214、216上，例如定位在工程机械200的框架或底盘上。

在一些实例中，倾斜度控制系统230仅检测并校正左右倾斜或滚动。在一些实例中，倾斜度控制系统230仅检测和校正前后倾斜或俯仰。在一些实例中，倾斜度控制系统230检测并校正前后倾斜(俯仰)和左右倾斜(滚动)。在一些实例中，倾斜度控制系统230检测并校正平行于切割平面的任何偏差。例如，如果工程机械200的框架不平行于切割平面，则倾斜度控制系统230将检测到这一点并校正工程机械，使得框架平行于切割平面。在至少一个实例中，倾斜度控制系统230使用操作表面的地理数据来保持框架平行于切割平面。在至少一个实例中，倾斜度控制系统230实时检测和校正。例如，倾斜度控制系统230可以检测和控制工程机械200相对于切割平面的取向，以提供期望的切割，提供均匀的切割，为操作者提供平稳的乘坐，避免机械的倾斜，避免工程机械200的其它不利操作条件，这些的组合等。

在至少一个实例中，一个或多个坡度传感器是双轴传感器。在一些实例中，坡度传感器中的一个或多个是能够测量升沉、摇摆、波动、滚动、偏航和俯仰的六自由度(6DoF)传感器。在一些实例中，坡度传感器中的一个或多个可以包括加速计、陀螺仪、磁强计，这些的组合等。在一些实例中，一个或多个坡度传感器是单轴传感器。在一些实例中，一个或多个传感器是角度传感器或线性传感器。在至少一个实例中，坡度传感器中的至少两个是6DoF传感器，而框架上的坡度传感器则不是。

图3是根据至少一个实例的包括倾斜度控制系统302的工程机械300的示意图。倾斜度控制系统302包括多个坡度传感器218、220、222、224、225。在至少一个实例中，控制器150使用从倾斜度控制系统302接收的信息以及其他机器信息304来确定工程机械300的倾斜(例如，倾斜度测量值)。机器信息304可以包括例如转向数据、机器规格、阈值倾斜值、工地信息、操作表面信息、机器方向、机器速度等。

基于由控制器150确定的倾斜度测量值，控制器150调节(延伸或缩回)提升柱310、312、314、316中的一个或多个。由于每个提升柱310、312、314、316对应于运输装置210、212、214、216，因此控制器150可以识别和选择一个或多个提升柱310、312、314、316，一个或多个提升柱310、312、314、316需要被调节以校正工程机械300的倾斜度或倾斜。例如，如果倾斜度控制系统302指示工程机械300由于左右倾斜而不平行于切割表面，使得右侧204低于左侧208，则控制器150可延伸右侧提升柱310、312(对应于右侧运输装置210、212)以相对于左侧208升高右侧204，或控制器150可以缩回左侧提升柱314、316(对应于左侧行进装置214、216)以相对于右侧204降低左侧208。

类似地，如果倾斜度控制系统302指示工程机械300由于前后倾斜而不平行于切割表面，使得后端206高于前端202，则控制器150可延伸前端提升柱310、316(对应于前端运输装置210、216)以相对于后端206升高前端202，或控制器150可以缩回后端升降柱312、314(对应于后端运输装置212、214)以相对于前端202降低后端206。在一些实例中，倾斜度控制系统302可以指示在前后方向和左右方向上的倾斜或倾斜度。在至少一个实例中，倾斜度控制系统仅校正前后倾斜。

工业实用性

本申请描述了用于控制工程机械相对于操作表面的倾斜度的各种系统和方法，例如，用于控制冷铣刨机以保持其框架平行于切割平面。两个或多个坡度传感器可用作倾斜度控制系统的一部分，以识别工程机械的倾斜(例如，向前倾斜)。在至少一个实例中，两个或更多个六自由度(6DoF)传感器定位在工程机械上，以便收集指示工程机械相对于切割平面的倾斜度的信息。在一些实例中，可以使用至少四个单轴传感器来收集相关的倾斜度信息。在一些实例中，可以使用至少一个线性传感器、IMU、旋转角位置传感器或光学传感器来收集相关的倾斜度信息。来自倾斜度控制系统的倾斜度信息可以与诸如转向信息的其他机器信息一起使用，以允许对工程机械地面倾斜度的精确控制。优化相对于操作表面的倾斜度的控制导致工程机械的总体性能更好，包括乘坐稳定性和水平切割。

Claims

1.一种倾斜度控制系统，包括：

第一运输装置和第二运输装置，其配置成协作以在操作表面上移动工程机械；

控制器，其配置成控制包括所述第一运输装置和第二运输装置的所述工程机械；以及

倾斜度控制系统，包括：

第一坡度传感器，其联接到所述第一运输装置；

第二坡度传感器，其联接到所述第二运输装置；以及

第三坡度传感器，其联接到所述工程机械的框架，其中，所述第一坡度传感器和所述第二坡度传感器中的每个是六自由度(6DoF)传感器；

其中，所述控制器配置成：

基于从所述第一坡度传感器和所述第二坡度传感器中的至少一个接收的倾斜度信息来确定所述工程机械的框架的倾斜度测量值；并且

控制所述第一运输装置或所述第二运输装置以改变所述工程机械的框架的倾斜度测量值。

2.根据权利要求1所述的倾斜度控制系统，其中，所述第三坡度传感器不是六自由度(6DoF)传感器。

3.根据权利要求1所述的倾斜度控制系统，其中，所述控制器被进一步配置为：

确定所述倾斜度测量值超过阈值倾斜值；以及

识别并选择一个或多个运输装置，所述一个或多个运输装置能够被调节以校正机械的倾斜，使得随后的倾斜度测量值不超过所述阈值倾斜值。

4.根据权利要求1所述的倾斜度控制系统，进一步包括：

第三运输装置，其中，所述倾斜度控制系统进一步包括：

第四坡度传感器，其联接到所述第三运输装置；

其中所述第三运输装置配置成与所述第一运输装置和第二运输装置协作以在所述操作表面上移动所述工程机械。

5.根据权利要求4所述的倾斜度控制系统，进一步包括：

第四运输装置，其中，所述倾斜度控制系统进一步包括：

第五坡度传感器，其联接到所述第四运输装置；

其中，所述第四运输装置配置成与第一运输装置、第二运输装置和第三运输装置协作，以在所述操作表面上移动所述工程机械。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的倾斜度控制系统，其中：

所述第一坡度传感器定位在所述工程机械的前部；

所述第二坡度传感器定位在所述工程机械的后部；

所述第一坡度传感器和第二坡度传感器配置成指示所述工程机械的框架的前后倾斜度；并且

所述控制器配置成控制所述第一运输装置或第二运输装置，以改变所述工程机械的框架的前后倾斜度。

7.根据权利要求5所述的倾斜度控制系统，其中，所述第四坡度传感器和第五坡度传感器中的每个是六自由度(6DoF)传感器。

8.根据权利要求1所述的倾斜度控制系统，进一步包括：

第一提升柱，其联接到所述第一运输装置；以及

第二提升柱，其联接到所述第二运输装置；

其中，所述控制器配置成控制所述第一运输装置或第二运输装置包括所述控制器配置成控制：

所述第一提升柱，其用于相对于所述第一运输装置升高或降低所述工程机械的框架；以及

所述第二提升柱，其用于相对于所述第二运输装置升高或降低所述工程机械的所述框架。

9.一种用于控制工程机械的倾斜度的方法，包括：

在倾斜度控制系统处收集与工程机械的框架相关的倾斜度信息，包括：

从定位在所述工程机械的第一运输装置上的第一坡度传感器收集位置或取向信息；

从定位在所述工程机械的第二运输装置上的第二坡度传感器收集位置或取向信息；以及

从定位在所述工程机械的框架上的第三坡度传感器收集位置或取向信息，其中，至少所述第一坡度传感器和第二坡度传感器是六自由度(6DoF)传感器；

基于来自所述倾斜度控制系统的所述倾斜度信息，在控制器处确定所述工程机械相对于操作表面的第一倾斜度测量值；

基于所述第一倾斜度测量值使至少第一提升柱延伸或缩回；以及

在所述控制器处确定所述工程机械的所述框架的与所述第一倾斜度测量值不同的第二倾斜度测量值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：

从所述倾斜度控制系统收集倾斜度信息还包括：

从定位在所述工程机械的第三运输装置上的第四坡度传感器收集位置或取向信息；以及

从定位在所述工程机械的第四运输装置上的第五坡度传感器收集位置或取向信息；

其中，所述第四坡度传感器和所述第五坡度传感器是六自由度(6DoF)传感器。