CN114269991B - 用于控制采矿和/或施工机械的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制采矿和/或施工机械(100)的方法，采矿和/或施工机械(100)包括：至少一个致动器(120‑126)，其被配置成产生运动；第一控制单元(201)，其被配置成响应于操作员可控装置(202、205‑207、260)的状态的变化请求至少一个致动器(120‑126)的运动，第一控制单元(201)通过向I/O模块(220‑222)发送控制命令请求至少一个致动器(120‑126)的运动，控制命令请求I/O模块(220‑222)实现致动器(120‑126)的实际运动，其中I/O模块(220‑222)从第一控制单元(201)接收对至少一个致动器(120‑126)的运动的请求，I/O模块(220‑222)的处理单元(401‑403)在接收到对至少一个致动器(120‑126)的运动的请求时确定请求的运动是否将产生与针对操作员可控装置(202、205‑207、260)的当前状态的预期机械行为对应的机械行为，并且I/O模块(220‑222)仅在请求的运动产生与针对操作员可控装置(202、205‑207、260)的当前状态的预期机械行为对应的机械行为时使至少一个致动器(120‑126)执行请求的运动。

Description

用于控制采矿和/或施工机械的方法和系统
技术领域
本发明特别地涉及采矿和隧道挖掘，并且更具体地涉及用于控制采矿和/或施工机械的操作的方法和系统。本发明还涉及采矿和/或施工机械以及实施根据本发明的方法的控制系统。
背景技术
关于采矿和隧道挖掘，例如，存在改进例如效率、生产率和安全性的持续进行的过程。在不断增加的程度上进行的更改/改进的示例是采矿中发生的各种过程的完全地或部分地自动化和/或远程控制。
例如，通常期望能够以完全自主模式即在不需要操作员影响操纵的情况下驱动采矿/隧道挖掘中使用的机械的至少一部分。然而，自主操作并不总是合适的或经济上合理的。
例如，在不断变化的环境中可能就是这种情况。例如，存在这样的矿井，在这些矿井中频繁地出现新的坑道/巷道，并且旧的巷道会被重新填充，这通常会影响机械的自主操作。这可能是因为完全自主解决方案的设置通常是相对耗费时间且耗费资源的，并且一旦在其中驱动自主机械的环境改变，就至少部分地需要进行新的设置。
因此，经常存在操作员需要在采矿和/或施工机械处例如以便手动操纵机械的状况。在某些状况下，同样在车辆正在被自主操作的情况下例如在故障的情况下，可能也需要操作员在机械处。也可能存在操作员需要在机械处的其他情况。出于安全的原因，通常期望机械不由机载操作员驱动，或者操作员根本不在机械处。如所提及的，这可能并不总是可行的，并且同样当机械正在例如被远程控制时，出于安全的原因，期望机械如执行远程控制的操作员所预期的那样运转，以便在机械所处的环境中安全地操纵机械。
另外，这种机械通常由机载机械控制系统控制，并且为了从操作员的角度确保安全操作，尤其要求控制系统根据操作员的意图以在操纵机械时不会出现非预期状况的方式来控制机械。
发明内容
因此，有利的是实现可以在操作员使用操作员可控装置提供控制命令时提高采矿和/或施工机械的控制系统控制的可靠性和/或可预测性的方法和系统。
根据本发明，提供用于控制采矿和/或施工机械的方法，该采矿和/或施工机械包括：
至少一个致动器，该至少一个致动器被配置成产生运动；
第一控制单元，该第一控制单元被配置成响应于操作员可控装置的状态的变化而请求至少一个致动器的运动，第一控制单元通过向I/O模块发送控制命令来请求至少一个致动器的运动，I/O模块被配置成实现致动器的实际运动，该方法包括：
I/O模块从第一控制单元接收对至少一个致动器的运动的请求，
在接收到对至少一个致动器的运动的请求时，I/O模块的处理单元确定所请求的运动是否将产生与针对操作员可控装置的当前状态的预期机械行为对应的机械行为，并且
I/O模块仅在所请求的运动产生与针对操作员可控装置的当前状态的预期机械行为对应的机械行为时使至少一个致动器执行所请求的运动。
采矿和/或施工机械通常重并且尺寸大。这些机械通常在与周围障碍物的距离可能小的环境中运转，在该环境中可能始终存在即将发生碰撞的风险，特别是在机械处于运动时。当机械静止不动时，也可能出现潜在的危险情况。例如，机械可以包括可以产生运动且附接至机械的可操纵装备，并且非常不期望机械在静止不动时意外地开始运动。因此，操作员可能仅由于存在于机械附近而遭受潜在的危险情况。特别地，机械或装备的非预期运动是非常不期望的。例如由于周围岩石或其他障碍物以及其他机械频繁出现，这也适用于机械处于运动中时。
上述应用于的一种类型的采矿和/或施工机械的一个示例是所谓的LHD(装载-运输-倾卸)机械，LHD机械可以用于将破碎的岩石/矿石从例如已经执行爆破的位置移除并运送至另一位置以进行进一步处理。还存在用于例如上述应用于的采矿和/或隧道挖掘中的各种其他类型的机械。
关于在设计这种类型机械的控制系统时要采取的安全措施，可能存在政府或其他方面的要求，并且控制系统可能被开发为单个安全等级实体，其中，在不确保控制系统的其余部分仍然符合其被设计以满足的要求的情况下，可能不能对控制系统进行更改。
即使本发明所涉及的类型的机械可能不受例如关于安全措施的强制性政府法规的约束，例如机械制造商仍然可以以依然满足各种现有安全法规的方式来设计机械控制系统。
根据本发明的实施方式，目的是提供一种控制系统，该控制系统可以被设计成符合例如可移动机械的安全法规或者其他安全法规，但是也可以在没有遵守任何这样的法规的明确目的的情况下使用该控制系统。特别地，本发明的目的是提供一种方法和系统，其目的是降低机械行为与考虑到机械的操作员可控装置的当前状态的预期机械行为不对应的情况的风险。
这是通过以下系统来实现的，在该系统中，控制系统的控制单元被配置成基于通过操作员可控装置给出的操作员控制命令来请求致动器的运动。在实际执行运动之前，由I/O模块对该请求进行验证，I/O模块被配置成控制用于引起所请求的运动的致动器。
以这种方式，可以提供以下控制系统，在该控制系统中可以确保所请求的运动也是操作员的预期运动，其中，当所请求的运动不是操作员的预期运动时可以阻止或以其他方式影响该运动。因此，当确定所请求的运动将引起针对操作员可控装置的当前状态的非预期机械行为时，可以阻止所请求的致动器运动。
另外，由于在形成致动器与控制系统之间的链接的I/O模块中设置有这种安全功能，因此可以例如在无需整个控制系统面对重新遵守安全法规的需要的情况下向控制系统添加附加功能，这是因为可以确保正在执行的运动与考虑到操作员可控装置的状态的预期运动对应。因此，可以确定所请求的致动器的产生运动是否将引起采矿和/或施工机械的预期运动和/或附接至采矿和/或施工机械的装备的运动。
当执行该确定时，I/O模块可以接收操作员可控装置的当前状态的表示，其中，所接收的状态可以被用于确定所请求的运动是否将产生与预期机械行为对应的机械行为。
根据本发明的实施方式，I/O模块还可以被配置成接收来自至少一个传感器的传感器信号，并且至少部分地基于这些传感器信号来确定所请求的产生运动是否将引起与预期机械行为对应的运动。例如，可以利用传感器信号来确定是否满足其他标准以允许所请求的运动被执行，其中，可以将运动设置成仅在满足这样的附加标准时才被执行。
可以存在各种不同的传感器，并且来自这些传感器的传感器信号可以表示机械的各种不同状态。例如，在机械处于静止不动的情况下，可能还要求舱室的舱室门关闭以执行期望的致动器运动。这可以例如通过门传感器指示。这是因为操作员可能在到达舱室时站在舱室外并有意或无意地引起操纵杆偏转。操作员可能因此意外地暴露于潜在的危险情况。根据本发明的实施方式，如果这样的门传感器指示在机械静止不动时舱室门打开，则不管操纵杆是否实际指示要执行所请求的运动都可以阻止所请求的运动，因为在这种情况下可以确定所请求的运动可能不是预期运动。
相反，当机械处于运动中并且/或者以超过预定速度的速度行进时，舱室门打开的指示可以被接受，这是因为可以假设操作员不在机械外。
I/O模块可以被配置成通过将从至少一个控制单元接收的控制信号转换成使致动器执行所请求的运动的致动器驱动信号来控制至少一个致动器的运动。也就是说，I/O模块将请求转换成实际实现致动器的物理运动所需的合适的控制信号。以这种方式，I/O模块将完全控制是否实际执行所请求的运动。
当控制系统的控制单元请求涉及致动器的致动的运动时，请求可以呈例如在数据总线上传输的数据消息的形式以供I/O模块接收。因此，I/O模块可以被配置成通过数据总线接收来自第一控制单元的对至少一个致动器的运动的请求。I/O模块可以被配置成接收来自控制系统的各种控制单元的请求。
另外，I/O模块可以被配置成通过与在其上进行请求的数据总线不同的第二数据总线来接收操作员可控装置的当前状态。因此，可以在单独的数据总线上传输与确定有关的数据，该单独的数据总线可以专用于与由I/O模块进行的确定有关的数据。根据本发明的实施方式，与第一数据总线上的通信相比，在该数据总线上的通信中可以使用不同的协议。此外，例如操作员可控装置和/或传感器可以被配置成例如通过包括诸如解析器的单独装置的操作员可控装置直接与I/O模块通信以将操作员可控装置的当前状态传送至I/O模块，并且例如，传感器可以专用于由I/O模块使用。
根据本发明的实施方式，I/O模块利用与控制系统在生成例如要传送至I/O模块的运动请求时使用的传感器、解析器等相同的传感器、解析器等的信号。这具有以下优点：操作员可以响应于操作员可控装置的状态变化来执行机械的校准和其他更改，其中，在确定所请求的运动是否对应于预期运动时，I/O模块将仍然考虑这样的更改，并且其中I/O模块例如可以阻止非预期运动，并且还确保运动例如不会被执行得太快或者否则被以非预期方式执行。
如上所述，根据本发明的实施方式的I/O模块的确定由处理单元进行，并且I/O模块可以包括多个处理单元以通过以下方式来提供进一步的安全性：由I/O模块的至少一个处理单元做出确定，由I/O模块的另一处理单元对该确定进行验证。这还在I/O模块的处理单元发生故障的情况下提供了冗余。
操作员可控装置可以例如包括一个或更多个操纵杆，其用于将机械设置成处于运动中并在机械处于运动时对其进行控制以及/或者控制机械的装备。操作员可控装置还可以包括例如开关、控制杆、按钮、旋钮等以及触敏显示器。
将理解的是，关于本发明的方法方面描述的实施方式也都适用于本发明的系统方面。也就是说，系统可以被配置成执行如在上述实施方式中的任一实施方式中定义的方法。此外，方法可以是机器计算机实现的方法，其可以例如在采矿和/或施工机械的一个或更多个控制单元中实现。
本发明的其他特征及其优点在下面阐述的示例性实施方式的详细描述和附图中指示。
附图说明
图1A至图1B示出了可以被配置成根据本发明的实施方式操作的示例性机械；
图2示出了图1A至图1B的机械的控制系统的示例性部分；
图3示出了根据本发明的示例性方法。
图4示出了根据本发明的实施方式的I/O模块。
图5示出了用于确定机械转弯运动中的故障的替选方法。
具体实施方式
以下将鉴于特定类型的采矿和/或施工机械来举例说明本发明的实施方式。然而，本发明可应用于所有类型的采矿和/或施工机械，这些采矿和/或施工机械可以在以下环境中开始运动和四处移动，在所述环境中存在操作员可控装置以使得操作员能够通过改变操作员可控装置的状态来请求改变采矿和/或施工机械的运动速度或运动方向并且/或者改变附接至采矿和/或施工机械例如构成采矿和/或施工机械的一部分的装备的运动，以及/或者例如当静止不动时以其他方式引起由机械执行的运动。例如，根据本发明的实施方式，采矿和/或施工机械可以包括卡车、钻机、岩石加固钻机或可以开始运动以使得机械能够在诸如矿井和/或隧道的环境中被驱动的任何其他采矿和/施工机械。
图1A和图1B分别示出了可以包括根据本发明的系统的示例性机械100的侧视图和正视图。根据本示例，机械100是装载-拖运-倾卸(LHD)机械，并且用于通过使用铲斗101来装载和运送走诸如所挖掘的岩石的材料。除了铲斗101之外，机械100还包括用于使得机械能够开始运动的轮102至轮105以及包括至少一个控制单元201的控制系统。控制单元201被配置成控制机械100的各种功能，并且将参照图2进一步讨论。
根据本示例，并且如下文进一步讨论的，控制单元201包括被布置在机械100的操作员舱室中的显示单元。所公开类型的机械可以包括多于一个的控制单元，例如多个控制单元，其中每个控制单元可以分别被设置成负责监控和执行机械100的不同功能。然而，为了简单起见，下面将假设由控制单元201来控制各种功能。例如，控制单元201可以被配置成请求要由各种致动器例如汽缸/马达/泵等执行的运动，在诸如以下的方面操纵机械：使机械设开始运动、使机械停止以及控制和操纵形成机械的一部分或附接至机械的装备例如诸如在装载或卸载岩石时的铲斗101。对运动的请求可以由例如用于控制机械100的驾驶员可控装置发起。
在机械是钻探装置的情况下，控制系统可以例如被配置成控制例如钻探装置的悬臂以及钻探装置的一个或更多个钻进机械。类似地，控制单元可以被配置成控制钻探装置在矿井或隧道中四处移动时的操纵。
机械100还构成铰接式机械，在铰接式机械中，前部100a通过铰链107连接至后部100b，并且因此通过铰接式转向来使机械转向以便于对机械的操纵。所公开类型的机械通常在与周围岩壁的距离可能小的环境中被驱动，并且在这样的环境中铰接式机械可以提供优于非铰接式机械的可操纵性优势。如本领域技术人员所理解的，所示机械仅形成本发明的可用性的示例，并且原则上，本发明基本上适用于在采矿和/或施工中使用的任何类型的可移动机械。
机械100和/或其装备的运动通过使一个或更多个致动器开始运动来产生。关于图1A至图1B的示例性机械，该机械包括用于控制铲斗101的升高/降低的例如呈液压缸120、121形式的致动器，其中，在这方面可以存在例如用于控制铲斗101的倾翻的另外的致动器。另外，机械100包括用于推进机械100的例如呈液压马达122至125形式的致动器。根据所公开的示例，还存在控制关节107的铰接的一个或更多个液压缸126形式的致动器。
所公开类型的机械可以例如被配置成由存在于机械中的操作员控制或者被配置成被远程控制，并且所公开类型的机械可以例如包括前摄像机111和后摄像机112，前摄像机111和后摄像机112连接至控制单元201并且可以被用于将视频信号传送至控制单元201以进一步传输，例如在机械被远程控制的情况下将视频信号传送至控制室中的远程控制操作员。例如，由于能见度可能有限，还可以将视频信号显示在舱室的一个或更多个显示器上以由机载操作员使用以便于机械的操纵。
该机械还可以包括各种另外的未公开的特征。例如，机械可以设置有距离检测器例如激光扫描器以确定例如到机械的行进路径中的周围岩石和/或障碍物的距离。所述类型的摄像机/传感器可以用于机械的远程控制，或者也可以用于自主操作机械的监控和监视，并且还可以由手动操作机械的操作员使用，并且例如形成操作员辅助系统的一部分。根据本发明的实施方式，不存在这样的摄像机/扫描仪，并且可以在没有这样的辅助装置的情况下完全手动操作机械。
如上所述，图1A至图1B中所公开类型的机械可以具有非常大的尺寸并且呈现出相当大的质量，并且当承载负载时更是如此，其中，所公开类型的机械可以被设计成承载例如10吨至30吨的破碎岩石。因此，非预期的机械行为是非常不期望的，因为这样的行为可能使存在于机械中或机械周围的操作员遭受潜在的危险情况，并且还可能使存在于机械100的环境中的其他人员或物体遭受潜在的危险情况。
如上所述，根据本发明的实施方式，目的是提供可以降低出现非预期情况的风险的控制系统。这通过使用I/O模块来执行，I/O模块在接收到对运动的请求时进行以下验证：由要执行的运动表示的所得机械行为也将对应于可以在给定机械的操作员可控装置的当前状态的情况下预期的机械行为。
在图2中例示了根据本发明的实施方式以及根据参照图1A至图1B的铰接式机械给出的本示例的示例性控制系统200。
根据例示的控制系统，该控制系统包括显示单元201，显示单元201例如可以被布置在机械100的舱室中。显示单元201的显示器202可以用于例如向操作员传送数据，其中，例如可以显示有关机械的状态的数据。根据本发明的实施方式，操作员还可以使用显示器202与显示单元/控制系统通信，例如通过作为触敏显示器的显示器202使得操作员能够输入数据和/或在显示器202所呈现的选项中进行选择。显示单元201还包括至少一个处理单元203，例如被配置成运行控制机械100的操作的软件的中央处理单元(CPU)。该软件可以存储在显示单元201的连接至处理单元203的非暂态存储器204中。根据本示例，显示单元201基于例如操作员可控装置的状态以及例如机械上的各种传感器来确定要由机械100执行的功能。例如，致动器120-126中的每一个可以包括指示例如角度、位置、流量等的一个或更多个传感器。根据本发明的实施方式，可以存在负责确定机械100要采取的动作的任意数量的控制单元，其中，这样的控制单元可以包括显示单元或不包括显示单元。根据本发明的实施方式，显示器202和控制单元构成单独的实体。
显示器202可以因此构成用于与机械100的控制系统通信的操作员可控装置，其中操作员可以请求要采取的各种动作。
图2还示出了用于控制机械100的另外的操作员可控装置。这些操作员可控装置包括可以构成操作员面板208的一部分的操纵杆205、206。操纵杆205、206可以由操作员使用来控制机械100的各种功能。操纵杆205、206可以用于例如使机械100加速、减速和转向，其中，操作员造成的操纵杆偏转可以被转换成与液压马达122-125和液压缸126的控制有关的适当的控制命令，以通过允许机械100的前部100a相对于后部100b相对运动来控制关节107从而使机械转向。操纵杆205、206还可以用于例如控制机械100的可以执行运动的各种装备。例如，可以在例如通过操纵铲斗101进行装载和卸载操作时使用操纵杆，其中，显示单元201可以再次基于操纵杆偏转来确定对液压缸120、121的适当控制。操纵杆还可以被用于控制其他装备(如果存在其他装备的话)。
操作员面板208还可以包括用于使得操作员能够与控制系统通信的各种附加装置207，例如按钮、键盘、开关等。操作员舱室还可以包括另外的和/或其他类型的操作员可控装置。
控制系统还包括数据总线209，数据总线209例如可以是CAN总线或任何其他合适类型的数据总线，并且可以用于使得机械100的各个单元之间能够通信，并且可以在通信中利用例如CANopen安全协议。例如，操纵杆205、206可以将当前偏转即操纵杆控制手柄205A、206A的位置传送至显示单元201。该传送可以通过例如包括用于将操纵杆偏转转换成偏转的表示以在数据总线209上传输的适当的解码器装置的操作员面板来执行。
通过I/O模块220至222实现对致动器的实际控制，即产生实际上使致动器物理地执行所请求的运动的致动器驱动信号，I/O模块220至222将来自显示单元201的请求转换成适当的措施，例如施加实现期望运动所需的电压/电流/流体流，其中，这例如可以包括对阀进行控制，对阀进行控制转而引起致动器运动。这还可以包括例如向致动器施加电流或电压。
如以上所讨论的，对于所公开类型的机械的操纵，操作员安全性非常重要，并且还可能存在关于需要采取的安全措施的法规。这样的法规可以包括例如欧洲机械指令。特别地，使用控制系统对机械进行控制确保机械如操作员预期的那样运转是非常重要的。这可以通过将整个控制系统配置成符合安全等级来确保。
根据本发明，替代地，利用其中整个控制系统不需要满足安全等级同时仍然可以遵守适用的法规的解决方案。这通过其中I/O模块220至222具有允许支持安全措施的功能的系统来实现。这具有以下优点：例如，控制系统的其中集成了对机械功能的控制的部件诸如显示单元201可以设置有新的/附加功能，而不需要例如关于安全措施重新认证整个系统。这使得例如在机械的整个生命周期期间可以更自由并且省力地添加功能。另外，在通常情况下，所公开类型的控制系统，特别是关于功能，经常从一个机械世代“继承”到另一机械世代，并且因此可以包括例如包含经历多年开发的软件。
将参照图3举例说明本发明的实施方式，在图3中出于说明的目的讨论了用于执行示例性操纵的方法。通常会存在根据实施方式的方法可以应用于的多个不同的机械操纵，例如以上例示的运动。
该方法可以被配置成由一个或更多个或所有I/O模块220至222来执行。这可以取决于例如由特定I/O模块执行的功能的类型。在本文中使用符号I/O模块是因为I/O模块构成了到控制系统的接口，其中，控制系统的控制信号被转换成如下信号，借助于此，致动器可以通过将所述信号转换成机械运动来做出响应。通常，根据本示例，操作员通过操纵操纵杆205、206(或其他操作员可控装置)中的任一个来请求要执行的动作，其中，可以使操纵杆例如在方向205A至205D、206A至206D上并且还可能在它们之间的任何方向上偏转。如以上所讨论的，这些操纵杆偏转可以被配置成关于机械100和附接至机械100的装备执行各种不同的运动。
当操作员执行操纵杆移动时，根据本示例，操纵杆205和/或操纵杆206的偏转的表示，即操纵杆相对于参考位置偏转的方向和程度，从操作员面板208被传输至显示单元201以便由处理单元203进一步处理。偏转信号可以通过数据总线209传输。因此，操作员面板208可以包括解析器装置，以用于将操纵杆偏转转换成表示操纵杆运动的相应数字信号以便传输至显示单元201。然后，响应于操纵杆偏转，处理单元203例如通过适当的计算确定要由机械100的一个或更多个致动器执行的移动。例如，由于操纵杆205、206可以用于由机械执行的各种不同功能，因此，处理单元203可以确定当前请求执行的操纵的类型，并且作为响应确定合适的致动器控制信号。然后，利用致动器控制信号来请求实际的致动器移动，例如液压缸移动、电动马达运动和/或液压泵/液压马达移动或者机械100的可以以这种方式控制的任何其他类型的致动器移动。
当处理单元203已经确定了致动器控制信号时，根据本示例，使用数据总线209将这些控制信号传输至一个或更多个负责实际引起所请求的致动器移动发生的I/O模块。因此，根据本示例，处理单元203可以向例如I/O模块220至222中的一个或更多个发送致动器控制信号。在不使用根据本发明的系统的情况下，一个或更多个I/O模块220至222则将通过请求运动中所涉及的一个或更多个致动器例如通过控制一个或更多个阀或用于引起所请求的致动器运动的其他装置来实现所请求的运动。因此，以这种方式，例如可以以通过处理单元203的控制所确定的期望方式实现任何类型的机械运动。
根据本发明，提供附加的安全措施以确保处理单元203请求执行的运动也是与操作员期望执行的运动对应的运动，并且因此是不会产生非预期机械行为的运动。这是通过向I/O模块220至222提供附加智能来实现的。因此，在这方面I/O模块包括处理装置。根据图3的方法由这些I/O模块的处理装置执行。
图4示出了根据本发明的实施方式的I/O模块的示例，根据本示例为I/O模块220。该I/O模块包括第一I/O模块处理单元401，第一I/O模块处理单元401用于例如通过接口404/405从显示单元201接收控制信号，接口404/405可以被配置成从数据总线209接收信号。
返回图3，方法300开始于步骤301，在步骤301中，确定是否要执行对所请求的致动器运动的评估。在确定要执行对所请求的致动器运动的评估的情况下，该方法继续至步骤302。从步骤301到步骤302的转变可以例如通过I/O模块处理单元401从显示单元201接收对致动器运动的请求而发起，其中，因此可以通过数据总线209接收该请求。
如上所述，根据现有技术解决方案，I/O模块在接收到对致动器运动的请求时使运动被执行而无需采取任何进一步措施。这可以例如通过将所接收的请求转换成适当的例如呈电压电流或液压流形式的致动信号以使致动器执行期望的运动来执行，其中，这些致动器信号可以由输出接口406/407生成。
然而，根据本发明的实施方式，代替I/O模块220简单地使所请求的致动器运动被执行，在步骤302处，I/O模块处理单元401确定所请求的运动实际上是否对应于预期运动。在这方面，I/O模块处理单元401可以例如利用各种信号来进行确定。例如，I/O模块处理单元401可以被配置成从操作员面板208接收表示操纵杆205、206的当前偏转的信号。这些信号可能例如已经存在于数据总线209上以供I/O模块处理单元401接收。
可替选地，或者另外地，I/O模块处理单元401还可以被配置成通过由虚线210指示的单独的通信信道例如单独的数据总线接收例如操纵杆偏转信号并且因此特别地针对这种情况进行传输。在这方面，操作员面板可以包括例如单独的解析器装置，以用于确定操纵杆205、206的偏转以便在附加数据总线210上传输并提供冗余。
根据本示例，显示单元201请求机械的右转弯运动，即通过使用关节107/液压缸126使前部100a相对于后部100b向右转动。然后，在步骤302中，I/O模块处理单元401确定从显示单元201接收的对右转弯运动的请求是否是实际上为操作员要执行的意图的转弯运动。这可以例如通过使用表示操纵杆偏转的信号来确定适当的操纵杆205、206实际上已经偏转到与对右转弯运动的请求对应的位置来执行，并且还可以确定该偏转是否与例如所请求的致动器速度的大小对应。如果在步骤302中确定所请求的运动与预期运动对应，则在步骤303中，I/O模块处理单元401例如通过直接向液压缸126提供输出接口405上的适当驱动信号或者例如通过向控制液压缸126的一个或更多个阀240传递阀控制信号来请求所请求的致动器运动被执行，从而引起关节107的角度变化。
另一方面，当在步骤302中确定所请求的运动与预期运动不对应时，例如由于操纵杆偏转指示对不同运动的请求或者与从显示单元201接收的请求相比根本没有运动，该方法继续至步骤304，在步骤304中所请求的运动可能受到I/O处理单元401的影响。例如，该影响可以包括I/O处理单元401完全禁止执行所请求的运动，并且这也可以被传送至显示单元201。可替选地，在认为适当的情况下，I/O处理单元401可以至少部分地以降低的速度执行所请求的运动。是否执行此操作可以取决于例如所请求的运动的类型。
I/O模块可以被设计成满足例如关于安全措施的法规要求，使得对于控制系统的其他部分不需要采取这些措施。I/O模块一方面充当朝向控制系统的接口，另一方面充当引起实际运动的致动器。这可以使得例如操作员面板和显示单元不需要被设计成满足这样的安全等级。这转而可以便于控制系统的开发，因为否则可能难以确保控制系统的每个部件以其他方式满足这样的等级。然而，通过对控制致动器的I/O模块应用安全措施，仍然可以获得满足这些要求的高安全性水平。
根据本发明的实施方式，在确定所请求的运动是否也是预期运动时，I/O处理单元401还可以利用诸如传感器信号的其他信号。例如，可以确定机械100静止不动还是处于运动中。在机械100静止不动的情况下，例如可以进一步要求例如门传感器指示舱室的舱室门关闭以便执行期望的致动器运动。如果在机械100静止不动时舱室门是打开的，则操作员可能在到达舱室时站在舱室外并有意或无意地引起操纵杆偏转。因此，例如在通过关节107/缸126使前部100a和后部100b彼此面对的情况下，操作员可能意外地暴露于潜在的危险情况。因此，如果门传感器指示舱室门是打开的，则可以通过I/O处理单元401阻止所请求的运动，而不管操纵杆205、206实际上是否指示要执行所请求的运动，因为在这种情况下，可以确定所请求的运动可能不是预期运动。
相反地，如果确定机械100处于运动中并且/或者以超过预定速度的速度行进，则可以接受舱室门打开的指示，因为在这种情况下操作员不可能出现在机械外，并且因此即使例如门传感器指示门打开，也可以允许例如加速和转弯。
还可能存在影响是否执行所请求的运动的其他因素。例如，可以利用致动器的液压压力和/或温度来确定是否执行所请求的运动，或者确定所请求的运动是否被执行成不同于所请求的程度的程度。
通常，可能存在多种情况，其中，例如I/O处理单元401可以利用各种传感器信号来确定是否要实际执行所请求的运动。还可以在实际执行运动的同时执行进一步确定。例如，I/O处理单元401可以利用来自角度传感器110的指示关节107的铰接角度的信号在执行转弯运动时监测铰接角度的变化，以确保所请求的运动实际上在正确的方向上并且在期望的程度上被执行，从而为系统增加进一步的安全性。
另外，也可以使用各种其他传感器的传感器信号进行确定。例如，I/O处理单元401还可以利用表示例如一个或更多个阀的阀位置或者关节或致动器的传感器信号来确定运动按照预期执行。根据本发明，I/O模块可以被设计成满足例如安全等级，所述安全等级适用于其中要使用该I/O模块的机械类型的特定类型。
根据本发明的实施方式，I/O模块可以被设计成包括另外的安全措施。例如，I/O模块可以包括两个或三个处理单元，其中，每个处理单元可以监测其他处理单元的操作并且/或者提供冗余。这在图4中被示出，在图4中I/O模块220包括三个处理单元401至403。当通过I/O模块的一个处理单元例如处理单元401执行例如根据图3的方法进行的确定时，可以使用其他处理单元402、403中的一个或两个来验证由处理单元401做出的确定是正确的。
多个处理单元的使用还可以用于确保例如冗余，使得即使一个或更多个其他处理单元发生故障，至少一个处理单元也可以执行根据本发明的确定。
另外，当I/O模块确定所请求的运动要被禁止时，还可以采取另外的措施。例如，如果例如由于操纵杆偏转指示其他内容而确定不执行显示单元对转弯运动的请求，则可以另外在机械处于运动中的情况下使机械停止以防止出现另外的危险情况。例如，由于所公开类型的机械可能大且重并且在狭窄的环境中操作，因此，在指示故障的情况下使机械停止以减少发生事故的风险会是有利的。另外，为了确保I/O模块的安全操作，还可以复制另外的硬件以提供冗余。例如，如图4所示，为了冗余，可以复制输入/输出接口404/405和406/407。
可以复制由I/O模块使用并连接至I/O模块的传感器，也可以复制受I/O模块控制的致动器以提高确定的准确性。这些传感器还可以包括由显示单元201在机械的一般控制中使用的传感器，并且这也可以应用于到I/O模块的输入信号的其他源。
根据本发明，提供这样的系统，在所述系统中，I/O模块经由数据总线从控制系统的另一实体接收对运动的请求，随之I/O模块使用来自一个或更多个传感器或其他装置的数据确定所请求的运动是否将产生同样预期的运动，并且仅在所请求的运动将产生同样预期的运动的情况下才执行该运动。因此，本发明不基于所接收的操作员可控装置的状态变化来执行如何控制机械的初始确定，而是防止机械通过控制系统的作出例如错误的决定的其他部件以非预期方式运转。
根据本发明的实施方式，可以通过与传输来自显示单元的请求时的数据总线相同的数据总线来传输I/O模块在确定中所使用的数据，并且在该数据总线上传送控制系统的其他数据。然而，如以上所讨论的，根据本发明的实施方式并且这也是根据本示例的情况，可以替代地通过单独的数据总线来传送I/O模块在确定中所使用的数据。因此，可以在单独的数据总线上将例如关于操纵杆205、206的偏转的原始数据传输至I/O模块，其中操作员面板可以包括专门针对这种情况的附加解析器装置，并且其中，这也可以应用于机械100的其他传感器装置。
机械可以包括多个I/O模块，其中不同的I/O模块可以被设计成针对各种不同的致动器执行根据本发明的确定。根据图2的示例，存在三个不同的I/O模块，其中例如，I/O模块221可以被配置成例如使用一个或更多个阀241和一个或更多个传感器251通过液压缸120、121来控制铲斗101的操作。类似地，I/O模块222可以被配置成例如使用一个或更多个阀242和一个或更多个传感器252通过液压马达122至125来控制机械100的推进。原则上，机械可以包括任何数量的I/O模块，其中，每个I/O模块可以负责任何合适数量的致动器。此外，在确定是否要执行致动器运动中可能涉及多于一个的I/O模块。例如，为了实际执行运动，可能要求一个或更多个其他I/O模块也确定要执行该运动。例如，关于上述示例，I/O模块222可以提供关于机械是否处于运动的信号，并且另一I/O模块可以例如被配置成接收并转发来自门传感器的信号。
如以上所说明的，本发明可以用于机械的多种功能，以确保仅当确定所请求的运动还产生与操作员预期的机械行为实际对应的机械行为时，才执行所请求的运动。这样的功能的一个陈述的示例包括机械转弯运动。根据以上涉及铰接式机械的示例，通过致动器例如液压缸126执行机械转弯运动。
这样的致动器的运动由方向控制阀(DCV)控制。然而，通常仅通过确定控制致动器的方向控制阀的位置并由此确定致动器的增压来确定关节107的铰接角度变化是不够的，而是还要利用角度传感器。这是因为以下原因。方向控制阀通常包括可滑动地容纳在阀体的孔中的阀芯，其中,阀芯可以沿相反方向移动以控制流体流入工作端口和从工作端口流出，并且其中，阀芯位置传感器可确定阀芯的位置。
原则上，液压缸126的长度的变化(其可被转换成铰接角度的变化)可以由阀芯位置传感器确定，这是因为位置的变化可指示阀芯打开和/或关闭流动。然而，这种解决方案不能例如检测方向控制阀(DCV)与致动器126之间的软管爆裂。在这种情况下，由于致动器126将不接收任何油，所以阀芯将移动但铰接角度将不改变。
此外，将不会检测到例如提供用于操纵致动器126的液压流体的液压泵处于待机压力并且因此不能提供足够的压力来使致动器产生运动的情况。在这种情况下，由于没有足够的液压压力，阀芯将移动但转向角度将不会改变。
为了增加安全性，典型的方法是安装铰接角度测量传感器，例如上面的角度传感器110，以直接确定关节107的铰接(转向)角度。这样的传感器可以是例如液压缸位置传感器即测量液压缸活塞的实际行程的形式。这样的传感器也可以是例如传递可以根据其确定铰接角度的输出信号的任何其他合适类型的传感器。
因此，铰接角度测量传感器的使用提供了优点，但是该解决方案也面临挑战。例如，可能难以找到用于安装角度传感器的合适位置。能够精确地确定铰接角度的可能位置是有限的，并且可能存在竞争相同空间的各种部件。另外，角度测量传感器可能需要以这样的方式安装，即传感器不能很好地受到机械环境的保护，从而更容易受到损坏，在机械的使用中可能停止，从而导致等待传感器被更换/修理，因此。机械的磨损也可能使来自这样的传感器的读数不那么可靠。
鉴于此，已经开发了替选的系统设计，并且图5示出了替选方法，或者除了使用铰接角度传感器例如角度传感器110之外还可以用于确定例如关节107的当前铰接角度变化的方法。所公开的方法还可以用于检测液压回路中的各种故障，在确定所请求的运动是否实际被执行和/或一旦开始就被停止时，可以在I/O模块的确定中使用这些故障。
应当理解，所公开的解决方案还可以用于确定位置变化，例如用于产生来回运动的任何其他致动器的位置变化，并且因此不仅仅用于确定铰接角度的变化。例如，所公开的解决方案可以用于例如确定例如在提升图1A至图1B中公开类型的机械的铲斗或矿用卡车的倾卸箱中使用的提升缸的位置变化。还可以设想如本领域技术人员所实现的各种其他用途。例如，致动器不必是液压缸，而是可以是用于产生线性或非线性的来回运动的任何合适的类型。
根据图5所示的实施方式，通过方向控制阀(DCV)502来控制致动器501，例如图1B的液压缸126。所例示的DCV包括三态阀芯503，阀芯503被配置成控制由液压泵505供应至致动器501的液压流体，其中致动器501因此可被配置成允许来回运动，例如缸通过允许往复运动来控制铰接角度。致动器501(在这种情况下是液压缸126)通过控制阀芯503以将阀芯状态503A、阀芯状态503C中的任一个连接至阀芯工作端口而被致动，并且其中，根据本示例，还可以使液压缸126停止在由阀芯503的使液压流体的所有流动停止的中间状态503B指示的任何期望位置处。
阀芯503的位置可以由阀芯位置传感器504检测以确保阀芯实际上处于期望位置，并且来自阀芯位置传感器的信号也可以由I/O模块220在确定中使用。根据图5的实施方式，使用压力传感器506至508而不是角度传感器110来确定铰接角度的变化。
第一压力传感器506和第二压力传感器507被定位在DCV 502的输入/输出端口A和输入/输出端口B与致动器501的入口之间。这些压力传感器506、507将能够检测例如软管爆裂。
第三压力传感器508位于液压泵505的出口处。该压力传感器可以检测由液压泵505输出的压力，并且可以例如用于检测液压泵505是否提供了足够的压力。液压缸126的位置变化可以由阀芯位置传感器确定。然而，如所讨论的，这没有考虑可能的故障，例如软管爆裂。在使用铰接角度传感器检测预期运动没有被执行时可以通过铰接角度传感器来检测故障的存在，并且根据本示例，替代地使用压力传感器506至508来执行该检测。
可以使用压力传感器506至508检测各种故障。例如，DCV端口B与致动器501之间的软管可能爆裂。在这种情况下，如果机械100的操作员请求转弯运动，则操作员移动操纵杆205、206中的一者或两者以请求如上所述的期望运动。然后，处理单元203请求运动，其中，处理单元203将请求发送至诸如I/O模块220的相关I/O模块。根据本示例，当I/O模块220确定是否要实际执行所请求的运动时，I/O模块220在确定中利用来自压力传感器506至508的压力信号，其中，压力传感器可以例如取代传感器110直接连接至图2的I/O模块220，并且其中阀芯位置传感器504也可以连接至I/O模块220。
I/O模块220可以启动所请求的运动，并且假设DCV 502处于状态503B，I/O模块220可以使用压力传感器508确定在请求DCV 502将状态改变为状态503A或503B之前液压泵505供应所需的压力。在这种情况下，I/O单元220可以向DCV 502发送电信号以将状态改变为例如状态503A。阀芯移动，从而将液压泵505连接至B端口。
在系统正常工作的情况下，可以根据液压流体流的供应来确定致动器501的运动被执行，并且可以使用由压力传感器506、507测量的压力来验证该运动，其中，例如可以检测到压力传感器507的压力对应于预期压力，并且其中，也可以例如当致动器到达结束位置时根据压力信号来检测该运动。
另一方面，在液压流体供应上存在软管爆裂的情况下，来自位于B处的压力传感器507的信号将由于软管爆裂而不会展现出预期的压力增加。这则可以被I/O模块220用于停止所尝试的运动，因为可以认为预期运动并没有被执行。在这种情况下，由于不能安全转向，I/O模块220还可以采取另外的动作，例如使驻车制动器产生运动以阻止运动。
类似地，可以通过压力传感器507和/或压力传感器508检测例如液压流体供应压力的故障，并且由于不能安全转向，可以再次使驻车制动器产生运动。在尝试沿相反方向运动的情况下，已经关于压力传感器507陈述的内容将替代地适用于压力传感器506。
如本领域技术人员所理解的，图5的示例仅是示例性的，并且可以可替选地利用例如方向控制阀的各种其他设计。例如，方向控制阀不需要包括具有四个入口/出口的三个状态的阀芯，而是DCV阀芯可以包括任何合适数量的状态，并且在发现这是期望的情况下，还可以使用两个或更多个阀芯和/或方向控制阀来实现该功能。类似地，可以使用任何合适类型的液压泵。
根据本发明的实施方式，机械100被设计成从远程位置被远程控制。这通过图2中的远程控制站260指示。可以通过在机械100与远程控制站之间建立无线通信链路来执行远程控制，以使得能够在机械100与远程控制站260之间传输数据。在这种情况下，例如操纵杆可以存在于远程控制站处，并且可以以与上述相同的方式将该操纵杆数据用于确定是否要执行运动。
至此，已经主要参照LHD机械描述了本发明，其中，该机械也可以被远程控制。本发明可以用于任何类型的可移动采矿和/或施工机械，特别是包括用于推进机械的轮和/或履带的机械。本发明还适用于地下机械以及在地面上操作的机械。另外，本发明实质上可以用于确定所请求的任何运动是否按照请求执行。

Claims (17)

1.一种用于控制采矿和/或施工机械(100)的方法，所述采矿和/或施工机械(100)包括：
至少一个致动器(120-126)，所述至少一个致动器(120-126)被配置成产生运动；
第一控制单元(201)，所述第一控制单元(201)被配置成响应于操作员可控装置(202、205-207、260)的状态的变化而请求所述至少一个致动器(120-126)的运动，所述第一控制单元(201)通过向I/O模块(220-222)发送控制命令来请求所述至少一个致动器(120-126)的运动，所述控制命令请求所述I/O模块(220-222)实现所述致动器(120-126)的实际运动，其特征在于：
所述I/O模块(220-222)从所述第一控制单元(201)接收对所述至少一个致动器(120-126)的运动的请求，
所述I/O模块(220-222)的处理单元(401-403)在接收到对所述至少一个致动器(120-126)的运动的请求时，确定所请求的运动是否将产生与针对所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态的预期机械行为对应的机械行为，
所述I/O模块(220-222)接收来自至少一个传感器(110)的传感器信号，并且至少部分地基于来自所述至少一个传感器(110)的传感器信号，确定所请求的产生运动是否将引起与预期机械行为对应的运动，并且
仅在所请求的运动产生与针对所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态的预期机械行为对应的机械行为并且所请求的产生运动将引起与预期机械行为对应的运动时，所述I/O模块(220-222)使所述至少一个致动器(120-126)执行所请求的运动。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
所述I/O模块(220-222)接收所述操作员可控装置(205、206)的当前状态的表示，并且
至少部分地基于所接收的表示所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态的信号，确定所请求的运动是否将产生与针对所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态的预期机械行为对应的机械行为。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，还包括：
在确定所请求的产生运动是否将引起与所述预期机械行为对应的机械行为时，确定由所述至少一个致动器(120-126)的运动导致的所述采矿和/或施工机械(100)的运动以及/或者附接至所述采矿和/或施工机械(100)的装备的运动是否将与预期运动对应。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，还包括：当确定所请求的运动将引起针对所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态的非预期机械行为时，阻止所请求的致动器运动。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述I/O模块(220-222)通过将从所述第一控制单元(201)接收的控制信号转换成使所述致动器(120-126)执行所请求的运动的致动器驱动信号来控制所述至少一个致动器(120-126)的运动。
6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
所述I/O模块通过第一数据总线(209)从所述第一控制单元(201)接收对所述至少一个致动器(120-126)的运动的请求。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
所述I/O模块通过第二数据总线(210)接收所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态，所述第二数据总线(210)不同于通过其从所述第一控制单元(201)接收对所述至少一个致动器(120-126)的运动的请求的第一数据总线(209)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
所述操作员可控装置包括以下组中的一个或更多个：至少一个操纵杆、控制杆、控制按钮、触敏显示器，其中，操作员使用所述操作员可控装置请求所述采矿和/或施工机械以及/或者连接至所述采矿和/或施工机械的装备的运动。
9.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
响应于操作员通过所述操作员可控装置(202、205-207、260)请求运动，所述第一控制单元(201)生成对要由所述至少一个致动器(120-126)执行的运动的请求。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个致动器能够被控制以执行来回运动，所述运动的方向由方向控制阀(502)控制，其中，使用位于所述方向控制阀(502)与所述致动器的第一入口之间的第一压力传感器(506)和位于所述方向控制阀(502)与所述致动器的第二入口之间的第二压力传感器(507)来验证所述致动器的运动，所述第一入口用于引起沿第一方向的运动，所述第二入口用于引起沿与所述第一方向相反的第二方向的致动器运动，其中，
所述I/O模块(220-222)被配置成：当所述第一压力传感器(506)和所述第二压力传感器(507)中的至少一个指示所请求的和/或开始的运动与预期运动不对应时，阻止和/或停止所请求的和/或开始的运动。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，液压泵(505)提供用于引起所述致动器运动的液压流体，其中，第三压力传感器(508)位于所述液压泵(505)的上游和所述方向控制阀(502)的下游，其中，
所述I/O模块(220-222)被配置成：当所述第三压力传感器(508)指示所请求的和/或开始的运动与所述预期运动不对应时，也阻止和/或停止所请求的和/或开始的运动。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述致动器是用于控制所述采矿和/或施工机械(100)的前部(100a)与后部(100b)之间的铰接角度的致动器。
13.根据权利要求1、2、10或11中任一项所述的方法，其中，所述至少一个致动器(120-126)是来自以下组中的任何一组的至少一个致动器：
-液压致动器，所述液压致动器为液压缸、液压马达或泵或者液压旋转致动器；
-气动致动器，所述气动致动器为气动缸、气动马达或气动旋转致动器；
-电动致动器，所述电动致动器为电动马达或电动线性致动器。
14.一种包括指令的计算机可读介质，所述指令在由计算机执行时使所述计算机执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
15.一种用于控制采矿和/或施工机械(100)的系统，所述采矿和/或施工机械(100)包括：
至少一个致动器(120-126)，所述至少一个致动器(120-126)被配置成产生运动；
I/O模块(220-222)；
第一控制单元(201)，所述第一控制单元(201)被配置成响应于操作员可控装置(202、205-207、260)的状态的变化而请求所述至少一个致动器(120-126)的运动，所述第一控制单元(201)被配置成通过向所述I/O模块(220-222)发送控制命令来请求所述至少一个致动器(120-126)的运动，所述控制命令请求所述I/O模块(220-222)实现所述致动器(120-126)的实际运动，其特征在于：
所述I/O模块(220-222)包括处理单元(401-403)，所述处理单元(401-403)被配置成从所述第一控制单元(201)接收对所述至少一个致动器的运动的请求，
所述I/O模块(220-222)的处理单元(401-403)被配置成：当接收到对所述至少一个致动器(120-126)的运动的请求时，确定所请求的运动是否将产生与针对所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态的预期机械行为对应的机械行为，
所述I/O模块(220-222)被配置成：接收来自至少一个传感器(110)的传感器信号，并且至少部分地基于来自所述至少一个传感器(110)的传感器信号，确定所请求的产生运动是否将引起与预期机械行为对应的运动，并且
所述I/O模块(220-222)被配置成：仅在所请求的运动产生与针对所述操作员可控装置(202、205-207、260)的当前状态的预期机械行为对应的机械行为并且所请求的产生运动将引起与预期机械行为对应的运动时，使所述至少一个致动器(120-126)执行所请求的运动。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述I/O模块(220-222)包括多个处理单元(401-403)，其中，所述I/O模块(220-222)被配置成使得当由一个处理单元(401-403)作出确定时，由所述I/O模块(220-222)的至少一个其他处理单元(401-403)验证所述确定。
17.一种采矿和/或施工机械(100)，包括根据权利要求15或16所述的系统。
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