CN116897235A - 用于对土方机械的循环操作进行自动控制的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种土方机械以及用于对土方机械的循环操作进行自动控制的方法。土方机械包括多个机械元件，每个机械元件由一个或更多个相应的致动器来控制，该方法包括：对当前机械状态进行确定；当该当前机械状态对应于循环操作时，对至少一个致动器的控制信号进行计算；以及将该控制信号传输至所述至少一个致动器，以对循环操作进行自动控制。

Description

用于对土方机械的循环操作进行自动控制的方法

技术领域

本公开总体上涉及一种对土方机械进行控制的方法，以及更具体地涉及一种对土方机械的循环操作进行控制的方法。

背景技术

挖掘机是一种广泛用于建筑、采矿、海上挖掘、和类似类型应用的土方机械。挖掘机可以用于挖掘地面、回填、平整表面、形成斜坡、将物料从一点移动到另一点、将物料装载到自卸车上等。其他可用类型的土方机械通常更加专业。例如，推土机和平地机被设计用于平整，而正面装载机用于装载。由于挖掘机分布更广泛，因此需要以最有效的方式使用挖掘机来提高建筑工地的整体性能。

挖掘机包括铲斗、棒状部、动臂(boom)、和带有驾驶室的旋转体平台。该平台被放置在带有履带或轮子的底盘上。铲斗、棒状部、动臂和平台彼此枢轴地连接，并且在液压缸的帮助下操作。平台和底盘可以经由环形轴承彼此连接，并且该平台通过液压马达进行旋转。液压缸由坐在驾驶室中的操作员控制，例如使用具有左右两个操纵杆的阀块。操作员可以通过两个踏板或臂来控制履带或轮子以使平台旋转或使平台向前或向后移动。用于建筑应用的挖掘机的流行类型包括用于挖掘的反铲挖掘机，该反铲挖掘机利用铲斗朝向平台运动、即从前到后来进行挖掘。铲斗可以包括朝向内部面指向的切削刃。

驾驶室中的每个操纵杆都有四个自由度：左、右、前、和后。因此，两个操纵杆将实现八个自由度，以完全控制铲斗、棒状部、动臂、和平台。操作员通常可以借助铲斗和棒状部，将操纵杆手柄移动至挖掘地面，并且然后通过将动臂提升以及使平台旋转来运载挖出的物料。倾倒物料之后，操作员将所有挖掘机元件返回至大致的初始挖掘点，以挖掘新的地面，并且再次使物料移动。这通常是循环的过程，该过程包括在一段时间内周期性地重复相同或相似的操作。挖掘机执行此循环过程的典型循环时间约是15秒。

对操纵杆进行控制的快速且协调的操纵是高效使用挖掘机的关键。只有经验丰富的操作员才能够使用机械产生最大生产率，并且将循环时间保持在接近15秒的持续时间。为了实现高效的循环，操作员必须在进行挖掘时使铲斗和棒状部同时移动，并且在同时操纵动臂和平台的同时，使用最短的距离将物料移动至卸料堆。在倾倒阶段期间，操作员应该同时操作铲斗、棒状部、动臂和旋转驾驶室中的每一者。为了有效地将铲斗返回至挖掘起点，需要类似的同时进行的操作。

然而，由于存在许多变量，这些变量包括疲劳、不舒适的环境温度、呼吸空气质量、噪音、振动、能见度差，能见度差例如由阳光直射、夜晚、灰尘、雾、雪、雨、浑浊的窗户等造成，因此即使是经验丰富的操作员也不能在整个工作日保持理想的循环时间。

对于挖掘机的高效运行的解决方案是对人工输入具有最小依赖程度的自动控制系统。市场上当前的系统允许自动控制动臂高度和铲斗切削角，以进行最终的平整操作。此类机械必须配备有绝对位置传感器，诸如GPS传感器或激光器，以及配置成对各种挖掘机部件的取向进行测量的传感器。这些传感器包括用于对加速度和角速率进行测量的气缸编码器/行程传感器或惯性测量单元(IMU)。一些当前系统包括数字地形模型，该数字地形模型表示用于平整的土地表面的目标设计。传感器链允许对绝对的铲斗位置和姿态进行计算。然后，系统将当前位置和姿态与目标位置和姿态进行比较，并且命令电动液压阀以使动臂和铲斗移动以达到所需位置。然而，此类系统并未教导自动杆控制和平台旋转。平均占空比非常低，除了针对在最后平整期间——即完成时间密集型挖掘作业之后项目的最后阶段——的短时间间隔外，对周期时间几乎没有任何积极影响。

为了更好地实现效率，需要一种具有高占空比的更先进的自动系统，其中挖掘机部件中的所有部件都是自动控制的，而不仅仅是动臂和铲斗。这需要对工作流程中的阶段中的所有进行编程。然而，由于与当地地面环境相关的各种未知因素，对工作流程的形式化是一项具有挑战性的任务。这些未知因素可能包括土壤密度、松散度、牵引力、铲斗上的粘土附着力、以及埋在地下的隐藏物体，这些未知因素中的每一者都难以预测或控制。

当前的系统依赖于人类操作员来处理许多变量，包括：机械相对于工作环境的放置位置和姿态；挖掘策略，包括初始挖掘起点和倾倒点，以避免倾倒堆松动；避开地下通信电缆并检测与地下物体接触时的铲斗反应；避开地面障碍物和电线；清除桶中积聚的粘土；重型和岩石物料加工；在何处以及如何进行回填；如何有效压实地面物料；以及如何移动机械以执行后续步骤，例如在露台操作期间。此外，适当监测所有必要的环境变量所需的传感器通常很昂贵(例如，激光雷达和雷达传感器)，对于工作环境来说不够稳定，或者不可靠。

发明内容

我们需要的是能够使用简单的传感器块使土方机械(诸如挖掘机)的日常操作自动化，同时允许操作员手动执行其余的复杂任务。因此，本公开对进行周期性任务的操作员提供了帮助，同时允许手动超驰控制，从而使时间周期最小化，避免了操作员疲劳，并且允许最有效的机械操作。

根据一个或更多个实施方式，提供了用于对土方机械的循环操作进行控制的系统和方法。

一个实施方式包括一种用于对包括多个机械元件的土方机械的循环操作进行自动控制的方法，每个机械元件由一个或更多个相应的致动器来控制。该方法包括对当前机械状态进行确定；当该当前机械状态对应于循环操作时，对至少一个致动器的控制信号进行计算；将该控制信号传输至至少一个致动器，以自动控制循环操作。

另一实施方式包括用于对包括多个机械元件土方机械的循环操作进行自动控制的设备和方法，每个机械元件由一个或更多个相应的致动器来控制。该方法包括基于当前机械位置，对当前机械状态进行更新；对土方机械在循环操作期间的路径进行记录；根据所记录的路径和当前机械状态对目标进行确定；以及基于目标和所记录的路径对至少一个致动器的控制信号进行计算。

在又一实施方式中，本公开包括一种土方机械，其包括多个机械元件；一个或更多个致动器，其被配置成控制多个机械元件中的每个机械元件；一个或更多个传感器，其被配置成检测多个机械元件中的每个机械元件的位置和速度；以及控制器，其与一个或更多个传感器和一个或更多个致动器通信，其中，控制器被配置成通过基于来自传感器的输入将控制信号传输至致动器来自动控制土方机械的循环操作。

通过参照下面的详细说明和附图，本公开的这些和其他优点对于本领域那些普通技术人员来说将是明显的。

附图说明

图1A至图1D是挖掘机的示意图。

图2是处于倾倒开始位置、倾倒结束位置、和挖掘开始位置的铲斗的侧视图的示意图，其中铲斗处于相应的角度。

图3是根据实施方式的控制算法的流程图。

图4是根据实施方式的土方机械的控制系统的示意图。

图5是根据实施方式的控制算法的示意图。

图6是根据实施方式的路径记录器更新算法的流程图。

图7是根据实施方式的挖掘机的控制器状态的图。

图8是根据实施方式的路径规划器更新算法的流程图。

图9是根据实施方式的控制器更新算法的流程图。

图10是根据实施方式的计算机的示意图。

具体实施方式

总体而言，本文描述的本公开的实施方式可以用于对在工作循环期间执行可重复操作的土方机械的系统进行控制。这种土方机械的示例包括挖掘机、前装载机、反铲式装载机、滑移式装载机等。在下面的说明中，液压挖掘机被用作可以使用本公开的实施方式的土方机械的非限制性示例。

图1A至图1D是挖掘机100的示意图。图1A示出了挖掘机元件，挖掘机元件包括动臂102、棒状部103、铲斗104、履带系统105和具有驾驶室106的本体101。图1B是挖掘机100的平面图。本体101可以借助于本体致动器围绕履带系统105的竖直轴线以可操作的方式进行旋转。本体致动器的示例是液压马达。动臂102、棒状部103、和铲斗104可以借助于致动器围绕其接合部以可操作的方式进行旋转。这种致动器的示例包括液压缸。

在一些实施方式中，挖掘机100的部件中存在附加的连接，例如以提供附加的旋转或转移自由度。例如，棒状部可以包含以枢转的方式彼此连接的两个或更多个部件。作为另一个示例，铲斗可以具有两个或更多个旋转自由度。

在典型的操作工作循环期间，挖掘机执行包括挖掘、提升、运载、倾倒、和返回挖掘开始位置的操作。本文描述的系统可以自动执行某些挖掘机工作循环操作，特别地执行运载、倾倒、和返回操作。本文描述的系统被配置成对由挖掘机元件在工作循环操作期间产生的路径进行复制。

图1C和图1D分别示出挖掘机处于提升开始位置和倾倒开始位置的示例性侧视图和平面图。提升位置111的侧视图用实线绘制，以及倾倒开始位置112的侧视图用虚线绘制。用实线绘制了提升位置113的平面图，以及用虚线绘制了倾倒开始位置114的平面图。

图2包括处于倾倒开始位置201、倾倒结束位置202和挖掘开始位置203的侧视图，其中铲斗处于相应的角度。

图3是根据实施方式的控制算法的流程图300。

在步骤310处，对当前机械状态进行确定。当前机械状态包括挖掘机的控制器状态，诸如挖掘、运载、倾倒、和返回。在另一实施方式中，当前机械状态包括当前机械状态矢量，该当前机械状态矢量包括与挖掘机的元件相关的位置和速度信息。

在步骤320处，基于所确定的当前机械状态计算出挖掘机元件的控制信号。控制信号包括指令，该指令指导挖掘机的元件执行功能和运动，以便执行与某些控制器状态相对应的操作，例如运载、倾倒、和返回。

在步骤330处，将所计算的控制信号传输到一个或更多个致动器，所述一个或更多个致动器被配置成对挖掘机元件进行控制以执行所需的操作。

图4是根据实施方式的土方机械的控制系统400的实施方式的示意图。在挖掘机的本体、动臂、棒状部和铲斗上安装有测量单元。测量单元的示例包括GNSS接收器、激光传感器、加速度计、陀螺仪、磁性传感器、旋转传感器、线性位移传感器等。在实施方式中，GNSS接收器405、406被安装在挖掘机的一个或更多个元件上，以及加速计和陀螺仪的组合、例如本体惯性测量单元(IMU)401、动臂IMU 402、棒状部IMU 403、和铲斗IMU 404分别被安装在挖掘机的本体、动臂、棒状部、和铲斗上。

测量单元401至测量单元406与控制器单元407通信。控制器单元407的示例是计算机系统，其包括处理器、存储器和输入/输出子系统。控制器单元407的另一个示例包括微控制器装置，微控制器装置被结合在测量单元内、例如GNSS接收器405中。

控制器单元407还连接至本体、动臂、棒状部和铲斗致动器。致动器的示例是与控制器装置的模拟输出连接的电控液压阀。致动器的另一个示例是经由通信网络连接至控制器装置的数字控制液压阀。

在本公开的实施方式中，分别用于本体、动臂、棒状部和铲斗的挖掘机元件中的每一者的本体先导液压阀408、动臂先导液压阀409、棒状部先导液压阀410、和铲斗先导液压阀411均被连接至相应的先导液压管线(未示出)。来自控制器单元407的控制信号对通过先导液压阀的液压流体的压力进行控制，而先导液压阀又对通过本体主液压阀412、动臂主液压阀413、棒状部主液压阀414、和铲斗主液压阀415中的每一者的流或者液压流体的量进行控制。通过主液压阀的液压液体对本体液压马达416的速度、动臂液压缸417、棒状部液压缸418或铲斗液压缸419进行调节，从而使本体、动臂、棒状部或铲斗的位置发生改变。在另一个实施方式中，主液压阀直接连接至主液压管线。

在实施方式中，用于挖掘机元件中的每一者的压力传感器420、421、422、423被连接至先导液压管线。先导液压管线压力传感器对操作员使用挖掘机控制臂进行手动控制所产生的压力进行测量。来自这些传感器的输出信号被通信至控制器单元407。在另一个实施方式中，压力传感器420、421、422、423被直接连接至主液压管线。

在一些实施方式中，在挖掘机的操作室中放置有附加的装置，附加的装置比如为与控制器单元407进行通信的用户接口装置424或自动/手动开关425。用户接口装置的示例是具有触摸屏的显示装置。

图5是根据实施方式的控制算法的示意图。在每个离散时间时期，控制器单元510——该控制器单元510在实施方式中是图4中的控制器单元407——对控制算法进行执行。在实施方式中，控制算法包括以下步骤：对挖掘机当前状态进行更新501、对路径记录器进行更新502、对路径规划器进行更新503、对控制器进行更新504、以及等待下一个控制步骤505，之后算法返回至步骤501。在实施方式中，该算法在单个时间时期期间执行。时间时期是执行控制算法期间的预定时间段，例如，1毫秒。

对挖掘机当前状态进行更新501、或者对当前机械状态进行更新是在每个离散时间时期期间执行的控制算法的第一步。控制器单元510从挖掘机、例如来自图4中的测量单元401至测量单元406接收测量值，并且对挖掘机状态矢量的估计进行更新。在本公开的实施方式中，状态矢量至少包括本体的位置和速度，其在连接至地球的坐标系中，并且状态矢量包括本体、动臂、棒状部、和铲斗中的每一者的角姿态和角速度。在另一个实施方式中，状态矢量包括本体、动臂、棒状部、和铲斗中的每一者上的预定义点的位置和速度。使用挖掘机的已知运动学和几何形状，状态矢量可以从角位置变换至线性位置，反之亦然。在又一个实施方式中，在连接至挖掘机履带系统的坐标系中对本体、动臂、棒状部、和铲斗中的每一者的位置和速度或者角姿态和角速度进行计算。使用在连接至地球的坐标系中的挖掘机的已知运动学和几何形状、以及挖掘机履带的已知位置，状态矢量可以从连接至履带的坐标系变换到连接至地球的坐标系，反之亦然。

对路径记录器进行更新502是在每个离散时间时期执行的控制算法的第二步骤。在实施方式中，在控制算法的挖掘机状态更新步骤501处计算的挖掘机状态矢量是用于更新路径记录器的输入。在另一个实施方式中，来自用户接口装置的信号是用于路径记录器更新的另一输入。这种信号的示例是按钮按下事件或触摸屏触摸事件。在又一个实施方式中，来自连接至先导液压管线的压力传感器420、421、422、423的测量值是用于路径记录器更新的另一输入。

挖掘机状态矢量和其他输入用于对当前挖掘机状态是否对应于倾倒开始位置或提升位置进行确定。如果当前挖掘机状态对应于倾倒开始位置，则更新倾倒开始点。这种更新的示例是将挖掘机状态矢量的内容复制到控制器单元中包含倾倒开始点状态矢量的存储区域，并且设置对倾倒开始点被更新进行指示的标志。如果当前挖掘机状态对应于提升位置，则类似地将提升点更新。

图6是路径记录器更新算法600的流程图。为了对当前挖掘机状态是否对应于倾倒开始位置或提升位置进行确定，执行包括以下步骤的方法。

在本公开的实施方式中，在步骤601处，可以例如从用户接口装置命令系统设置提升点，并且在步骤602处，利用当前位置对提升点进行更新。在步骤603处，是否从用户接口装置命令系统设置倾倒开始点，在步骤604处，利用当前位置更新倾倒开始点。在另一个实施方式中，从挖掘机位置计算倾倒开始点，挖掘机位置是由安装在挖掘机上的测量单元、例如GNSS接收器估计的，并且该位置被传输至控制器单元510。在又一实施方式中，挖掘机位置估计可以通过安装在挖掘机上的传感器来计算，这些传感器诸如雷达、激光传感器、摄像机、声波传感器。

在步骤605处，执行检查以对挖掘机位置是否改变或没有改变进行确定。例如，如果当前状态矢量与来自先前时间时期的状态矢量之间的矢量差的绝对值低于预定义阈值，并且在预定义数量的时间时期内满足了该条件，则确定挖掘机位置没有改变。如果挖掘机位置改变，则执行从路径记录器更新的返回而不更新任何点。

在步骤606处，将状态矢量的分量与预定义阈值进行比较以对当前状态矢量是否对应于倾倒开始位置进行确定。此类分量的示例是铲斗角度、棒状部与铲斗接合的接合部的高度、本体航向和本体角速度。在本公开的实施方式中，在步骤604处，如果铲斗角度大于预定义阈值、棒状部与铲斗接合的接合部的高度大于预定义阈值、本体角速度的绝对值低于预定义阈值、提升点被设置、或者当前本体航向与提升点本体航向之间的差值的绝对值大于预定义阈值，则更新倾倒开始点。

在步骤607处，对当前挖掘机状态矢量是否对应于提升位置进行确定。在实施方式中，在步骤608处，如果棒状部与铲斗接合的接合部的高度低于预定义阈值，则设置挖掘标记。否则，在步骤609处，如果棒状部与铲斗接合的接合部的高度大于设置挖掘标记的预定义阈值，则在步骤602处，利用当前状态矢量更新提升点，并且在步骤610处重置挖掘标志。

在实施方式中，如果确定了挖掘机履带位置已经改变，则重新计算提升点和倾倒起点状态矢量，使得提升点和倾倒开始点在与地球相连的坐标系中的位置几何形状保持不变。

返回至图5，在步骤503处对路径规划器进行更新。在实施方式中，路径规划器在每个离散时间时期被更新。在实施方式中，在步骤501处计算的挖掘机状态矢量是用于路径规划器更新的输入，并且在步骤502处更新的提升和倾倒开始点是路径规划器更新的另一输入。

在路径规划器更新期间，挖掘机状态矢量、提升点、和倾倒开始点被用于对目标位置进行确定，使得控制器状态与挖掘机控制之间自动产生转换。

图7是根据实施方式的挖掘机的控制器状态的图示700。在示例性实施方式中，使用四种控制器状态：挖掘701、运载702、倾倒703和返回704。

在挖掘状态下，操作员使用挖掘机控制臂手动控制挖掘机动臂、棒状部、和铲斗从地面提取物料。由于各种复杂的因素，其包括负载控制、翻车的风险、以及清除地面上的物体的非正规化过程，该过程不是由控制系统自动处理的。此外，操作员的疲劳往往不是由挖掘引起的，而主要是由单调的运载过程引起的，该过程需要同时控制四个自由度来快速执行。然而，在实施方式中，控制系统可以在挖掘状态下执行过切保护。过切保护通过使动臂停止或升起来防止挖掘机挖掘到所需设计表面以下，使得铲斗不会行进到所需设计表面以下。这避免了在意外的过切之后对设计表面进行任何耗时的恢复。对于过切保护，可以从连接至控制器单元的用户接口装置来传输所需的设计表面。

在运载状态702中，控制器命令挖掘机自动摆动至倾倒开始位置，将铲斗角度保持在防止所容纳的物料掉落的位置。

在倾倒状态703中，控制器命令铲斗旋绕出并倾倒所容纳的物料。

在返回状态704中，控制器命令挖掘机自动返回至挖掘开始位置。

在每个时间时期，控制器状态由挖掘机状态矢量、提升点和倾倒开始点来确定。

图8是根据实施方式的路径规划器更新算法800的流程图。

在步骤801处，对在路径记录器更新期间是否已经设置了倾倒开始点或提升点进行确定。如果未设置倾倒开始点，或者未设置提升点，则在步骤806处将控制器状态设置为挖掘。

在步骤802处，对状态是否可以被设置为运载进行确定。如果状态是挖掘，并且棒状部与铲斗接合的接合部的高度大于预定义阈值，则在步骤807处将状态设置为运载。此外，如果状态被确定是挖掘，并且在当前时间时期在路径记录器更新步骤期间设置了新的提升点，则在步骤807处状态也被设置为运载。

在步骤803处，对是否可以将状态设置为倾倒进行确定。如果状态是运载，并且达到倾倒开始位置，则在步骤808处将状态设置为倾倒。如果控制器状态是运载，并且在当前时间时期的路径记录器更新期间设置了新的倾倒开始点，则在步骤808处将状态设置为倾倒。为了对是否到达倾倒开始位置进行确定，对当前挖掘机状态矢量与倾倒开始点状态矢量之间的矢量差的绝对值进行计算，如果其低于预定义阈值，则确定已经到达倾倒开始位置。

在步骤804处，对是否可以将状态设置为返回进行确定。如果状态是倾倒，并且物料已经被倾倒，则在步骤809处将状态设置为返回。为了确定物料是否已经被倾倒，对铲斗角度与预定义的倾倒结束铲斗角度之间的差的绝对值进行计算，如果该值低于预定义阈值，则确定该物料已经被倾倒。在另一个实施方式中，使用来自与主液压管线连接的压力传感器的测量值来确定物料是否已经被倾倒。

在步骤805处，对是否可以将状态设置为挖掘进行确定。如果状态是返回，并且到达挖掘开始位置，则在步骤806处将状态设置为挖掘。如果状态是返回，并且棒状部与铲斗接合的接合部的高度低于预定义值，则在步骤806处将状态设置为挖掘。为了确定是否到达挖掘开始位置，对挖掘机状态矢量与提升点状态矢量之间的矢量差的绝对值进行计算，所述矢量不包括铲斗角度，以及对预定铲斗迎角与当前铲斗角度之间的差的绝对值进行计算。如果该值低于预定义阈值，则确定已经到达挖掘开始位置。

当控制器状态改变时，执行以下附加步骤：设置控制器的目标或所需位置，以及指定挖掘机的哪些元件需要由控制器来命令。在实施方式中，使用以下算法。

在挖掘状态中，没有信道(channel)由控制器命令。该设定在步骤810处进行。

在步骤811处，在运载状态下，铲斗、棒状部、动臂和本体旋转信道被设置为由控制器来命令。在步骤812处，从倾倒开始点来获取棒状部、动臂和本体旋转的所需位置，并且铲斗的所需位置被预定义为铲斗保持角301，以在移动期间将物料保持在铲斗中。

在步骤813处，在倾倒状态中，铲斗信道被设置为由控制器来命令。在步骤814处，铲斗的期望位置被设置为铲斗倾倒端角302以使所容纳的物料落下并将该物料释放。

在步骤815处，在返回状态中，铲斗、棒状部、动臂和本体旋转信道被设置为由控制器来命令。在步骤816处，从提升点来获取棒状部、动臂和本体旋转的期望位置，并且将铲斗的期望位置设置为预定的铲斗迎角303，这是由操作员进行挖掘的舒适位置。

返回至图5，控制器更新504是在每个离散时间时期执行的控制算法的第四步骤。在实施方式中，在路径规划器更新步骤处确定的挖掘机状态矢量、期望位置、和命令信道的列表是控制器的输入。

在另一个实施方式中，来自例如连接至主液压管线的压力传感器的测量值是控制器的其他输入。主液压管线压力测量值用于本地闭环控制、液压缸停止的检测、和对物料倾倒的检测。

在又一实施方式中，来自例如连接至先导液压管线的压力传感器的测量值是控制器的其他输入。这些压力传感器测量值用于确定操作员是否超驰控制(overriding)自动控制。当操作者转动控制臂时，在相应的先导管线中的压力将改变，并且该压力变化由相应的压力传感器来检测。当检测到此类压力变化时，由控制器单元来确定关于操作员干预的决定，并且采取相应的动作，例如，将控制信号设置为零，并且将控制器状态设置为挖掘。相应的动作的另一示例是沿着由操作员控制的轴线的期望位置的校正。

在又一实施方式中，操作员使用用户接口装置或开关来中断挖掘机的自动操作，并且执行手动操作的切换。

在又一实施方式中，使用防撞系统来中断自动操作，并且切换至手动操作。

图9是根据实施方式的控制器更新算法的流程图。控制器被配置成对多个控制信道中的每一个控制信道的期望控制信号进行计算。

如果信道未被控制器命令，则在步骤901处，将该信道的控制信号设置为零。否则，在步骤902处，对期望速度进行计算，在步骤903处，对误差信号进行计算，并且在步骤904处，对该信道的控制信号进行计算。

如本文所述的，速度v是某个坐标x的变化率，并且位置x是该坐标的值。在本发明的实施方式中，速度v是角速度，例如本体航向ψ变化的航向角速度ω_ψ，并且位置x是角，例如本体航向ψ。

在步骤902处，从信道的预定义最大速度v_maxk、期望位置x_dk、和当前位置x_ck来计算信道k的期望速度v_dk。如果期望位置与当前位置之间的差的绝对值|x_dk-x_ck|大于预定义值Δx_maxk，则将期望速度v_dk设置为最大速度v_maxk。如果期望位置与当前位置之间的差x_dk-x_ck是负的，则期望速度v_dk乘以-1，使得期望速度的符号等于期望位置与当前位置之间的差的符号。如果期望位置与当前位置之间的差的绝对值|x_dk-x_ck|低于预定义值Δx_maxk，则将期望速度乘以期望位置与当前位置之间的差的绝对值除以预定义值：|x_dk-x_ck|/Δx_maxk，使得期望速度与期望位置与当前位置之间的差成正比。如果当前位置接近期望位置，即期望位置与当前位置之间的差的绝对值低于较小的预定义值Δx_mink，则将期望速度设置为零。在本发明的其他实施方式中，可以使用对期望速度进行计算的其他算法，或者可以省略对期望速度进行计算的步骤，并且可以从当前位置和期望位置直接计算误差和控制信号。

在步骤803处，信道k的误差信号e_k被计算为取自挖掘机状态矢量的信道的期望速度v_dk与当前速度v_ck之间的差。

在步骤904处，对信道k的控制信号u_k进行计算。将误差信号e_k乘以预定义的比例增益K_pk，得到比例控制信号u_pk。然后将误差信号添加至来自先前步骤的误差信号的累积和。将该累积和乘以预定义的积分增益K_ik，得到积分控制信号u_ik。然后将控制信号u_k计算为比例控制信号u_pk与积分控制信号u_ik之和。然后控制信号u_k由预定义的最大值和最小值来限制，并且被传输至相应控制信道的致动器。

在本发明的其他实施方式中，用于对误差信号e_k和控制信号u_k进行计算的其他方法可以被用于每个信道k。例如，可以应用非线性补偿算法来对控制信号u_k进行计算以补偿致动器非线性，如死区和迟滞。

控制算法的最后一步是等待下一个离散时间时期505。在本公开的实施方式中，由控制器装置的操作系统提供的定时器用于对下一个时间时期的时刻进行确定。在下一个离散时间时期的时刻，重复进行控制算法步骤。

本文描述的系统、设备、和方法可以使用数字电路，或者使用一个或更多个计算机来实现，所述一个或更多个计算机使已知的计算机处理器、存储器单元、存储装置、计算机软件、和其他组件。通常，计算机包括用于执行指令的处理器、以及用于存储指令和数据的一个或更多个存储器。计算机还可以包括一个或更多个大容量存储装置，或者可以被联接至一个或更多个大容量存储装置，大容量存储装置诸如为一个或更多个磁盘、内部硬盘和可移动磁盘、磁光盘、光盘等。

本文描述的系统、设备、和方法可以使用有形地体现在信息载体(例如非暂时性机器可读存储装置)中的计算机程序产品来实现，以供可编程处理器执行；以及本文描述的方法和工作流程步骤——包括图3、图5至图6、和图8至图9中的步骤或功能中的一个或更多个步骤或功能——可以使用可由此类处理器执行的一个或更多个计算机程序来实现。计算机程序是一组计算机程序指令，可以在计算机中直接地或间接地使用，以执行某种活动或产生某种结果。计算机程序可以以编程语言——包括编译或解释语言——的任何形式来编写，并且计算机程序可以以任何形式进行部署——包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程，或者用于在计算环境中使用的其他适合单元。

图10中描绘了可以用于实现本文描述的系统、设备、和方法——例如，图4中的控制器单元407和图5中的控制器单元510——的示例计算机1000的高级框图。计算机1000包括以可操作的方式联接至数据存储装置1020和存储器1030的处理器1010。处理器1010通过执行限定此类操作的计算机程序指令来控制计算机1000的整体操作。计算机程序指令可以被存储在数据存储装置1020，或者存储在其他计算机可读介质中，并且当需要执行计算机程序指令时，将计算机程序指令加载到存储器1030中。因此，图3、图5至图6、和图8至图9中的方法和工作流程步骤或功能可以由存储在存储器1030和/或数据存储装置1020中的计算机程序指令来限定，并且可以由执行计算机程序指令的处理器1010来控制。例如，计算机程序指令可以被实现为由本领域技术人员编程的计算机可执行代码，以执行图3、图5至图6、和图8至图9中的方法和工作流程步骤或功能。因此，通过执行计算机程序指令，处理器1010执行了图3、图5至图6、和图8至图9中的方法和工作流程步骤或功能。计算机1000还可以包括一个或更多个网络接口1040，以用于经由网络与其他装置进行通信。计算机1000还可以包括一个或更多个输入/输出装置1050，输入/输出装置使得用户能够与计算机1000进行交互(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)。计算机1000的元件可以经由总线1080以可操作的方式连接。

处理器1010可以包括通用和专用微处理器两者，并且可以是计算机1000的唯一处理器或多个处理器中的一个处理器。例如，处理器1010可以包括一个或更多个中央处理单元(CPU)。处理器1010、数据存储设备1020、和/或存储器1030可以包括以下各者、由以下各者补充、或结合在以下各者中：一个或更多个专用集成电路(ASIC)、和/或一个或更多个现场可编程门阵列(FPGA)。

数据存储装置1020和存储器1030各自包括有形的非暂时性计算机可读存储介质。数据存储装置1020和存储器1030可以各自包括高速随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRRAM)、或其他随机存取固态存储装置，并且可以包括非易失性存储器，诸如：一个或更多个磁盘存储装置、比如内部硬盘和可移动磁盘，磁光盘存储装置，光盘存储装置，闪存装置，半导体存储器装置，比如可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘只读存储器(DVD-ROM)磁盘、或其他非易失性固态存储装置。

本文讨论的系统和设备中的任何或所有系统和设备——包括图4中的控制器单元407和图5中的控制器单元510的元件——可以使用诸如计算机1000的一个或更多个计算机来实现。

本领域技术人员将认识到，实际计算机或计算机系统的实现可以具有其他结构，并且也可以包括其他组件，以及图10是此类计算机中的一些组件的高级表示以用于说明性的目的。

上述详细说明将被理解为在各方面均是说明性的和示例性的，但不是限制性的，并且本文所公开的发明构思的范围不是根据详细说明来确定的，而是根据专利法所允许的全部范围解释的权利要求来确定的。应当理解的是，本文所示和所描述的实施方式仅说明了本发明构思的原理，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明构思的范围和精神的前提下进行各种修改。本领域那些技术人员可以在不脱离本发明构思的范围和精神的前提下，实现各种其他特征组合。

Claims (28)

1.一种用于对土方机械的循环操作进行自动控制的方法，所述土方机械包括多个机械元件，所述多个机械元件各自由一个或更多个相应的致动器来控制，所述方法包括：

对当前机械状态进行确定；

当所述当前机械状态对应于循环操作时，对用于至少一个致动器的控制信号进行计算；以及

将所述控制信号传输至所述至少一个致动器以对所述循环操作进行自动控制。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

基于当前机械位置对所述当前机械状态进行更新；

对所述土方机械在所述循环操作期间的路径进行记录；以及

基于所记录的路径和所述当前机械状态对目标进行确定。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：

重复进行对所述当前机械状态进行更新、对路径进行记录、和对目标进行确定的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，当复杂操作已经完成时，所述当前机械状态对应于循环操作。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

当所述当前机械状态对应于复杂操作时，允许操作员进行手动控制。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，与复杂操作相对应的机械状态包括挖掘和提升。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，与循环操作相对应的机械状态包括运载、倾倒和返回。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述当前机械状态被确定为运载时，所述控制信号使得所述至少一个致动器将所述土方机械摆动至倾倒开始点。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述当前机械状态被确定为倾倒时，所述控制信号使得所述至少一个致动器将所述土方机械的铲斗旋绕出以倾倒物料。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述当前机械状态被确定为返回时，所述控制信号使得所述至少一个致动器返回到挖掘开始点。

11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

当所述当前机械状态对应于倾倒开始位置时，对倾倒开始点进行更新；

当所述当前机械状态对应于提升位置时，对提升点进行更新；以及

其中，对所述当前机械状态进行确定还基于所述倾倒开始点和所述提升点。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：

允许操作员进行手动控制以对所述循环操作进行手动更新。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，对所述循环操作进行手动更新包括对倾倒开始点进行手动更新或对提升点进行手动更新。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，基于来自传感器的输入来对所述当前机械状态进行确定，所述传感器被配置成对所述多个机械元件中的每个机械元件的位置和速度进行检测。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述土方机械是挖掘机，并且所述多个机械元件包括本体、动臂、棒状部、和铲斗。

16.一种用于对土方机械的循环操作进行自动控制的方法，所述土方机械包括多个机械元件，所述多个机械元件各自由一个或更多个相应的致动器控制，所述方法包括：

基于当前机械位置对当前机械状态进行更新；

对所述土方机械在循环操作期间的路径进行记录；

基于所记录的路径和所述当前机械状态对目标进行确定；以及

基于所述目标和所记录的路径对用于至少一个致动器的控制信号进行计算。

17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括：

重复进行对所述当前机械状态进行更新、对路径进行记录、和对目标进行确定的步骤。

18.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括：

允许操作员进行手动控制以对所述循环操作进行手动更新。

19.一种用于对土方机械的循环操作进行控制的设备，所述土方机械包括多个机械元件，所述多个机械元件各自由一个或更多个相应的致动器控制，所述设备包括：

控制器，所述控制器包括处理器和存储有计算机程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机程序指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行包括以下各者的操作：

对当前机械状态进行确定；

当所述当前机械状态对应于循环操作时，对用于至少一个致动器的控制信号进行计算；以及

将所述控制信号传输至所述至少一个致动器以对所述循环操作进行自动控制。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述处理器还使得执行：

在所述至少一个致动器执行了所传输的控制信号之后，对所述当前机械状态进行更新。

21.根据权利要求19所述的设备，其中，基于来自传感器的输入对所述当前机械状态进行确定，所述传感器被配置成对所述多个机械元件中的每个机械元件的位置和速度进行检测。

22.根据权利要求19所述的设备，其中，所述土方机械是挖掘机，并且所述多个机械元件包括本体、动臂、棒状部、和铲斗。

23.一种土方机械，所述土方机械包括：

多个机械元件；

一个或更多个致动器，所述致动器被配置成对所述多个机械元件中的每个机械元件进行控制；

一个或更多个传感器，所述传感器被配置成对所述多个机械元件中的每个机械元件的位置和速度进行检测；以及

控制器，所述控制器与一个或更多个所述传感器进行通信以及通信至一个或更多个所述致动器，其中，所述控制器被配置成通过基于来自所述传感器的输入将控制信号传输至所述致动器来对所述土方机械的循环操作进行自动控制。

24.根据权利要求23所述的土方机械，其中，所述土方机械是挖掘机，并且所述多个机械元件包括本体、动臂、棒状部、和铲斗。

25.根据权利要求23所述的土方机械，其中，所述土方机械是前装载机、反铲式装载机和滑移式装载机中的至少一者。

26.根据权利要求23所述的土方机械，其中，一个或更多个所述传感器包括下述各者中的至少一者：GNSS接收器、激光传感器、加速计、陀螺仪、磁性传感器、旋转传感器、线性位移传感器、以及惯性测量单元。

27.根据权利要求23所述的土方机械，其中，所述控制器还被配置成：

基于当前机械位置对当前机械状态进行更新；

对所述土方机械在循环操作期间的路径进行记录；

基于所记录的路径和所述当前机械状态对目标进行确定；以及

基于所述目标和所记录的路径对用于至少一个致动器的控制信号进行计算。

28.根据权利要求27所述的土方机械，其中，所述当前机械状态包括运载、倾倒或返回。