CN1734235A - 确定与加速度无关的倾斜角的装置和方法 - Google Patents

Abstract

确定移动对象，尤其是单筒振动碾，的与加速度无关的倾斜角的装置和过程，其中该装置包括倾斜角传感器，用于记录平面中对象的倾斜角，速度传感器，用于记录对象的瞬时速度，和计算机，通过该计算机可利用对象的瞬时速度记录对象的瞬时加速度，从而借助计算机确定由对象的瞬时加速度引起的记录的倾斜角的俯仰角，并由此确定与加速度无关的倾斜角。

Description

确定与加速度无关的倾斜角的装置和方法

技术领域

本发明涉及与加速度无关地确定移动对象，如，施工设备，尤其是单筒振动碾，的倾斜角的装置和方法。

背景技术

众所周知，单筒振动碾被用于在土方操作和在交通道路建造中土壤夯实。按照先前的技术，具有被周知的行走轮驱动的单筒振动碾在图1中概略地图解说明。单筒振动碾1包括驱动液压泵3，例如，运用两个输送方向的可变容积泵，的柴油发动机2。液压泵3的动力被传输到布置在液压泵下游的两个液压马达4和8。液压马达4与驱动后桥6的齿轮机构5耦合在一起。相似地，液压马达8与驱动前桥10的齿轮机构9耦合在一起，例如单筒振动碾的滚动部件(圆筒)。为了使不同的运转模式能够安全控制，各液压传动装置都被激活并电控制。这还包括控制液压泵的出流和液压马达的吸水量。

为了在单筒振动碾行走轮驱动的“极限功率控制”和“恒定速度控制”的运转模式过程中进行控制，记录液压马达传动轴的转数和/或行走轮驱动移动的速度是必要的。这借助各液压马达4、8上的速度传感器7、11进行，其中速度传感器的信号被输送到电子控制系统(未显示)。对于“牵引控制”的运转模式，不但决定各液压马达的驱动轴的速度是必要的，而且确定单筒振动碾的水平倾斜也是必要的。这通过倾斜角传感器13完成。通过倾斜角传感器13记录的倾斜角取决于单筒振动碾的位置和操作状态。图2示意地图解说明通过倾斜角传感器记录的取决于单筒振动碾的位置和操作状态的角度。为记录倾斜的目的，倾斜角传感器13包括摆锤，例如，这在图2中显示为数学摆。测定测量信号的原理和评估电子设备此处未被显示。

图2a显示倾斜角传感器13包括悬挂在摆锤臂15上且位于轴承16中的测震质量14。如果单筒振动碾和/或对象被水平设置和如果对象在静止状态或如果其以恒定速度移动，则摆锤臂相对于铅垂线和/或相对于对象的垂直位置形成0°的角。

如果对象被设置在水平倾角为α的斜面上(图2b)，那么对象的垂直位置V和摆锤臂彼此形成夹角为α。如果对象在静止状态或以恒定速度移动，则存在这样的状态。

如果对象被设置在水平倾角为α的平面上且如果其被正向加速(例如斜面上的单筒振动碾启动期间)，那么与图2b的情形相比，倾斜角传感器记录角度γ(见图2c)。角度γ是角度α和角度β的和角，此时β＞0，因此γ不等于α。倾斜角传感器记录角度γ而不是实际的水平倾斜角α。

在对象启动后，如果位于水平倾角为α的平面上的该对象加速度达到0值，从而呈现恒定速度，那么倾斜角传感器记录正确的倾斜角α(见图2d)，此时γ等于α。

在位于水平倾角为α的平面上的对象的负加速度期间，倾斜角传感器记录倾斜角γ，此时γ＜α(见图2e)。在负加速度期间，测震质量14由于其惯性向前移动，倾斜角传感器记录减小俯仰角β的角度γ而不是α角。

上述的关系也可适应于倾角为-α的斜面。

这样在负加速度和正加速度期间，倾斜角传感器记录角度γ，此角度γ不等于水平倾斜面的倾斜角α。如果使用以这种方式伪造的角度信号来控制行走轮驱动，则在运转模式“牵引控制”中对象的爬坡能力的质量降低了。

根据现有的技术，能够记录很大程度上与上述描述的干扰变量无关的倾斜角的传感器是已知的。然而，此处的不利条件是这些传感器由于其复杂的制造技术而难以获得或者其比非加速度补偿传感器贵很多。

发明内容

本发明完成了制造确定移动对象倾斜角的装置的目的，该装置准确地确定与对象加速度无关的实际倾斜角。这样做时，上述的装置不需要任何附加的部件而因此证明是有成本效益的。

按照本发明确定移动对象，尤其是施工设备，的倾斜角的装置，包括：

倾斜角传感器，用于记录平面中的对象倾斜角，

速度传感器，用于记录对象的瞬时速度，

计算机，借助该计算机利用对象的瞬时速度能够确定对象的瞬时加速度，

从而借助计算机确定由对象的瞬时加速度引起的记录倾斜角的俯仰角，并由此确定与加速度无关的倾斜角。

这是有利的，因为利用常规获得的速度传感器和倾斜角传感器，例如在单筒振动碾中，校正由于干扰变量，如启动加速度或制动减速度，而被伪造的测量结果是可能的，于是，对象的实际的水平倾斜能够被确定。

在按照本发明的装置的第一个优选实施例中，使用的倾斜角传感器不是加速度补偿的倾斜角传感器。因此，这使得应用简单的、价廉的，也是易于获得的倾斜角传感器成为可能。

在按照本发明的装置的第二个优选实施例中，倾斜角传感器借助测震质量记录倾斜角。这种类型的传感器可利用微型系统技术而被制造，于是，其对冲击、振动和温度波动是有抵抗力的。

在按照本发明的装置的第三个优选实施例中，利用倾斜角传感器的测震质量和瞬时加速度，计算机能够确定与加速度成比例的变量。这是有利的，因为不需要直接确定加速力。而是可利用两个已知的变量-测震质量和瞬时加速度来确定。利用加速力，创建校正函数是可能的，通过该校正函数，由瞬时加速度引起的俯仰角和/或斜面的实际倾斜可直接表示。

在按照本发明的装置的第四个优选实施例中，倾斜角传感器是电子倾斜角传感器。这是有利的，因为传感器上的倾斜角作为电变量，例如输出电压，存在，因而可被直接用于计算机及行走轮驱动的电控制。

在按照本发明的装置的第五个优选实施例中，将倾斜角传感器固定在对象上。这是有利的，因为其增加了记录的倾斜角的可靠性。而且，其能够防止从外部装置到移动对象的传输误差。

在按照本发明的装置的第六个优选实施例中，速度传感器记录移动对象的液压马达的驱动轴的瞬时速度。这是有利的，因为布置在液压马达下游的齿轮机构以目标速度被恒定地驱动，例如，借助电子控制系统。

按照本发明确定移动对象，尤其是施工设备，的倾斜角的方法，包括下列步骤：

借助倾斜角传感器记录平面中的倾斜角，

借助速度传感器记录对象的瞬时速度，

利用对象的瞬时速度，借助计算机记录其瞬时加速度，从而借助计算机确定由对象的瞬时加速度引起的记录倾斜角的俯仰角，并由此确定与加速度无关的倾斜角。

这是有利的，因为利用通常现有的速度传感器和倾斜角传感器，例如在单筒振动碾中，校正由于干扰变量，如启动加速度或制动减速度，而被伪造的测量结果是可能的，于是，对象的实际的水平倾斜能够被确定。

在按照本发明的方法的第七个优选实施例中，计算机利用倾斜角传感器的测震质量和瞬时加速度确定加速力。这是有利的，因为不需要直接确定加速力。而是加速力可利用两个已知的变量被确定。利用加速力，创建校正函数是可能的，使用该校正函数，由瞬时加速度引起的俯仰角可被直接表示。

按照本发明的附加特征，本装置和方法应用于移动对象的牵引控制。这是有利的，因为其能够改善牵引控制和移动对象的爬坡能力。

附图说明

参照附图在下列的描述中阐明本发明的优选实施例：

图1图示说明按照先前的技术的单筒振动碾的行走轮驱动；

图2a至2e图示说明根据单筒振动碾的位置和操作状态变化的倾斜角传感器；

图3图示说明力与倾斜角传感器测震质量的关系；

图4阐明在各种情况下随时间变化的速度、加速度、记录的倾斜角的俯仰角的变量和传感器输出变量的图表。

具体实施方式

图3图示说明摆锤由测震质量14、摆锤臂15和轴承16组成。如图3所示，轴承可能是具有摩擦力的枢轴承，此摩擦力对于倾斜测量而言太微不足道了。然而，代替其上固定摆锤臂和质量14连接到摆锤臂上的枢轴承，使用板簧也是可能的，该板簧一侧被夹紧，端部具有质量14。在数学摆的情况下，假定摆锤臂是无质量的且整个质量14形成一个点。然而，对于按照本发明的装置，没有使用数学摆的先决条件。即使其中旋转体被悬挂在位于旋转体的枢点上的物理摆的使用是可行的。可被归类于数学摆和物理摆之间的任意中间类型的使用在按照本发明确定倾斜角的装置中也是可行的。然而，倾斜角传感器的每一种设计都必须必然显示实际倾斜和记录的倾斜角之间的比例。

在电子倾斜角传感器中，记录的倾斜角用，例如，差动电容器被转化成电子输出信号。此处悬挂在弹簧上的测震质量形成除两个邻近的固定电极之外的移动中心电极。传感器元件的倾斜导致测震质量从其中间位置偏斜，并引起差动电容器的不平衡。这种容量的变化可利用适合的测定电子设备转化成要进一步处理的变量，诸如电压、频率或脉冲宽度。倾斜角传感器也可按照电导测定的原理工作，其根据传感器的倾斜，由电解液湿润外电极。这导致依赖于倾斜的电阻。另一个可供选择的办法是根据摆锤的倾斜移置可变电阻器。

为了确定图3所示的俯仰角β，由于干扰变量，如，加速力，的影响该俯仰角出现，首先确定加速力向量F_α的方向，其次确定加速力向量F_α的长度是可能的。此外，如果重力向量F_G的方向和长度已经知道，则向量的相加产生作用在测震质量14上的合力F_ges，并相应地使摆锤偏斜。俯仰角β可被分配给此合力，例如通过计算或通过实验。在图3所示的简图中，为了简单，假定利用系数1形成的正比例存在于合力F_ges的向量和角度β之间。然而实际上，存在偏离系数1的比例。这不改变俯仰角可被分配给合力的事实。

加速力F_α可由测震质量14的量和瞬时加速度α(t)的乘积计算，按照方程

                   F_α(t)＝m·α(t)    (1)

加速度α(t)由瞬时速度ν(t)对时间的微分产生，按照方程

                  α(t)＝dν(t)/dt    (2)

在按照本发明的装置中，计算机12执行此计算。

由于液压马达驱动轴上的速度传感器7、11的测量信号，单筒振动碾的速度是已知的。如果速度不是控制或调节变量，则按照方程(1)或(2)，表示至少可被相似地用于计算的显示变量。

如果加速力F_α和相关的俯仰角β是知道的，则从记录的倾斜角γ确定水平斜面的实际倾斜角α是可能的(见图3)。

图4图示说明依赖于时间的速度ν、加速度α、俯仰角β和倾斜角传感器的输出变量U之间的相互关系。在恒定速度下、相I中，加速度α＝0。相关的俯仰角等于β＝0(见图2a、2b)。如果对象移动到倾斜角度为α的平面上，倾斜角传感器的输出变量有正值。在恒定增大瞬时速度的情况下、相II中，从对时间的微分计算恒定的正瞬时加速度是可能的，以致测震质量恒定地附加偏斜俯仰角β(见图2c)。输出变量U比在相I中有更高的值。另外，在额外增加瞬时速度、但俯仰降低的情况下、相III中，可计算连续恒定的正瞬时加速度，并使测震质量14偏斜较小的俯仰角β。输出变量U具有比相II中低的值。如果相IV中瞬时速度不再增加，那么瞬时加速度α＝0且倾角β＝0(见图2d)。

电子倾斜角传感器表明与记录的倾斜角γ有关的输出值，例如，输出电压U。如果俯仰角β是已知的，那么相应地校正倾斜角传感器的输出值为输出变量U_korr是可能的(见图4)。

使用按照本发明的装置，并不迫切需要确定加速力F_α以便表明俯仰角β并因此确定与加速度无关的倾斜角。在已知水平斜面的倾斜角α的情况下，用实验的方法建立加速度与记录的倾斜角γ和/或输出变量U之间的相互关系是足够的。记录倾斜角γ和水平斜面的实际倾斜角α的差异导致与瞬时加速度α有关的俯仰角β。瞬时加速度α和俯仰角β，其必须被解释为校正角度，的比例可以被应用于校正函数f_korr(α(t))的形式的输出变量U。如果没有应用校正函数f_korr(α(t))，则瞬时输出变量U(t)是依赖于对象的实际记录的倾斜角γ和瞬时加速度α(t)的变量：

                   U(t)＝f(γ，α(t))                 (3)

如果应用校正函数，那么瞬时输出变量U(t)的关系式减小到实际的倾斜角α：

        U(t)_korr＝f(γ，α(t))f_korr(α(t))＝f(α)   (4)

因此，按照本发明的装置和方法确定表明与单筒振动碾的加速度无关的单筒振动碾的实际倾斜的倾斜信号。

Claims (11)

1、确定移动对象，尤其是施工设备，的倾斜角的装置，包括：

倾斜角传感器，用于记录平面中的对象倾斜角，

速度传感器，用于记录对象的瞬时速度，

计算机，借助该计算机利用对象的瞬时速度能够确定对象的瞬时加速度，

从而借助计算机确定由对象的瞬时加速度引起的记录的倾斜角的俯仰角，并由此确定与加速度无关的倾斜角。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所用的倾斜角传感器不是加速度补偿的倾斜角传感器。

3、按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于倾斜角传感器能够借助测震质量记录倾斜角。

4、按照前述的权利要求任一项所述的装置，其特征在于借助计算机并利用倾斜角传感器的测震质量和瞬时加速度可确定与加速度成比例的值。

5、按照前述的权利要求任一项所述的装置，其特征在于倾斜角传感器是电子倾斜角传感器。

6、按照前述的权利要求任一项所述的装置，其特征在于倾斜角传感器被固定在对象上。

7、按照前述的权利要求任一项所述的装置，其特征在于速度传感器记录移动对象的液压马达的驱动轴的瞬时速度。

8、确定移动对象，尤其是施工设备，的倾斜角的方法，包括下列步骤：

借助倾斜角传感器记录平面中的倾斜角，

借助速度传感器记录对象的瞬时速度，

利用对象的瞬时速度，借助计算机记录其瞬时加速度，

以致于借助计算机确定由对象的瞬时加速度引起的记录的倾斜角的俯仰角，并由此确定与加速度无关的倾斜角。

9、按照权利要求8所述的方法，其特征在于借助计算机并利用倾斜角传感器的测震质量和瞬时加速度确定与加速度成比例的值。

10、按照权利要求1至8的任何一个权利要求所述的的装置在移动对象的牵引控制上的应用。

11、按照权利要求9或10之一所述的方法在移动对象的牵引控制上的应用。

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