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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine und insbesondere auf
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine
als eine Funktion von Materialzuständen.
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Hintergrund
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Es
ist vorteilhaft, wenn eine Arbeitsmaschine, wie beispielsweise ein
Raupen/Radtraktor in einer Weise betrieben wird, die die größte Produktivität zur Folge
hat. Oft ist eine manuelle Steuerung eines Arbeitswerkzeuges, wie
beispielsweise von einer Bulldozerschaufel, insbesondere über eine
Zeitperiode ineffizient, wenn der Bediener ermüdet.
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Eine
maximale Produktivität
kann erreicht werden durch Maximierung der „Zugleistung" der Maschine. Die
Schub- bzw. Zugleistung
ist die Rate der tatsächlich
nützlichen
Arbeit, die bei der Bewegung von Erdboden ausgeführt wird und ist definiert
als das Produkt der Zugkraft des Arbeitswerkzeuges und der Fahrgeschwindigkeit
der Arbeitsmaschine.
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Bei
dem Beispiel eines Traktors ist die Schub- bzw. Zugkraft die Kraft
auf dem Schild. Eine maximale Zugkraft wird erreicht, wenn der Traktor sich
mit einer optimalen Fahrgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Zugkraft
bewegt. Für
einen typischen Traktorbetrieb gestattet eine Fahrgeschwindigkeit
von 1,6 mph eine optimale Leistung und einen optimalen Wirkungsgrad.
Bediener haben nicht eine direkte Rückmeldung vom Erdboden und der
Geschwindigkeit und können
nicht die Last auf der Schaufel sehen. Entsprechend steuern die
Bediener oft den Traktor bezüglich
ihres Gefühls
für den Schlupf
und die Motordrehzahl. Die Anwendung des Schlupfes als Rückmeldungsmechanismus
ist ineffizient, weil ein Schlupf nicht auftritt, bis die Produktivität schon
verloren gegangen ist. Bediener, die auf ihrem Gefühl für eine Schlupfrückmeldung
beruhen, tendieren dazu, den Traktor mit einer langsameren Rate
zu betreiben als benötigt,
um eine maximale Leistung und einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.
Andererseits tendieren Bediener, die sich auf die Motordrehzahl
verlassen, dazu, den Traktor mit einer schnelleren Rate laufen zu
lassen, als benötigt,
um eine maximale Leistung und maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.
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Es
werden oft Schwierigkeiten bei der Steuerung des Arbeitswerkzeuges
angetroffen, wenn unterschiedliche Bodenprofile von der Arbeitsmaschine angetroffen
werden. Die Arbeitswerkzeugposition muss verändert werden, so dass es weder
seine angesammelte Last fallen lässt
noch zu tief einschneidet, und immer noch einen sanften Schnitt
erzeugt. Zusätzlich
ist es, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erhalten, wichtig, dass
der Bediener oder das Steuersystem zwischen unterschiedlichen Bodenprofilen
unterscheiden kann, wie beispielsweise Klumpen, Felsen und einer
Neigungsveränderung.
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Steuersysteme
sind entwickelt worden, die Informationen zur Steuerung des Schildes
während verschiedener
Arbeitsbedingungen liefern. Jedoch steuern die früheren automatischen
Steuersysteme nicht adäquat
die Schildposition, um einen maximalen Wirkungsgrad bei der Vielzahl
von Bodenprofilen zu erreichen, die im Betrieb angetroffen wer den.
Beispielsweise offenbart das US-Patent 4630685 von Huck und anderen
(das "685-Patent)
eine Vorrichtung zur Steuerung eines Arbeitswerkzeuges unter Verwendung
einer Winkelgeschwindigkeit. Das "685-Patent ist ein relativ einfaches
System, bei dem die Fahrgeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit
direkt die Betätigungsvorrichtung
steuern, und zwar ohne eine darin eingreifende Schleife bezüglich der
Werkzeugposition. Das Fehlen einer Werkzeugpositionssteuerschleife
und die Tatsache, dass man sich auf die Winkelgeschwindigkeit verlässt, hat
einen niedrigeren Betriebswirkungsgrad zur Folge, wenn die Arbeitsmaschine
auf variierende Bodenprofile trifft.
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Andere
automatische Steuersysteme versuchen auch, die Maschinenleistung
zu optimieren. Jedoch beruhen die meisten dieser Systeme auf Sensorinformationen,
die gewonnen werden, wenn ein Schnitt ausgeführt wird. Diese Systeme können anpassbar
sein, um eine Vielzahl von Materialien zu schneiden bzw. zu bearbeiten,
jedoch können
sie sich nicht automatisch an sich schnell verändernde Materialeigenschaften
anpassen. Gut ausgebildete menschliche Bediener passen sich an sich
schnell verändernde
Materialeigenschaften an, in dem sie die Lage der sich verändernden
Materialeigenschaften während
eines Schnittes bzw. Bearbeitungsdurchgangs bemerken und die Belastung
oder die Maschine vor der Veränderung
der Materialeigenschaften für
den nächsten
Schnitt einstellen.
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Auch
besonders gut ausgebildete menschliche Bediener können nicht
adäquat
auf sich verändernde
Materialeigenschaften reagieren. Beispielsweise kann ein Bereich,
der sehr hart zu durchschneiden ist, durch irgendeine Anzahl von
Faktoren gebildet werden, beispielsweise durch Sprengungen, nicht
gleichförmige
Verdichtung, hohen Verkehr und/oder schwere Belastungen. Wenn eine
Arbeitsmaschine, die schwer beladen ist, in einen Bereich mit schwerem
oder hartem Material eintritt, muss der Bediener die Schaufel anheben,
um die Vorwärtsbewegung
fortzusetzen. Dies wird bewirken, dass sich ein Hügel in dem
Material formt, der verringerten Wirkungsgrad zur Folge haben wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß eines
Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein automatisches Steuersystem
für eine Arbeitsmaschine
vorgesehen. Die Arbeitsmaschine arbeitet auf einer Baustelle, die
Material enthält.
Das automatische Steuersystem weist ein Positionierungssystem bzw.
Positionsbestimmungssystem, ein Geländemodell und eine Steuervorrichtung
auf. Das Positionsbestimmungssystem bestimmt eine relative Lage
der Arbeitsmaschine innerhalb der Baustelle und erzeugt ein Maschinenpositionssignal.
Das Geländemodell
enthält
Daten bezüglich
eines Zustandes des Materials. Die Steuervorrichtung ist mit dem Geländemodell
gekoppelt, nimmt das Maschinenpositionssignal auf und bestimmt einen
gegenwärtigen Zustand
des Materials als eine Funktion des Positionssignals und des Geländemodells
und steuert die Arbeitsmaschine als eine Funktion des gegenwärtigen Zustandes
des Materials.
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Gemäß eines
weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein automatisches
Steuersystem für
ein Arbeitswerkzeug einer Arbeitsmaschine vorgesehen. Die Arbeitsmaschine
arbeitet auf einer Baustelle, die Material enthält, welches von dem Arbeitswerkzeug
bearbeitet werden soll. Das System weist ein Positionsbestimmungssystem,
ein Ge ländemodell,
einen Fahrgeschwindigkeitssensor, einen Winkelratensensor, einen
Schlupfdetektor, eine Betätigungsvorrichtung,
einen Positionssensor und eine Steuervorrichtung auf. Das Positionsbestimmungssystem
bestimmt eine relative Lage der Arbeitsmaschine innerhalb der Baustelle
und erzeugt ein Positionssignal. Das Geländemodell enthält Daten
bezüglich
eines Zustandes des Materials. Der Fahrgeschwindigkeitssensor ist
mit der Arbeitsmaschine gekoppelt, um eine Fahrgeschwindigkeit der
Arbeitsmaschine abzufühlen,
und erzeugt darauf ansprechend ein Fahrgeschwindigkeitssigsal. Der
Winkelratensensor wählt
eine Winkelrate aus, die mit der Arbeitsmaschine assoziiert ist,
und erzeugt darauf ansprechend ein Winkelratensignal. Der Schlupfdetektor bestimmt
einen Schlupfratenwert der Arbeitsmaschine und erzeugt darauf ansprechend
ein Schlupfsignal. Die Betätigungsvorrichtung
ist mit dem Arbeitswerkzeug gekoppelt, um den Betrieb des Arbeitswerkzeuges
zu steuern. Der Positionssensor ist mit der Betätigungsvorrichtung gekoppelt,
um eine Position der Betätigungsvorrichtung
abzufühlen,
und darauf ansprechend ein Betätigungsvorrichtungspositionssignal
zu erzeugen. Die Steuervorrichtung ist mit dem Werkzeugsteuersystem
und dem Geländemodell
gekoppelt, nimmt das Maschinenpositionssignal auf und bestimmt einen
gegenwärtigen
Zustand des Materials als eine Funktion des Maschinenpositionssignals
und des Geländemodells
und nimmt das Betätigungsvorrichtungspositionssignal
auf und erzeugt ein Steuersignal als eine Funktion des Betätigungsvorrichtungspositionssignals
und des gegenwärtigen
Zustandes des Materials. Das Werkzeugsteuersystem nimmt das Steuersignal
auf und steuert darauf ansprechend das Arbeitswerkzeug.
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Gemäß noch eines
weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Steuerung einer Arbeitsmaschine vorgesehen. Die Arbeitsmaschine
arbeitet auf einer Baustelle, die Material enthält. Das Verfahren weist die
Schritte auf, eine relative Lage der Arbeitsmaschine innerhalb der
Baustelle zu bestimmen und ein Maschinenpositionssignal zu bestimmen
und einen gegenwärtigen
Zustand des Materials als eine Funktion des Maschinenpositionssignals
und eines Geländemodells
zu bestimmen. Das Verfahren weist weiter den Schritt auf, die Arbeitsmaschine
als eine Funktion des gegenwärtigen
Zustandes des Materials zu steuern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine Abbildung einer Arbeitsmaschine;
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1B ist
ein Blockdiagramm eines automatischen Steuersystems für das Arbeitswerkzeug der
Arbeitsmaschine gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine graphische Darstellung der Fahrgeschwindigkeit gegenüber der
Werkzeugleistung;
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3 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm des automatischen Steuersystems
für das
Arbeitswerkzeug der Arbeitsmaschine der 1B;
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4A ist
eine Seitenansicht der Arbeitsmaschine, die sich während eines
Schnitts nach vorne neigt; und
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4B ist
eine Seitenansicht der Arbeitsmaschine, die sich während eines
Schnitts nach hinten neigt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen zeigt 1 eine
Ansicht einer Arbeitsmaschine 10 mit einem Arbeitswerkzeug 12.
Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 10 eine Erdbewegungsmaschine
sein, und das Arbeitswerkzeug kann ein Ar beitswerkzeug 12 sein,
welches verwendet wird, um Erde oder Erdboden zu bewegen.
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Zu
Veranschaulichungszwecken ist die gezeigte Arbeitsmaschine 10 ein
Raupentraktor 14, und das gezeigte Arbeitswerkzeug 12 ist
ein Bulldozerschild oder ein Bulldozer 16. Während die
Erfindung derart beschrieben wird, dass sie den Traktor 14 und das
Bulldozerschild 16 verwendet, ist beabsichtigt, dass die
Erfindung auch bei anderen Arten von Arbeitsmaschinen 10 und
Arbeitswerkzeugen 12 verwendet wird, wie beispielsweise
Bau- oder Ackerbaumaschinen und Erdbewegungsmaschinen, beispielsweise
bei einem Radlader oder einem Raupenlader. Der Traktor 14 weist
hydraulische Hubbetätigungsvorrichtungen 18 auf,
um das Schild 16 anzuheben und abzusenken, und hydraulische
Kippbetätigungsvorrichtungen 20.
Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist,
weist der Traktor 14 vorzugsweise zwei Hubbetätigungsvorrichtungen 18 und
zwei Kippbetätigungsvorrichtungen 20 auf,
eine auf jeder Seite des Bulldozerschildes 16. Wie in 1 gezeigt, weist der Traktor 14 einen
Satz von Raupen 22 und einen Kraftübertragungsarm bzw. Zugarm 24 auf,
um das Schild 16 zu schieben.
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Leistung,
die auf das Schild 16 über
die hydraulischen Hubzylinder 18 während Erdbewegungsvorgängen aufgebracht
wird, bewirkt, dass das Schild 16 den Erdboden schiebt
und trägt.
Die maximale Produktivität
und der maximale Wirkungsgrad werden erreicht, in dem man die maximale
Leistung auf dem Schild 16 aufrecht erhält. Leistung in einem solchen
Zusammenhang ist im Allgemeinen bekannt als Schub- oder Schildleistung.
Die Schildleistung ist ein Maß für die Rate
der tatsächlich
nützlichen
Arbeit, die bei der Bewegung des Erdbodens ausgeführt wird,
und kann wie folgt ausgedrückt
werden: P = F × Vwobei gilt P = Schildleistung,
F = Schildkraft und V = Fahrgeschwindigkeit.
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Die
Beziehung zwischen der Fahrgeschwindigkeit des Traktors 14 relativ
zum Erdboden und der Schildleistung ist in 2 für unterschiedliche
Traktionskoeffizienten gezeigt. Die Traktionskoeffizienten variieren
entsprechend den Bodenmaterialien und Bodenzuständen.
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Eine
erste Leistungskurve 30 ist in 2 gezeigt
und entspricht einem Traktionskoeffizienten von 1. Jedoch wird ein
Traktionskoeffizient von 1 fast niemals im tatsächlichen Betrieb verwirklicht.
Zweite und dritte Leistungskurven 32, 34 entsprechen
Traktionskoeffizienten von 0,7 bzw. 0,5. Bei den meisten Anwendungen,
einschließlich
Bergbauanwendungen, ist der Traktionskoeffizient typischerweise
im Bereich zwischen 0,5 und 0,7. Die maximale Vorwärtsleistungsproduktivität wird erreicht,
wenn der Traktor 14 bei den Spitzen der Leistungskurven 30, 32, 34 betrieben
wird. Die Schildleistung ist maximal zwischen den Zuständen „A" und „B" für alle der
abgebildeten Leistungskurven 30, 32, 34.
Wie in 2 gezeigt, liefert eine Fahrzeugfahrgeschwindigkeit
von ungefähr 1,6
mph die erwünschte
Schildleistung zwischen den Zuständen „A" und „B".
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Mit
spezieller Bezugnahme auf 1B sieht ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ein automatisches Steuersystem 36 für das Arbeitswerkzeug 12 der
Arbeitsmaschine 10 vor. Die Arbeitsmaschine kann zur Arbeit
auf einer Baustelle 26 vorgesehen sein (1).
Die Baustelle 26 enthält Material 28,
an dem das Arbeitswerkzeug 12 arbeiten soll.
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Das
automatische Steuersystem 36 weist ein Positionsbestimmungssystem 38,
ein Geländemodell 40,
mindestens einen Werkzeugsensor 42, ein Werkzeugsteuersystem 44 und
eine Steuervorrichtung 46 auf.
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Das
Positionsbestimmungssystem 38 bestimmt eine relative Lage
der Arbeitsmaschine 10 innerhalb der Baustelle 26 und
erzeugt ein Maschinenpositionssignal. Das Positionsbestimmungssystem 38 kann
einen GPS-Empfänger
und/oder ein Laserpositionierungssystem aufweisen. Solche Empfänger und
Systeme sind in der Technik wohl bekannt und werden daher nicht
weiter besprochen.
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Das
Geländemodell 40 enthält Daten,
die mit einem Zustand des Materials 28 in Beziehung stehen.
Bei einem Ausführungsbeispiel
stehen die Daten, die in Beziehung zu einem Zustand des Materials 28 stehen,
die in dem Geländemodell
gespeichert und enthalten sind, in Beziehung zu der Traktion der Arbeitsmaschine 10.
Beispielsweise können
die Daten, die mit einem Zustand des Materials 28 in Beziehung
stehen, der in dem Geländemodell 40 gespeichert
ist, einen Traktionskoeffizienten aufweisen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
können
die Daten, die mit einem Zustand des Materials in Beziehung stehen,
mit einer Verhärtung
des Materials in Beziehung stehen.
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Gemäß eines
Aspektes der vorliegenden Erfindung ist die Steuervorrichtung 46 des
automatischen Steuersystems 36 mit dem Geländemodell 40 gekoppelt,
um das Maschinenpositionssignal aufzunehmen und einen gegenwärtigen Zustand
des Materials 28 als eine Funktion des Positionssignals
und des Geländemodells 40 zu
bestimmen. Die Steuervorrichtung erzeugt ein Steuersignal als eine
Funktion des gegenwärtigen
Zustandes des Materials 28 und steuert dar auf ansprechend
die Arbeitsmaschine als eine Funktion des Steuersignals.
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Gemäß eines
weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung ist die Steuervorrichtung 46 mit dem
Werkzeugsteuersystem 44 und dem Geländemodell 40 gekoppelt.
Die Steuervorrichtung 46 nimmt das Maschinenpositionssignal
auf und bestimmt einen gegenwärtigen
Zustand des Materials 28 als eine Funktion des Maschinenpositionssignals
und des Geländemodells 40.
Die Steuervorrichtung 46 nimmt das Werkzeugpositionssignal
auf und erzeugt ein Steuersignal als eine Funktion des Werkzeugpositionssignals
und des gegenwärtigen
Zustandes des Materials 28. Das Werkzeugsteuersystem 44 nimmt das
Steuersignal auf und steuert darauf ansprechend das Arbeitswerkzeug 44.
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Der
Traktionskoeffizient ist ein mathematischer Ausdruck, der die Fähigkeit
eines Materials beschreibt, eine Traktion oder einen Zug zu unterstützen. Beispielsweise
bietet sandiger Grund eine schlechte Traktion und hat einen niedrigen
Traktionskoeffizienten. Im Gegensatz dazu hat festes Material mit
guter Traktion (wie die meisten Tonmaterialien) einen hohen Traktionskoeffizienten.
Je höher
der Traktionskoeffizient ist, desto höher ist die Zugkraft, die eine
Maschine ausüben
kann. Zusätzlich
wird bei den meisten Bodenzuständen
eine schwerere Maschine mehr ziehen, d.h. eine höhere Zugkraft haben. Der Traktionskoeffizient
kann ausgedrückt
werden als: T.C. = Max_Zugstange_Zug/Gewicht.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann das Geländemodell 40 entweder eine
zweidimensionale oder eine dreidimensionale Datenbank sein, die
Traktionskoeffizientendaten genauso wie andere Daten aufweist, wie beispielsweise Daten
bezüglich
des tatsächlichen
und des erwünschten
Geländeprofils
bezüglich
der Stellen innerhalb des Arbeitsgeländes 26. Beispielsweise
können
die Daten in dem Geländemodell
verwendet werden, um anzuzeigen, wie der Traktionskoeffizient sich
im Verlauf der Baustelle ändert.
Sowohl die Geländeprofildaten
als auch die Traktionskoeffizientendaten können in Echtzeit basierend
auf Positionsinformationen von dem Positionsbestimmungssystem 38 und/oder
basierend auf anderen Sensordaten aktualisiert werden. Beispielsweise
kann das automatische Steuersystem 36 einen Schlupfdetektor 52 aufweisen,
um das Ausmaß des
Schlupfes zu detektieren, der von den Raupen 22 des Traktors 14 detektiert
wird, und darauf ansprechend ein Schlupfsignal erzeugen. Die Steuervorrichtung 46 kann
das Schlupfsignal verwenden, um einen tatsächlichen Traktionskoeffizienten
als eine Funktion des Schlupfsignals zu bestimmen, und kann das
Geländemodell 40 in
Echtzeit aktualisieren. Ein geeignetes dynamisches Geländemodell
oder eine Datenbank wird offenbart im US-Patent 5493494, welches hier durch Bezugnahme
mit aufgenommen sei.
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Mindestens
ein Werkzeugsensor 42 (siehe unten) fühlt einen Parameter des Arbeitswerkzeuges 12 ab
und erzeugt mindestens ein Werkzeugsignal.
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Das
Werkzeugsteuersystem 44 ist mit dem Arbeitswerkzeug 12 gekoppelt
und steuert den Betrieb des Arbeitswerkzeuges.
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Die
Steuervorrichtung 46 ist mit dem Werkzeugsteuersystem 44 und
dem Geländemodell 40 gekoppelt.
Die Steuervorrichtung 46 nimmt das Maschinenpositionssignal
auf und bestimmt einen gegenwärtigen
Zustand des Materials 28 als eine Funktion des Positionssignals
und des Geländemodells 40.
Die Steuervorrichtung 46 nimmt weiter das mindestens eine
Werkzeugsignal auf und erzeugt ein Steuersignal als eine Funktion
von dem mindestens einen Werkzeugsignal und dem gegenwärtigen Zustand
das Materials 28. Das Werkzeugsteuersystem 44 nimmt
das Steuersignal auf steuert darauf ansprechend das Arbeitswerkzeug 12.
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Wie
oben besprochen weist bei einem Ausführungsbeispiel das Geländemodell 40 ein
Bodenprofil auf. Das Bodenprofil zeigt die Konturen des Bodens bevor
die Arbeitsmaschine 10 über
ihn fährt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird das Steuersignal weiter als eine Funktion des Bodenprofils
bestimmt. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines automatischen
Steuersystems 36 für
das Arbeitswerkzeug 12 der Arbeitsmaschine 10.
Das automatische Steuersystem 36 ist geeignet, um die Hubbetätigungsvorrichtung 18 zu
steuern. Zu Veranschaulichungszwecken ist die Hubbetätigungsvorrichtung 18,
die in dem Blockdiagramm der 3 abgebildet ist,
als ein einzelner hydraulischer Hubzylinder 80 mit einem
einzelnen Hauptventil 82 und zwei Pilot- bzw. Vorsteuerventilen 84, 86 gezeigt.
In einem Ausführungsbeispiel
weist das automatische Steuersystem 36 einen Fahrgeschwindigkeitssensor 48,
einen Neigungsdetektor 50, den Schlupfdetektor 52,
einen Winkelratensensor 54, einen Hubpositionssensor 56 und
einen Spitzenpositionssensor 58 auf.
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Der
Fahrgeschwindigkeitssensor 48 ist mit der Arbeitsmaschine
gekoppelt, fühlt
eine Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine ab und erzeugt darauf
ansprechend ein Fahrgeschwindigkeitssignal. Der Fahrgeschwindigkeitssensor 48 fühlt die
tatsächliche
Fahrgeschwindigkeit „V" der Arbeitsmaschine 10 ab
und erzeugt darauf ansprechend ein Fahrgeschwindigkeitssignal. Der
Fahrgeschwindigkeitssen sor 48 ist in geeigneter Weise an
dem Traktor 14 positioniert und weist beispielsweise einen
berührungslosen
Ultraschall- oder Doppler-Radarsensor auf.
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Der
Winkelratensensor 54 fühlt
eine Winkelrate ab, die mit der Arbeitsmaschine 10 assoziiert
ist, beispielsweise um eine Neigungsrate der Arbeitsmaschine 10 zu
detektieren und erzeugt darauf ansprechend ein Winkelratensignal.
Der Winkelratensensor ist in geeigneter Weise auf dem Traktor 14 positioniert
und weist beispielsweise ein Gyroskop auf. Ein Quartz-Gyro-Chip,
der von Systron und Donner hergestellt wird, ist für diese
Anwendung geeignet.
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Das
System 36 kann auch einen Sensor 51 aufweisen,
um einen tatsächlichen
Zustand des Materials zu detektieren. Die Steuervorrichtung 46 kann das
Geländemodell 40 als
eine Funktion des tatsächlichen
Zustandes aktualisieren. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Sensor 51 den
Schlupfdetektor 52 auf. Der Schlupfdetektor 52 bestimmt
einen Schlupfratenwert der Arbeitsmaschine oder das Ausmaß an Schlupf,
welches von den Raupen 22 angetroffen wird, und erzeugt
darauf ansprechend das Schlupfsignal. In einem Ausführungsbeispiel
nimmt der Schlupfdetektor 52 das Fahrgeschwindigkeitssignal
von dem Fahrgeschwindigkeitssensor 42 auf und berechnet
das Ausmaß des
Schlupfes durch Anwendung der Fahrgeschwindigkeit mit beispielsweise
der Ausgangsdrehzahl eines Drehmomentwandlers, einer Kettenraddrehzahl
und einer Gangauswahl. Algorithmen für die Bestimmung des Ausmaßes des Schlupfes
sind in der Technik wohl bekannt und werden nicht genauer besprochen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
bestimmt die Steuervorrichtung 46 einen erwarteten Pfad
der Arbeitsmaschine 10 als eine Funktion des Positionssignals
durch Bewertung des Positionssignals über eine Zeitperiode und durch
Extrapolieren des erwarteten Pfades. Das Steuersignal kann als eine
Funktion des erwarteten Pfades bestimmt werden.
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Der
Positionssensor 56 fühlt
eine Position der Hubbetätigungsvorrichtung
ab und erzeugt darauf ansprechend ein Hubbetätigungsvorrichtungspositionssignal.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der Hubpositionssensor 56 in geeigneter Weise an den Hubbetätigungsvorrichtungen 18 positioniert.
Es gibt verschiedene bekannte Linearpositionsabfühlvorrichtungen, die die absolute
Position messen, und die in Verbindung mit den Zylindern der Hubbetätigungsvorrichtungen 18 verwendet
werden können.
Beispielsweise sind RF-(Hochfrequenz-)Sensoren, LVDTs (linear variable
differential transformer = lineare Differentialwandler) oder magnetostriktive
Sensoren wohlbekannt und geeignet. Zusätzlich könnte der Hubpositionssensor 56 durch
eine Vorrichtung ersetzt werden, die die Position des Arbeitswerkzeuges 12 relativ
zur Arbeitsmaschine 10 misst, wie beispielsweise ein Radar-
oder Lasersystem.
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Die
Steuervorrichtung 46 nimmt das Schlupfsignal, das Winkelgeschwindigkeitssignal,
das Fahrgeschwindigkeitssignal und das Hubbetätigungsvorrichtungspositionssignal
auf und bestimmt darauf ansprechend eine Werkzeugposition als eine
Funktion des Schlupfsignals des Winkelgeschwindigkeitssignals und
des Hubbetätigungsvorrichtungspositionssignals.
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Das
Steuersignal (siehe oben) ist eine Funktion der Werkzeugposition,
des Schlupfsignals und des Fahrgeschwindigkeitssignals. In einem
Ausführungsbeispiel
wird das Steuersignal weiter als eine Funktion einer vorbestimmten
erwünschten
Fahrgeschwindigkeit bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel wird die vorbestimmte
erwünschte
Fahrge schwindigkeit so bestimmt, dass sie die maximale Fahrwerks-Leistungsproduktivität erreicht.
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Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung steuert ein Verfahren
ein Arbeitswerkzeug einer Arbeitsmaschine. Die Arbeitsmaschine 10 arbeitet
auf einer Baustelle 26, die Material 28 enthält, welches
von dem Arbeitswerkzeug 12 zu bearbeiten ist. Das Arbeitswerkzeug 12 wird
durch ein Werkzeugsteuersystem 44 gesteuert.
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Das
Verfahren weist die Schritte auf, eine relative Stelle der Arbeitsmaschine 10 innerhalb
der Baustelle 26 zu bestimmen und ein Maschinenpositionssignal
zu erzeugen und das Maschinenpositionssignal aufzunehmen und einen
gegenwärtigen
Zustand des Materials 28 als eine Funktion des Positionssignals
und eines Geländemodells 40 zu
bestimmen. Das Geländemodell
enthält
Daten mit Bezug auf einen Zustand des Materials.
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Das
Verfahren weist auch den Schritt auf, die Arbeitsmaschine 10 als
eine Funktion des gegenwärtigen
Zustandes zu steuern.
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Das
automatische Steuersystem 40 kann auch einen Neigungsdetektor 44 aufweisen,
um die Neigung oder Steigung zu bestimmen, auf der der Traktor 14 arbeitet.
Der Neigungsdetektor 44 erzeugt ein Neigungssignal. In
dem einen Ausführungsbeispiel
weist der Neigungsdetektor 44 einen Neigungssensor auf,
wie beispielsweise ein Gyroskop, und/oder einen Winkelratensensor
in Verbindung mit einem Kalman-Filter, der eine optimale Leistung
sowohl bei Anwendungen im stetigen Zustand als auch bei dynamischen
Anwendungen vorsieht. Ein Neigungsdetektorsensor, der kapazitive
oder resistive Strömungsmittel
verwendet, kann ebenfalls verwendet werden. Andere Eingangsgrößen in den Kalman-Filter
können
die tatsächliche
Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine 10 aufweisen. Eine
solche Vorrichtung zum Detektieren der Neigung einer Maschine wird
offenbart im US-Patent 5860480, ausgegeben am 19. Januar 1999, welches
hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sei.
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Ein
Spitzenpositionssensor 58 fühlt die Neigung des Schildes 16 ab
und erzeugt ein Spitzenpositionssignal. Eine Relativposition des
Schildes 16 kann als eine Funktion der Menge des hydraulischen Strömungsmittels
berechnet werden, die in die Zylinder der hydraulischen Kippbetätigungsvorrichtungen 20 eintritt,
was eine Funktion der Flussrate des hydraulischen Strömungsmittels
und der Zeit ist, während
der Strömungsmittel
in die Zylinder der hydraulischen Kippbetätigungsvorrichtungen 20 eintritt.
Der Kipppositionssensor 58 und das assoziierte Verfahren
werden genauer im US-Patent 5467829 beschrieben, ausgegeben am 21.
November 1995 und betitelt mit „Automatic Lift And Tilt Coordination
Control System And Method of Using Same" (Automatisches Hub- und Kippkoordinationssteuersystem
und Anwendungsverfahren dafür),
welches hier durch Bezugnahme mit eingeschlossen sei.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
nimmt die Steuervorrichtung 46 das Schlupfsignal von dem Schlupfdetektor 52 auf,
weiter das Winkelratensignal von dem Neigungssensor und/oder dem
Winkelratensensor 54, das Hubpositionssignal von dem Hubpositionssensor 56 und
das Spitzenpositionssignal von dem Spitzenpositionssensor 58.
In einem anderen Ausführungsbeispiel,
welches im Folgenden genauer beschrieben wird, verwendet die Steuervorrichtung 46 nicht
das Spitzenpositionssignal von dem Spitzenpositionssensor 58.
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Die
Steuervorrichtung 46 verwendet die oben erwähnten Signale
zur Berechnung der Höhe des
Schildes 16 als eine Funktion von beispielsweise drei Ausdrücken. Der
erste Schildhöhenausdruck
ist in erster Linie eine Funktion des Winkelratensignals. Das Winkelratensignal
kann integriert werden, um eine Veränderung des Neigungswinkels θ und den Neigungswinkel θ selbst
abzuleiten.
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Mit
Bezug auf 4A sind der Traktor 14 und
das Schild 16 derart gezeigt, dass sie nach vorne in den
Schnitt von oben geneigt sind. Da diese Vorwärtsneigung auftritt, schneidet
das Schild 16 tiefer in den Erdboden. Der Neigungswinkel θ ist in 4A gezeigt.
Zusätzlich
ist, wie in 4A veranschaulicht, die Vorwärtsneigungsachse 92 ungefähr der COG-Schwerpunkt
(center of gravity) des Traktors 14, und die Distanz von
der vorderen Kippachse 92 zum Schild 16 wird als „L1" bezeichnet.
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Genauso
sind in 4B der Traktor 14 und das
Schild 16 derart gezeigt, dass sie sich nach hinten oder
rückwärts neigen,
und das Schild 16 tendiert dazu, sich aus dem Erdboden
heraus zu bewegen. Der Neigungswinkel Bist in 4B gezeigt.
Zusätzlich,
wie in 4B abgebildet, wird die Distanz
von einer Rückkippachse 94 zum
Schild 16 als „L2" bezeichnet.
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Die
Steuervorrichtung 46 berechnet den ersten Ausdruck der
Schildhöhenposition
(PIT_TM) gemäß der folgenden
Gleichung: PIT_TM = K1∫PA(t)θdtwobei gilt:
K1
= Distanz von entweder dem hinteren Laufrad (L1) oder dem Schwerpunkt
(L2) zum Schild (in mm)·0,01745
rad/deg
PA = Kippachse (L1 oder L2, falls Vorwärts- bzw. Rückwärtsneigung)
θ = Kippwinkel
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Gemäß eines
weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird der Kippwinkel
unter Verwendung eines Kalman-Filters gefiltert (was einen distanzgefilterten
Kippwinkel zur Folge hat) um zu bestimmen, ob der Kippwinkel bewirkt,
dass das Arbeitswerkzeug 12 tiefer einschneidet, oder ob
die Arbeitsmaschine sich dreht, während das Arbeitswerkzeug 12 seine
Position mit Bezug zum Material 28 beibehält. Wenn
beispielsweise die Hubbetätigungsvorrichtungen 18 betätigt werden,
um das Arbeitswerkzeug 12 zu bewegen, kann das Arbeitswerkzeug 12 entweder
tiefer in das Material 28 eingraben und/oder konstant mit
Bezug zum Material 28 bleiben, während die Arbeitsmaschine 10 sich
um den Schwerpunkt dreht. Wenn der Kippwinkel größer als der distanzgefilterte
Kippwinkel ist, dann ist K1 ein konstanter Wert, der mit der Distanz
(L1) zum hinteren Laufrad assoziiert ist. Anderenfalls ist K1 ein
konstanter Wert, der mit der Distanz (L2) zum Schwerpunkt assoziiert
ist. Wenn zusätzlich
K1 eine Konstante ist, die mit dem hinteren Laufrad assoziiert ist, wird
die Konstante als eine Funktion des Schlupfes gemäß einer
Nachschautabelle verändert.
Der Zweck der Veränderung
des K1-Wertes als eine Funktion des Schlupfsignals, wenn die Rückkippachse 94 verwendet
wird, ist es, dem Einsinken Rechnung zu tragen, welches durch das
Durchrutschen der Raupe verursacht wird. Die Nachschautabelle verringert
den Wert von K1, wenn der Schlupf ansteigt.
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Der
zweite Schaufelhöhenausdruck (LFT_TM)
ist in erster Linie eine Funktion des Hubpositionssignals, welches
von dem Hubpositionssensor 56 erzeugt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel
berechnet die Steuervorrichtung 46 den zweiten Ausdruck
der Schaufelhöhenposition
gemäß der folgenden
Formel: LFT_TM = K2·Hubposition
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Der
Ausdruck K2 ist eine Konstante basierend auf der Geometrie der Zylinder,
um einen Winkel zu berücksichtigen,
in dem die Hubbetätigungsvorrichtung 18 mit
Bezug zum Traktor positioniert ist.
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Der
dritte Schaufelhöhenausdruck
(TIP_TM) ist in erster Linie eine Funktion des Spitzenpositionssignals,
welches von dem Spitzenpositionssensor 58 erzeugt wird.
Die Steuervorrichtung 46 berechnet den Kippwinkel der Schaufel
aus dem Kipppositionssignal und berechnet den dritten Ausdruck der Schaufelhöhenposition
gemäß der folgenden
Formel: TIP_TM = K3·Kippwinkel der Schaufel
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Der
Ausdruck K3 ist eine Konstante basierend auf der Geometrie der Schaufel 16 und
der Hub- und Kippbetätigungsvorrichtungen 18, 20.
Die Steuervorrichtung 46 summiert die drei Schaufelhöhenausdrücke (PIT_TM
+ LFT_TM + TIP_TM), um das Werkzeugpositionssignal (IP_REF) abzuleiten.
Die Steuervorrichtung 46 kann auch nur die ersten zwei Ausdrücke (PIT_TM
+ LFT_TM) addieren, um das Werkzeugpositionssignal (IP_REF) abzuleiten.
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Die
Steuervorrichtung 46 kann auch eine vorbestimmte Einstellung
für die
erwünschte
Fahrgeschwindigkeit einstellen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Bediener
die erwünschte
Fahrgeschwindigkeitseinstellung einstellen. Unter normalen Betriebsbedingungen
kann die erwünschte
Fahrgeschwindigkeitseinstellung 1,6 mph sein, wie in 2 gezeigt.
Die Steuervorrichtung 46 kann die erwünschte Fahrgeschwindigkeit
als eine Funktion des Neigungssignals einstellen, welches von dem
Neigungsdetektor 50 erzeugt wurde und kann ein eingestelltes
Fahrgeschwindigkeitsreferenzsignal erzeugen. Die Einstellung wird
erreicht durch Anwendung von Nachschautabellen, die verschiedene
Neigungswerte mit Fahrgeschwindigkeitswerten in Beziehung setzen.
Beispielsweise kann bei einer Neigung von 20% die erwünschte Geschwindigkeit
bis herunter auf 1,4 mph liegen. Dieses Merkmal hält die Schildbelastung
aufrecht, wenn sich die Neigung des Bodens ändert. Eine solche Veränderung
der Einstellung kann die Produktivität auf variierenden Steigungen
optimieren.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel kann
die erwünschte
Fahrgeschwindigkeit ansprechend auf den Zustand des Materials 28 eingestellt sein.
Wenn beispielsweise die Arbeitsmaschine 10 in einen Materialabschnitt
eintritt, der einen niedrigeren Traktionskoeffizienten hat, könnte die
erwünschte Fahrgeschwindigkeit
gesteigert werden, um die Last vor dem Eintritt in diesen Bereich
zu reduzieren.
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Das
automatische Steuersystem 36 kann auch eine Veränderung
der Position des Schildes 16 berechnen und ein Hubbetätigungsvorrichtungsbefehlssignal
ausgeben, um die hydraulischen Hubbetätigungsvorrichtungen 18 zu
steuern. Die Steuervorrichtung 46 nimmt das Fahrgeschwindigkeitssignal von
dem Fahrgeschwindigkeitssensor 48 auf, weiter das eingestellte
Fahrgeschwindigkeitsreferenzsignal, das Schlupfsignal vom Schlupfdetektor 52 und das
Werkzeugpositionssignal.
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In
einem Ausführungsbeispiel
berechnet und bestimmt die Steuervorrichtung 46 das ordnungsgemäße Hubbetätigungs vorrichtungsbefehlssignal
in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird ein erwünschter Werkzeugspositionsausdruck
als eine Funktion von vier Basiswerten berechnet. Der erste Wert
(IP_REF) ist die Werkzeugposition, wie sie von dem Werkzeugpositionssignal
geliefert wurde.
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Der
zweite Wert, der in der ersten Stufe des Berechnungsprozesses verwendet
wird, ist ein Schlupffehlerwert (SLP_ERR). Der Schlupffehler wird
abgeleitet von dem Schlupfsignal. Die Steuervorrichtung 46 berechnet
den Schlupffehlerwert gemäß der folgenden
Formel: SKP_ERR = K4∫(SV – (0,0165))Δxwobei gilt:
K4 =
Stabilitätskonstante
SV
= Schlupfwert
Δx
= Veränderung
der Distanz
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Wenn
SLP_ERR < 0, dann
gilt SLP_ERR = vorheriger SLP_ERR.
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K4
ist eine vorbestimmte Konstante, die auf den Stabilitätskriterien
basiert. Die Anwendung einer solchen Konstante ist dem Fachmann
bekannt.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann ein zusätzlicher
Proportionalausdruck zum Schlupffehlerwert hinzugefügt werden.
Der zusätzliche
Proportionalausdruck kann in folgender Form auftreten: K4'(SV – 0,0165),
wobei K4' eine Konstante
ist.
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Der
dritte Wert, der in der ersten Stufe des Berechnungsprozesses verwendet
wird, ist ein Geschwindigkeitsfehlerwert (SPD_ERR). Der Geschwindigkeitsfehlerwert
wird von dem Fahrgeschwindigkeitssignal und dem eingestellten Fahrgeschwindigkeitsreferenzsignal
abgeleitet. Die Steu ervorrichtung 46 berechnet den Geschwindigkeitsfehlerwert
gemäß der folgenden
Formel: SPD_ERR = K5∫(SPEED – SPEEDREF)Δxwobei gilt:
K5 =
Stabilitätskonstante
SPEED
= Fahrgeschwindigkeit
SPEEDREF = eingestelltes Geschwindigkeitsreferenzsignal
Δx = Veränderung
der Distanz.
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K5
ist eine vorbestimmte Konstante, die auf Stabilitätskriterien
basiert. Die Anwendung einer solchen Konstante ist dem Fachmann
bekannt.
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Der
Schlupffehlerwert (SLP_ERR) und der Geschwindigkeitsfehlerwert (SPD_ERR)
können
auf gewisse prozentuale Veränderungen
beschränkt sein,
um Stabilitätsprobleme
zu vermeiden. Wenn beispielsweise das Schild sich in den Erdboden
absenkt, ist die zulässige
prozentuale Veränderung
6%. Wenn man das Schild anhebt, ist die gestattete prozentuale Veränderung
20%.
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Der
vierte Wert, der in der ersten Stufe des Berechnungsprozesses verwendet
wird, ist ein Proportionalgeschwindigkeitswert (PRO_SPD). Der Proportionalgeschwindigkeitswert
wird von dem Fahrgeschwindigkeitssignal und dem eingestellten Fahrgeschwindigkeitsreferenzsignal
abgeleitet. Die Steuervorrichtung 46 berechnet den Proportionalgeschwindigkeitswert
gemäß der folgenden
Formel: PRO_SPD = K6 (SPEED – SPEEDREF)wobei gilt:
K6
= Konstante
SPEED = Fahrgeschwindigkeit
SPEEDREF = eingestelltes
Geschwindigkeitsreferenzsignal
K6 ist eine vorbestimmte Konstante.
Der Proportionalgeschwindigkeitswert gestattet, dass das Schild sich
auf Felsen einstellt, die in dem Erdboden angetroffen werden, und
zwar im Vergleich zu Neigungsveränderungen,
weil er alleine auf der Fahrgeschwindigkeitsveränderung basiert.
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Die
erste Stufe hat die Berechnung eines erwünschten Werkzeugpositionswertes
(IP_DES) durch Addition der folgenden vier Ausdrücke zur Folge: anfängliche
Werkzeugposition, Schlupffehlerwert, Geschwindigkeitsfehlerwert
und Proportionalgeschwindigkeitswert: IP_DES
= IP_REF + SLP_ERR + SPD_ERR + PRO_SPD
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In
der zweiten Stufe wird ein Hubbetätigungsvorrichtungsbefehlssignal
(LFT_CMD) als eine Funktion des erwünschten Werkzeugpositionsausdruckes
(IP_DES), der in der ersten Stufe berechnet wurde, und des Werkzeugpositionssignals
(IP_REF) erzeugt, welches durch den Werkzeugsensor 42 erzeugt
wurde. Das Hubbetätigungsvorrichtungsbefehlssignal
wird von der Differenz zwischen dem erwünschten Werkzeugpositionsausdruck
und dem Werkzeugpositionssignal (IP_ERR) in der folgenden Weise
abgeleitet: IP_ERR = IP_DES – IP_REF LFT_CMD
= K7 (TQ, PR)·IP_ERR
+ K8 (TW, PR)·d(IP_ERR)/dx
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Die
Ausdrücke
K7(TQ,PR) und KS(TQ,PR) werden aus Nachschautabellen abgeleitet,
die gemäß Drehmoment
und Kipprate variieren, so dass wenn es eine kleine Schildbelastung
gibt, der Verstärkungswert
der Ausdrücke
reduziert wird, um die Stabilität
zu steigern. Die Anwendung von solchen Konstanten ist in der Technik
bekannt. Das Hubbetätigungsvorrichtungsbefehlssignal (LFT_CMD)
steuert das Arbeitswerkzeug 12.
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Wenn
Einstellungen an dem Arbeitswerkzeug 12 vorgenommen werden,
kann das Bodenprofil in dem Geländemodell 40 aktualisiert
werden. Das Bodenprofil ist eine Karte der Konturen des Bodens, der
durch die Arbeitsmaschine 10 bedeckt wird. Wenn die Arbeitsmaschine 10 über die
gleiche Route fährt,
würde das
gespeicherte Bodenprofil (GND_HT) zur Steuervorrichtung 46 geliefert
werden und bei der Berechnung des erwünschten Werkzeugpositionsausdruckes
(IP_DES) in der folgenden Weise verwendet werden: IP_DES
= IP_REF + SLP_ERR + SPD_ERR + PRO_SPD + KΔGND_HT
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Der
Bodenprofilausdruck KΔGND_HT
weist eine vorbestimmte Konstante auf, die mit der Veränderung
der Bodenhöhe
vom Bodenprofil multipliziert wird. Der Ausdruck sieht ein Vorwärtseinspeisungselement
vor, um dem Arbeitswerkzeug 12 zu gestatten, sich gemäß der kommenden
Veränderungen
im Bodenprofil einzustellen.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Das
automatische Steuersystem 36 wird vorteilhafterweise bei
Baumaschinen verwendet, wie beispielsweise Rad- und Raupentraktoren.
Es sei bemerkt, dass durch Verwendung der vorliegenden Erfindung
ein Traktor im produktivsten Betriebszustand arbeiten kann. Eine
stabile Werkzeugsteuerung wird bei allen Bodenprofilen aufrecht
erhalten, die von der Arbeitsmaschine 10 angetroffen werden.
Die Produktivität
wird wesentlich verbessert durch automatische Steuerung des Arbeitswerkzeuges 12 ansprechend auf abgefühlte Variablen,
die direkt in Beziehung mit der Schildleistung stehen.
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Andere
Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der
Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.