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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
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NICHT ZUTREFFEND
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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Steuersystem für eine Arbeitsmaschine mit einem Anbaugerät, wobei das Anbaugerät beweglich an die Arbeitsmaschine gekoppelt ist.
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HINTERGRUND
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Steuersystem und ein Verfahren zum Erleichtern des effizienten Betriebs einer Arbeitsmaschine während Ladevorgängen. Ladevorgänge umfassen im Allgemeinen das Laden, Transportieren und Entladen eines Stapels. Ein Stapel kann Material wie etwa Erde, Sand, Steinbruchgestein und vorgefertigte künstliche Materialien usw. umfassen. Die Optimierung des Betriebs der Teilsysteme einer Arbeitsmaschine hängt von der Effektivität und Erfahrung des Bedieners beim Eingreifen in einen Stapel ab. Wenn sich die Arbeitsmaschine beispielsweise in einem Kraftstoffsparmodus bewegt und plötzlich mit einem Stapel in Eingriff kommt, kann die Maschine blockieren, da der Motor und das Getriebe möglicherweise nicht schnell genug reagieren, um die plötzliche Erhöhung der Belastung zu bewältigen. Wenn der Bediener eine zu erwartende Last durch manuelle Eingabe überkompensiert, kann dies zu einem übermäßigen Kraftstoffverbrauch und einem erhöhten Reifenverschleiß führen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dementsprechend umfasst die vorliegende Offenbarung ein System zum Optimieren der Belastungsparameter einer Arbeitsmaschine mit einem sensorgestützten Führungssystem, um Ineffizienzen der Maschine beim Eingreifen in einen Stapel zu beheben. Die Arbeitsmaschine, die sich in Längsrichtung erstreckt, weist einen Rahmen auf, der konfiguriert ist, um einen Motor, ein Getriebe, einen Hydraulikzylinder, einen Motordrehzahlsensor und ein Anbaugerät zu tragen, das beweglich an die Arbeitsmaschine gekoppelt ist, um mit einem Stapel in Eingriff zu kommen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das sensorgestützte Führungssystem zur Optimierung der Belastungsparameter einen mit der Arbeitsmaschine gekoppelten Sensor, eine Sensorverarbeitungseinheit und eine Fahrzeugsteuereinheit. Der Sensor kann in eine Vorwärtsrichtung zeigen. Der Sensor kann konfiguriert sein, um Bilddaten des Stapels in einem Sichtfeld des Sensors zu erfassen.
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Eine Sensorverarbeitungseinheit kann mit dem Sensor kommunikativ gekoppelt sein. Die Sensorverarbeitungseinheit kann konfiguriert sein, um die Bilddaten von dem Sensor zu empfangen, wobei die Sensorverarbeitungseinheit konfiguriert ist, um eine Volumenschätzung des Stapels auf Grundlage der Bilddaten zu berechnen.
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Eine Fahrzeugsteuereinheit kann kommunikativ mit der Sensorverarbeitungseinheit gekoppelt sein. Die Fahrzeugsteuereinheit kann konfiguriert sein, um einen Belastungsparameter der Arbeitsmaschine als Reaktion auf eine prädiktive Last des Stapels zu modifizieren.
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Das Fahrzeugsteuergerät kann eine Speichereinheit und eine Datenverarbeitungseinheit aufweisen.
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Die Speichereinheit kann eine Materialeigenschaft aus einer gespeicherten Datenbank entweder auf Grundlage der Bilddaten oder der Eingaben des Bedieners zuordnen.
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Die Datenverarbeitungseinheit, die mit der Speichereinheit in Verbindung stehen kann, ist konfiguriert, um die prädiktive Last des Stapels auf der Grundlage der Volumenschätzung und der Materialeigenschaft zu berechnen.
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Der Sensor kann entweder eine stereoskopische Sichtvorrichtung oder eine Laserentfernungsvorrichtung sein.
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Die Sensorverarbeitungseinheit kann eine Abstandsberechnungseinheit und eine Bildverarbeitungseinheit umfassen. Die Abstandsberechnungseinheit kann den räumlichen Versatz des Stapels von dem Sensor berechnen. Die Bildverarbeitungseinheit kann mit dem Sensor und der Abstandsberechnungseinheit kommunizieren. Die Bildverarbeitungseinheit kann die Volumenschätzung des Stapels basierend auf den Bilddaten und dem räumlichen Versatz berechnen.
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Ein Belastungsparameter kann eine Motordrehzahl, ein Übersetzungsverhältnis, eine hydraulische Durchflussrate, ein hydraulischer Druck, ein Zugkraftverhältnis und eine Ventilstellung sein.
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In einem Fall kann die Fahrzeugsteuereinheit ein Motordrehzahlsignal an die Motorsteuerung als Reaktion auf die prädiktive Last des Stapels erzeugen, um die Motordrehzahl zumindest vor oder zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Anbaugerät mit einem Stapel in Eingriff kommt, vorübergehend zu erhöhen.
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In einem anderen Fall erzeugt die Fahrzeugsteuereinheit ein Getriebesteuersignal an die Getriebesteuerung als Reaktion auf die prädiktive Last des Stapels, um das Übersetzungsverhältnis zumindest vor oder zu dem Zeitpunkt, zu dem das Anbaugerät mit dem Stapel in Eingriff kommt, vorübergehend zu erhöhen.
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In einem anderen Fall erzeugt die Fahrzeugsteuereinheit ein Hydraulikkraftsignal an den Hydraulikzylinder als Reaktion auf die prädiktive Last des Stapels, um die hydraulische Durchflussrate, den hydraulischen Druck oder eine Ventilstellung zu modifizieren.
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Ferner kann der Motordrehzahlsensor ein nachfolgendes Motordrehzahlsignal erzeugen, nachdem das Anbaugerät in den Stapel eingreift. Die Fahrzeugsteuereinheit kann das nachfolgende Motordrehzahlsignal mit dem Motordrehzahlsignal vergleichen. Die Motorsteuereinheit kann dann zukünftige Motordrehzahlsignale auf Grundlage eines gleitenden Durchschnitts anpassen, um ein nächstes Mal verwendet zu werden, wenn das Anbaugerät in den Stapel eingreift.
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Die Sensorverarbeitungseinheit kann ferner eine Kantenerkennungseinheit umfassen. Die Kantenerkennungseinheit kann Diskontinuitäten entweder in der Farb- oder Pixelintensität der Bilddaten identifizieren, um die Kante zu identifizieren, an der die Sensorverarbeitungseinheit eine Volumenschätzung basierend auf Diskontinuitäten berechnet.
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Das System kann ferner einen Bodensensor umfassen. Der Bodensensor zeigt zum Boden, um Bilddaten einer Bodenfläche zu sammeln, um eine Materialeigenschaft der Bodenfläche zu bestimmen. Die Fahrzeugsteuereinheit kann einen Belastungsparameter auf Grundlage einer Materialeigenschaft der Bodenfläche modifizieren.
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Diese und andere Funktionen werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, wobei verschiedene Funktionen zur Veranschaulichung gezeigt und beschrieben werden. Die vorliegende Offenbarung kann andere und unterschiedliche Konfigurationen haben und ihre verschiedenen Details können in verschiedener anderer Hinsicht modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend sind die detaillierte Beschreibung und die dazugehörigen Zeichnungen als veranschaulichend und nicht als beschränkend oder einschränkend anzusehen.
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Figurenliste
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Die detaillierte Beschreibung der Zeichnungen bezieht sich auf die beigefügten Figuren, in denen:
- 1 ist eine Darstellung einer beispielhaften Arbeitsmaschine.
- 2 ist ein Blockdiagramm eines sensorgestützten Führungssystems für die Arbeitsmaschine aus 1.
- 3A ist eine Ausführungsform eines Abschnitts des sensorgestützten Führungssystems, wie in 2 dargestellt.
- 3B ist eine alternative Ausführungsform des Abschnitts des sensorgestützten Führungssystems aus 3A.
- 3C ist eine weitere alternative Ausführungsform des Abschnitts des sensorgestützten Führungssystems, das in 3A dargestellt ist.
- 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, welches das sensorgestützte Führungssystem darstellt, wobei Kommunikation drahtlos unter Verwendung anderer beispielhafter Vorrichtungen erfolgen kann.
- 5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das von dem Steuersystem aus 2 ausgeführt wird, um die Belastungsparameter einer Arbeitsmaschine aus 1 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu optimieren.
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Gleiche Bezugszahlen werden verwendet, um gleiche Elemente in den einzelnen Figuren zu bezeichnen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die in den obigen Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung offenbarten Ausführungsformen sollen nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung auf diese Ausführungsformen beschränken. Vielmehr gibt es mehrere Abweichungen und Änderungen, die vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht 1 eine Arbeitsmaschine 100 mit einem sensorgestützten Führungssystem 110, das sich einem Materialstapel 115 nähert. Obwohl 1 einen Radlader offenbart, können alternative Ausführungsformen Baggerlader, Holzschlepper, Planierraupen, Fällerbündler und andere Formen von Mascinen der Bau-, Forst- oder Landwirtschaft umfassen. Das sensorgestützte Führungssystem 110 (in 2 gezeigt) optimiert die Belastungsparameter 120 der Arbeitsmaschine 100 zu dem Zeitpunkt und unmittelbar bevor die Arbeitsmaschine 100 mit dem Stapel 115 in Eingriff kommt. Die Arbeitsmaschine 100 umfasst einen Rahmen 125, der konfiguriert ist, um einen Motor 130, ein Getriebe 135, einen Hydraulikzylinder 140, einen Motordrehzahlsensor 470 und eine Bedienerstation 150 zu tragen. Ein Anbaugerät 155, wie etwa eine Schaufel zum Graben und Laden von Material, ist beweglich an die Arbeitsmaschine 100 gekoppelt. Die Arbeitsmaschine 100 umfasst ein Anbaugerät 155, das durch ein Hubstellglied und ein Neigungsstellglied angetrieben und gesteuert wird. Die Hub- und Kippstellglieder, die das Anbaugerät 155 bewegen, sind im Allgemeinen Hydraulikzylinder 140. Jedoch könnten die Hub- und Neigungsstellglieder alternativ ein anderer Mechanismus (nicht gezeigt) sein, um das Anbaugerät 110 zu bewegen. Hub- und Neigepositionssensoren 165, die mit den hydraulischen Hub- und Neigezylindern 140 gekoppelt sind, erzeugen Positionssignale 167 als Reaktion auf die Position des Anbaugeräts 155 relativ zu der Arbeitsmaschine 100, indem sie die Kolbenstangenausdehnung der hydraulischen Hub- und Neigezylinder 140 erfassen. Die Bedienstation 150 kann einen Bediener aufnehmen und umfasst Bedienereingabevorrichtungen 157 zum Steuern der Komponenten, einschließlich des Anbaugeräts 155 der Arbeitsmaschine 100.
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Die Arbeitsmaschine 100 kann Bodeneingriffsstützen 160, wie etwa Räder oder ein Raupenkettensystem (nicht dargestellt) aufweisen, das die Arbeitsmaschine 100 trägt. Der Motor 130 ist konfiguriert, um das Getriebe 135 anzutreiben, das die Bodeneingriffsmittel 160 und die Hydraulikzylinder 140 antreibt, um das Anbaugerät 155 zu bewegen.
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Bei dem Materialstapel 115 kann es sich um eine beliebige Vielzahl von Materialien handeln, die in das Anbaugerät 155 geladen und an einer anderen Stelle abgeladen werden sollen. Beispielsweise kann der Stapel Sand, Erde, Kies, Steinbruchgestein und vorgefertigte künstliche Materialien umfassen. Alternativ kann der Stapel 115 ein Damm oder Hügel sein, der aus einem zähen Material wie Ton, eingebetteten Steinen oder einem anderen zähen Material gebildet ist. Die Arbeitsmaschine 100 kann auf eine beliebige Anzahl von Variationen von Materialarten in einem Stapel 115 stoßen, die während des Betriebs geladen werden sollen. Es versteht sich, dass die Bezugnahme auf einen Stapel 115 jedes zu ladende Material umfasst, das mehr als ein bloßer Haufen übereinanderliegender Dinge sein kann.
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Die Arbeitsmaschine 100 umfasst einen Sensor 170, der im Allgemeinen in Vorwärtsrichtung zeigt. Die Vorwärtsrichtung kann entweder parallel zur Längsrichtung der Arbeitsmaschine 100 sein oder allgemein in Vorwärtsrichtung, wobei sich der Sensor in einer Richtung bewegen und zu einer beliebigen Stelle in einem Bereich vor der Arbeitsmaschine 100 gerichtet sein kann. Der Sensor 170 ist konfiguriert, um Bilddaten (in 2 gezeigt) eines Stapels in einem Sichtfeld 172 (durch die gepunktete Linie bezeichnet) des Sensors 170 zu erfassen. Bei dem Sensor 170 kann es sich beispielsweise um eine stereoskopische Sichtvorrichtung 230 oder eine Laserentfernungsvorrichtung 240 (gezeigt in 2 und 3A-3C) handeln.
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2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines sensorgestützten Steuersystems 110, das an der Arbeitsmaschine 100 zur Optimierung der Belastungsparameter 120 einer Arbeitsmaschine 100 verwendet werden kann. Das Steuersystem 110 kann Eingabeelemente 193, eine Sensorverarbeitungseinheit 195 und eine Fahrzeugsteuereinheit (Vehicle Control Unit - VCU) 190 umfassen. Die Eingabeelemente 193 umfassen einen Sensor 170, der mit der Arbeitsmaschine 100 gekoppelt ist, wobei der Sensor 170 im Allgemeinen einer Vorwärtsrichtung zugewandt ist (wie in 1 gezeigt). Der Begriff „Sensor“ bezieht sich kollektiv entweder auf einen einzelnen Sensor oder auf eine Vielzahl von Sensoren, wie nachfolgend im Detail beschrieben. Der Sensor 170 ist vorzugsweise an oder in der Nähe einer oberen Fläche der Bedienstation 150 gekoppelt, wo die Sicht von dem Sensor 170 auf einen Stapel 115, der in Eingriff genommen werden soll, am wenigsten behindert ist. Der Sensor 170 ist konfiguriert, um Bilddaten 175 eines Stapels 115 im Sichtfeld 172 des Sensors zu sammeln (in 1 durch die gepunkteten Linien angezeigt). Der Sensor 170 kann die stereoskopische Sichtvorrichtung 230, die Laserentfernungsvorrichtung 240 oder andere alternative Formen der Entfernungsabbildung umfassen. Wie in den verschiedenen Ausführungsformen der 3A-3C, einer Detailansicht eines Abschnitts des sensorgestützten Führungssystems 110, veranschaulicht, umfasst der Sensor 170 einen ersten Sensor 250 und einen optionalen zweiten Sensor 260, wobei der erste Sensor 250 und der zweite Sensor 260 kommunikativ mit der Sensorverarbeitungseinheit 195 gekoppelt sind. In der in 3A gezeigten Konfiguration kann der erste Sensor 250 eine primäre stereoskopische Sichtvorrichtung 230 umfassen, während der zweite Sensor 260 eine sekundäre stereoskopische Sichtvorrichtung 230 umfassen kann. In der in 3B gezeigten Konfiguration kann der zweite Sensor 260 eine Laserentfernungsvorrichtung 240 sein. Der zweite Sensor 260 in den 3A und 3B ist optional und stellt dem ersten Sensor 250 Redundanz im Falle eines Ausfalls, einer Fehlfunktion oder einer Genauigkeitsverbesserung der räumlichen Versatzmessungen von den Sensoren 210 zum Stapel 115 oder genauer der Oberfläche 118 des Stapels bereit. 3C zeigt die alternative Ausführungsform eines Sensors, der eine stereoskopische Sichtvorrichtung 230 umfasst. Die stereoskopische Sichtvorrichtung 230 kann digitale Datenformatausgabe als Bilddaten 175 einer Reihe von Stereostandbildern in regelmäßigen oder periodischen Intervallen oder in anderen Abtastintervallen bereitstellen. Jedes Stereostandbild (z. B. die ersten Bilddaten oder die zweiten Bilddaten) weist zwei Teilbilder desselben Sichtfeldes 172 oder eines Teils desselben Sichtfeldes 172 auf.
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Wie in 1 gezeigt, kann das Sichtfeld 172 des Sensors 170 von einer im Allgemeinen horizontalen Ebene in einem nach unten geneigten Winkel (z. B. etwa 5 bis 30 Grad von der horizontalen Ebene oder horizontalen Achse) nach unten geneigt sein. Dies stellt vorteilhaft relativ weniger Himmel im Sichtfeld des Sensors 170 bereit, so dass die gesammelten Bilddaten 175 dazu neigen, ein gleichmäßigeres Bildprofil aufzuweisen. Die geneigte Konfiguration ist auch gut geeignet, um beispielsweise die potenziellen Dynamikbereichsprobleme von hellem Sonnenlicht oder Zwischenwolkendecken zu mindern. Zusätzlich kann das Neigen des Sensors 170 nach unten die Ansammlung von Staub und anderen Verunreinigungen auf der Außenfläche des Sensors 170 reduzieren. Dies gilt insbesondere für die stereoskopische Sichtvorrichtung 230, bei der Bilddaten 175 gesammelt werden. Ferner ist die geneigte Konfiguration des Sensors derart abgewinkelt, dass der Sensor 170 verwendet werden kann, um sicherzustellen, dass das Anbaugerät 155 (z. B. die Schneidkante einer Schaufel) die Seitenwände des Lastkraftwagens beim Kippen und beim Rückwärtsfahren nach dem Kippen immer freigibt, um eine Kollision zwischen dem Anbaugerät 100 und dem Lastkraftwagen (nicht gezeigt) zu verhindern. In einer Ausführungsform ist die geneigte Konfiguration so ausgelegt, dass sie die Bordwandkante eines Lastkraftwagens umfasst, wenn sich das Anbaugerät 155 auf einer vollen Hubhöhe befindet. Während ein fester Sensor in einem Fall ausreichend sein kann, in dem die Bordwand eines Lastkraftwagens, ein Stapel oder ein Aggregat eines Stapels unter allen oder den meisten Umständen leicht zu sehen und zu messen sind, kann sich ein beweglicher Sensor so orientieren oder von einem Bediener so orientiert werden, dass die Sichtbarkeit des Stapels in einem Sichtfeld optimiert wird.
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Die Sensorverarbeitungseinheit 195 ist kommunikativ an den Sensor 170 gekoppelt. Die Sensorverarbeitungseinheit 195 ist konfiguriert, um die Bilddaten 175 von dem Sensor 170 zu empfangen und eine Volumenschätzung 310 des Stapels 115 auf Grundlage der Bilddaten 175 zu berechnen. Wie in 4 gezeigt, kann sich die Sensorverarbeitungseinheit 195 oder eine beliebige andere Steuerung oder Einheit, wie nachstehend beschrieben, auf der Arbeitsmaschine 100, auf dem Sensor 170, einer mobilen Vorrichtung 280 oder an einem anderen Ort, wie etwa einer Cloud 290, befinden, wobei die Kommunikation über eine drahtlose Datenkommunikationsvorrichtung 305 (z. B. Bluetooth, gestrichelt gezeigt) stattfindet. In einigen Ausführungsformen kann eine Einheit eine Steuerung, einen Mikrocomputer, einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ein programmierbares Logikfeld, eine Logikeinrichtung, eine arithmetische Logikeinheit, einen digitalen Signalprozessor oder einen anderen Datenprozessor und unterstützende elektronische Hard- und Software umfassen.
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Es versteht sich, dass die Sensorverarbeitungseinheit 195 einer vorhandenen Steuerung der Arbeitsmaschine oder einer separaten Verarbeitungsvorrichtung entsprechen kann. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform das Maschinensteuermodul ganz oder teilweise ein separates Steckmodul bilden, das in der Arbeitsmaschine installiert werden kann, um die Implementierung des offenbarten Systems und Verfahrens zu ermöglichen, ohne dass zusätzliche Software auf vorhandene Steuervorrichtungen der Arbeitsmaschine hochgeladen werden muss.
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Zurückkommend zu 2 kann die Sensorverarbeitungseinheit 195 eine Abstandsberechnungseinheit 295 und eine Bildverarbeitungseinheit 300 umfassen. In einer Ausführungsform berechnet die Abstandsberechnungseinheit 295 den räumlichen Versatz 303 des Stapels 115 aus den Bilddaten 175 von dem Sensor 170 oder genauer den räumlichen Versatz 303 der Oberfläche des Stapels 118 von dem Sensor 170. Die Abstandsberechnungseinheit 295 wendet einen Stereoanpassungsalgorithmus oder Disparitätsrechner auf die gesammelten Bilddaten 175 an. Der Stereoanpassungsalgorithmus oder Disparitätsrechner bestimmt die Disparität für jeden Satz von entsprechenden Pixeln in dem rechten und dem linken Bild und schätzt dann einen Abstand des Sensors 170 von der Oberfläche des Stapels 118 oder Stapelaggregats mithilfe dieser gemessenen Disparität und des bekannten Abstands zwischen der rechten und der linken Linse einer stereoskopischen Sichtvorrichtung 230. Dieser berechnete räumliche Versatz 303 kann optional durch einen zweiten Sensor 260 (z. B. eine Laserentfernungsvorrichtung) ergänzt werden, um die Genauigkeit des berechneten räumlichen Versatzes 303 zu bestätigen oder zu verbessern. In einem Ausführungsbeispiel zeigt 2 den Sensor 170, der eine stereoskopische Sichtvorrichtung 230 und eine Laserentfernungsvorrichtung 240 umfasst. Alternative Ausführungsformen wurden zuvor in den 3A-3C erörtert.
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Die Bildverarbeitungseinheit 300 kommuniziert mit dem Sensor 170 und der Abstandsberechnungseinheit 295. Die Bildverarbeitungseinheit 300 berechnet die Volumenschätzung 310 des Stapels 115 auf Grundlage der Bilddaten 175 und des räumlichen Versatzes 303. In einem Beispiel kann die Bildverarbeitungseinheit 300 einen Satz zweidimensionaler oder dreidimensionaler Punkte (z. B. kartesische Koordinaten oder Polarkoordinaten) in den gesammelten Bilddaten 175 identifizieren, die die Stapelposition, ein Aggregat 122 des Stapels oder beides definieren. Der Satz von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Punkten kann Pixelpositionen in Bildern entsprechen, die von der stereoskopischen Sichtvorrichtung 230 gesammelt werden. Die Bildverarbeitungseinheit 300 kann die Bilddaten 175 korrigieren, um die Analyse zu optimieren. Die Bildverarbeitungseinheit 300 kann Farbunterscheidung, Intensitätsunterscheidung oder Texturunterscheidung verwenden, um Pixel von einem oder mehreren Stapelaggregatpixeln aus den Bilddaten 175 zu identifizieren und sie Pixelmustern, Pixelattributen (z. B. Farbe oder Farbmustern wie Rot-Grün-Blau (RGB) -Pixelwerten), Pixelintensitätsmustern, Texturmustern, Helligkeit, Leuchtkraft, Farbton oder Reflektivität zuzuordnen, um den Bereich des Stapels 115 oder die Oberfläche des Stapels 118 und die entsprechende Volumenschätzung 310 mit dem berechneten oder gemessenen räumlichen Versatz 303 des Stapels 115 oder der Oberfläche des Stapels 118 von dem Sensor 170 zu berechnen.
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Die Sensorverarbeitungseinheit 195 kann ferner eine Kantenerkennungseinheit 315 umfassen, die kommunikativ mit dem Sensor 170 und/oder der Bildverarbeitungseinheit 300 gekoppelt ist. Die Kantenerkennungseinheit 315 identifiziert Diskontinuitäten entweder in Pixelfarbe oder Pixelintensität der Bilddaten 175, um Kanten zu identifizieren. Die Sensorverarbeitungseinheit 195 berechnet die Volumenschätzung 310 auf Grundlage der Diskontinuitäten. Die Kantenerkennungseinheit 315 kann einen Kantenerkennungsalgorithmus auf Bilddaten anwenden. Die Kantenerkennungseinheit 315 kann eine beliebige Anzahl geeigneter Kantenerkennungsalgorithmen verwenden. Die Kantenerkennung bezieht sich auf den Prozess des Identifizierens und Lokalisierens von Diskontinuitäten in Pixeln in Bilddaten 175 oder gesammelten Bilddaten. Beispielsweise können die Diskontinuitäten Materialänderungen in Pixelintensität oder Pixelfarbe darstellen, die die Grenzen von Objekten in einem Bild definieren. Eine Gradiententechnik der Kantenerkennung kann durch Filtern von Bilddaten implementiert werden, um unterschiedliche Pixelwerte in ersten Bereichen mit größeren Diskontinuitäten oder Gradienten als in zweiten Bereichen mit geringeren Diskontinuitäten oder Gradienten zurückzugeben. Beispielsweise erkennt die Gradiententechnik die Kanten eines Objekts durch Schätzen des Maximums und des Minimums der ersten Ableitung der Pixelintensität der Bilddaten. Die Laplace-Technik erkennt die Kanten eines Objekts in einem Bild, indem in der zweiten Ableitung des Pixelintensitätsbildes nach Nulldurchgängen gesucht wird. Weitere Beispiele geeigneter Kantenerkennungsalgorithmen sind unter anderem Roberts, Sobel und Canny, wie sie dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind. Die Kartenerkennungseinheit 315 kann eine numerische Ausgabe, Signalausgabe oder ein Symbol bereitstellen, das die Stärke oder Zuverlässigkeit der Kanten im Feld angibt. Beispielsweise kann die Kantenerkennungseinheit 315 dem linearen Hough-Transformator einen numerischen Wert oder einen Kantenstärkeindikator innerhalb eines Bereichs oder einer Skala oder einer relativen Stärke oder Zuverlässigkeit bereitstellen.
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Der lineare Hough-Transformator empfängt Kantendaten (z. B. einen Kantenstärkeindikator) in Bezug auf den Stapel 115 und sein Aggregatmaterial und identifiziert den geschätzten Winkel und Versatz der starken Liniensegmente, gekrümmten Segmente oder allgemein linearen Kanten des Stapels 115 in den Bilddaten 175. Der lineare Hough-Transformator umfasst einen Merkmalsextraktor zum Identifizieren von Liniensegmenten von Objekten mit bestimmten Formen aus den Bilddaten 175. Beispielsweise identifiziert der lineare Hough-Transformator die Liniengleichungsparameter oder Ellipsengleichungsparameter von Objekten in den Bilddaten aus den Kantendaten 320, die von der Kantenerkennungseinheit 315 ausgegeben werden, oder der Hough-Transformator klassifiziert die Kantendaten 320 als ein Liniensegment, eine Ellipse oder einen Kreis. So ist es möglich, die Teilkomponenten eines Aggregatstapels aus Steinen, Sand, Erde, Felsen oder künstlichen Materialien wie Rohren, die jeweils im Allgemeinen lineare, rechteckige, elliptische oder kreisförmige Merkmale aufweisen können, zu erfassen. Alternativ kann die Kantenerkennungseinheit 315 einfach einen geschätzten Umriss des Stapels 115 identifizieren, wodurch seine Fläche berechnet wird.
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In einer Ausführungsform kann die Sensorverarbeitungseinheit 195 direkt oder indirekt an optionale Lichter 330 (gezeigt in den 1 und 2) an der Arbeitsmaschine 100 zum Beleuchten des Stapels 115 gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Sensorverarbeitungseinheit 195 Treiber, Relais oder Schalter steuern, die wiederum die Aktivierung der Deaktivierung optionaler Lichter 330 auf dem Stapel 115 steuern. In einem Beispiel kann die Sensorverarbeitungseinheit 195 die Lichter 330 aktivieren, die auf das Sichtfeld 172 der stereoskopischen Sichtvorrichtung 230 gerichtet sind, wenn ein optischer Sensor oder Lichtmesser (nicht gezeigt) angibt, dass der Umgebungslichtpegel unter einem bestimmten Mindestschwellenwert liegt.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 ist die Fahrzeugsteuereinheit 190 an der Arbeitsmaschine 100 kommunikativ mit der Sensorverarbeitungseinheit 195 gekoppelt. Die Fahrzeugsteuereinheit 190 ist konfiguriert, um einen Belastungsparameter 120 der Arbeitsmaschine 100 als Reaktion auf eine prädiktive Last 340 des Stapels zu modifizieren. Die Fahrzeugsteuereinheit 190 umfasst eine Speichereinheit 350 und eine Datenverarbeitungseinheit 360.
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Die Speichereinheit 350 ordnet eine Materialeigenschaft des Stapels aus einer gespeicherten Datenbank 270 mit Materialeigenschaftsreferenzdaten 370 entweder auf Grundlage der Bilddaten 175, des Bedienereingabesignals 200 von der Bedienereingabevorrichtung 157 oder beidem zu. Die gespeicherte Datenbank 270 kann einen elektronischen Speicher, ein Magnetplattenlaufwerk, ein optisches Plattenlaufwerk oder eine magnetische Speichervorrichtung oder eine optische Speichervorrichtung entweder an der Arbeitsmaschine 100 oder an einem anderen Ort (z. B. Datencloud 290 oder eine mobile Vorrichtung 280, die in 4 gezeigt ist) in Kommunikation mit der Fahrzeugsteuereinheit 190 umfassen. In einem Beispiel ähnlich der Bildverarbeitungseinheit 300 kann die Speichereinheit 350 einen Satz zweidimensionaler oder dreidimensionaler Punkte (z. B. kartesische Koordinaten oder Polarkoordinaten) in den gesammelten Bilddaten 175 identifizieren, die die Stapelposition, ein Aggregat des Stapels oder beides definieren. Der Satz von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Punkten kann Pixelpositionen in Bildern entsprechen, die von der stereoskopischen Sichtvorrichtung 230 gesammelt werden. Die Speichereinheit 350 kann Materialeigenschaftsreferenzdaten 370 identifizieren, verwenden oder abrufen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Speichereinheit 350 eine Liste vorgeschlagener Materialeigenschaftsreferenzdaten 370 des Stapels auf Grundlage der Bilddaten 175 auf einem interaktiven Bildschirm (z. B. innerhalb der Bedienstation oder einer mobilen Vorrichtung, die mit einer Cloud oder der Fahrzeugsteuereinheit 190 verbunden ist) vorausfüllen, wobei der Bediener manuell aus der Liste auswählt. In einer weiteren Ausführungsform identifiziert und verknüpft die Speichereinheit 350 automatisch Materialeigenschaftsreferenzdaten 370 auf Grundlage der Bilddaten 175 (z. B. der zweidimensionalen oder dreidimensionalen Punkte und des Farbspektrums des Stapels). Die Speichereinheit 350 kann Farbunterscheidung, Intensitätsunterscheidung oder Texturunterscheidung verwenden, um Pixel von einem oder mehreren Stapelaggregatpixeln aus den Bilddaten zu identifizieren und sie Pixelmustern, Pixelattributen (z. B. Farb- oder Farbmustern wie Rot-Grün-Blau (RGB) -Pixelwerten), Pixelintensitätsmustern, Texturmustern, Helligkeit, Leuchtkraft, Farbton oder Reflektivität aus der gespeicherten Datenbank zuzuordnen und die geeigneten Materialeigenschaftsreferenzdaten 370 (durchgehend auch als Materialeigenschaft bezeichnet) zum Identifizieren von Materialeigenschaften und Berechnen der prädiktiven Last 340 zuzuweisen. Zu den Materialeigenschaften 370 gehören unter anderem Größe, Art, Dichte, Porosität, Oberflächentextur, Oberflächenreibung, Gewicht, spezifische Wärme, Feuchtigkeit und Geometrie.
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Die Datenverarbeitungseinheit 360 ist kommunikativ mit der Speichereinheit 350 gekoppelt. Die Datenverarbeitungseinheit 360 ist konfiguriert, um die prädiktive Last 340 des Stapels auf Grundlage der Volumenschätzung 310 und der Materialeigenschaft 370 zu berechnen. Die prädiktive Last 340 ist die voraussichtliche Last, die auf einen beliebigen oder mehrere der Belastungsparameter 120 aufgebracht werden soll.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das System 110 ferner einen Bodensensor 380 (gezeigt in den 1 und 2) umfassen, der dem Boden 390 oder der Bodenfläche zugewandt ist. Der Bodensensor 380 kann Bilddaten 175 einer Bodenfläche sammeln, um eine Materialeigenschaft 370 der Bodenfläche zu bestimmen, wobei die Fahrzeugsteuereinheit 190 (nachstehend erörtert) einen Belastungsparameter 120 auf Grundlage der Materialeigenschaft 370 der Bodenfläche 390 modifiziert. Die Materialeigenschaften einer Bodenfläche 390 können sich von einem Stapel 115 unterscheiden, wodurch Belastungsparameter 120 der Arbeitsmaschine 100 beeinflusst werden, wie etwa das Zugkraftverhältnis 400, das wiederum die Belastung der Arbeitsmaschine 100 beeinflusst. Das Zugkraftverhältnis 400 ist als die tangentiale Scherkraft definiert, die von der Antriebsfläche der Maschine 100 (d. h. Bodeneingriffsstützen 160) auf die Bodenfläche 390 ausgeübt wird. Der Bodensensor 380 ist vorzugsweise an oder in der Nähe der Bodeneingriffsstützen 160 angeordnet, um das Zugkraftverhältnis 400 vorteilhaft zu verbessern. In einer Ausführungsform kann der Bodensensor 380 näher an der hinteren Position in der Nähe der hinteren Bodeneingriffsstützen 160 angeordnet sein. Alternativ kann der Bodensensor 380 in einer anderen Ausführungsform näher am vorderen Abschnitt der Arbeitsmaschine 100 in der Nähe der vorderen Bodeneingriffsmittel 160 angeordnet sein. In anderen möglichen Ausführungsformen kann es mehrere Bodensensoren 380 geben, die vorne und hinten oder um den Umfang der Arbeitsmaschine 100 herum angeordnet sind. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Bodensensor 380 vorzugsweise eine stereoskopische Sichtvorrichtung, die Bilddaten 175 erfassen kann. In alternativen Ausführungsformen kann der Bodensensor 380 jedoch einen beliebigen Sensor 170 umfassen, der in der Lage ist, eine Materialeigenschaft 370 des Bodens zu identifizieren (z. B. Feuchtigkeitssensor, Lidar, Radar, Sichtvorrichtung usw.). Die Eingabe von entweder dem Sensor 170 und/oder dem Bodensensor 380 kann einen Belastungsparameter 120 der Arbeitsmaschine 100 als Reaktion auf eine vorhersagende Last 340 des Stapels modifizieren, wobei ein Zugkraftsignal 405 als Reaktion auf die prädiktive Last 340 von der Fahrzeugsteuereinheit 190 kommuniziert wird.
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Die Belastungsparameter 120 umfassen die Motordrehzahl 410, ein Übersetzungsverhältnis 420, eine hydraulische Durchflussrate 430, einen hydraulischen Druck 440, ein Zugkraftverhältnis 400 und eine Ventilstellung 460.
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Ein Motordrehzahlsensor 470 kann in dem Steuersystem 110 zum Erfassen einer Motordrehzahl 410 des Motors 130 angeordnet sein. Darüber hinaus kann ein Getriebeeingangsdrehzahlsensor 480 eine Eingangsdrehzahl des Getriebes 135 erfassen und ein Getriebeausgangsdrehzahlsensor 490 kann eine Ausgangsdrehzahl des Getriebes 135 erfassen. Der Motordrehzahlsensor 470, der Getriebeeingangsdrehzahlsensor 480 und der Getriebeausgangsdrehzahlsensor 490 können kommunikativ an die Fahrzeugsteuereinheit 190 gekoppelt sein.
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Die Fahrzeugsteuereinheit 190 kann kommunikativ mit der Motorsteuerung 500 gekoppelt sein. Die Fahrzeugsteuereinheit 190 kann ein Motordrehzahlsignal 510 als Reaktion auf die prädiktive Last 340 des Stapels erzeugen, um die Motordrehzahl vorübergehend entweder vor oder zu dem Zeitpunkt zu erhöhen, zu dem das Anbaugerät 155 mit einen Stapel 115 in Eingriff kommt. Dadurch wird vorteilhaft eine ausreichende Kraft für die Arbeitsmaschine 100 bereitgestellt, wenn der Stapel 115 in Eingriff gebracht wird, um zu verhindern, dass der Motor bei Überlast zum Stillstand kommt. Gleichzeitig werden der Kraftstoffverbrauch, der Reifenverschleiß und die Schwankungen der Bedienereffizienz minimiert. Unter weiterer Bezugnahme auf 2 kann der Motordrehzahlsensor 470 ein nachfolgendes Motordrehzahlsignal 520 erzeugen, nachdem das Anbaugerät mit dem Stapel 115 in Eingriff steht. Die Fahrzeugsteuereinheit 190 kann dann das nachfolgende Motordrehzahlsignal 520 mit dem Motordrehzahlsignal 510 vergleichen und zukünftige Motordrehzahlsignale auf Grundlage eines gleitenden Mittelwerts zur Verwendung ein nächstes Mal anpassen, wenn das Anbaugerät in den Stapel eingreift. Dieser Rückkopplungsmechanismus korrigiert die Belastungsparameter 120 der Arbeitsmaschine 100 in Fällen, in denen die Gewichtsbestimmung von der Datenverarbeitungseinheit 360 ungenau sein kann. Beispielsweise können Feuchtigkeitsgehalt und Schüttdichte des Materials, die mit Bilddaten 175 möglicherweise nicht messbar sind, derart variieren, dass das Gesamtgewicht oder die Gesamtlast für das gleiche Volumen unterschiedlich ist. Der Rückkopplungsmechanismus verfeinert die Belastungsparameter 120 bei jedem Eingriff mit dem Stapel während eines Betriebs der Arbeitsmaschine 100. Diese Einstellungen können dann im Speicher der Fahrzeugsteuereinheit 190 abgespeichert oder alternativ beim Starten der Arbeitsmaschine 100 zurückgesetzt werden. Alternativ kann dies als ein Rückkopplungsmechanismus bezeichnet werden, der die prädiktive Last 340 mit einem bordeigenen Wiegesystem der Arbeitsmaschine 100 korreliert.
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Die Fahrzeugsteuereinheit 190 kann ferner kommunikativ mit der Getriebesteuerung 540 gekoppelt sein. Die Fahrzeugsteuereinheit 190 kann ein Getriebesteuersignal 550 als Reaktion auf die prädiktive Last 340 des Stapels erzeugen, um das Übersetzungsverhältnis 420 entweder vor oder zu dem Zeitpunkt zu senken, zu dem das Anbaugerät mit einem Stapel 115 in Eingriff kommt. Ähnlich wie das nachfolgende Motordrehzahlsignal 520 kann die Fahrzeugsteuereinheit 190 das Getriebesteuersignal 550 nach dem Eingreifen in den Stapel 115 zur Verwendung beim nächsten Eingreifen des Anbaugeräts in den Stapel einstellen.
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Die Fahrzeugsteuereinheit 190 kann ferner kommunikativ mit der Anbaugerätesteuerung 450 gekoppelt sein, die einen oder mehrere Hydraulikzylinder 140 steuert. Die Fahrzeugsteuereinheit kann ein Hydraulikkraftsignal 560 als Reaktion auf die prädiktive Last 340 des Stapels erzeugen, um eine oder mehrere von einer hydraulischen Durchflussrate 430, einem hydraulischen Druck 440 und einer Position eines Steuerventils 460 zu modifizieren. Das Hydraulikkraftsignal 560 erhöht das Eingabebefehlssignal 200 des Bedieners als Reaktion auf die prädiktive Last 340, um das Anbaugerät 155 zu bewegen. Das Hydraulikkraftsignal 560 wird mechanisch, hydraulisch und/oder elektrisch an das hydraulische Steuerventil 460 geleitet. Das hydraulische Steuerventil 460 empfängt unter Druck stehendes Hydraulikfluid 590 von einer Hydraulikpumpe 600 und sendet dieses unter Druck stehende Hydraulikfluid 590 auf Grundlage des erweiterten Hydraulikkraftsignals 560 selektiv an einen oder mehrere Hydraulikzylinder 140. Die Hydraulikzylinder 140 werden durch das unter Druck stehende Fluid ausgefahren oder eingefahren und betätigen dadurch das Anbaugerät 155.
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Unter Bezugnahme auf 5 ist unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Verfahren zum Optimieren der Belastungsparameter 610 einer Arbeitsmaschine 100 gezeigt. In einem ersten Block 620 des Verfahrens ist der Sensor 170 an eine Arbeitsmaschine 100 gekoppelt und der Sensor 170 ist konfiguriert, um Bilddaten 175 des Stapels 115 in einem Sichtfeld 172 des Sensors 170 zu sammeln. Der Sensor 170 kann sich auf einer oberen Fläche der Bedienstation 150 befinden, auf der das Sichtfeld 172 des Sensors 170 im Allgemeinen ungehindert ist. Im zweiten Block 630 empfängt die Sensorverarbeitungseinheit 195 die Bilddaten 175 vom Sensor 170. In einem dritten Block 640 berechnet die Abstandsberechnungseinheit 295, die sich an der Sensorverarbeitungseinheit 195 befindet, einen räumlichen Versatz 303 des Stapels 115 oder einer Oberfläche des Stapels 118 aus den Bilddaten 175, die vom Sensor 170 bereitgestellt werden. In einem vierten Block 650 berechnet die Bildverarbeitungseinheit 300, die sich an der Sensorverarbeitungseinheit 195 befindet, eine Volumenschätzung 310 auf Grundlage der Bilddaten 175 und/oder des räumlichen Versatzes 303, der durch den Sensor 170 und die Abstandsberechnungseinheit 295, die sich auf der Sensorverarbeitungseinheit 195 befindet, bereitgestellt wird. In einem fünften Block 660 ordnet die Speichereinheit 350, die sich in der Fahrzeugsteuereinheit 190 der Arbeitsmaschine 100 befindet, eine Materialeigenschaft 370 des Stapels 115 aus einer gespeicherten Datenbank 270, die sich in einer Cloud oder in der Fahrzeugsteuereinheit befindet, basierend auf den Bilddaten 175, einer Bedienereingabe 200 oder beiden zu. In einem sechsten Block 670 berechnet die Datenverarbeitungseinheit 360, die sich in der Fahrzeugsteuereinheit 190 befindet, eine prädiktive Last 340 des Stapels basierend auf der Volumenschätzung 310 und der identifizierten Materialeigenschaft 370. In einem siebten Block 680 modifiziert die Fahrzeugsteuereinheit 190 einen Belastungsparameter 120 der Arbeitsmaschine auf Grundlage der prädiktiven Last 340 des Stapels. Die Belastungsparameter 120 umfassen die Motordrehzahl 410, ein Übersetzungsverhältnis 420, eine hydraulische Durchflussrate 430, einen hydraulischen Druck 440, ein Zugkraftverhältnis 400 und eine Ventilstellung 460.
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Die hierin verwendete Terminologie dient dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen oder Implementierungen und soll die Offenbarung in keiner Weise einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes anzeigt. Es versteht sich ferner, dass jede Verwendung der Begriffe „hat“, „haben“, „aufweisen“, „beinhalten“, „enthält“, „umfasst“, „umfassen“, „umfassend“, „beinhaltet“ oder dergleichen in dieser Patentschrift das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten identifiziert, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließt.
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Die hier mit den Bezugszeichen „A“ und „B“ verwendeten Bezugsziffern dienen lediglich der Verdeutlichung bei der Beschreibung mehrerer Implementierungen einer Vorrichtung.
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Einer oder mehrere der Schritte oder Vorgänge in einem der hier erörterten Verfahren, Prozesse oder Systeme können weggelassen, wiederholt oder neu geordnet werden und liegen im Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung.
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Während das Obenstehende beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschreibt, sollten diese Beschreibungen nicht in einem einschränkenden oder begrenzenden Sinne betrachtet werden. Vielmehr gibt es mehrere Abweichungen und Änderungen, die vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
