DE102020215675A1

DE102020215675A1 - Intelligente aushubsysteme mit angelenktem ausleger

Info

Publication number: DE102020215675A1
Application number: DE102020215675.1A
Authority: DE
Inventors: Todd F. Velde; Zachary Ritchie; Harry K. Voelp
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2021-07-22
Also published as: BR102020022132A2; US20210222405A1; CN113136906A

Abstract

Ausführungsformen eines intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger beinhalten eine angelenkte Auslegerbaugruppe, die in einem Aushubwerkzeug endet, ein elektrohydraulisches (EH) Betätigungs-Teilsystem und Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren, die Verfolgungsdaten bereitstellen, die eine Bewegung des Aushubwerkzeugs anzeigen. Eine Steuerungsarchitektur ist in einem Aushubtiefenbegrenzungsmodus betreibbar, in dem die Steuerungsarchitektur: (i) eine aktuelle Position des Aushubwerkzeugs relativ zu einem virtuellen Aushubboden unter Verwendung der Verfolgungsdaten, die durch die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren bereitgestellt werden, verfolgt; (ii) bestimmt, wann eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug führt; und (iii) bei Bestimmung, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, das EH-Betätigungs-Teilsystem steuert, um die vom Bediener befohlene Bewegung auf eine Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Nicht zutreffend.
ANGABE ÜBER STAATLICH GEFÖRDERTE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
Nicht zutreffend.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Diese Offenbarung bezieht sich auf Aushubsysteme mit angelenktem Ausleger, die in intelligenten Steuermodi betrieben werden können, wie etwa einem Aushubtiefenbegrenzungsmodus, in dem Bedienereingabebefehle selektiv modifiziert werden, um eine Verletzung eines virtuellen Aushubbodens durch eine Baggerschaufel oder ein anderes am Ausleger montiertes Aushubwerkzeug zu verhindern.
HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Bestimmte Arbeitsfahrzeuge sind in der Regel mit Aushubbaugruppen mit angelenktem Ausleger ausgestattet, die in einem Aushubwerkzeug enden, wie etwa einer Baggerschaufel, einer Schnecke, einem Grabenfräse-Anbaugerät oder einem Hydraulikhammer. Die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger kann als eine modulare Einheit hergestellt werden, die für ein schnelles Anbringen oder Abnehmen im Feld durch einen Bediener bestimmt ist, wie im Falle eines Bagger-Anbaugeräts für einen Traktor. Alternativ kann die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger auf nicht-modulare Weise mit dem Fahrgestell eines Arbeitsfahrzeugs verbunden sein, die nicht zum schnellen Abnehmen und Austauschen im Feld bestimmt ist, wie bei Raupenbaggern und einigen Traktorbaggern. Unabhängig davon, ob sie modular oder nicht-modular implementiert ist, kann die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger mithilfe eines elektrohydraulischen (EH) Steuerschemas gesteuert werden, das von einer elektronischen Steuerung ausgeführt wird. Während des Betriebs der Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger werden Bedienereingabebefehle, die über eine Bedienerschnittstelle eingegeben werden (z. B. Joysticks oder ähnliche manuelle Bedienelemente), an die Steuerung übertragen, die die Bedienereingabebefehle in entsprechende Ventilsteuersignale umwandelt. Die Ventilsteuersignale werden dann an Ventilstellglieder weitergeleitet, die Durchflussregelventile modulieren, um den Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit zu Hydraulikzylindern zu variieren, die in die angelenkte Auslegerbaugruppe integriert sind. Als Reaktion auf solche Änderungen des Hydraulikfluidflusses fahren die Hydraulikzylinder je nach Bedarf ein oder aus, um die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger und insbesondere das Aushubwerkzeug in der vom Arbeitsfahrzeugbediener befohlenen Weise zu bewegen.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet ein intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger eine angelenkte Auslegerbaugruppe, die in einem Aushubwerkzeug endet, ein elektrohydraulisches (EH) Betätigungs-Teilsystem, das Hydraulikzylinder beinhaltet, die in die angelenkte Auslegerbaugruppe integriert sind, und Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren, die mit der angelenkten Auslegerbaugruppe gekoppelt und konfiguriert sind, um Verfolgungsdaten bereitzustellen, die die Bewegung des Aushubwerkzeugs angeben. Eine Steuerungsarchitektur ist mit dem EH-Betätigungs-Teilsystem und den Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren gekoppelt. Die Steuerungsarchitektur ist in einem Aushubtiefenbegrenzungsmodus betreibbar, in dem die Steuerungsarchitektur: (i) eine aktuelle Position des Aushubwerkzeugs relativ zu einem virtuellen Aushubwerkzeug unter Verwendung der durch die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren bereitgestellten Verfolgungsdaten verfolgt; (ii) bestimmt, wann eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug führen wird, zumindest teilweise auf Grundlage der aktuellen Position der angelenkten Auslegerbaugruppe; und (iii) wenn bestimmt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, das EH-Betätigungs-Teilsystem steuert, um die vom Bediener befohlene Bewegung auf eine Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindert.
In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger ein EH-Betätigungs-Teilsystem mit Hydraulikzylindern, die in die angelenkte Auslegerbaugruppe integriert sind, Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren, die mit der angelenkten Auslegerbaugruppe gekoppelt und konfiguriert sind, um Verfolgungsdaten bereitzustellen, die die Bewegung des Aushubwerkzeugs anzeigen, und eine Bedienerschnittstelle, die konfiguriert ist, um Bedienereingabebefehle zu empfangen, die die Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe steuern. Eine Steuerungsarchitektur ist mit dem EH-Betätigungs-Teilsystem, der Bedienerschnittstelle und den Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren gekoppelt. Die Steuerungsarchitektur ist konfiguriert, um: (i) die durch die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren bereitgestellten Verfolgungsdaten zu verwenden, um eine aktuelle Position des Aushubwerkzeugs relativ zu einer zweidimensionalen Ebene zu verfolgen, die eine Begrenzung einer Aushubfunktion definiert, die wünschenswerterweise unter Verwendung des Aushubwerkzeugs erstellt wird; und (ii) das EH-Betätigungs-Teilsystem zu steuern, um eine Schneidkante des Aushubwerkzeugs als Reaktion auf Bedienereingabebefehle, die über die Bedienerschnittstelle empfangen werden, entlang der zweidimensionalen Ebene zu bewegen, ohne dass diese verletzt wird.
Die Details einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen sowie in der nachstehenden Beschreibung festgelegt. Andere Eigenschaften und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste
Mindestens ein Beispiel der vorliegenden Offenbarung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden Figuren beschrieben:

1 ist eine Seitenansicht eines Arbeitsfahrzeugs (hier eines Traktors), das mit einem intelligenten elektrohydraulischen (EH) Aushubsystem mit angelenktem Ausleger (hier eines intelligenten Baggersystems) ausgestattet ist, wie es in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt wird;
2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten intelligenten EH-Baggersystems, einschließlich mehrerer Fenster, die ausgewählte Komponenten des beispielhaften Baggersystems detaillierter veranschaulichen;
3 ist eine schematische Seitenansicht des beispielhaften intelligenten EH-Baggersystems aus den 1 und 2, die Positionen veranschaulichen, an denen Drehpositionssensoren und Drucksensoren in Ausführungsformen in die angelenkte Auslegerbaugruppe integriert werden können;
4 ist eine schematische Seitenansicht der angelenkten Auslegerbaugruppe aus 3, die das Potenzial für Bedienerfehler beim versehentlichen Graben einer Aushubfunktion bis zu einer übermäßigen Tiefe ohne die Aushubtiefenbegrenzungsfunktion veranschaulicht, die durch Ausführungsformen des intelligenten EH-Baggersystems bereitgestellt wird;
5 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses, der in geeigneter Weise durch die Steuerungsarchitektur des intelligenten EH-Baggersystems durchgeführt wird (1-3), um eine Aushubtiefenbegrenzungsfunktion und möglicherweise andere Steuerfunktionen auszuführen, wenn das Baggersystem zum Erstellen einer Aushubfunktion verwendet wird;
Die 6-9 veranschaulichen nacheinander eine beispielhafte Art und Weise, in der die angelenkte Auslegerbaugruppe des intelligenten EH-Baggersystems Bedienereingabebefehle in eine Bewegung einer Schneidkante der Baggerschaufel entlang eines virtuellen Aushubbodens ohne eine Verletzung desselben übersetzen kann; und
10 ist eine isometrische Ansicht eines Traktorbaggers, der mit einem intelligenten EH-Baggersystem ausgestattet ist und ferner zwei Achsen (Neigen und Rollen) veranschaulicht, um die ein Bediener den virtuellen Aushubboden in mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung drehen kann.

Gleiche Bezugssymbole in den unterschiedlichen Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente. Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit der Darstellung können Beschreibungen und Details bekannter Merkmale und Techniken weggelassen werden, um unnötiges Verdecken der in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beschriebenen beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsformen der Erfindung zu vermeiden. Es versteht sich ferner, dass Merkmale oder Elemente, die in den begleitenden Figuren erscheinen, nicht zwangsläufig maßstabsgetreu gezeichnet sind, sofern nicht anders vermerkt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den beigefügten Figuren der vorstehend kurz beschriebenen Zeichnungen dargestellt. Verschiedene Abwandlungen der beispielhaften Ausführungsformen können von Fachleuten in Betracht gezogen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt.
ÜBERSICHT
Intelligente Steuersysteme wurden entwickelt, um die Bewegung von Werkzeugen oder Anbaugeräten im Kontext bestimmter Arbeitsfahrzeuge zu steuern, wie beispielsweise intelligente Steuersysteme zur Positionierung der Scharen von Motorgradern. Es gibt jedoch relativ wenige, wenn überhaupt intelligente Steuersysteme, um die Bewegung von angelenkten Auslegerbaugruppen zu steuern und gleichzeitig die besonderen Bedürfnisse solcher Baugruppen zu erfüllen. Dieser industrielle Mangel führt zu einer verringerten Produktivität und erhöhten Gelegenheiten von menschlichem Versagen, wenn zum Beispiel eine Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger verwendet wird, um eine Aushubfunktion, wie etwa einen Graben, gemäß den Spezifikationen zu graben. Fehlt eine intelligente Führung der Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger, kann ein Bediener Schwierigkeiten haben, die Bewegung des Aushubwerkzeugs mit Bedienereingabebefehlen zu korrelieren, insbesondere wenn man bedenkt, dass herkömmliche Steuerschemata eine Drehsteuerung des Auslegerbaugruppengestänges um mehrere Stifte oder Drehgelenke des Auslegerbaugruppengestänges beinhalten, was zu einer nichtlinearen Bewegung des Aushubwerkzeugs führt. Die Fähigkeit eines Bedieners, die Bewegung des Aushubwerkzeugs für einen gegebenen Satz von Bedienereingabebefehlen intuitiv vorherzusagen, kann weiter beeinträchtigt werden, wenn das Arbeitsfahrzeug durch ein unebenes Gelände gestützt wird, was das Arbeitsfahrzeugfahrgestell um seine Roll- und/oder Neigungsachsen neigt. Darüber hinaus kann es für einen Bediener, der in einer Bedienerstation des Arbeitsfahrzeugs sitzt, schwierig sein, die räumliche Beziehung zwischen dem Aushubbereich, in dem eine Aushubfunktion wünschenswerterweise erzeugt wird, und der Position des Aushubwerkzeugs mit hoher Genauigkeit zu beurteilen, wenn sich das Aushubwerkzeug während einer Aushubaufgabe durch ein dreidimensionales (3D-) Raumvolumen (hier der „Werkzeugraum“) bewegt.
Zumindest aus diesen Gründen kann ein Bediener einen übermäßig tiefen Graben oder eine ähnliche Aushubfunktion erstellen, wenn er einen Aushubvorgang mithilfe einer herkömmlichen, ungeführten Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger durchführt. Die Erzeugung eines solchen übermäßig tiefen Grabens kann zu einem unbeabsichtigten Kontakt zwischen dem Aushubwerkzeug und Rohren, Rohrleitungen oder anderen im Boden vergrabenen Objekten führen. Zusätzlich wird die Aufgabe des Grabens einer Aushubfunktion nach Spezifikationen (z. B. einer gewünschten Form und Abmessungen) in Fällen, in denen der Boden der Aushubfunktion wünschenswerterweise mit einer gezielten Steigung (einer spezifischen Neigung oder Gefälle) versehen wird, weiter kompliziert, was wiederum zusätzliche Gelegenheit für menschliches Versagen bietet und die geistige Arbeitsbelastung, die auf den Bediener während der Aushubaufgabe ausgeübt wird, verschärft. Als noch eine weitere Herausforderung finden es Bediener routinemäßig schwierig, eine Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger in einer Weise zu steuern, die eine Schneidkante des Aushubwerkzeugs entlang einer Seitenwand einer Aushubfunktion bewegt, um einen relativ ebenen oder „sauberen“ Schnitt bereitzustellen. Dies kann der Fall sein, wenn ein Bediener versucht, die Oberfläche einer Aushubfunktion zu säubern, die sich am nächsten zum Arbeitsfahrzeug befindet (üblicherweise als „Rückseite“ der Aushubfunktion bezeichnet), da diese Oberfläche typischerweise während eines Aushubvorgangs ohne Neupositionierung des Arbeitsfahrzeugs von der direkten Sichtlinie (line of sight - LOS) des Bedieners verdeckt bleibt.
Es besteht somit ein anhaltender Bedarf der Branche an Systemen, einschließlich Aushubbaugruppen mit angelenktem Ausleger (hier „intelligente Aushubbaugruppen mit angelenktem Ausleger“), die in intelligenten Steuerungs- oder Aushubwerkzeugführungsmodi betrieben werden können, die Einschränkungen überwinden, die mit herkömmlichen Aushubbaugruppen mit angelenktem Ausleger verbunden sind, denen intelligente Führungsfunktionalitäten fehlen. Idealerweise wäre ein solches intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger in einem Werkzeugführungsmodus betreibbar, der einen Bediener dabei unterstützt, eine Aushubfunktion mit einer gewünschten Form und Abmessungen auf intuitive und konsistente Weise zu vermitteln. Es wäre auch wünschenswert, dass ein solches intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger Bedienereingabebefehle in vorhersehbarer Weise in eine Bewegung eines an Ausleger montierten Aushubwerkzeugs umsetzt, unabhängig von der Ausrichtung des Arbeitsfahrzeugfahrgestells während eines Aushubvorgangs. In noch anderen Fällen, in denen ein elektrohydraulisches (EH) Betätigungs-Teilsystem verwendet wird, um eine Bewegungen einer Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger zu bewirken, die in einer Baggerschaufel oder einem anderen an einem Ausleger angebrachten Aushubanbaugerät endet, wäre es wünschenswert, dass die intelligente Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger in einem Steuermodus betrieben werden kann, der das Abwürgen des EH-Betätigungs-Teilsystems und andere Überlastzustände verringert.
Hierin offenbart sind Ausführungsformen eines intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger, das derartige Funktionalitäten bereitstellt. Zunächst wird die Aushubtiefenbegrenzungsfunktion, die von einigen (aber nicht notwendigerweise allen) Ausführungsformen des intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger durchgeführt wird, angesprochen. Bei Aktivierung verhindert diese Funktion (oder hält ihn zumindest davon ab), dass ein Bediener eine Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger steuert, um eine Aushubfunktion bis zu einer übermäßigen Tiefe auszugraben. In verschiedenen Implementierungen verwendet eine oder mehrere Steuerungen (hier die „Steuerungsarchitektur“) des intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger Daten, die durch Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren bereitgestellt werden, um die Position des Aushubwerkzeugs relativ zu einem virtuellen Aushubboden zu verfolgen. Die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren können eine beliebige Art und Anzahl von Sensoren zum Überwachen der Bewegung des Aushubwerkzeugs relativ zum Fahrgestell des Arbeitsfahrzeugs oder eines anderen festen Bezugspunkts beinhalten. Beispielsweise sind in einem Ansatz Drehpositionssensoren in die Drehgelenke des Auslegerbaugruppengestänges integriert; und die von den Drehpositionssensoren erfassten Winkelverschiebungsmesswerte werden in Verbindung mit bekannten Abmessungen des Auslegerbaugruppengestänges verwendet, um die Position des Aushubwerkzeugs und möglicherweise speziell die Position einer Schneidkante des Aushubwerkzeugs im 3D-Werkzeugraum zu verfolgen. Zusätzlich zu oder anstelle von solchen Drehpositionsmessungen können auch andere Sensoreingaben berücksichtigt werden, wie etwa lineare Verschiebungen von Hydraulikzylindern, die in die Auslegerbaugruppe integriert sind, trägheitsbasierte Sensormesswerte (wie sie durch mikroelektromechanische (MEMS) Vorrichtungen, wie etwa MEMS-Beschleunigungsmesser oder Gyroskope, erfasst werden, die in die Auslegerbaugruppe integriert sind), Messwerte, die durch Sensoren erfasst werden, die eine aktuelle Ausrichtung des Arbeitsfahrzeugfahrgestells angeben (z. B. MEMS-Vorrichtungen, Neigungsmesser oder ähnliche Sensoren, die an dem Arbeitsfahrzeugfahrwerk angebracht sind), und/oder Sichtsystemverfolgung des Aushubanbaugeräts, um nur einige Beispiele aufzuführen.
Unabhängig von der besonderen Art und Weise, in der das Aushubwerkzeug verfolgt wird, bestimmt oder prognostiziert die Steuerungsarchitektur wiederholt, wann eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug führen wird, zumindest teilweise auf Grundlage der aktuellen Position der angelenkten Auslegerbaugruppe. Wenn bestimmt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, steuert die Steuerungsarchitektur die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger (z. B. durch Befehle, die an ein EH-Betätigungs-Teilsystem übertragen werden), um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindert. Umgekehrt implementiert die Steuerungsarchitektur die vom Bediener befohlene Bewegung ohne deren Änderung, wenn festgestellt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe nicht zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führt. Auf diese Weise ist es einem Bediener gestattet, das Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nithilfe eines Standardsteuerschemas (umgangssprachlicher „graben wie üblich“) in der Raumhülle über dem virtuellen Aushubboden zu steuern. Sollte der Bediener jedoch versehentlich versuchen, die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger zu steuern, um das Aushubwerkzeug durch den virtuellen Aushubboden zu bewegen, führt die Steuerungsarchitektur bestimmte Aktionen aus, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindern. Solche Aktionen können ein Arretieren der Bewegung des Aushubwerkzeugs in bestimmten Fällen beinhalten (z. B. wenn das Aushubwerkzeug im Wesentlichen entlang einer Achse orthogonal zum Aushubboden bewegt wird); in anderen Fällen steuert die Steuerungsarchitektur jedoch vorteilhafterweise die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger, um das Aushubwerkzeug (z. B. eine Schneidkante des Aushubwerkzeugs) entlang des virtuellen Aushubbodens in eine Richtung zu bewegen, die durch die Bedienereingabebefehle angegeben wird.
In Ausführungsformen definiert die Steuerungsarchitektur der intelligenten Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger den virtuellen Aushubboden als eine zweidimensionale (2D-) Ebene oder Begrenzung innerhalb des 3D-Werkzeugraums, durch den sich das Aushubwerkzeug bewegt. In weiteren Ausführungsformen kann die Steuerungsarchitektur definieren, dass der virtuelle Aushubboden eine komplexere, nicht planare Topologie aufweist, wie etwa eine gekrümmte oder abgestufte Oberflächengeometrie. Bei der Bestimmung, ob die Ausführung von Bedienereingabebefehlen zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, berücksichtigt die Steuerungsarchitektur nicht nur die aktuelle Position des Aushubwerkzeugs und andere relevante Faktoren (z. B. die Ausrichtung des Arbeitsfahrzeugfahrgestells), sondern berücksichtigt ferner die Position und Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens im 3D-Werkzeugraum. In Ausführungsformen kann die Steuerungsarchitektur die Position des virtuellen Aushubbodens durch Anordnen eines Punkts auf dem virtuellen Aushubboden unter einem Bodenhöhenbezugspunkt durch eine Aushubtiefeneinstellung bestimmen; wobei die Aushubtiefeneinstellung einen vertikalen Abstand (z. B. gemessen entlang einer Richtung parallel zur Schwerkraft) darstellt, der sich vom Bodenhöhenbezugspunkt zum Bodenbezugspunkt nach unten erstreckt. Die Aushubtiefeneinstellung kann durch Bedienereingaben festgelegt werden, die unter Verwendung einer geeigneten Bedienerschnittstelle eingegeben werden, beispielsweise einer grafischen Benutzerschnittstelle (GUI), mit der ein Bediener eine gewünschte Grabtiefe als eine bestimmte Anzahl von Fuß oder Metern in ein GUI-Feld eingeben kann. Im Vergleich dazu kann der Bodenhöhenbezugspunkt als ein Standardwert auf Grundlage von Bedienereingaben unter Verwendung von Sensoreingaben bestimmt werden, die auf die Aushubbodenhöhe in Bezug auf das Arbeitsfahrzeugfahrgestell oder eine beliebige gemischte Kombination davon hinweisen.
In Bezug auf die Verwendung von Sensoreingaben zum Bestimmen der Aushubbodenhöhe kann eine solche Sensoreingabe durch Sensoren bereitgestellt werden, die in der Lage sind, die Aushubbodenhöhe oder das Aushubbodenniveau direkt zu messen, indem beispielsweise vom Boden reflektierte Energiesignale (z. B. Laser-, Akustik- oder Radarsignale) gemessen werden (z. B. wie im Fall von Entfernungsmessgeräten (DME), falls am Arbeitsfahrzeug vorhanden). In anderen Fällen kann mindestens ein Drehpositionssensor in die Stabilisatorarme des intelligenten Aushubsystem mit angelenktem Ausleger integriert sein, wobei in diesem Fall die Steuerungsarchitektur die Aushubbodenhöhe auf Grundlage von Daten von dem/den Drehpositionssensor(en) schätzen kann, die den Drehwinkel der Stabilisatorarme angeben, wenn sie in eine bodenberührende Position ausgefahren werden. In solchen Fällen, in denen die Aushubbodenhöhe gemessen wird, können die Planarkoordinaten des Bodenhöhenbezugspunkts bei Bedarf von dem Ort extrapoliert werden, an dem die Aushubhöhenmessung erfasst wird.
In weiteren Ausführungsformen kann der Bodenhöhenbezugspunkt mithilfe eines Kalibrierungsprozesses ermittelt werden. Beispielsweise wird in einem Ansatz ein Bediener anfänglich aufgefordert, die Aushubbaugruppe mit angelenktem Ausleger in einer Weise zu steuern, die das Aushubanbaugerät in eine Bodenkontaktposition über oder neben dem Bodenbereich bringt, in dem eine Aushubfunktion wünschenswerterweise erzeugt wird. Der Bediener stellt ferner eine Eingabe bereit, die anzeigt, wann diese Aufgabe abgeschlossen ist; und als Reaktion auf diese Bedienereingabe schätzt die Steuerungsarchitektur dann die aktuelle Position des Aushubwerkzeugs, um den Bodenhöhenbezugspunkt zu bestimmen. Insbesondere kann die Steuerungsarchitektur eine aktuelle räumliche Position und Ausrichtung des Aushubwerkzeugs schätzen und dann den Bodenhöhenbezugspunkt als mit einer untersten Oberfläche des Aushubwerkzeugs übereinstimmend festlegen. Somit wird ein intuitiver, bedienergesteuerter Kalibrierungsprozess bereitgestellt, bei dem ein Bediener das Aushubwerkzeug in einem Aushubbereich effektiv auf den Boden setzen, eine gewünschte Aushubtiefe unter dem Aushubwerkzeug eingeben und dann mit dem Ausheben der Aushubfunktion mithilfe des intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger beginnen kann. Darüber hinaus kann ein Bediener in bestimmten Ausführungsformen auch in der Lage sein, eine Steigung oder Neigung des Aushubfunktionsbodens festzulegen (oder die virtuelle Aushubebene anderweitig um ihre Neigungs- und/oder Rollachsen zu drehen), bevor der Aushubvorgang durchgeführt wird, wie weiter unten erörtert.
In weiteren Ausführungsformen kann das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger es einem Bediener ermöglichen, weitere virtuelle (z. B. 2D-planare) Begrenzungen einer Aushubfunktion zusätzlich oder anstelle des oben beschriebenen virtuellen Aushubbodens festzulegen. In bestimmten Fällen kann die Steuerungsarchitektur beispielsweise verhindern, dass eine virtuelle Seitenwand der Aushubfunktion, beispielsweise eine Rückseite eines Grabens, während eines Aushubvorgangs verletzt wird. Ferner kann die Steuerungsarchitektur Bedienereingabebefehle modifizieren, die ansonsten zu einer Verletzung der Rückseite der Aushubfunktion (oder einer anderen virtuellen Seitenwand) führen würden, um stattdessen eine Schneidkante des Aushubanbaugeräts entlang der Rückseite der Aushubfunktion zu bewegen. Auf diese Weise kann ein Bediener das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger leicht steuern, um die Rückseite eines Grabens oder einer anderen Aushubfunktion abzuschaben (und somit gründlich zu säubern), während die gewünschten Abmessungen der Aushubfunktion beibehalten werden.
In bestimmten Implementierungen kann das intelligente Auslegeraushubsystem in anderen Steuer- oder Aushubwerkzeugführungsmodi betrieben werden, wie etwa einem linearen oder kartesischen Steuermodus. In diesem Fall kann die Steuerungsarchitektur Bedienereingabebefehle, wie etwa Joystick-Drehverschiebungen, in eine lineare Bewegung des Aushubanbaugeräts entlang einer oder mehrerer Achsen übersetzen. Ein solcher linearer Steuermodus kann besonders vorteilhaft sein, wenn er in Verbindung mit der oben beschriebenen Aushubtiefenbegrenzungsfunktion verwendet wird, bei der die Steuerungsarchitektur die Position und Ausrichtung eines virtuellen Aushubbodens (oder einer anderen planaren Grenze) der Aushubfunktion festlegt. In solchen Ausführungsformen kann die Steuerungsarchitektur Bedienereingabebefehle in eine lineare Bewegung des Aushubanbaugeräts (und möglicherweise insbesondere eine ineare Bewegung einer Schneidkante des Aushubanbaugeräts) entlang eines oder beider der Folgenden übersetzen oder umwandeln: (i) eine erste Achse (n) parallel zu dem virtuellen Aushubboden und (ii) eine zweite Achse (n) orthogonal zu dem virtuellen Aushubboden. Somit wird ein hochintuitives Bedienschema zur Steuerung der Aushubwerkzeugbewegung während einer Baggeraufgabe geschaffen, indem linearisierte Aushubwerkzeugbewegungen so auf einen virtuellen Aushubboden referenziert werden. Ungeachtet dessen können in anderen Ausführungsformen Bedienereingabebefehle in lineare Bewegungen des Aushubwerkzeugs entlang einer oder mehrerer Achsen, die in Bezug auf einen anderen Bezugsrahmen, wie etwa das Fahrgestell des Arbeitsfahrzeugs oder in Bezug auf die Schwerkraftrichtung, ausgerichtet sind, umgewandelt oder übersetzt werden. Verschiedene andere Steuerungsschemata sind ebenfalls möglich und ebenso praktikabel für den Einsatz in Verbindung mit der oben beschriebenen Aushubtiefenbegrenzungsfunktion.
Ausführungsformen des intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger können zusätzlich oder anstelle der oben beschriebenen Aushubtiefenbegrenzungsfunktion andere intelligente Steuerfunktionen ausführen. Beispielsweise kann die Steuerungsarchitektur des intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger in bestimmten Implementierungen in einem Überlastschutzmodus betrieben werden. Beim Betrieb in einem solchen Modus kann die Steuerungsarchitektur automatisch (d. h. ohne Bedienereingabe) das EH-Betätigungs-Teilsystem steuern, um eine Eindringtiefe des Aushubwerkzeugs als Reaktion auf die Erkennung eines Überlastzustands zu reduzieren. Solch ein Überlastzustand kann auf der Grundlage einer geschätzten oder erkannten Last bestimmt werden, die auf einen Motor des Arbeitsfahrzeugs ausgeübt wird. Alternativ kann ein Überlastzustand erkannt werden, wenn eine erwartete Geschwindigkeit des Aushubwerkzeugs die tatsächliche Geschwindigkeit des Aushubwerkzeugs um ein bestimmtes Maß übersteigt. In noch anderen Fällen kann die Steuerungsarchitektur das Auftreten eines Überlastzustands erkennen, wenn bestimmt wird, dass das EH-Betätigungs-Teilsystem aufgrund übermäßiger Belastung des Aushubwerkzeugs auf eine Blockierbedingung gestoßen ist oder demnächst stoßen wird; z. B. durch Überwachen von Druckniveaus in den Hydraulikzylindern oder Strömungskreisen des EH-Betätigungs-Teilsystems. In diesem letzteren Fall kann die Steuerungsarchitektur das EH-Betätigungs-Teilsystem automatisch steuern, um die Eindringtiefe des Aushubwerkzeugs zu reduzieren, um die Lastwiderstandsbewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu verringern und dadurch die Blockierbedingung zu beseitigen oder zu verhindern.
Beispielhafte Ausführungsformen von Arbeitsfahrzeugen, die mit einem intelligenten Aushubsystem mit angelenktem Ausleger ausgestattet sind, werden im Folgenden in Verbindung mit den 1-10 beschrieben. Zunächst wird ein beispielhaftes intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger, das als ein intelligentes Baggersystem-Anbaugerät implementiert und an einem Traktor montiert ist, im Folgenden in Verbindung mit den 1-9 erörtert. Im Anschluss daran wird ein beispielhaftes intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger, das ebenfalls als ein intelligentes Baggersystem implementiert und auf nicht-modulare Weise an einem Traktor befestigt ist, im Folgenden in Verbindung mit 10 beschrieben. Ungeachtet der folgenden Beispiele wird betont, dass Ausführungsformen des intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger andere Formen annehmen können, in Verbindung mit einer breiten Palette von Arbeitsfahrzeugen verwendet werden können und in Ausführungsformen entweder modular oder nicht modular implementiert sein können. Zusätzlich kann in weiteren Ausführungsformen das intelligenten Aushubsystem mit angelenktem Ausleger mit einem anderen Aushubwerkzeug als einer Baggerschaufel ausgestattet sein, wie etwa einer anderen Art von Schaufel, einem Grabenfräse-Anbaugerät, einer Schnecke oder einem hydraulischen Hammer/Brecher.
BEISPIELHAFTE INTELLIGENTE AUSHUBSYSTEME MIT ANGELENKTEM AUSLEGER UND ARBEITSFAHRZEUGE
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird eine beispielhafte Ausführungsform eines Arbeitsfahrzeugs (hier eines Traktors 20) dargestellt, das mit einem intelligenten Aushubsystem mit angelenktem Ausleger 22 ausgestattet ist. In diesem Beispiel nimmt das intelligenten Aushubsystem mit angelenktem Ausleger 22 die Form eines smarten oder intelligenten Baggersystems an und wird daher im Folgenden als „intelligentes Baggersystem 22“ bezeichnet. Zusätzlich zu dem intelligenten Baggersystem 22 beinhaltet der beispielhafte Traktor 20 eine Frontlader-Baugruppe (FEL) 24, ein Traktorfahrgestell 26, an dem die FEL-Baugruppe angebracht ist, und eine Kabine 28, die sich oben auf dem Traktorfahrwerk 26 befindet. Das Traktorfahrgestell 26 wird von einer Anzahl von Bodeneingriffsrädern 30 getragen, die von einem Verbrennungsmotor 32 angetrieben werden, der in einem Motorraum 34 des Traktors 20 untergebracht ist. Ein Bediener kann den Traktor 20 steuern, die FEL-Baugruppe 24 bedienen und anderweitig die Funktionalitäten des Traktors 20 steuern, wenn er in einem ersten Bedienerstand sitzt, der in der Kabine 28 bereitgestellt ist.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Traktor 20 einen einzelnen Bedienerstand beinhalten, der von der Kabine 28 umschlossen ist. In solchen Ausführungsformen können Bedienereingabesteuerungen (z. B. Joysticks, Hebel, Tasten und dergleichen) zum Steuern des intelligenten Baggersystems 22 innerhalb der Kabine 28 angeordnet sein. Zusätzlich kann der Sitz innerhalb der Kabine 28 um mindestens 180 Grad geschwenkt werden, um es einem Bediener zu ermöglichen, eine nach hinten gerichtete Sitzposition einzunehmen, wenn das intelligente Baggersystem 22 betrieben wird und insbesondere wenn Bewegungen einer angelenkten Baggerbaugruppe 46, die im Baggersystem 22 enthalten ist, gesteuert werden. Alternativ, und wie im Beispiel der 1 und 2 gezeigt, kann der Traktor 20 ferner eine zweite Bedienerstation 36 (hier die „Baggerbedienerstation 36“) beinhalten, die als Teil eines Traktorbaggeranbaugeräts bereitgestellt werden kann. In diesem Beispiel beinhaltet die Bagger-Bedienerstation 36 einen nach hinten gerichteten Sitz 38, ein Anzeigegerät 40 und eine Bedienerschnittstelle (einschließlich verschiedener Bedienereingabesteuerungen 42, 43, 44) zum Steuern der Bewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46. Insbesondere kann ein Bediener mit den Eingabesteuerungen 42, 43, 44 interagieren, die hier einen ersten und einen zweiten Joystick 42, 44 beinhalten, um die Bewegung einer Baggerschaufel 48 (im Allgemeinen ein „Aushubwerkzeug“) zu steuern, in der die angelenkte Baggerbaugruppe 46 endet.
Zusätzlich zu der Baggerschaufel 48 beinhaltet die angelenkte Baggerbaugruppe 46 ferner einen Baggerbefestigungsrahmen 50, einen inneren oder proximalen Ausleger 52 (nachfolgend „der Hubausleger 52“) und einen äußeren oder distalen Ausleger 54 (nachfolgend „der Löffelstiel 54“). Der Baggerbefestigungsrahmen 50 beinhaltet auch ein gekerbtes Traktormontageende 60, das mithilfe geeigneter Beschläge, wie etwa entfernbarer Stifte, an dem hinteren oder rückwärtigen Ende des Traktorfahrgestells 26 befestigt sein kann. Doppelstabilisatorarme 56 sind an gegenüberliegenden Seiten des Baggerbefestigungsrahmens 50 angelenkt. Die Stabilisatorarme 56 sind zwischen einer verstauten oder eingefahrenen Position und einer bereitgestellten oder ausgefahrenen Position (gezeigt) drehbar. Die Stabilisatorarme 56 können durch Ausfahren eines Paars hydraulischer Stabilisatorzylinder 58 vor dem Durchführen einer Aushubarbeit in die ausgefahrene Bodeneingriffsposition gedreht werden. Ein Bediener kann eine Drehung der Stabilisatorarme 56 in die ausgefahrene Position anordnen, beispielsweise mithilfe des Hebels 43, der in der Bedienerschnittstelle des intelligenten Baggersystems 22 enthalten ist.
Während des Betriebs wird die klappbare Baggerbaugruppe 46 durch Ausfahren und Einfahren einer Anzahl von Hydraulikzylindern 62, 64, 66, 68 bewegt, die in einem EH-Betätigungs-Teilsystem 70 (1) enthalten sind. Diese Hydraulikzylinder beinhalten Schwenkzylinder 62, einen Hubauslegerzylinder 64, einen Löffelstielzylinder 66 und einen Schaufelzylinder 68. Das Aus- und Einfahren der Schwenkzylinder 62 dreht den Hubausleger 52 (und damit den Löffelstiel 54 und die Baggerschaufel 48) um eine vertikale Achse relativ zum Baggerbefestigungsrahmen 50 und dem Traktorfahrgestell 26. Das Aus- und Einfahren des Hubzylinders 64 dreht den Hubausleger 52 um ein erstes Drehgelenk, an dem der Hubausleger 52 mit dem Baggeranbaurahmen 50 verbunden ist. Das Aus- und Einfahren des Löffelstielzylinders 66 dreht den Löffelstiel 54 um ein zweites Drehgelenk, an dem der Löffelstiel 54 mit dem Hubausleger 52 verbunden ist. Schließlich dreht oder „rollt“ das Aus- und Einfahren des Schaufelzylinders 68 die Baggerschaufel 48 um ein drittes Drehgelenk, an dem der Schaufelzylinder 68 mit dem Löffelstiel 54 verbunden ist. Obwohl in den 1 und 2 zur Verdeutlichung nicht gezeigt, enthält das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 auch verschiedene andere hydraulische Komponenten, die Strömungsleitungen (z. B. Schläuche), Pumpen, eine Auffangwanne, Armaturen, Entlastungsventile, Filter und dergleichen beinhalten können. Das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 umfasst auch elektronische Ventilstellglieder und Strömungssteuerventile, wie beispielsweise Mehrwegeventile vom Schieber-Typ, die moduliert werden können, um den Durchfluss von unter Druck stehendem Hydraulikfluid zu und von den Hydraulikzylindern 58, 62, 64, 66, 68 zu regulieren. Wie durch das Detailfenster angegeben, das unten rechts in 2 gezeigt ist, können die Strömungssteuerventile und möglicherweise die Ventilstellglieder in einer Steuerventilbank 72 zusammengefasst sein, die innerhalb der angelenkten Baggerbaugruppe 46 an einer Stelle im Allgemeinen unter dem Fahrersitz 38 installiert ist.
Eine Steuerungsarchitektur 74 (1) steuert den Betrieb des intelligenten Baggersystems 22. Die Steuerarchitektur 74 kann jede Form annehmen, die geeignet ist, die in diesem Dokument beschriebenen Steuer- und Aushubanbaugerät-Führungsfunktionen zu erfüllen. Der Begriff „Steuerungsarchitektur“, wie er hierin erscheint, wird in einem nicht einschränkenden Sinne verwendet, um sich allgemein auf die Verarbeitungsarchitektur des intelligenten Baggersystems 22 (oder eines anderen intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger) zu beziehen. Die Steuerungsarchitektur 74 kann somit eine beliebige praktische Anzahl von Prozessoren (zentrale und grafische Verarbeitungseinheiten), einzelne Steuerungen, einen computerlesbaren Speicher, Leistungsversorgungen, Speichergeräte, Schnittstellenkarten und andere standardisierte Komponenten beinhalten oder damit verbunden sein. Beispielsweise kann die Steuerungsarchitektur 74 in einer Implementierung eine Kombination mehrerer Steuerungen beinhalten, wie etwa eine Baggeranbaugerätsteuerung, eine Ventilsteuerung und/oder eine Fahrzeug- (Traktor-) Steuerung. Um diesen Punkt weiter zu betonen, zeigt 2 (in einem vergrößerten Format) eine individuelle Steuereinheit 76, die innerhalb der Baggerbaugruppe 46 installiert werden kann. Ein Symbol 78 neben der Steuereinheit 76 bezeichnet, dass mehrere solcher Steuereinheiten 76 in dem intelligenten Baggersystem 22 enthalten sein können und durch einen Bus oder eine andere Datenkommunikationsverbindung miteinander wirkverbunden sind. Die Steuerarchitektur 74 kann auch eine beliebige Anzahl von Firmware- und Softwareprogrammen oder computerlesbaren Anweisungen enthalten oder mit diesen interagieren, die zur Ausführung der verschiedenen hier beschriebenen Prozessaufgaben, Berechnungen und Steuer-/Anzeigefunktionen dienen. Solche computerlesbaren Anweisungen können in einem nichtflüchtigen Sektor eines Speichers 80 gespeichert sein, auf den die Steuerungsarchitektur 74 zugreifen kann. Während allgemein in 1 als ein einziger Block dargestellt, kann der Speicher 80 eine beliebige Anzahl und Art von Speichermedien umfassen, die sich zur Speicherung eines computerlesbaren Codes oder von Anweisungen eignen, sowie sonstige Daten, die zur Unterstützung des Betriebs des intelligenten Baggersystems 22 verwendet werden. Der Speicher 80 kann in Ausführungsformen wie beispielsweise einem System-in-Package, einem System-on-a-Chip oder einer anderen Art von mikroelektronischem Gehäuse oder Modul in die Steuerungsarchitektur 74 integriert sein.
Das intelligente Baggersystem 22 beinhaltet ferner eine Vielzahl oder Anordnung von Sensoren 82, wie schematisch links oben in 1 dargestellt. Die Sensoranordnung 82 beinhaltet Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren 84 zum Verfolgen der Bewegung und Positionierung der Baggerschaufel 48 im dreidimensionalen Raum. Die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren 84 können eine beliebige Anzahl und Art von Sensoren zum Überwachen der Positions- und Bewegungseigenschaften der Baggerschaufel 48 enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen können die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren 84 Drehpositionssensoren zum Überwachen der Bewegung des Auslegerbaugruppengestänges um seine Drehgelenke beinhalten. In solchen Ausführungsformen können die Drehpositionssensoren in die Drehgelenke des Auslegerbaugruppengestänges eingebaut und möglicherweise direkt in die Baggerstrukturstifte integriert sein. Ein Beispiel für einen solchen Drehpositionssensor 85 erscheint in dem in 2 gezeigten oberen rechten Detailfenster. In diesem Beispiel nimmt der Sensor 85 die Form eines Drehpositionssensors an, wie etwa eines Drehvariablenverschiebungswandlers (RVDT) oder Potentiometers, um die Drehverschiebung des Löffelstiels 54 relativ zum Hubausleger 52 um einen Stift oder ein Drehgelenk 98 zu erfassen. Bezugnehmend auch auf 3 in Verbindung mit den 1 und 2 und wie durch die Symbole 88 und die Legende 90 in 3 angegeben, können ähnliche Drehverschiebungssensoren auch in ein Bolzen- oder Drehgelenk 96 integriert sein, das zwischen dem Baggeranbaurahmen 50 und dem Hubausleger 52 ausgebildet ist, sowie in ein Bolzen- oder Drehgelenk 100, das zwischen dem Löffelstiel 54 und der Baggerschaufel 48 ausgebildet ist. Ein solcher Drehverschiebungssensor kann auch zum Messen des Schwenkwinkels der angelenkten Baggerbaugruppe 46 relativ zu dem Baggeranbaurahmen 50 und damit dem Traktor 20 vorgesehen sein, wie er um die X-Achse einer Koordinatenlegende 92 genommen wird, die ferner in 3 erscheint.
In weiteren Ausführungsformen können die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren 84 andere Arten von Sensoren zum Überwachen der Bewegung der Baggerschaufel 48 in dem 3D-Werkzeugraum beinhalten. Solche anderen Sensoren können beispielsweise lineare variable Wegaufnehmer (Linear Variable Displacement Transducers - LVDTs) oder andere derartige lineare Wegaufnehmer zum Messen des Hubs der Hydraulikzylinder 62, 64, 66, 68 beinhalten, die dann in Winkelpositionen des Auslegerbaugruppengestänges umgewandelt werden können. Zusätzlich oder alternativ können MEMS-Vorrichtungen, wie etwa ein MEMS-Beschleunigungsmesser und Gyroskope, die als Trägheitsmesseinheiten (Inertial Measurement Units - IMUs) gebündelt sind, an dem Traktorfahrgestell 26, an dem Hubausleger 52, an dem Löffelstiel 54 und an der Baggerschaufel 48 montiert sein. Solche MEMS-Vorrichtungen können dann über verdrahtete oder drahtlose Verbindungen mit der Steuerungsarchitektur 74 kommunizieren, um Beschleunigungs- und/oder Winkelverschiebungsdaten bereitzustellen, die von der Architektur 74 beim Verfolgen der Bewegung und Position der Baggerschaufel 48 verwendet werden. In noch weiteren Ausführungsformen können die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren 84 eine oder mehrere Kameras mit Sichtfeldern beinhalten, die den 3D-Werkzeugraum umfassen, durch den sich die Baggerschaufel 48 bewegt, wobei in diesem Fall die Steuerungsarchitektur 74 die Position der Baggerschaufel durch visuelle Analyse der Kamera-Feeds verfolgen kann. In weiteren Implementierungen können weitere Arten von Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren verwendet und in die angelenkte Baggerbaugruppe 46 integriert werden. Schließlich, wie weiter in 1 angegeben, kann die Sensoranordnung 82 auch einen oder mehrere Sensoren 102 zum Überwachen der Ausrichtung des Traktorfahrgestells 26 beinhalten, wie etwa MEMS-Vorrichtungen, Neigungsmesser oder dergleichen, die am Fahrgestell 26 montiert sind. Auf diese Weise kann die Steuerungsarchitektur 74 die Ausrichtung des Traktorfahrgestells 26 berücksichtigen, wenn sie die Bewegung der Baggerschaufel 48 verfolgt, wie etwa wenn der Hubausleger 52 relativ zum Baggeranbaurahmen 50 um eine vertikale Achse geschwenkt wird (die relativ zur Schwerkraftrichtung in Fällen variieren kann, in denen die Traktorausrichtung von einer rein horizontalen oder flachen Ausrichtung versetzt ist).
Die Sensoranordnung 82 des intelligenten Baggersystems 22 kann zusätzlich zu Sensoren zum Überwachen der Ausrichtung des Traktorfahrgestells 26 und der Bewegung des Auslegerbaugruppengestänges weitere Arten von Sensoren 110 beinhalten. Solche anderen Sensoren 110 können einen oder mehrere Sensoren beinhalten, die Daten bereitstellen, die das örtliche Bodenniveau oder die örtliche Bodenhöhe angeben, wie relativ zu dem Baggeranbaurahmen 50, relativ zu dem Traktorfahrgestell 26 oder relativ zu einem anderen festen Bezugspunkt gemessen. Zusätzlich oder alternativ können solche anderen Sensoren 110 Sensoren zum Messen der Kräfte beinhalten, die einer Bewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46 widerstehen, wenn eine Aushubaufgabe durchgeführt wird. In bestimmten Fällen können solche Sensoren 110 die auf den Motor 32 des Traktors 20 aufgebrachte Last direkt messen oder schätzen. In anderen Fällen können solche Sensoren 110 Hydraulikfluiddrücke innerhalb der Hydraulikzylinder 64, 66, 68, die in die angelenkte Baggerbaugruppe 46 integriert sind, oder Hydraulikfluiddrücke innerhalb des Strömungsnetzwerks des EH-Betätigungs-Teilsystems 70 messen. Dies wird ferner schematisch in 3 durch die Symbole 104 angegeben, die in jeden der Hydraulikzylinder 64, 66, 68 integrierte Drucksensoren darstellen. Die von den Drucksensoren 104 oder anderen Drucksensoren empfangenen Druckmesswerte können von der Steuerungsarchitektur 74 berücksichtigt werden, wenn eine Überlastschutzfunktion ausgeführt wird, wie weiter unten in Verbindung mit 5 ausführlicher beschrieben.
Wie oben angemerkt, kann die Sensoranordnung 82 zusätzliche Sensoren 110 zum Schätzen eines örtlichen Bodenniveaus oder einer örtlichen Bodenhöhe in Ausführungsformen beinhalten. In solchen Ausführungsformen kann der Traktor 20 mit nach hinten gerichteten DME- oder ähnlichen Hinderniserkennungssensoren ausgestattet sein, die von der Steuerungsarchitektur 74 verwendet werden können, um die Aushubbodenhöhe hinter dem Traktor 20 zu schätzen. In anderen Fällen können die Sensoren 110 mindestens einen Drehpositionssensor (z. B. einen RVDT oder ein Potentiometer) beinhalten, der in die Stabilisatorarme 56 des intelligenten Baggersystems 22 integriert ist. Ein solcher Drehpositionssensor kann ähnlich, oder sogar identisch mit dem beispielhaften Drehpositionssensor 85 sein, der in 2 oben rechts gezeigt ist, wenn auch integriert in die Gelenke, die die Stabilisatorarme 56 mit dem Baggeranbaurahmen 50 verbinden. In diesem letzteren Fall kann die Steuerungsarchitektur 74 die Aushubbodenhöhe auf Grundlage von Daten von dem/den Drehpositionssensor(en) schätzen, die den Drehwinkel der Stabilisatorarme 56 angeben, wenn sie in eine ausgefahrene, bodenberührende Position gedreht werden, wie in Kombination mit bekannten Abmessungen der Stabilisatorarme 56 genommen.
Die Art und Weise, in der ein Bediener mit der Bedienerschnittstelle des intelligenten Baggersystems 22 interagiert, um die Bewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46 zu steuern, wird je nach Ausführungsform variieren und kann möglicherweise auf Grundlage des bestimmten Steuerschemas variieren, das der Bediener ausgewählt hat. Als nicht einschränkendes Beispiel kann ein Bediener die Bewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46 auf die folgende Weise steuern, wenn ein standardisiertes Steuerschema angewendet wird, bei dem Bedienereingabebefehle über eine Drehverschiebung der Joysticks 42, 44 eingegeben werden (1-3). In diesem Beispiel bewirkt eine Drehung eines ersten Joysticks (z. B. des Joysticks 42) aus einer neutralen oder Ausgangsposition um eine erste Achse (aus Sicht des Bedieners links oder rechts), dass der Hubausleger 52 relativ zu dem Baggeranbaurahmen 50 nach links bzw. rechts aus Sicht des Bedieners schwenkt. Eine Drehung des Joysticks 42 aus der neutralen Position entlang einer zweiten Achse senkrecht zur ersten Achse (so dass sich die Oberseite des Joysticks näher an den Bediener heranbewegt oder sich weiter von diesem entfernt) bewirkt, dass sich der Hubausleger 52 um das Drehgelenk 96 in einer Aufwärts- bzw. Abwärtsrichtung dreht. Im Vergleich dazu bewirkt die Drehung eines zweiten Joysticks (z. B. des Joysticks 44) aus der neutralen Position entlang einer ersten Achse (aus der Perspektive des Bedieners nach links oder rechts), dass sich die Baggerschaufel 48 um den Drehpunkt 100 dreht und sich nach innen aufrollt bzw. ausrollt. Schließlich bewirkt eine Drehung des Joysticks 44 aus der neutralen Position entlang einer zweiten Achse senkrecht zur ersten Achse (so dass sich die Oberseite des Joysticks näher an den Bediener heranbewegt oder sich weiter von diesem entfernt), dass sich der Löffelstiel 54 um das Drehgelenk 98 weg bzw. in Richtung des Hubauslegers 52 dreht.
Wie dem vorstehenden Absatz zu entnehmen ist, kann das gleichzeitige Steuern der verschiedenen Verbindungen der angelenkten Baggerbaugruppe 46, um die Baggerschaufel 48 in einer beabsichtigten Weise, wie etwa entlang einer im Wesentlichen linearen Achse, zu bewegen, unter herkömmlichen Steuerungsregelungen eine herausfordernde Aufgabe sein. Dies kann für Bediener Schwierigkeiten beim Versuch verursachen, die angelenkte Baggerbaugruppe 46 in einer Weise zu steuern, die eine Aushubfunktion auf eine gewünschte Form und Abmessungen ausgräbt, insbesondere wenn das Traktorfahrgestell 26 von unebenem oder nicht horizontalem Gelände getragen wird. Aus diesen und anderen Gründen bleibt die Möglichkeit eines Bedienungsfehlers beim Versuch, eine Aushubfunktion (z. B. das Graben eines Grabens) in einer gewünschten Form und Abmessung zu erstellen, in herkömmlichen Systemen unerwünscht erhöht, ohne die in diesem Dokument beschriebenen intelligenten Führungsfunktionalitäten bereitzustellen. Zu betrachten ist zum Beispiel das in 4 dargestellte Anwendungsfallszenario, in dem die nachstehend beschriebene Grabtiefenbegrenzungsfunktion des intelligenten Baggersystems 22 deaktiviert ist. In 4 (und in den 6-9, nachstehend beschrieben), ist das lokale Bodenniveau oder die Bodenhöhe durch eine durchgezogene Linie 106 dargestellt, während die gewünschte Bodenposition einer Aushubfunktion durch eine gestrichelte Linie 108 dargestellt ist. Wie durch das Vertikalversatzsymbol 112 angegeben, hat ein Bediener versehentlich die angelenkte Baggerbaugruppe 46 in einer Weise gesteuert, die die Schneidkante der Baggerschaufel 48 in diesem Beispiel weit unter die gewünschte Bodenposition der Aushubfunktion bewegt. Infolgedessen kann es erforderlich sein, dass ein Bediener anschließend die übermäßige Tiefe der Aushubfunktion ausfüllen muss, wodurch die Effizienz verringert wird. Gleichzeitig besteht durch einen solchen Bedienerfehler die Gefahr einer versehentlichen Verschiebung oder eines Bruchs von Rohren, Rohrleitungen oder anderen derartigen Objekten, die innerhalb des Bodenbereichs, der Gegenstand von Ausgrabungen ist, vergraben sind. Um eine solche unerwünschte Situation zu vermeiden und die Erzeugung einer Aushubfunktion mit einer übermäßigen Tiefe zu verhindern, führt die Steuerungsarchitektur 74 daher vorteilhafterweise einen Aushubtiefenbegrenzungsalgorithmus oder eine Funktion in Ausführungsformen des intelligenten Baggersystems 22 aus. Ein Beispiel einer solchen Aushubtiefenbegrenzungsfunktion, wie sie im Kontext eines größeren intelligenten Auslegerbaugruppensteuerungsprozesses durchgeführt wird, wird nun in Verbindung mit 5 beschrieben.
Unter Bezugnahme nun auf 5 wird ein intelligenter Auslegerbaugruppensteuerungsprozess 114 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der intelligente Auslegerbaugruppensteuerungsprozess 114 wird im Folgenden als von der Steuerungsarchitektur 74 des intelligenten Baggersystems 22 ausgeführt beschrieben und wird daher im Folgenden als der „intelligente Baggersteuerungsprozess 114“ beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der intelligente Auslegerbaugruppensteuerungsprozess durchgeführt werden kann, um die Bewegung anderer Arten von angelenkten Auslegerbaugruppen zu steuern oder zu führen, unabhängig von dem jeweiligen Arbeitsfahrzeugtyp, an dem die angelenkte Auslegerbaugruppe angebracht ist, und dem jeweiligen Aushubwerkzeug, in dem die Auslegerbaugruppe endet. Der intelligente Baggersteuerungsprozess 114 beinhaltet eine Anzahl von PROZESSSCHRITTEN 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, von denen jeder nachfolgend beschrieben ist. Abhängig von der besonderen Art und Weise, in der der intelligente Baggersteuerungsprozess 114 implementiert wird, kann jeder der in 5 allgemein dargestellte Schritte einen einzelnen Prozess oder mehrere Teilprozesse beinhalten. Ferner sind die in 5 dargestellten und nachstehend beschriebenen Schritte nur als nicht einschränkendes Beispiel bereitgestellt. In alternativen Ausführungsformen des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 können zusätzliche Prozessschritte durchgeführt werden, bestimmte Schritte können weggelassen und/oder die veranschaulichten Prozessschritte in alternativen Sequenzen durchgeführt werden.
Der intelligente Baggersteuerungsprozess 114 beginnt bei SCHRITT 116 als Reaktion auf das Auftreten eines vorbestimmten Auslöseereignisses. In bestimmten Fällen kann das Auslöseereignis ein Ereignis sein, das auf eine Absicht eines Bedieners hinweist, das intelligente Baggersystem 22 zu verwenden, um einen Aushubvorgang oder eine Grabungsaufgabe in unmittelbarer Zukunft durchzuführen, wie durch die Interaktion des Bedieners mit der Bedienerschnittstelle des Baggersystems 22 oder durch Drehung der Stabilisatorarme 56 in eine ausgefahrene, bodenberührende Position angezeigt werden kann. In anderen Fällen kann die Steuerungsarchitektur 74 die Leistung des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 als Reaktion auf ein anderes Auslöseereignis beginnen, wie etwa als Reaktion auf Bedienereingaben, die angeben, dass der intelligente Baggersteuerungsprozess 114 wünschenswerterweise durchgeführt werden soll.
Nach dem Starten des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 (SCHRITT 116) geht die Steuerungsarchitektur 74 zu SCHRITT 118 des Steuerungsprozesses 114 über. Bei SCHRITT 118 stellt die Steuerungsarchitektur 74 eine Position und Ausrichtung eines virtuellen Aushubbodens in dem 3D-Werkzeugraum her, durch den sich die Baggerschaufel 48 (oder ein anderes Aushubgerät) während des nachfolgenden Aushubvorgangs bewegt. In Ausführungsformen legt die Steuerungsarchitektur 74 den Ort des virtuellen Aushubbodens zumindest teilweise auf Grundlage einer Aushubtiefeneinstellung und eines Bodenhöhenbezugspunkts fest. Insbesondere kann die Steuerungsarchitektur 74 die räumliche Position eines Punkts auf dem virtuellen Aushubboden bestimmen, indem sie zuerst die Position des Bodenhöhenbezugspunkts bestimmt und sich dann um den vertikalen Abstand, der durch die Einstellung der Aushubtiefe spezifiziert wird, nach unten (z. B. in einer Richtung parallel zur Schwerkraft) bewegt. Die Einstellung der Aushubtiefe kann durch den Bediener mithilfe der Bedienerschnittstelle des intelligenten Baggersystems 22 eingegeben und bei Bedarf während SCHRITT 118 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 aus dem Speicher 80 abgerufen werden. Beispielsweise kann der Bediener mit einem GUI-Bildschirm interagieren, der auf dem Anzeigegerät 40 erzeugt wird (2), um eine gewünschte Grabtiefe als eine bestimmte Zahl von Fuß oder Metern einzugeben. In dieser Hinsicht ist in 5 ferner ein Dateneingabepfeil 138 gezeigt, der angibt, dass Bedienereinstellungen während SCHRITT 118 des Steuerungsprozesses 114 berücksichtigt werden können.
Wie ferner durch den Dateneingabepfeil 138 in 5 angegeben, kann der Bodenhöhenbezugspunkt bestimmt werden, indem ein Standardwert aus dem Speicher 80 abgerufen wird oder Sensoreingaben von den zusätzlichen Sensoren 102 verwendet werden, falls zutreffend. Beispiele für solche Sensoren beinhalten Hinderniserkennungssysteme (z. B. DME) und Drehpositionssensoren, die in die Stabilisatorarme 56 integriert sind, wie zuvor beschrieben. In Fällen, in denen die Aushubbodenhöhe mithilfe von Sensordaten geschätzt wird, können Planformkoordinaten des Bodenhöhenbezugspunkts, falls gewünscht, von dem Ort extrapoliert werden, an dem die Aushubbodenhöhe erfasst wird. Wenn zum Beispiel die Winkelverschiebung des Stabilisatorarms verwendet wird, um die Aushubbodenhöhe an einer Stelle zu bestimmen, an der die Stabilisatorarme den Boden berühren, kann der Bodenhöhenbezugspunkt durch Extrapolieren des örtlichen Bodens entlang einer Achse parallel zur Längsachse des Traktors 20 um einen bestimmten Abstand, z. B. um einige Fuß oder Meter, festgelegt werden. Dies kann Fälle berücksichtigen, in denen das Traktorfahrwerk 26 aktuell eine geneigte Ausrichtung aufweist (z. B. wie es der Fall sein kann, wenn sich der Traktor 20 auf einem Berg befindet) und die Bodenhöhe am Bodenhöhenbezugspunkt um einen bestimmten Betrag vertikal von der Bodenhöhenmessung des Aushubs versetzt ist.
In noch anderen Fällen kann der Bodenhöhenbezugspunkt auf eine andere Weise festgelegt werden. Zum Beispiel kann ein intuitiver Ansatz zum Festlegen des Bodenhöhenbezugspunkts, der die Abhängigkeit von dedizierten Sensoren vermeidet, wie folgt ausgeführt werden. Zunächst wird ein Bediener aufgefordert (z. B. über eine Nachricht oder Grafiken, die auf dem Anzeigegerät 40 erzeugt werden), die angelenkte Baggerbaugruppe 46 auf eine Weise zu steuern, die die Baggerschaufel 48 in eine Bodenkontaktposition über oder benachbart zu dem Bodenbereich bringt, in dem wünschenswerterweise ein Graben oder eine andere Aushubfunktion erzeugt wird. Der Bediener wird ferner aufgefordert, eine Bedienereingabe bereitzustellen, die angibt, wann dies erfolgt ist und die Baggerschaufel 48 sich derzeit in einer Bodenkontaktposition befindet. Als Reaktion auf diese Bedienereingabe schätzt die Steuerungsarchitektur 74 dann die aktuelle Position der Baggerschaufel 48 (und möglicherweise eine unterste Oberfläche der Baggerschaufel 48), um den Bodenhöhenbezugspunkt zu bestimmen. Auf diese Weise wird ein sehr intuitiver Prozess bereitgestellt, durch den ein Bediener die Baggerschaufel 48 in einem Aushubbereich effektiv auf den Boden stellen, eine gewünschte Aushubtiefe unter dem Bereich unter der Baggerschaufel 48 eingeben und dann den Aushubvorgang oder die Grabungsaufgabe beginnen kann. Zusätzlich kann ein Bediener in bestimmten Ausführungsformen in der Lage sein, einen Grad des Aushubfunktionsbodens zu spezifizieren (oder anderweitig die virtuelle Aushubebene um ihre Neigungs- und/oder Rollachsen zu drehen), bevor er den Aushubvorgang durchführt.
Zusätzlich zum Bestimmen der Position des virtuellen Aushubbodens während SCHRITT 118 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 bestimmt die Steuerungsarchitektur 74 ferner die Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens. In Ausführungsformen kann die Steuerungsarchitektur 74 die Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens relativ zu einem Bezugsrahmen, wie etwa der Schwerkraftrichtung oder dem Traktorfahrgestell 26, automatisch einstellen. Beispielsweise kann die Steuerungsarchitektur 74 in einem Ansatz den virtuellen Aushubboden (z. B. eine 2D-Ebene) ausrichten, um sich orthogonal zur Schwerkraftrichtung zu erstrecken. In Ausführungsformen, in denen ein Bediener die Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens einstellen kann, kann das intelligente Baggersystem 22 es dem Bediener ferner ermöglichen, eine Zielneigung oder Gefälle für den Boden einer Aushubfunktion einzugeben, die wünschenswerterweise mithilfe der angelenkten Baggerbaugruppe 46 erstellt wurde. Die Steuerungsarchitektur 74 passt dann die Winkelausrichtung des virtuellen Aushubbodens um eine Rollachse an, die sich parallel zum virtuellen Aushubboden und senkrecht zu einer Neigungsachse erstreckt, um der Zielneigung zu entsprechen, die vom Bediener eingegeben wird. Auch kann es dem Bediener gestattet werden, die Winkelausrichtung des virtuellen Aushubbodens um die Neigungsachse in bestimmten Ausführungsformen anzupassen, um noch mehr Flexibilität beim Ausgraben einer Aushubfunktion auf eine gewünschte Form und Geometrie bereitzustellen.
In weiteren Ausführungsformen kann das intelligente Baggersystem 22 einem Bediener ermöglichen, weitere virtuelle Begrenzungen, wie etwa eine virtuelle Seitenwand, einer Aushubfunktion zusätzlich oder anstelle des virtuellen Aushubbodens festzulegen. Beispielsweise kann die Steuerungsarchitektur 74 in bestimmten Implementierungen ferner bestimmen, ob eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46 zu einer Verletzung einer virtuellen Seitenwand durch die Baggerschaufel 48 führt, wobei sich die virtuelle Seitenwand von dem virtuellen Aushubboden zu einer Bodenhöhe erstreckt. Wenn bestimmt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46 zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, kann die Steuerungsarchitektur 74 das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 steuern, um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung der virtuellen Seitenwand durch die Baggerschaufel 48 verhindert. In verschiedenen Implementierungen kann die virtuelle Seitenwand oder zweidimensionale Ebene eine Rückseite der Aushubfunktion definieren, die wünschenswerterweise mithilfe der angelenkten Baggerbaugruppe 46 und insbesondere der Baggerschaufel 48 erstellt wird. Ferner kann die Steuerungsarchitektur 74 das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 anweisen, dass sich eine Schnittkante der Baggerschaufel 48 gegebenenfalls entlang der zweidimensionalen Ebene bewegt, um eine gründliche Säuberung oder ein Schaben der Aushubfunktionsrückseite ohne Verletzung der Rückseitenbegrenzung zu ermöglichen. Auf diese Weise kann ein Bediener ohne weiteres die Rückseite eines Grabens (oder einer anderen Aushubfunktion) säubern, während keine direkte Sichtlinie zur Rückseite vorhanden ist und während er sicherstellt, dass die gewünschte Rückseitenbegrenzung des Grabens nicht durch die Schneidkante der Baggerschaufel 48 verletzt wird.
Weiter zu SCHRITT 120 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 identifiziert die Steuerungsarchitektur 74 als nächstes einen bestimmten Steuermodus, in dem das intelligente Baggersystem 22 derzeit arbeitet. In bestimmten Ausführungsformen kann das intelligente Baggersystem 22 in einem einzelnen (Standard-) Steuermodus betrieben werden, wie zuvor beschrieben, wobei in diesem Fall SCHRITT 120 im Steuerungsprozess 114 weggelassen werden kann. In anderen Ausführungsformen kann das intelligente Baggersystem 22 jedoch in mehreren Steuer- oder Aushubwerkzeugführungsmodi betrieben werden, die von einem Bediener mithilfe der Bedienerschnittstelle des intelligenten Baggersystems 22 ausgewählt werden können. In dieser Hinsicht und wie zuvor angesprochen, kann das intelligente Baggersystem 22 in einem linearen Steuermodus betrieben werden, in dem die Steuerungsarchitektur 74 Bedienereingabebefehle, wie etwa die Drehung eines oder beider Joysticks 42, 44, in eine lineare Bewegung der Baggerschaufel 48 entlang einer oder mehrerer Achsen umsetzt. Ein solcher linearer Steuermodus kann besonders vorteilhaft sein, wenn er in Verbindung mit der Aushubtiefenbegrenzungsfunktion verwendet wird, wie er ferner im Laufe des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 implementiert wird. Dementsprechend können Ausführungsformen des intelligenten Baggersystems 22 Bedienereingabebefehle in eine lineare Bewegung der Baggerschaufel 48 entlang von Folgendem umsetzen: (i) einer ersten Achse parallel zu dem virtuellen Aushubboden und/oder (ii) einer zweiten Achse orthogonal zu dem virtuellen Aushubboden. Ein solcher linearer Steuermodus, in dem Aushubwerkzeugbewegungen linearisiert und auf den virtuellen Aushubboden bezogen werden, kann es einem Bediener ermöglichen, die Bewegung des Aushubwerkzeugs auf eine sehr intuitive und effiziente Weise während eines Aushubvorgangs zu steuern. In anderen Fällen kann das intelligente Auslegeraushubsystem in einem solchen linearen Steuermodus betrieben werden, in dem Bedienereingabebefehle in lineare Bewegungen des Aushubwerkzeugs entlang einer oder mehrerer Achsen übersetzt werden, die in Bezug auf einen anderen Bezugsrahmen, wie etwa das Fahrgestell des Arbeitsfahrzeugs oder in Bezug auf die Schwerkraftrichtung, ausgerichtet sind. Es sind auch verschiedene andere Steuerungen möglich, wie etwa ein horizontaler Steuermodus, der im Zylinderraum (und nicht im Werkzeugraum) ausgeführt wird.
Die Steuerungsarchitektur 74 setzt den intelligenten Baggersteuerungsprozess 114 fort und verfolgt die aktuelle Position und Bewegung der Baggerschaufel 48 während des Steuerungsprozesses 114 (SCHRITT 122). Wie durch einen Dateneingabepfeil 140 in 5 gezeigt, verfolgt die Steuerungsarchitektur 74 die Position und Bewegung der Baggerschaufel zumindest teilweise auf Grundlage der Verfolgungssensordaten, die von den Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren 84 bereitgestellt werden (1), die in Verbindung mit den von den Fahrzeugausrichtungssensoren 102 bereitgestellten Daten betrachtet werden, die die aktuelle Neigung und das aktuelle Rollen des Traktorfahrgestells 26 angeben. Verschiedene unterschiedliche Verfahren können verwendet werden, um die Bewegung der Baggerschaufel 48 während SCHRITT 122 zu verfolgen (und die Bewegung der Baggerschaufel 48 zu steuern), einschließlich beispielsweise kinematischer Geschwindigkeitsvorwärtskopplungs- und Geschwindigkeitsrückkopplungssteuerschemata. Wie oben beschrieben, können die aktuellen Winkelpositionen der Drehgelenke 96, 98, 100 durch Ausführungsformen betrachtet und mit den bekannten Abmessungen der Auslegerbaugruppe kombiniert werden, die verbunden sind, um es der Steuerungsarchitektur 74 zu ermöglichen, die aktuelle Position und Ausrichtung der Baggerschaufel 48 zu jedem gegebenen Zeitpunkt zu bestimmen. Ebenso können lineare und Winkelgeschwindigkeitsschätzungen (wenn sie von den Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren 84 bereitgestellt werden) von der Steuerungsarchitektur 74 verwendet werden, um die Position und Bewegung der Baggerschaufel 48 zu verfolgen.
Bei SCHRITT 124 bestimmt die Steuerungsarchitektur 74 die Ausführung neu empfangener Bedienereingabebefehle (oder eine fortgesetzte Bewegung der Baggerschaufel 48 in eine bestimmte Richtung), die zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens (oder einer anderen virtuellen Grenze) durch die Baggerschaufel 48 führen. Wenn bestimmt wird, dass die Ausführung der Bedienereingabebefehle nicht zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führt, geht die Steuerungsarchitektur 74 zu SCHRITT 128 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 über. Wenn stattdessen bestimmt wird, dass die Ausführung der Bedienereingabebefehle zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, fährt die Steuerungsarchitektur 74 mit SCHRITT 126 fort und steuert das EH-Betätigungs-Teilsystem 70, um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch die Baggerschaufel 48 verhindert. Beispielsweise kann die Steuerungsarchitektur 74 das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 steuern, um die vom Bediener befohlene Bewegung derart zu modifizieren, dass sich eine Schneidkante der Baggerschaufel 48 entlang des virtuellen Aushubbodens in eine durch den entsprechenden Bedienereingabebefehl angegebene Richtung bewegt. Ein Beispiel für eine Art und Weise, in der die Steuerungsarchitektur 74 das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 steuern kann, um einen Schnitt der Baggerschaufel 48 entlang eines virtuellen Aushubbodens ohne Verletzung desselben zu bewegen, wird nachstehend in Verbindung mit den 6-9 veranschaulicht und beschrieben. Die Steuerungsarchitektur 74 geht dann zu SCHRITT 128 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 über.
Unter Erörterung des nächsten SCHRITTS 128 bestimmt die Steuerungsarchitektur 74, ob eine Modifikation der neu empfangenen Bedienereingabebefehle angemessen ist, um die Verletzung anderer im Voraus festgelegter Bedingungen zu vermeiden, wie etwa um die Überschreitung von Zylinderlängenbegrenzungen zu vermeiden. Ferner kann in Ausführungsformen, in denen das intelligente Baggersystem 22 wünschenswerterweise einen Überlastschutz während eines Baggervorgangs bereitstellt, eine solche Überlastschutzfunktion bei SCHRITT 128 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 ausgeführt werden. Zu diesem Zweck kann die Steuerungsarchitektur 74 während SCHRITT 128 automatisch (d. h. ohne Bedienereingabe) das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 steuern, um eine Eindringtiefe als Reaktion auf die Erkennung eines Überlastzustands zu reduzieren. Beispielsweise kann die Steuerungsarchitektur 74 dem EH-Betätigungs-Teilsystem 70 befehlen, die Baggerschaufel 48 um einen bestimmten Wert von dem virtuellen Aushubboden weg zu bewegen, zu bestimmen, ob eine solche Verringerung der Eindringtiefe den Überlastzustand beseitigt hat, und dann eine weitere Bewegung der Schaufel 48 von dem virtuellen Aushubboden weg befehlen, wenn der Überlastzustand nicht gelöst wurde. Wenn die Steuerungsarchitektur 74 letztlich nicht in der Lage ist, den Überlastzustand auf diese Weise zu lösen, kann ein entsprechender Alarm oder eine entsprechende Warnung durch das intelligente Baggersteuersystem 22 erzeugt werden, wie beispielsweise ein visueller Alarm, der auf dem Bildschirm des Anzeigegeräts 40 erscheint.
In verschiedenen Implementierungen des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 kann ein Überlastzustand von der Steuerungsarchitektur 74 während SCHRITT 128 erkannt werden, wenn eine auf den Motor 32 des Traktors 20 aufgebrachte Last einen maximalen Schwellenwert überschreitet oder sich diesem annähert. In anderen Fällen kann die Steuerungsarchitektur 74 das Auftreten eines Überlastzustandes erkennen (und somit automatisch eine Eindringtiefe der Baggerschaufel 48 reduzieren), wenn eine voraussichtliche oder erwartete Geschwindigkeit der Baggerschaufel 48 die tatsächliche Geschwindigkeit der Baggerschaufel 48 um eine vorbestimmte Spanne übersteigt. In noch anderen Fällen kann die Steuerungsarchitektur 74 das Auftreten eines Überlastzustandes erkennen, wenn bestimmt wird, dass das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 auf einen Stillstand gestoßen ist oder bald stoßen wird. In diesem letzteren Fall kann die Steuerungsarchitektur 74 das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 automatisch steuern, um die Eindringtiefe des Aushubwerkzeugs zu reduzieren, um die Lastwiderstandsbewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46 zu verringern und dadurch den Stillstand zu beseitigen oder zu verhindern. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuerungsarchitektur 74 auf Grundlage eines Hydraulikfluiddruckmesswerts, der von einem oder mehreren Sensoren 102 innerhalb des Hydraulikströmungsnetzwerks bereitgestellt wird, bestimmen, wann ein solcher Stillstand auftritt oder bevorsteht; z. B. kann das EH-Betätigungs-Teilsystem 70 automatisch die Eindringtiefe des Aushubwerkzeugs reduzieren oder eine ähnliche Anti-Stillstandsaktion durchführen, wenn der Hydraulikfluiddruck nahe dem Entlastungsdruck ist, diesem entspricht oder ihn übersteigt.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 5 und Adressierung von SCHRITT 132 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114, wandelt die Steuerungsarchitektur 74 als nächstes die Bedienereingabebefehle (unabhängig davon, ob sie während der SCHRITTE 126, 130 modifiziert wurden oder nicht) in entsprechende EH-Ventilsteuersignale um. Die Steuerungsarchitektur 74 überträgt dann EH-Ventilsteuersignale an die entsprechenden Ventilstellglieder, die in dem EH-Betätigungs-Teilsystem 70 enthalten sind. Die Ventilstellglieder passen dann die Positionen der Ventilelemente (z. B. Schieber) innerhalb der Durchflusssteuerventile an, um den Hydraulikfluidstrom zu den Hydraulikzylindern 62, 64, 66, 68 zu modifizieren, um das Auslegerbaugruppengestänge und insbesondere die Baggerschaufel 48 in der gewünschten Weise zu bewegen. Anschließend bestimmt die Steuerungsarchitektur 74 bei SCHRITT 134, ob die aktuelle Iteration des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 beendet werden soll; z. B. aufgrund der Beendigung der aktuellen Aushubaufgabe. Wenn das Bestimmen, dass eine Beendigung des Prozesses 114 gerechtfertigt ist, geht die Steuerungsarchitektur 74 zu SCHRITT 136 über und beendet den intelligenten Baggersteuerungsprozess 114. Wenn stattdessen bestimmt wird, dass der intelligente Baggersteuerungsprozess 114 fortgesetzt werden soll, kehrt die Steuerungsarchitektur 74 zu SCHRITT 118 zurück und die zuvor beschriebenen Prozessschritte wiederholen sich oder werden in einer Schleife ausgeführt. Somit kann durch Wiederholen der oben beschriebenen Prozessschritte in einer relativ schnellen (z. B. Echtzeit-Art) hochempfindlichen Steuerung die angelenkten Baggerbaugruppe 46 bereitgestellt werden, während die oben beschriebene Aushubtiefenbegrenzungsfunktion und/oder die anderen intelligenten Steuerfunktionen (z. B. Überlastschutz und/oder lineare Steuerfunktionen), die oben beschrieben wurden, implementiert werden.
Unter Erörterung nun der 6-8 ist ein Beispielszenario gezeigt, in dem die Steuerungsarchitektur 74 dem EH-Betätigungs-Teilsystem 70 befiehlt, die Baggerschaufel 48 entlang des virtuellen Aushubbodens (dargestellt durch die Linie 108) in eine Richtung zu bewegen, die durch die Bedienereingabebefehle angegeben ist, wie oben in Verbindung mit SCHRITT 126 des intelligenten Baggersteuerungsprozesses 114 angemerkt. Konkret steuert tdie Steuerungsarchitektur 74 in diesem Beispielszenario das EH-Betätigungs-Teilsystem 70, um die Bewegung der angelenkten Baggerbaugruppe 46 zu koordinieren, so dass eine Schneidkante 142 der Baggerschaufel 48 entlang des virtuellen Aushubbodens (Linie 108) in die durch Pfeil 144 angegebene Richtung gleitet. Um die Schneidkante 142 der Baggerschaufel 48 entlang des virtuellen Aushubbodens zu bewegen, müssen die Hydraulikzylinder 64, 66, 68 synchron ausgefahren und eingefahren werden, wobei zumindest die Hubzylinder 64 in verschiedenen Phasen dieser Bewegung ausfahren und einfahren, wie durch Pfeile 146 angedeutet. In ähnlicher Weise erfolgt eine synchronisierte Drehung des Hubauslegers 52, des Löffelstiels 54 und der Baggerschaufel 48 um die Drehgelenke 96, 98, 100, wie durch die Pfeile 148 angezeigt. Anders ausgedrückt steuert die Steuerungsarchitektur 74 das EH-Betätigungs-Teilsystem 70, um die kumulative Hydraulikzylindergeschwindigkeit in vertikaler Richtung (in diesem Beispiel) auf Null anzutreiben, während die Schneidkante der Baggerschaufel 48 entlang des virtuellen Aushubbodens (Linie 108) in eine Richtung bewegt wird, die der verbleibenden Vektorkomponente der Werkzeugbewegung entspricht, die durch den Bediener befohlen wird. Ein ähnlicher Ansatz kann verwendet werden, um die Schneidkante 142 der Baggerschaufel 48 entlang anderer virtueller Begrenzungen (z. B. der oben beschriebenen Rückflächenebene) der virtuellen Aushubfunktion nach Wunsch zu verwerfen, wenn verhindert wird, dass die Schaufel 48 solche Begrenzungen überschreitet.
Abschließend wird in 10 eine isometrische Ansicht eines Traktorbaggers 150 gezeigt, der mit einem intelligenten Baggersystem 152 ausgestattet ist, wie es in Übereinstimmung mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform dargestellt wird. In vielerlei Hinsicht ist das intelligente Baggersystem 152 ähnlich dem intelligenten Baggersystem 22, das oben in Verbindung mit den 1-9 beschrieben ist und die nachfolgende Beschreibung gilt gleichermaßen dafür. Zum Beispiel beinhaltet das intelligente Baggersystem 152 ebenso wie das intelligente Baggersystem 22 eine Auslegerbaugruppe 154 mit einem Innen- oder Hubausleger 156, einem Außenausleger oder Löffelstiel 158 und einer Baggerschaufel 160. Der Hubausleger 156 ist an einem ersten Drehgelenk mit einem Baggerrahmen 162 verbunden, der Hubausleger 156 ist an einem zweiten Drehgelenk mit einem ersten Ende des Löffelstiels 158 verbunden und ein zweites Ende des Löffelstiels 158 ist an einem dritten Drehgelenk mit der Baggerschaufel 160 verbunden. Die Drehung des Hubauslegers 156 um das erste Drehgelenk wird durch Ausfahren und Einfahren eines Hubzylinders 164 gesteuert, die Drehung des Löffelstiels 158 um das zweite Drehgelenk wird durch Ausfahren und Einfahren eines Löffelstielzylinders 166 gesteuert, und die Drehung oder das Einrollen der Baggerschaufel 160 um das dritte Drehgelenk wird durch Ausfahren und Einfahren eines Schaufelzylinders 168 gesteuert. Auch hier beinhaltet das intelligente Baggersystem 22 Doppelstabilisatorarme 170, die durch Ausfahren oder Einfahren von zwei Stabilisatorzylindedrn 172 zwischen verstauten (eingefahrenen) und entfalteten (ausgefahrenen) Positionen gedreht werden können.
Obwohl in 10 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, enthält das intelligente Baggersystem 152 ebenfalls die verschiedenen anderen Komponenten, die oben in Verbindung mit dem Baggersystem 22 beschrieben wurden, einschließlich zum Beispiel einer Anordnung von Auslegerbaugruppenpositionssensoren, eines EH-Betätigungs-Teilsystems und einer Steuerungsarchitektur. Während des Betriebs des intelligenten Baggersystems 152 verfolgt die Steuerungsarchitektur die Bewegung der Baggerschaufel 160 (einschließlich der Bewegung einer Schneidkante 174 der Baggerschaufel 160) relativ zu einem virtuellen Aushubboden 176 auf die zuvor beschriebene Weise. Hier weist der virtuelle Aushubboden 176 eine planare Topologie auf und ist durch eine 2D-Ebene definiert, die in dem 3D-Werkzeugraum ausgerichtet ist, durch den sich die Baggerschaufel 160 bewegt. Die Steuerungsarchitektur bestimmt ferner, wann eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe 154 zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens 176 durch die Baggerschaufel 160 führt, die zumindest teilweise auf der aktuellen Position und dem Bewegungsvektor der Baggerschaufel 160 basiert. Wenn bestimmt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe 154 zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens 176 führen wird, steuert die Steuerungsarchitektur das EH-Betätigungs-Teilsystem, um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens 176 durch die Baggerschaufel 160 verhindert.
Ein Bediener kann die Aushubtiefe, die durch einen Doppelpfeil 178 in 10 dargestellt ist, durch eine Bedienereingabe in eine geeignete Schnittstelle (z. B. ein GUI-Feld) einstellen, wie oben beschrieben. Ferner kann ein Bediener in Ausführungsformen in der Lage sein, die Winkelposition des virtuellen Aushubbodens 176 um eines oder beides von Folgendem anzupassen: (i) eine Rollachse 180, die sich parallel zu dem virtuellen Aushubboden 176 erstreckt, und (ii) eine Neigungsachse 182, die sich parallel zu dem virtuellen Aushubboden 176 und senkrecht zu der Rollachse 180 erstreckt. Beispielsweise kann ein Bediener insbesondere in Bezug auf die Neigungsachse 182 eine Eingabe bereitstellen, die eine Zielneigung oder Neigung des virtuellen Aushubbodens 176 spezifiziert. Die Steuerungsarchitektur des intelligenten Baggersystems 152 wandelt dann die Zielneigungseinstellung in eine Winkelverschiebung des virtuellen Aushubbodens 176 um die Neigungsachse 182 um. Auf diese Weise kann ein Bediener einen gewünschten Grad für die Graben- oder andere Aushubfunktion, die mithilfe des intelligenten Baggersystems 152 erstellt wurde, auf intuitive Weise einstellen, indem er einen bestimmten Grad (z. B. plus oder minus eine bestimmte Anzahl von Prozentpunkten, wie etwa einen Grad von +5 % oder einen Grad von -5 %) mithilfe einer Bedienerschnittstelle, wie etwa einer GUI-Schnittstelle, die auf einem Anzeigebildschirm erzeugt wird, der sich innerhalb der Kabine des Traktors 150 befindet, in das Baggersystem 152 eingibt.
In Ausführungsformen kann die Steuerungsarchitektur auch die Position und Ausrichtung einer oder mehrerer virtueller Seitenwände der Aushubfunktion bestimmen, die wünschenswerterweise unter Verwendung des intelligenten Baggersystems 152 erstellt werden. Beispielsweise kann, wie in 10 dargestellt, die Steuerungsarchitektur die Position und Ausrichtung einer Rückflächenebene 184 festlegen, die sich von dem virtuellen Aushubboden 176 zu dem Bodenflächenniveau erstreckt. In bestimmten Implementierungen kann ein Bediener auch in der Lage sein, die Ausrichtung der Rückflächenebene 184 (oder einer anderen virtuellen Seitenwand) anzupassen, indem er beispielsweise die Bedienerschnittstelle verwendet, um die Rückflächenebene 184 um eine Achse 186 zu drehen, wie in 10 durch die Pfeile 188 dargestellt. Wiederum kann die Steuerungsarchitektur während des Betriebs des intelligenten Baggersystems 152 bestimmen, wann eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe 154 zu einer Verletzung der Rückseitenebene 184 führen wird; und, wenn dies bestimmt wird, kann sie das EH-Betätigungs-Teilsystem steuern, um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung der Rückseitenebene 184 durch die Baggerschaufel 160 verhindert. Insbesondere kann die Steuerungsarchitektur das intelligente Baggersystem 152 steuern, um die Schneidkante 174 der Baggerschaufel 160 entlang der Rückseitenebene 184 zu bewegen, um eine Schabaktion ohne Verletzung der Ebene 184 bereitzustellen. Auf diese Weise ist ein Bediener in der Lage, die Rückseite der Aushubfunktion, die unter Verwendung des intelligenten Baggersystems 152 erstellt wurde, gründlich zu säubern, selbst wenn eine direkte Sichtlinie zu der Ebene 184 fehlt, wie gezeigt.
AUFZÄHLUNG VON BEISPIELEN FÜR DAS INTELLIGENTE
AUSLEGERAUSHUBSYSTEM
Die folgenden Beispiele für das intelligente Auslegeraushubsystem sind ferner bereitgestellt und zur leichteren Bezugnahme nummeriert.

1. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet ein intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger eine angelenkte Auslegerbaugruppe, die in einem Aushubwerkzeug endet, ein elektrohydraulisches (EH) Betätigungs-Teilsystem, das Hydraulikzylinder beinhaltet, die in die angelenkte Auslegerbaugruppe integriert sind, und Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren, die mit der angelenkten Auslegerbaugruppe gekoppelt und konfiguriert sind, um Verfolgungsdaten bereitzustellen, die die Bewegung des Aushubwerkzeugs angeben. Eine Steuerungsarchitektur ist mit dem EH-Betätigungs-Teilsystem und den Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren gekoppelt. Die Steuerungsarchitektur ist in einem Aushubtiefenbegrenzungsmodus betreibbar, in dem die Steuerungsarchitektur: (i) eine aktuelle Position des Aushubwerkzeugs relativ zu einem virtuellen Aushubwerkzeug unter Verwendung der durch die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren bereitgestellten Verfolgungsdaten verfolgt; (ii) bestimmt, wann eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug führen wird, zumindest teilweise auf Grundlage der aktuellen Position der angelenkten Auslegerbaugruppe; und (iii) wenn bestimmt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, das EH-Betätigungs-Teilsystem steuert, um die vom Bediener befohlene Bewegung auf eine Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindert.
2. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 1, wobei die Steuerungsarchitektur ferner konfiguriert ist, um eine Position und eine Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens in einem dreidimensionalen (3D) Werkzeugraum festzulegen, durch den sich das Aushubwerkzeug bewegt.
3. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 2, wobei die Steuerungsarchitektur den virtuellen Aushubboden als eine zweidimensionale Ebene in dem 3D-Werkzeugraum definiert.
4. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 2, wobei die Steuerungsarchitektur den Ort des virtuellen Aushubbodens zumindest teilweise auf der Grundlage einer Aushubtiefeneinstellung und eines Bodenhöhenbezugspunkts festlegt.
5. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 4, wobei die Steuerungsarchitektur den Bodenhöhenbezugspunkt zumindest teilweise auf der Grundlage einer geschätzten Position des Aushubwerkzeugs als Reaktion auf den Empfang von Bedienereingaben festlegt, die angeben, dass sich das Aushubwerkzeug derzeit in einer Bodenkontaktposition befindet.
6. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 4, ferner umfassend einen Bodenhöhensensor, der mit der Steuerungsarchitektur gekoppelt und konfiguriert ist, um ihm Daten bereitzustellen, die indikativ für eine Bodenhöhe relativ zu einem Fahrgestell des Arbeitsfahrzeugs sind. Die Steuerungsarchitektur legt den Bodenhöhenbezugspunkt zumindest teilweise auf der Grundlage der von dem Bodenhöhensensor bereitgestellten Daten fest.
7. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 6, ferner umfassend Stabilisatorarme, die zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position drehbar sind. Der Bodenhöhensensor ist konfiguriert, um eine Winkelposition von mindestens einem der Stabilisatorarme zu erfassen, wenn er in die ausgefahrene Position gedreht wird.
8. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 2, wobei die Steuerungsarchitektur die Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens zumindest teilweise auf der Grundlage von Bedienereingaben festlegt, die eine Zielneigung für eine Aushubfunktion angeben, die wünschenswerterweise mithilfe des Aushubanbaugeräts erstellt wird.
9. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 1, wobei beim Steuern des EH-Betätigungs-Teilsystems die vom Bediener befohlene Bewegung so modifiziert wird, dass eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindert wird. Die Steuerungsarchitektur modifiziert die vom Bediener befohlene Bewegung derart, dass sich eine Schnittkante des Aushubwerkzeugs entlang des virtuellen Aushubbodens in eine durch einen Bedienereingabebefehl angegebene Richtung bewegt.
10. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 1, wobei die Steuerungsarchitektur konfiguriert ist, um: (i) ferner zu bestimmen, ob eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung einer virtuellen Seitenwand durch das Aushubwerkzeug führt, wobei sich die virtuelle Seitenwand von dem virtuellen Aushubboden zu einer Bodenhöhe erstreckt; und (ii) wenn bestimmt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führt, das EH-Betätigungs-Teilsystem zu steuern, um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung der virtuellen Seitenwand durch das Aushubwerkzeug verhindert.
11. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 10, wobei die virtuelle Seitenwand eine zweidimensionale Ebene beinhaltet, die eine Rückseite einer Aushubfunktion definiert, die wünschenswerterweise unter Verwendung des Aushubanbaugeräts erstellt wurde.
12. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 1, wobei die Steuerungsarchitektur ferner in einem linearen Steuermodus betreibbar ist, in dem die Steuerungsarchitektur Bedienereingabebefehle in eine lineare Bewegung des Aushubwerkzeugs entlang mindestens einem von Folgendem übersetzt: (i) einer ersten Achse parallel zu dem virtuellen Aushubboden; und (ii) einer zweiten Achse orthogonal zu dem virtuellen Aushubboden.
13. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 1, wobei die Steuerungsarchitektur ferner in einem lastbegrenzenden Steuermodus betreibbar ist, in dem die Steuerungsarchitektur dem EH-Betätigungssystem befiehlt, eine Eindringtiefe des Aushubwerkzeugs als Reaktion auf die Erkennung eines Überlastzustands zu reduzieren.
14. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 13, wobei der Überlastzustand einen aktuellen Stillstand oder einen erwarteten Stillstand des EH-Betätigungs-Teilsystems beinhaltet.
15. Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Beispiel 1, wobei das Aushubwerkzeug eine Baggerschaufel beinhaltet. Die angelenkte Auslegerbaugruppe beinhaltet einen inneren Ausleger, der an einem Fahrgestell des Arbeitsfahrzeugs an einem ersten Drehgelenk angebracht oder daran anbringbar ist, sowie einen äußeren Ausleger mit einem ersten Endabschnitt, der an einem zweiten Drehgelenk mit dem inneren Ausleger verbunden ist, und mit einem zweiten Endabschnitt, der an einem dritten Drehgelenk mit der Baggerschaufel verbunden ist.

FAZIT
Es sind somit Ausführungsformen eines in intelligenten Steuermodi betreibbarenAushubsystems mit angelenktem Ausleger vorgesehen, wie beispielsweise ein intelligentes Baggersystem, das mit einem Aushubwerkzeug in Form einer Baggerschaufel ausgestattet ist. In verschiedenen Ausführungsformen ist das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger in einem Aushubtiefenbegrenzungsmodus betreibbar, in dem Bedienereingabebefehle selektiv modifiziert oder außer Kraft gesetzt werden, um eine Verletzung eines virtuellen Aushubbodens (oder einer anderen virtuellen Begrenzung) durch das Aushubwerkzeug während eines Aushubvorgangs zu verhindern. Ein solcher virtueller Aushubboden kann in Ausführungsformen als eine 2D-Ebene innerhalb eines 3D-Werkzeugraums definiert sein, wobei die Steuerungsarchitektur die Position des virtuellen Aushubbodens auf Grundlage einer Aushubtiefeneinstellung (eines vertikalen Abstands) zwischen einem Bodenebenenbezugspunkt und einem Punkt auf dem virtuellen Aushubboden bestimmt. In bestimmten Implementierungen kann ein Bediener die Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens um seine Neigungs- und/oder Rollachsen anpassen, um beispielsweise den Grad oder die Neigung der Aushubfunktion zu bestimmen, die während des Aushubvorgangs erzeugt wird. Zusätzlich zu oder anstatt eines solchen Aushubbodens kann das Aushubsystem mit angelenktem Ausleger auch eine Verletzung anderer virtueller (z. B. ebener) Begrenzungen, wie etwa eine Rückseite oder eine andere virtuelle Seitenwand der Aushubfunktion, durch das Aushubwerkzeug definieren und verhindern. In mindestens einigen Ausführungsformen kann die Steuerungsarchitektur die Bewegung des Aushubwerkzeugs nicht anhalten, wenn die Ausführung von Bedienereingabebefehlen zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens (oder einer anderen virtuellen Begrenzung) führen würde, sondern die Bedienereingabebefehle modifizieren, um das Aushubwerkzeug (und möglicherweise insbesondere eine Schneidkante des Aushubwerkzeugs) entlang des virtuellen Aushubbodens ohne Verletzung desselben zu bewegen.
Das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger kann in Ausführungsformen auch in linearen Steuermodi betrieben werden; und in bestimmten Fällen kann die Steuerungsarchitektur des Aushubsystems Bedienereingabebefehle (z. B. Joystickverschiebungen) in eine lineare Bewegung des Aushubwerkzeugs entlang Achsen parallel zum virtuellen Aushubboden und/oder einer Achse orthogonal zum virtuellen Aushubboden übersetzen. In zumindest einigen Ausführungsformen kann das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger auch einen Überlastschutz bereitstellen, indem es automatisch eine Eindringtiefe des Aushubwerkzeugs reduziert, wenn eine Überlastbedingung, wie etwa eine aktuelle Blockierung oder eine erwartete Blockierung eines EH-Betätigungs-Teilsystems, erkannt wird. Durch solche intelligenten Steuerungsmodalitäten kann die Effizienz, mit der Bediener in der Lage sind, Aushubarbeiten zu erledigen, erheblich verbessert werden, während gleichzeitig die Möglichkeiten für menschliches Versagen reduziert werden und die mentale Arbeitsbelastung der Bediener minimiert wird. Gleichzeitig erhalten Bediener eine größere Flexibilität, indem sie gewünschte Abmessungen und Formen von Aushubfunktionen spezifizieren, während sie die Aushubfunktionen zuverlässig erstellen, um solche Spezifikationen unter Verwendung eines intelligenten Aushubsystems mit angelenktem Ausleger zu erfüllen.
Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“ bei einer Verwendung in dieser Patentschrift das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines bzw. einer oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wurde zur Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt, soll aber nicht vollständig oder auf die Offenbarung in der offenbarten Form beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen sind für Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und Sinn der Offenbarung abzuweichen. Die hierin ausdrücklich genannten Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und ihre praktische Anwendung am besten zu erklären und es anderen Durchschnittsfachleuten auf diesem Gebiet ermöglichen, die Offenbarung zu verstehen und viele Alternativen, Änderungen und Abweichungen von den beschriebenen Beispielen zu erkennen. Dementsprechend liegen verschiedene Ausführungsformen und Implementierungen als die explizit beschriebenen im Geltungsbereich der folgenden Ansprüche.

Claims

Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger, das in Verbindung mit einem Arbeitsfahrzeug verwendet wird, wobei das intelligente Aushubsystem mit angelenktem Ausleger Folgendes umfasst: eine angelenkte Auslegerbaugruppe, die in einem Aushubwerkzeug endet; ein elektro-hydraulisches (EH) Betätigungs-Teilsystem, das Hydraulikzylinder beinhaltet, die in die angelenkte Auslegerbaugruppe integriert sind; Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren, die mit der angelenkten Auslegerbaugruppe gekoppelt und konfiguriert sind, um Verfolgungsdaten bereitzustellen, die die Bewegung des Aushubwerkzeugs anzeigen; und eine Steuerungsarchitektur, die mit dem EH-Betätigungs-Teilsystem und mit den Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren gekoppelt ist, wobei die Steuerungsarchitektur in einem Aushubtiefenbegrenzungsmodus betreibbar ist, in dem die Steuerungsarchitektur: eine aktuelle Position des Aushubwerkzeugs relativ zu einem virtuellen Aushubboden mithilfe der Verfolgungsdaten, die durch die Auslegerbaugruppen-Verfolgungssensoren bereitgestellt werden, verfolgt; bestimmt, wann eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug führt, basierend zumindest teilweise auf der aktuellen Position der angelenkten Auslegerbaugruppe; und bei Bestimmung, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führen wird, das EH-Betätigungs-Teilsystem steuert, um die vom Bediener befohlene Bewegung auf eine Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindert.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsarchitektur ferner konfiguriert ist, um eine Position und eine Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens in einem dreidimensionalen (3D) Werkzeugraum festzulegen, durch den sich das Aushubwerkzeug bewegt.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 2, wobei die Steuerungsarchitektur den virtuellen Aushubboden als eine zweidimensionale Ebene in dem 3D-Werkzeugraum definiert.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuerungsarchitektur den Ort des virtuellen Aushubbodens zumindest teilweise auf der Grundlage einer Aushubtiefeneinstellung und eines Bodenhöhenbezugspunkts festlegt.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 4, wobei die Steuerungsarchitektur den Bodenhöhenbezugspunkt zumindest teilweise auf der Grundlage einer geschätzten Position des Aushubwerkzeugs als Reaktion auf den Empfang von Bedienereingaben festlegt, die angeben, dass sich das Aushubwerkzeug derzeit in einer Bodenkontaktposition befindet.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 4 oder 5, ferner umfassend einen Bodenhöhensensor, der mit der Steuerungsarchitektur gekoppelt und konfiguriert ist, um ihm Daten bereitzustellen, die indikativ für eine Bodenhöhe relativ zu einem Fahrgestell des Arbeitsfahrzeugs sind; und wobei die Steuerungsarchitektur den Bodenhöhenbezugspunkt zumindest teilweise auf Grundlage der durch den Bodenhöhensensor bereitgestellten Daten festlegt.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 6, ferner umfassend Stabilisatorarme, die zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position drehbar sind, wobei der Bodenhöhensensor konfiguriert ist, um eine Winkelposition von mindestens einem der Stabilisatorarme zu erfassen, wenn er in die ausgefahrene Position gedreht wird.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Steuerungsarchitektur die Ausrichtung des virtuellen Aushubbodens zumindest teilweise auf der Grundlage von Bedienereingaben festlegt, die eine Zielneigung für eine Aushubfunktion angeben, die wünschenswerterweise mithilfe des Aushubanbaugeräts erstellt wird.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei beim Steuern des EH-Betätigungs-Teilsystems, um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung des virtuellen Aushubbodens durch das Aushubwerkzeug verhindert, die Steuerungsarchitektur die vom Bediener befohlene Bewegung so modifiziert, dass sich eine Schneidkante des Aushubwerkzeugs entlang des virtuellen Aushubboden in eine durch einen Bedienereingabebefehl angegebene Richtung bewegt.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerungsarchitektur konfiguriert ist, um: ferner zu bestimmen, ob eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung einer virtuellen Seitenwand durch das Aushubwerkzeug führt, wobei sich die virtuelle Seitenwand von dem virtuellen Aushubboden zu einer Bodenhöhe erstreckt; und wenn bestimmt wird, dass eine vom Bediener befohlene Bewegung der angelenkten Auslegerbaugruppe zu einer Verletzung des virtuellen Aushubbodens führt, das EH-Betätigungs-Teilsystem zu steuern, um die vom Bediener befohlene Bewegung in einer Weise zu modifizieren, die eine Verletzung der virtuellen Seitenwand durch das Aushubwerkzeug verhindert.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 10, wobei die virtuelle Seitenwand eine zweidimensionale Ebene umfasst, die eine Rückseite einer Aushubfunktion definiert, die wünschenswerterweise unter Verwendung des Aushubanbaugeräts erstellt wurde.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuerungsarchitektur ferner in einem linearen Steuermodus betreibbar ist, in dem die Steuerungsarchitektur Bedienereingabebefehle in eine lineare Bewegung des Aushubwerkzeugs entlang mindestens einem von Folgendem übersetzt: einer ersten Achse parallel zu dem virtuellen Aushubboden; und einer zweiten Achse orthogonal zu dem virtuellen Aushubboden.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Steuerungsarchitektur ferner in einem lastbegrenzenden Steuermodus betreibbar ist, in dem die Steuerungsarchitektur dem EH-Betätigungssystem befiehlt, eine Eindringtiefe des Aushubwerkzeugs als Reaktion auf die Erkennung eines Überlastzustands zu reduzieren.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach Anspruch 13, wobei der Überlastzustand einen aktuellen Stillstand oder einen erwarteten Stillstand des EH-Betätigungs-Teilsystems umfasst.
Intelligentes Aushubsystem mit angelenktem Ausleger nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Aushubwerkzeug eine Baggerschaufel umfasst; und wobei die angelenkte Auslegerbaugruppe Folgendes umfasst: einen inneren Ausleger, der an einem Fahrgestell des Arbeitsfahrzeugs an einem ersten Drehgelenk angebracht oder daran anbringbar ist; und einen äußeren Ausleger mit einem ersten Endabschnitt, der an einem zweiten Drehgelenk mit dem inneren Ausleger verbunden ist, und mit einem zweiten Endabschnitt, der an einem dritten Drehgelenk mit der Baggerschaufel verbunden ist.