FI113696B - Menetelmä ja sovitelma kaivosajoneuvon kuorman painon määrittämiseksi - Google Patents

Description

113696 !

Menetelmä ja sovitelma kaivosajoneuvon kuorman painon määrittämiseksi

Menetelmä kaivosajoneuvon kuorman painon määrittämiseksi, jos-5 sa menetelmässä kuorman paino määritetään erillisillä mittausvälineillä saatujen mittaussignaalien perusteella.

Edelleen keksinnön kohteena on sovitelma kaivosajoneuvon kuljettaman kuorman painon määrittämiseksi.

Kaivoskoneilla kuten dumppereilla ja kauhakuormaajilla kuljetetaan 10 räjäytyksissä irronnutta louhetta räjäytyspaikasta purkupaikkaan. Koska tämä toiminta on varsin nopeatahtista ja kuljetusmatkat ovat suhteellisen lyhyitä, on punnitus tehtävä koneen liikkuessa, jotta punnitus ei häiritsisi tuotantoa. Jat-koprosessin kannalta on puolestaan välttämätöntä tietää, minkä verran louhetta on siirtynyt jatkoprosessiin. Reaaliaikainen punnitustieto mahdollistaa kai-15 voksen materiaalivirtojen seurannan jo kaivoksen sisällä helpottaen tuotannon ohjausta ja suunnittelua. Myös koneiden ennakoivan huollon suunnittelu tulee mahdolliseksi reaaliaikaista punnitustietoa hyväksikäyttämällä.

Eräässä tunnetussa ratkaisussa punnitus tehdään mittaamalla kuorman aiheuttamaa sylinteripainetta nostosylinterissä, joka liikuttaa nosto-20 varsien ja kauhan tai lavan muodostamaa järjestelmää. Paine mitataan nos-tosylinterin kummaltakin puolelta useita kertoja tietyn mittausjakson aikana ja • t saatujen paine-erojen keskiarvon perusteella lasketaan kauhassa oleva kuor-: ma. Koneen kallistuksen ja nostovarsien tai lavan asennon vaikutus nos- ;· tosylinterissä mitattuun paine-eroon kompensoidaan kompensointikertoimien

MM

: 25 avulla. Laskentamenetelmä on lineaarinen ja kuorman määritys tapahtuu ko-

• I

.· - neen liikkuessa. Mittausjärjestelmää kalibroitaessa mitataan ensin paine tyhjäl- lä kauhalla tai lavalla ja sen jälkeen käyttämällä kauhassa tai lavassa painot- » # taan tunnettua kuormaa.

Stabiilissa vakaassa tilassa mittausarvot saadaan suhteellisen hyvin ·; ; 30 oikein ja ajoneuvossa oleva kuorma riittävällä tarkkuudella määritettyä. On- : : gelmana on kuitenkin se, että nopeiden ja lyhyiden ajomatkojen vuoksi punni- ;· : tus pitää suorittaa ajon aikana, jolloin ajoneuvon kallistumat, ajoradassa olevat töyssyt sekä useat muut seikat vaikuttavat punnituksen lopputulokseen, ja tietyntyyppisissä tilanteissa saattaa helposti syntyä järjestelmällistä virhettä yh-• 35 teen suuntaan. Lisäksi ongelmana ratkaisussa on lineaarisen menetelmän : soveltaminen epälineaariseen systeemiin sekä se, että käytetyt apumittauk- 2 113696 setkaan eivät riitä kompensoimaan kaikkia ajonaikaisesta mittauksesta aiheutuvia virheitä painesignaalin tasossa. Yhtenä haittana on myös kiinteän mitta-usajan käyttö laskettaessa paine-eron keskiarvo vaihtelevilia jaksonpituuksilla värähtelevistä mittaussignaaleista.

5 WO-julkaisussa WO99/09379 on esitetty menetelmä, jossa neuro verkkoa ja sumeaa systeemiä hyväksikäyttäen voidaan antureilla mitattujen mittaussignaalien perusteella määrittää kaivosajoneuvon kuorman paino. Mitattavia suureita voivat olla esimerkiksi kauhan tai lavan nostosylinterien sylin-teripaine, ajoneuvon kallistus sekä pituus- että leveyssuunnassa ja kauhan 10 nostovarsien tai lavan asento. Mitattujen suureiden sekä kauhan tai lavan mekaniikan mittojen ja geometrian perusteella voidaan määrittää ajoneuvossa olevan hyötykuorman paino. Neuroverkon ja sumean systeemin muodostama epälineaarinen malli johtaa parempiin punnitustuloksiin kuin edellä esitetty lineaarinen menetelmä, mutta haittapuolina tässä menetelmässä on koneen 15 kalibrointi, laskenta-algoritmin määrittämiseksi tarvittavan opetusdatan suuri määrä sekä se, että laskenta-algoritmi on konekohtainen.

US-julkaisussa 4 919222 on esitetty menetelmä ja laitteisto lasta-usajoneuvon kuorman painon määrittämiseksi. Kuorman painon määrittäminen perustuu kauhan nostosylintereiden sylinteripaineen sekä kauhan nosto-20 varsien aseman mittaukseen kauhan noston aikana. Nostosylintereiden sylinteripaineen sekä kauhan nostovarsien aseman perusteella määritetään kuor-man painoa kuvaava signaali, josta mittauksissa esiintyvät satunnaiset pai-: :': neenvaihtelut pyritään poistamaan käyttäen käyränsovitusta ja keskiarvostus- ··. ta. Tuloksena saatua kuorman painoa kuvaavaa käyrää interpoloidaan tai : 25 ekstrapoloidaan suhteessa laitteiston kalibroinnin aikana määritettyihin käyriin .···’ kauhassa olevan kuorman painon määrittämiseksi. Julkaisussa esitetyn mene- t · III telmän haittapuolena on kuitenkin menetelmän riippuvuus kauhan nostono- ’··’* peudesta, joka täytyy ottaa menetelmässä huomioon. Lisäksi lastausajoneu- von radan ollessa erityisen töyssyinen aiheuttaen ajoneuvon huomattavaa kal- · ·: 30 listelua ei riittävän tarkan punnituksen lopputuloksen saavuttaminen onnistu.

Fl-patenttijulkaisussa 94677 on esitetty rakenteiden muodonmuu-:v. toksien mittaamiseen perustuva menetelmä rakenteisiin kohdistuvien kuormi- I t .·*·. tusten, erityisesti ajoneuvon kuorman painon, mittaamiseksi. Menetelmä sopii * · ·' staattisten, rakenteiden suhteen käytännössä paikallaan olevien taakkojen “: 35 aiheuttaman kuormituksen laskentaan mutta sitä ei voida käyttää liikkeellä ole- ' ’: van ajoneuvon kuorman laskentaan.

3 113696 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uusi menetelmä ja sovitelma kaivosajoneuvon kuorman punnitsemiseksi, jolla menetelmällä ja sovitelmalla punnitus voidaan toteuttaa riittävällä tarkkuudella myös ajoneuvon liikkuessa.

5 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että muodostetaan epälineaarinen tilamain, joka tilamalli kuvaa kaivosajoneuvon lavan tai kauhan ja nostovarsien ja niiden liikuttamiseksi käytettävien nos-tosylintereiden ja/tai kallistussylinterin sekä kaivosajoneuvon yhteyteen sovitettujen mittausvälineiden muodostamaa punnitussysteemiä ja jonka tilamallin 10 ainakin yksi tila kuvaa määritettävää kaivosajoneuvon kuorman painoa ja että määritetään kaivosajoneuvon kuorman paino mittausvälineillä mitattujen mittaussignaalien perusteella estimoimalla epälineaarisen tilamallin tiloja epälineaarisella Kalman-suotimella.

Edelleen keksinnön mukaiselle sovitelmalle on tunnusomaista se, ί 15 että sovitelmaan kuuluu laskentaelin, joka käsittää epälineaarisen tilamallin, | joka tilamalli on sovitettu kuvaamaan kaivosajoneuvon lavan tai kauhan ja nos tovarsien ja niiden liikuttamiseksi käytettävien nostosylintereiden ja/tai kallistussylinterin sekä kaivosajoneuvon yhteyteen sovitettujen mittausvälineiden muodostamaa punnitussysteemiä ja jonka tilamallin ainakin yksi tila on sovitet-20 tu kuvaamaan määritettävää kaivosajoneuvon kuorman painoa ja että laskentaelin on sovitettu määrittämään kaivosajoneuvon kuorman paino mittausväli-•YT neitiä mitattujen mittaussignaalien perusteella estimoimalla epälineaarisen ti- : :': lainailin tiloja epälineaarisella Kalman-suotimella.

··· Keksinnön olennainen ajatus on, että kaivosajoneuvon kuorman : 25 painon määritykseen käytetään epälineaarista Kalman-suodinta, joka estimoi ajoneuvossa olevan kuorman painoa, joka kuorman paino ei ole suoraan mi- • » tattavissa, ajoneuvoon sijoitetuilla mittausvälineillä saatujen mittaussignaalien perusteella.

Keksinnön etuna on, että käyttämällä epälineaarista Kalman- » t · • · ·: 30 suodinta saadaan muodostettua tarkempi estimaatti ajoneuvon kuorman pai- nosta, koska epälineaarisen ongelman ratkaisuun käytetään epälineaarista menetelmää, jonka avulla myös mittauksiin sisältyvän kohinan vaikutukset es-. · ·. timoituun kuorman painoon voidaan minimoida. Etuna on myös se, että mene- telmän kalibrointi on yksinkertaisempaa ja että menetelmää ei tarvitse erityi-35 sesti opettaa tunnistamaan eri massoja. Edelleen kuorman painon määritys 4 113696 tapahtuu nopeammin ja tarkemmin kuin aikaisemmin tunnetuissa menetelmissä.

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti kaivoksissa käytettävää dumpperia, 5 johon keksinnön mukaista menetelmää on sovellettu, kuvio 2 esittää kaavamaisesti kaivoksissa käytettävää kauhakuor-maajaa, johon keksinnön mukaista menetelmää on sovellettu, kuvio 3 esittää kaavamaisesti esimerkinomaisesti epälineaarisen Kalman-suotimen sovellusta ja laitteistoa, jota voidaan käyttää esimerkiksi kulo vion 1 mukaisen dumpperin kuorman painon määrittämisessä ja kuvio 4 esittää kaavamaisesti epälineaarisen Kalman-suotimen toimintaperiaatetta.

Kuviossa 1 on kaavamaisesti esitetty dumpperi, jossa on pyörillä liikkuva runko 1 ja runkoon 1 takapäästään nivelillä 2 kiinnitetty lava 3. Lavan 3 15 tyhjentämiseksi sen ja rungon 1 välille on kytketty nostosylinterit 4 ja lavan 3 ollessa laskettuna ala-asentoonsa se lepää etupäästään kannattimien 5 päällä. Edelleen dumpperissa on painovoimaan perustuvat anturit 6, jotka mittaa-vat rungon 1 kaltevuutta vaakatason suhteen sekä dumpperin pituus- että leveyssuunnassa. Lavan 3 kaltevuutta rungon 1 suhteen voidaan mitata esimer-20 kiksi joko käyttämällä nivelten 2 yhteydessä olevia kulma-antureita tai mittaamalla nostosylintereihin 4 syötetyn painenesteen tilavuusmäärää ja sen perus-·· teella laskea sylinterien 4 kiinnityspisteiden ja nivelten 2 välisen geometrian avulla lavan 3 kaltevuuskulma.

·:· Kuviossa 2 on kaavamaisesti esitetty kauhakuormaaja, jossa on . : 25 pyörillä kulkeva runko 1 ja siihen nostovarsilla 7 nivelten 8 välityksellä kiinnitet- ,·*·! ty kauha 9, joka kääntyy nostovarsien 7 suhteen nivelten 10 ympäri. Kauhan 9 kalustamiseksi nostovarsien 7 suhteen siinä on erillinen kallistussylinteri 11 ja kauhan 9 nostamiseksi nostovarsien 7 ja rungon 1 välillä on nostosylinteri 4. Edelleen kauhakuormaajassa on kuviossa 1 mainitulla tavalla painovoimaan * *» ··;; 30 perustuvat kaltevuusmittausanturit 6, jotka mittaavat kauhakuormaajan kalte- vuuden vaakatason suhteen maan vetovoiman perusteella kauhakuormaajan sekä pituus- että leveyssuunnassa. Kauhan 9 asema rungon 1 korkeussuun-. ’ * *. nassa voidaan määrittää käyttämällä esimerkiksi nivelten 8 yhteydessä kulma- : \ antureita, joiden välittämän mittaustiedon perusteella lasketaan nostovarsien 7 it* * 35 geometriaa hyväksikäyttäen kauhan 9 nostokorkeus tämän ollessa käännetty- nä kääntösylinterinsä 11 avulla mahdollisimman pystyyn asentoon. Vaihtoeh- 5 113696 toisesti nostokorkeus voidaan määrittää myös mittaamalla sylinteriin 4 syötetyn painenesteen tilavuusmäärä, jolloin kyseisen tilavuusmäärän sekä nivelten ja sylinterin 4 pituuden perusteella voidaan nostokorkeus laskea.

Kuviossa 3 on kaavamaisesti esitetty esimerkiksi kuvion 1 mukaisen 5 dumpperin kuljettaman kuorman painon määritykseen soveltuva epälineaarista Kalman-suodinta hyödyntävä laitteisto, jolla dumpperin kuorma voidaan mitata ajoneuvon ollessa joko liikkeessä tai paikallaan, jolloin keksinnön mukaista menetelmää ja laitteistoa voidaan hyödyntää myös kauhakuormaajan kauhan automaattisen täytön yhteydessä varmistamaan kauhan täyttyminen. Varsi-10 naista mittausta varten käytetään mittausantureita tai mittausvälineitä, joista kaksi mittausanturia 2a ja 2b ovat esimerkiksi venymäliuska-antureita, jotka on asennettu lavan 3 nivelten 2 suhteen sopivaan paikkaan dumpperin rungon 1 molemmille reunoille. Edelleen laitteistoon kuuluu anturit 4a ja 4b nostosylinte-rien 4 painenesteen paineiden mittaamiseksi sekä nostosylinterien 4 siltä puo-15 lelta, minne painenestettä syötetään että siltä puolelta, mistä paineneste virtaa ulos. Näiden antureiden avulla saadaan periaatteessa staattisessa tilanteessa vaakasuoralla alustalla kuorman paino määritetyksi riittävällä tarkkuudella.

Venymäliuska-antureilta 2a ja 2b tulevat mittaussignaalit viedään vahvistinten 12 kautta lavan 3 asennon laskevaan laskentaelimeen 13, joka 20 lavan 3 asento on määritetty aiemmin selitetyllä tavalla, ja josta laskentaeli-mestä 13 lavan 3 asentoa kuvaava parametri viedään epälineaarisen Kalman- • · ·'/·· suotimen toteuttavan lohkon 14 sisääntuloon. Lavan 3 asennon laskenta voi- : daan myös sisällyttää osaksi itse Kalman-algoritmia. Edelleen samaan epä- ··· lineaarisen Kalman-suotimen toteuttavaan lohkoon 14 tuodaan paineantureilta : 25 4a ja 4b tulevat mittaussignaalit, sylinterin 4 painenesteen lämpötila-anturilta .···. 4c tuleva lämpötila sekä kallistusantureiden 6 mittaama ajoneuvon kallistus, • » jotka mittaussignaalit syötetään epälineaarisen Kalman-suotimen toteuttavaan lohkoon 14. Lohkona 14 voidaan käyttää mikroprosessoria, signaaliprosessoria tai muuta vastaavaa laskentaelintä, joka voi suorittaa ennalta ohjelmoituja ··· 30 toimintoja.

Punnitusta tehtäessä kuljettaja nostaa lavan 3 dumpperin ollessa joko paikallaan tai liikkeessä niin, että se irtoaa kuviossa 1 kuvatuista tuista 5. ·. Tällöin syttyy kuljettajan näkyviin merkkivalo merkiksi siitä, että lava 3 on pel- *’ kästään sylintereiden 4 ja nivelten 2 varassa. Tämän jälkeen kuljettaja jonkin 35 ajan kuluttua painaa punnituksen aikaansaavaa näppäintä. Punnitus voi alkaa : myös automaattisesti tietyn ajan kuluttua lavan nostamisesta. Laskentaeli- 6 113696 messä 13 lasketun lavan 3 kaltevuuskulman sekä mitattujen sylinteripainei-den, painenesteen lämpötilan ja ajoneuvon kallistuksen perusteella estimoidaan ajoneuvon kuorman paino epälineaarisen Kalman-suotimen toteuttavassa lohkossa 14. Kuviossa 3 on esitetty myös muistiyksikkö 15, johon voidaan 5 tallettaa esimerkiksi kuorman estimoitu paino ja muita kuorman painon estimoinnin aikana mitattuja, laskettuja tai estimoituja arvoja. Muistiyksikössä 15 on myös talletettuna estimointiprosessin aloittamiseksi epälineaarisen Kalman-suotimen tarvitsemat, kuvion 4 mukaisen epälineaarisen Kalman-suotimen toiminnan selityksen yhteydessä esiteltävät alkuarvot, jotka estimointiproses-10 siä aloitettaessa voidaan lukea muistiyksiköstä 15 epälineaarisen Kalman-suotimen toteuttavaan lohkoon 14. Muistiyksikkö 15 voidaan myös sovittaa osaksi laskentaelintä 14, mutta selvyyden vuoksi muistiyksikkö 15 on esitetty kuviossa 3 erillisenä komponenttina.

Kuviossa 4 on esitetty periaatteellisella tasolla punnittavan kuorman 15 painon estimointiin käytettävän epälineaarisen Kalman-suotimen toiminta. Punnitussysteemin, joka käsittää kaivosajoneuvon lavan 3 tai kauhan 9 ja nos-tovarsien 7 ja niiden liikuttamiseksi käytettävien nostosylintereiden 4 ja/tai kal-listussyiinterin 11 sekä edellä kuvatut mittausvälineet, malli on dynaaminen, epälineaarinen ja diskreettiaikainen. Systeemin dynamiikkaa voidaan kuvata 20 yhtälöllä x(£ +1) = f [&, x(£)] + v(&), (1) missä x(£ + l) on järjestelmän todellinen tila hetkellä £ + 1, f( ) on systeemin tilansiirtomatriisia vastaava epälineaarinen funktio, x(fc) on todellinen systee-*:· min tila aikaisemmalla ajanhetkellä k ja vektori v(fc)on valkoista, nollakeskiar- 25 voista prosessikohinaa, joka kuvaa todellisen systeemin ja systeemistä muo-. "; dostetun mallin välistä mallinnusvirhettä, jonka odotusarvo ::* £[v(£)] = o ja varianssi E v(£)v(/)r = Q( 30 missä Q(&) on prosessikohinan eli mallikohinan kovarianssimatriisi,on Kroneckerin delta, missä SkJ =lkun k = j ja muutoin 0, ja T kuvaa matriisin ;* transpoosioperaatiota. Määritettäessä esimerkiksi dumpperin kuorman paino m voidaan systeemin mallissa huomioida esimerkiksi lavan nostosylinterien ylä- ja alapaineet py ja pa, koneen kallistus γ, lavan asento 5 ja painenes- : 35 teen, esimerkiksi hydrauliöljyn, lämpötila L. Tällöin ajoneuvon punnitussys- 7 113696 teemin epälineaarisen tilamallin eli mallin tilavektori x koostuisi kuudesta elementistä x= m,py,pa,y,s,L] .

Näistä kaikki muut paitsi itse kuorman paino m ovat mitattavissa olevia suurei-5 ta. Yllämainituista mittauksista painenesteen lämpötilan L mittaus voidaan myös jättää pois ilman olennaista muutosta kuorman painon m estimaatin tarkkuudessa. Kuorman painon m riippuvuus mainituista mittauksista on epälineaarinen, eli kaavassa (1) esitetty punnitussysteemin dynamiikkaa kuvaava funktio f( ) on epälineaarinen. Lisäksi kuorman painon m mallia kuvaavassa 10 funktiossa f( ) voidaan huomioida muitakin tekijöitä, jotka eivät ole suoraan mitattavissa.

Systeemin tilan ja siten myös kuorman painon m estimointi epälineaarista Kalman-suodinta käyttäen tapahtuu seuraavasti.

Hetkellä k systeemin todellinen tila on x(£) 20. Todellinen tila 21 15 seuraavalla ajanhetkellä k +1 on kaavan (1) mukaisesti x{k +1) = f[/c, x(ä:)] + \(k), jota vastaava mittaus 22 hetkellä k +1 on z(k +1) = h[& +1, x{k +1)] + w (k +1), (2) missä mittausfunktio h( ) on yleisesti epälineaarinen funktio, mutta tämän 20 keksinnön puitteissa mittausfunktio h( ) voi olla myös lineaarinen, ja w(fc) on -i valkoista, nollakeskiarvoista mittauskohinaa, joka kuvaa mittauslaitteista ja mittausympäristöstä mittauksiin summautuvaa virhettä. Mittauskohinan w(&) >;.· odotusarvoon £[w(£)] = 0 * · ,···[ 25 ja varianssi . · · ·. £[wU)w(/)7 ] = R(ä:)<% , missä R(&) on mittauskohinan kovarianssimatriisi.

Λ - ·· Todellisen tilan x(k) 20 estimaatti x(£|fc) 23 hetkellä k on todellisen :' ’ ’: tilan ehdollisen odotusarvon approksimaatio, : *. ’. 30 x{k\k)« £|x(ä:)|Z* j, joka on muodostettu hetkeen k mennessä kertyneiden mittausten Z* = {z(l),z(2),...,z(fc)} perusteella. Jotta systeemin tilaa hetkellä k +1 voidaan . estimoida, pitää systeemin epälineaarisuudet linearisoida mallin dynamiikkaa kuvaavasta funktiosta f( ) ajanhetken k tilaestimaatin x(k\k) 23 läheisyydes- 8 113696 sä. Linearisointiin käytetään Taylorin sarjakehitelmää ja riippuen siitä, käytetäänkö sarjakehitelmästä ainoastaan ensimmäisen asteen termejä vai otetaanko mukaan myös toisen asteen termit, saadaan joko ensimmäisen tai toisen asteen suodin. Epälineaarisen funktion linearisointia käytetään myös mit-5 tauksen ennusteen z(k + \\k) 25 laskemisen yhteydessä. Taylorin sarjakehi-telmän avulla saadaan toisen asteen suotimelle esitysmuoto x(& + ) = f k,x{k\k) +ί*(£) x(k) -x(kjk) 1 », f Λ ~iT r Λ η ’ (3) + - Σ ei x(k) ~ XW*) /«(*) x(k) - x(k\k) + ΚΑΤ + vik)

^ ,=ι L J L

missä ηχ on tilojen lukumäärä, joka tämän esimerkin tapauksessa on kuusi, e, on i :s nx -ulotteinen kantavektori, jonka i :s komponentti on ykkönen ja muut 10 komponentit ovat nollia, KAT kuvaa korkeamman asteen termejä, jotka tässä tapauksessa voidaan jättää huomioon ottamatta ja *x(k) = [v,f(*,x)7']7'|x = (4) on pisteessä x(k\k) 23 laskettu vektorin f Jakobiaani 29 ja /»(*) = [νΧ/'(Μ)]χ = χ(*Ι*) (5) 15 on Hessen matriisin osa 29, joka on laskettu vektorin f / :nnen komponentin perusteella.

; : Linearisoinnin jälkeen tilan ennuste x(k +1|&) 24 x(&-f lj&) = e\f &,x(fc|&) i + iijfj(fc) x(fc) - x(#|ä) i :;i‘ il», r Λ r r λ ij (8) : * ·.: + Σei x(k) - x(k\k) fL x(k) - x(k\k) | • · ·"* 20 hetkellä k ajanhetkelle £ + 1 saadaan yhtälön (3) ehdollisena odotusarvona, joka on muodostettu hetkeen k mennessä kertyneiden mittausten Z* perus-·· : teella, kun toista astetta korkeammat termit jätetään huomioon ottamatta nii- :: den vähäisen vaikutuksen vuoksi. Laskennan tarkkuutta voidaan kuitenkin lisä- : v. tä ottamalla toista astetta korkeammat termit huomioon. Koska ensimmäisen . · . 25 asteen termi on keskimäärin nollakeskiarvoinen sen perusteella, että x(yfc|£)«£[x(ife)|z4], ...: saadaan tilan ennusteeksi χ(& + ί|&) 24 hetkelle k +1 113696 9 x(fc + l|4 = f &,χ(*|έ) +\^eitr\f^x(k)v{k\k)\1 (7) L J 2 ,=1 missä tr -operaatio on neliömatriisin lävistäjäalkioiden summa ja P(£|&) 28 on tilan kovarianssi hetkellä k. Tilan ennustusvirhe saadaan vähentämällä yhtälöstä (3) yhtälö (7). Kertomalla näin saatu ennustusvirhe omalla transpoosil-5 laan ja ottamalla siitä ehdollinen odotusarvo mittausten Z* suhteen saadaan ennustettu tilan kovarianssi ?(k + \\k) 30 p(* + i|*) = f,(*)P(*l*)f,(*)r 1 nx r 1 (8) + 9 Σ Σ eie]^fL{k)V(k\k)fi{k)v(l^ + Q(4 Z /=1 7=1

Kaavassa (7) lasketun tilan ennusteen perusteella voidaan laskea hetkellä k mittaukselle ennuste z(k +1|£) 25 ajanhetkelle k +1 10 z{k + \\k) = h & + 1,χ(& + 1|£) +“^βίί**[^(Α:)4·Ρ(Α: + ΐ(Λ)|, (9) L J 2 /=1 missä ei on i :s nz -ulotteinen kantavektori, ja tämän esimerkin tapauksessa n2 on viisi eli mittauksien lukumäärä. Todellisen mittauksen z(k + \) 22 ja mittauksen ennusteen z(k +1|£) 25 perusteella voidaan laskea mittauksen residu-aali eli innovaatio u{k +1) 26 hetkellä k +1 15 v(k +1) = z(k +1) - z{k + 4), (10) ja siihen liittyvä innovaation kovarianssi S(& + l) 31 on % ' S (k + 4) = h,(£ + l)p(fc + l\k)hx(k + l)r . * 1 »z »z (11) .:. + T Σ Σ tr[h'xx(k + 0P(* + l\k)hi(k + 0P(* + P)] + R(4 .: ^ i=i 7=1 *: missä yhtälöiden (3) - (5) kanssa vastaavasti ’··* h^(^:+ l) = + χ)Γ x = x(& + lj£) (12) » » 20 ja t ;> +1) = + l,x)]jx = i(* + 1|A). (13) :Suodattimen vahvistus W(k +1) 32 voidaan laskea kaavasta V. W(it + l) = i:[x(Ä: + l)u(Ä: + l)r|Zi], (14) missä x(£ + l)on tilan x(£ + l) 21 ennustusvirhe perustuen hetkellä 25 ί käytössä olleeseen informaatioon. Tilan päivitetty estimaatti eli tilan suoda- . tettu arvo x(k +1|k +1) 27 hetkellä k +1 perustuen hetkellä k +1 käytössä ole- » vaan informaatioon on 10 113696 x(£ + l|Jt +1) = i(jfc + l|Jt) + W(it + l)u(Jfc +1) (15) ja tilan päivitetty kovarianssi P(& + \\k +1) 33 hetkellä k +1 perustuen hetkellä k +1 käytössä olevaan informaatioon on P(* +1| Jfc +1) = P(jb +1| Jk) - W(Jfc + l)S(Jk +1) W(Jk + l)r. (16) 5 Systeemin tilan, eli tämän keksinnön mukaisesti myös kuorman painon m, estimointi Kalman-suotimella voidaan periaatteessa jakaa kolmeen osaan; tilan ennustaminen, suodattimen vahvistuksen laskeminen ja mittauksen residuaalin laskeminen, joiden perusteella voidaan laskea estimaatti systeemin tilalle, ja tässä tapauksessa erityisesti kuorman painolle m. Punnitus-10 systeemin mallin ja mittauslaitteiden epävarmuudet vaikuttavat tilan kovarians-sin kautta suotimen vahvistukseen, jolla painotetaan mittauksen residuaalia siten, että tilaestimaatin päivityksessä huomioidaan sopivassa suhteessa mittauksien antama informaatio systeemin tilasta ja systeemin mallin perusteella laskettu tila, sillä kumpikaan niistä eivät yksinään ole täysin luotettavia eli ιοί 5 dellista systeemiä vastaavia. Saatuja päivitettyjä arvoja käytetään edelleen seuraavan ajanhetken estimaatin muodostamisessa. Näitä laskentakierroksia toistetaan kunnes suotimen ulostulonaan antama tila, eli tässä tapauksessa erityisesti ajoneuvon kuorman paino m, on asettunut tietylle tasolle, joka taso täten vastaa ajoneuvossa olevan kuorman painon m estimaattia. Estimointi 20 voidaan lopettaa esimerkiksi silloin, kun kuorman painon estimaatin varianssi alittaa ennalta määrätyn raja-arvon, jota raja-arvoa voidaan muuttaa eli se on • / algoritmin parametrina. Laskennan aloittamiseksi tarvitaan tilan estimaatin al- kuarvo ί(θ|θ), alkutilaa vastaava tilan kovarianssi Ρ(θ|θ) sekä punnitussys- teemin mallin ja mittauslaitteiden epävarmuudet, jotka kaikki ovat talletettuina . ·: 25 muistiyksikköön 15, josta ne luetaan epälineaarisen Kalman-suotimen toteut- , tavaan lohkoon 14 käynnistettäessä punnitus. Alkuarvoina voidaan käyttää kyseiselle ajoneuvolle tehtaalla asetettuja arvoja. Mitattavien tilojen alkuarvoina voidaan myös käyttää ensimmäistä mittausta, jolloin varsinainen estimaatin laskenta aloitetaan toisesta mittauksesta. Se miksi estimoitu kuorman painon .··. 30 m arvo ei heti ensimmäisellä Kalman-suotimen laskentakierroksella anna oi- • » keaa tulosta johtuu laskennan aloittamisesta tilan alkuarvosta, mikä ei välttä-: mättä ole oikea. Lisäksi myös mittaussignaaleissa on varsinkin mittauksen al- kuvaiheessa erilaisia häiriöitä, jotka Kalman-suotimen pitää ensin suodattaa : pois.

: 35 Punnitussysteemin kalibroimiseksi ajoneuvo lastataan painoltaan tunnetulla koekuormalla. Kalibroinnin tekemiseksi riittää tyhjän lavan tai lasta- 11 113696 usajoneuvon ollessa Kyseessä tyhjän Kauhan punnitus seKä punnitus yhdellä tunnetulla KoeKuormalla, mutta myös useita painoltaan erisuuruisia KoeKuor-mia voidaan Käyttää. Kalibrointi tehdään KoneKohtaisesti. Edelleen Kalibrointi voidaan uusia Koneen Käytön aiKana Koneen iKääntymisen aiheuttamien muu-5 tosten tai Komponenttien vaihdosten aiheuttamien muutosten vaiKutusten KompensoimiseKsi. Kalibroinnin yhteydessä voidaan epälineaarista Kalman-suodinta Käyttää myös punnitussysteemin epälineaarisen mallin parametrien estimointiin.

Vastaavasti edellä esitetyllä tavalla punnitus voidaan tehdä Kauha-10 Kuormaajan avulla, jolloin Kauhan asema ja muut seiKat voidaan helposti ottaa huomioon. KauhaKuormaajan tapauKsessa voidaan Käyttää periaatteessa Kuviossa 3 esitettyä mittausKaaviota, jolloin vastaavasti Kauhan 9 asema rungon 1 KorKeussuunnassa ja/tai sen nostovarsien 7 Kaltevuus otetaan huomioon punnitussysteemin mallissa. Täten mallin tilaveKtori x ja systeemin dynamiiK-15 Kaa Kuvaavat funKtiot muuttuvat edellä esitetystä Kuorman painon m estimoinnin periaatteen pysyessä KuitenKin samana.

PiirustuKset ja niihin liittyvä selitys on tarKoitettu vain havainnollistamaan KeKsinnön ajatusta. YKsityisKohdiltaan KeKsintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä Kaivosajoneuvon raKenteen ei tarvitse olla juuri 20 Kuvioissa 1 ja 2 esitetyn Kaltainen vaan olennaista on, että Kuorman painon estimointi perustuu punnitussysteemistä muodostetun epälineaarisen mallin tilojen estimointiin epälineaarisella Kalman-suotimella. Myös Kalman-suotimen eriKoistapauKsia, Kuten Wiener-suodinta tai muita vastaavia menetelmiä, voi- I t f daan Käyttää vastaavalla tavalla Kaivosajoneuvon Kuorman painon määrityK- IM» : 25 seen.

* » · • · » · • · • · % V I ·

I I

• » »

Claims (19)

1. Menetelmä kaivosajoneuvon kuorman painon määrittämiseksi, tunnettu siitä, että muodostetaan epälineaarinen tilamalli, joka tilamalli kuvaa kaivos-5 ajoneuvon lavan (3) tai kauhan (9) ja nostovarsien (7) ja niiden liikuttamiseksi käytettävien nostosylintereiden (4) ja/tai kallistussylinterin (11) sekä kaivosajoneuvon yhteyteen sovitettujen mittausvälineiden muodostamaa punnitussys-teemiä ja jonka tilamallin ainakin yksi tila kuvaa määritettävää kaivosajoneuvon kuorman painoa (m) ja että 10 määritetään kaivosajoneuvon kuorman paino (m) mittausvälineillä mitattujen mittaussignaalien perusteella estimoimalla epälineaarisen tilamallin tiloja epälineaarisella Kalman-suotimella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi punnitussysteemin epälineaarisen mallin tila käsittää nos-15 tosylinterin (4) painenesteen paineen (py, pa).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi punnitussysteemin epälineaarisen mallin tila käsittää nostosylinterin (4) painenesteen lämpötilan (L).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että ainakin yksi punnitussysteemin epälineaarisen mallin tila käsittää kaivos- ajoneuvon kaltevuuden (γ) vaakatason suhteen.

. \ 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi punnitussysteemin epälineaarisen mallin tila käsittää kuorma-; lavan (3) kaltevuuden kaivosajoneuvon suhteen tai kaivosajoneuvon kauhan / 25 (9) aseman ja/tai nostovarsien (7) kaltevuuden kaivosajoneuvon rungon (1) korkeussuunnassa.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että epälineaarisen Kalman-suotimen alkutilan arvoina käy-t ;· tetään ennalta asetettuja arvoja. ; : 30

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että epälineaarisen Kalman-suotimen alkutilan arvoina käytetään tehtaalla asetettuja arvoja.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, : tunnettu siitä, että kuorman painon estimointi lopetetaan kuorman painon • 35 estimaatin vakiinnuttua tietylle tasolle. 113696

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuorman painon estimointi lopetetaan kuorman painon estimaatin varianssin arvon alittaessa ennalta asetetun raja-arvon.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että punnitussysteemin epälineaarinen malli kalibroidaan käyttäen yhtä tai useampaa painoltaan tunnettua koekuormaa.

11. Sovitelma kaivosajoneuvon kuljettaman kuorman painon määrittämiseksi, tunnettu siitä, että sovitelmaan kuuluu laskentaelin (14), joka käsittää epälineaarisen tilamallin, joka tila-10 malli on sovitettu kuvaamaan kaivosajoneuvon lavan (3) tai kauhan (9) ja nos-tovarsien (7) ja niiden liikuttamiseksi käytettävien nostosylintereiden (4) ja/tai kallistussylinterin (11) sekä kaivosajoneuvon yhteyteen sovitettujen mittausvälineiden muodostamaa punnitussysteemiä ja jonka tilamallin ainakin yksi tila on sovitettu kuvaamaan määritettävää kaivosajoneuvon kuorman painoa (m) 15 ja että laskentaelin (14) on sovitettu määrittämään kaivosajoneuvon kuorman paino (m) mittausvälineillä mitattujen mittaussignaalien perusteella estimoimalla epälineaarisen tilamallin tiloja epälineaarisella Kalman-suotimella.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, 20 että sovitelma käsittää mittausvälineet (4a, 4b) nostosylinterin (4) painenes-teen paineen (py, pa) mittaamiseksi.

« • 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että sovitelma käsittää mittausvälineet (4c) nostosylinterin (4) painenesteen : · lämpötilan (L) mittaamiseksi.

12 1 13696

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, , · ‘ että sovitelma käsittää mittausvälineet (6) kaivosajoneuvon kaltevuuden (γ) » · , ·. mittaamiseksi vaakatason suhteen.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että sovitelma käsittää mittausvälineet lavan (3) kaltevuuden mittaamiseksi 30 kaivosajoneuvon suhteen tai kaivosajoneuvon kauhan (9) aseman ja/tai nosto-‘ ' varsien (7) kaltevuuden mittaamiseksi kaivosajoneuvon rungon (1) korkeus- : : suunnassa.

: : 16. Jonkin patenttivaatimuksen 11-15 mukainen sovitelma, tun nettu siitä, että sovitelma käsittää muistiyksikön (15) tilamallin estimoitujen » [ 35 tilojen ja/tai estimoinnissa tarvittavien alkuarvojen tallentamiseksi. 113696

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että iaskentaelin (14) käsittää muistiyksikön (15).

18. Jonkin patenttivaatimuksen 15-17 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että sovitelma käsittää laskentaelimen (13) kaivosajoneuvon la- 5 van (3) asennon tai kauhan (9) aseman ja/tai nostovarsien (7) kaltevuuden määrittämiseksi.

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että kaivosajoneuvon punnitussysteemin epälineaarisen tilamallin tiloja epälineaarisella Kalman-suotimella estimoiva Iaskentaelin (14) käsittää kaivosajo- 10 neuvon lavan (3) tai kauhan (9) aseman ja/tai nostovarsien (7) kaltevuuden määrittävän laskentaelimen (13). 113696