JPH05502292A - ペイロードを監視する装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 □ 本発明は、一般には、ばら積み材料を積み込む車両、より詳細には、積み込むば ら積み材料の重量を測定し、表示する装置および方法に関するものである。

！量技玉 −ａに、ばら積み材料の山からトランクまたは貨車などの輸送車両へばら積み材 料を積み込むには、一般に、ローダーなどの車両が使用される。そのような輸送 車両へ積み込むときには、輸送車両に法定最大積載重量まで積み込むことが望ま しい（しかし、法定最大積載重量を越えてはならない）、積載量が少なすぎると 、材料輸送サイクルの効率が悪く、また輸送車両の利用効率が低くなる。積載量 が過剰であると、整備費用が余分にかかり、またトラックのタイヤやサスペンシ ラン装置の磨耗がひどくなる。さらに、過剰に積載した場合は、せっかく積み込 んだ材料を降して積載重量を減らす必要があり、そのために余分の費用がかかる 。

また、ばら積み材料輸送作業の生産性の測度としては、ペイロード測定値が望ま しい、１交代勤務時間の間、２４時間の間、あるいは他の任意の時間間隔の間に 積み込まれたばら積み材料の重量を累算する能力は、作業監督にとって役に立つ 。

多数のペイロード測定装置が開発されている。そのような装置の１つが米国特許 第４，２３０．１９６号（１９８０年１０月田日発行）に開示されている。この 特許は、ローグー用のペイロード重量測定／累夏装置を開示している。この装置 は、ローダーのリフトシリンダ内の油圧を検出する圧力センサと、オペレータが リフトアームを所定の重量測定位置に容易に位置決めできるように視覚的に補助 するりフトアームアライメント部材を備えている。ローダーのパケット内のペイ ロードを測定するため、オペレータはアライメント部材をリフトアームおよび車 体に目視で一直線に並べてリフトアームを位置決めし、一定時間をおいて、ペイ ロードの重量を測定する。

この装置は、幾つかの欠点がある。第１に、１／２秒でサンプルしたデータの量 が少ないため、得られた測定値が正確でない、このことは、ローダーをでこぼこ の地形上で使用している場合には特に重要である６リフトシリンダ圧力は、ロー ダーが地面の隆起にぶつかると上昇し、ローダ−が隆起を越えて「自由落下」状 態になると減少する。また、ローダ−が地面の凹みに出会うと、始めに圧力が減 少し、そのあと上昇することを除き、同様に大きな圧力変動が生じる。

ローダーの通常の使用環境においては、地面は平坦ではない。上記米国特許の装 置は、データをサンプルするとき、ローダーのダイナミックスが定常状態である ことが必要である。しかし、これは、ローダ−が移動しているときは不可能であ る。データサンプリングウィンドウが小さいので、重量測定精度が著しく落ちる 。上記米国特許に記載されている装置は、さらに、測定のときリフトアームの位 置を維持する必要がある。この要求は２つのことを意味する。第１に、シリンダ 圧力はリフトアームの位置によって広範囲に変動するので、もしオペレータがリ フトアームのアライメントをしなければ、得られたペイロード測定値はひどく間 違ったものになることがある。第２に、オペレータにリフトアームを止めてアラ イメント部材を使って位置決めするように要求することは、オペレータの作業ペ ースを乱し、一連の積込み作業を混乱させることがある。

米国特許第４，０５５，２５５号（１９ｎ年１０月部日発行）は、所定重量のペ イロードを支持して運搬するローダーのペイロードを測定する装置および方法を 開示している。この装置は、パケットを支持するシリンダ内の油圧を検出する。

ローダーの作業実施リンク機構は独特な形態を有しているので、パケットのリフ トシリンダは、ペイロードをすくい入れるためパケットを下げたときを除いて、 通常は直立している。したがって、この装置は、異なる通常のリンク機構形態を 有するローダーに使用するには適当でなく、特定の用途に使用するペイロード測 定装置である。

米国特許第４．９１９．２２２号（１，９９０年４月２４日発行）は、ローダ− で積み込むばら積み材料の重量を測定し、表示する装置および方法を開示してい る。リフトシリンダ内の油圧を検出することに加えて、この装置はリフトンリン ダの伸長量も検出する。最初に、ローダーのパケットが空の場合と、一杯に積み 込んだ場合について、作業サイクルの持上げ段階におけるシリンダ圧力と伸長量 を検出することを含む較正動作によって基準データを得る０次に、基準データと それ以後の未知のペイロードから得たデータとを比較して、未知のペイロードの 重量の指示を得る。この装置は正確な情報が得られるが、もし較正動作を省（こ とができれば、オペレータの生産性は向上するであろう、さらに、もしセンサの 数を減らせば、信顧性が向上し、しかも製造コストが低下し、倉庫の必要性も減 るであろう。

本発明は、上に述べた１つまたはそれ以上の問題点を解決することを目指してい る。

発皿塁開示 本発明は、従来のペイロード測定装置の欠点を取り除いたペイロード監視装置を 提供する。すなわち、本発明の装置は、正確で、オペレータの積込み作業を変更 したり、妨げたすせず、リンク機構の構造を変更せずに既存または新型のローダ ーに組み入れることができる。

本発明は、第１の！！様として、ペイロード運搬器すなわちパケットを持ち上げ る少なくとも１個のリフトシリンダを備えたローダーのペイロードを測定し、表 示する方法を開示する０本方法は、リフトシリンダ内の油圧を検出するステップ と、検出した圧力を表す時間従属二次多項式を導くステップ、時間従属二次多項 式とジオメトリ（幾何学的配列）従属二次多項式とを比較するステップ、および 前記比較から実際ののペイロード重量を計算するステップから成る。

本発明は、第２の１！欅として、ペイロード運搬器すなわちパケットを持ち上げ る少なくとも１個のリフトシリンダを備えたローダーのペイロードを測定し、表 示する装置を開示する。本装置は、リフトシリンダ内の油圧を検出する装置と、 検出した圧力に応じて、実際のペイロード重量を計算する装置を備えている。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面および明細書を′！！８読されれ ば明らかになるであろう。

凹皿Ω囚工望説皿 第１図は、ローダ−前部の側面図である。

第２図は、本発明の実施例のブロック図である。

第３図は、シリンダ圧力対シリンダ伸長量を表すグラフである。

第４図は、シリンダ圧力対時間を表すグラフである。

第５図および第５Ａ図は、第２図の実施例に使用するアルゴリズムのフローチャ ートである。

るための　のｌ ペイロード監視装置は、第１図に全体として参照番号１０で表示しである。第１ 図はパケット１６の形式のペイロード運搬器をもつ車輪型ローダ−１１の前部を 示すが、本発明は、軌道型ローダ−や同様な積込み器具をもつ他の形式の車両に も同様に適用できる。パケット１６は、車体に取り付けられた一対のリフトアー ムピボットピン１３（１個のみを示す〕のまわりに２個の油圧リフトシリンダ１ ４（１個のみを示す）によって旋回運動するリフトアームアセンブリ１２に連結 されている。リフトアームアセンブリ１２は、一対のリフトアーム荷重支持ピボ ットビン１９によってリフトシリンダ１４に連結されている。パケット１６は、 さらに、パケットチＪレトシリンダ１５によって（頃けることができる。

圧力センサ２１は一方のリフトシリンダ１４内の油圧を検出する。２個のリフト シリンダ１４が存在するが、ペイロード重量およびリフトアームアセンブリのジ オメトリ（幾何学的配列）が一定であれば、シリンダ内の圧力は普通は同じであ る。したがって、本出願においては、一方のリフトシリンダ１４において圧力を 検出すれば十分である。

次に、第２図について説明する。圧力センサ２１は、リフトシリンダ１４内の油 圧の大きさに相当するアナログ信号を発生する。圧力センサ２１とマイクロプロ セッサ２２の間に接続されたアナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４は、アナ ログ圧力信号をディジタル圧力信号へ変換し、マイクロプロセッサ２２がそのデ ィジタル圧力信号を読み取る。マイクロプロセッサ２２に接続されたペイロード 重量表示器２６は、マイクロプロセッサ２２が実行した計算に基づいて測定され たペイロード重量を表示する。生産性要約表示器２８は、ローダーが所定の時間 内に積み込んだばら積み材料の量を表示する０本発明の好ましい実施例は、記憶 装置３２と、ハードコピー報告書を作成するプリンタ３０を備えている。

次に、第３図および第４図に、それぞれ、シリンダ圧力対シリンダ伸長量特性曲 線およびシリンダ圧力対時間特性曲線を示す、各曲線の形状は、時間および伸長 量のそれぞれの範囲における二次多項式のグラフ表現に対応する０図示のように 、各グラフの最下位の曲線はパケット１６が空の状態に対応し、各グラフの最上 位の曲線はパケット１６内に最大定格ペイロードを入れた場合に対応する。グラ フのより高い位置にある各曲線は、より大きなペイロードをいれた場合に対応す る。

シリンダ圧力対シリンダ伸長量特性曲線およびシリンダ圧力対時間特性曲線は二 次多項式で表現することができるので、もし与えられたペイロードに対応する圧 力対時間特性曲線が知られていれば、同じペイロードに対応する圧力対伸長温特 性曲線を決定することができる。圧力対伸長量の多項式の微分は、速度が時間微 分量（Δｔ）の間一定とみなされる場合にのみ可能である。都合のよいことに、 問題の時間間隔は１／１０秒のオーダーである。そのような短い時間枠において は、物理的な束縛がリフトシリンダ圧力の大幅な変化を防止するので、たとえ非 常に短いサンプリング時間を使用したとしても、複数のサンプルを二次多項式へ 曲線近似することによって正確な結果が得られる。

微分は、以下の方程式に関して最もよく理解することができる。

Ｐ−ａｔ”＋ｂｔ＋ｃ　ｄＰ／ｄｔ−２ａｔ＋ｂ　（１）ここで、Ｐ−リフトシ リンダ圧力、 を一時間、 ａ、ｂ、ｃ一定数、 ｄ　Ｐ／ｃｌ　を−圧力対時間特性曲線の勾配、である。

Ｐ−ａｔ２＋ｅｔ＋ｆ　ｄＰ／ｄｘ−２ｄｔ十ｅ　（２）ここで、Ｐ−リフトシ リンダ圧力、 Ｘ−リフトシリンダ伸長量、 ｄ、ｅ、ｆ一定数、 ｄＰ／ｄｘ−圧力対伸長温特性曲線の勾配、である。

Ｖ−ｄｘ／ｄｔ−（ｄＰ／ａｔ）／（ｄＰ／ｄｘ）　（３）ここで、■−リフト シリンダの伸長速度である。

圧力対時間特性曲線は、誤差最小法（最小自乗誤差法が好ましい）を用いて圧力 センサ２１から得たデータ点を二次多項式へあてはめる、すなわち曲線近似する ことによって、経験的に決定される。所定の数の離散的既知ペイロードに対する 圧力対伸長温特性曲線は、本発明を組み入れた車両について実験的に決定され、 記憶装置３２に格納される０選択する圧力対伸長温特性曲線の数は、考えられる ペイロードの範囲と、所望精度の度合いに基づく、リフトシリンダ伸長量は独立 変数であることが好ましいが、ローダーのジオメトリの変化を示す別の変数たと えばリフトアームピボットピン１３０回転角を使用してもよい。

もし速度を一定と仮定すれば、 Ｖ　−（２ａ　ｔ、　十ｂ）　／　（２ｄｘｔ　＋ｅ）”’　（２ａ　Ｌｘ　＋ ｂ）　／　（２ｄ　Ｘｚ　＋ｅ）　（４）である。

したがって、もし点１に対応するデータと、その点における圧力対時間特性曲線 の傾斜が知られていれば、このデータと既知ペイロードの圧力対伸長温特性曲線 とを比較して、既知伸長温特性曲線のどれが式（４）を満たす点を含んでいるか どうかを判断することができる。圧力対時間特性曲線に沿った各点について、上 記手順が繰り返される。弐（４）を満たす大部分の点を含む圧力対伸長温特性曲 線は、パケット１６内のペイロードの実際の重量に最も近い事前に選択したペイ ロード重量に対応する。

次に、第５図と第５Ａ図を参照して、本発明の方法を実施するアルゴリズムにつ いて詳しく説明する。圧力センサ２１からの圧力信号を所定のレートでサンプル し、記憶装置３２に格納する（ブロック３４．３５）。サンプルの時間間隔は１ ７１０秒のオーダーが都合がよいが、選択されたレートは設計上の選択の問題で ある０次に、格納した所定の数の圧力信号を使用して、シリンダ圧力を時間の関 数として表す二次多項式を導く　（ブロック３６）、一般に、最小自乗誤差法が 用いられるが、他の方法を使用してもよい。

周知のように、最小自乗誤差法によって得たＲ２値は、導いた関数が実際のデー タの変化を明らかにする程度を示すよい目安である。したがって、本発明の場合 、実際の圧力対時間特性曲線が放物線である程度とＲ２値さの間には、明白な関 係が存在する。

典型的な用途において、ローダ−１１は４つ別個の動作、すなわち掘削、持上げ 、運搬、およびダンピングを行う０本発明は、持上げ段階のときペイロードを正 確に表示するだけである。持上げ段階は、圧力対時間特性曲線が放物線であると いう点に特色がある。したがって、持上げ段階は、Ｒ２値が所定の定数より大き いかどうかによって識別することができる（ブロック３７）、もしＲ２値が所定 の定数以下であれば、ローダ−１１は持上げ動作を実行しておらず、アルゴリズ ムは出ていく。

もしＲ２値が所定の定数以上であれば、圧力対時間特性曲線の勾配が零より大き い最小時間値を選定する（ブロック３８）０次に、圧力対伸長温特性曲線の勾配 が零より大きい最小伸長量値を選定する（ブロック４０）０式（３）を参照すれ ば判るように、これは、パケット１６の速度が零以上である最初の点である。

次に、式（３）と、実際の圧力対時間特性曲線と、空のパケット１６に対応する 所定の圧力対伸長量的線を用いて、パケットの速度をめる（ブロック４２）。

式（４）を参照すると、ｊ２＋ｓ＋＋ｔ１＋サンプリング時間である。他のすべ ての変数は既知であるから、ｘ２は簡単にめられる（ブロック４６）、もしＸ２ が零と最大伸長値の間にあれば（ブロック４８）、カウンタを増分する（ブロッ ク５０）、各圧力対伸長温特性曲線ごとに、独立したカウンタが記憶装置３２内 に存在する。カウンタに格納されている値は、圧力対時間特性曲線上の点に対応 する各圧力対時間特性曲線上の点の数を示す、記憶装置から、次のより大きいペ イロード重量に対応する圧力対伸長温特性曲線を検索する（ブロック５４）、も し事前に選択した各圧力対伸長温特性曲線と圧力対時間特性曲線との比較が終了 していなければ（ブロック５８）、現在の圧力対伸長温特性曲線の勾配が零より 大きい伸長値を選択する（ブロック４０）、そのあと、アルゴリズムは前に述べ たように進行する。

もしχ２の値が指定範囲内になければ、ｘｌの値をΔＸだけ増分する（ブロック ５２）、もしＸ、の値が最大伸長値以下であれば（ブロック５６）、パケット１ ６の速度を決定する（ブロック４４）、そのあと、アルゴリズムは前に述べたよ うに進行する。もしχ１の値が最大伸長値以上であれば（ブロック５６）、記憶 装置から次のより大きなペイロード重量に対応する圧力対伸長温特性曲線を検索 する（ブロック４４）、そのあと、アルゴリズムは前に述べたように進行する。

もし事前に選択した各圧力対伸長温特性曲線と圧力対時間特性曲線との比較が終 了していれば（ブロック５日）、最も大きなカウンタ値を有する圧力対伸長温特 性曲線を選択しくブロック６０）、それに対応するペイロード重量を表示し、記 憶装置３２に格納する（ブロック６２）、そのあと、アルゴリズムは出ていく。

同じカウンタ値を有する圧力対伸長温特性曲線が１つ以上存在すれば（ブロック ６４）、次式を最小にする特性曲線を選択する（ブロック６６）。

Ｓ　（Ｐｓｃｔ　−ＰｆｏｒＪ　ｄ　ｘ　（５）ここで、Ｐ　ｍｃＬは本発明に よって得られた圧力と伸長量データから決定される実際の圧力対伸長温特性曲線 であり、Ｐ、。１．は事前に選択した圧力対伸長量特性曲−ド重量を表示し、記 憶装置３２に格納する（ブロック６８）、そのあとアルゴリズムは出ていく。

ノ本発明のペイロード監視装置の作用について詳しく説明する。このペイロード 監視装置は、さらにローダ−の生産性を監視することが望ましい作業にも役にた ローダ−１１の典型的な作業サイクルは、順次、ばら積み材料の山を掘削し、（ または）押し出すこと、ペイロードを保持するためパケット１６を引き戻すこと 、パケット１６を持ち上げた状態でダンプ場所または輸送車両まで移動すること 、最後に、持ち上げた位置からペイロードをダンプすることがら成る。本発明は 、ローダ−１１が持上げ段階中であるときを自動的に決定するので、本発明を使 用することによって、積込みサイクルが乱されることはない、さらに、本発明は 、オペレータに所定の場所での持上げを停止することを要求しないし、また所定 の場所より高くパケット１６を持ち上げることも要求しない。

本発明は、異なるリンク機構構造をもつ他の車両に対し、その差異を補償するこ とによって拡張することができる。予想される適用可能車両の種類は、掘削機、 フロントシラペル、バックホーローダ−１少なくとも１個のリンク機構とそのリ ンク機構構造を修正する少なくとも１個の油圧シリンダを備えたあらゆる車両で ある。それらの車両のリンク機構構造については、作業サイクルのとき複数のシ リンダ内のシリンダ圧力を検出するため追加の圧力センサが必要になるかも知れ ないが、基本的ペイロード重量計真は変わらない。

上記の説明において使用したすべての特定の値は、例示とみなすべきであり、限 定とみなすべきではない。本発明の上記以外の特徴、目的、および利点は、添付 図蘭、明細書、および請求の範囲を熟読すれば理解できるであろう。

国際調査報告

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．ペイロード運搬器（１６）を持ち上げるための少なくとも１個のリフトシリ ンダ（１４）を有し、前記ペイロード運搬器（１６）を持ち上げるステップを含 む作業サイクルを実行する車両のペイロード重量を動的に測定し、表示する方法 であって、 作業サイクルのときリフトシリンダ（１４）内の油圧を検出するステップ、検出 した圧力に応じて複数の信号を送り出すステップ、前記複数の信号を表す時間従 属二次多項式を導くステップ、前記時間従属二次多項式と、既知ペイロードを表 す複数のジオメトリ従属二次多項式の少なくとも１つとを比較するステップ、お よび前記比較に応じて実際のベイロード重量を計算するステップ、から成ること を特徴とする方法。
2. ２．前記時間従属二次多項式を導くステップは誤差最小法を使用して、所定の数 の前記信号を二次多項式へ曲線近似するステップを含むことを特徴とする請求の 範囲第１項に記載の方法。
3. ３．前記リフトシリンダ（１４）は伸長して前記ペイロード運搬器（１６）を持 ち上げること、そして前記ジオメトリ従属二次多項式は検出された圧力とリフト シリンダ（１４）の伸長量の関係を表すことを特徴とする請求の範囲第１項に記 載の方法。
4. ４．前記比較ステップは時間に対する検出された圧力の変化率と、時間に対する リフトシリンダの伸長量の変化率を比較するステップを含むことを特徴とする請 求の範囲第３項に記載の方法。
5. ５．前記リフトシリンダ圧力検出ステップは作業サイクルのペイロード持上げ段 階のときだけ行われることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．前記車両は前記複数のジオメトリ従属二次多項式を格納する記憶装置（３２ ）を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
7. ７．前記複数のジオメトリ従属二次多項式は経験的に決定されることを特徴とす る請求の範囲第６項に記載の方法。
8. ８．ペイロード運搬器（１６）を持ち上げるための少なくとも１個のリフトシリ ンダ（１４）を有し、前記ペイロード運搬器（１６）の持ち上げるステップを含 む作業サイクルを実行する車両（１１）のペイロード重量を動的に測定し、表示 する装置であって、 作業サイクルにおいてリフトシリンダ（１４）内の油圧を検出する手段（２１） 、 検出した圧力に応じて複数の信号を送り出す手段（３４）、前記複数の信号を表 す時間従属二次多項式を導く手段（３６）、前記時間従属二次多項式と、既知ペ イロードを表す複数のジオメトリ従属二次多項式の少なくとも１つを比較する手 段（４６）、および前記比較に応じて実際のペイロード重量を計算する手段（６ ０）、から成ることを特徴とする装置。
9. ９．前記時間従属二次多項式を導く手段（３６）は誤差最小法を使用して、所定 の数の前記信号を二次多項式へ曲線近似することを特徴とする請求の範囲第８項 に記載の装置。
10. １０．前記前記リフトシリンダ（１４）は伸長して前記ペイロード運搬器（１６ ）を持ち上げること、そして前記ジオメトリ従属二次多項式は検出された圧力と リフトシリンダ（１４）の伸長量の関係を表すことを特徴とする請求の範囲第８ 唄に記載の装置。
11. １１．前記比較手段（４６）は時間に対する検出された圧力の変化率と、時間に 対するリフトシリンダの伸長量の変化率を比較することを特徴とする請求の範囲 第１０項に記載の装置。
12. １２．前記複数の信号を送り出す手段（２１〕は作業サイクルのペイロード持上 げ段階のときだけ前記信号を送り出すことを特徴とする請求の範囲第８項に記載 の装置。
13. １３．さらに、前記複数のジオメトリ従属二次多項式を格納する記憶装置（３２ ）を備えていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の装置。
14. １４．前記複数のジオメトリ従属二次多項式は経験的に決定されることを特徴と する請求の範囲第１３項に記載の装置。