KR101762658B1 - 도저 블레이드에 대한 높이 제어를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

지지 아암이 그것의 높이를 변경할 때 지지 아암들(303)을 위한 피봇 지점들(304)을 지나는 선을 중심으로 회전하는 도저 블레이드(302)의 자동 높이 제어를 위한 알려진 시스템들은 절대 블레이드 높이 측정 시스템(306)으로부터의 기준 및 피드백을 사용한다. 이것은 단지 느린 동작을 허용한다. 본 발명에 따르면, 느린 절대 높이 센서(306)로부터의 입력은 순간 회전을 측정하고 기초로서 지지 아암들의 길이(309)를 이용하여 그것을 수직 높이 변경으로 재계산하는 고속 자이로스코프(304 또는 308)로부터의 입력과 결합된다. 이 결합은 부정기 절대 높이 정보의 정밀도 및 증가된 측정 속도를 얻어 피드백 유형의 유압 제어 시스템에 입력되는 보상 높이 추정치를 생기게 한다. 이러한 개선된 높이 피드백은 유압 시스템이 알려지지 않은 선형성 및 그것과 관련된 지연을 가질지라도 훨씬 더 적극적인 제어를 가능하게 한다. 자이로스코프 센서는 두가지 유형의 센서 출력에 기초하여 계산에 의해 감소된 레벨의 노이즈를 갖는 빈번한, 시간-보정 높이 위치를 얻기 위해 지연, 노이즈 및 갱신 속도에 관해 사용 중 절대 높이 센서(306)의 불가피한 문제점들을 보상하기 위해 하나의 자유도를 갖는 IMU(307 또는 308)를 형성한다.

Description

도저 블레이드에 대한 높이 제어를 위한 장치{AN APPARATUS AND A METHOD FOR HEIGHT CONTROL FOR A DOZER BLADE}

본 발명은 도저의 블레이드(blade) 또는 토공 장비(earth moving equipment) 에 장착되는 블레이드의 높이를 제어 루프(closed loop)로 제어하기 위한 장치로서, 상기 블레이드는 피봇 지점들에서 상기 도저 또는 토공 장비에 연결되고 밸브들을 통해 공급되는 유압 실린더들에 의해 상기 피봇 지점들 사이의 연결선(connecting line)에 수직인 평면들에서 회전되는 한쌍의 지지 아암들을 갖는 집합체(aggregate)를 형성하고, 상기 블레이드는 적어도 하나의 절대 높이 센서를 구비하고, 상기 집합체는 하나의 관성 센서를 구비하고, 상기 절대 높이 센서 및 상기 관성 센서의 출력은 계산 유닛에서 결합되고, 상기 계산 유닛의 출력과 기 설정된 목표 높이는 비교기에서 비교되고, 상기 비교기의 출력은 상기 밸브들을 제어하기 위한 레귤레이터에 대한 입력을 제공하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 장치를 이용하여 지면(a surface on the ground)에 목표 표면을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.

이 발명은 더 높은 동작 속도로 더 평활한 표면을 의미하는, 도저 작업의 정밀도를 개선하도록 의도되고, 그것은 얻어진 표면의 절대 정밀도를 개선하는 것을 목표로 하지 않는다.

본 설명에 있어서, 명칭 도저 또는 불도저는 업계에서 '도저(dozer)'로서 알려진 특수 토공 장비 및 정면에 높이 조정 가능한 블레이드를 가진 도저와 유사한 토공 장비에 대해 사용된다.

본 설명에 있어서, 명칭 IMU는 하나의 자이로스코프만을 갖는 관성 센서에 대해 사용된다.

본 설명에 있어서, 명칭 피봇 대 표면 거리(pivot-to-surface distance)는 도저 또는 도저와 유사한 토공 장비가 이동하는 표면과 컷팅 블레이드를 위한 지지 아암들을 위한 부착물들이고 지지 아암들 및 컷팅 블레이드로 구성되는 집합체가 유압 실린더들의 영향 하에서 회전 운동을 수행하는 피봇들 사이의 일정 거리에 대해 사용된다. 실제로, 도저는 최상의 환경들 하에서 블레이드의 작용을 받아 그것의 특성들이 설계 표면 가까운 표면 위에서 이동할 것이다.

블레이드를 갖는 도저는 예컨대 도로들의 프로파일링(profiling)에서, 상승 및 경사에 대해 표면들을 정리하는 데 사용하는 토목 장비로서 잘 알려져 있다. 그것을 표현하는 다른 방법은 도저가 블레이드가 도저의 전방에 보유될 때 블레이드의 절단 에지의 선(line)에 의해 정의되는 표면을 준비하는 기능을 수행한다는 것이다. 이와 같은 장비의 수동 조작은 블레이드의 높이 및 틸트 조정들을 안내하기 위해 많은 기술 및 마커들(기준점들)의 사전의 정확한 위치결정 모두를 필요로 한다. 조작자에게 매순간마다 요구되는 조정들을 알릴 장치에 대한 입력을 제공하는 계산기들을 포함하는 다양한 시스템들이 알려져 있다. 블레이드는 블레이드의 상승 및 하강을 허용하고 그러므로 원호 운동을 수행하는 베어링들에 의해 피봇 지점들에서 도저의 섀시 위에 끼워지는 지지 아암들 위에 보유된다. 이러한 회전 운동은 기계 기하학(machine geometry)의 지식에 의해 수직 운동으로 변환된다. 절단 에지는 높은 정밀도로 제어되어야 하지만, 초과(overshoot), 잔류 발진(residual oscillation), 및 계단식 변경들은 도저 작업에서 통상 회피되어야 한다. 고속 작업에 대한 수요는 작업이 직선 수평선들 또는 직선 평면들에서 이루어질 때 주로 관련이 있다. 이러한 유형의 작업은 이 경우들의 대부분을 구성한다. 만약 자동 제어가 사용되면, 높이 및 각도 정보가 도저의 유압기계들을 제어하는 피드백 루프에서 목표값으로서 사용된다.

도저 블레이드용 지지 아암들은 수동으로 제어되는 밸브들을 통해 압력을 받아 작동유(hydraulic liquid)를 공급받는 유압 실린더에 의해 또는 본 장치에서와 같이, 장치의 제어 하에서 작동되는 전자기 밸브들에 의해 이동된다. 밸브에 의해 제공되는 공급 및 유체의 점성은 모두 온도 및 작동 압력에 의존하고, 그러나 이들은 본질적으로 네거티브 피드백 루프 내부에서 작동하도록 만들어질 수 있는 비선형 관계들이다. 피드백 루프가 갖는 잘 알려진 모든 문제점들이 또한 여기에 존재한다. 이것은 PID 제어기들의 사용에 의해 잘 알려진 방식으로 대응될 수 있지만, 그것에 의해 이 시스템은 도저의 정지(earth-moving)를 위한 능력들 내에 있는 속도가 너무 느리게 될 수 있다. 그러나, 속도를 최적으로 이용하기 위해 특별한 보정 수단(corrective means)이 요구된다.

목표 표면을 얻기 위해, 절대 기준들이 요구된다. 기준 정보는 연속 기초(continuous basis)에 대해 그리고 자동 동작 속도에 어울리는 갱신 속도가 요구된다. 가상 기준들이 GNSS(Global Navigation Satellite System) 시스템들에 의해 얻어지고, 이 시스템에서 수신기는 안테나의 3차원 위치를 계산하기 위해 수개의 전송 위성들로부터의 신호들을 처리한다. 이러한 안테나가 블레이드 위의 폴(pole) 위에 배치되면, 측정 시의 그것의 수직 위치에는 충분한 정밀도가 제공되지만, 만약 블레이드가 이동하면 이것은 특히 계산들 및 데이터 전송에 의해 야기되는 지연시간으로 인해 사적 사실(historical fact)일 뿐이다. 수직 잡음 레벨은 다수의 상이한 요인들, 예컨대 수신되는 동시 신호들의 수, 각각의 위성들의 위치, 및 기지국까지의 거리에 의존한다. 그것은 또한 위성들의 궤도로 인해 높은 위도들에서 증가할 것이다. 갱신 속도는 전형적으로 높지만 이러한 높이 기준 형태는 상당한 잡음 성분 및 그것과 관련된 무시할 수 없는 지연을 가진다.

다른 형태의 기준이 정확한 좌표들을 갖는 위치에 놓인 정지 능동 디바이스(stationary active device)에 의해 얻어진다. 때때로 자동 토탈 스테이션(ATS)으로 불리는 이러한 디바이스는 폴 위에 장착된 재귀 반사 장치(retro-reflecting device)까지의 거리 및 각도를 최적으로 측정하고 이러한 정보를 공간에서의 블레이드의 위치를 결정하기 위해 3각측량 계산들을 응용하는 계산기에 전송한다. 갱신 속도는 낮고 대기시간은 길지만, 그것은 매우 정확하다.

다른 형태의 기준은 정확한 좌표들을 갖는 위치에 배치된 고정 장비로부터의 회전 또는 스캐닝 레이저 비임에 의해 얻어진다. 수개의 수신 소자들을 포함하는 폴 위의 수신기는 레이저 평면에 대해 수직 위치의 정보를 제공한다. 만약 도저의 작업으로부터 평평한 표면을 얻기를 원한다면, 조작자는 단지 높이를 유지하고 미리 정해진 규칙에 따라 그것을 변화시켜야 한다. 갱신 속도는 전형적으로 상당히 높고 대기시간 및 잡음 레벨은 매우 낮지만, 수신기와 회전 레이저 디바이스 사이의 긴 거리들에서 잡음 레벨은 - 특히 바람이 많이 부는 상태들에서 - 증가한다.

성능에 관하여 현재의 시스템들이 갖는 제 1 제한 요인은 사용 중 절대 높이 센서의 문제점들에 의해 야기된다. 블레이드 상의 이러한 높이 센서는 시간 상 지연되고 또한 잡음 성분을 가지는, 불규칙적이고, 잦지 않은 속도로 제어 시스템에 입력을 제공한다. 이들 상이한 불이익 정도는 사용 중인 절대 높이 센서 형태에 의존한다.

제 2 제한 요인은 제어 루프에 구비되는 유압 시스템이 알려지지 않은 비선형성 및 또한 시간 및 온도에 따라 변할 수 있는 알려지지 않은 지연을 가진다는 것이다. 그러므로 유압 시스템의 모델링(modelling)은 실질적으로 가능하지 않은 데, 그 이유는 제어 신호와 블레이드 운동 간의 복잡한 관계가 결정될 수 없기 때문이다.

이들 2가지 제한 요인들은 제어 루프의 성능에 대해 상당한 영향을 미치며 이들 요인들은 동작 속도 및 표면 평활도(surface smoothness)에 관해 종래 기술에서 주된 애로사항들(main bottlenecks)이다.

종래 기술의 해결방법들 뒤의 원리를 기술하는 블록도가 도 1에 도시된다. 높이 측정 장치의 지연은 감소된 최대 가능 도저 그레이딩 속도(grading speed)를 가져올 수 있는, 덜 적극적인 제어 파라미터들을 필요로 할 것이다. 잡음 성분은 평탄하지 않은 표면(non-smooth surface)을 생기게 할 것이고, 높이 측정 장치에서 잡음을 감소시키기 위한 노력은 항상, 훨씬 덜 적극적인 제어 파라미터들 및 따라서 훨씬 더 감소된 최대 도저 그레이딩 속도를 가져오는, 측정 장치에서의 잡음-감소와 심지어 더 부가된 필터링 지연 간의 타협일 것이다.

만약 절대 높이 측정 장치가 지연 및 그것과 관련된 잡음을 가지지 않았다면, 기본 제어 루프는 매끈한 최종 결과를 갖는 고속 그레이딩에 충분할 수 있다. 그러므로 이 발명은 지연을 실질적으로 극복하고 절대 높이 측정 장치를 제 2 측정 장치와 결합하여 절대 높이 측정 장치의 잡음 레벨을 크게 감소시키는 방법을 기술한다.

자주 사용되는 방법은, IMU를 절대 기준과 결합하여 위치 추정을 개선할 수 있는, 관성 측정 유닛(IMU)을 도입하는 것이다. 특히 토목 장비와 함께 사용하기 위해, 다음과 같은 특허 문서들이 관련 종래 기술이다.

US2009/0069987는 개선된 수직 위치 추정이 절대 높이 기준과 조합하여, 6축 관성 항법 시스템(6-axis inertial navigational system; INS)에 의해 얻어질 수 있는 방법을 기술한다. 모든 센서들로부터의 입력들은 - 비록 수직 위치에 대해 수직 가속도계로부터의 입력이 가장 중요한 입력이지만 - 복잡한 칼만 알고리즘들(Kalman algorithms)에 의해 결합된다. 수직 위치는 특히 GNSS 및 IMU 측정치들을 적분하기 위해 소결합(loose coupling)을 갖는 상보형 필터 접근방법에 의해 추정된다. 제한 요인은 이러한 공보가 도저가 마무리된 표면 위에서 이동하고 절단 에지가 절단 에지를 위한 지지 아암들이 부착되는 도저 본체 위의 한점을 중심으로 원호형으로 이동한다는 정보를 사용하지 않는다는 것이다.

US2008/0109141는 절대 높이 결정들에 의해 추론하고 그것에 의해 높은 갱신 빈도로 유압기계의 제어를 위한 높이 출력을 얻는 것이 가능한 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 절대 센서값들의 입력의 지연들을 보상하지 않고 임의의 중첩된 잡음 신호는 제어 출력에 대한 만족할만한 효과를 가질 것이다.

US2008/0087447는 도저의 본체에 대한 자이로스코프가 도저 본체에 대해 대략 횡방향이고 도저 본체의 무게 중심을 지나는 축선을 중심으로 한 회전을 감지하는 방법을 기술한다. 이것은 기계가 전후로 흔들릴 때의 외란(disturbance)을 보상하기 위해 사용된다. 도저 아암과 도저 본체 사이의 상대 위치를 감지하는 각도 센서가 또한 사용된다. 도저 아암과 도저 본체 사이의 상대 위치를 감지하는 것은 도저와 아암 모두의 각도 측정을 요구할 수 있고 또는 대안으로 실린더 변위를 측정하는 기계 기하학을 이용할 수 있다. 이들 2개의 요소들로부터의 출력들은 도저 블레이드를 제어하기 위해 사용되는 도저 블레이드 위에 장착되는 레이저 수신기로부터의 출력과 결합된다. 상기 설명에 따르면, 도저 본체 회전은 유압 제어를 위한 입력으로서 측정하고 사용하기 위한 가장 중요한 운동이다.

종래 기술에서 사용되는 다중 자유도를 갖는 IMU를 제조할 때, 각각의 센서 요소의 감소의 방향이 서로 평행하거나 수직인 것이 중요하다. 또, 같은 종류의 센서들에 대한 게인 팩터들(gain factor)이 매칭되는 것이 중요하다. 이것을 달성하기 위해, 각각의 IMU의 개개의 조정 및 교정이 제조 중 보통 요구된다. 이것은 특히 많은 자유도들을 갖는 IMU들을 이용할 때 불리하다.

종래 기술에서의 상기 문제점들은, 특히 상기 하나의 관성 센서가 하나의 자유도를 가지며, 관성 센서의 출력이 상기 피봇 지점들 사이의 연결선에 수직인 평면에서 각속도이고, 이 각속도는 계산 유닛에서 사용하기 위해, 상기 평면에서 지지 아암들의 각도 증분으로 변환되는 본 발명에 따른 장치에서 회피된다. 본 발명에 따르면, 하나 이상의 자유도를 필요로 하지 않는 IMU을 이용하는 시스템이 얻어진다.

유리한 실시예는 특히 계산 유닛이 도저 블레이드에서 각도 증분으로부터 높이 변위로 변환할 때 전환 계수(conversion factor)를 적용하는 것에 있다. 다른 실시예에 따르면, 전환 계수는 지지 아암의 길이이다. 이것은 비교기에 적합한 결과를 얻기 위해 계산 유닛에서 수행되는 계산의 유형과 관련된 실시예이다. 추가의 이점은 IMU를 기계 위에 설치할 때 진보된 교정 방법이 요구되지 않는다는 것이다. 측정하기 위해 필요로 될 수 있는 유일한 기계 특정 교정값은 지지 아암의 길이이고 이러한 길이가 가장 큰 정밀도로 측정된다는 것은 중요하지 않다.

추가의 유리한 실시예는 특히 관성 센서가 상기 피봇 지점들 사이의 연결선에 수직인 평면 밖에서의 회전 및 선형 가속도들에 크게 민감하지 않다는 것에 있다. 이것은 수개의 자유도를 갖는 센서들에서의 출력을 발생시킬 수 있는 교란 신호들이 관성 센서의 출력에 영향을 주지않는 것을 보장하는 필요조건이다. 본 발명의 추가의 유리한 실시예는 특히 센서가 지지 아암들의 각속도를 감지하기 위한 자이로스코프인 것에 있다. 자이로스코프의 특정 구성들의 기능은 출력에 대한 바이어스-보상(bias-compensation)의 사용에 의해 향상된다.

본 발명의 추가의 유리한 실시예에 따르면, 관성 센서는 도저 블레이드 위에 장착된다. 이 실시예의 특별한 이점은 기계 제어 시스템에 대해, 도저의 블레이드 상의 센서가 구동 방향에 수직인 블레이드의 경사를 측정하기 위해 이미 필요하다는 것에 있다.

그러므로, 이러한 새로운 센서를 기존의 센서 하우징들 내에 구현하고 부가된 관성 센서로 인한 새로운 개선된 높이 제어 뿐만 아니라 정규의 경사 기능(regular inclination functionality) 모두를 제공하는 것이 쉽다. 이것은 하우징, 케이블들, 프로세서/계산기 플랫폼, 장착 툴들(mounting tools), 및 유사 하드웨어가 재사용될 수 있다는 것을 의미한다.

추가의 유리한 실시예는 각도 증분이 지지 아암들 및 블레이드의 집합체의 모든 부분들에 영향을 미칠 수 있다는 사실을 이용한다. 이러한 이유 때문에, 관성 센서가 지지 아암들 중 하나의 아암 위에 장착된다. 백업(backup)이 각각의 아암 위의 하나의 관성 센서를 이용하여 얻어질 수 있다.

블레이드가 도저의 표면 또는 본체에 대해 블레이드의 다양한 각도의 조정을 허용하는, 소위 6방향 블레이드(6-way blade)인 경우에 지지 아암 위에 관성 센서를 장착하는 것이 특히 중요하다.

추가의 실시예는 절대 높이 센서의 선택에 의해 구분되고, 각각은 이들의 이점들 또는 문제점들 및 계산 유닛에 의한 데이터 해석을 위한 특정 요구를 갖는다.

이러한 장치를 이용하여, 블레이드를 위한 한쌍의 지지 아암들을 갖는 도저 또는 상기 도저와 유사한 토공 장비에 의해 지면(a surface on the ground)에 목표 표면을 형성하기 위한 방법으로서, 상기 블레이드는 밸브들을 통해 공급되는 유압 실린더들에 의해 승강될 때 제어 루프로 제어되고, 상기 방법은:

상기 제어 루프에 목표 표면 프로파일(target surface profile)을 입력하는 단계; 상기 블레이드 위에 장착된 적어도 하나의 절대 높이 센서로부터 측정치들을 자동으로 수신하는 단계; 상기 도저 블레이드 및 그것의 지지 아암들로 구성되는 집합체 위에 장착되는, 하나의 자유도를 갖는 하나의 관성 센서로부터 측정치들을 자동으로 수신하는 단계; 상기 밸브들을 제어하기 위한 레귤레이터에 입력을 제공하는 계산 유닛에 상기 측정치들을 자동으로 피드백하는 단계 및 상기 적어도 하나의 높이 센서로부터 수신된 상기 측정치들 및 상기 하나의 관성 센서로부터 수신된 상기 측정치들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 도저 블레이드의 상승을 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 본체의 각도나 회전 또는 본체와 아암 사이의 상대 각도의 어느 것도 중요하지 않다. 대신 본 발명은 측정하기 위한 가장 중요한 운동은 도저 아암의 각속도이고, 심지어 도저 아암의 실제 각도는 중요하지 않다는 것을 기술한다. 본 발명에 있어서, 대신 도저 아암의 회전은, 블레이드의 에지에서 대응하는 높이 추정 변경으로 변경될 수 있는, 도저 아암 또는 도저 블레이드 위에 장착된 IMU의 사용에 의해 측정된다. 이것은 감지하기 위한 가장 중요한 운동인데, 그 이유는 이 운동은 레귤레이터로부터의 제어 신호에 의해 직접 영향을 받기 때문이다.

본 발명에 따르면 비절대(non-absolute) 센서들과의 조합에 기초한 접근방식들은 계산 유닛에 대한 입력을 제공하는 단일 자이로스코프 형태로 단일축선 IMU(single-axis IMU)을 사용하여 매우 많이 개선될 수 있다. 본 발명에 따르면, 진동들 및 선형 가속도들에 응답하지 않고 블레이드의 각도 증분을 검출하기 위해 어떠한 보상도 필요로 하지 않는 센서가 사용된다.

이 발명은 절대값 측정 장치를 제 2 로컬 측정 장치와 결합하여 도저 블레이드를 제어하는 데 사용되는 절대값 측정 장치로부터의 정보의 품질을 개선하기 위한 방법을 설명한다. 감지된 회전은 2가지 것들, 즉 레귤레이터로부터의 제어 신호에 의해 야기되는 피스톤들의 이동으로 인해 회전하는 아암, 또는 전체 기계 회전으로 인해 회전하는 아암에 의해 야기될 수 있다. 회전을 감지하는 센서는 이들 2개의 경우들을 구분할 수 없지만 도저가 토목기계로서 사용되는 방법의 특성이 주어진다면, 전체 기계 회전에 의해 감지된 회전은 단지 제어 신호에 의해 야기된 아암의 회전을 또한 감지하는 것에 대한 추가의 이익이다. 이것은 전체 기계의 회전이 항상 범프들(bumps) 또는 구멍들 내로 구동하는 도저에 의해 야기될 수 있기 때문이고 - 이 때 감지된 회전에 유리한 기여를 제공하고 - 그것은 잘못된 기여를 야기할 수 있는, 고정된 블레이드 위치에 의해 우연히 상승 또는 하강되는 기계의 후방에 의해 결코 야기될 수 없다. 도저가 사용되는 방법의 이러한 분석으로 인해, 제어 신호 또는 전체 기계 회전에 의해 야기되는, 아암의 회전을 감지하는 센서를 배치하는 것은 레귤레이터로부터의 제어 신호를 단지 감지하는 것보다 더 양호하고, 아암의 감지된 회전을 야기한 운동이 어떤 종류의 운동인지를 구분하는 것은 중요하지 않다.

게다가, 우리는 단지 도저 아암의 각도의 변경을 측정하는 것에 관심이 있고 전체 기계와 비교되는 그것의 절대 각도 또는 상대 각도의 변경을 측정하는 것에는 관심이 없으므로, 우리는 경사 센서들 예컨대 가속도계들을 이용하는 것을 피할 수 있고 도저 아암의 회전을 감지하는 로컬 측정 시스템을 형성하기 위해 단일의 자이로스코프만을 이용할 수 있다. 이것의 이점은 횡측 가속도들(translateral accelerations) 및 충격들에 크게 영향을 받지 않는 - 그렇지 않으면 문제들을 일으킬 수 있는 - 저가의 시판의 자이로스코프들이 이용 가능하다는 것이다.

사용 중인 자이로스코프의 형태에 의존하여, 그것은 바이어스 보상을 필요로 하거나 필요로 하지 않을 수 있다. 바이어스 보상은 이 기술분야에서 숙련된 사람에게 잘 알려진 전문분야(discipline)이다. 자이로스코프들에 기초한 저가의 MEMS(Micro Electro-Mechanical systems)은 바람직한 형태이지만 다른 형태들이 이용될 수 있다.

이하, 본 발명이 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 도저의 블레이드를 제어하기 위한 종래 기술의 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 장치의 기본 블록도를 나타내고,
도 3은 장치의 기능을 결정하는 기하학적 관계들을 나타낸다.

도 1에는 도저 블레이드를 위한 전형적인 제어 시스템이 도시된다. 알려진 도저 시스템들은 도저 블레이드의 높이를 제어하기 위해 사용되는 단지 하나의 센서로 구성된다. 이와 같은 제어 루프의 전형적인 종래 기술의 시스템도(100)가 도시된다. 이러한 루프는 도저 블레이드를 유지하기 위한 원하는 높이인 목표 높이(101) 및 예를 들어 GNSS 센서일 수 있는, 사용 중(112)인 높이 센서로부터의 출력인 측정 높이(113)로 구성된다. 목표 높이와 측정 높이 간의 차이는 레귤레이터(104)에 대한 에러-입력(103)이다. 이후 레귤레이터(104)는 높이 에러(103) 및 레귤레이터 제어 루프 파라미터들을 결정한 사전의 기계-특정 유압 조정에만 기초하여 제어 신호(105)를 계산한다. 제어 신호(105)는 - 유압 밸브들(106)을 통해 - 피스톤들(108)이 이동하게 한다. 피스톤들(108)이 도저 아암에 부착되므로, 피스톤들(108)의 운동은 - 도저의 지지 아암의 운동을 통해 - 블레이드(110)를 이동시킨다.

도저 블레이드를 제어하는 이러한 기본적인 해결방법의 문제점들은 절대 높이 측정 장치(112)가 전형적으로 지연 및 그와 관련된 노이즈를 가진다는 것이다. 이것은 참 높이(111)와 측정 높이(113) 간의 상관관계가 완전하지 않다는 것을 의미한다. 측정 및 참 높이 간의 최적 상관관계는 현재 시간에서의 측정 높이가 현재 시간에서의 참 높이와 같다는 것이다. 그러나, 현재 시간에서의 측정 높이가 추가된 노이즈 성분을 갖는 얼마전(some time ago)의 참 높이와 같다는 것을 인식하는 것이 더 정확하다.

절대 높이 측정 장치(112)가 지연 및 그와 관련된 노이즈를 갖지 않는다면, 도 1에 도시된 기본 제어 루프는 완만한 최종 결과를 갖는 고속 그레이딩(high speed grading)을 위해 충분할 수 있다. 그러므로, 이 발명은 실질적으로 지연을 극복하고 절대 높이 측정 장치를 제 2 측정 장치와 결합하여 절대 높이 측정 장치의 노이즈 레벨을 크게 감소시키는 방법을 기술한다.

이 발명은, 지연을 실질적으로 제거하고 절대값 측정 장치에서 노이즈 레벨을 크게 감소시키기 위해, 도저 지지 아암 또는 도저 컷팅 블레이드 위에 배치되고 회전에 민감한 단일 자이로스코프 센서(single gyroscopic sensor)가 GNSS 센서로서의 절대값 측정 장치와 결합될 수 있는 실현에 기초하고 있다.

본 발명에 이용되는 제어 루프는 도 2에서 알 수 있다. 이 제어 루프(200)는 측정 피드백 시스템이 추가의 자이로스코프 센서(214)를 높이 피드백 시스템에 부가하고 그것의 출력(215)을 약간의 계산들(216) 및 (218)을 통해 계산 유닛(220) 내의 절대값 측정 장치(212)와 결합하여 크게 개선된 것을 제외하고 토목 기계들에 의해 이용되는 정규의 제어 루프와 동일한 설계를 갖는다.

자이로스코프 센서(214)의 출력(215)은 자이로스코픽 출력 데이터의 주파수의 역인, 하나의 시간 슬라이스에 걸쳐 계산기 유닛의 출력을 먼저 적분하여 계산기 유닛을 위해 준비된다. 자이로스코프 센서(214)의 출력(215)은 자이로스코프 센서(214)로부터의 최종 데이터 출력 이래로 발생하는 각속도(215)의 측정치로부터 각변위(217)의 측정치까지의 적분(216)에 의해 변환되었다. 이 각변위(217)는 최종 자이로스코프 센서 출력(215) 이래로 기본 기하학 및 도저 아암의 길이의 지식을 통해 (218)에서 변환된다. 실용상의 목적들을 위해 그리고 도저가 표면이 단지 생성되는 그것 위에서 구동한다고 인식하여, 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있는 선형 전환 계수(linear conversion factor)로 근사될 수 있다:

T: 자이로스코픽 출력들 간의 시간 구간

: 최종 T 밀리초에서의 높이 변위

arm: 피봇 지점으로부터 절단 에지까지의 아암의 길이(309)

ω: 자이로스코프 센서에 의해 측정된 각속도

자이로스코프 센서(214)를 통해 감지된 이러한 위치 변위 결과는 계산 유닛(220)에 입력되고 단지 절대값 측정 장치를 이용하는 것과 대조되는 실질적으로 지연이 없고 노이즈가 많이 감소되는 높이 추정치(221)로 절대값 측정 장치(212)로부터의 출력(213)과 결합된다. 이후 자이로스코프 센서 및 절대값 측정 장치 모두로부터 결합된 이러한 높이 추정치는 그것을 (202)에서 목표 높이(201)와 비교하고 얻어진 에러(203)를 시스템을 제어하기 위한 제어 신호(205)를 계산하기 위한 레귤레이터(204)에 입력하여 통상과 같이 제어 루프에 사용된다. 높이 피드백 루프로의 자이로스코프 센서의 부가로 인해, 제어 신호(205)에 의해 야기되는 모든 움직임이 높이 피드백 시스템에서 즉시 감지되고, 따라서 매우 적극적인 제어를 가능하게 할 것이다.

도 3은 중장비(earth moving system)(300), 특히 불도저를 나타낸다. 다른 종류의 토목기계들이 또한 본 발명으로부터 이익을 볼 수 있다. 요구조건은 그것이 목표 설계 표면으로부터 일정한 거리에 있는 것으로 추정될 수 있는 지점 주위를 회전하는 컷팅 블레이드를 가진다는 것이다. 이유는 도저가 목표 높이에 따라 컷팅 블레이드에 의해 규정된 마무리 표면 위를 주행한다는 것이다.

상기 시스템(300)은 본체(301) 및 컷팅 블레이드(302)를 가진다. 컷팅 블레이드(302)는 본체(301)로부터 연장하는 2개의 지지 아암들(303)에 의해 지지된다. 지지 아암들(303)은 피봇 지점(304)에서 본체(301)에 피봇 가능하게 부착된다. 지지 아암들(303)은 본체(301)에 대해 블레이드를 승강시키기 위한 한쌍의 유압 실린더들(305)을 구비하고, 이들 중 하나만이 도 3에 도시된다. 실제로 컷팅 블레이드는 피봇 지점(304) 주위에서 회전 운동을 수행하고 그래서 이러한 회전 운동을 모니터링하는 것은 실제 수직 운동을 모니터링하는 것만큼의 이익을 볼 수 있다. 실린더들(305)은 지지 아암들로부터 연장하고 본체(301)에 있는 다른 단부에 부착되고 피봇 지점(304)을 중심으로 블레이드를 회전시키기 위해 이용될 수 있다. 불도저는 운전자가 볼도저의 동작을 제어하기 위해 다양한 제어들을 수동으로 조작할 수 있는 운전석(cab)을 가진다.

이 시스템은 절대 위치를 결정하기 위한 높이 참조 센서(306)를 더 구비한다. 이 센서는 컷팅 블레이드로부터 상향으로 연장하는 폴(pole) 위에 장착된다. 상기 센서는 GNSS 시스템과 관련된 하나 이상의 위성들로부터 그것의 위치에 관한 신호를 수신한다.

대안으로, 이 시스템은 로봇식 토탈 스테이션(robotic total station) 또는 자동 토탈 스테이션(automatic total station; ATS)으로 구성될 수 있다. ATS는 광을 그것이 수신된 방향과 같은 방향으로 되돌려 보내는 폴 위에 장착된 반사성 타겟(306)에 광 비임을 전송한다. 반사를 수신할 때, ATS는 헤딩(heading), 수직각들 및 타겟까지의 거리를 측정한다. 이후 이러한 정보 및 ATS의 위치는 토목기계의 제어 시스템에 무선 전송되는 반사 타겟에 대응하는 위치로 변환된다.

대안으로, 이 시스템은 레이저 광의 기준 비임(reference beam)을 전송하기 위한 레이저 전송기(laser transmitter)로 구성될 수 있다. 광의 비임은 기준 평면을 규정하기 위해 축선을 중심으로 회전된다. 잘 알려진 것과 같이, 기준 평면은, 만약 경사가 광의 평면에 의해 규정되면 수평에 대해 정밀하게 제어된 각도로 경사질 수 있다. 이 때 폴 위에 장착된 수신기는 회전 레이저 비임을 수신하는 레이저 수신기이다. 이 수신기는 비임의 높이를 검출하여 컷팅 블레이드의 절단 에지까지의 거리를 결정하는 것을 가능하게 한다.

제어 시스템은 위치(307)에서 컷팅 블레이드(302) 위에 장착되는 IMU를 더 구비한다. 대안으로, IMU는 위치(308)에서 지지 아암들(303) 위에 장착된다. 양자의 경우에, IMU는 피봇 지점들 주위에서 지지 아암들(303) 각속도(angular rate)를 측정한다. 만약 수직축 주위에서의 블레이드의 요잉(yawing)이 가능하면, 센서가 컷팅 블레이드 대신 지지 아암 위에 장착되는 것이 바람직하다.

요약하면, 지지 아암들을 위한 피봇 지점들을 지나는 선을 중심으로 회전하는, 도저 블레이드의 자동 높이 제어를 위한 알려진 시스템들은, 그것이 그것의 높이를 변경시킬 때, 피드백 및 절대 블레이드 높이 측정 시스템으로부터의 기준을 이용한다. 이것은 단지 느린 동작을 허용한다. 본 발명에 따르면, 느린 절대 높이 센서로부터의 입력은 순간 회전을 측정하고 기준(basis)으로서 지지 아암들의 길이를 이용하여 그것을 수직 높이 변화로 재계산하는 고속 자이로스코프로부터의 입력과 결합된다. 이 결합은 부정기(infrequent) 절대 높이 정보 및 측정의 증가된 속도를 얻어 피드백 유형의 유압 제어 시스템에 입력되는 보상 높이 추정치(compensated height estimate)를 생기게 한다. 이러한 개선된 높이 피드백은, 유압 시스템은 알려지지 않은 선형성 및 그것과 관련된 지연을 가질지라도 훨씬 더 적극적인 제어를 가능하게 한다. 자이로스코프 센서는 두가지 유형의 센서 출력에 기초하여 계산에 의해 감소된 레벨의 노이즈를 갖는 빈번한, 시간-보정 높이 위치를 얻기 위해 지연, 노이즈 및 갱신 속도에 관해 사용 중 절대 높이 센서의 불가피한 문제점들을 보상하기 위해 하나의 자유도를 갖는 IMU를 형성한다.

Claims (13)

1. 도저의 블레이드(302) 또는 토공 장비(301)에 장착되는 블레이드의 높이를 제어 루프로 제어하기 위한 장치로서,
   상기 블레이드(302)는 피봇 지점들(304)에서 상기 도저 또는 토공 장비(301)에 연결되고 밸브들을 통해 공급되는 유압 실린더들(305)에 의해 상기 피봇 지점들 사이의 연결선에 수직인 평면들에서 회전되는 한쌍의 지지 아암들(303)을 갖는 집합체를 형성하고,
   상기 블레이드는 적어도 하나의 절대 높이 센서(306)를 구비하고,
   상기 집합체(302, 303)는 하나의 관성 센서(307; 308)를 구비하고,
   상기 절대 높이 센서 및 상기 관성 센서의 출력은 계산 유닛(220)에서 결합되고,
   상기 계산 유닛의 출력과 기 설정된 목표 높이는 비교기(202)에서 비교되고, 상기 비교기의 출력은 상기 밸브들을 제어하기 위한 레귤레이터(204)에 대한 입력을 제공하고,
   상기 하나의 관성 센서(307; 308)는 하나의 자유도를 가지며,
   상기 관성 센서의 상기 출력은 상기 피봇 지점들(304) 사이의 상기 연결선에 수직인 평면에서의 각속도이고,
   상기 각속도는 상기 계산 유닛(220)에서의 사용을 위해 상기 평면에서 상기 지지 아암들(303)의 각도 증분으로 변환되는 것을 특징으로 하는, 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 계산 유닛(220)은 상기 블레이드에서 각도 증분으로부터 높이 변위로 변환할 때 전환 계수를 더 적용하는 것을 특징으로 하는, 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 전환 계수는 상기 지지 아암의 길이(309)인 것을 특징으로 하는, 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 하나의 관성 센서(307; 308)의 출력은 상기 피봇 지점들(304) 사이의 상기 연결선에 수직인 평면에서 회전 및 선형 가속도들이 반영되지 않은 것을 특징으로 하는, 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 하나의 관성 센서(307; 308)는 상기 지지 아암들(303)의 각속도를 감지하기 위한 자이로스코프인 것을 특징으로 하는, 장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 하나의 관성 센서(307; 308)에는 바이어스-보상이 제공되는 것을 특징으로 하는, 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하나의 관성 센서(307)는 상기 블레이드(302) 위에 장착되는 것을 특징으로 하는, 장치.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하나의 관성 센서(308)는 상기 지지 아암들(303) 중 하나 위에 장착되는 것을 특징으로 하는, 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 하나의 관성 센서(308)는 상기 블레이드가 수직 또는 수평 축선 주위에 회전 가능하게 장착되는 경우에 지지 아암(303) 위에 장착되는 것을 특징으로 하는, 장치.
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절대 높이 센서(306)는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 센서인 것을 특징으로 하는, 장치.
11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절대 높이 센서(306)는 자동 토탈 스테이션인 것을 특징으로 하는, 장치.
12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절대 높이 센서(306)는 레이저 수신기인 것을 특징으로 하는, 장치.
13. 블레이드(302)를 위한 한 쌍의 지지 아암들(303)을 갖는 도저(300) 또는 상기 도저와 유사한 토공 장비에 의해 지면에 목표 표면을 형성하기 위한 방법으로서, 상기 블레이드는 밸브들을 통해 공급되는 유압 실린더들(305)에 의해 승강될 때 제어 루프로 제어되고, 상기 방법은:
    상기 제어 루프에 목표 표면 프로파일을 입력하는 단계;
    상기 블레이드 위에 장착된 적어도 하나의 절대 높이 센서(306)로부터 측정치들을 자동으로 수신하는 단계;
    상기 도저 블레이드 및 그것의 지지 아암들(302, 303)로 구성되는 집합체(307; 308) 위에 장착되는, 하나의 자유도를 갖는 하나의 관성 센서로부터 측정치들을 자동으로 수신하는 단계;
    상기 밸브들을 제어하기 위한 레귤레이터에 입력을 제공하는 계산 유닛(220)에 상기 측정치들을 자동으로 피드백하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 높이 센서(306)로부터 수신된 상기 측정치들 및 상기 하나의 관성 센서(307; 308)로부터 수신된 상기 측정치들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 도저 블레이드(302)의 상승을 제어하는 단계;를 포함하는, 토공 장비에 의해 지면에 목표 표면을 형성하기 위한 방법.

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