KR20150048892A - 그레이딩 블레이드를 포함하는 휠 로더용 기계 제어 시스템 - Google Patents

그레이딩 블레이드를 포함하는 휠 로더용 기계 제어 시스템 Download PDF

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KR20150048892A
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machine control
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KR1020157008925A
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클라우스 외르겐센
스텐 크리스텐센
보 페터슨
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헥사곤 테크놀로지 센터 게엠베하
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Abstract

작업면(1)에 대해 휠 로더(100)의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 기계 제어 시스템으로서, 휠 로더(100)는 정지 또는 땅고르기 블레이드(140-142)가 갖추어지고 제 1 보디(110)에 대한 툴의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단(115)을 포함하고, 기계 제어 시스템은 기계 제어 유닛(10) 및 방향 검출 시스템을 포함하는, 기계 제어 시스템에 있어서, 방향 검출 시스템은 작업면(1)에 대한 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 검출하기 위해 블레이드(140-142) 및/또는 휠 로더(100)에 부착되도록 설계되어 있는 방향 검출 수단을 포함하고, 방향 검출 수단은 블레이드(140-142)의 상대 위치 및 방향에 따라 방향 데이터를 발생하고 방향 데이터를 기계 제어 유닛(10)에 전송하도록 되어 있고, 기계 제어 유닛(10)은 방향 데이터에 기초하여 작업면(1)에 대한 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 갖는, 휠 로더(100) 및 블레이드(140-142)의 그래픽 표현을 발생 및 디스플레이하고, 및/또는 방향 데이터에 기초하여 작업면(1)에 대한 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단(115)을 자동으로 작동시킴으로써 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어하도록 되어 있다.

Description

그레이딩 블레이드를 포함하는 휠 로더용 기계 제어 시스템{Machine control system for a wheel loader comprising a grading blade}
본 발명은 미리 규정된 작업면에서 정지(land levelling) 또는 땅고르기(earthmoving) 블레이드(blade)를 갖는 휠 로더(wheel loader)의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 기계 제어 시스템에 관한 것이다.
건축 부지들 및 건설 영역들 상에서, 정지 및 땅고르기 프로세스들은 종종 불도저들에 의해 수행된다. 이들에는 지면에 대해 안정된 자세를 제공하기 위한 연속 트랙들 및 모래, 토양 및 쓰레기를 밀기 위한 도저 블레이드가 갖추어 진다. 통상 정지를 위해, 상대적으로 짧고 횡 커브(lateral curve) 및 사이드 윙들(side wings)을 가지지 않은 직선 블레이드가 사용된다.
불도저들은 운전 비용들이 높기 때문에 휠 로더들(wheel leaders)에 비해 약점을 가진다. 예를 들어, 짧은 거리에 대해서 조차도 불도저들은 예컨대 연결식 차량들(articulated vehicles) 상에서 작업장으로 운반될 필요가 있기 때문에, 작업장으로 불도저들을 이동시키는 것은 비용이 많이 들고, 한편, 바퀴달린 중장비 예컨대 휠 로더는 보통 공도들(public roads) 상에서 그 자신의 바퀴 상에서 구동될 수 있다.
그러므로, 증가하는 수의 휠 로더들이 그레이딩 작업들(grading operation) 및 연합 분야들을 위해 건설 부지들 상에서 사용되고 있다. 한편, 정밀한 정지 및 땅고르기 프로세스들을 위해 휠 로더들을 사용하는 것은 복잡하고, 만약 미리 규정된 작업면이 유지되어야 한다면 작업자에게는 도전적이다. 이들의 바퀴들로 인해, 휠 로더들은 일반적으로 불도저들보다 높은 무게 중심을 가진다. 또, 댐퍼들은 2개의 액슬들(axles)에서 독립적으로 작동한다. 따라서, 휠 로더의 작업축은, 예를 들어 로더 버킷 또는 블레이드 상의 무거운 하중이 정면을 향해 무게 중심을 이동시키면 높은 가속 진동들(acceleration oscillations) 및 다른 진동들을 받는다. 추가로, 작업면 아래로 하나 이상의 바퀴들을 내려 앉히는 휠 스핀(wheel spin)의 가능성이 있다. 따라서, 작업자가, 프로세스 내내 작업면에 대해 정확한 위치 및 방향으로 로더의 툴(tool)을 유지하는 것은 거의 불가능하다.
따라서, 작업면에 대해 정확한 위치 및 방향 - 특히 정확한 높이 및 경사각 - 으로 툴을 유지하기 위해 조작자를 돕는 정밀한 정지 및 땅고르기 프로세스들을 위한 기계 제어 시스템이 필요하다.
기계에 대해 툴의 위치 및/또는 방향을 측정하고 또한 위치 및 자세에 대해 조작자에게 피드백을 제공하거나 적어도 부분적으로 기계를 자동으로 조작하는 종래 기술로부터 알려진 중장비를 위한 몇몇 기계 제어 보조 시스템들이 있다. 예를 들어, US 2006/0245902 Al은 로더 버킷의 방향 및 조작자에 대한 상기 방향의 표시를 식별하는 시스템을 개시하고, EP 1 988 220 A2는 미리 규정된 위치들로 툴을 자동으로 재위치시키도록 되어 있는 휠 로더들 및 다른 중장비를 위한 기계 제어 시스템을 개시한다.
이용 가능한 시스템들은, 미리 규정된 작업면에서 정지 또는 땅고르기 목적들을 위해 사용될 수 있는 휠 로더 및 블레이드를 갖는 정밀한 정지 및 땅고르기 프로세스들의 특수 요구들 때문에 적합하지 않다.
그러므로, 본 발명의 목적은 정지 또는 땅고르기 프로세스들을 수행함에 있어서 휠 로더의 조작자를 지원하는 휠 로더를 위한 개선된 기계 제어 시스템을 제공하는 것이다.
다른 목적은 높은 정밀도로 정지 또는 땅고르기 프로세스들을 수행하는 것을 허용하는 이와 같은 기계 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 특별한 목적은 정지 또는 땅고르기 프로세스들의 단계들을 자동으로 수행하도록 되어 있는 이와 같은 기계 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 휠 로더의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
이들 목적들 중 적어도 하나는 제 1 항에 따른 기계 제어 시스템, 제 9 항에 따른 휠 로더, 제 10 항에 따른 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법, 제 15 항에 따른 컴퓨터 프로그램 제품 및/또는 본 발명의 종속 청구항들에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 기계 제어 시스템은 기계 제어 유닛(MCU) 및 방향 검출 시스템을 포함하고 특히 정지 또는 땅고르기 블레이드를 가지는 휠 로더의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하도록 되어 있다. 방향 검출 시스템은 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 검출하기 위해 블레이드 및/또는 휠 로더에 부착되도록 설계되는 방향 검출 수단을 포함한다, 방향 검출 수단은 블레이드의 위치 및 방향에 따라 방향 데이터를 발생하고 방향 데이터를 MCU에 전송하도록 되어 있다. 모든 데이터는 바람직하게는 무선으로, 예를 들어 블루투스(Bluetooth™) 또는 유사한 접속으로 전송될 수 있다.
MCU는 방향 데이터에 기초하여 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 갖는, 블레이드 및 휠 로더의 그래픽 표현을 발생하고, 및/또는 방향 데이터에 기초하여 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단을 자동으로 작동시킴으로써 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어하도록 되어 있다.
기계 제어 시스템의 바람직한 실시예에 있어서, MCU는 작업면에 대한 블레이드의 수직 거리 및 경사각을 갖는 그래픽 표현을 발생하도록 되어 있다.
기계 제어 시스템의 다른 바람직한 실시예에 있어서, MCU는 작업면에 대한 블레이드의 수직 거리 및 경사각을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단을 자동으로 작동시키도록 되어 있다.
MCU는 수신된 방향 데이터에 기초하여 평면에 대한 휠 로더 및 툴의 현재 위치 및 방향의 계산을 수행하기 위한 알고리즘을 갖는 계산 수단을 포함할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, MCU는 외부 계산 수단에 특히 무선으로 접속될 수 있다. 이 경우에, 작업면에 대한 정보를 포함하는, 현재의 정지 또는 땅고르기 프로세스에 대한 데이터는 프로세스 동안 또한 동적으로 갱신될 수 있다.
기계 제어 시스템의 추가의 바람직한 실시예에 있어서, 방향 검출 수단은 측량 수단에 대한 시각적 특징들의 위치 및 방향이 결정 가능하도록 방향 검출 시스템의 외부 측량 수단에 의해 식별 가능한 시각적 특징들을 포함한다. 바람직하게는, 외부 측량 수단은 카메라를 가지는 레이저 트래커를 포함하고, 시각적 특징들은 역반사체 및 능동 또는 수동 조명 수단을 갖는 역반사체 시스템을 포함한다.
기계 제어 시스템의 다른 실시예에 있어서, 방향 검출 수단은 지면으로 지향되는 기울기 센서 및 외부 포지셔닝을 위한 수단, 예컨대 레이저 수신기, 거리 측정 장치, 특히 초음파 거리 측정기, 또는 GNSS 안테나를 포함한다. 기계 제어 시스템의 다른 실시예에 있어서, 방향 검출 수단은 2개의 외부 포지셔닝을 위한 수단을 포함한다.
기계 제어 시스템의 다른 실시예에 있어서, 특히 만약 방향 검출 수단이 블레이드 상에 직접 배치되지 않고 휠 로더 상에 배치되어야 한다면, 방향 검출 시스템은, 툴 포지셔닝 시스템에 대한, 특히
· 툴 포지셔닝 수단의 제 1 부재와 휠 로더의 전방,
· 툴 포지셔닝 수단의 2개의 부재들 및/또는
· 블레이드와 툴 포지셔닝 수단의 최종 부재
사이의 각도들을 측정하기 위한 적어도 하나의 각도 인코더를 포함한다.
바람직하게는, 3의 회전 자유도는 각각의 위치에서 검출된다.
바람직한 실시예에 있어서, 기계 제어 시스템은 전방 부분, 및 연접식 스티어링 조인트에 의해 연결되는 후방 부분을 가지는 형태의 휠 로더에 사용하도록 되어 있다. 바람직하게는 - 특히 만약 방향 검출 수단이 휠 로더의 후방 부분 상에 배치되어야 하면 - 방향 검출 시스템은 제 1 보디와 제 2 보디 사이의 각도, 특히 3의 회전 자유도를 측정하기 위한, 연접식 스티어링 조인트에 있는 각도 인코더를 포함한다.
다른 바람직한 실시예에 있어서, 기계 제어 시스템은 유압으로 작동되는 툴 포지셔닝 수단, 특히 Z-키네매틱스 또는 병렬 키네매틱스를 가지는 휠 로더와 함께 사용하도록 되어 있고, 유압으로 작동되는 툴 포지셔닝 수단을 자동으로 작동시키도록 되어 있다.
기계 제어 시스템의 추가의 바람직한 실시예에 있어서, 방향 검출 수단은 특히 툴 상에 위치되도록 되어 있는 관성 측정 유닛(IMU)을 포함한다. IMU는 가속도계들 및 자이로스코프들(gyroscopes)을 구비하는 IMU-센서들을 포함하고 특히 마이크로-전자-기계 시스템(micro-electro-mechanical system: MEMS) 형태로 설계된다.
출원 번호 제 EP11181118 호를 갖는 유럽 특허 출원에 기재된 것과 같이, IMU가 다른 방향 검출 수단에 의해 발생된 데이터를 브리징하는데 사용될 수 있어, 프로세스의 정밀도를 더 향상시킬 수 있다. IMU는 그것이 부착되는 방향 검출 수단 또는 휠 로더의 임의의 다른 부분 또는 툴의 병진 및/또는 회전 가속도들을 측정하도록 되어 있다. 비록 다른 방향 검출 수단이 IMU보다 높은 정밀도를 가지지만, IMU에 의한 병진 및/또는 회전 가속도들의 이러한 측정은 다른 방향 검출 수단으로 측정하는 것보다 높은 측정 레이트로 일어난다.
바람직하게는, IMU는 다른 방향 검출 수단의 결정 레이트보다 높은 레이트로 병진 및/또는 회전 가속도 데이터를 반복적으로 결정하도록 구성된다. IMU의 측정 레이트는 특히 50과 500 Hz 사이에 있을 수 있고, 한편 다른 수단은 1 내지 20 Hz의 레이트만을 가질 수 있고, 특히 만약 MCU가 툴 포지셔닝 수단을 자동으로 작동시키도록 되어 있으면, IMU에 의해 발생된 측정 데이터는 MCU의 제어 루프를 개선하기 위해 다른 방향 검출 수단의 측정 레이트를 브리징하는데 사용될 수 있다. 툴 포지셔닝 수단을 작동시키기 위한 MCU의 알고리즘(예를 들어 칼만-필터(Kalman-Filter)를 포함)은 IMU의 것과 같은 레이트로 작동할 수 있다. 유리하게는, IMU를 이용함으로써, 다른 방향 검출 수단은 IMU가 없는 것보다 느린 레이트로 작동하도록 될 수 있고, 이것은 이들이 더 염가이거나 소형이고 또한, 이들이 배터리로 작동되면 특히 중요한 에너지를 덜 소비할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 휠 로더는 이와 같은 기계 제어 시스템이 갖추어진다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 방법은 작업면에 대해 휠 로더의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하도록 되어 있고, 여기서 휠 로더는 정지 또는 땅고르기 블레이드가 갖추어지고 휠 로더에 대해 블레이드의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단을 포함한다. 상기 방법은 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 검출하는 단계 및 블레이드의 검출된 상대 위치 및 방향에 따라 방향 데이터를 발생하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면 상기 방법은 방향 데이터에 기초하여 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 갖는, 휠 로더 및 블레이드의 그래픽 표현을 발생 및 디스플레이하고 또는 방향 데이터에 기초하여 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단을 자동으로 작동시킴으로써 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 그래픽 표현은 작업면에 대한 블레이드의 수직 거리 및 경사각을 포함한다.
상기 방법의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 툴 포지셔닝 수단을 자동으로 작동시키는 단계는 작업면에 대한 블레이드의 수직 거리 및 경사각을 조정하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 검출하는 단계는
· 작업면에 대해 외부 측량 수단을 참조하는 단계,
· 외부 측량 수단에 의해 블레이드 또는 휠 로더에 대한 시각적 특징들을 식별하는 단계, 및
· 외부 측량 수단에 대해 시각적 특징들의 위치 및 방향을 측정하는 단계
를 포함한다.
바람직하게는, 외부 측량 수단은 카메라를 가지는 레이저 트래커를 포함하고, 시각적 특징들은 역반사체 및 능동 또는 수동 조명 수단을 갖는 역반사체 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 있어서, 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 검출하는 단계는 작업면에 평행하고 작업면에 대해 알려진 거리에 회전 레이저 빔으로 레이저 평면을 방출하는 단계, 및 레이저 수신기로 레이저 빔을 수신함으로써 레이저 평면에 대한 블레이드의 수직 거리를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 있어서, 작업면에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 검출하는 단계는 작업면에 대한 휠 로더의 위치 및 방향을 검출하는 단계 및 특히 적어도 하나의 각도 인코더에 의해 휠 로더에 대한 블레이드의 위치 및 방향을 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면 컴퓨터 프로그램 제품은 특히 기계 제어 시스템의 기계 제어 유닛 상에서 실행할 때, 위에 기재한 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령들을 가진다.
이하에 본 발명이 도면에 첨부되는 예시적인 실시예들을 참조하여 상세히 기재될 것이다.
도 la-b는 정지 프로세스를 수행하기 위한 레벨링 툴을 갖는 휠 로더의 2개의 실시예들을 나타내고;
도 2는 레벨링 툴을 갖는 휠 로더의 단순화된 표현을 나타내고;
도 3a-b는 도 2의 휠 로더를 갖는 정지 또는 땅고르기 프로세스를 도시하고;
도 4a-c는 본 발명에 따른 기계 제어 시스템의 방향 검출 시스템의 제 1 실시예의 3개의 변형예들을 나타내고;
도 5a-c는 본 발명에 따른 기계 제어 시스템의 방향 검출 시스템의 제 2 실시예의 3개의 변형예들을 나타내고;
도 6a-b는 본 발명에 따른 기계 제어 시스템의 방향 검출 시스템의 제 3 실시예의 2개의 변형예들을 나타낸다.
도 la는 작업면(1)에서 정지 프로세스(land levelling process)를 수행하는 휠 로더(100)의 제 1 실시예를 나타낸다. 묘사된 휠 로더(100)는 프론트 보디(front body; 110)와 리어 보디(rear body; 120) 사이에 연접식 스티어링 조인트(articulated steering joint; 130)를 가지고, 따라서, 양 액슬들(axles)을 견고하게 하고 더 양호한 동작(manoeuvrability)을 제공한다. 연접식 스티어링 조인트(130)는 유압으로 작동되고 프론트 및 리어 액슬들 사이에 정확하게 위치된다.
프론트 보디(110)는 프론트 휠들(front wheels; 111) 및 작업면(1)에서 정지 또는 땅고르기 목적들을 위해 사용될 수 있는 툴(레벨링 툴)을 유지하고 휠 로더(100)에 대해 툴의 위치 및 자세를 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단(tool positioning means; 115)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 툴 포지셔닝 수단(115)은 Z-키네매틱스(kinematics)로서 배열되고 유압으로 구동되는 부재들(116-118)을 포함한다. 레벨링 툴은 정지 또는 땅고르기 목적들을 위해 설치되고 툴 포지셔닝 수단(115)의 붐(boom; 116)에 부착되는 블레이드(142)이다.
리어 보디(120)는 리어 휠들(121) 및 운전자 캡(driver cab; 125)을 포함한다. 게다가, 휠 로더(100)의 엔진(도시하지 않음)은 리어 보디(120)에 제공된다.
도 lb는 작업면(1)에서 정지 프로세스를 수행하는 휠 로더(100)의 제 2 실시예를 나타낸다. 제 1 실시예와는 대조적으로, 휠 로더(100)의 제 2 실시예는 단일 본체를 가지며 연접식 스티어링 조인트는 갖지 않는다. 레벨링 툴은 정지 또는 땅고르기 목적들을 위해 사용될 수 있는 로더 버킷(141)이다.
도 2는 프론트 보디(110) 및 연접식 스티어링 조인트(130)에 의해 연결되는 리어 보디(120)를 가지는 휠 로더(100)의 단순화된 표현을 나타낸다. 레벨링 툴(140)은 프론트 보디(110)의 툴 포지셔닝 수단(115)에 부착된다.
도 3a에는 도 2의 휠 로더(100)가 도시되고, 레벨링 툴(140)은 재료(4), 예를 들어 모래, 토양 또는 암설로 부분적으로 채워져 있다. 이러한 재료(4)의 중량은 휠 로더(100)의 프론트 보디(110)를 프론트 액슬의 댐퍼들에 대해 하향으로 밀어서, 작업면(1)에 대해 레벨링 툴(140)을 낮춘다. 도 3b에 있어서, 강하된 레벨링 툴(140)에 대한 반응으로서, 툴 포지셔닝 수단(115)은 작업면(1) 상에 레벨링 툴(140)의 바닥측을 다시 위치시키기 위해 상승된다. 제공되는 기계 제어 유닛이 없기 때문에, 조작자는 작업면(1)에서 정지 프로세스를 수행하기 위한 이러한 위치에 정확하게 레벨링 툴(140)을 유지하기 위해 매우 숙련되어야 한다.
도 4a-c는 본 발명에 따른 기계 제어 시스템의 방향 검출 시스템의 제 1 실시예의 3개의 변형예들을 갖는 도 2의 휠 로더(100)를 나타낸다. 방향 검출 시스템은 작업면에 대해 레벨링 툴(140)의 위치 및 자세를 검출하도록 설계된다. 제 1 실시예에 있어서, 작업면(1)에 대해 참조되는 레이저 로테이터(laser rotator; 55)는 회전 방식으로 레이저 빔(51)을 방출하여, 작업면(1)에 평행하고 작업면(1)까지 알려진 거리에 "레이저 평면(laser plane)"을 생성한다. 레이저 빔(51)을 수신하기 위한 수신기(50) 및 플럼 라인(plumb line)을 검출하기 위한 기울기 센서(20)는 휠 로더(100)의 구성요소 상에 위치된다. 수신기는 레이저 빔(51)의 고도를 검출하도록 되어 있고, 따라서 작업면(1)까지의 거리를 유도할 수 있게 한다. 기계 제어 유닛(MCU)(10)은 휠 로더(100), 바람직하게는 운전자 캡(125)(여기에는 도시하지 않음, 도 la-b 참조)에 제공된다. MCU(10)는 작업면(1)에 대해 레벨링 툴(140)의 실제 위치 및 방향을 유도하기 위해 레벨링 툴(140)의 위치 및 방향에 따라 방향 검출 시스템에 의해 생성되는 방향 데이터를 수신하도록 되어 있다. 방향 데이터는 무선으로 전송된다. MCU(10)는 또한 방향 데이터에 기초하여 작업면에 대한 레벨링 툴(140)의 위치 및 방향을 갖는, 휠 로더(100)의 그래픽 표현을 발생하여, 작업면(1)에 대한 레벨링 툴(140)의 실제 위치 및 방향을 사용자에게 디스플레이하도록 되어 있다.
도 4a에 있어서, 수신기(50) 및 기울기 센서(20)가 레벨링 툴(140) 상에 장착되어, 레벨링 툴(140)의 위치 및 자세를 직접 측정한다. 도 4b에 있어서 수신기(50) 및 기울기 센서(20)는 휠 로더(100)의 프론트 보디(110) 상에 장착된다. 각도 인코더들(31, 32)은 프론트 보디(110), 툴 포지셔닝 수단(115) 및 레벨링 툴(140) 사이의 각도들을 측정하기 위해 제공된다. 도 4c에 있어서, 수신기(50) 및 기울기 센서(20)는 휠 로더(100)의 리어 보디(120) 상에 장착된다. 각도 인코더들(31-33)은 리어 보디(120), 프론트 보디(110), 툴 포지셔닝 수단(115) 및 레벨링 툴(140) 사이의 각도들을 측정하기 위해 제공된다.
도 5a-c는 본 발명에 따른 기계 제어 시스템의 방향 검출 시스템의 제 2 실시예의 3개의 변형예들을 갖는 도 2의 휠 로더(100)를 나타낸다. 도 4a-c에 묘사된 레이저 빔을 수신하기 위한 수신기 대신에, 작업면(1)까지의 수직 거리는 지면(5)까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치(distance measuring device; 60)에 의해 결정된다. 거리 측정 장치(60)는 예컨대 초음파 또는 레이저 빔을 방출 및 수신하고 시간 오프셋(time offset)을 결정함으로써 동작할 수 있다. 추가로, 기울기 센서(20)는 경사각을 결정하기 위한 거리 측정 장치와 동일한 구성요소 상에 제공된다. 대안으로, 제 2 거리 측정 장치(60)는 경사각을 결정하기 위한 기울기 센서(20) 대신에 사용될 수 있다. MCU(10)는 작업면(1)에 대해 레벨링 툴(140)의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단(115)을 자동으로 작동시킴으로써 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어하도록 되어 있다. 관성 측정 유닛(inertial measuring unit:IMU)(25)이 병진 및/또는 회전 가속도들을 측정하도록 제공되어, 거리 측정 장치(60) 및 기울기 센서(20)의 느린 샘플 레이트(slower sample rate)를 브리지하여 툴 포지셔닝 수단(115)의 동작의 제어 루프(control loop)를 개선한다. 거리 측정 장치(60) 및 기울기 센서(20)는 IMU(25)보다 더 정밀한 데이터를 발생할 뿐만 아니라 끊임없이 정밀한 데이터를 발생하지만, IMU 데이터의 정밀도는 시간이 지남에 따라 신속하게 줄어든다. 그러므로, 거리 측정 장치(60) 및 기울기 센서(20)의 데이터는 IMU(25)를 재교정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 재교정(recalibration)은 데이터가 발생될 때마다, 설정 레이트로 또는 필요할 때만 수행될 수 있다.
도 5a에 있어서, 거리 측정 장치(60) 및 기울기 센서(20)는 레벨링 툴(140) 상에 장착되고, 따라서 작업면(1)에 대한 레벨링 툴(140)의 수직 거리 및 레벨링 툴(140)의 방향을 직접 측정한다. IMU(25)는 또한 레벨링 툴(140) 상에 제공된다.
도 5b에 있어서, 거리 측정 장치(60) 및 기울기 센서(20)는 휠 로더(100)의 프론트 보디(110) 상에 장착된다. 각도 인코더들(31, 32)은 프론트 보디(110), 툴 포지셔닝 수단(115) 및 레벨링 툴(140) 사이에 제공된다. IMU(25)는 레벨링 툴(140) 상에 제공된다.
도 5c에 있어서, 거리 측정 장치(60), 기울기 센서(20) 및 IMU(25)는 휠 로더(100)의 리어 보디(120) 상에 장착된다. 각도 인코더들(31-33)은 리어 보디(120), 프론트 보디(110), 툴 포지셔닝 수단(115) 및 레벨링 툴(140) 사이에 제공된다.
도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 기계 제어 시스템의 방향 검출 시스템의 제 3 실시예를 갖는 휠 로더(100)를 나타낸다.
도 6a에 있어서, 역반사체(42) 및 조명 수단(lighting means; 44)을 갖는 역반사체 시스템(40)이 레벨링 툴(142) 상에 제공된다. 작업면(1)에 대해 참조되는 레이저 트래커(laser tracker; 45)는 역반사체 시스템(40)의 상대 위치를 결정하고 카메라(47)에 의해 조명 수단의 화면을 캡쳐하기 위해 역반사체(42)로 레이저 빔(41)을 방출하고 역반사체 시스템(40)의 방향을 결정한다. 운전자 캡(125)에 제공되는 MCU(10)는 레이저 트래커(45)로부터 방향 데이터를 수신하고 방향 데이터에 기초하여 작업면(1)에 대한 레벨링 툴(142)의 위치 및 방향을 갖는, 휠 로더(100) 및 레벨링 툴(142)의 그래픽 표현을 발생한다. 특히, 표현은 작업면(1)에 대한 레벨링 툴(142)의 수직 거리 및 경사각을 포함한다. 표현은 이후 정지 또는 땅고르기 프로세스에 대한 지원(support)으로서 조작자에게 디스플레이된다.
도 6b에 있어서, 역반사체 시스템(40)은 휠 로더(100)의 운전자 캡(125) 상에 제공된다. 각도 인코더들(31,32)은 휠 로더(100)에 대한 레벨링 툴(142)의 위치 및 방향을 검출하기 위한 툴 포지셔닝 수단(115) 상에 제공된다. MCU(10)는 작업면(1)에 대한 레벨링 툴(142)의 위치 및 방향을 갖는 휠 로더(100) 및 레벨링 툴(142)의 그래픽 표현의 발생을 위해 각도 인코더들(31,32) 및 레이저 트래커(45)로부터 방향 데이터를 수신한다.
부가적으로 또는 대안으로, MCU(10)는 툴 포지셔닝 수단(115)을 작동시킴으로써 방향 데이터에 기초하여 작업면(1)에 대해 블레이드(142)의 위치 및 방향을 조정하도록 될 수 있고, 따라서 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어한다.
비록 본 발명이 위에서 몇몇 바람직한 실시예들을 참조하여 부분적으로 설명되었지만, 실시예들의 상이한 특징들의 수 많은 변경예들 및 조합들이 만들어질 수 있고, 모든 이들 변경예들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 놓인다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 작업면(1)에 대한 중장비 기계(heavy equipment machine)의 정지(land levelling) 또는 땅고르기(earthmoving) 프로세스를 제어하기 위한 기계 제어 시스템으로서, 상기 기계는 툴(tool)이 갖추어지고 제 1 보디(110)에 대한 상기 툴의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단(tool positioning means; 115)을 갖는 상기 제 1 보디(110)를 포함하고,
    상기 기계 제어 시스템은 기계 제어 유닛(10) 및 방향 검출 시스템을 포함하는, 기계 제어 시스템에 있어서,
    상기 기계 제어 시스템은 특히 작업면(1)에 대한 휠 로더(wheel loader; 100)의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하도록 되어 있고, 상기 휠 로더(100)는 정지 또는 땅고르기 블레이드(140-142)가 갖추어지고,
    · 상기 방향 검출 시스템은 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 검출하기 위해 상기 휠 로더(100) 및/또는 상기 블레이드(140-142)에 부착되도록 설계되는 방향 검출 수단을 포함하고,
    · 상기 방향 검출 수단은 상기 블레이드(140-142)의 상대 위치 및 방향에 따라 방향 데이터를 발생하고 상기 방향 데이터를 상기 기계 제어 유닛(10)에 전송하도록 되어 있고,
    · 상기 기계 제어 유닛(10)은
    ■ 상기 방향 데이터에 기초하여 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 갖는, 상기 휠 로더(100) 및 상기 블레이드(140-142)의 그래픽 표현을 발생 및 디스플레이하고, 및/또는
    ■ 상기 방향 데이터에 기초하여 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 상기 위치 및 방향을 조정하기 위한 상기 툴 포지셔닝 수단(115)을 자동으로 작동시킴으로써 상기 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기계 제어 유닛(10)은
    · 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 수직 거리 및 경사각을 갖는 상기 그래픽 표현을 발생하고, 및/또는
    · 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 수직 거리 및 경사각을 각각 조정하기 위한 상기 툴 포지셔닝 수단(115)을 자동으로 작동
    시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방향 검출 수단은, 상기 측량 수단에 대한 시각적 특징들의 위치 및 방향이 결정 가능하도록 상기 방향 검출 시스템의 외부 측량 수단(external surveying means)에 의해 식별 가능한 시각적 특징들(visible features)을 포함하고, 특히
    · 상기 외부 측량 수단은 카메라(47)를 가지는 레이저 트래커(laser tracker; 45)를 포함하고,
    · 상기 시각적 특징들은 역반사체(retro-reflector; 42) 및 능동 또는 수동 조명 수단(44)을 갖는 역반사체 시스템(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방향 검출 수단은
    · 특히 1과 20 Hz 사이의 제 1 레이트(first rate)로 방향 데이터를 발생하도록 되어 있는 제 1 수단, 및
    · 특히 50과 500 Hz 사이의 제 2 레이트로 방향 데이터를 발생하도록 되어 있는 제 2 수단
    을 포함하고,
    상기 제 2 레이트는 상기 제 1 레이트보다 높고, 특히 상기 방향 검출 수단은 병진 및/또는 회전 가속도들을 측정하기 위한 관성 측정 유닛(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    · 상기 방향 검출 수단은 기울기 센서(20) 및
    ■ 레이저 수신기(50),
    ■ 상기 지면(5)으로 지향되는 거리 측정 장치(60), 특히 초음파 거리 측정기, 및/또는
    ■ GNSS 안테나(70)를 포함하고, 또는
    · 상기 방향 검출 수단은
    ■ 2개의 레이저 수신기들(50),
    ■ 상기 지면(5)으로 지향되는 2개의 거리 측정 장치들(60), 특히 초음파 거리 측정기들, 및/또는
    ■ 2개의 GNSS 안테나들(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방향 검출 시스템은
    · 상기 툴 포지셔닝 수단(115)의 제 1 부재(118)와 상기 제 1 보디(110),
    · 상기 툴 포지셔닝 수단(115)의 2개의 부재들(116-118) 및/또는
    · 상기 블레이드(140-142)와 상기 툴 포지셔닝 수단(115)의 최종 부재(116)
    사이의 각도를 측정하기 위한 각도 인코더(31, 32)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 휠 로더(100)는 제 2 보디(120), 및 상기 프론트 보디(110) 및 상기 리어 보디(120)를 연결하는 연접식 스티어링 조인트(articulated steering joint; 130)를 포함하고,
    상기 방향 검출 시스템은 상기 제 1 보디(110)와 상기 제 2 보디(120) 사이의 각도를 측정하고, 특히 적어도 수직각을 측정하기 위한 각도 인코더(33)를 상기 연접식 스티어링 조인트(130)에 포함하는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계 제어 유닛(10)은 상기 툴 포지셔닝 수단(115)을 자동으로 작동시킴으로써 상기 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어하도록 되어 있고,
    상기 기계 제어 유닛(10)은
    유압으로 작동되는 툴 포지셔닝 수단(115), 특히
    · Z-키네매틱스(kinematics) 또는
    · 병렬 키네매틱스(parallel kinematics)를 자동으로 작동시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 기계 제어 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 기계 제어 시스템을 포함하는 휠 로더(100).
  10. 작업면(1)에 대해 중장비 기계의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 기계는 툴(tool)이 갖추어지고
    · 제 1 보디(110) 및
    · 상기 제 1 보디(110)에 대해 상기 툴의 위치 및 방향을 조정하기 위한 툴 포지셔닝 수단(115)을 포함하는, 중장비 기계의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    · 상기 기계는 휠 로더(100)이고 상기 툴은 정지 또는 땅고르기 블레이드(140-142)이고, 상기 방법은
    · 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치를 검출하는 단계,
    · 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 방향을 검출하는 단계,
    · 상기 블레이드(140-142)의 검출된 상기 상대 위치 및 방향에 따라 방향 데이터를 발생하는 단계, 및 이하의 단계,
    · 상기 방향 데이터에 기초하여 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 갖는, 상기 휠 로더(100) 및 상기 블레이드(140-142)의 그래픽 표현을 발생 및 디스플레이하는 단계, 또는
    · 상기 방향 데이터에 기초하여 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 상기 위치 및 방향을 조정하기 위한 상기 툴 포지셔닝 수단(115)을 자동으로 작동시킴으로써 상기 정지 또는 땅고르기 프로세스를 적어도 부분적으로 제어하는 단계
    중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중장비 기계의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    · 상기 그래픽 표현은 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 수직 거리 및 경사각을 포함하고, 및/또는
    · 상기 툴 포지셔닝 수단(115)을 자동으로 작동시키는 단계는 상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 수직 거리 및 경사각을 각각 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중장비 기계의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 검출하는 단계는
    · 상기 작업면(1)에 대해 외부 측량 수단을 참조하는(referencing) 단계,
    · 상기 외부 측량 수단에 의해 상기 블레이드(140-142) 또는 상기 휠 로더(100)에 대한 시각적 특징들을 식별하는 단계, 및
    · 상기 외부 측량 수단에 대한 상기 시각적 특징들의 상기 위치 및 방향을 측정하는 단계를 포함하고, 특히
    · 상기 외부 측량 수단은 카메라를 가지는 레이저 트래커(45)를 포함하고,
    · 상기 시각적 특징들은 역반사체(42) 및 능동 또는 수동 조명 수단(44)을 갖는 역반사체 시스템(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 중장비 기계의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 검출하는 단계는
    · 관성 측정 유닛(25)으로 병진 및/또는 회전 가속도들을 측정하는 단계, 및/또는
    · 상기 작업면(1)과 평행하게 그리고 상기 작업면(1)에 대해 알려진 거리에, 회전 레이저 빔(51)으로 레이저 평면(laser plane)을 방출하고 레이저 수신기(50)로 상기 레이저 빔(51)을 수신함으로써 상기 레이저 평면에 대한 상기 블레이드의 상기 수직 거리를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중장비 기계의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업면(1)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 검출하는 단계는
    · 상기 작업면(1)에 대한 상기 휠 로더(100)의 위치 및 방향을 검출하는 단계 및
    · 특히 적어도 하나의 각도 인코더(31-33)에 의해 상기 휠 로더(100)에 대한 상기 블레이드(140-142)의 위치 및 방향을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중장비 기계의 정지 또는 땅고르기 프로세스를 제어하기 위한 방법.
  15. 특히 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 기계 제어 시스템의 기계 제어 유닛(10) 상에서 실행할 때, 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령들을 가지는 컴퓨터 프로그램 제품.
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