专利名称：由机具导致的机器倾斜检测的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种带有机具的机器，更具体地涉及用于检测由于机具的操作所导致的机器的倾斜的系统和方法。
背景技术：
许多用于土方工程、建筑业、采矿业、农业和类似行业的机器使用带有专用机具的机器。这些机具可以用来执行各种不同的任务。这些机具的操作的一个问题是在某些情况下这些机具可能导致机器倾斜至不希望的位置。可能存在这种问题的一个应用领域是硬质岩石挖掘。在土方挖掘应用中，诸如履带式拖拉机的机器配设有一个挖掘器，该挖掘器典型地附接到该机器的后部，而该机器的前部设置有另一个诸如铲刀或铲斗的机具。传统地，硬质岩石挖掘为手动操作，该手动操作由于操作过程中必然涉及不可见的地下障碍物而可能相当困难。例如，所述挖掘器可能被地下的巨砾或岩床卡住。因为所述挖掘器的尖端不能刺穿岩石，这种情况可能使得机器向前倾斜并将后惰轮抬离地面。当这种情况发生时，所述机器的全部质量由前导轮下的少量履带齿承担。此外，机架悬架不再提供悬挂减震并且由挖掘器的操作所引起的大部分振动被传递到机架上。这种情况可加速机架、轨道和挖掘器轴的磨损。由于挖掘器不能刺穿土地，所述情况还会导致生产率降低。典型地，当机器操作员意识到挖掘器开始抬起后惰轮并且不能刺穿土地时，操作员手动升起挖掘器。然而，有 经验的操作员仅能够将机器的倾斜纠正至操作员能够意识到的倾斜的程度。由于各种原因，包括挖掘器安装在机器的后部，操作员可能很难快速识别机器正在倾斜，特别是在不平坦的地面操作时。因此，所述过程可能相当耗时、效率低下并且还导致机器部件的额外磨损。
发明内容
一方面，本发明描述了一种用于检测由于机具的操作所导致的机器的倾斜的系统。所述系统包括用于感测机器的倾斜度并产生倾斜度数据的倾斜度传感器，所述倾斜度数据表示机器的倾斜度随时间的变化。用于感测机器的加速度并产生加速度数据的加速度传感器，所述加速度数据表示机器的加速度随时间的变化。控制器，所述控制器与倾斜度传感器和加速度传感器通信，以分别接收倾斜度数据和加速度数据。所述控制器可配置成处理倾斜度数据，以检测突然的倾斜度改变,并且处理加速度数据，以检测突然的加速度改变。所述控制器可进一步配置成在同时检测到突然的倾斜度改变和突然的加速度改变时确定机器倾斜状态。另一方面，本发明描述了一种检测由于机具的操作所导致的机器的倾斜的方法。所述方法包括以下步骤:感测机器的倾斜度随时间的改变和感测机器的加速度随时间的改变。所述方法还可包括以下步骤:监控机器的倾斜度，以检测突然的倾斜度改变，以及监控所述机器的加速度，以检测突然的加速度改变。能够在同时检测到突然的倾斜度改变和突然的加速度改变时确定机器倾斜状态。
根据又一方面，本发明描述了一种可包括机架和支承在该机架上的可致动机具的机器。可设置倾斜度传感器以用于感测所述机器的倾斜度并产生表示机器的倾斜度随时间的变化的倾斜度数据。可设置加速度传感器以用于感测所述机器的加速度并产生表示机器的加速度随时间的变化的加速度数据。一控制器可与倾斜度传感器和加速度传感器通信，以分别接收倾斜度数据和加速度数据。所述控制器处理倾斜度数据，以检测突然的倾斜度改变，并且处理加速度数据，以检测突然的加速度改变。所述控制器配置成在同时检测到突然的倾斜度改变和突然的加速度改变时确定机器倾斜状态，其中所述控制器在确定机器倾斜状态时调整机具的操作。
图1是配设有根据本发明的由机具导致的倾斜检测系统的履带式拖拉机的侧视图。图2是根据本发明
图3是根据本发明的倾斜检测系统和方法的数据处理算法的框图。
具体实施例方式本发明涉及一种用于检测由于机具的操作所导致的机器的倾斜的系统和方法。参照图1，其示出示例性机器10，在这种情况下为履带式拖拉机，该履带式拖拉机包括机架12和由发动机16驱动的一对可移动轨道14。工作机具可以被支承在机架12的前部上。在所述实施例中，前部的工作机具是铲刀18，所述铲刀可以经由致动器被升降和定位。此外，挖掘器20被支承在所示拖拉机的机架12的后部上。该挖掘器20可包括由定位链系24支承的挖掘器轴22。为了操作挖掘器20，包括改变挖掘器的角向定位和提升位置，可设置液压致动器26。在这种情况下，该挖掘器致动器26包括如图1所示的提升致动器和偏斜致动器。致动器26可被电子控制器28可操作地控制。为了便于这种控制，可设置适当的挖掘器传感器30，包括例如液压传感器、致动器位置传感器和/或力或应力传感器。可经由从电子控制器28发出的控制信号来控制致动器26。在挖掘操作中，所述控制信号可基于由操作员以传统方式输入的人工指令或通过作为电子控制器28的一部分的挖掘器控制算法产生。机器10还包括驾驶室32，所述驾驶室可包括用于控制机器的操作的适当的操作员输入。例如，驾驶室32可包括适当的输入，以使操作员能够操控和定位前部铲刀18、定位和操作后部挖掘器20以及控制拖拉机10的速度和前进/后退方向。为了检测何时支承在机架12上的机具的操作已使机器10倾斜至不希望的位置，机器10可配设有如在图1中示意性地示出的倾斜检测系统33。该倾斜检测系统33可包括用于感测机器10的加速度的加速度传感器34、用于感测机器10的倾斜度的倾斜度传感器36以及与加速度传感器和倾斜度传感器通信的控制器28。在这种情况下，控制器28可以是与用于引导挖掘器20的操作的控制器相同的控制器。或者，也可以使用单独的控制器。倾斜度传感器36可支承在机架12上并布置成感测机架12相对于参考平面的倾斜度，并产生表示机器10的倾斜度随时间的变化的倾斜度数据。加速度传感器34也可支承在机架12上并布置成感测机器10的沿纵向的加速度，并产生表示机器10的加速度随时间的变化的加速度数据。控制器28可配置成接收分别来自加速度传感器34的加速度数据和来自倾斜度传感器36的倾斜度数据。为了确定是否已存在不希望的机器倾斜，控制器28可处理加速度数据和倾斜度数据，以便检测倾斜度的突然改变和检测加速度的突然改变。如果控制器28同时检测到突然的倾斜度改变和突然的加速度改变，则控制器就可确定机器倾斜状态。这防止了当例如机器10由于地面的坡度改变而仅机器的倾斜度改变时，倾斜检测系统10产生错误的倾 斜警告信号。控制器28可配置成以五秒或更小的时间间隔、并且根据一个实施例以三秒或更小的时间间隔处理加速度数据和倾斜度数据。图2中给出了能够由控制器28执行的示例性的倾斜检测方法和过程的流程图。在初始启动步骤40之后，该过程进入两个处理块42、44，在这两个处理块中，系统获得和处理分别来自倾斜度传感器36的倾斜度数据和来自加速度传感器34的加速度数据。这两个处理块在图2中显示为串行步骤42、44，然而，它们也可并行地发生。此外，虽然在图2中倾斜度数据首先被获得和处理，但两个步骤42、44可以以任意次序发生。在获得和处理倾斜度数据和加速度数据之后，所述方法进入两个判定块46、48，在这两个判定块中，可以确定是否已存在倾斜度的突然改变和加速度的突然改变。这可以通过比较被处理的倾斜度数据和加速度数据与相应的阈值来实现。只有当两个判定块46、48的答案均为真时，所述方法才进入后续的处理块50，在所述处理块50中，能够确定机器倾斜状态。再次，虽然在图2中首先示出突然的倾斜度判定块46，但判定块46、48可以以任何特定的次序执行。此外，虽然判定块46、48串行地示出，但它们也可以并行地发生。在确定机器倾斜状态后，所述方法就可配置成自动地将挖掘器20移动至将减少机器倾斜的位置。例如，在在块50中确定机器倾斜状态后，所述方法可进入处理块52，在处理块52中，控制器28引导机具、在这种情况下为挖掘器20的移动。例如，控制器28可经由致动器26引导挖掘器20的上升，以将机器10再次降平在地面上。根据应用，引导机具移动处理块52可配置成在再次刺入物料之前将挖掘器轴22向回抬离地面。就这一点而言，所述倾斜检测方法可以是包括在控制器28中的较大的自动挖掘器控制系统的一部分。在所示的实施例中，所述方法还进入处理块54，在处理块54中，在确定机器倾斜状态后，能够产生警告信号。该警告信号可配置为对于操作员、例如驾驶室32中的操作员而言可视的和/或可听的警告信号。虽然所示的方法示出在布置在引导机具移动块52之后的处理块54中产生警告信号，但该方法不必须包括两个块。例如，所述系统可配置成只产生警告信号或只引导机具移动。此外，在某些情况下，设置两个块52、54，这两个块可以任意特定次序串行地布置或可并行地执行。为了处理倾斜度数据和加速度数据，控制器28可包括可以用于处理加速度数据和倾斜度数据以便易于检测突然的改变的算法。图3示出了示例性的数据处理算法的流程图。所示的算法获取从加速度传感器34接收的、在块56中被引用的加速度数据，并首先在随后的处理块58中计算运行的均方根(RMS)值。可通过进行该步骤来获得平均加速度，并由此过滤掉来自加速度传感器34的加速度读数中的短暂尖峰。这些短暂尖峰的产生可能出于多种原因，包括传感器的错误读数。然后在接下来的处理块60中对运行的均方根值应用迟滞函数。使用迟滞函数是为了确保加速度有足够的改变以表明可能的由机具导致的机器倾斜。例如，迟滞函数可以被配置成使得在加速度有百分之二十至百分之三十的改变时检测到加速度的突然改变。所示的数据处理算法获取来自倾斜度传感器36的、在块62中被引用的倾斜度数据，并在第一处理块64中将当前倾斜度与延迟的倾斜度值进行比较。将当前倾斜度与若干个延迟的倾斜度值进行比较，而不是与单个延迟的样本或低通滤波值比较可以使系统更鲁棒。然后在接下来的处理块66中，可以评估所述数据以确定是否倾斜度已改变超出阈值，所述阈值为了倾斜检测目的指示倾斜度的明显改变。例如，根据一个实施例，预定的值可为百分之十的倾斜度改变。该步骤还可配置成检测是否已在特定方向上出现倾斜。例如，当检测到由安装在后部的挖掘器20的操作导致的机器倾斜时，倾斜度改变确定块66可配置成检测由机器10的后部相对于机器10的前部升高而导致的倾斜度的突然改变。这通常指倾斜度相对于机器驾驶室的反方向的改变。只有在处理倾斜度数据和加速度数据并确定两者均出现突然的改变时，算法才在块68中进行确定机器倾斜状态。图3的算法示出了倾斜度数据和加速度数据的并行处理。在控制器28中，数据处理可以串行或并行完成，并且如果串行完成，可以以任何特定的次序。此外，尽管在图3中示出可由控制器28使用以处理倾斜度数据和加速度数据的特定数据处理算法，但也可使用其它算法。例如，所述算法能够根据其中待执行倾斜检测系统或方法的特定应用或特定机器而变化。 工业适用性本发明适用于带有机具的具有任何规格和任何构型的机器。本发明特别适用于带有挖掘器的机器。当挖掘器轴接触到某硬物时，可导致机器向前倾斜而使机器的后部抬离地面，使得机器的全部重量由机器的前端处的车轮或履带支承。这限制了机器悬架的减震能力而导致更多的振动被传递到机架上。该情况也可能导致挖掘器轴和机器的前端处的履带或车轮的增大的磨损。所公开的倾斜检测系统能够通过尽可能使机器在地面上保持水平以允许悬架帮助减震来防止不必要的机架振动和由此导致的磨损。而且，该系统可以配置成通过在获得倾斜警告信号后自动采取纠正措施来限制挖掘器被降低而不刺入地面的时间量。手动调整挖掘器的位置以处理机器倾斜状况对于操作员来说是困难且耗时的，并且由于采取纠正措施期间挖掘器可能不在地面上而降低机器的生产率。倾斜检测系统可以被配置成独立的系统或者可以作为较大的机具控制系统的一部分来执行。例如，倾斜检测系统可以是自主或半自主的独立硬质岩石挖掘系统或甚至简单的自动地面刺穿控制装置的一部分。尽管所公开的倾斜检测系统和方法与履带式拖拉机相关联地进行说明，但该系统和方法也适用于各种其它类型的机器。就这一点而言，术语“机器”可以指任何执行与例如采矿业、建筑业、农业、运输业等行业或本领域中已知的任何其它行业相关的某种操作的机器。例如，该机器可以是土方机械，例如轮式装载机、挖掘机、自动倾斜卡车、反铲机、自动平路机、物料装卸机等。此外，尽管公开的倾斜检测系统和方法与挖掘器的操作相关联地进行说明，但该系统和方法也适用于其它机器安装的机具、特别是包括其它后置式的机具的操作。例如，其它机具可以包括铲斗、压实器、叉式提升装置、刷子、抓斗、刀具、剪切器、铲刀、破碎器/击打工具、钻器等。应该理解，上述描述提供了所公开的系统和方法的示例。然而，可以设想，本发明的其它实施方案可在细节上不同于上述示例。本发明或其示例的所有参考意在参考针对某一方面论述的特定示例，而不意在更普遍地意味着对本发明的范围的任何限制。除非另有说明，否则关于某些特征的区分和贬低的所有语言均意在表示不优选那些特征，但并不完全从本发明的范围排除这些特征。除非本文另有说明，否则本文对数值范围的叙述仅意在用作单独参照落在该范围内的每个单独的数值的简化方法，且每个单独的数值结合到本说明书中，如其在本文中被单独列举那样。除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则本文所描述的所有方法均能够以任何合适的次序 执行。
权利要求
1.一种用于检测由于机具的操作所导致的机器的倾斜的系统(33)，包括: 倾斜度传感器(36)，该倾斜度传感器用于感测所述机器(10)的倾斜度，并产生表示所述机器(10)的倾斜度随时间的变化的倾斜度数据； 加速度传感器(34)，该加速度传感器用于感测所述机器(10)的加速度，并产生表示所述机器(10)的加速度随时间的变化的加速度数据；和 控制器(28 )，所述控制器与所述倾斜度传感器(36 )和所述加速度传感器(34 )通信，以分别接收倾斜度数据和加速度数据，所述控制器(28)配置成处理倾斜度数据，以检测突然的倾斜度改变，并且处理加速度数据，以检测突然的加速度改变，所述控制器(28)配置成在同时检测到突然的倾斜度改变和突然的加速度改变时确定机器倾斜状态。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(28)配置成在确定机器倾斜状态时引导机具的移动。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(28)配置成在确定机器倾斜状态时产生一警告信号。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(28)对加速度数据进行的处理包括计算均方根。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器(28)对加速度数据进行的处理包括添加迟滞。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器(28)对倾斜度数据进行的处理包括将当前倾斜度与延迟的倾斜度进行比较。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器(28)对倾斜度数据进行的处理包括确定倾斜度改变是否超出阈 值。
8.一种机器(10)，该机器包括根据权利要求1所述的系统(33)，并具有安装在机架(12)上的可致动机具(20)。
9.如权利要求8所述的机器，其特征在于，所述机具(20)是挖掘器。
10.如权利要求8所述的机器，其特征在于，所述挖掘器(20)安装在所述机架(12)的后端上。
全文摘要
本发明提供了一种用于检测由于机具(20)的操作导致的机器(10)的倾斜的系统(33)。该系统可包括用于感测机器(10)的倾斜度并产生表示机器的倾斜度随时间的变化的倾斜度数据的倾斜度传感器(36)。用于感测机器(10)的加速度并产生表示机器的加速度随时间的变化的加速度数据的加速度传感器(34)。控制器(28)，该控制器与倾斜度传感器(36)和加速度传感器(34)通信以分别接收倾斜度数据和加速度数据。控制器(28)可以配置成处理倾斜度数据以检测突然的倾斜度改变以及处理加速度数据以便检测突然的加速度改变。控制器(28)还可以配置成在同时检测到突然的倾斜度改变和突然的加速度改变时确定机器倾斜状态。
文档编号E02F9/20GK103228846SQ201180056462
公开日2013年7月31日 申请日期2011年10月10日 优先权日2010年11月23日
发明者P·班纳吉, T·贝契奇卡 申请人:卡特彼勒公司