用於挖掘的定位裝置及類似設備的製作方法

2023-05-10 21:44:01 1

專利名稱：用於挖掘的定位裝置及類似設備的製作方法
用於挖掘的定位裝置及類似設備本發明涉及在挖掘和土方行動裝置中用於控制部件的位置和運動的裝置，這些部件相對於彼此且相對於地面呈可移動的關係，所述裝置包括安裝於所述部件上的超聲波發射器和接收器。本申請中的術語「包括」旨在傳達本發明相關條目的集合的概念，但這並不排除可能出現和/或相關更多的條目。術語「包括」並非意在傳達排除其它項目的窮舉概念，該窮舉可用「由……組成」的表述方式更好地描述出來。在一個反鏟挖土機和類似設備中，一個必需部件是安裝到鬥杆上的鏟或鏟鬥，鬥杆的長度可能會改變，且鬥杆的另一端連接到吊臂上。所有的運動通常是通過液壓缸產生的。鏟鬥及其前緣是與地面的接觸面，其通過土方行動裝置的動作來改變或盛裝待從一個地方移動到另一個地方的土方。鏟鬥的運動必須精確控制，通常精度為0.01米。參考坐標系經常是全球坐標格網(GPS)或局部坐標網格，例如包括旋轉雷射平面。鏟鬥的深度通常是最需要的測量值。然而，該深度通過知曉這些部件之間的空間關係以及知曉這些部件的 至少一個點的絕對位置來間接地獲知。直接監控鏟鬥前緣的運動是不可能的，相反依靠間接的方法。在US2538000的圖2和9中充分地說明了在挖掘和土方行動裝置中不同元件之間的關係的複雜性。為了演示幾個可動部件的同步運動，追蹤了這些部件上的點的三個軌跡，這些軌跡細分成使得相等編號的細分對應不同點的同步位置。運動是高度非線性的。然而，當已知所有元件之間的角度關係並且考慮到鬥杆延伸部的長度時，也有可能用幾何學和三角學方法計算出鏟鬥邊緣的位置。通過在旋轉軸上的分角器可以直接確定角度關係，並且通過線性編碼器也可以直接確定鬥杆的長度。上述元件必須在製造時構造到設備中，因為上述元件不適合翻新。在監控用於翻新的設備的情況下，通常通過安裝在各種部件上的傾斜傳感器來間接得到角度關係。在處理獲得的傾斜信號和關於各種各樣距離的認知中，運用幾何學關係。可通過連續超聲波場測量一些距離，在超聲波場中，超聲波發射器發射連續波，並由超聲波接收器接收的信號的相位測量提供所需的數據。在W0/03088136A2中，這個解決方案針對一般性的應用被描述。如JP2001064992A中描述的，為了在這種土方行動裝置的不同部件的運動中提供安全性，以超聲波發射器和接收器的形式的接近度傳感器確保這些部件不發生碰撞。在W02010/003636A1中描述了一種線性階梯的測量，其中通過測量線性階梯的延伸程度的相同超聲波元件來測量所建立的參考距離，從而執行溫度和壓力影響的補償。其它方法依賴於微波或雷射進行距離測量。具體地，雷射系統很容易出現故障，這歸咎於在光學表面和窗口上的汙垢沉澱以及歸咎於發射器與接收器之間的視場中斷。上面描述的解決方案自身不適合簡單的翻新和校準，而本發明的目的在於提供簡單的翻新和校準。尤其在如下裝置中獲得這種簡單的改型和校準，該裝置具體地在於，所述發射器和接收器放置於所述挖掘和土方行動裝置的這些部件上，使得所述發射器和接收器的幾何關係依賴於這些部件的相對位置而變化；並且至少一個超聲波發射器傳輸間歇爆發(intermittent burst)的超聲波能量；並且所述超聲波接收器具有在超聲波能量爆發之後的接收時間窗口，接收到的信號被傳送至處理單元，用於計算預定部件的位置。
術語「時間窗口」是指能夠接收超聲波信號的任何時間有限的啟用，並可以例如是如下時間段的啟用，在該時間段中預期使用超聲波信號。在另一實施例中，涉及也可用作接收器的超聲波裝置，時間窗口可以在傳輸脈衝之後立即打開並保持打開直到接收到第一反射脈衝為止。優選的具體實施例具體地在於，這些部件包括安裝在牽引機主體上的吊臂、鬥杆和鏟鬥，廣角超聲波脈衝發射器放置在所述鬥杆上靠近鬥杆-鏟鬥接頭，所述超聲波脈衝發射器發射由兩個超聲波接收器接收的脈衝，這兩個超聲波接收器相互具有預定距離地設置在牽引機主體上，到達所述接收器處的到達時間以及所述接收器之間的所述距離一起由處理單元用以藉助三角測量來確定所述鬥杆-鏟鬥接頭的位置。與本文中的超聲波發射器或接收器有關的術語「廣角」是指其輻射特性/靈敏度特性，有時被稱為孔徑。普通超聲波設備僅在一個方向上具有強波瓣的輻射圖案(窄角)。全方位超聲波設備將具有圓形的輻射圖案。在本發明中，圓形輻射圖案將意味著在接收到的信號中輻射功率的損失和/或太大的噪聲成分。由於這個原因，輻射圖案減少為圓的廣角扇形。藉助放置在強輻射波瓣的路徑上的合適形狀的反射器，窄角超聲波設備可被轉換·成廣角設備。進一步優選的具體實施例具體地在於，在所述牽引機主體上安裝有傾斜傳感器；並且在所述鏟鬥上安裝有超聲波脈衝反射器；並且該處理單元確定所述鏟鬥的所述尖端相對於地面的位置。進一步優選的具體實施例具體地在於，在所述牽引機主體上安裝有傾斜傳感器；並且超聲波脈衝反射器安裝到用於使得所述鏟鬥旋轉的連杆裝置；並且所述處理單元確定所述鏟鬥的所述尖端相對於地面的位置。進一步優選的具體實施例具體地在於，所述反射器是有源廣角超聲波裝置，其能夠從接收模式切換到發射模式。進一步優選的具體實施例具體地在於，來自所述超聲波接收器的表示超聲波發射器和超聲波接收器之間的即時距離的信號由聲速校正，所述聲速由從所述發射器經反射器反射回到用作接收器的所述發射器的往返信號的傳輸時間確定，以便獲得表示所述鏟鬥的尖端相對於地面的位置的校正信號。進一步優選的具體實施例具體地在於，來自所述超聲波接收器的表示超聲波發射器和超聲波接收器之間的即時距離的信號由聲速校正，所述聲速由來自溫度和壓力傳感器的提供給所述處理單元的信號確定，從而獲得表示所述鏟鬥的尖端相對於地面的位置的校正信號。進一步優選的具體實施例具體地在於，所述鬥杆設置有鬥杆延伸部；並且所述廣角超聲波發射器/接收器安裝到所述鬥杆延伸部上；並且另一超聲波接收器安裝到鬥杆上；並且從所述超聲波發射器/接收器到所述接收器的傳輸時間是所述鬥杆的即時長度的量度，目的在於確定所述鏟鬥的尖端相對於地面的位置。進一步優選的具體實施例具體地在於，對所述超聲波接收器接收到來自所述發射器的超聲波信號作出響應的信號以及來自所述牽引機主體上的傾斜儀的信號的傳輸以電磁輻射的方式發生，與所述處理單元相關地設置合適接收器。進一步優選的具體實施例具體地在於，對所述超聲波接收器接收到來自所述發射器的超聲波信號作出響應的信號以及來自所述牽引機主體上的所述傾斜儀的信號的傳輸藉助從所述接收器和傾斜儀傳輸的超聲波信號發生，所述廣角超聲波接收器以錯時方式接收所有這些信號。超聲波發射器發射超聲波脈衝，牽引機主體上的接收器接收脈衝，兩個接收器的所接收脈衝之間的延遲以及兩個接收器之間的已知距離主要允許計算超聲波發射器的位置，在所有實踐目的上，超聲波發射器的位置和鬥杆-鏟鬥接合的位置是相同的。藉助安裝在承載接收器的結構上的傾斜儀，就可以相對於準確的水平面來確定XY位置，即該結構的高度。為了提高精確度，可適當地結合使用不止一個發射器和不止三個接收器。這意味著精確度並不與大基線相關聯，而可以通過使用更小部件進行多次確定來獲得。進出超聲波部件的信號可以由電纜傳輸，然而超聲波發射器也可以被提供為紅外發射器，其與超聲波脈衝並行地發射脈衝。超聲波接收器也同樣被提供為紅外接收器。這 創建了接收器的釋放開始時間，計時開始，並且計時當超聲波脈衝到達時再次停止，提供了傳輸時間，其與超聲波發射器和該超聲接收器之間的距離成正比。也可通過包含廣角超聲波發射器的組件來執行處理，由於所有超聲波部件是各種各樣的設備，其將既用作發射器，也用作接收器。信號的適當選通(各種「時間窗口」的開啟和關閉)確保這類操作。該組件被使得包含所有信號處理，並為了在不過度布線的情況下實現，處理的順序如下廣角超聲波設備發射脈衝，該脈衝由第一固定超聲波設備接收而遭受該脈衝。在預定且精確的延遲後，該超聲波設備以發射響應超聲波脈衝的方式來響應，響應超聲波脈衝被用作接收器的廣角超聲波設備接收。第一超聲波脈衝通過第二固定超聲波設備接收而遭受脈衝。在不同的預定且精確的延遲後，該超聲波接收器以發射響應超聲波脈衝的方式來響應，所述響應超聲波脈衝被用作接收器的廣角超聲波設備接收。因此，該組件具有執行三角測量所需的全部信息，即，相對於基線的從第一發射脈衝到達兩個固定設備的消逝時間。該系統可結合有傾斜儀，以提供關於鬥杆-鏟鬥接頭和其高度的所需信肩、O參照附圖
，本發明將被進一步描述，在附圖中圖I示出了用於包括鏟的反鏟式設備的設備的示意性側視圖；圖2示出了根據本發明一個具體實施例的信號處理路徑的框圖；圖3示出了裝置的不同實施例的細節的示意性側視圖；以及圖4示出了根據本發明另一個具體實施例的信號處理路徑的框圖。在圖I中示出了牽引機式車輛主體的部分T。在該具體實施例中，傾斜儀I安裝在主體上。在主體T上安裝有吊臂1，所述吊臂在豎直平面內可繞接頭或樞軸2樞轉。通過提供與在牽引機T上安裝吊臂相關的另一豎直樞軸，該平面可繞著豎直軸線旋轉。吊臂I的另一端通過接頭或樞軸4連接到梁，該梁被稱作鬥杆3。鬥杆3是可延長的。在鬥杆3的另一端處，通過樞軸或接頭6連接有鏟鬥5。吊臂I和鬥杆3可通過未示出的液壓缸進行操作。鏟鬥能夠由液壓機構類似地操作，且圖3示出了液壓缸的活塞杆30。廣角超聲波脈衝發射器(其能夠電子地切換到接收模式)7在與接頭6的限定距離處安裝到鬥杆(或鬥杆延伸部，當鬥杆延伸部是可用的時)。用於實施本發明的發射器/接收器公知為Pepperl+Fuchs超聲波傳感器類型UC4000，其配備有分配半錐。超聲波接收器8和9安裝在牽引機的主體T上，在超聲波接收器8和9之間存在限定的距離，且從超聲波接收器8和9到接頭2的距離也是已知的。使用上面提到的相同類型的傳感器是完全可行的，只是沒有分配錐(dispersing cone)。因此，當已知距離7_9和7_2時,便可通過三角測量確定接頭6離主體T的距離。反射超聲波的元件放置於鏟鬥5上位於限定位置10處。傳感器或超聲波接收器11安裝到鬥杆上，以便測量鬥杆延長。以從廣角發射器7發射超聲波脈衝作為時間基準(「O」)，生成下述原始數據。如果採用圖I所示的各種元件的幾何關係，便可按順序生成提到的數據。當元件相對於彼此並且相對於地面移動時一些數據會變化的事實是能夠精確確定鏟的位置的計算的基礎。根據本發明可獲得的數據是——從發射器7到鏟鬥反射器10並返回處於接收模式的發射器7的傳輸時間；—從發射器7到鬥杆傳感器11的傳輸時間；
-從發射器7到車輛主體T上的傳感器9的傳輸時間。當使用依賴於聲速的溫度和壓力時，傳輸時間數據可轉換為距離數據。溫度和壓力可直接測量或參考距離能夠是「時控的」，從而獲得轉換因子。溫度和壓力的傳感器可安裝到靠近處理器的發射器/接收器7上。在一改進實施例中，傾斜傳感器可安裝到鏟鬥5上，以提供涉及其角度相對於重力的數據。現代傾斜儀僅在一個平面上是非常堅固的並且展現靈敏度。僅需要短線纜來將其連接到廣角發射器7上，以提供電力並且傳輸數據。基於知曉兩個傳感器8和9之間的固定距離和鏟鬥5的尖端5a與鏟鬥反射器10之間的距離及角度關係，現在可以計算出鏟鬥的尖端5a相對於車輛主體T的精確關係。同樣地，通過使用裝好的傾斜傳感器，獲得鏟鬥傾斜度。如果與由獨立裝置獲得的精確測量的高度相結合而使用來自傾斜傳感器I的傾斜數據，獲得鏟鬥位置的絕對測量。採用兩個接收器(例如8和9)，可以進行鬥杆-鏟鬥接頭的位置的二維確定。通過在由發射器和接收器8和9定義的平面之外簡單添加第三接收器，可由複合三角測量進行三維確定。如果吊臂I和鬥杆3的平面相對於牽引機的主體T旋轉，情況將如此。所有這些計算都在處理單元P執行，處理單元P在圖I中未被示出。在設備和處理單元之間的用於通信的數據總線以及供電電纜是眾所周知的，並可用於本發明。在本發明改進的實施例中，設備和處理單位之間的通信以無線方式發生，且結合超聲波發射器/接收器7放置處理單元。這樣做的優勢在於僅供電電纜必須被安裝。在這方面如下兩種變型是優選的a)發射器/接收器7和其他傳感器(8、9、11)之間的數據通信藉助紅外光(LED)或其他電磁輻射(無線電信號)發生，其比雷射更能容忍汙垢和陽光的存在，和b)藉助用於距離測量的相同類型的超聲波脈衝來發生數據通信，但將傳感器(8、9,11)用作發射器並且使用適當編碼的超聲波信號。在該具體實施例中，傾斜傳感器I以及可選直接安裝到鏟鬥5的傳感器(未示出)設置有類似的發射器/接收器元件。為了使得系統針對新鏟鬥進行校準，只需將鏟鬥放置在使其尖端5a和接頭6之間的連線是豎直的位置並測量接頭6和尖端5a之間的距離或者發射器/接收器7和尖端5a之間的距離即可。在該鏟鬥第一次被使用時將這兩個測量中的任一輸入該系統，並用不同常量進行計算。圖2表示處理單元P的結構，其利用傳感器產生的數據，並提供對應於實時操作情況的適當輸出。處理單元具有輸入20，用於輸入涉及計算所需的元件長度的計算數據，包括鏟鬥5的校準。這些數據作為常量存儲在內部存儲器中。此外，從傾斜儀I到輸入12、從溫度傳感器到輸入13以及從壓力傳感器到輸入14，都有輸入。處理單元P也是廣角發射器/接收器7 (7X、7R)的控制器，並能夠使超聲波脈衝信號通過輸出17x，從而限定該系列測量的時間零點。從鏟鬥5上的反射器10反射的脈衝由切換到接收模式7R的發射器/接收器7接收，並且相應的電子信號在輸入17r被接收。類似地，當超聲波脈衝分別在傳感器11、8和9被接收時，電子信號在輸入端111、18和19被接收。如果由IR實現來自傳感器的信號的傳輸，則處理器的結構本質上基本不改變；只需提供IR接收器，以將信號轉換為適合輸入12、111、18、19的電子信號。處理單元P藉助其自身公知的三角學手段來大致計算出鏟鬥的尖端5a的未知位置，且該輸出能夠作為在指示操作員的操作情景的網格中的位置顯示可視地顯示出。這將使操作員通過操作車輛的控制部件和在其上安裝的挖掘部件來手動順從並獲得所需輪廓。然而，輸出也可以是對土方行動裝置的自動操作有用的數據流的形式，從而確保藉助通過計算獲得的鏟鬥尖端的位置反饋來獲得具體輪廓。圖3表示了本發明的不同實施例，其用於不便於在鏟鬥上提供超聲波反射元件10的情況。如果鏟鬥針對現場的不同鏟鬥將被改變，情況將如此。在這種情況下，反射器33安裝到槓桿31上，該槓桿31用於旋轉所裝配的鏟鬥。通過液壓缸發生該旋轉，液壓缸的活塞杆30已示出。同樣在這種情況下，通過三角運算不難處理幾何關係，只要新的校準按照如上描述被執行，並通過輸入20輸入數據以用於存儲為新常量。反射元件33可為如上描述的有源廣角超聲波設備，而且它也可與傾斜傳感器結合，以間接指示鏟鬥的傾斜度。在圖4中示出了在所有傳感器都是發射器/接收器類型時發生的信號/數據處理的結構。為了允許發射器/接收器7傳輸所有測量數據，這些數據需被排序或多路傳輸。這通過在每個傳感器11、8、9、I上提供如下固定且單獨的延遲時間來獲得，該延遲時間從接收來自發射器7X的超聲波脈衝開始直到該具體單元傳送回其響應。無源反射器10 (用於鏟鬥角度測量)和反射器(用於在相同的溫度和壓力條件下獲取參考長度)顯然沒有延遲，並將提供返回接收器7R的第一信號。為了使得處理單元P能夠將接收到的信號分配給正確的測量，將信號分離器D安裝到接收器7R的信號路徑上。信號分離器的任務是向每個獲得的讀數分配標籤以及將所述數據重構成對處理單元有用的形式。輸出與如上所述的帶電纜的情況完全一樣。總之，本發明涉及藉助超聲波設備7、8、9、10、11監控由裝載執行土方移動工作的鏟鬥5的不同部件l、3、3a執行的複雜運動，所述超聲波設備與在處理單元P中的校準步驟和即時測量期間獲得的長度和角度有關，以便輸出鏟鬥位置的視覺指示或者用於自動控制挖掘或其他土方移動操作的信號。上述具體實施例的前述說明如此充分地展示了本發明的本質，以致於本領域技術人員通過應用現有知識，能夠容易地修改或調整該具體實施例以用於各種應用，無需過量的實驗也不違背一般觀念，因此，這種調整和修改應當並旨在理解為包含在所公開實施例的等同含義和範圍內。應當理解，本文採用的措辭和術語只是為了說明，並不是為了進行限制。在不脫離本發明的情況下，用於實施各種已公開功能的方法、材料和步驟可以採取各種形式。因此，正如在上述說明書和/或下述權利要求書中可能出現的後面跟著功能性說明的表達方式「用來…的機構」和「用於…的裝置」或者任何方法步驟語言都旨在限定和涵蓋所有的構造上的、物理的、化學的或電的元件或結構，或者所有的方法步驟，其可能存在於實施所述功能的當前或未來的，無論是否正好等同於上述說明書中公開的實施例；也就是說，能使用用於實現相同功能的其他裝置或 步驟；而且這樣的表述意圖作最寬的解釋。
權利要求
1.一種用於控制挖掘和土方行動裝置中的部件(1、3、5)的位置和運動的裝置，這些部件相對於彼此並且相對於地面可移動，所述裝置包括安裝在這些部件上的超音波發射器和接收器(7、8、9)，其特徵在於，所述發射器和接收器放置於所述挖掘和土方行動裝置的這些部件上，使得所述發射器和接收器的幾何關係依賴於這些部件的相對位置而變化；並且至少一個超聲波發射器(7)傳輸間歇爆發的超聲波能量；並且所述超聲波接收器具有在超聲波能量爆發之後的接收時間窗口，接收到的信號被傳送至處理單元(P)，用於計算預定部件的位置。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，這些部件包括安裝在牽引機主體(T)上的吊臂(I)、鬥杆(3)和鏟鬥(5)，廣角超聲波脈衝發射器(7)設置在所述鬥杆(3)上靠近鬥杆-鏟鬥接頭出)，所述超聲波脈衝發射器發射由兩個超聲波接收器(8、9)接收的脈衝，這兩個超聲波接收器相互具有預定距離地設置在牽引機主體(T)上，到達所述接收器(8、9)處的到達時間以及所述接收器之間的所述距離一起由處理單元(P)用以藉助三角測量來確定所述鬥杆-鏟鬥接頭￠)的位置。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，在所述牽引機主體(T)上安裝有傾斜傳感器(I);並且在所述鏟鬥(5)上安裝有超聲波脈衝反射器(10);並且所述處理單元(P)確定所述鏟鬥(5)的所述尖端(5a)相對於地面的位置。
4.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，在所述牽引機主體(T)上安裝有傾斜傳感器(I);並且超聲波脈衝反射器(33)安裝到用於使得所述鏟鬥(5)旋轉的連杆裝置(31、32)上；並且所述處理單元(P)確定所述鏟鬥(5)的所述尖端(5a)相對於地面的位置。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述反射器(33)是有源廣角超聲波裝置，其能夠從接收模式切換到發射模式。
6.根據權利要求3或4所述的裝置，其特徵在於，來自所述超聲波接收器(8、9)的表示超聲波發射器(7X)和超聲波接收器(8、9)之間的即時距離的信號由聲速校正，所述聲速由從所述發射器(7X)經反射器(ref)反射回到用作接收器(7R)的所述發射器的往返信號的傳輸時間確定，以便獲得表示所述鏟鬥(5)的所述尖端(5a)相對於地面的位置的校正信號。
7.根據權利要求3或4所述的裝置，其特徵在於，來自所述超聲波接收器(8、9)的表示超聲波發射器(7X)和超聲波接收器(8、9)之間的即時距離的信號由聲速校正，所述聲速由來自溫度和壓力傳感器的提供給所述處理單元(P)的信號確定，從而獲得表示所述鏟鬥(5)的所述尖端(5a)相對於地面的位置的校正信號。
8.根據權利要求3至6中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述鬥杆(3)設置有鬥杆延伸部(3a);並且所述廣角超聲波發射器/接收器(7)安裝到所述鬥杆延伸部(3a)上；並且另一超聲波接收器(11)安裝到所述鬥杆(3)上；並且從所述超聲波發射器/接收器(7)到所述接收器(11)的傳輸時間是所述鬥杆的即時長度的量度，目的在於確定所述鏟鬥(5)的所述尖端(5a)相對於地面的位置。
9.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，對所述接收器(8、9、11)接收到來自所述發射器(7X)的超聲波信號作出響應的信號以及來自所述牽引機主體(T)上的傾斜儀(I)的信號的傳輸以電磁輻射的方式發生，與所述處理單元(P)相關地設置合適接收器。
10.根據權利要求2至7中任一項所述的裝置，其特徵在於，對所述超聲波接收器(8、·9、11)接收到來自所述超聲波發射器(7X)的超聲波信號作出響應的信號以及來自所述牽引機主體(T)上的傾斜儀(I)的信號的傳輸藉助從所述接收器(8、9、11)和所述傾斜儀(I)傳輸的超聲波信號發生，所述廣角超聲波接收器(7R)以錯時方式接收所有這些信號。
全文摘要
由裝載執行土方移動工作的鏟鬥(5)的不同部件(1、3、3a)執行的複雜運動通過超聲波設備(7、8、9、10、11)來監控，所述超聲波設備與在處理單元(P)中的校準步驟和即時測量期間獲得的長度和角度有關，以便輸出鏟鬥位置的視覺指示或者用於自動控制挖掘或其他土方移動操作的信號。
文檔編號G01S1/80GK102918210SQ201180019514
公開日2013年2月6日 申請日期2011年4月18日 優先權日2010年4月18日
發明者A·林德斯科夫 申請人:米克洛夫伊恩股份公司