[发明专利]挖掘机控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及挖掘机和类似类型的机械，更尤其是涉及用于不必使用额外的传感器、检测器或接收器就能确定机械或机械的一部分的定向的系统和方法。

背景技术

挖掘机用于在建筑场地、采石场、农业场地和类似环境进行挖掘。为了精确控制挖掘机，重要的是要知道挖掘机的位置和定向，包括它的驾驶室、吊臂、铲斗柄以及铲斗。已经使用若干不同的配置来收集这种信息。例如，GPS天线和接收器提供有关挖掘机在三维空间的位置的信息。但是，单个GPS接收器和天线既不能提供有关挖掘机的定向的信息，也不能提供有关挖掘机的各个部件的相对位置的信息。

已知的是，在驾驶室结构和吊臂之间、吊臂与铲斗柄之间以及铲斗柄与铲斗之间的每个接合处都使用传感器，从而提供相对角位置。挖掘机的控制系统通常从GPS系统知道挖掘机的位置。控制系统还知道驾驶室和底盘相对于铅垂方向的定向，即，驾驶室是否定位在非零倾侧角(侧面对侧面)或非零俯仰角(前对后)。但是，车盘上驾驶室和底盘的旋转使控制系统得不到有关驾驶室所对齐的方向的信息，除非在驾驶室安装带有读数的罗盘。额外的传感器的使用使系统变得很复杂，同时，增加了成本和故障的可能性。此外，依赖于罗盘传感器等的定向配置会有误差，因为可能不利地受到工地上普遍的金属部件和电磁场的影响。

因此，可以看到，需要一种用于控制挖掘机等的控制系统和方法，其中不需要额外的传感器和另外的部件就能确定挖掘机的定向。

发明内容

这是通过依照本发明的用于确定坐落在施工工地的相对于零横过坡度的方向倾斜的部分上的挖掘机的定向r的系统和方法来实现的。横过没有坡度的部位的这个方向垂直于落差线方向。该系统包括用于确定挖掘机的俯仰角(Pitch)和提供俯仰角输出的第一倾角仪。该系统包括用于确定挖掘机的倾侧角(Roll)和提供侧倾角输出的第二倾角仪。最后，该系统还包括处理器，所述处理器响应所述俯仰角输出和所述倾侧角输出，根据下列公式之一，确定机械的俯仰轴线的定向r：r＝sin^-1[Pitch/(Pitch²+Roll²)^1/2]；或r＝cos^-1[Roll/(Pitch²+Roll²)^1/2]；或r＝tan^-1[Pitch/Roll]。第一和第二倾角仪可包括单个双轴倾角仪，或它们可包括一对适当定向的倾角仪。

系统可以连续地只使用三个公式之一，或者可以在不同的时间选择使用公式之一，这取决于判断哪个公式能提供更精确的定向指示。可以根据挖掘机的定向所在的象限，选择公式。当挖掘机的定向接近±90°时，处理器可以选择余弦公式，当挖掘机的定向接近0°或180°时，处理器可以选择正弦公式。

用于确定坐落在施工工地的相对于横过没有坡度的部位的定向倾斜的部分上的挖掘机的定向r的方法，横过没有坡度的部位的这个定向垂直于倾斜部分的落差线定向，该方法可包括下列步骤：

根据重力确定挖掘机的俯仰角(Pitch)，和提供俯仰角输出；

根据重力确定挖掘机的倾侧角(Roll)，和提供倾侧角输出；以及

根据所选的关系式之一，确定挖掘机的俯仰轴线的定向r：

r＝sin^-1[Pitch/(Pitch²+Roll²)^1/2]，

或r＝cos^-1[Roll/(Pitch²+Roll²)^1/2]；

或r＝tan^-1[Pitch/Roll]。

机械的侧倾轴线也可以用作基准轴线，在这种情况下，先前的三个等式变成：

r＝sin^-1[Roll/(Pitch²+Roll²)^1/2]，

r＝cos^-1[Pitch/(Pitch²+Roll²)^1/2]，和

r＝tan^-1[Roll/Pitch]。