专利名称：自动进行关节运动控制的转向系统的利记博彩app
技术领域：
本发明整体涉及土方设备的领域，更确切地涉及一种用于动力平地机的转向控制 系统，所述转向控制系统根据前轮转向角自动控制机械设备的关节运动。
背景技术：
动力平地机是主要作为修整工具用于将工地或道路的表面塑造成最终形状和轮 廓的土方机械设备。动力平地机通常包括连接在关节接头处的前机架和后机架。后机架 包括用于容纳动力源和冷却部件的隔室，动力源与后轮以可操作的方式连接，为机械设备 提供主要的推进力，后轮布置在后机架的对置侧面上的串列装置中。前机架包括一对前轮， 并支撑操作台和铲刀组件。铲刀可以旋转、倾斜、举升、降低并且可以左右移动到实际上无 限制数量的位置。机械设备的转向是前轮转向和前机架相对于后机架的关节运动两者的函 数。从上文应认识到，动力平地机是重型机械设备中操作最复杂的类型之一，包括很 多手动操作的控制用来使前轮转向、将铲刀定位、控制关节运动、控制辅助装置如松土机、 犁和多种用于监测机器状况以及/或者功能的显示装置。在控制转向，特别是在实施弯曲 路径平地作业、尽头路平地作业以及反向行驶的同时定位铲刀需要非常有经验且专注的操 作员。例如，在尽头路进行平地作业时，操作员需要操纵动力平地机使其绕大体呈圆形 的路径行驶，同时使铲刀与路缘和其他障碍物保持理想的距离。这就要求操作员同时控制 铲刀、前轮转向和关节运动。在这样的例子中若不能适当地控制关节运动，则会导致机械设 备的前、后部分沿着分离的行驶路径行进，这将导致与障碍物的碰撞或需要多次经过的不 完全的平地作业。Hartman等人的美国专利No. 6，152，237公开了一种用于使动力平地机自动旋转 到预设关节连接角的方法。控制器从位移传感器获得当前的关节连接角，并且在接收操作 员控制信号后，控制器被设置为将动力平地机从当前的关节连接角关节运动到预先编程的 关节连接角，如最大右关节连接角、最大左关节连接角以及/或者中间关节连接角。虽然该 系统确实通过利用最少的操作员输入提供实现具体的动力平地机行驶特性的方法对操作 员进行协助，在此期间操作员可以专注于对铲刀的控制或其他机械设备操作，但是该方法 并没有在曲线平地操作时对操作员操纵车辆进行协助。本申请公开内容针对的是一种用于改善动力平地机操作的转向控制系统以及方 法，解决了上述问题或缺点中的一个或多个。
发明内容
—方面，本申请公开内容提供了 一种关节连接机械设备，所述关节连接机械设备 具有带第一牵引装置和可操作用于控制其转向角的转向装置的第一机架。第二机架在关节 接头处可枢转地结合于第一机架，第二机架具有第二牵引装置。转向传感器被设置用于提供指示转向角的转向信号，电子控制器被设置用于根据转向角自动控制第一机架相对于第二机架的关节连接角。在另一种实施例中，提供了一种操作动力平地机的方法，所述方法包括选取自动 关节运动模式，沿行驶方向推进动力平地机，调控前轮转向以使动力平地机转弯，并且向电 子控制器提供前轮转向信号，所述电子控制器响应前轮转向信号自动调控机械设备的前机 架相对于后机架绕关节接头的关节运动。在另一种实施例中，提供了一种动力平地机，所述动力平地机包括具有第一和第 二可转向轮的前机架、在关节接头处可枢转地结合于前机架的后机架，所述前机架的第一 和第二可转向轮布置在前机架对置的两侧。后机架包括串列装置，所述串列装置具有两个 可枢转地连接在其对置侧上的后轮。转向传感器被设置用于提供指示第一和第二可转向轮 的转向角的转向信号，电子控制器被设置用于基于转向角自动调控第一和第二关节油缸以 控制前机架相对于后机架的关节连接角。在结合附图阅读了下面的详细描述和权利要求书，对于本领域的技术人员，本申 请公开内容的这些和其他方面以及优点是显而易见的。
图1是示例性的动力平地机的侧视图形表示图；图2是示例性的动力平地机的俯视图形表示图；图3是用于说明转向角和关节连接角的示例性的动力平地机的俯视示意图；图4是示例性的转向控制系统的框图；图5是用于本申请公开的转向控制系统的一种实施例的示例性的操作范围的曲 线表示；图6是转向控制系统的示例性的方法操作的流程图；图7是采用了依照本申请公开内容的转向控制系统的示例性的动力平地机操作 的图形表示。
具体实施例方式现在将对在附图中示出的示例性的实施例进行详细的说明。在任何可能的情况 下，相同的附图标记将被用来在全部附图中表示相同或者相似的部分。参考图1和图2，示出了依照本申请公开内容的一个实施例的土方机械设备。该机 械设备是以动力平地机10的情况表示的，动力平地机10具有前机架12、后机架14和工作 工具16。在动力平地机的情况下，所述工作工具通常是铲刀组件18，亦称为牵引杆-回转 盘-刮土板组件(DCM)。后机架14包括容纳在后部隔室20中的动力源(未示出)，所述动 力源通过变速装置(未示出)与后部牵引装置或车轮22以可操作的方式连接以提供主要 的机械设备推进力。如图所示，后轮22以可操作的方式被支撑在串列装置24上，所述串列 装置在动力平地机10的各侧的后轮22之间可枢转地与机械设备相连接。动力源可以是， 例如，柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机或任何其他本领域已知的发动机。动力源也 可以是燃料电池、能量储存装置或其他本领域已知的动力源。变速装置可以是机械变速装 置、液力变速装置或任何其他本领域已知的变速装置类型。所述变速装置可以是可操作的，用来在动力源和受驱动的牵引装置之间产生多级输出速度比(或连续变化的速度比)。前机架12支撑着操作台26，所述操作台包括许多操作员控制装置以及大量的显 示或指示装置用于将信息传达给操作员，用于动力平地机的主要操作。前机架12还包括支 撑铲刀组件18的梁28，所述铲刀组件用于将铲刀30移动到相对于动力平地机10的宽范围 的位置。铲刀组件18包括通过球形关节(未示出)可枢转地安装于梁28的第一端34的 牵引杆32。牵引杆32的位置由三个液压油缸控制控制垂直运动的右举升油缸36和左举 升油缸38，以及控制水平运动的中央位移油缸40。右举升油缸36和左举升油缸38与联结 器70相连接，所述联结器包括可枢转地连接到梁28以绕轴线C转动的举升臂72。联结器 70的底部具有与中央位移油缸40连接的可调整长度的水平部件74。牵引杆32包括一个大的、平坦的通常叫做轭板的板42。在轭板42的下面是圆形 的齿轮装置和固定架，通常被叫做回转盘44。回转盘44由例如叫做回转驱动装置46的液 压马达带动转动。由回转驱动装置46带动的回转盘44的转动使连接的铲刀30绕垂直于 牵引杆轭板42的平面的轴线A转动。铲刀切角被定义为铲刀16相对于前机架12的纵轴 线48的角。例如，在零度的铲刀切角下，铲刀30与前机架12的纵轴线48和梁28呈直角 排列。铲刀30也通过允许铲刀30相对于回转盘44倾斜的枢轴组件50安装到回转盘44 上。铲刀翻转油缸52用于使铲刀30向前或向后倾斜。换句话说，铲刀翻转油缸52用于使 铲刀30的上边缘54相对于下切削边缘56翻转或倾斜，这通常被叫做铲刀翻转。铲刀30也安装在与回转盘44相接合的滑动接头上，所述滑动接头使得铲刀30可 以相对于回转盘44左右滑动或移动。所述左右移动通常被叫做铲刀侧移。滑移油缸(未 示出)用于控制铲刀侧移。动力平地机的转向通过前轮转向和机械设备关节运动两者结合实现。在图2中与 梁28的第一端34相接合的是可转向的牵引装置右轮58和左轮60。轮58、60可以都是可 转动并倾斜的，以在转向以及平整工作表面86的过程中使用。前轮58、60通过转向装置88 相连，所述转向装置包括连杆机构90和用于实现围绕前轮枢轴点80旋转的液压油缸(未 示出)，如图3所示，还包括用于使前轮倾斜的倾斜油缸92。前部可转向的轮58、60和/或 后部从动牵引装置22可以包括履带、皮带或如本领域已知的其他牵引装置作为轮的替代。 前轮58、60也可以被驱动，如设置了全部轮驱动的动力平地机的情形。例如，动力源可以可 操作地与液压泵(未示出)相连，所述液压泵与一个或多个与前轮58、60相接合的液压马 达(未示出)相连。参考图1和图3，动力平地机10包含可枢转地连接前机架12和后机架14的关节 接头62。右关节油缸64和左关节油缸66都在机械设备10的对置侧面连接在前机架12和 后机架14之间。右关节油缸64和左关节油缸66用于使前机架12相对于后机架14绕关 节轴线B枢转。在图2中，动力平地机10被置于中间位置或零关节连接角位置，其中前机 架12的纵向轴线48与后机架14的纵向轴线68对齐。图3是动力平地机10的俯视图，所述动力平地机的前机架12转过了关节连接角 + α，该角度由前机架12的纵向轴线48与后机架14的纵向轴线68的交叉定义，所述交叉 与关节接头62的位置相对应。在这个附图中，正的α表示从面向前方的操作员的视角看 去的左侧关节运动，负的α (未示出)则表示右侧关节运动。前轮转向角+ θ被定义在与前机架12的纵向轴线48平行的纵向轴线76和前轮58、60的纵向轴线78之间，角θ具有 位于前轮58、60的枢转点80的起点。这是与左前轮60相关地示出的，但是同样可应用在 右前轮58上。图4是依照本申请公开内容的一个实施例的示例性的转向控制系统100的框图。 控制系统总体上包括电子控制器102，所述电子控制器被设置为，例如，通过控制算法接收 多个来自不同的传感器的信号以及/或者操作员指令，并且响应地提供信号用于控制多种 机械设备执行装置以及/或者与机械设备操作员进行通信。控制器102因此可以包括多种 用于运行设计用于控制机械设备10的多个子系统的应用软件。例如，控制器102可以包括 中央处理单元(CPU)、随机访问存储器(RAM)、输入/输出(I/O)元件等。控制系统100被设置用于根据操作员对前轮转向的控制来控制机械设备的关节 运动。因此，控制器102被设置用于接收前轮转向角θ的指示。在一种实施例中，动力平 地机包含一个或多个可与右前轮58和左前轮60中的一个或两个相关联的转向角传感器 104。在一种实施例中，车轮转向角传感器104被设置用于通过监测在前轮58、60处的转向 连杆和/或枢转点的夹角或旋转来监测车轮转向角Θ。在另一种示例性实施例中，车轮转 向角传感器104被设置用于通过测量执行装置(未示出)，如控制前轮58、60转向的液压 执行装置的伸长量来监测车轮转向角。其他的传感器结构在本领域中也是公知的。转向传 感器104可以提供“指示”转向角的信号，这应该被理解为对感兴趣的量或特性进行直接测 量，以及对例如同感兴趣的量或特性具有已知关系的不同的量或特性进行间接测量。在另一个实施例中，控制器102可以被设置用于接收来自一个或多个操作员转向 控制装置106的信号，所述操作员转向控制装置可以用于提供转向角θ的指示。这些控制 装置106可以是，例如，如图1-2中所示的方向盘或任何其他类型的操作员输入装置，如调 节控制盘、操纵杆、键盘、踏板或其他本领域已知的装置。在一种实施例中，例如，方向盘传 感器可以提供用来感测方向盘的转动或位置，用于提供转向角θ的指示。类似地，一个或多个关节传感器108可以被用于提供后机架14和前机架12之间 轴线B处的关节连接角α的指示。在一种示例性的实施例中，关节传感器108是布置在关 节接头62处的用于检测关节轴线B处的转动的枢转传感器。在另一种示例性的实施例中， 关节传感器108可以被设置用于监测右和/或左关节油缸64、66的伸出量。转向角传感器 104和关节传感器108可以是任何本领域已知的传感器类型，包括，例如，电位计、延伸传感 器、近程传感器、角传感器或类似的传感器。其他可以与转向控制系统100相关联的输入可以包括由布置在例如操作台20中 的模式选择器110提供的信号，以及机械设备速度传感器112和变速装置传感器114提供 的信号。模式选择器110可被用于在多种操作模式中进行选择，这些操作模式包括例如将 在后面进行详细讨论的标准操作模式、自动跟踪模式、带转向角限制的跟踪模式。机械设备 速度传感器112可以是任何设置用于监测机械设备行驶速度的传感器，例如与前轮、后轮、 车轴、发动机或传动系的其他部件中的任何部分相关联的传感器。变速装置传感器114可 以与变速装置相连用于提供当前的档位和输出比的指示。作为替代，当前的档位和输出比 的指示可以由与用于变速装置(未示出)的操作员控制装置相关的信号提供。参考图6，示出了图4中概述的转向控制系统100的操作的示例性的过程200。控 制过程通常从“开始”202开始，此时操作员为执行平地操作已启动机械设备，所述平地操作可以包括曲线行驶路径和轮廓，如在图7中示出的尽头路操作。在标准机械设备操作期间， 操作员可以手动地对转向操作装置106和关节运动控制装置116进行操作以操纵动力平地 机10。操作员转向控制信号可以通过控制器102间接提供，控制器102响应地提供转向控 制信号118(图4)，以控制转向执行装置120。类似地，操作员关节运动控制装置116可以 将关节运动信号提供给控制器102，所述控制器响应地提供关节运动控制信号122，以控制 关节运动执行装置64、66。这些控制信号可以是，例如，对一个或多个泵、马达或如本领域已 知的操作转向执行装置120、64或66的液压系统阀的操作进行控制的引导或电-液信号。在步骤204中，操作员可以为转向控制系统100选择一种操作模式。例如，模式选 择器110可以允许操作员在如上文描述的操作的标准模式、自动关节运动控制模式或带转 向限制的关节运动控制模式中进行选择。例如，模式选择器110可以是两个或三个布置在 操作台20中的位置拨动开关或调节控制盘。如果操作员已经选择了自动关节运动控制模式中的一个，在步骤206中，系统可 以判定机械设备是否是在理想的速度范围或理想的传动档位或者传动比以接合自动关节 运动控制。控制器102可以被设置用于从一个或多个机械设备速度传感器112接收指示 机械设备行驶速度的信号，控制器102被设置为将所述行驶速度与预先设定的最大速度或 速度范围进行比较。在实际行驶速度超过最大允许速度或在速度范围之外时，例如低于 20mph，控制器102可以切断自动关节运动控制并且/或者通过传向指示器126的通信信号 124警告操作员自动关节运动特征无法激活或已切断，步骤208。除了行驶速度判定，或者 结合行驶速度判定，控制器102也可以从变速装置传感器114接收信号，并且如果发现变速 装置处于特定的档位或输出比范围以外，例如高于档位1-4，则系统可以再次执行步骤208 并切断自动关节运动并且/或者警告操作员。如在此的使用中，输出比指变速装置上游的 转速与变速装置输出速度的比值。在步骤210，控制器102从例如转向角传感器104和关节传感器108接收表示转向 角和关节连接角的输入信号。在步骤212，控制器102利用来自步骤210的输入，根据前轮 转向确定理想的关节连接角。例如，如在图3中所示，在前轮转向时，前轮58、60的每一个都具有单独的转弯半 径，左前轮60具有从原点0引出的转弯半径R1并且右前轮58具有从原点0引出的转弯半 径R2。转向角θ可以以右前轮60或左前轮58的转向角中的一个为基础。然而，在一种实 施例中可由控制器102计算出中线转向角θ e，所述中线转向角是指在由于例如车轮错位或 传感器误差而出现变化或误差的情况下，计算出右转向角和左转向角的平均值。后轮22的串联布置对于在机械设备的各侧包含一个车轮的机械设备来说具有等 同的表现，假设的车轮布置在每个串列装置24的中间。因此，自动关节运动算法可以被设 置为使后部中线点82，即，布置为与两个对置的串列装置24的中点等距的点82，将跟随前 轮58、60的枢转点80之间的前部中线点84。也就是说前部中线点84是连接右前轮58和 左前轮60的枢转点80的连接线的中点(图3)。位于前机架12的前部中心线点84的转弯半径Re由等式(1)给出Rc = (L2+L1Cos α ) / (sin ( θ c+ α ))其中L1是关节接头62与前部中线点84之间的距离，L2是关节接头62与后部中 线点82之间的距离，α是关节连接角。
位于后串列装置的中心线点82的转弯半径艮由等式(2)给出Rr = ((“+“cos α ) / (tan ( θ c+ α )) +L1Sin α控制器接收前轮转向角的指示并对会使得Re和艮相等的关节连接角发出命令，因 此，当动力平地机沿曲线运动时，使得后轮22跟随前轮58、60的行迹，如图7中所示。使用 一个等式，例如，控制器可以对于给定的转向角求出理想的关节连接角，如等式(3)给出
权利要求
1. 一种关节连接机械设备，包括第一机架，其具有第一牵引装置和能够操作用以控制所述第一牵引装置的转向角的转 向设备；第二机架，其在关节接头处可枢转地结合于所述第一机架，所述第二机架具有第二牵 引装置；转向传感器，其被设置用于提供指示所述转向角的转向信号；电子控制器，其被设置用于根据所述转向信号自动控制所述第一机架相对于所述第二 机架的关节连接角。
2.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，其中，所述控制器被设置用于调控关节 连接角以使所述第一机架的转弯半径与所述第二机架的转弯半径一致。
3.按照权利要求2所述的关节连接机械设备，其中，所述第一牵引装置包括布置在所 述第一机架对置侧面的第一轮和第二轮，并且所述第一机架的转弯半径是由与所述第一轮 和所述第二轮等距离的点定义的。
4.按照权利要求3所述的关节连接机械设备，其中，所述第二牵引装置包括布置在所 述第二机架对置侧面的第一轮和第二轮，并且所述第二机架的转弯半径是由与所述第二机 架的所述第一轮和所述第二轮等距离的点定义的。
5.按照权利要求3所述的关节连接机械设备，其中，所述第二牵引装置包括可枢转地 连接在所述第二机架对置侧面的第一串列装置和第二串列装置，并且所述第二机架的转弯 半径是由与对置的所述第一和第二串列装置的枢转连接部分等距的点定义的。
6.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，还包括关节传感器，其设置用于提供指 示关节连接角的关节运动信号，所述控制器还进一步被设置用于根据所述关节运动信号控 制所述关节连接角。
7.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，其中，所述控制器被设置用于根据最大 关节连接角限制所述第一牵引装置的转向角。
8.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，其中，所述控制器被设置用于当所述转 向角超过基于最大关节连接角所允许的最大转向角时向操作员指示器提供通信信号。
9.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，进一步包括模式选择器，所述模式选择 器向所述控制器提供模式信号，在自动模式和手动模式之间进行选择，其中，在所述自动模 式中，所述控制器基于所述转向角对所述关节连接角进行控制，在所述手动模式中，所述关 节连接角和所述转向角是手动控制的。
10.按照权利要求9所述的关节连接机械设备，进一步包括设置用于监测机械设备速 度的传动系传感器，其中，当所述机械设备速度高于理想的机械设备速度时切断所述自动 模式。
11.按照权利要求9所述的关节连接机械设备，进一步包括设置用于监测变速装置输 出比或档位选择的变速装置传感器，其中，根据所述输出比或档位选择切断所述自动模式。
12.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，其中，所述控制器被设置用于通过根据 所述转向角计算所述第一机架的转弯半径等于所述第二机架的转弯半径时的理想关节连 接角，并且响应地调控执行装置而到达所述理想关节连接角，来控制所述关节连接角。
13.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，其中，所述控制器被设置用于利用与表格或映射有关的转向信号来调控所述关节连接角。
14.按照权利要求1所述的关节连接机械设备，其中，所述第一牵引装置包括布置在所 述第一机架对置侧面的第一轮和第二轮，所述机械设备具有与所述第一轮相关联的第一转 向传感器以及与所述第二轮相关联的第二转向传感器，其中，所述转向角是由所述控制器 根据从所述第一转向传感器和第二转向传感器接收的信号计算出的平均转向角。
15.一种操作动力平地机的方法，所述动力平地机具有可转向的前轮和枢转地连接在 关节接头处的前机架和后机架，所述方法包括选择自动关节运动模式；沿行驶方向推进动力平地机；命令前轮转向以使动力平地机转弯；以及向电子控制器提供前轮转向信号，电子控制器响应于前轮转向信号自动对前机架相对 于后机架绕关节接头的关节运动进行调控。
16.按照权利要求15所述的方法，其中，前轮转向信号指示前轮转向角，控制器被设置 用于根据转向角调控使前机架的转弯半径与后机架的转弯半径一致的关节连接角。
17.按照权利要求15所述的方法，其中，前轮转向信号指示前轮转向角，并且控制器通 过将前轮转向角与储存在控制器存储器中的表格或映射相对比得出所调控的关节连接。
18.按照权利要求15所述的方法，进一步包括向控制器提供行驶速度、变速装置档位 或者变速装置输出比信号，控制器根据所述行驶速度、变速装置档位或者变速装置输出比 决定是否调控关节连接。
19.按照权利要求15所述的方法，控制器根据最大允许关节连接角限制前轮转向。
20.一种动力平地机，包括前机架，所述前机架具有布置在所述前机架对置侧面的第一和第二可转向轮；后机架，其与所述前机架枢转地结合在关节接头处，第一和第二关节油缸以相反的方 向布置在所述前机架和所述后机架之间，所述后机架具有串列装置，所述串列装置带有枢 转地连接在所述后机架对置侧面上的两个后轮；转向传感器，所述转向传感器被设置用于提供指示所述第一和第二可转向轮的转向角 的转向信号；以及电子控制器，所述电子控制器被设置用于根据所述转向角自动调控所述第一和第二关 节油缸以控制所述前机架相对于所述后机架的关节连接角。
全文摘要
本发明公开了一种自动进行关节运动控制的转向系统，尤其是一种关节连接机械设备和操作方法，所述关节连接机械设备包括带第一牵引装置和控制其转向角的转向装置的第一机架，所述第一机架在关节接头处枢转地与第二机架连接，第二机架具有第二牵引装置；转向传感器，被设置用于提供指示转向角的转向信号；以及被设置用于根据转向信号自动控制关节连接角的电子控制器。
文档编号E02F1/00GK101994327SQ201010248510
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者B·威维尔, C·J·赖尔森, P·A·纽伯里, V·巴斯卡, 朱永亮 申请人:卡特彼勒公司