测斜仪测量系统和提供用于运动诱导加速度误差的校正的方法

摘要

本发明包括一种系统和一种方法，通过所述系统和方法可感应例如平台的机械元件的倾角，并可消除可能由切向和径向加速度导致的误差。所述平台限定了正交的X轴和Y轴，以及与X轴和Y轴二者正交的Z轴。所述平台可围绕平行于Z轴延伸的轴旋转。所述系统包括测斜仪，所述测斜仪被安装在平台上与旋转轴相隔距离r的位置，所述测斜仪用于提供指示X和Y方向上的加速度的测斜仪输出，所述测斜仪输出分别被指定为Ix和Iy。从旋转轴到测斜仪的直线与X轴形成夹角B。速率陀螺被安装在平台上。所述速率陀螺感应平台围绕旋转轴的旋转速度w，并提供指示旋转速度w的速率陀螺输出。一个电路对所述速率陀螺输出求微分以确定平台的角加速度dw/dt。一个电路用值r乘以所述角加速度，以确定平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度r(dw/dt)。一个电路分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其X轴分量，并分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其Y轴分量。一个电路从平行于X轴的方向上感应的加速度Ix中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的X轴分量，并且从平行于Y轴的方向上感应的加速度Iy中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的Y轴分量。结果，所述测斜仪输出Ix和Iy校正由径向加速度导致的误差。

说明书

技术领域

本发明涉及用于校正参照重力的倾角传感器(或测斜仪)中的运动诱导加速度产生的测量误差的装置。通常期望已知机械的可动构件相对于地球重力或相对于其它机械元件的倾角。实现此目的的一个方法在于将参照重力的测斜仪附于可动构件或元件。本发明提供了一种改善这种测斜仪在可动构件的旋转期间的性能的方法。本发明对正切和旋转加速度对感应重力加速度的测斜仪作出的测斜仪测量的影响做了校正。

背景技术

特别有用的是，能监视各种施工设备元件的取向。例如，这种可动元件可以是挖掘机的吊臂、铲斗柄、提斗或底盘平台，或者是推土机、平路机或铲土机的叶片或底盘平台。在多种情况下，随着在操作者的控制下或在自动控制系统的控制下的可动构件的倾角改变，可动构件围绕已知点或轴旋转。由于多种原因，例如参照重力的测斜仪的坚固耐用性、可靠性、小尺寸、安装的简易性以及低成本，参照重力的测斜仪特别适合用于施工设备应用。来自这种参照重力的测斜仪的有用的和期望的输出信号是其相对于水平面的倾角的测量。相对于地球重力测量所述水平面。为了测量相对于重力的倾角，传感器响应于沿着灵敏轴的重力加速度的矢量分量。由于这种类型的传感器不能识别重力加速度和非重力源加速度，因此它本质上对机械运动产生的加速度敏感。直线或平移运动和振动也产生可测量的加速度。这些非重力源加速度可导致来自测斜仪的非期望的和错误的输出信号。这种错误信号的大小与测斜仪经历的非重力加速度是成比例的。在一些情况下，非期望的信号与期望的倾角测量相比是巨大的，使得在产生这种非期望加速度的运动停止之前的传感器输出不可靠且不能用。

当可动构件绕轴转动时，构件的旋转将导致在径向方向上的加速度测量误差。当这种旋转的速度变化时，也将在运动方向的切线方向产生加速度测量误差。这种切向加速度被限定为旋转物体上与旋转轴的距离为“r”的一个点的直线或平移加速度。可动构件上任何位置处的切向加速度均为角加速度和与距离枢转点或轴(可动构件围绕所述枢转点或轴转动)的径向距离“r”的乘积。附于机械的可动构件的参照重力的测斜仪可理想地被设置在所述构件枢转或旋转时所围绕的轴处。因此，距离“r”将等于零，并且将不存在作用于测斜仪上的来自可动构件的角运动的切向加速度。在实际环境下，不可能或不期望将测斜仪设置在构件旋转所围绕的轴处。

用于显示或控制施工机械的可动构件的位置的系统目前以多种形式存在。在可用的传感器中，由于多种原因，包括坚固耐用性、可靠性、小尺寸、安装的简易性以及低成本，参照重力的测斜仪在施工设备应用中是有用的。当这种参照重力的测斜仪未被精确设置在轴(可动构件绕所述轴枢转或旋转)处时，很难获取精确的倾角读数。过滤这种测斜仪的输出以获取更稳定的信号(其具有叠加在该信号上的较少抖动)是常见的。然而，低通过滤也将潜在因素带入了角测量。结果，必须暂时将机械或其元件维持静止，以便于获取精确的位置信息。另外，在控制系统中，潜在因素是不合需要的，其可能造成系统的不稳定。

因此，可以看出，需要一种当测斜仪被安装在枢转或旋转的机械元件上时，校正参照重力的测斜仪中被加速度诱导的测量误差的装置，并且需要这样一种装置，其中测斜仪的速度和精度被提高。

发明内容

根据本发明的用于感应平台相对于重力的倾角的系统和方法满足这些需求。单词“平台”旨在包括测斜仪被安装在其上的任何机械元件，并且不限于支承其它机械元件的机械元件。平台限定了正交的X轴和Y轴，以及与X轴和Y轴二者正交的Z轴。所述平台能够绕平行于Z轴延伸的旋转轴旋转。所述系统包括安装在平台上与旋转轴相隔距离r的位置处的测斜仪，所述测斜仪用于提供指示X和Y方向上的加速度的测斜仪输出，它们分别被指定为I_x和I_y。从旋转轴到测斜仪的直线与X轴形成了夹角B。速率陀螺被安装在平台上。所述速率陀螺感应平台围绕旋转轴的旋转速度w，并提供指示旋转速度w的速率陀螺输出。一个电路对速率陀螺输出求微分以确定平台的角加速度dw/dt。一个电路通过值r乘以所述角加速度来确定平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度r(dw/dt)。一个电路分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其X轴分量，并且分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其Y轴分量。一个电路从平行于X轴方向上感应的加速度Ix中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的X轴分量，并且从平行于Y轴方向上感应的加速度I_y中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的Y轴分量。结果，测斜仪输出I_x和I_y被用于校正可能由切向加速度导致的误差。

所述系统还可包括一个电路，其用于将平台围绕旋转轴的速度w进行平方，并用距离r乘以旋转速度的平方以确定平台的径向加速度。一个电路分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其X轴分量，并分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其Y轴分量。一个电路从平行于X轴方向上感应的加速度I_x中减去平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度的X轴分量，并且从平行于Y轴方向上感应的加速度I_y中减去平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度的Y轴分量。结果，测斜仪输出I_x和I_y被用于校正可能由径向加速度导致的误差。

用于分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其X轴分量，并用于分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其Y轴分量的所述电路分别用cos(B)和sin(B)乘以平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度来确定X轴和Y轴分量。用于分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其X轴分量，并用于分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其Y轴分量的所述电路分别用sin(B)和cos(B)乘以平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度来确定X轴和Y轴分量。

提供了一种用于感应平台相对于重力的倾角的方法，所述平台限定了正交的X轴和Y轴，以及与X轴和Y轴二者正交的Z轴，所述平台可围绕平行于Z轴延伸的旋转轴旋转。所述方法包括以下步骤：a.)感应来自被安装在平台上与旋转轴间隔距离r的位置处的测斜仪的X方向和Y方向上的加速度，所述加速度分别被指定为I_x和I_y，并提供所述测斜仪输出；b.)感应平台围绕旋转轴的旋转速度w，并提供指示旋转速度w的输出；c.)对旋转速度w求微分以确定平台的角加速度dw/dt；d.)用值r乘以角加速度以确定平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度r(dw/dt)；e.)分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其X轴分量；f.)分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其Y轴分量；g.)从平行于X轴方向上感应的加速度I_x中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的X轴分量；以及h.)从平行于Y轴方向上感应的加速度I_y中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的Y轴分量，由此，测斜仪输出I_x和I_y被用于校正可能由切向加速度导致的误差。

所述方法还可包括以下步骤：i.)将平台围绕旋转轴的旋转速度w进行平方，并用距离r乘以所述旋转速度的平方，以提供平台的径向加速度；.j.)分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其X轴分量；k.)分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其Y轴分量；l.)从平行于X轴方向上感应的加速度I_x中减去平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度的X轴分量；以及m.)从平行于Y轴方向上感应的加速度I_y中减去平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度的Y轴分量，由此，测斜仪输出I_x和I_y被用于校正可能由径向加速度导致的误差。

分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其X轴分量，并且分解平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定其Y轴分量的步骤可包括以下步骤：分别用cos(B)和sin(B)乘以平台上安装了测斜仪的点处的径向加速度以确定X轴和Y轴分量。角度B为从旋转轴到测斜仪的直线与X轴之间的夹角。

分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其X轴分量，并且分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其Y轴分量的步骤包括以下步骤：分别用sin(B)和cos(B)乘以平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定X轴和Y轴分量。角度B为从旋转轴到测斜仪的直线与X轴之间的夹角。

因此，本发明的目的在于提供一种布置和方法，通过所述布置和方法可以给系统中的径向和切向加速度提供补偿，在所述系统中通过测斜仪确定活动元件相对于重力的取向。

附图说明

图1示出了一种机械，以挖掘机说明，本发明的系统和方法可被用于所述机械以改进机械元件的倾角测量；

图2为图1的挖掘机的概略示图，如以上所示，示出了机械平台的旋转轴和平台测斜仪的位置；以及

图3为根据本发明的系统的示意图，所述系统用于根据本发明以强化的方式感应倾角。

具体实施方式

参见图1，其示出了挖掘机1，所述挖掘机1具有可定位的工具，例如挖斗2，所述挖斗2附于工具定位装置3。所述工具定位装置3包括铲斗柄4，以及连接到挖掘机1的驾驶室6的吊臂5。所述驾驶室6起到平台的作用，在操作者的控制下或车载挖掘机控制系统的控制下，可通过一系列的液压缸7将吊臂5、铲斗柄4和挖斗2从所述平台上移走。

所述工具定位装置3可包括多个线位或角位编码器或其它类似的传感器(未显示)，其输出可指示所述工具定位装置3相对于驾驶室6的取向和位置。编码器可被设置在沿着吊臂5、铲斗柄4和挖斗2的各个位置。例如，编码器可指示连杆和液压缸的线位，或枢转点10、11和12的相对角度。然而，将理解，所有这些测量均和平台或驾驶室6相关，并且因此需要驾驶室或平台相对于重力的倾角，以评定工具定位装置的取向。

车载工具控制系统可使用各个编码器输出的信息，以自动定位挖斗2或用于指导操作者手动定位挖斗2。例如，车载处理系统可有权使用数字地面模型，所述数字地面模型针对施工现场的各种位置指定设计高度。车载处理还可包括精确的定位系统，例如GPS接收系统20。所述车载处理系统可使用来自数字地面模型的数据和来自GPS接收器20的位置数据，以定位挖斗2或在操作者手动定位挖斗2时提供指导。

将理解，作为此方法的一部分，确定平台6的倾角是十分重要的，并且测斜仪30被设置在平台6上，如图1和图2中所示。如将理解的，测斜仪30为双轴测斜仪，所述双轴测斜仪提供沿着X轴32和Y轴34的倾角的指示。通常，这种设备感应重力加速度，并且在X或Y方向上的加速度程度指示了平台6从精确水平方向倾斜的程度。在操作机械时，挖掘机1可围绕垂直的Z轴36枢转。应该理解，这种旋转导致径向的和切向加速力被施加到测斜仪30，这将导致暂态误差。虽然可能周期性地暂停挖掘机的操作以允许暂态误差减小从而可获得平台取向的精确读数，但这种操作方法是效率低的。本发明考虑一种系统，在所述系统中，使用速率陀螺确定切向和径向加速度水平，并且从测得的加速度水平中减去所述切向和径向加速度水平，以提供倾角的补偿指示。

测斜仪30被安装在平台6上与旋转轴36间隔距离r的位置处，并提供指示X和Y方向上加速度的测斜仪输出，在图3中，所述测斜仪输出被分别指定为I_x和I_y。从旋转轴36到测斜仪30的直线与X轴32形成了夹角B。速率陀螺40被安装在平台6上并感应平台6围绕旋转轴36的旋转速度w。速率陀螺40提供了指示旋转速度w的速率陀螺输出。图3指示了一种方法，在所述方法中，结合角度B和距离r(所述角度B和距离r二者在系统被安装时被确定且在此布置中保持不变)使用速率陀螺输出w，以确定切向和径向加速度，以便于校正来自测斜仪30的输出。

电路42对速率陀螺输出w求微分以将平台6的角加速度确定为dw/dt。电路44用值r乘以角加速度dw/dt，以确定平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度为r(dw/dt)。电路46分解平台6上安装了测斜仪30的点处的切向加速度r(dw/dt)，以确定其X轴分量A_tx，并分解平台上安装了测斜仪30的点处的切向加速度，以确定其Y轴分量A_ty。为了将切向加速度分解为其X轴和Y轴分量，在48和50处用B的正弦和余弦乘以加速度，所述B的正弦和余弦分别由电路52和54提供。

电路56被提供用于从平行于X轴的方向上感应的加速度I_x中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的X轴分量A_tx，并且用于从平行于Y轴的方向上感应的加速度I_y中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的Y轴分量A_tx。结果，测斜仪输出I_x和I_y被用于校正切向加速度导致的误差，并且分别被提供为输出I_xc和I_yc。电路56包括用于进行所需减法的电路58和电路60。

本发明也可校正当平台6围绕Z轴36旋转时由于测斜仪的径向加速度产生的误差。为此，所述系统包括电路62，所述电路62将来自速率陀螺40的输出w(平台6围绕旋转轴36的旋转速度w)平方，并用距离r乘以旋转速度的平方w²，以确定平台6的径向加速度rw²。电路62包括乘法器64和平方电路66。电路68被提供用于分解平台6上安装了测斜仪30的点处的径向加速度A_r，以确定其X轴分量A_rx，并且用于分解平台6上安装了测斜仪30的点处的径向加速度A_r，以确定其Y轴分量A_ry。为了将径向加速度分解为其X轴和Y轴分量，在70和72处用B的正弦和余弦乘以加速度，所述B的正弦和余弦分别由电路52和54提供。最后，电路56从平行于X轴的方向上感应的加速度I_x减去平台6上安装了测斜仪30的点处的径向加速度的X轴分量，并且从平行于Y轴的方向上感应的加速度I_y减去平台6上安装了测斜仪30的点处的径向加速度的Y轴分量。通过这种装置，测斜仪输出I_x和I_y被用于校正径向加速度导致的误差。

应当理解，虽然在说明书和权利要求中通过执行所需功能的一系列分立电路实施的形式来说明本发明，但是本发明和权利要求包含这些构造，即，在所述构造中，这些电路通过微处理器或其它构建基于计算机的实施。所说明的电路提供了数据被处理的方法的说明，但是通过软件或固件完成这些功能的计算机系统被认为是在本发明范围内。

显然，本发明不受限于校正平台的倾角测量，而是实际上本发明可被用于校正任何设置中针对切向加速度和径向加速度的基于重力的测量。例如，如果基于重力的测斜仪80(图1中以虚线示出)被安装在例如挖掘机1的铲斗柄4的机械元件上，则由于切向和径向加速度，平台6围绕轴36的旋转将在测斜仪80提供的测量中产生误差。以如上所述大体相同的方式从测斜仪输出中去除这些误差。然而，在此布置中必需考虑距离r’不是常量，而是在挖掘机的操作中不断变化的。应该相信，以这种方式操作的系统落入本发明和附加权利要求的范围内。

可从附图、公开和附加权利要求的研究中获得本发明的其它方面、目的和优势。