对矿用电铲的采掘组件进行位置校准的方法 技术领域 本发明大体上涉及定位机械设备的领域， 并且具体地涉及象机械挖掘铲和矿用电 铲那样的机械设备。 在一个实施例中， 公开了一种校准传感器的系统， 所述传感器测量矿用 电铲的提升和推挤运动， 使得能够以比使用先前已知的方法可以获得的准确度更高准确度 地知道铲斗的位置。然而， 应当理解， 本发明不限于这种具体的使用领域。
背景技术 在整个说明书中现有技术的任何讨论决不应当视为承认这样的现有技术是众所 周知的或者形成本领域的公知常识的一部分。
矿用电铲被普遍地用于露天采矿中。准确了解这种机器的铲斗 ( 或挖斗 ) 的空间 位置是重要的， 并且在若干工作环境中存在应用。示例包括 ：
●用于避免铲斗和障碍物之间的碰撞， 包括自碰撞， 的控制策略。
●监视技术， 这种有效载荷称量系统和矿石品级监视工具。
铲斗位置的准确确定需要校准用于测量摇摆、 推挤和提升运动的传感器。 实际上， 这些传感器典型地是附连到所述机器的运动轴的致动器 ( 例如电动机 ) 的角位置传感器 ( 例如旋转解析器 )。
可以通过使用这些传感器读数结合所谓的正向运动图来建立铲斗位置， 该正向运 动图将电动机的位置与铲斗的位置相关。校准相当于确定每个解析器的偏移量。当这些偏 移量被添加到所测量的传感器值时， 它们通过正向运动图准确地建立实际的铲斗位置。
可以使用指示摆动轴何时处于零位置的辅助装置来实现摆动解析器的校准。 本领 域的技术人员可以容易地构造这种装置。 提升和推挤运动常常被耦合并且需要更复杂的方 法。
现代采矿铲的控制系统提供用于校准提升和推挤解析器偏移量的规程。 这些规程 要求操作员将铲斗定位在一系列的指定位置。 该过程依赖于操作员的判断并且实践中使用 这些方法对偏移量的确定是不准确的且不精确的。必须频繁地， 例如当铲斗或提升绳改变 时， 执行重新校准。
Wauge( 参 见 Wauge， D.2007.Payload Estimation for Electric Mining Shovels， PhD Thesis， The University of Queensland， Australia) 描述了多点光度测量 法来校准提升和推挤解析器的偏移量。这种技术产生准确的校准结果， 但是一种费力并且 在生产环境中不适合。
发明内容
本发明的目标是克服或消除现有技术的至少一个缺点或者提供有用的可选方案。 至少根据一些实施例， 本发明的目标是提供一种用于矿用电铲的采掘组件的位置校准的改 进的方法。
依据本发明的第一方面， 提供一种校准工作器具位置的方法， 该工作器具附连到机器外壳， 该方法包括以下步骤 ： (a) 定义包括固定到机器外壳的一组笛卡尔坐标轴的 h 空 间， 其中 (X， Z) 平面位于机器外壳的矢状平面并且 Y 轴是正交的 ； (b) 利用在 h 空间中的点 ph ＝ (xh， zh) 处的距离测量传感器来创建由角度 θh 表示的在 h 空间的 (Xh， Zh) 平面中源自 ph 的定向测量线， 沿该定向测量线进行距离测量 ； (c) 定义包括固定到工作器具的一组笛卡 尔坐标轴的 d 空间 ； (d) 在工作器具上的 d 空间中的点 pd ＝ (xd， zd) 处提供距离测量传感 器目标 ； (e) 测量 ph 和 pd 之间的笛卡尔距离 d ； 以及 (f) 测量用于驱动工作器具的电动机 的对应位置。
所述工作器具可以包括铲柄和挖斗组件。 采掘组件可以附连到提升和推挤电动机 并且所述方法还可以包括针对不同距离 d 将距离 d 与提升电动机的所测量位置 dhm 和推挤 电动机的所测量位置 dcm 相关联。
依据本发明的第二方面， 提供一种用于允许校准工作器具位置的系统， 该工作器 具附连到机器外壳， 该系统包括 ：
(a) 部件， 用于定义包括固定到机器外壳的一组笛卡尔坐标轴的 h 空间， 其中 (X， Z) 平面位于机器外壳的矢状平面并且 Y 轴是正交的 ；
(b) 部件， 用于利用在 h 空间中的点 ph ＝ (xh， zh) 处的距离测量传感器来创建由角 度 θh 表示的在 h 空间的 (Xh， Zh) 平面中源自 ph 的定向测量线， 沿该定向处理线进行距离 测量 ；
(c) 部件， 用于定义包括固定到工作器具的一组笛卡尔坐标轴的 d 空间 ； (d) 部件， 用于在工作器具上的 d 空间中的点 pd ＝ (xd， zd) 处提供距离测量传感器目标 ； (e) 部件， 用于测量 ph 和 pd 之间的笛卡尔距离 d ； 以及
(f) 部件， 用于测量用于驱动工作器具的电动机的对应位置。
依据本发明的第三方面， 提供被配置为执行本文描述的方法的计算机程序产品。
计算机程序产品优选地存储在计算机可读介质上， 并且适于提供工作器具位置的 校准， 该工作器具附连到机器外壳， 该计算机程序产品包括用于执行如本文描述的方法的 计算机可读程序构件。
依据本发明的第四方面， 提供计算机硬件， 该计算机硬件包括被配置为执行如本 文描述的方法的一个或多个处理器。
依据本发明的又一方面， 提供一种使用距离测量传感器来校准矿用电铲的提升和 推挤位置测量传感器的偏移量的方法， 其实质上如本文附图图解和 / 或示例中说明的本发 明任一实施例所描述。
优选实施例包含使用独立距离传感器来确定关于提升和推挤运动位置传感器的偏 移量的改进， 所述独立距离传感器测量机器外壳和挖斗柄组件上的已定义位置之间的距离。
除非上下文另外清楚地要求， 在整个说明书和权利要求书中字词 “包括” 、 “包含” 等等要在包含意义上而不是排他或穷举的意义上进行解释， 也就是说， 要在 “包含但不限 于” 的意义上进行解释。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的优选形式， 其中 ：图 1 图解说明给拖运卡车装载的矿用电铲 ；
图 2 图解说明矿用电铲的矢状平面内的 h 空间和 d 空间的定义 ；
图 3 图解说明铲配置， 其中在机器外壳上的光学距离传感器和采掘组件上的反射 器之间测量空间间距离 ；
图 4 示出根据本发明的方法的示例流程图 ； 以及
图 5 示出根据本发明的系统的示例示意图。 具体实施方式
如图 1 所示， 采矿铲以及其他类似挖掘机的操作中的基本特性在于机器的矢状平 面内的挖斗的运动通常与绕挖掘机的摆动轴的摇摆运动无关。
在图 2 和图 3 中示出与优选实施例的讨论有关的几何变量的定义。
按照以下方面描述优选实施例 ：
●指定固定到机器外壳的一组笛卡尔坐标轴， 其中 (X， Z) 平面位于机器外壳的矢 状平面并且 Y 轴是正交的。由这些轴定义的笛卡尔空间被称为 h 空间。
● h 空间中的识别点 ph ＝ (xh， zh)， 其用作距离测量传感器的原点。
●由角度 θh 表示的在 h 空间的 (Xh， Zh) 平面中源自 ph 的定向线， 沿该定向线进 行距离测量 ； 由这些参数定义的线被称为测量线。
●指定固定到铲柄和挖斗 ( 采掘 ) 组件的一组笛卡尔坐标轴。由这些轴定义的笛 卡尔空间被称为 d 空间。
● d 空间中的识别点 pd ＝ (xd， zd) 表示距离测量传感器的 “目标” 。
● ph 和 pd 之间所测量的笛卡尔距离 d。
●提升电动机的测量位置 dhm 和推挤电动机的测量位置 dcm。
初始校准规程要求机器操作员操纵铲斗以便目标通过测量线。实践中， 这相当于 优选低速地升高或降低挖斗。当看得见目标时， 要求该校准系统记录距离测量结果 d 以及 提升和推挤电动机测量结果 dhm 和 dcm。
在两个阶段中计算该校准偏移量。第一阶段的目的是计算 ：
●真实的推挤延伸 dc 和鞍座角度 θs， 其一起定义 d 空间相对于 h 空间的位置和 取向， 以及
●真实的提升延伸 dh。
电动机位置 dhm 和 dcm 通过由机器的特定机械设计决定的传动比而与提升延伸和推 挤延伸相关。形容词 “真实的” 的使用这里指的是这些量的实际值， 而与通过把解析器值乘 以具有不正确偏移量的适当传动比而获取的值不同。
如果距离传感器原点相对于外壳空间的位置是 (xh， zh)， 并且距离测量结果和角度 仰角是 (d， θh)， 则外壳空间中的目标的位置矢量是 ：
vt ＝ (vtx， vtz) ＝ (xh+dcosθh， zh+dsinθh)
从鞍座枢轴到 d 空间的 x 轴的法向距离是鞍座小齿轮的半径 rp。 由矢量 vp ＝ (vpx， vpz) 定义鞍座小齿轮的中心相对于 h 空间原点的位置， 可以使用下式从目标位置找出推挤 致动器的延伸 ：
d 空间相对于 h 空间的取向由 θs 给出， θs 是使用下式从目标位置计算的 ：
这对于 vtx ≥ vpx 的任何反射器位置都有效。
根据推挤延伸和鞍座角度， 可以如下找出 h 空间中提环销的位置 ：
vbp ＝ vp+(dcsinθs+(rp+zbp)cosθs， -dccosθs+(rp+zbp)sinθs)
由矢量 vs ＝ (vsx， vsz) 定义滑轮中心的位置并且把滑轮半径定义为 rs， 提升延伸 dh 可以被计算为 ：
第二阶段的目的是使用真实的延伸和测量的电动机位置计算每个致动器位置测 量传感器的校准偏移量 oh 和 oc， 并且校正柄架绕鞍座小齿轮的滚动以及吊索在滑轮上的缠 绕。
反射到柄架的所测量推挤电动机位置是 dcm。使用下式找出推挤解析器偏移量 ：
oc ＝ dc-dcm-rpθs
反射到提升绳的所测量提升电动机位置是 dhm。使用下式找出提升解析器偏移量 ：
这种计算过程的创新特征可以包含使用沿线定向的独立距离测量传感器来解析 推挤偏移量 oc 和提升偏移量 oh。
图 4 图解说明校准工作器具位置的方法 400， 该工作器具附连到机器外壳。 下面描 述这种方法。
方框 410 包含定义包括固定到机器外壳的一组笛卡尔坐标轴的 h 空间， 其中 (X， Z) 平面位于机器外壳的矢状平面并且 Y 轴是正交的。
方框 420 包含利用在 h 空间中的点 ph ＝ (xh， zh) 处的距离测量传感器来创建由角 度 θh 表示的在 h 空间的 (Xh， Zh) 平面中源自 ph 的定向测量线， 沿该定向测量线进行距离 测量 ；
方框 430 包含定义包括固定到工作器具的一组笛卡尔坐标轴的 d 空间 ；
方框 440 包含在工作器具上在 d 空间中的点 pd ＝ (xd， zd) 处提供距离测量传感器 目标 ；
方框 450 包含测量 ph 和 pd 之间的笛卡尔距离 d ； 以及
方框 460 包含测量用于驱动工作器具的电动机的对应位置。
应当理解， 计算机程序产品可以被配置为执行如本文描述的方法。
计算机程序产品可以存储在计算机可用介质上， 该计算机程序产品适于提供工作 器具位置的校准， 该工作器具附连到机器外壳， 该计算机程序产品包括用于执行如本文描 述的方法的计算机可读程序构件。
还应当理解， 包括一个或多个处理器的计算机硬件可以被配置为执行如本文描述 的方法。
图 5 图解说明一种用于允许校准工作器具位置的系统 500， 该工作器具附连到机 器外壳， 该系统包括 ：
(a) 部件 510， 用于定义包括固定到机器外壳的一组笛卡尔坐标轴的 h 空间， 其中 (X， Z) 平面位于机器外壳的矢状平面并且 Y 轴是正交的 ；
(b) 部件 520， 用于利用在 h 空间中的点 ph ＝ (xh， zh) 处的距离测量传感器来创建 由角度 θh 表示的在 h 空间的 (Xh， Zh) 平面中源自 ph 的定向测量线， 沿该定向测量线进行 距离测量 ；
(c) 部件 530， 用于定义包括固定到工作器具的一组笛卡尔坐标轴的 d 空间 ； (d) 部件 540， 用于在工作器具上在 d 空间中的点 pd ＝ (xd， zd) 处提供距离测量传 感器目标 ；
(e) 部件 550， 用于测量 ph 和 pd 之间的笛卡尔距离 d ； 以及
(f) 部件 560， 用于测量用于驱动工作器具的电动机的对应位置。结论与解释
所描述的方法便于校准与矿用电铲的采掘组件相关联的提升和推挤位置测量。
该方法适合于基于机器的实施方式， 其可以被机器操作员容易且快速地执行。
尽管参考具体示例描述了本发明， 但是本领域的技术人员应当理解本发明可以以 许多其他形式来实现。
除非另外具体指出， 如从以下讨论中显而易见的， 应当理解在整个说明书中利用 诸如 “处理” 、 “用计算机计算” 、 “计算” 、 “确定” 、 “分析” 等等的术语的讨论指的是计算机或 计算系统或者类似电子计算装置的动作和 / 或处理， 该计算机或计算系统或类似电子计算 装置操控表示为物理 ( 诸如电子 ) 量的数据和 / 或将其转换成类似地表示为物理量的其他 数据。
在一个实施例中， 本文描述的方法可由一个或多个处理器执行， 所述处理器接受 含有指令集的计算机可读 ( 也称作机器可读 ) 代码， 所述指令集在由一个或多个处理器执 行时实施至少本文描述的方法之一。包含了能够 ( 顺序或以其他方式 ) 执行规定要采取的 动作的指令集的任何处理器。因而， 一个示例是包含一个或多个处理器的典型处理系统。
术语 “处理器” 可以指处理例如来自寄存器和 / 或存储器的电子数据以把该电子 数据转换成例如可以存储在寄存器和 / 或存储器中的其他电子数据的任何装置或部分装 置。 “计算机” 或 “计算机器” 或 “计算平台” 可以包含一个或多个处理器。
每个处理器可以包含 CPU、 图形处理单元和可编程 DSP 单元中的一个或多个。处 理系统还可以包含存储器子系统， 包含主 RAM 和 / 或静态 RAM 和 / 或 ROM。总线子系统可 以被包含用于部件之间的通信。 处理系统还可以是具有通过网络耦合的处理器的分布式处 理系统。如果处理系统需要显示器， 则可以包含这样的显示器， 例如液晶显示器 (LCD) 或阴
极射线管 (CRT) 显示器。如果需要人工数据录入， 则处理系统也包含输入装置， 诸如字母数 字输入单元， 诸如键盘， 指点控制装置， 诸如鼠标， 等等中的一个或多个。 在根据上下文是清 楚的情况下并且除非另外明确指出， 本文使用的术语存储器单元也涵盖诸如硬盘驱动单元 的储存系统。在一些配置中处理系统可以包含声音输出装置和网络接口装置。存储器子 系统因而包含计算机可读载体介质， 其承载计算机可读代码 ( 例如软件 )， 所述计算机可读 代码 ( 例如软件 ) 包含指令集以使在由一个或多个处理器执行时执行本文描述的多种方法 之一。 注意， 当该方法包含若干元素， 例如若干步骤时， 不暗示这些元素的排序， 除非特别指 出。 该软件可以位于硬盘中或者也可以在其由计算机系统执行期间完全或至少部分地位于 RAM 内和 / 或处理器内。 因而， 存储器和处理器也构成承载计算机可读代码的计算机可读载 体介质。
本文描述的每种方法的一个实施例具有承载指令集的计算机可读载体介质的形 式， 所述指令集例如是用于在一个或多个处理器， 例如作为 web 服务器装置的一部分的一 个或多个处理器， 上执行的计算机程序。因而， 如本领域的技术人员应当理解的， 本发明的 实施例可以被实现为方法、 诸如专用设备的设备、 诸如数据处理系统的设备、 或者计算机可 读载体介质， 例如计算机程序产品。计算机可读载体介质承载包含指令集的计算机可读代 码， 所述指令集在一个或多个处理器上执行时使该一个或多个处理器实施方法。 因此， 本发 明的多个方面可以采用方法、 全硬件实施例、 全软件实施例、 或者组合软件和硬件方面的实 施例的形式。而且， 本发明可以采用承载在介质中包含的计算机可读程序代码的载体介质 ( 例如， 计算机可读储存介质上的计算机程序产品 ) 的形式。 在整个说明书中所指的 “一个实施例” 或 “实施例” 意指关于该实施例描述的特定 特征、 结构或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。 因而， 在整个说明书中的各个位置 出现短语 “在一个实施例中” 或 “在实施例中” 不一定都指的是同一实施例， 但可以指同一 实施例。而且， 在一个或多个实施例中， 特定特征、 结构或特性可以以任何合适的方式被组 合， 如本领域普通技术人员根据本公开会显而易见的。
然而， 要理解， 本发明的实施例可以不用这些具体细节来实践。在其他实例中， 众 所周知的方法、 结构和技术未被详细示出以便不会使本描述的理解晦涩难懂。
虽然描述了被认为是本发明的优选实施例的内容， 但是本领域的技术人员将意识 到可以在不偏离本发明的精神的情况下对其做出其他和进一步修改， 并且旨在要求保护所 有这样的落入本发明范围的变化和修改。例如， 上面给出的任何公式仅仅是可以使用的过 程的代表。功能性可以被添加或从方框图中被删除并且操作可以在功能框之间被交换。在 本发明的范围内可以对描述的方法添加或删除步骤。