陀螺仪控制的行走式修平机 【技术领域】
本发明涉及一控制模块，具体来说，涉及一具有一陀螺仪的控制模块，该陀螺仪构造来防止行走式修平机的失控运动。
背景技术
行走式修平机一般在完成混凝土表面工作中为大家所知。具体来说，行走式修平机包括一由多个靠在地面上的修平刀片形成的转子。该转子由一电机驱动，以在浇筑的混凝土上提供一平滑的抛光的表面。电机安装在位于转子上方的框架或“笼罩”上。一操作者通过从笼罩延伸若干英尺的手柄控制该修平刀。发动机的速度由位于手柄上的一扼制器进行控制。
行走式修平机具有若干个缺点。例如，转动刀片对笼罩施加显著的反向转矩，该转矩通常由操作者握持住修平刀的手柄而得到平衡。在操作行走式修平机的过程中，这种对于手工控制的需要就提出了一种挑战。如果操作者释放手柄，则转矩会致使修平刀不理想地旋转。
试图用一机械的或电气的加速度仪来探测修平刀的不理想地或失控的转动始终未能奏效。机械加速度仪对于失控的旋转不能快速地反应。电气加速度仪对于失控的旋转不能提供可靠的灵敏度。具体来说，电气加速度计对于噪音电平反应太灵敏，这种噪音与要实施的行走式修平机的正常操作相关，通常会过早地关闭发动机。
鉴于以上所述，要求行走式修平机能快速地反应，并可靠地防止修平刀的失控的转动，且对于修平刀的正常操作噪音电平没有过度的灵敏度。
【发明内容】
本发明提供一用于磨光混凝土的改进的行走式修平机。该改进的行走式修平机包括一具有一陀螺仪的控制模块，该陀螺仪构造来探测修平刀的不理想的或失控旋转，并具有提高的灵敏度和响应性。
根据本发明的第一方面，通过对于由一发动机(其能操作来驱动一转子转动)提供动力的行走式修平机提供一控制模块，来满足一个或多个上述的需要。控制模块包括一陀螺仪和一控制器。陀螺仪的运转提供一电信号，它代表在行走式修平机上的一参考结构运动的角速度。控制器构造成从陀螺仪接收电信号，并确定该运动的角速度的变化何时超过一阈值，并作出响应，以阻止发动机驱动转子转动。
根据本发明的第二方面，行走式修平机包括一具有一参考结构的框架，一定位在框架下面的转子，一构造成驱动转子转动的发动机以及一控制模块。控制模块具有一陀螺仪和一控制器。陀螺仪能提供一电信号，它代表在框架上的参考结构运动的角速度。控制器构造成从陀螺仪接受电信号，并确定该运动的角速度的变化何时超过一阈值并作出响应，以关闭发动机。
根据本发明构成的控制模块相对于其它机器中的装置具有若干个优点。控制模块不会干扰或阻碍行走式修平机的正常操作。此外，控制模块提供对于失控的或不理想的修平刀的旋转更快和可靠的响应。
由控制模块提供的优点特别地(但决不排外地)适用于行走式修平机。因此，根据本发明的其它方面，额外地提供一至少大致如上所述的控制模块和一装备有这样一控制模块的行走式修平机。
从以下详细的描述和附图，本技术领域内的技术人员将会明白本发明的其它的目的、特征和优点。然而，应该理解到，尽管详细的描述和特殊的实例指出了本发明的优选的实施例，但它们的给出只是为了说明而不是限制。在不脱离本发明的精神的前提下，可在本发明的范围之内作出许多变化和修改，因此，本发明包括所有这样的改型。
附图的简要说明
以下的附图中示出本发明的优选的示范的实施例，其中，相同的标号表示相同的零件，在诸附图中：
图1是根据本发明的行走式修平机和附连的控制模块的立体图；
图2是图1所示的行走式修平机的侧视图；
图3是实施本发明的控制模块的示意的框图；
图4a和图4b是图1的控制模块的线路图；
图5是图4中的控制器U1的引脚连接的示意图；以及
图6是根据本发明的在行走式修平机操作过程中防止失控转动的方法的第一实施例的流程图。
【具体实施方式】
用于各种各样设备中的各种控制模块可根据后附的权利要求书所定义的本发明构造而成。因此，尽管现将参照一行走式修平机来描述本发明的优选的实施例，但应该理解到，本发明决不限制于此。例如，它还可用于有可能经受不理想运动的各种不同的机器(例如，螺旋加料器等)。
参照图1，该图是根据本发明的一实施例的连接到一行走式修平机25的控制模块20的立体图。一般来说，行走式修平机25包括一安装在位于一转子40上方的框架或“笼罩”35上的发动机30。该修平机25由一操作者通过从笼罩35延伸若干英尺的一手柄45进行控制。
发动机30是一般用于一行走式修平机25的类型的内燃机。发动机30一般地包括一曲轴箱50、一燃料箱55、一空气供应系统60、一输出轴(未示出)等。发动机30还包括一对内燃机点火的点火系统。点火系统的一实施例是一磁石式点火器(未示出)。磁石式点火器包括一磁体，它随发动机输出轴一起转动并在磁石式点火器内产生一磁通变化，每一循环对点火线圈(未示出)提供电力。点火线圈提供一电流输出，它的强度足以激励一火花塞。
参照图2，转子40包括多个从一毂70沿径向延伸的修平刀片65，毂70又由一垂直轴(未示出)驱动。该实施例的轴包括一齿轮箱输出轴。或者，轴也可以直接地或通过一过盈扭矩传输结构连接到齿轮系输出轴。在一指定的离合器速度下，发动机输出轴驱动转子40和附连的修平刀片65转动。转动的修平刀片65构造成可在浇筑的混凝土上提供一平滑的磨光的表面。
根据本发明的一优选实施例，控制模块20一般地构造成：一旦探测到行走式修平机的失控的或不理想的旋转即关闭发动机。控制模块封闭在一安装在修平机25上的外壳77内(图1和2)。控制模块20和外壳77的位置是可变化的。在所示的实施例中，它安装在框架上，具体来说，安装在发动机支承板上。
a.线路图
图3和4示出本发明目前优选的实施例的控制模块20的详细的实施例。以下部分描述如图3所示的各自线路的方框图的功能。各线路方框代表一线路功能。参照图4中的线路图，以获得关于线路方框位置和互连性的信息。图5示出如图4所示的微处理器U1的引脚位置。
控制模块20与点火系统80电气地连接，并且接受来自从点火系统80传输到发动机30的电脉冲或信号的电力。该实施例的控制模块20与点火系统80的初级点火线圈85(图4)电气地并联到发动机30。初级点火线圈85接受具有约100V电压幅值的电脉冲频率的交变电流(AC)，以便点火发动机。连接到初级点火线圈85的电脉冲的频率与发动机30的循环相关。如上所述，发动机30的循环驱动磁石点火器产生电脉冲的频率来向初级点火线圈85供电。初级线圈85构造有一次级线圈(未示出)，为发动机30的燃料的燃烧点火，横贯火花塞提供高电压弧(例如，10000伏)。
参照图3和4，一系统储能方块90(二极管D3、电容器C1、C2和C3，以及线性电压调节器VR1)使用通过初级点火线圈85的电脉冲总地为控制模块20提供一低压电源。电容器C1和C3，以及线性电压调节器VR1提供对微处理器U1的保护，避免来自电脉冲供应的电源中的波动。二极管D3防止储存在电容器C1内的电能放电到初级点火线圈85。
一火花探测或检测线路95(齐纳二极管Z1、二极管D4、电容器C5和电阻器R1和R3)检测和调节来自初级点火线圈的电脉冲，并将检测到的电脉冲信号传输到一控制器100。齐纳二极管Z1限定电火花脉冲或信号，而电阻器R1和电容器C5过滤电信号，电阻器R3和二极管D4限制电脉冲的电压，以便传输到微处理器U1(见图5)的数据输入引脚P7。
一扼制线路105(电阻器R2、R4、R5、R6，半导体管Q1，二极管D1和D2，电容器C4，以及三端双向可控硅开关元件T1)构造成电气地扼制(即，分流到电气接地)通向点火线圈的电脉冲，除非由控制器100发出指令不执行。二极管D1防止积聚在电容器C4内的能量放电到点火线圈线路。当半导体管Q1执行操作时，电容器C4和电阻器R5提供必要的门电压和电流来致动三端双向可控硅开关元件T1。三端双向可控硅开关元件T1的致动调节传输到初级点火线圈85的电脉冲的电气扼制，以便点火发动机30。电脉冲的电气扼制停止发动机30的点火，由此，防止发动机30驱动转子40转动。
一陀螺仪线路110(电阻器R10和R11，电容器C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17，陀螺仪G1)操作来在行走式修平机25的操作过程中，探测框架35上的一参考点的角转动的变化。陀螺仪G1的一优选的实施例是由ANALOG DEVICES，INC.TM制造的Model No.ADXRS150ABG。陀螺仪G1构造成产生一代表修平机的角运动或角速度的变化的电压信号，并将该电压信号送到控制器。在一实施例中，陀螺仪G1产生一基于0至0.5V基准的电信号。电信号包括255中间级(即，19.061毫伏/级)。各个19.061毫伏/级代表约1.57度/秒的公称运动角速度，或12.5毫伏公称每度/每秒。陀螺仪线路110、陀螺仪G1、对应的离散的部件以及对应的电信号输出的类型可以变化。
控制器100是一编程的集成的部件，它一般地固化并控制控制模块20的许多的功能。由控制器100提供的功能包括：(1)监视修平机25的框架的角转动的变化；(2)将运动的角速度与指定的范围进行比较；以及(3)如果修平机25的运动角速度在指定范围之外，则防止发动机输出驱动转子40转动。如果运动的角速度在指定范围之外，则控制器100致动扼制线路以电气地扼制通向初级点火线圈85的电脉冲。由此，控制器100防止发动机驱动转子转动。
在图4中，控制器100包括微处理器U1，它电气地连接来从探测线路方块95接受电脉冲信号，并电气地连接来调节扼制线路105的操作。微处理器U1还电气地连接到一编程端口PP1，以便用软件指令对微处理器U1进行编程，来执行控制模块20的许多功能。微处理器U1的一较佳的实施例是由MICROCHIP TECHNOLOGY，INC.TM制造的Model No.PIC12F675。其它的微处理器可单独使用或结合离散的电气部件和/或线路使用，以便执行微处理器U1的各种功能。微处理器U1也可完全地用这样的其它离散部件和/或线路来替代。
控制模块20和陀螺仪G1定位在行走式修平机25的修平刀框架35上的一参考点处。参考点的位置可以变化。陀螺仪G1向控制器100提供一信号，它代表修平刀框架35上的参考点的角转动。如果控制器100探测到修平机25的操作状态在指定范围之外，则控制器100防止发动机30驱动转子40的转动。控制器100根据来自陀螺仪G1的代表修平机25的运动角速度的信号确定操作状态。如果操作状态(例如，检测的角转动)超过指定的范围，则控制器100中止以使半导体管Q1不工作，由此，允许半导体管Q1从电容器C4提供电输出，以致动三端双向可控硅开关元件T1。该致动的三端双向可控硅开关元件T1电气地扼制通向发动机30的点火线圈的电脉冲，由此，关闭发动机30的操作并防止发动机30驱动转子40转动。
b.线路操作
在已经描述了本发明的控制模块20的基本结构之后，现将描述如图6所示的控制模块20的操作方法200。可以想象的是，对于控制模块20的其它的实施例，操作的方法200可进行修改。此外，还可想象的是，不是所有的步骤者是需要的，某些步骤可以进行修改，或步骤的次序可以变化。
如图6所示，方法200从步骤205处的“启动”开始。一操作者拉一手工起动器拖线207来启动发动机30。行走式修平机25的初始启动转动磁石式点火电气磁体，对点火线圈提供电力，以对控制模块20供电。
在发动机30的初始启动之后，方法200在步骤210处初始化。初始化的步骤210要求发动机30的最少时间周期的惰转操作(例如1秒)。该最少惰转时间周期可以变化。在此惰转时间过程中，控制器100确定由磁石式点火器产生的连续的电信号或脉冲之间的时间周期，它转化为发动机30的惰转速度。控制器100还从陀螺仪线路110中对以后的20毫秒内每一毫秒获得一信号，或获得一组20个读数。由电脉冲供应到控制模块20的电力确定被控制器100接收的读数数量。例如，对于约1200rpm的一惰转速度，控制器100在惰转时间周期内可获得约10组20个读数，或总共200个读数。如果惰转速度介于1116和1616rpm之间，则控制器在每37.1至53.8毫秒时间内可获得约20个读数，最终，获得18至27组20个ADC读数，或360至540个总读数。该惰转速度和要求的惰转时间可以变化。
在方法200的步骤210处，控制器100确定用来确定一失控或不理想的修平机25的旋转情形中的陀螺仪G1和修平机25的运动的角速度的基线值(将在下文中描述)。或者，控制器100可使用一预定的基线值。
如上所述，指定的范围较佳地达到一指定的阈值。指定的阈值的一实施例是平均或基线值和修平机25的运动角速度的运行平均值之间的差。基线值可以预定或在修平机25的延长的操作周期上确定。运行的平均值在包括修平机25的操作周期的多个时间间隔上确定。如果控制器100探测差值超过指定阈值，则控制器100扼制发动机30的点火系统来关闭修平机25。
控制器100较佳地调整确定修平机的失控或不理想的旋转事件中的基线值。控制器100进行编程，使用一增量/减量/舍去(IDL)技术来调整修平机25的运动角速度的预编程的基线平均值。IDL技术使用一0至255的IDL比例，其等于由线路110的目前较佳的陀螺仪G1产生的信号的分级电压的数量。控制器100在预定基线值128处初始化，该基线值是沿0至255的比例的半途。如果控制器100在高于基线值128(即，2.5V)的电压处探测来自陀螺仪线路110的电信号，则控制器100增量基线值1。相反，如果控制器100在低于基线值的电压处探测来自陀螺仪线路110的电信号，则控制器100减量基线值1。在一实施例中，控制器100较佳地将实际IDL比例限制到115至140，以将比例减小到一更具代表性的期望值范围。在另一实施例中，控制器100使用一预编程的基线值和一指定的阈值差，以便探测修平机的失控的或不理想的运动事件。确定基线值的技术可以变化。
当发动机的惰转时间周期得到满足，且控制器100在步骤210处初始化时，方法200进行到步骤215并确定来自陀螺仪线路110的信号的运行平均值。在确定运行平均值中，控制器100通过从陀螺仪线路110获得的平移和平均运动速度信号的过程循环而进行迭代。运行平均的初始值较佳地是在发动机惰转时间过程中初始确定的基线值。然而，初始运行平均值可以变化。控制器100对每一预定的时间间隔(步骤220)，例如，约每1.024毫秒(±0.5毫秒)，从陀螺仪接受一检测到的运动角速度信号。在步骤225，控制器对由陀螺仪线路110送出的信号所代表的多个检测到的角运动值进行平均，以确定运行的平均值。控制器100可使用如上所述的同样的IDL技术来调整运行平均值。由此，运行平均值的回转速度是1/1.024毫秒，它比基线值的回转速度快128倍。确定运行平均值的技术可以变化。
方法200前进到步骤230，其中，控制器100确定对于确定运行平均值的一“边界”的或预定的运行平均时间周期(例如，16.384毫秒)是否已经结束。
方法200前进到步骤230，其中，控制器100比较运行平均值和基线值之间的差。在方法200的步骤235中，控制器100根据运行平均值和基线值之间的差来确定一失控的旋转事件的指标。如果运动的角速度的差在指定的阈值上或超过指定阈值，例如，约在每秒60和110度之间，较佳地是在每秒70和100度之间，则控制器100确定一失控的旋转事件。
在步骤235的一优选的实施例中，预定的阈值差在48至50的范围内(0至255比例)，它代表约941至980毫伏的压降和约75.3至78.4度/秒的探测的运动角速度的变化。然而，预定的阈值可以变化。在确定该较佳的阈值差中，在行走式修平机25的优选的实施例上实施的经验试验数据表明，对于一失控的或不理想的旋转事件，控制器100可期望来自陀螺仪线路110的电压信号下降约375mV/100mS(±15mV/100mS)。在此情形下，信号可在262mS中下降983mV。在此失控事件周期过程中，控制器100可对从陀螺仪线路110中接收到的两个信号进行平均，平均为基线值，并且从陀螺仪线路110中接受到的256个信号进行平均，平均为运行平均值。由此，基线值可变化一个阶梯值2，而运行平均值可变化约50的阶梯值(例如，每级983mV/19.6mV)。
在方法200的另一实施例中，控制器100可从陀螺仪线路110形成一信号读数的柱状图。例如，控制器100可从陀螺仪中每370至510mS间隔(±10mS)获得一信号读数。当然，从陀螺仪线路110获得的信号之间的时间间隔的长度是可以变化的。
方法200进行到步骤240。在步骤240，控制器100确定失控的旋转事件是否已发生。如果一失控的旋转事件未发生，则方法200进行到步骤250。在步骤250，控制器100确定或探测“边界”的或预定的时间周期是否已经过去，以便将运行平均值平均为基线值(步骤250)。如果在边界处，则控制器100对在对应的基线值调整周期内探测到的运动角速度的运行平均值进行平均，平均为基线值(步骤255)。基线调整时间周期可以变化。然后，控制器100返回到步骤215。如果不在边界处，则控制器100前进到步骤215。
在方法200的步骤240处，如果控制器探测到一失控的旋转时间已经发生，且运动的角速度变化超过阈值差，则方法200前进到步骤260。步骤260包括防止发动机30驱动转子40转动。控制器100致动三端双向可控硅开关元件T1，以便电气地扼制或接地来自磁石式点火器的电信号，以对初级点火线圈85供电。电气地扼制或接地电信号，致使发动机30关闭，由此，防止发动机30驱动转子40转动。步骤260之后，方法200则进行到步骤265处的“结束”。
修平机25的控制模块20的操作，在失控的旋转事件起始时来防止发动机30在相对于修平机位置的300度转动的范围内驱动转子40转动，因此，可靠地防止一旋转修平机25冲击一操作者。这样，控制器100的操作，在失控的旋转事件起始时修平机位置的25度转动的范围内探测失控旋转事件的指标。该种响应被认为对于操作修平机是足够的。
然而，事实上，经验试验数据表明，本发明的控制模块20的操作在相对于失控旋转事件(例如，释放手柄45和控制修平机25)起始时修平机的位置在270度转动之内反应并停止修平机25。这样，控制器100的操作，使用至少约100度/秒(±10度/秒)的角转动中的阈值差，在失控旋转事件起始时相对于修平机25的位置在至少15度转动内探测修平机25失控的旋转事件。这些结果超越已知的修平机的性能。
如上所述，在不脱离本发明的精神的前提下，对本发明可作出许多变化和修改。这些变化的某些范围已在上面进行了讨论。从附后的权利要求书中将会明白其它的变化的范围。