[發明專利]使用傳感器融合控制機器的運動

在審

• 申請號: 202110019631.8
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN113107043A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: B·P·克朗;J·L·費弗爾
• 申請（專利權）人: 卡特彼勒公司
• 主分類號: E02F9/20
• 分類號: E02F9/20;E02F9/22;E02F9/26;G06K9/62
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 牛曉玲;吳鵬

一種控制機器的運動的方法可包括從安裝在機器的相應多個部件上的多個IMU模塊接收多個信號，該多個信號表示其上安裝有多個IMU模塊的機器的部件的取向測量和運動測量。這些IMU模塊包括相應數目的狀態估計器，并且形成通信地聯接至通信總線的網格網絡。該方法還可以包括融合這些信號、基于這些融合的信號確定該機器的這些部件的輸出取向數據和輸出運動數據的估計、基于運動學估計確定該機器的這些部件的位置、速度或加速度中的至少一者的實時值，以及在實現該機器的部件的受控操作運動中應用所確定的實時值。

技術領域

本發明涉及控制機器的運動的系統和方法。更具體地，本發明涉及使用安裝在機器的部件上的通信地聯接的慣性測量單元(IMU)模塊來控制機器的運動的系統和方法。

背景技術

機器諸如挖掘機、推土機、平地機、輪式裝載機、輪式牽引機鏟土機和其他類型的重型設備和其他類型的車輛用于執行各種任務。為了有效地控制機器，從多種類型的傳感器獲得的準確且響應的傳感器讀數將接近實時的信息提供給機器控制器和/或操作者，并且該信息被另一處理裝置的機器控制器用來執行計算。此外，通過依賴從包括這些傳感器的各種機器系統所接收到的信息，可以在很少或沒有人工輸入的情況下操作自主和半自主控制的機器。例如，基于機器移動信息、地形信息和/或機器信息，可控制機器遠程地和/或自動地完成編程任務。通過在任務執行期間接收來自不同機器系統和傳感器中的每一者的適當反饋，可以對機器操作進行連續調節，這有助于確保任務完成的精度和安全性。為了做到這一點，由不同的機器系統和傳感器提供的信息必須是準確和可靠的。例如，關于機器行進的位置、速度和距離以及機器的不同部分或部件的位置、運動和取向的準確傳感器信息可用于提供對機器及其操作的有效且準確的控制。

一些機器可利用導航或定位系統來確定機器和機器的部件的各種操作參數，諸如位置、速度、俯仰率、偏航率和側傾率。該機器的部件可以包括附接至該機器上并且由該機器控制的任何裝置，諸如像牽引裝置、車輪、機器本體、液壓轉盤、吊桿、操縱桿、作業工具、刀片、傾卸臺、鏟斗、臂、破碎機、抓斗、拇指件、螺旋鉆，以及其他機械地、液壓地和/或電聯接至機器的元件。

機器的位置和取向被稱為機器的“姿勢”。機器“狀態”包括機器的姿態以及可用于對機器的運動學和動力學進行建模的各種附加操作參數，諸如表征機器的各種連桿、接頭、工具、液壓系統和動力系統的參數。如在本文所使用的，姿勢可以包括位置、速度、加速度、取向、比力、角速率、俯仰速率、偏航速率、側傾速率以及與機器和聯接至機器的部件的運動相關聯的其他參數。一些機器利用全球定位系統(GPS)裝置數據、全球導航衛星系統(GNSS)數據、距離測量指示符(DMI)數據、里程表測量數據、慣性測量單元(IMU)數據以及其他類型的位置、取向、速度或加速度數據的組合來確定這些參數。在某些示例中，機器利用雷達傳感器、聲納傳感器、激光雷達傳感器、紅外(IR)和非IR相機以及其他類似傳感器來幫助安全且有效地沿著不同種類的地形引導機器并移動機器的部件。一些機器試圖融合這些不同類型的數據。

在美國專利第10,401,176B2號(以下簡稱’176參考文獻)中描述了用于融合機器的機器控制器消耗的數據的示例系統。具體地，’176參考文獻描述了確定機器的實時狀態的系統和方法。’176參考文獻的方法包括從安裝在機器的部件上的IMU接收加速度和運動測量的角速率，以及通過組合來自每個IMU的加速度測量和運動測量的角速率，將從IMU所接收到的信號與單獨的機器級卡爾曼濾波器模塊融合，以估計安裝了IMU的部件的輸出接頭角度。組合每個部件的輸出接頭角度的估計值和測量值，求解運動學等式以確定部件在相繼時間段的位置、速度或加速度中的至少一者的實時值，并且將所確定的實時值應用于控制每個部件的運動。