用于检测和消除灌溉机器跨接件的挠曲应力的系统和方法与流程

用于检测和消除灌溉机器跨接件的挠曲应力的系统和方法
1.相关申请
2.本技术要求于2019年7月12日提交的美国临时申请no.62/873392的权益，该申请通过引用并入本文。
3.发明背景和领域
技术领域
4.本发明总体上涉及用于检测和调节灌溉跨接件(span：跨体)的位置的系统和方法。更特别地，本发明提供了一种用于检测和消除灌溉跨接件的由角隅(corner：地角，角，角部，转弯)臂定位引起的挠曲(deflection：挠度)应力的系统和方法。


背景技术：

5.中心枢转和线性灌溉系统通常包括由一个或更多个塔架结构支撑的互连跨接件(例如，灌溉跨接件)，以支撑水管道(例如，水管部段)。进而，管道还被附接到以期望模式喷洒或释放水(或其他请求物)的喷洒器/喷嘴系统。
6.角隅机器被添加到灌溉系统，以增加给定田地边界内的灌溉面积的部分。角隅机器包括角隅跨接件，该角隅跨接件从主跨接件的端部处的连接点或侧向的连接点旋转。角隅机器包括支撑和移动角隅跨接件的一个或更多个可转向驱动单元(sdu)。
7.为了遵循给定的导向路径，角隅机器必须能够比主灌溉机器移动得更快(即延展，并因此增加灌溉机器的有效长度)；并且能够比主灌溉机器移动得更慢(即回缩，并缩短灌溉机器的有效长度)。为了使得角隅延展、回缩或保持恒定，系统必须控制可转向驱动单元(sdu)的速度。传统地，基于如导向系统所确定的跨接件的期望行进方向来调节sdu的转向角度。
8.在操作中，sdu的移动会对角隅跨接件造成显著的拉伸和压缩。灌溉系统依靠昂贵的跨接件传感器来测量角隅跨接件的挠曲，以确定该角隅跨接件是处于压缩还是拉伸状态。基于跨接件是处于拉伸还是压缩状态，调节sdu驱动单元的速度以将挠曲保持在可接受的限度内。另一解决方案依赖于轨道和滚柱设计，其中角隅跨接件的位置是相对于最末常规驱动单元(lrdu)的位置来测量的，并且调节sdu的速度以将角隅跨接件位置保持在可接受的限度内。这些系统是昂贵的，并且较高的内部压缩和拉伸载荷造成最末常规驱动单元和可转向驱动单元的附加滑动。这又会造成轮距较深并卡住机器。此外，由于这些类型的控制系统中固有的局限性(例如，仅由导向系统控制的转向角度，和仅由跨接件传感器或轨道和滚柱位置传感器控制的速度)，这些系统无法允许角隅跨接件延展超过一定角度(通常为超过170度)，从而限制了操作者可用的角隅角度的范围。
9.为了克服现有技术的局限性，需要可靠且有效的系统来检测由角隅臂的移动引起的挠曲。此外，需要可以准确地移动角隅臂以减少检测到的挠曲的系统。


技术实现要素：

10.为了解决现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种系统和方法，用于检测和消除灌溉跨接件的由角隅臂定位造成的挠曲应力，并增加操作者可用的角隅角度的范围。
11.根据优选的实施方式，本发明使用灌溉跨接件的最末常规驱动单元(lrdu)的和角隅跨接件的可转向驱动单元(sdu)的实时动态校正(rtk校正)gps信号，以消除挠曲应力。
12.根据另一优选实施方式，本发明的系统提供一种方法来调节sdu和/或lrdu的速度，以确保角隅跨接件载荷和/或位置被保持在可接受的限度内。根据另一优选实施方式，本发明的系统提供一种方法来调节sdu的转向角度，以确保角隅跨接件载荷和/或位置被保持在可接受的限度内。
13.纳入说明书中并构成说明书一部分的附图例示了本发明的不同实施方式，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
14.图1示出了用于本发明的示例性灌溉系统。
15.图2示出了例示根据本发明的第一优选实施方式的控制装置的示例性处理架构的框图。
16.图3示出了根据本发明的另外的优选实施方式的示例性灌溉系统。
17.图4示出了例示根据本发明的另外的方面的示例性系统架构的框图。
18.图5示出了示例性灌溉系统的俯视图。
19.图6示出了呈第一角隅角度的示例性灌溉系统的俯视图。
20.图7示出了呈第二角隅角度的示例性灌溉系统的俯视图。
21.图8示出了例示根据本发明的第一优选实施方式的示例性方法的流程图。
22.图9示出了例示图8中所示的示例性方法的另外的步骤的流程图。
具体实施方式
23.出于促进理解本发明原理的目的，现在将参考附图中所示的实施方式，并将使用特定语言对该实施方式进行描述。然而，应当理解的是，本文并不意在限制本发明的范围，并且所示装置中的这种改变和另外的修改是本领域技术人员通常会考虑到的。
24.根据本发明的优选实施方式，术语“驱动单元”可以优选地包括若干子部件，包括：马达、控制器、通信装置和对准装置。此外，虽然以下针对四个示例性塔架来讨论本发明，但是在不脱离本发明的精神的情况下，可以根据需要扩大或减少所使用的塔架的数量(即，1-100个塔架)。此外，本文使用的术语“马达”可以指用于向驱动轮提供转矩的任何合适的马达。因此，本文使用的术语“马达”可以优选地包括马达诸如开关磁阻马达、感应马达等。
25.本文使用的术语“程序”、“计算机程序”、“软件应用”、“模块”、“固件”等被限定为设计用于在计算机系统上执行的指令序列。术语“固态”应该被理解为指一系列固态电子装置，该固态电子装置优选地包括由固体材料构建的电路或装置，并且其中，电子或其他电荷载流子被完全限制在固体材料内。示例性固态部件/材料可以包括结晶固体、多晶固体、非晶固体、电导体和半导体。常见的固态装置可以包括晶体管、微处理器芯片和ram。
26.程序、计算机程序、模块或软件应用可以包括子例程、函数、过程、对象实现、可执
行应用、小程序、小服务程序、源代码、对象代码、共享库、动态加载库和/或设计用于在计算机系统上执行的其他指令序列。本文所限定的数据存储装置包括许多不同类型的计算机可读介质，这些计算机可读介质允许计算机从中读取数据并保持数据被存储以便计算机能够再次读取该数据。这种数据存储装置可以包括，例如：非易失性存储器(诸如rom)和易失性存储装置(诸如ram、缓冲器、缓存存储器和网络电路)。
27.本文描述的系统和方法的各个方面可以被实现为被编程到各种电路中的任何一种电路中的功能，各种电路包括：可编程逻辑器件(pld)诸如现场可编程门阵列(fpga)、可编程阵列逻辑(pal)器件、电气可编程逻辑与存储器器件和基于标准单元的器件，以及专用集成电路(asic)。用于实现系统和方法的各个方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统和方法的各个方面可以被体现为：具有基于软件的电路仿真的微处理器、离散逻辑(顺序和组合)、定制器件、模糊(中性网络)逻辑、量子器件、和上述任何器件类型的组合。
28.图1例示了可以用于本发明的示例实现方式的示例性自推进式灌溉系统100。应当理解的是，图1中所公开的灌溉系统100是可以将本发明的特征整合到其上的示例性灌溉系统。因此，图1意在是例示性的，并且各种系统(即，固定系统以及线性和中心枢转自推进式灌溉系统；驻定系统；角隅系统)中的任何系统都可以不受限制地用于本发明。
29.如图1所示，示例性系统100可以包括管线102和被耦接(例如，被连接)到管线102的主部段组件104(灌溉部段组件)。管线102可以接入沟渠、井、储水库(例如，水箱)或其他流体源，以向灌溉系统100供水。主部段组件104可以包括由一个或更多个驱动塔架支撑的互连跨接件，该驱动塔架包括最末常规驱动单元(“lrdu”)105。
30.主部段组件104也可以被附接到角隅跨接件组件110，该角隅跨接件组件可以支撑角隅跨接件管组件108，从而为一个或更多个喷洒器118提供请求物。如另外所示的，角隅跨接件110优选地在连接点106处被附接到lrdu，该连接点允许角隅跨接件102从连接点106侧向旋转。根据另一优选实施方式，角隅跨接件110的侧向移动可以优选地由至少一个可转向驱动单元(“sdu”)112推进。根据另一优选实施方式，角隅跨接件110还可以被连接到喷洒杆116，该喷洒杆可以为一个或更多个附加喷洒器120和/或端部喷枪(未示出)提供请求物。
31.现参考图2，现在将讨论示例性控制装置138，该示例性控制装置代表控制灌溉系统100的一个或更多个操作方面的功能。如图所示，示例性控制装置138优选地包括处理器140、存储器142、数据存储模块150、挠曲计算模块156和网络接口144。处理器140为控制装置138提供处理功能，并且可以包括任何数量的处理器、微控制器或其他处理系统。处理器140可以执行实现本文所述的技术的一个或更多个软件程序。存储器142是有形计算机可读介质的示例，该有形计算机可读介质提供存储功能，以存储与控制装置138的操作相关联的各种数据，诸如：以上所提到的软件程序和代码段；或指示处理器140和控制装置138的其他元件执行本文所述步骤的其他数据。网络接口144提供功能以使得控制装置138能够通过各种部件诸如无线接入点、收发器等以及这些部件所采用的任何相关联的软件(例如，驱动器、配置软件等)来与一个或更多个网络149通信。如图所示，本发明的优选系统可以包括用于接收直接卫星通信的卫星收发器159等。
32.在实现方式中，示例性控制装置138优选地还包括动力控制系统146，该动力控制系统可以包括动力线总线147。系统还可以包括灌溉位置确定模块148和全球定位系统
(gps)接收器157等，以计算灌溉系统100的位置。灌溉位置确定模块148可以包括实时动态(rtk)误差计算模块155，如以下另外讨论的。控制装置138还可以包括挠曲模块156以执行挠曲计算和调节，如以下参考图8和图9另外讨论的。
33.如另外所示，控制装置138可以被耦接到导向装置或类似的系统152(例如，转向组件或转向机构)，以控制灌溉系统100的移动并帮助控制系统的移动和位置感知。此外，控制装置138还可以优选地包括多个输入和输出，以从传感器154和监测装置接收数据，如以下另外讨论的。
34.根据优选实施方式，rtk误差计算模块155优选的功能是执行rtk误差计算以增强从gps系统157导出的位置数据的精度。尽管本发明是关于gps进行讨论的，但本发明适用于从其他定位系统诸如loran、glonass、galileo、beidou等以及那些类似系统的任何组合所接收的数据。附加地，rtk可以利用单频率(通常被称为l1频带)用于校正，也可以利用双频率(通常被称为l1和l2频带)。此外，可以使用增强位置精度的类似校正技术(诸如waas或差分gps)。优选地，任何这种系统将与以上所述的类似定位系统兼容，并且提供优于1米的位置精度。
35.现参考图3，现在将讨论结合本发明的各个方面的示例性系统300。根据优选实施方式，示例性灌溉系统300可以包括转换器(未示出)，该转换器被提供来控制和调整喷洒器的水压，该喷洒器包括端部喷枪321和其他喷洒器头326。
36.此外，系统可以优选地包括固态塔架箱312、404、406(包括plc板、固态马达控制器、非接触式对准装置和其他部件，如以上所讨论的和以下关于图4所另外讨论的)，该固态塔架箱优选地被互连到相应的驱动单元马达307、309、311。如另外所示的，相应的驱动单元马达307、309、311优选地向相应组的驱动轮302、304、306提供转矩和制动。如另外所示的，转向系统399接收来自sdu固态塔架箱406的转向信号以转动sdu轮306，从而按照由如下所讨论的导向控制器所命令的，改变可转向驱动单元325的方向。转向系统可以是用于转动sdu轮的任何合适的系统，诸如被附接到转向联动装置等的电动马达、电动致动器、液压致动器等。如上所述，本发明的系统可以包括用于向驱动轮提供转矩的任何合适的马达。根据优选实施方式，本发明的系统可以优选地包括马达诸如开关磁阻马达、感应马达等。
37.此外，本发明的系统300还可以优选地包括控制/枢转面板308以及元件诸如用于接收位置数据的gps接收器320a-d。此外，本发明的系统还可以包括间接作物传感器318、322，该间接作物传感器优选地可以包括可选的湿度传感器以确定给定土壤区域中的湿度水平。此外，传感器318、322还可以包括光学件以允许检测作物类型、生长阶段、健康、疾病的存在、生长速率等。又另外地，系统可以包括地面传感器。又另外地，检测系统还可以从连接的气象站或远程的气象站等接收数据，该气象站能够测量天气特征诸如湿度、风速、风向、压力、降水、温度等。此外，本发明的优选系统还可以替代性地包括被安装到跨接件310的附加元件，诸如附加传感器等。
38.如图3中另外所示的和如以下另外所讨论的，本发明的优选系统还可以包括实时动态(rtk)参考站328，用于向机器上的所有gps单元提供误差校正数据，包括可以附接到可转向驱动单元(sdu)325等的巡回(roving，流动)接收器，如下文另外讨论的。优选地，rtk参考接收器320a被定位在非常精确的探测点上。又另外地，rtk参考站328优选地接收gps信号，并且基于探测位置与由测量到的gps信号所指示的位置数据之间的位置差异来计算误
差校正数据。
39.现在参考图4，现在将讨论示例性系统架构400。如图所示，提供rtk参考站328以从gps接收器320a接收gps信号。在接收到后，rtk参考站328(单独和/或与枢转控制器412和rtk误差计算模块155组合)创建误差校正数据，然后该误差校正数据通过枢转控制器412作为误差校正数据信号传输到枢转点plc板414。枢转点plc板414随后优选地调制误差校正数据信号，并且通过动力线总线416和plc系统将信号传输到一个或更多个下游塔架箱404、406。以此方式，本发明的每个接收塔架箱404、406接收增强的rtk导向。根据另外的优选实施方式，本发明的塔架箱404、406还可以将精确的gps位置数据传输回枢转控制器412，或者彼此传输，如下文另外讨论的
40.根据另一优选实施方式，rtk参考接收器328可以优选地位于被附接到中心枢转点的收集环/滑环装置411内。根据可替代的优选实施方式，rtk参考接收器320a的位置(经度、纬度)可以通过本领域已知的任何方法来设置。例如，rtk接收器位置可以通过来自系统外部收集到的数据中的用户输入来手动设置。可替代地，可以经由“探测模式”来设置rtk接收器位置，在该探测模式下，使用已知算法对由接收器收集到的gps位置数据进行时间平均化来确定单元的位置。
41.如图4另外所示，本发明的控制/枢转面板箱402可以优选地包括被连接到枢转点plc板414的主枢转控制器412，该枢转点plc板控制动力并将其引导到下游塔架箱/单元312、404、406。塔架箱/单元404、406可以包括gps传感器/输入408、410。
42.根据优选实施方式，枢转面板箱402优选地通过枢转点plc板414经由动力线总线416向下游的固态塔架箱404、406提供动力和控制信号。可替代地，也可以使用任何其他类型的控制和通信系统。例如，可以使用任何无线协议(例如，wifi、zigbee)或有线协议(例如，plc、以太网)在系统元件之间传输本发明的信号。此外，本发明不意在局限于使用固态塔架箱。例如，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用带有plc系统或不带有plc系统的机电塔架箱。
43.如图4另外所示的，lrdu和sdu驱动塔架箱404、406优选地包括控制器426、428和gps导向控制(gc)面板422、424，用于接收和处理导向控制信号。它们还可以包括plc板418、420，用于接收、传输和转换在塔架箱控制器426、428与通过动力线总线416通信的其他系统之间的控制和动力信号，如下文另外讨论的。
44.在操作中，gps数据优选地首先由rtk参考站328接收。此后，数据被提供给rtk误差计算模块155，该rtk误差计算模块将接收到的gps位置数据与rtk参考站的探测位置进行比较，并计算和产生gps误差校正数据。此后，rtk误差计算模块155优选地将rtk误差校正数据传输到枢转点plc板414，其中调制信号并经由动力线总线416将信号传输(连同由动力线总线416提供的动力和控制信号)到下游塔架箱，该下游塔架箱包括lrdu和sdu塔架箱404、406。
45.同时，gc系统422、424可以优选地经由gps传感器320c、320d等从gps卫星接收信号，并计算单元的位置。如上所述，这种计算可以包括来自广域增强系统(waas)等的数据。lrdu和sdu控制器426、428随后可以优选地使用rtk误差校正数据来计算它们的经rtk校正的gps位置。此后，lrdu和sdu控制器426、428可以将它们的经rtk校正的gps位置数据(连同其他数据诸如位置、速度和转向角度)传输到角隅导向控制器499，如以下另外讨论。虽然角
隅导向控制器499被示出为位于sdu塔架箱420中，但是该导向控制器可以位于机器上任何方便的位置处，诸如在枢转面板402处或在lrdu塔架箱404处。
46.参考图5-图7，示例性灌溉系统500的俯视图被示出为包括中心枢转点501、第一级跨接件505和角隅跨接件508。如图所示，第一级跨接件505由第一驱动塔架504和最末常规驱动单元(lrdu)506支撑。如图所示的角隅跨接件508在连接点514处连接，并且由可转向驱动单元(sdu)520支撑。如图所示，枢转点501包括用于接收gps位置数据和rtk误差数据的接收器/控制器328、320a。第一驱动塔架504包括接收器/控制器312、320b，lrdu 506包括接收器/控制器314、320c，以及sdu 520包括接收器/控制器316、320d。在所示的示例中，sdu 520已将角隅跨接件508移动至给定的角隅角度521。
47.现在参考图5和图8，现在将讨论示例性方法600。如图8所示，在优选的第一步骤602处，位于枢转点501处的rtk参考接收器320a和rtk参考站328优选地接收gps位置数据。在优选的第二步骤604处，rtk参考站的误差校正模块155计算rtk误差校正数据。可替代地，可以基于过去的计算从存储器中检索枢转点501的验证位置。根据优选的第三步骤605，枢转点501的gps位置和rtk校正数据可以经由plc总线416等被传输到灌溉机器上的相应的塔架箱312和/或导向控制面板422、424。
48.在下一步骤607处，使用gps数据和rtk误差校正数据来计算lrdu506的经rtk校正的gps位置。在下一步骤608处，使用gps数据和rtk误差校正数据来计算sdu 520的经rtk校正的gps位置。在下一步骤610处，经rtk校正的gps位置数据随后优选地从lrdu 506和sdu 520被传输到角隅导向控制器499。
49.如图9所示，在下一步骤612处，角隅导向控制器499优选地从lrdu506和sdu 520接收经rtk校正的gps位置数据。在下一步骤614处，控制器499优选地计算枢转点501、lrdu 506和sdu 520的相对位置，并且还计算角隅角度521(如图6-图7所示)。可替代地，角隅角度传感器可以替换lrdu或sdu的gps接收器/gc面板，并使用角隅角度传感器和来自其余的gps接收器/gc面板的位置数据来计算缺少的参数。
50.在下一步骤615处，角隅导向控制器499确定/接收lrdu和sdu的速度。此外，控制器499确定/接收由导向路径(在机器的设计或安装期间确定)限定的sdu的转向角度。
51.在下一步骤618处，控制器499优选地使用经rtk校正的位置数据来计算挠曲量，以确定角隅跨接件508是处于压缩状态还是拉伸状态(或者如果在lrdu 106处使用轨道和滚柱接头，则不可接受地偏离位置)。优选地，可以通过将lrdu和sdu之间的距离与基于角隅跨接件长度、是否有水存在于跨接件中、垫圈压缩、热增长(通过常数乘以环境温度与参考温度之间的差来计算)等的预定值进行比较来进行挠曲计算。可替代地，可以优选地通过将开始机器操作时、机器最初安装时等的lrdu与sdu之间的距离的变化与当前距离进行比较来确定挠曲量。此外，可以通过使用查找表来确定挠曲量，该查找表基于lrdu与sdu之间的测量距离存储了挠曲量。
52.在下一步骤620处，角隅导向控制器499优选地确定挠曲量是否在可接受的阈值限度内。若是，则系统优选地返回到步骤612以接收更新的位置数据。若否，则系统接着进行到步骤622并确定角隅角度521是否明显大于或小于180
°
。根据优选实施方式，示例性等式可以是：
53.|角隅角度-180
°
|》x
54.(其中x是与180
°
的差异阈值量)
55.根据优选实施方式，差异阈值量(x)可以由用户选择或者可以在系统中预设置。根据示例性实施方式，阈值差异量(x)可以被设置为 /-5
°
、10
°
、15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
或40
°
。
56.在下一步骤624处，如果角隅角度521超过阈值差异量(x)，则系统可以随后优选地将sdu速度调节一设定量。基于跨接件是处于拉伸状态还是压缩状态(正挠曲或负挠曲)，sdu的速度可以增加或减少以将挠曲量移动到可接受的限度内。这可以优选地通过调节启动-停止马达的工作周期、通过增加或降低变速马达(诸如由变频驱动器驱动的开关磁阻马达或感应马达)的rpm或通过类似方法来实现。根据优选实施方式，sdu的速度可以以1-100％之间的任何增量改变。根据可替代的优选实施方式，驱动轮的速度可以通过调节或改变驱动轮的编程平均速度来控制。为了例示，图6提供了角隅角度527约为110
°
(产生70
°
的差异)的示例性灌溉系统525的俯视图，该角隅角度可以引起对sdu 520的速度的调节(例如，如果差异阈值(x)被设置为30
°
的话)。
57.此后，该方法优选地返回到步骤622以再次计算差异量。如果在步骤622处，系统确定差异量小于阈值差异量(x)，则系统在步骤625处优选地将sdu的转向角度调节一设定量，其中该设定量足以缓解。为了例示，图7提供了角隅角度532约为155
°
(产生25
°
的差异)的示例性灌溉系统530的俯视图，该角隅角度532可以引起仅对sdu 520的转向角度的调节(例如，如果差异阈值(x)被设置为30
°
的话)。
58.基于跨接件是处于拉伸状态还是压缩状态(正挠曲或负挠曲)，转向角度可以增加或减少以将挠曲量移动到可接受的限度内。根据优选的实施方式，sdu的速度可以以0.1-45
°
之间的任何增量改变。此后，系统优选地返回到步骤620以确定挠曲量是否在可接受的限度内。若是，则系统优选地返回到步骤612以接收更新的位置数据。若否，则系统接着进行到步骤622并再次确定角隅角度521是否明显大于或小于180
°
。
59.应该注意的是，所允许的转向角度变化幅度有限，足以缓解跨接件的拉伸/压缩，但不足以使得sdu过度偏离预定的行进路径。其中过度可以被限定为1英寸至10英寸之间的任何值。此外，lrdu速度也可以被调节为与以上相呼应，以保持机器元件之间的正确定向并管理角隅跨接件的挠曲。
60.优选地，本发明的传输、计算和调节可以连续地实时执行，以在灌溉期间保持正确的角隅角度和sdu路径。此外，本发明的方法可以在枢转件不移动(而角隅臂在移动)时或在灌溉系统的操作和运行期间操作。附加地，可以基于角隅角度的变化，使用速度校正和转向角度校正的混合(或掺合百分比)。以下提供了示例表。
61.与180
°
的差异％的转向角度％的速度调整0
°‑5°
100％0％5
°‑
10
°
70％30％10
°‑
20
°
60％40％20
°‑
40
°
40％60％大于40
°
0％100％
62.使用这种方法，角隅臂可以从拖曳定向(例如，角隅臂在枢转件已经通过之后穿过田地区域)转变为主导定向(例如，角隅臂在枢转件到达之前穿过田地区域)。
63.虽然关于本发明的以上描述包含很多具体内容，但这些不应被解释为对范围的限
制，而应被解释为示例。许多其他的变化是可能的。例如，本发明的处理元件通过本发明可以在若干不同的频率、电压、安培和总线配置上操作。此外，本发明所提供的通信可以被设计为双工或单工的性质。此外，本发明的系统可以用于包括线性和中心枢转系统两者的任何布置的驱动塔架。此外，根据需要，用于向本发明传输数据和从本发明传输数据的过程可以被设计为推式或拉式的性质。又另外，本发明的每个特征可以从远程监测站被远程启用并访问。因此，数据可以优选地根据需要上传到本发明和从本发明下载。
64.因此，本发明的范围不应由所示的实施方式确定，而应由所附权利要求及其法定等效物来确定。