操作诸如拖拉机和收割机之类的农机车辆经常要求高度重复的 操作。例如，当在土地上耕作和种植时，操作人员必须反复地穿过土 地。由于工作的反复特性和地形的不规则性，在农作物的行中可能出 现间隙和重叠。这能够导致农作物破坏，过度种植或每英亩产量降低。 随着农机车辆和农具的规模持续增长，精确地控制它们的运动变得更 加重要。
引导系统越来越多地用于控制农业和环境管理设备和例如路侧 喷洒、道路撒盐以及积雪清除的操作，其中期望沿预先定义的路径进 行操作。与人工操纵车辆的通常实现相比，这允许对车辆进行更精确 的控制。许多有赖于犁沟跟随器(furrow follower)，该犁沟跟随器 以机械方式检测该车辆的行进是否与预先耕作的种植犁沟平行。然 而，这些引导系统在平坦地形和在检测沿直线耕作的犁沟时最为有 效。此外，这些系统大多要求工厂安装，并且这些系统大多过于昂贵 或不便于售后安装。
发明内容
因此，需要一种适于对诸如农机车辆之类的移动机械进行引导的 系统。在满足上述需要的同时，还期望该引导系统适用于在那些车辆 中进行售后安装。
这里描述的实施方式阐述了用于控制移动机械的方法和系统。在 一种实施方式中，系统包括用于确定移动机械的地理位置的位置决定 部件。该系统进一步包括转向部件，用于响应于一条消息而控制移动 机械的转向机构。该系统进一步包括与位置确定部件相耦合并与转向 部件相耦合的控制部件。该控制部件响应于从位置确定部件接收到位 置数据而向转向部件产生消息。
附图说明
并入本说明书并形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的 实施方式，并且与描述一起用于解释本发明的原理。除非特别指出， 本说明中涉及的附图不应当被理解为需要按比例绘制。
图1A和图1B示出根据本发明实施方式的用于控制移动机械的 示例性系统。
图2示出了根据本发明实施方式的示例性系统架构；
图3A和图3B分别示出了根据本发明实施方式的用于控制移动 机械的系统的侧视图和俯视图。
图4A和图4B分别示出了根据本发明实施方式的用于控制移动 机械的系统的侧视图和俯视图。
图5A和图5B分别示出了根据本发明实施方式的用于控制移动 机械的系统的侧视图和俯视图。
图6是根据本发明实施方式的用于控制农机车辆的方法的流程 图。

现在将详细参考本发明的实施方式，在附图中示出其例子。尽管 将结合以下实施方式对本发明进行描述，但需要理解的是这些实施方 式不旨在将本发明限制在这些实施方式中。相反，本发明旨在覆盖可 包含在如本发明所附权利要求所限定的精神和范围中的可选方案、修 改方案以及等同方案。此外，在本发明以下的详细描述中，阐述了多 个具体细节以便提供对本发明完整的理解。然而，在没有这些具体细 节的情况下可以实现本发明的实施方式。在其他实例中，没有详细描 述公知的方法、过程、部件以及电路，以避免不必要地模糊本发明的 多个方面。
图1是根据本发明实施方式的用于控制移动机械105的示例性系 统100的框图。在图1中，位置确定系统经由通信网络或联结器115 与控制部件120以及转向部件130相耦合。此外，系统100可以包括 也与联结器115耦合的可选择的键板140和/或地形补偿模块部件(例 如，TCM 150)。
在本发明的实施方式中，联结器115是串行通信总线。在一种实 施方式中，联结器115服从但不限于服从控制器局域网(CAN)协议。 CAN是一种在20世纪80年代早期为汽车使用而开发的串行总线系 统。汽车工程师协会(SAE)已经开发了一种基于CAN规范2.0的标 准CAN协议SAE J1939。SAE J1939规范提供即插即用能力并允许来 自各个供应商的部件很容易地集成在开放架构中。
位置确定系统110确定移动机械105的地理位置。为了本发明的 目的，术语“地理位置”意味着在至少二维(例如纬度和经度)中确 定移动机械105的位置。在本发明的一种实施方式中，位置确定系统 110是基于卫星的位置确定系统并且该系统经由图1B的天线107从 卫星接收导航数据。基于卫星的位置确定系统的例子包括全球定位系 统(GPS)导航系统、差分GPS系统、实时运动学(RTK)系统、网 络化RTK系统等等。尽管本实施方式具体引用了这些位置确定系统， 但可以理解的是，本发明的实施方式还可以很好的适合于使用其他位 置确定系统，例如基于地面的位置确定系统或其他基于卫星的位置确 定系统，诸如GLONASS系统或目前正处于开发中的伽利略(Galileo) 系统。
在本发明的实施方式中，控制部件120从位置确定系统110接收 位置数据并产生用于控制移动机械105的命令。在本发明的实施方式 中，移动机械105是诸如拖拉机、收割机等的农机车辆。然而，本发 明的实施方式还很好地适用于控制其他车辆，例如积雪清除、道路撒 盐或路侧喷洒设备。在一种实施方式中，响应于从位置确定系统110 接收到的位置数据，控制部件120向转向部件130产生一个消息(例 如，转向命令)，然后该转向部件130控制移动机械105的转向机构。 在本发明的实施方式中，控制部件120可操作用于根据系统100的配 置而向电子转向部件和液压转向部件产生转向命令。
在本发明的实施方式中，键板130向系统100提供附加的输入/ 输出能力。在本发明的实施方式中，键板130还可以包括装置驱动 131，其允许读取诸如压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、记忆 棒等媒体存储装置。这允许例如集成来自各种软件应用(例如映射软 件)的数据，以便促进对移动机械105的运动进行控制。例如，可以 容易地将场地边界输入给系统100，以促进对移动机械105的运动进 行控制。
TCM 150提供对地形变化进行补偿的能力，其中这种地形变化能 够降低位置确定系统110在确定移动机械105的地理位置中的精度。 例如，当穿过山坡时，位置确定系统110的天线107可位移到相对于 移动机械105中心线的一侧或另一侧，从而在确定移动机械105的地 理位置中产生误差。结果，当跨越仿形地形(contoured terrain)来执 行耕作时会出现间隙或重叠。TCM 150可以检测天线107相对于移动 机械105中心线的位移幅度(例如由于横滚、倾斜和偏移所致)，并 发送允许控制部件120产生转向命令的信号，该转向命令对在确定移 动机械105的地理位置中的误差进行补偿。需要理解的是，参考图1 描述的部件可以实现为分离部件。然而，在本发明的实施方式中，这 些部件可以集成为离散部件的各种组合或集成为单个装置。
图2示出了根据本发明实施方式的示例性系统架构200。在图2 的实施方式中，控制部件120包括与转向控制器220相耦合的车辆引 导系统210。需要理解的是，在本发明的实施方式中，车辆引导系统 210和转向控制器220可以实现为单个单元或分离的单元。分离地实 现转向控制器220的优点在于其促进了将本发明实现为可以被容易地 添加到现有车辆导航系统上的售后工具箱。结果，降低了本发明的控 制系统的安装的成本和部件的成本。然而，本发明的实施方式也非常 适于象移动机械105的原始设备那样进行工厂安装。
在本发明的实施方式中，车辆引导系统210使用来自位置确定系 统110的位置数据、用户输入(例如期望模式或方向)以及向量数据 (例如确定用于引导移动车辆105的路线纠正的期望方向和距离)。 来自TCM 150的横滚、倾斜以及偏移数据也可以用于确定移动机械 105的路线纠正。为了本发明的目的，术语“路线纠正”的意思是移 动机械105行进方向中的下列改变，即将移动机械105从当前行进方 向引导到期望的行进方向。在本发明的实施方式中，车辆引导系统210 是一种商业可用的引导系统，例如加利福尼亚州桑尼维尔市的 Trimble Navigation有限公司生产的引导系统。
用于确定路线纠正的附加数据还可以包括条带(swath)计算， 该计算考虑了可以与移动机械105耦合的各种器具的宽度。例如，如 果收割机能够在每次通过时清除15英尺的条带，那么车辆引导系统 210可以产生使移动机械105在下一次通过时向一侧移动15英尺的转 向命令。还可以对车辆引导系统210进行编程以遵循直线或曲线路径， 这在操作于不规则形状或仿形区域中或设置于中心轴周围区域中时 是有用的。这在移动机械105所遵循的路径被模糊的情况下也是有用 的。例如，扫雪机的操作人员由于路面积雪而可能看不到正被清扫的 道路。此外，能见度可能会被雪、雨或雾所模糊。因此，有益的是利 用本发明的实施方式以在这些情况中引导移动机械105。在本发明的 实施方式中，位置确定部件110可以集成在车辆引导系统120中或可 以是分离的单元。此外，如以上参考图1所述，位置确定部件110、 控制部件120和转向部件130可以集成在本发明实施方式的单个单元 中。
在本发明的实施方式中，将车辆引导系统210所计算的路线纠正 从车辆引导系统210发送至转向控制器220。
转向控制器220将由引导系统210产生的路线纠正转换为转向命 令，用于操纵移动机械105的转向机构。转向控制器220产生将转向 命令传送至转向部件130的消息。在本发明的实施方式中，车辆引导 系统210、转向控制器220和转向部件130之间的通信耦合利用联结 器115(例如串行总线或CAN总线)来实现。
在本发明的实施方式中，转向部件130可以包括电子转向部件 131或液压转向部件132。因此，如图2所示，转向控制器220包括： 第一输出221，用于将转向控制器220与电子转向部件131耦合起来； 以及第二输出222，用于将转向控制器220与液压转向部件132耦合 起来。由于联结器115可以服从CAN协议，因此促进了在系统200 中实现即插即用功能。因此，在本发明的实施方式中，转向控制器可 以根据使用了转向控制器220的哪个输出来确定其与哪个转向部件耦 合。
然后，转向控制器220根据与其耦合的转向部件来产生消息，该 消息使得该转向部件对移动机械105的转向机构进行致动。例如，如 果转向控制器220确定输出221正被使用，那么其产生被格式化为控 制电子转向部件131的转向命令。如果转向控制器220确定输出222 正被使用，那么其产生被格式化为控制液压转向部件132的转向命令。
图3A和图3B分别示出了根据本发明实施方式的用于控制移动 机械的系统300的侧视图和俯视图。在图3A的实施方式中，转向部 件(例如图2中的电子转向部件131)包括经由轴312与致动装置 (actuator device)相耦合的电动机310。在图3A的实施方式中，致 动装置包括驱动盘311，其与移动机械105的方向盘330接触。在本 发明的实施方式中，电动机310可以与驱动盘311直接耦合，或者可 以经由低比率齿轮(low ratio gear)(未示出)耦合。利用这些方法 将电动机313与驱动盘311耦合的优点在于可以使用较小的电动机， 同时仍然产生足够的扭矩来控制方向盘330。因此，如果用户希望手 动地操纵移动机械105，那么用户在电动机310空闲时将从该电动机 310受到较少的阻力。
电子转向部件131进一步包括发动机控制单元313，其与电动机 310耦合并通过联结器115与图2的控制部件120耦合。在图3A中， 电动机310经由托架320与转向柱(steering column)340耦合。可以 理解的是，在本发明的实施方式中，电动机310可以利用除托架320 之外的另一设备与转向柱340耦合起来。例如，在一种实施方式中， 电动机310可以与一个托架耦合，该托架经由吸盘附着在移动机械 105的挡风玻璃或档泥板上。在另一实施方式中，电动机310可以与 在移动机械105的底部和顶部之间延展的杆体(pole)耦合。而且， 尽管本发明示出了与电动机310直接耦合的发动机控制单元313，但 本发明的实施方式可以很好地适于使用其他配置。例如，在一种实施 方式中，发动机控制单元313可以实现为控制单元120的子部件，并 且可以经由电子联结器(未示出)而仅向电动机310发送控制电压。 在另一实施方式中，发动机控制单元313可以实现为分离单元，其经 由连接器115与控制单元120通信地耦合，并经由电子联结器(未示 出)与电动机310通信地耦合。
在本发明的实施方式中，驱动盘311以足够的摩擦力与方向盘 330相耦合，从而驱动盘311的旋转引起方向盘330的旋转。在本发 明的实施方式中，弹簧(未示出)保持足够将驱动盘311与方向盘330 耦合的压力。然而，弹簧在驱动盘311和方向盘330之间保持的压力 不足以例如在用户手动操纵移动机械105并且该用户的手指通过驱动 盘311和方向盘330之间时夹住用户的手指。
在本发明的实施方式中，电动机310是可反转的，因此，根据从 控制部件120发送的转向命令，发动机控制单元313控制至电动机310 的电流，从而其以顺时针或逆时针方向旋转。结果，方向盘330也以 顺时针或逆时针方向转动。通常，对流经电动机310的电流进行校准 从而驱动盘311使方向盘330转动而不产生过多的扭矩。这促进了允 许用户取代电子转向部件。在本发明的实施方式中，电动机310可以 是永磁电刷直流(DC)发动机，无刷DC发动机、步进发动机或交流 (AC)发动机。
在本发明的实施方式中，发动机控制单元313可以检测用户何时 以与电子转向部件131转动的方向相反的方向来转动方向盘330。例 如，可以使用轴编码器(未示出)来确定轴312正在哪个方向转动。 因此，当用户以与电动机310转动的方向相反的方向来转动方向盘 330时，轴编码器检测出用户正在转动方向盘330并向发动机控制单 元313产生信号。响应于确定用户正在转动方向盘330，发动机控制 单元313可以切断供应给电动机310的动力。结果，电动机310现在 凭惯性前行并且可以被用户更容易地操作。在另一实施方式中，当方 向盘330的转动与电动机的转动方向相反时，发动机控制单元313中 的电路检测到电动机310失速并且切断供应给电动机310的动力。在 另一实施方式中，开关检测方向盘330的旋转并向发动机控制单元 313发送信号。然后，发动机控制单元313可以确定用户正在手动地 操纵移动机械105并且使电动机310脱离。结果，当用户转动方向盘 330时，如果他们的手指通过驱动盘311和方向盘330之间，则他们 的手指将不会被夹住，因为电动机310在切断动力后是凭惯性前行的。
与传统车辆控制系统相比，本发明的实施方式的优点在于它可以 容易并快速地作为售后工具箱来安装。例如，传统控制系统通常利用 与车辆的动力转向机构耦合的螺线管(solenoid)和液压流量阀 (hydraulic flow valve)来控制车辆。这些系统比以上所述的系统更 难安装并且更加昂贵，这是因为螺线管和液压流量阀的较高成本以及 安装该系统时涉及的附加工作量。图3的实施方式可以很容易地栓接 至转向柱340上并且可以与转向控制器220相耦合。此外，通过简单 地将托架320替换成针对特定车辆模型而配置的托架，电动机310可 适用于多种车辆。而且，本发明的实施方式不依赖于犁沟感应器 (furrow feeler)，其中，通常当到达犁沟一端时必须从犁沟提起该犁 沟感应器或将该犁沟感应器下放到犁沟中。结果，在提起或下放该犁 沟感应器中损失了少量时间。
图4A和图4B分别示出了根据本发明实施方式的用于控制移动 机械的系统400的侧视图和俯视图。在图4A中，转向部件(例如图 2的电子转向部件131)包括经由轴412与驱动盘411耦合的电动机 410以及发动机控制单元413。发动机控制单元413将电动机410与 图2的转向控制器220耦合。在图4A中，电动机410经由托架420 与转向柱440耦合起来。在图4A和图4B的实施方式中，驱动盘411 与子盘(sub wheel)431耦合，该子盘经由托架432与方向盘330耦 合。
在图4A和图4B的实施方式中，电动机410根据发动机控制单 元413接收到的转向命令以顺时针或逆时针方向转动。结果，驱动盘 411使得子盘431也以顺时针或逆时针方向转动。利用子盘431防止 了如果用户选择手动地操纵车辆时用户的手指被夹在方向盘430和驱 动盘411之间。在本发明的实施方式中，可以通过例如将托架432附 着在方向盘430的轮辐(spoke)上而简单并快速地将子盘431与方 向盘430耦合。
图5A和图5B分别是根据本发明实施方式的用于控制移动机械 的系统500的侧视图和俯视图。在图5A中，转向部件(例如图2的 电子转向部件131)包括电动机510，其经由轴512与齿轮511耦合 并与发动机控制单元513耦合。发动机控制单元413将电动机510与 图2的转向控制器220耦合。在图5A中，电动机510与转向柱540 耦合。
图5B是系统500的剖面图，其示出了转向柱540中设置的转向 轴550。齿轮551将转向轴550与电子转向部件131的齿轮511耦合。 在本实施方式中，电动机510根据由发动机控制单元513接收到的转 向命令而以顺时针或逆时针方向转动。结果，齿轮511也以顺时针或 逆时针方向转动，从而由于齿轮551所传送的力而使得转向轴550转 动。尽管本实施方式提出了利用齿轮将电子转向部件131与转向轴 550耦合起来，但本发明的实施方式很好地适于使用其他机械联结器， 例如齿轮链(gear and chain)、带(belt)和滑轮(pulley)等等。
图6是根据本发明实施方式的用于控制农机车辆的方法600的流 程图。在图6的步骤610中，使用基于卫星的位置确定部件来确定农 机车辆的地理位置。如以上参考图1所述，位置确定部件110是基于 卫星的位置确定系统，例如全球定位系统(GPS)导航系统、差分GPS 系统、实时运动学(RTK)系统、网络化RTK系统等等。在本发明 的实施方式中，位置确定系统在至少二维上确定移动机械105的位置。
在图6的步骤620中，控制部件用于基于农机车辆的地理位置而 产生转向命令。如以上参考图2所述，控制部件120用于基于从位置 确定部件110接收到的地理数据而产生针对移动机械的转向命令。在 本发明的实施方式中，控制部件120包括与转向控制器(例如图2的 220)耦合的车辆引导系统(例如，图2的210)。车辆引导系统210 使用从位置确定部件110接收到的位置数据来确定用于移动机械105 的路线纠正。转向控制器220将路线纠正转换为转向命令。
在图6的步骤630中，转向部件用于响应于转向命令而控制农机 车辆的转向机构。
以上描述了本发明的用于控制移动机械的方法和系统的优选实 施方式。尽管以特定实施方式描述了本发明，但应当理解的是，这些 实施方式不应当理解为是对本发明进行限制，而应当根据随后的权利 要求书来理解本发明。