ИНДИКАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО РАБОЧЕЙ МАШИНЫ
WORKING MACHINE INDICATOR

Изобретение относится к контрольно-измерительному электрооборудованию промышленных и сельскохозяйственных тракторов и агрегатов на их базе, бульдозеров, погрузчиков, сельскохозяйственных машин, автогрейдеров и других колесных и гусеничных самоходных рабочих машин, предназначенных для выполнения землеройных, строительных, сельскохозяйственных, дорожных и других работ.
Известна панель (комбинация) приборов трактора, состоящая из корпуса, на лицевой панели которого расположено информационное поле, включающее стрелочные приборы, многофункциональные дисплеи с функциями одометра и счетчика моточасов, световые сигнализаторы для контроля состояния систем и агрегатов трактора, причем многофункциональные дисплеи имеют несколько режимов индикации, переключение между которыми осуществляется автоматически или с помощью кнопочных переключателей, расположенных на информационном поле [1].
Известна также панель приборов сельскохозяйственной машины, содержащая графические дисплеи с несколькими режимами индикации для контроля состояния узлов и механизмов машины [2].
Недостатком известных устройств, входящих в систему «человек - машина» («оператор - рабочая машина»), является пониженное быстродействие и невысокие показатели надежности, точности и безопасности управления рабочей машиной по причине пониженной скорости зрительного восприятия, опознания и интерпретации оператором информации, отображаемой на лицевых панелях этих устройств. Обусловлено это тем, что в процессе работы машины взгляд оператора направлен, преимущественно, на рабочие органы машины. При этом лицевая панель расположена в кабине машины вне поля его зрения. Поэтому для получения зрительной информации оператору необходимо перенести свой взгляд с рабочего органа на панель приборов (опустить голову) и перефокусироваться на более близкие к оператору изображения на ее лицевой панели. Это приводит к затратам времени на восприятие, опознание и интерпретацию отображаемой информации, а в динамичных режимах работы машины - к соответствующему снижению надежности, точности и безопасности управления машиной.
В качестве ближайшего аналога выбрано индикаторное устройство, входящее в состав системы управления и регулирования рабочей машины, в котором, наряду с применением графических дисплеев с несколькими режимами индикации, дополнительно используются видеокамеры и контроллер, приспособленные для формирования дополнительных информационных сигналов о параметрах рабочего процесса машины, отображаемых на дисплеях [3].
Дополнительное предоставление оператору машины результатов обработки видеоизображений позволяет повысить точность и достоверность отображения информации о характеристиках, условиях работы и состоянии машины при выполнении рабочих (технологических) процессов, а также оптимизировать настройку рабочих органов, но не устраняет недостатки, присущие предыдущим устройствам.
Задачей изобретения является создание индикаторного устройства рабочей машины, обеспечивающего одновременное повышение быстродействия, надежности, точности и безопасности ручного или автоматизированного управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем рабочей машины.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в индикаторном устройстве рабочей машины, содержащем средство отображения информации, приспособленное для отображение информации в виде, пригодном для зрительного восприятия оператором машины, и контроллер, соединенный со средством отображения информации и по меньшей мере с одним датчиком, приспособленным для контроля по меньшей мере одного рабочего параметра машины, и/или режима ее работы, и/или параметра внешней среды, причем контроллер выполнен с возможностью формирования сигналов для средства отображения информации путем преобразования выходных сигналов по меньшей мере одного указанного датчика, предусмотрены отличия, заключающиеся в дополнительной реализации одного или одновременно нескольких следующих технических решений:
а) средство отображения информации формирует изображение, зрительно воспринимаемое оператором как расположенное на рабочем органе, в окружающем пространстве вблизи рабочего органа и/или на грунтовой поверхности вблизи рабочего органа машины;
б) средство отображения информации формирует изображение таким образом, что для его восприятия оператору при управлении рабочим органом машины не требуется изменять направление взгляда, осуществлять поворот головы и перефокусировать зрение;
в) устройство дополнительно оснащено одной или несколькими видеокамерами, соединенными с контроллером и направленными на части рабочего органа и/или пространства, окружающего машину, закрытые от наблюдения оператором машины элементами конструкции машины, а средство отображения информации предоставляет оператору видеоизображение этих частей рабочего органа и/или пространства;
г) устройство содержит средство определения положения головы оператора в кабине машины, и/или направления его взгляда, и/или положения точки, наблюдаемой оператором, а контроллер на основании данных, записанных в его энергонезависимой памяти, осуществляет изменение сигналов, формируемых для средства отображения информации, в зависимости от этого положения, направления и/или положения;
д) средство отображения информации расположено на рабочем органе или на прикрепленной к нему штанге, выполнено с возможностью его наблюдения оператором и оснащено защитой от внешних воздействий;
е) контроллер выполнен с возможностью определения изменения по меньшей мере одного контролируемого рабочего параметра машины, и/или режима ее работы, и/или параметра внешней среды, последующего формирования сигнала для средства отображения информации с проверкой необходимости восприятия этой информации оператором для обеспечения необходимого уровня безопасности работы машины, качества выполняемого технологического процесса и/или топливной экономичности машины, а также последующего отключения этого сигнала для средства отображения информации в случае исчезновения указанной необходимости или по команде оператора;
ж) контроллер соединен с датчиками положения органов управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины и приспособлен для сопоставления управляющего воздействия оператора и обусловленного этим воздействием изменения по меньшей мере одного рабочего параметра машины и/или режима ее работы, а также последующего формирования, в зависимости от результатов этого сопоставления, сигнала для средства отображения информации, обеспечивающего возможность зрительного восприятия оператором результата исполнения его воздействия на орган управления;
з) контроллер соединен с датчиками положения органов управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины и приспособлен для вычисления прогнозируемого изменения по меньшей мере одного рабочего параметра машины и/или режима ее работы, обусловленного воздействием оператора на орган управления, а также последующего формирования сигнала для средства отображения информации, обеспечивающего предоставление оператору информации о прогнозируемом изменении рабочего параметра машины и/или режима ее работы;
и) контроллер приспособлен для количественной оценки психофизиологических возможностей оператора по восприятию отображаемой информации и/или по управлению рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины, а также выполнен с возможностью формирования сигналов для средства отображения информации с учетом сокращения интенсивности рабочей нагрузки оператора при снижении его психофизиологических возможностей, причем порядок изменения указанных сигналов в зависимости от психофизиологических возможностей оператора предварительно определен и записан в энергонезависимую память контроллера;
к) контроллер и средство отображения информации обеспечивают предоставление оператору информации в течение интервала времени, достаточного для ее восприятия и обработки оператором, причем величина этого интервала времени записана в энергонезависимой памяти контроллера и предварительно установлена в зависимости от необходимости реакции оператора на эту информацию и/или максимально допустимого времени этой реакции при принятии решения по управлению рабочим оборудованием, или трансмиссией, или двигателем машины, направленного на обеспечение необходимого уровня безопасности работы машины, и/или качества выполняемого технологического процесса, и/или топливной экономичности машины;
л) контроллер и средство отображения информации приспособлены для предоставления оператору машины информации, которая накладывается на реальное изображение рабочего органа и/или окружающего пространства машины, воспринимаемое оператором через по меньшей мере одно стекло кабины;
м) устройство дополнительно оснащено одной или несколькими видеокамерами, направленными на рабочий орган и/или пространство, окружающее машину, соединенными с контроллером, который приспособлен для формирования сигналов для средства отображения информации путем обработки сигналов видеокамер и преобразования выходных сигналов указанных датчиков, причем средство отображения информации обеспечивает наложение изображения, формируемого им в режиме реального времени в соответствии с сигналами, полученными от контроллера, на реальное изображение рабочего органа и/или окружающего пространства машины, воспринимаемое оператором;
н) устройство дополнительно содержит средство распознавания речевых команд оператора, подключенное к контроллеру или входящее в его состав, причем контроллер обеспечивает изменение формируемых им сигналов для средства отображения информации в зависимости от этих команд, причем порядок этого изменения предварительно определен и записан в энергонезависимую память контроллера;
о) средство отображения информации оснащено автономным источником питания и приспособлено для получения информации от контроллера по беспроводному каналу связи;
п) контроллер соединен с датчиками положения органов управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины и обеспечивает формирование сигналов для отображения направлений и/или величин тех изменений рабочих параметров машины, и/или режимов ее работы, и/или результатов обработки этих параметров и режимов, которые являются результатом управляющих воздействий оператора;
р) контроллер оснащен средством беспроводной связи, приспособленным для приема сигналов видеокамеры, и/или информационных сигналов, и/или требований к выполняемому рабочему процессу, и/или указаний для оператора по управлению машиной от другой аналогичной машины, и/или от другого мобильного объекта, и/или от стационарного объекта, при этом контроллер выполнен с возможностью формирования сигналов для средства отображения информации с учетом информации, полученной от средства беспроводной связи, а указанный порядок этого учета предварительно определен и записан в энергонезависимую память контроллера;
с) средство отображения информации содержит один или несколько индикаторов или дисплеев, расположенных на органах управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины, а контроллер приспособлен для формирования сигналов для этих индикаторов или дисплеев, содержащих указания или рекомендации для оператора по воздействию на эти органы управления;
т) устройство дополнительно оснащено средством идентификации оператора, соединенным с контроллером, который обеспечивает формирование сигналов для средства отображения информации с учетом индивидуальных настроек параметров отображаемой информации для каждого оператора или по меньшей мере его роста и/или психофизиологических возможностей по восприятию отображаемой информации и/или управлению машиной, данные о которых записаны в энергонезависимую память контроллера;
у) контроллер и средство отображения информации обеспечивают предоставление оператору объемного изображения, представляющего собой комбинацию реального изображения машины и окружающего ее пространства и отображения виртуальной информации о машине и окружающем ее пространстве, причем порядок этой комбинации установлен в зависимости от указанной виртуальной информации и предварительно записан в энергонезависимую память контроллера;
ф) контроллер содержит энергонезависимое запоминающее устройство и часы реального времени и обеспечивает запись отображаемой информации и времени этой записи в это запоминающее устройство, а также передачу записанной информации на средство отображения информации и/или на внешнее устройство.
Кроме того, в частных вариантах реализации предложенного индикаторного устройства рабочей машины, с целью его дальнейшего улучшения, могут быть реализованы следующие отличительные признаки:
- средство отображения информации содержит проектор, а на переднее, заднее или боковое прозрачное или полупрозрачное стекло кабины нанесено покрытие, отражающее и/или рассеивающее излучение проектора;
- устройство содержит видеокамеру, а средство отображения информации содержит дисплей, расположенный на элементе конструкции машины, ограничивающем поле зрения оператора, на который отображаются изображения части рабочего органа и/или пространства, окружающего машину, закрытого от наблюдения оператором машины этим элементом конструкции машины;
- устройство содержит видеокамеру, причем средство отображения информации содержит проектор, а какой-либо элемент конструкции машины, ограничивающий поле зрения оператора, имеет поверхность, приспособленную для ее использования в качестве поверхности отображения на ней части изображения рабочего органа и/или пространства, окружающего машину, закрытого от наблюдения оператором машины этим элементом конструкции машины;
- средство определения положения головы оператора в кабине машины, направления его взгляда или положения точки, наблюдаемой оператором, содержит одну или несколько видеокамер, направленных на оператора, и вычислительное устройство, приспособленное для обработки видеоизображений, либо контроллер дополнительно приспособлен для указанной обработки видеоизображений, причем при указанной обработке определяется положение головы оператора в трехмерном пространстве кабины и далее выявляются области изображения, на которых расположены глаза оператора, а для определения направления взгляда оператора осуществляется контроль уровня закрытия век и положения центров зрачков по отношению к уголкам глаз;
- средство определения положения головы оператора в кабине машины содержит два инерциальных измерителя, каждый из которых выполнен на основе трехосевого гироскопа, трехосевого гироскопа, трехосевого магнитометра и микроконтроллера, приспособленного для обработки их сигналов, причем один инерциальный измеритель закреплен в кабине машины, а другой на шлеме или очках оператора, а контроллер определяет положение головы оператора путем вычисления разности линейных и угловых положений инерциальных измерителей;
- средство определения направления взгляда оператора или положения точки, наблюдаемой оператором, содержит микроконтроллер, видеокамеру, размещенную на шлеме или очках оператора и приспособленную для контроля движения его глаз, два инерциальных измерителя, каждый из которых выполнен на основе трехосевого гироскопа, трехосевого гироскопа, трехосевого магнитометра и микроконтроллера, приспособленного для обработки их сигналов, причем один инерциальный измеритель закреплен в кабине машины, а другой на шлеме или очках оператора, причем микроконтроллер приспособлен для определения направления взгляда оператора или положения точки, наблюдаемой оператором, путем обработки выходных сигналов видеокамеры и инерциальных измерителей;
- контроллер обеспечивает изменение формируемых сигналов для средства отображения информации в зависимости от того, на какой рабочий орган и/или на какую часть рабочего органа направлен взгляд оператора, например, в зависимости от изменения направления взгляда оператора с отвала бульдозера на рыхлитель;
- средство отображения информации, расположенное на рабочем органе или на штанге, прикрепленной к рабочему органу, выполнено в виде одного или нескольких световых сигнализаторов, в частности сигнальных ламп или жидкокристаллических индикаторов, оснащенных полупрозрачным отражателем и задней подсветкой и обеспечивающих возможность считывания информации оператором при любом уровне внешней освещенности этих сигнализаторов. Эти сигнализаторы, в частности, приспособлены для отображения информации о текущем положении рабочего органа и/или о рекомендуемом воздействии оператора на органы управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины из условия обеспечения необходимого уровня безопасности работы машины, качества выполняемого технологического процесса и/или топливной экономичности машины;
- контроллер приспособлен для количественной оценки психофизиологических возможностей человека-оператора по восприятию отображаемой информации и управлению машиной путем анализа движений его глаз и/или обработки результатов измерения времени задержки изменения по меньшей мере одного рабочего параметра машины и/или режима ее работы относительно времени изменения отображаемой информации, используемой оператором для указанного управления;
- контроллер выполнен с возможностью сокращения или исключения формирования тех сигналов для средства отображения информации, которые относятся к изменениям тех рабочих параметров машины, и/или режимов ее работы, и/или параметров внешней среды, на которые отсутствует реакция оператора, за исключением связанных с безопасностью работы машины;
- средство отображения информации размещено на голове оператора машины и выполнено в виде маски, или шлема, или очков, при этом часть прозрачного или полупрозрачного стекла маски, или шлема, или очков, через которую оператор видит рабочий орган и внешнее пространство машины, содержит дисплей, приспособленный для наложения в поле зрения оператора отображаемой информации о рабочих параметрах машины, и/или режимах ее работы, и/или параметрах внешней среды, на видимое оператором изображение рабочего органа и внешнего пространства машины;
- устройство оснащено видеокамерой, соединенной с контроллером и направленной по меньшей мере на часть рабочего органа и/или пространства, окружающего машину, причем контроллер осуществляет распознавание характерных деталей рабочего органа или зоны работы машины путем обработки сигналов видеокамеры, а средство отображения информации обеспечивает наложение в поле зрения оператора отображаемой информации о рабочих параметрах машины, и/или режимах ее работы, и/или параметрах внешней среды, на видимое оператором изображение рабочего органа и пространства, окружающего машину, с привязкой положения наложенной информации к положению характерных деталей рабочего органа и/или пространства, окружающего машину;
- контроллер обеспечивает формирование и передачу на средство отображения информации, содержащей графические и/или текстовые инструкции для оператора, отображаемые в виде наложения на видимое оператором изображение рабочего органа и пространства, окружающего машину;
- элементы средства отображения информации, приспособленные для наложения информации на видимое оператором изображение рабочего органа и пространства, окружающего машину, выполнены с возможностью их перехода в прозрачное состояние после получения от контроллера сигнала отключения этого наложения;
- контроллер оснащен средством беспроводной связи, обеспечивающим прием сигналов видеокамеры, информационных сигналов, требований к выполняемому рабочему процессу и/или указаний для оператора по управлению машиной от другой машины, другого мобильного объекта и/или от стационарного объекта, при этом контроллер осуществляет формирование сигналов для средства отображения информации с учетом информации, полученной от средства беспроводной связи, а указанный порядок этого учета предварительно определен и записан в энергонезависимую память контроллера;
- средство отображения информации, приспособленное для отображения произошедшего в результате управляющего воздействия оператора изменения по меньшей мере одного рабочего параметра машины и/или режима ее работы, выполнено с возможностью представления этого изменения в виде геометрической фигуры, имеющей различную форму, различный цвет и/или различную площадь, в частности, отображения информации в зеленом цвете, если это изменение приводит к повышению безопасности работы, улучшению качества выполняемого технологического процесса или повышению топливной экономичности машины, или в красном цвете, если данное изменение соответствует их ухудшению. При этом индикаторы или дисплеи средства отображения информации, расположенные на органах управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины, обеспечивают, например, отображение стрелок, треугольников или иных символов, указывающих на необходимые или наиболее рациональные направления перемещения органов управления, Возможно также отображение информации различным цветом в зависимости от величины допустимой задержки воздействия оператора на соответствующий орган управления относительно времени отображения этой информации;
- устройство дополнительно содержит приемник глобальной спутниковой системы позиционирования GPS/Глонасс, установленный на машине и соединенный с контроллером, а средство отображения информации приспособлено для предоставления оператору данных о положении машины на местности.
Между совокупностью существенных признаков предложенного устройства и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, обусловленная оптимизацией комплекса «оператор - машина» части совершенствования технических средств, предназначенных для предоставления оператору визуальной информации о работе машины при ручном или автоматизированном управлении ее рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем, с учетом конструктивных особенностей машины и особенностей технологических процессов, для выполнения которых она предназначена.
Это обусловлено тем, что реализация индикаторного устройства рабочей машины в соответствии с различными альтернативными отличительными признаками независимого пункта формулы изобретения в их любом сочетании обеспечивает предоставление оператору, по сравнению с известными устройствами, более адекватной, однозначной, точной и оперативной информации о рабочих параметрах машины, режимах ее работы и параметрах внешней среды.
Известно, что система «человек - машина» («оператор - рабочая машина») эффективна только тогда, когда она функционально взаимоорганизована и учитывает психофизиологические возможности человека-оператора. Поскольку около 80% информации о работе машины оператор получает путем визуального наблюдения рабочего органа, окружающего пространства и показаний контрольно-измерительных приборов, предложенное совершенствование индикаторного устройства в направлениях, характеризующихся признаками формулы изобретения, непосредственно связано с достижением указанного технического результата - приводит к повышению быстродействия, надежности, точности и безопасности ручного или автоматизированного управления машиной.
Под быстродействием в данном случае подразумевается время прохождения информации по замкнутому контуру «оператор - машина», т.е. время, отсчитываемое от момента изменения какого-либо параметра или режима работы машины до реакции оператора на это изменение; под надежностью и точностью работы оператора - степень вероятности правильного решения задач оператором; под своевременностью решения задач по управлению машиной - вероятность того, что поставленная задача будет решена вовремя, т.е. не позже установленного времени, а под безопасностью - снижение вероятности травм оператора и аварий машины.
Наглядное и удобное предоставление оператору информации о работе машины, в том числе без изменения направления его взгляда, без поворота головы и без перефокусирования взгляда, в частности путем формирования изображения непосредственно на рабочем органе, а также в виде объемного изображения, «висящего» в пространстве вблизи рабочего органа, позволяет повысить быстродействие считывания информации и снизить умственную нагрузку на оператора, что приводит к повышению надежности, точности и безопасности управления машиной. К этому же результату приводит оснащение средства отображения информации автономным источником питания и беспроводным каналом связи, что позволяет разместить это устройство в зоне, наиболее удобной для наблюдения оператором, в том числе на рабочем органе или ином подвижном элементе конструкции машины.
Обеспечение в приложенном индикаторном устройстве высокой распознаваемости отображаемой информации, а именно отделение сигналов, несущих полезную информацию, от сигналов с посторонней информацией, исключает для оператора необходимость фильтрации отображаемой информации. Для этого в отдельных вариантах предложенного устройства реализовано наложение отображаемой информации на отдельные части визуально воспринимаемого оператором реального изображения рабочего органа и пространства, окружающего машину, применения различного кодирования сигналов с использованием характеристик формы, цвета и т.д.
Недостающая и излишняя (неадекватная) информация создает дополнительную умственную нагрузку на оператора, поскольку в этих случаях оператор вынужден принимать решения по управлению машиной на основе недостаточной информации или отбирать необходимую информацию из предоставленной. Поэтому в предложенном индикаторном устройство, с целью достижения необходимого технического результата, обеспечивается передача оператору только информации, необходимой для выполнения задач по управлению машиной и в соответствии с его психофизиологическими возможностями (степенью утомляемости). Информация, на которую оператор не реагирует, автоматически исключается из числа отображаемой.
Исключение в предложенном устройстве неоднозначности информации, предоставляемой оператору, в частности путем ее ранжирования, в том числе за счет использования различных способов отображения допустимых или недопустимых значений рабочих параметров машины, позволяет исключить необходимость ее интерпретации оператором и, соответственно, сократить время реакции на ее изменение.
Предусмотренное в устройстве отображение дополнительной (резервной) информации в реальном масштабе времени с привязкой рабочим процессам машины позволяет оператору оперативно проверить основную отображаемую информацию. Этому же способствует предоставление оператору возможности самостоятельно выбирать количество дополнительной информации, которое он считает необходимым для выполнения задач по управлению машиной.
К существенному повышению быстродействия, надежности, точности и безопасности ручного или автоматизированного управления машиной приводит также предусмотренное в предложенном устройстве отображение результатов действий оператора по управлению машиной, в том числе динамических изменений параметров и режимов работы машины и их прогнозируемых изменений.
Несколько иной механизм достижения указанного технического результата задействован при реализации в индикаторном устройстве записи отображаемой информации и времени этой записи в запоминающее устройство (при реализации «черного ящика»). В данном случае необходимый результат обеспечивается за счет дисциплинирующего фактора, обусловленного введением контроля за действиями и бездействием оператора, что способствует снижению количества случаев умышленного или непреднамеренного нарушения оператором машины установленных правил ее эксплуатации. По этой же причине к достижению этого технического результата приводит реализация идентификации оператора.
Повышение быстродействия, надежности, точности и безопасности ручного или автоматизированного управления машиной путем улучшения показателей предложенного индикаторного устройства, реализованное с «привязкой» направлений этого улучшения к конструктивным и эксплуатационным особенностям работы машины, достигается при реализации как одного из альтернативных отличительных признаков независимого пункта формулы изобретения, так и одновременно нескольких этих признаков в их любом сочетании. От выбора и сочетания реализуемых отличительных признаков предложенного индикаторного устройства изменяется лишь уровень достигаемого повышение быстродействия, надежности, точности и безопасности управления машиной.
Дополнительно причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков предложенного устройства и достигаемым техническим результатом показана далее при описании различных вариантов реализации предложенного индикаторного устройства.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом, на котором изображена его упрощенная функциональная схема.
Индикаторное устройство рабочей машины, дополненное компонентами рабочей машины, использующимися при его работе, содержит контроллер 1 и соединенные с ним средство отображения информации 2, датчики рабочих параметров и режимов работы машины 3, датчики параметров внешней (окружающей) среды 4, одну или несколько видеокамер 5 (например, объединенные в стереопару), приемник сигналов спутниковой глобальной навигационной системы (GNSS) Navstar-GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou и т.п. 6, органы управления 7 индикаторным устройством, рабочим оборудованием, двигателем и трансмиссией машины, средство связи 8, а также средства распознавания речевых команд оператора 9 и его идентификации 10. Датчики 3, 4 и органы управления 7 могут либо входить в состав индикаторного устройства, либо для работы этого устройства могут использоваться датчики и органы управления, установленные на машине.
Контроллер 1 может именоваться также вычислителем, электронным, измерительным или информационно-измерительным блоком и т.п. Он реализован, преимущественно, на основе программируемого микроконтроллера или цифрового сигнального процессора и содержит интерфейсные схемы, встроенное энергонезависимое запоминающее устройство (блок памяти) 11, устройства его электрического питания, защиты от внешних воздействий и т.п.
Средство отображения информации 2, предпочтительно электронно-оптическое, может быть прямого наблюдения (для непосредственного воспроизведения информации), либо проекционного типа. Этот средство отображения, в зависимости от варианта реализации предложенного индикаторного устройства, имеет кабинное, нашлемное исполнение или исполнение в виде очков. Возможна его реализация в виде набора сигнальных ламп или светодиодных индикаторов. Наиболее предпочтительным является применение жидкокристаллических индикаторов просветного (прозрачного или полупрозрачного) или отражательного типа.
Под рабочими параметрами машины подразумеваются скоростные, нагрузочные и технологические параметры рабочей машины, например действительная и теоретическая скорости движения машины, коэффициент буксования колесного или гусеничного движителя, угловые скорости двигателя внутреннего сгорания и валов трансмиссии, тяговое усилие, глубина обработки почвы или толщина срезаемой стружки грунта, объем призмы волочения бульдозера и т.д. К режимам работы машины относятся, в частности, транспортный режим и режим рабочего хода, режимы бульдозирования и рыхления грунта (для бульдозерно-рыхлительного агрегата), режимы набора и транспортирования какого-либо материала (для погрузчика) и т.д. Режимы работы машины могут контролироваться с помощью отдельных датчиков, либо путем обработки выходных сигналов датчиков рабочих параметров машины 3.
К параметрам окружающей (внешней) среды относятся температура и влажность окружающего воздуха, скорость ветра, уровень внешней освещенности и т.д.
Выбор необходимых датчиков рабочих параметров, режимов работы машины 3 и параметров внешней (окружающей) среды 4 зависит от конструкции машины, рабочего процесса, для выполнения которого предназначена данная машины, и требований к ее системе управления.
Органы управления 7 индикаторным устройством, рабочим оборудованием, двигателем и трансмиссией машины выполнены в виде аппаратов управления (джойстиков), рукояток управления, переключателей кнопок, клавиш и т.п., в том числе бесконтактных и квазисенсорных. Машина может иметь механическое или гидромеханическое управление приводом рабочего органа, трансмиссией и двигателем (ДВС). В этом случае положение этих органов управления, в случае необходимости, контролируется с помощью специально установленных датчиков перемещения их механических элементов, например концевых выключателей. Отдельные органы управления могут быть также установлены на корпусах или передних панелях контроллера 1 и средства отображения информации 2.
В состав индикаторного устройства может входить средство беспроводной связи 7 (приемопередатчик радиосигнала, в частности, сотовой связи), соединенное с контроллером 1 и обеспечивающее обмен информацией со стационарным постом или с аналогичным средством связи (приемопередатчиком), расположенным на другой машине.
Для определения положения головы оператора устройство может содержать инерциальные измерители (на чертеже условно не показаны), каждый из которых в общем случае содержит трехосевой микромеханический гироскоп, трехосевой микромеханический акселерометр, трехосевой магнитометр и микроконтроллер для цифровой обработки их сигналов. Инерциальные измерители обеспечивают измерение угловых положений точек (объектов) их установки (на шлеме или очках оператора и в кабине машины) путем цифрового интегрирования сигналов гироскопов, а также скоростей и линейных перемещений этих точек путем, соответственно, интегрирования и двойного интегрирования сигналов акселерометра. Для установки начальных значений и коррекции дрейфа интеграторов инерциальных измерителей используются акселерометры, магнитометры и/или приемник GNSS 6. Для такой коррекции может быть использована Калмановская фильтрация.
Для определения положения головы оператора в кабине машины и направления его взгляда, а также для идентификации оператора по чертам его лица, в кабине машины может быть установлена дополнительная видеокамера или две видеокамеры (стереопара). Идентификация оператора может осуществляться также с помощью отдельного средства идентификации оператора 10, построенного, в частности, по принципу анализа отпечатков пальцев или выявления характерных особенностей речи оператора.
Средство распознавания речевых команд оператора 9 выполнено в виде микрофона и цифрового сигнального процессора, осуществляющего обработку его сигналов.
Наличие или отсутствие различных составных частей индикаторного устройства, а также допустимые варианты их конструктивного исполнения зависят от конструкции рабочей машины, на которой используется это устройство, от требований к системе управления машины, условий ее эксплуатации, особенностей выполняемых этой машиной технологических процессов, а также от варианта реализации предложенного индикаторного устройства, характеризующегося различными альтернативными признаками формулы изобретения.
Соединение составных частей устройства между собой быть реализовано с использованием отдельных проводов, мультиплексной линии связи (CAN, LIN, RS-485 и т.д.), беспроводных линий связи (ZigBee, Wi-Fi и т.д.) или их комбинации. На чертеже условно показано соединение с использованием двух шин CAN и отдельных проводов (для подключения органов управления 7 и средства отображения информации 2).
Во время работы машины контроллер 1, работая под управлением программы, записанной в памяти его микроконтроллера, осуществляет обработку выходных сигналов датчиков 3, 4 и других подключенных к нему устройств. В результате этой обработки формируются сигналы, поступающие на средство отображения информации 2, которые содержат информацию, подлежащую отображению и зрительному восприятию оператором машины.
Средства отображения информации 2 используются оператором для считывания количественных и качественных показателей работы машины, предупреждающих и информационных сообщений в различной форме и другой информации, необходимой для эффективного и безаварийного управления рабочими органами, трансмиссией (направлением и скоростью движения машины) и двигателем машины.
При проектировании предложенного индикаторного устройства осуществляется выбор одного или одновременно нескольких альтернативных признаков формулы изобретения, подлежащих реализации, в зависимости от технико-экономических требований к этому устройству. Проводится психологический анализ деятельности оператора и определяется объем информации, необходимой ему для управления данной машиной, осуществляется согласование интенсивности потока отображаемой информации с реальными возможностями оператора по приему и обработке этой информации, а также по управлению машиной, выбор конкретных типов индикаторов, наиболее полно соответствующих возможностям оператора и характеру решаемых задач по управлению машиной.
В предпочтительных вариантах реализации предложенного устройства, предусматривающих обеспечение оператора необходимой и достаточной информацией для оценки ситуации и предоставление оператору возможности принятия правильного решения по управлению машиной и контроля реакции машины на это управление, средство отображения информации обеспечивает формирование изображения, которое зрительно воспринимается оператором машины как расположенное на рабочем органе, «висящим» в окружающем пространстве вблизи рабочего органа или расположенным на грунтовой поверхности вблизи рабочего органа машины.
Предпочтительность таких вариантов обусловлена тем, что при управлении машиной взгляд оператора направлен, преимущественно, на рабочий орган машины. Поэтому для восприятия изображения, расположенного на рабочем органе, «висящего» в пространстве около рабочего органа или расположенного на грунтовой поверхности вблизи него, оператору не требуется изменять направление взгляда, осуществлять поворот головы и перефокусировать зрение. Благодаря этому достигается минимальное время восприятия информации оператором и наиболее оперативное реагирование на ее изменение.
Простейшим вариантом реализации средства отображения информации в таком индикаторном устройстве является расположение светового сигнализатора на рабочем органе или на штанге, прикрепленной к рабочему органу, с обеспечением защиты данного сигнализатора от внешних воздействий и механических повреждений. Такой световой сигнализатор может быть выполнен в виде сигнальной лампы (ламп) или жидкокристаллического индикатора, оснащенного полупрозрачным отражателем и задней подсветкой, что обеспечивает возможность считывания информации оператором при любом уровне внешней освещенности этого сигнализатора.
На этот световой сигнализатор контроллером 1 может выводиться информация о текущем положении рабочего органа и/или о рекомендуемом воздействии оператора на органы управления машиной. Критериями формирования таких рекомендаций является обеспечение необходимого уровня безопасности работы машины, качества выполняемого технологического процесса и/или топливной экономичности машины.
Средство отображения информации 2, содержащее сигнализатор, расположенный на рабочем органе, ввиду подвижного соединения рабочего органа с машиной и сложности реализации проводного подключения к контроллеру, целесообразно оснастить автономным источником питания и приемопередатчиком для беспроводного приема данных от контроллера 1.
Возможным вариантом реализации устройства, обеспечивающего отображение информации на рабочем органе или на грунтовой поверхности вблизи рабочего органа машины, является использование лазерного проектора (излучателя), формирующего это изображение с помощью лазерного луча.
К другим вариантам реализации устройства, обеспечивающим отображение информации на рабочем органе, в окружающем пространстве вблизи рабочего органа или на грунтовой поверхности вблизи рабочего органа машины, является использование проекционного дисплея. В этих случаях средство отображения информации 2 содержит проектор, направленный на переднее, заднее и/или боковое стекло кабины. На этом стекле (стеклах) непосредственно на линии визирования оператора устанавливается прозрачный или полупрозрачный комбинер, имеющий коэффициент пропускания для дневного света порядка 75%, который отражает или рассеивает излучение проектора. По принципу действия комбинер может быть в виде селективного отражающего покрытия, голографическим, дифракционным или призматическим. Наиболее простым способом организации деления светового потока на поверхности комбинера является нанесение на стекло узкополосного отражающего покрытия, у которого пик отражающей способности приходится на спектральный максимум излучения проектора (генератора символов). В случае если необходимо иметь цветное изображение для повышения информативности индикаторного устройства, может быть использовано сложное покрытие, имеющее пики отражательной способности на трех основных длинах волн. При любом варианте исполнения комбинера, для обеспечения необходимого уровня яркости контрастности отображаемой информации на фоне внешнего пространства, проектор (генератор отображаемой информации) имеет высокую яркость излучения.
Проецирование информации на комбинер (экран, отражатель), расположенный на стекле перед оператором, дает ему возможность воспринимать эту информацию не отрывая взгляда от рабочего органа и пространства, окружающего машину.
В следующих вариантах реализации предложенного индикаторного устройства оператору предоставляется возможность «видеть» сквозь непрозрачные элементы машины (стойки кабины, капот и т.д.) и рабочий орган.
Для этого контроллером 1 с использованием видеокамеры 6, направленной на части рабочего органа и/или пространства, окружающего машину, которые закрыты от наблюдения оператором машины элементами ее конструкции или рабочим органом, формируются виртуальные изображения этих частей. Эти части изображения с помощью средства отображения информации отображаются на поверхности тех элементов конструкции машины и рабочего органа, которые ограничивают поле зрения оператора.
Например, на стойке кабины, ограничивающей поле зрения оператора, устанавливается дисплей. В частности, жидкокристаллический дисплей, имеющий форму, повторяющую поверхность стойки кабины. На этот дисплей выводится та часть полученного с помощью видеокамеры 5 и контроллера 1 изображения рабочего органа и пространства, окружающего машину, которая скрыта от прямого наблюдения оператором этой стойкой кабины. В результате такой замены реального изображения виртуальным оператор получает возможность видеть сквозь стойку кабины. Аналогичным образом дисплеи устанавливаются на поверхность любого другого элемента конструкции машины, который ограничивает поле зрения оператору, и на эти дисплеи выводится именно виртуальное изображение именно той части рабочего органа и пространства, окружающего машину, которая скрыта от прямого наблюдения оператором этим элементом конструкции машины.
В следующем варианте реализации предложенного индикаторного устройства средство отображения информации 2 выполнено проекционного типа, а элементы конструкции машины, ограничивающие поле зрения оператора, имеют поверхности, используемые в качестве экранов проектора, на которых отображаются те части полученного с помощью видеокамеры 5 и контроллера 1 изображения рабочего органа и/или пространства, окружающего машину, которые закрыты от прямого наблюдения оператором машины этими элементами.
В другой группе индикаторных устройств, реализованных в соответствии с иными отличительным признаками изобретения, используется принцип дополнения наблюдаемого оператором реального изображения рабочего органа и пространства, окружающего машину, виртуальной информацией, сформированной контроллером 1 путем обработки выходных сигналов датчиков 3, 4 и других подключенных к нему устройств 6-10. В отдельных вариантах реализуемого устройства при формировании сигнала, поступающего на средство отображения информации 2, используется видеокамера (видеокамеры) 5.
В этих случаях средство отображения информации 2 содержит дисплей, встроенный в переднее, заднее и/или боковое стекло кабины машины, например жидкокристаллического типа, либо выполнено проекционного типа. В последнем случае на соответствующем стекле кабины на линии визирования (направления взгляда) оператора устанавливается прозрачный или полупрозрачный комбинер, назначение и особенности работы которого были описаны выше.
Если средство отображения информации 2 имеет нашлемное исполнение или выполнено в виде очков, то дополнительная информация ретранслируется на дисплеи просветного или проекционного типа, расположенные перед глазами оператора.
В случае когда машина имеет два или более рабочих органов, оптимальный объем дополнительной информации, предоставляемой оператору, зависит от того, с каким рабочим органом в данный момент времени работает машина, т.е. от того, на какой рабочий орган направлен взгляд оператора, или от положения точки в окружающем пространстве, на которую направлен взгляд оператора. Для реализации изменения этой информации в отдельных вариантах реализации предложенного индикаторного устройства с помощью инерциальных измерителей и/или дополнительной видеокамеры (двух видеокамер), установленных в кабине, и/или на шлеме, или очках оператора, определяется направления его взгляда. Примером использования такого технического решения является изменение предоставляемой оператору визуальной информации при изменении направления взгляда оператора с отвала бульдозера на рыхлитель в процессе работы бульдозерно-рыхлительного агрегата.
При одновременном использовании видеокамеры 5 и нашлемного исполнения средства отображения информации 2, либо его исполнения в виде очков, реализуется вариант индикаторного устройства, в котором видеокамера 5 перехватывает изображение реального мира и вместе с дополнительным слоем информации оно выводится на дисплеи, расположенные перед глазами оператора. Контроллер 1 формирует виртуальное изображение, заменяющее реальное изображение каких-либо объектов, видимых оператором. Например, реальные изображения стоек кабины и капота, ограничивающих поле зрения оператора, заменяются виртуальными изображениями тех частей рабочего органа и пространства, окружающего машину, прямое наблюдение которых невозможно из-за наличия этих стоек и капота. В этом случае часть рабочего органа и окружающего пространства оператор видит непосредственно, а часть - в виде виртуального изображения, т.е. как бы видит сквозь стойки кабины и сквозь капот машины. При этом на видимые оператором реальные и виртуальные изображения рабочего органа и окружающей среды дополнительно накладывается нужная ему информация о работе машины.
Еще в одном варианте реализации индикаторного устройства контроллер 1 определяет психофизиологические возможности оператора по восприятию отображаемой информации и по управлению машиной, оценивая его реакцию на изменение предоставляемой визуальной информации, и далее регулирует, в частности сокращает, объем предоставляемой информации, исключая предоставление той информации, на которую отсутствует реакция оператора (за исключением информации, связанной с обеспечением безопасности работы машины). Приведение потока информации в соответствие с пропускной способностью оператора приводит к повышению эффективности управления машиной, поскольку позволяет оператору сосредоточиться на решении наиболее важных задач этого управления. С этой же целью контроллер 1 осуществляет установку длительности интервала времени отображения информации на уровне, достаточном для ее восприятия и обработки оператором, исключая избыточность этой длительности.
Еще в одном варианте реализации индикаторного устройства использовано речевое управление индикацией, что позволяет осуществить изменение объема и вида отображаемой информации без отвлечения оператора от управления машиной. Это также способствует повышению быстродействия, надежности, точности и безопасности управления рабочей машиной.
В отдельных случаях в процессе работы машины оператору необходимо переносить свой взгляд с рабочего органа на органы управления машиной. В этих случаях, с целью повышения эффективности этого управления, индикаторы или дисплеи средства отображения информации могут быть расположены непосредственно на органах управления рабочим оборудованием, трансмиссией и двигателем машины. На эти индикаторы и дисплеи выводится, в частности, информация об указаниях или рекомендациях для оператора по воздействию на соответствующий орган управления.
Изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами его осуществления. Специалистам в данной области техники понятно, что самые разные изменения и модификации этих вариантов могут быть выполнены в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
Источники информации
1. RU 106188 U1, B60K 35/00, B60K 37/02, 10.07.2011.
2. JP 6087352, B60K 20/06, B60K 35/00, 07.09.1992.
3. US 6119442 A, A01D 41/12, B62D 5/00, A01C 15/00, 19.09.2000.