使用提供距離信息的圖像采集裝置的重型設(shè)備導(dǎo)航和工作刃定位的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及GNSS/INS系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于重型設(shè)備導(dǎo)航和工作刃定位的GNSS/INS系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]重型設(shè)備車輛通常具有被利用來執(zhí)行特定功能的一個或更多個工作刃(例如，刀片)。重型設(shè)備的示例包括例如推土機(jī)、平地機(jī)、前端裝載機(jī)、反向鏟等。如本文所使用的，術(shù)語工作刃通常指代執(zhí)行其中精確定位可能是必要的特定功能的重型設(shè)備的任何部件。工作刃的示例可以包括推土機(jī)或平地機(jī)的刀片、反向鏟的鏟子等。
[0003]在正常操作期間，重型設(shè)備的駕駛員將利用工作刃來執(zhí)行某種功能，例如，使用推土機(jī)的刀片來把一段土地弄平至預(yù)定等級。通常在操作期間人工地檢查工作以確保它已根據(jù)預(yù)定義規(guī)范完成。例如，推土機(jī)操作員可以把該段土地弄平，但是需要單獨的檢查來驗證它在所期望的等級、寬度等。這可能導(dǎo)致執(zhí)行工作并且然后取得測量結(jié)果的迭代過程，其中測量結(jié)果被用于下一輪工作直到已實現(xiàn)所期望的結(jié)果為止。也就是說，重型設(shè)備可以執(zhí)行操作，例如，把一段土地分級。在分級之后，一隊勘測員和/或工程師然后必須人工地驗證分級正確等。如果存在誤差，則重型設(shè)備必須在取得第二組測量結(jié)果之前執(zhí)行第二遍等。
[0004]近來，各種制造商已生產(chǎn)與重型設(shè)備機(jī)械一起使用的自動工作刃定位系統(tǒng)。自動工作刃定位系統(tǒng)被設(shè)計來通過在工作的同時精確地指導(dǎo)操作員來使得能實現(xiàn)生產(chǎn)力提高。通常，自動工作刃定位系統(tǒng)在操作期間控制工作刃的定位，使得所期望的工作按照自動化方式執(zhí)行。這通常導(dǎo)致完成項目所需要的工作測量迭代次數(shù)的減小。通過使工作刃定位自動化，通常通過減小勘測停工次數(shù)等來增加生產(chǎn)力。替代地，利用自動化的工作刃定位系統(tǒng)，可以按照更高效方式進(jìn)行工作。
[0005]在常規(guī)的重型設(shè)備工作刃控制系統(tǒng)中，一個或更多個傳感器附加至工作刃以監(jiān)測它相對于重型設(shè)備車輛的固定點的位置和/或定向。例示性地，這個工作刃位置信息經(jīng)由一個或更多個電纜被中繼給位于車輛的駕駛室內(nèi)的控制系統(tǒng)。通常，重型設(shè)備車輛將包括提供機(jī)器的準(zhǔn)確位置的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)。結(jié)合所中繼的刀片位置，這個定位信息由工作刃控制系統(tǒng)利用來準(zhǔn)確地把工作空間分級和/或弄平。
[0006]有人指出，常規(guī)的重型設(shè)備工作刃控制系統(tǒng)的缺點是精密傳感器被安裝在工作刃上并且因此在機(jī)器的正常操作期間易被損壞。損壞的這個增加機(jī)會是位于非常緊張的工作環(huán)境中的結(jié)果。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解的，重型設(shè)備機(jī)器的工作刃在操作期間經(jīng)受許多應(yīng)力。這些應(yīng)力可能是臟或其它材料擊中傳感器的結(jié)果，從而使它們損壞或?qū)⑺鼈兦贸刹粚?zhǔn)和/或不校準(zhǔn)。
[0007]傳感器由于它們位于其中的緊張工作環(huán)境而導(dǎo)致的損壞減小自動工作刃控制系統(tǒng)的有效性。響應(yīng)于傳感器的損壞，必須停止工作并且替換和/或修理傳感器。因此，通過使用自動化工作刃控制系統(tǒng)的低效的預(yù)期減小由于在修理/替換傳感器時花費的停機(jī)時間而喪失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]現(xiàn)有技術(shù)的缺點通過提供一種為重型設(shè)備機(jī)器提供位置信息的新穎GNSS/INS系統(tǒng)來克服。視覺系統(tǒng)被利用來通過經(jīng)由圖像捕獲裝置(諸如飛行時間相機(jī))采集圖像的方式來獲得工作刃位置信息。所述位置信息由所述視覺系統(tǒng)在視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)中計算。所述工作刃位置信息然后被變換成與所述GNSS/INS系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)。經(jīng)變換的工作刃位置信息然后可以由工作刃控制系統(tǒng)利用。
[0009]在操作期間，所述GNSS/INS系統(tǒng)提供與所述重型設(shè)備車輛的位置有關(guān)的準(zhǔn)確位置和導(dǎo)航信息。例示性地，安裝在所述車輛上的具有空間區(qū)域的固定視場的圖像采集裝置(諸如相機(jī))采集包括被附加在所述工作刃上的預(yù)定位置處的目標(biāo)的圖像，所述目標(biāo)可以在所述空間區(qū)域內(nèi)移動。所述圖像采集裝置例示性地提供關(guān)于其視場內(nèi)的每一個像素的強(qiáng)度值和距離值。根據(jù)所述位置信息，所述圖像采集裝置可以提供所述目標(biāo)在視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置信息。
[0010]在使用之前的配置/校準(zhǔn)操作期間，在與所述視覺系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)與由所述GNSS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)利用的坐標(biāo)系統(tǒng)之間定義已知變換。一旦基于所述目標(biāo)在所述圖像內(nèi)的位置在所述視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)中為所述工作刃獲得了所述位置信息，就應(yīng)用預(yù)定義變換來生成所述工作刃在所述導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。然后可以將這個信息輸出給自動化工作刃控制系統(tǒng)以用于在準(zhǔn)確地分級和/或執(zhí)行其它操作時使用。
【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的上述和另外的優(yōu)點是相對于以下圖來說明的，在以下圖中相同的附圖標(biāo)記指示類似的功能或結(jié)構(gòu)部件，其中:
[0012]圖1是可以在本發(fā)明的例示性實施方式中利用的示例性重型設(shè)備車輛的側(cè)視圖；
[0013]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的示例性目標(biāo)的工作刃的立體圖；
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的可以被利用的GNSS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的功能框圖；
[0015]圖4是詳述了根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)啟動處理的步驟的流程圖；
[0016]圖5是詳述了根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)處理的步驟的流程圖；
[0017]圖6是根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的可以被利用的GNSS/INS系統(tǒng)的功能框圖；以及
[0018]圖7是詳述了根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的確定工作刃的位置的程序的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]重銦設(shè)備和工作刃
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的其中可以利用本發(fā)明的原理的示例性重型設(shè)備車輛100 (例如，推土機(jī))的側(cè)視圖。推土機(jī)100例示性地包括工作刃，例如，刀片105。此外，推土機(jī)100包括安裝在其上被配置為獲得在操作上互連/附加至刀片105的目標(biāo)200的圖像的圖像采集裝置110。圖像采集裝置110包括固定視場120，其包括目標(biāo)200可以在其內(nèi)在工作刃105的操作期間移動的空間區(qū)域。例示性地，圖像采集裝置110包括飛行時間(TOF)相機(jī)。TOF相機(jī)例示性地為TOP相機(jī)的視場中的各個像素提供強(qiáng)度值和離該相機(jī)的距離這二者。在操作上與圖像采集裝置110互連的是光照單元125。光照單元125例示性地發(fā)射強(qiáng)度調(diào)制光。光擊中視場內(nèi)的物體并且反射回到圖像采集裝置110。圖像采集裝置使與所發(fā)射和接收到的光照有關(guān)的信息相關(guān)聯(lián)以針對視場內(nèi)的各個像素計算到物體的距離。此外，推土機(jī)包括被配置為接收GNSS信號以供由參照圖3在下面進(jìn)一步描述的導(dǎo)航系統(tǒng)300使用的天線115。
[0021]應(yīng)該注意，雖然本文所包含的描述參考具有刀片105的推土機(jī)100，但是明確地設(shè)想了可以在任何類型的重型設(shè)備車輛具有任何形式的工作刃情況下利用本發(fā)明的原理。因此，對具有刀片的推土機(jī)的描述應(yīng)該被視為僅示例性的。此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解的，可以將本發(fā)明的原理擴(kuò)展為包含具有多個工作表面的那些機(jī)器，例如具有前端裝載機(jī)和反向鏟這二者的機(jī)器。在這樣的實施方式中，可以利用多個目標(biāo)105和/或圖像采集裝置110。在一個這樣的實施方式中，各個工作表面將與一個或更多個目標(biāo)105和圖像采集裝置110相關(guān)聯(lián)。例如，第一目標(biāo)可以在其中第一圖像采集裝置110聚焦在其上的推土機(jī)的刀片上。第二目標(biāo)可以附加至其中第二圖像采集裝置110聚焦在其上的反向鏟。然而，在另選的實施方式中，如果不能夠采集多個目標(biāo)的圖像則可以利用單個圖像采集裝置110。在另一個另選的實施方式中，可以在單個工作表面105上利用多個目標(biāo)200?？梢岳枚鄠€目標(biāo)來改進(jìn)準(zhǔn)確性，以避免由于機(jī)器的輪廓而導(dǎo)致的盲點等。因此，本文所包含的描述應(yīng)該被視為僅示例性的，并且關(guān)于可以實現(xiàn)本發(fā)明的所期望的原理的可能另選的實施方式不應(yīng)該被解釋為限制性的。
[0022]圖2是根據(jù)本發(fā)明的例示性實施方式的示例性工作刃105的立體圖200。例示性地，視圖200示出了工作刃105的背面。連接至工作刃的是三維目標(biāo)130。例示性地，該目標(biāo)包括連接至工作刃105的預(yù)定義形狀。在一個例示性實施方式中，目標(biāo)105包括被焊接或以其它方式連接至工作刃的金屬球。雖然本文所包含的描述是金屬球的，但是應(yīng)該注意，可以在本發(fā)明的另選的實施方式中利用用于附接的任何形狀和/或材料和/或技術(shù)。因此，對金屬球被焊接至工作刃105的描述應(yīng)該被視為僅示例性的。
[0023]目標(biāo)130由圖像采集裝置和關(guān)聯(lián)處理利用來確定工作刃105相對于圖像采集裝置110的位置。在操作中，光照單元125發(fā)射然后被目標(biāo)130反射的光。反射光由TOF相機(jī)100檢測。TOF相機(jī)和關(guān)聯(lián)電路然后確定圖像采集裝置的視場內(nèi)的各個像素的距離值。因為目標(biāo)130具有預(yù)定義形狀，所以從圖像采集裝置獲得的數(shù)據(jù)可以用來迅速地定位目標(biāo)。也就是說，TOF相機(jī)可以通過檢查在視場內(nèi)和目標(biāo)的三維輪廓匹配的區(qū)域來確定目標(biāo)的位置。通過使用預(yù)定義形狀，即使目標(biāo)的位置被例如覆蓋目標(biāo)130的一部分的污泥或其它巖肩修改TOF相機(jī)也可以檢測到它。
[0024]GNSS/INS 系統(tǒng)
[0025]重型設(shè)備車輛例示性地利用提供有關(guān)重型設(shè)備的位置信息的GNSS/INS系統(tǒng)300。在另選的實施方式中，可以利用僅GNSS或僅INS系統(tǒng)。因此，對GNSS/INS系統(tǒng)的描述應(yīng)該被視為僅示例性的。在2004年4月13日發(fā)布的Tho