專利名稱：包括動態(tài)更新的三維掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括動態(tài)更新的三維掃描裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前沒有允許諸如推土機(jī)等等的機(jī)器使用用于自動機(jī)器控制導(dǎo)引系統(tǒng)計算的實(shí) 時表面信息的方法。過去，在機(jī)器已經(jīng)處理了一區(qū)域之后勘查通過這樣的機(jī)器產(chǎn)生的實(shí)際 表面。應(yīng)理解，勘查工地是費(fèi)時的。航空攝影測量方法已使用激光器來繪制三維地形模型。使用這些方法，有可能實(shí) 現(xiàn)所產(chǎn)生的表面的10cm(3.94英寸)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。對于精確的機(jī)器控制應(yīng)用而言，這 不夠準(zhǔn)確，當(dāng)需要絕對精確度時尤其如此。當(dāng)前的三維控制導(dǎo)引系統(tǒng)使用來自用于機(jī)器操作的控制計算中的設(shè)計的俯仰 (pitch)。然而，該設(shè)計表面不總是匹配機(jī)器在其上操作的實(shí)際表面的俯仰?，F(xiàn)有技術(shù)的機(jī) 器導(dǎo)引系統(tǒng)通過基于刀刃鏟削邊緣刮削表面的假設(shè)來推導(dǎo)表面信息而繪制由機(jī)器產(chǎn)生的 表面。應(yīng)理解，這不總是準(zhǔn)確的假設(shè)。當(dāng)前，測量機(jī)器控制系統(tǒng)性能的唯一方法是在機(jī)器被操作為對表面修整外形的 前后勘查工地的表面。雖然一些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)建議掃描在機(jī)器前面的區(qū)域以免于檢測或 者確定最佳的用于挖掘的鏟削位置并確定機(jī)器位置，例如分別在美國專利6，363，173和 6，363，632中所示，這樣的系統(tǒng)不能提供對機(jī)器操作的提高和對機(jī)器性能的測量。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于在工地之上行進(jìn)的機(jī)器的三維機(jī)器掃描裝置包括安裝在所述機(jī)器上的 掃描器對。所述掃描器對中的每一個掃描器測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離。 所述掃描器對中的一個掃描器朝后，并且所述掃描器對中的另一個掃描器朝前?？刂蒲b置 響應(yīng)于所述掃描器對。所述控制裝置確定所述工地的外形。安裝在所述機(jī)器上的顯示器響 應(yīng)于所述控制裝置，用于顯示所述工地的外形。所述掃描器對包括激光掃描器對，其實(shí)時地確定所述地面上的多個點(diǎn)的位置。該 系統(tǒng)還包括用于監(jiān)測所述機(jī)器的位置的全站儀(total station)。所述全站儀位于已知的 位置，并且監(jiān)測包括所述掃描對的所述機(jī)器的相對位置。所述全站儀包括用于將所述機(jī)器 的位置發(fā)送到所述控制裝置的發(fā)送器。接收器與所述控制裝置相關(guān)聯(lián)，用于從所述全站儀 接收所述機(jī)器的位置。所述掃描裝置包括用于存儲所述工地的外形的存儲器。所述掃描裝置包括在機(jī)器 上承載的用于確定所述機(jī)器的位置和取向的一個或多個GNSS接收器?；蛘?，所述掃描裝置 包括用于投射基準(zhǔn)激光束的激光發(fā)送器以及用于檢測所述基準(zhǔn)光束的在所述機(jī)器上的一 個或多個激光檢測器?？梢源_定所述一個或多個激光檢測器相對于所述激光發(fā)送器的位 置，并且可以確定所述掃描器對的位置和取向?；蛘?，所述三維機(jī)器掃描裝置包括用于確定 包括所述掃描器對的位置和取向的所述機(jī)器的位置和取向的慣性導(dǎo)引系統(tǒng)。所述掃描裝置還包括用于確定所述機(jī)器的取向的一個或多個測斜儀。一種操作工地平土機(jī)的方法，包括以下步驟在所述工地之上移動所述機(jī)器；以 及利用所述機(jī)器上的掃描器對測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離。所述掃描器對 中的一個掃描器朝后以測量在移動的機(jī)器后面的點(diǎn)的相對位置，并且所述掃描器對中的另 一個掃描器朝前以測量在移動的機(jī)器前面的點(diǎn)的相對位置。通過這樣的裝置，可以確定通 過所述機(jī)器實(shí)現(xiàn)的工地外形的改變。所述操作工地平土機(jī)的方法還包括顯示所述工地的外形的步驟。所述利用所述機(jī) 器上的掃描器對測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離的步驟包括使用激光掃描器 對實(shí)時地掃描所述工地處的地面上的所述點(diǎn)的步驟。所述操作工地平土機(jī)的方法還包括以下步驟利用位于已知位置處的全站儀監(jiān)測 包括所述掃描器對的所述機(jī)器的相對位置；將所述機(jī)器的位置從所述全站儀發(fā)送到所述平 土機(jī)上的控制裝置；以及在所述控制裝置處接收所述機(jī)器相對于所述全站儀的所述相對位 置?；蛘?，所述操作工地平土機(jī)的方法還包括以下步驟使用在機(jī)器上承載的用于確定所述 機(jī)器的位置和取向的一個或多個GNSS接收器監(jiān)測所述機(jī)器的位置?；蛘撸霾僮鞴さ仄?土機(jī)的方法還包括以下步驟投射基準(zhǔn)激光束；以及檢測在所述機(jī)器上的所述基準(zhǔn)激光束 以確定機(jī)器位置。此外，所述方法包括使用慣性導(dǎo)引系統(tǒng)以確定包括所述掃描器對的位置 和取向的所述機(jī)器的位置和取向的步驟。所述方法還包括使用一個或多個測斜儀確定所述 機(jī)器的取向的步驟?？梢栽谒鰴C(jī)器在所述工地之上移動時動態(tài)地(on the fly)確定所 述工地的所述外形，并且所述機(jī)器上的所述掃描器估計所述工地表面的所述外形。所述控 制裝置提供控制輸出。所述控制監(jiān)控器提供控制輸出以部分地基于所述工地外形而控制所述機(jī)器的操 作。所述控制裝置基于所述工地的所掃描的外形確定何時修改所述機(jī)器的操作。確定在所 述機(jī)器的前面掃描的點(diǎn)與隨后在所述機(jī)器的后面掃描的相同點(diǎn)的標(biāo)高(elevation)差，并 將該標(biāo)高差用于計算通過所述機(jī)器去除的泥土的體積。所述控制裝置還包括安裝在機(jī)器上 的掃描器，其中所述掃描器測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離，其中所述掃描器 朝前或朝后?？刂蒲b置響應(yīng)于所述掃描器以確定所述工地的外形。安裝在所述機(jī)器上且響 應(yīng)于所述控制裝置的顯示器顯示所述工地的外形。


圖1是包含掃描裝置的實(shí)施例的推土機(jī)的平面視圖；圖2是圖1的推土機(jī)的側(cè)視圖，示例出掃描裝置；圖3是示意圖，示出了通過掃描裝置處理數(shù)據(jù)的方式；以及圖4是流程圖，示例出通過掃描裝置處理數(shù)據(jù)的方式。
具體實(shí)施例方式掃描裝置為推土機(jī)提供了在推土機(jī)在工地之上工作的同時從推土機(jī)動態(tài)地更新 和繪制三維工地表面的能力。所獲得的信息可被用于多個目的，包括自動控制計算、預(yù)期系 統(tǒng)功率要求(例如液壓和負(fù)載)、系統(tǒng)校驗(yàn)和確認(rèn)、生產(chǎn)率計算以及實(shí)時工地地形模擬。提 供在機(jī)器后面處的實(shí)時數(shù)據(jù)的能力提供了對三維機(jī)器控制系統(tǒng)性能的冗余檢查和確認(rèn)。使用該實(shí)時數(shù)據(jù)為機(jī)器控制系統(tǒng)提供了細(xì)化調(diào)節(jié)自動控制裝置的能力，從而在所產(chǎn)生的表面 中實(shí)現(xiàn)所需要的容差。該信息，特別地，表面的俯仰，與自動控制計算一起被使用，并且還可 被用于準(zhǔn)備機(jī)器以進(jìn)行預(yù)期的機(jī)器移動，例如，在需要時通過增大機(jī)器的液壓系統(tǒng)的液壓?，F(xiàn)在參考圖1、2和3，其示例出掃描系統(tǒng)的實(shí)施例。為了推導(dǎo)出動態(tài)的三維地形模 型，該系統(tǒng)包括被安裝在機(jī)器16上的一對掃描器12和14。掃描器12和14各自連續(xù)地測 量與地面18上的多個點(diǎn)的距離。該掃描是以高速進(jìn)行的，其中每個掃描器12和14每秒鐘 測量地面18上的大約5000個點(diǎn)。掃描器12朝后并掃描大致在線20后面的區(qū)域，而掃描 器朝前并掃描大致在線22前面的區(qū)域。通過掃描機(jī)器周圍的表面18，隨著機(jī)器16在工地 之上移動，連續(xù)地掃描在線22前面和在線20后面的點(diǎn)。應(yīng)理解，知曉機(jī)器16和安裝在該 機(jī)器上的掃描器12和14的位置在將相對于機(jī)器的測量結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诠潭ㄗ鴺?biāo)系統(tǒng)的 測量結(jié)果時是重要的。還應(yīng)理解，知曉機(jī)器16和安裝在該機(jī)器上的掃描器12和14的俯仰 (pitch)、滾轉(zhuǎn)(roll)和偏航(yaw)在轉(zhuǎn)變這些測量結(jié)果時是重要的。通過知曉掃描器12 和14的位置和取向，對表面18上的點(diǎn)的所有測量結(jié)果都可被轉(zhuǎn)換成相對于固定參考系統(tǒng) 的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)。累積這些三維數(shù)據(jù)點(diǎn)允許系統(tǒng)產(chǎn)生三維地形模型。確定機(jī)器16相對于固定坐標(biāo)系統(tǒng)的位置的一種方式是在機(jī)器16上提供目標(biāo)并 跟蹤該目標(biāo)相對于已知參考點(diǎn)(即，固定參考系統(tǒng)內(nèi)的參考點(diǎn))的移動?？梢允褂迷O(shè)置在 已知參考點(diǎn)處的自動全站儀M來以這種方式跟蹤該目標(biāo)。如已知的，可以將諸如Trimble SPS930機(jī)器人全站儀或Trimble5605機(jī)器人全站儀用于該目的。這將提供目標(biāo)的位置并隱 含地提供機(jī)器的位置。然而，機(jī)器的取向不能通過僅僅確定機(jī)器上的固定點(diǎn)的位置而限定。 如果需要，可以通過利用機(jī)器16上的多個目標(biāo)(其中通過全站儀跟蹤所述多個目標(biāo)中的每 一個)來估計機(jī)器16的取向。為了完全地限定機(jī)器的取向，必須確定三個點(diǎn)的位置，因此， 必須確定機(jī)器上的三個目標(biāo)的位置。可以通過知曉機(jī)器16的位置及其取向來確定掃描器12和14的位置。如果需要， 可以在掃描器12和14上安裝通過全站儀M跟蹤的目標(biāo)。利用在機(jī)器上的第三目標(biāo)允許 全站儀提供精確地限定掃描器12和14的位置和取向的數(shù)據(jù)。通過到接收器觀的射頻發(fā) 送而將該數(shù)據(jù)從全站儀M發(fā)送到系統(tǒng)控制裝置26。然后，在機(jī)器控制裝置沈中計算三維 地形模型，并將其存儲在存儲器四中。還可以在顯示器30上向機(jī)器16的操作者顯示該地 形模型。利用全站儀M計算掃描器12和14的位置能夠?qū)λa(chǎn)生的地形模型的精確度進(jìn) 行冗余檢查。該掃描系統(tǒng)可被用于其中機(jī)器的操作需要關(guān)于所產(chǎn)生的表面的精確信息的機(jī)器 控制系統(tǒng)中。由于其能夠推導(dǎo)出在機(jī)器16周圍的區(qū)域中的工地表面18的動態(tài)三維地形模 型，該系統(tǒng)可以繪制并顯示通過其他機(jī)器(例如托運(yùn)卡車、振動壓路機(jī)、碾壓機(jī)等等)產(chǎn)生 的外形改變?？梢允褂迷搾呙柘到y(tǒng)來非常精確地計算機(jī)器生產(chǎn)率信息?？梢酝ㄟ^比較機(jī)器 前面的工地表面18與機(jī)器后面的工地表面18來計算通過機(jī)器16移動的材料的量。在機(jī) 器已經(jīng)過或繪制的表面18的所有區(qū)域之上，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的體積計算，從而計算出為實(shí)現(xiàn) 最終的設(shè)計表面所需的鏟削和填充量。該掃描系統(tǒng)提供了關(guān)于所產(chǎn)生的表面的動態(tài)統(tǒng)計信 息，例如表面標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均偏差。也可以使用控制裝置沈的輸出來授益于機(jī)器16的操 作。例如，用于機(jī)器16的控制系統(tǒng)可以基于該地形模型而預(yù)期機(jī)器液壓裝置上的負(fù)載，并 可相應(yīng)地調(diào)整液壓系統(tǒng)的操作。
基于機(jī)器16后面的地形表面18而提供的信息也可被用于增強(qiáng)設(shè)置和控制參數(shù)以 細(xì)化調(diào)整機(jī)器16。該細(xì)化調(diào)整將幫助機(jī)器實(shí)現(xiàn)所希望的設(shè)計表面32。這可預(yù)期或補(bǔ)償機(jī) 器鏈接磨損和廢油、液壓系統(tǒng)延時(反應(yīng)速度)、以及刀片磨損。該系統(tǒng)適于在諸如機(jī)動平 地機(jī)和小型軌道拖拉機(jī)的精細(xì)平地機(jī)上使用?，F(xiàn)在參考圖4，其示例出通過控制裝置沈處理數(shù)據(jù)的方式。分別在50和52中掃 描機(jī)器前面和機(jī)器后面的工地表面，并分別在M和56中存儲來自這些掃描操作的三維數(shù) 據(jù)。還在58中制備用于工地表面的希望的最終外形，并使其可用于系統(tǒng)的控制。利用掃描 的實(shí)際工地表面外形數(shù)據(jù)，即，機(jī)器前面和后面，以及所希望的工地表面外形數(shù)據(jù)，可以實(shí) 現(xiàn)三個功能。首先，通過確定兩個表面外形(機(jī)器前面和機(jī)器后面的實(shí)際表面外形)之間的空 間體積，在60中確定實(shí)際實(shí)現(xiàn)的鏟削量的體積。其次，在62中比較所希望的表面外形與機(jī) 器后面的實(shí)際工地表面外形。在64中標(biāo)注和存儲工地表面的那些需要進(jìn)一步處理的區(qū)域。 第三，在66中比較機(jī)器前面的所希望的工地表面外形與機(jī)器前面的實(shí)際工地表面外形?；?于該比較，接著在68中確定要實(shí)現(xiàn)所希望的工地表面外形所需要的鏟削量。在70中估計 要實(shí)現(xiàn)所希望的工地表面外形所需要的鏟削量是否大于最大可允許的鏟削量，從而使機(jī)器 不超載。如果鏟削量大于最大可允許的鏟削量，則在72中將鏟削量減小到最大可允許的鏟 削量。如果鏟削量不大于最大可允許的鏟削量，則在74中將鏟削量保持在要實(shí)現(xiàn)所希望的 工地表面所需要的鏟削量。最后，預(yù)期要實(shí)現(xiàn)所選擇的鏟削量所需要的壓力水平而在76中 調(diào)節(jié)機(jī)器液壓系統(tǒng)中的液壓水平。應(yīng)理解，可以使用其他技術(shù)來確定掃描器12和14的位置和取向。例如，如果使用 分離的刀片尖傳感器(blade tip sensor)來確定機(jī)器刀片的位置，則可以基于該信息而估 計掃描器位置。可以在機(jī)器16上使用GPS/GNSS接收器來確定機(jī)器位置和取向。此外，可 以在機(jī)器上設(shè)置激光檢測器并將其與一個或多個激光發(fā)送器結(jié)合使用，所述激光發(fā)送器投 射基準(zhǔn)激光束以確定機(jī)器位置和取向?；蛘撸梢允褂脩T性導(dǎo)引裝置來執(zhí)行該功能。此外， 可以通過適宜地設(shè)置在機(jī)器16上的測斜儀而根據(jù)重力確定機(jī)器16的取向并因而確定掃描 器12和14的取向。雖然已經(jīng)描述了當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例，但應(yīng)理解，可以在其中進(jìn)行在以下權(quán)利要求 的范圍內(nèi)的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于在工地之上行進(jìn)的機(jī)器的三維機(jī)器掃描裝置，包括安裝在所述機(jī)器上的掃描器對，所述掃描器對中的每一個掃描器測量與所述工地處的 地面上的多個點(diǎn)的距離，所述掃描器對中的一個掃描器朝后，并且所述掃描器對中的另一 個掃描器朝前；以及控制裝置，其響應(yīng)于所述掃描器對，用于確定所述工地的外形；以及顯示器，其被安裝在所述機(jī)器上并響應(yīng)于所述控制裝置，用于顯示所述工地的所述外形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的三維機(jī)器掃描裝置，其中所述掃描器對包括激光掃描器對，其實(shí) 時地確定所述地面上的多個點(diǎn)的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的三維機(jī)器掃描裝置，還包括位于已知的位置處的全站儀，所述全 站儀用于監(jiān)測所述機(jī)器的位置，監(jiān)測包括所述掃描器對的所述機(jī)器的相對位置，所述全站 儀包括用于將所述機(jī)器的位置發(fā)送到所述控制裝置的發(fā)送器以及與所述控制裝置相關(guān)聯(lián) 的用于從所述全站儀接收所述機(jī)器的位置的接收器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的三維機(jī)器掃描裝置，還包括用于存儲所述工地的外形的存儲器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的三維機(jī)器掃描裝置，還包括在機(jī)器上承載的用于確定所述機(jī)器的 位置和取向的一個或多個GNSS接收器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的三維機(jī)器掃描裝置，還包括用于投射基準(zhǔn)激光束的激光發(fā)送器以 及用于檢測所述基準(zhǔn)光束的在所述機(jī)器上的一個或多個激光檢測器，以便確定所述一個或 多個激光檢測器相對于所述激光發(fā)送器的位置，并且確定所述掃描器對的位置和取向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的三維機(jī)器掃描裝置，還包括用于確定包括所述掃描器對的位置和 取向的所述機(jī)器的位置和取向的慣性導(dǎo)弓丨系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的三維機(jī)器掃描裝置，還包括用于確定所述機(jī)器的取向的一個或多 個測斜儀。
9.一種操作工地平土機(jī)的方法，包括以下步驟在所述工地之上移動所述機(jī)器；以及利用所述機(jī)器上的掃描器對測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離，所述掃描器 對中的一個掃描器朝后以測量在移動的機(jī)器后面的點(diǎn)的相對位置，并且所述掃描器對中的 另一個掃描器朝前以測量在移動的機(jī)器前面的點(diǎn)的相對位置，從而確定通過所述機(jī)器實(shí)現(xiàn) 的工地外形的改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，還包括顯示所述工地的外形的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，其中所述利用所述機(jī)器上的掃描器對 測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離的步驟包括使用激光掃描器對實(shí)時地掃描所 述工地處的地面上的所述點(diǎn)的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，還包括以下步驟利用位于已知位置處 的全站儀監(jiān)測包括所述掃描器對的所述機(jī)器的相對位置；將所述機(jī)器的位置從所述全站儀 發(fā)送到所述平土機(jī)上的控制裝置；以及在所述控制裝置處接收所述機(jī)器相對于所述全站儀 的所述相對位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，還包括以下步驟使用在機(jī)器上承載的 用于確定所述機(jī)器的位置和取向的一個或多個GNSS接收器監(jiān)測所述機(jī)器的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，還包括以下步驟投射基準(zhǔn)激光束；以 及檢測在所述機(jī)器上的所述基準(zhǔn)激光束以確定機(jī)器位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，還包括使用慣性導(dǎo)引系統(tǒng)以確定包括 所述掃描器對的位置和取向的所述機(jī)器的位置和取向的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，還包括使用一個或多個測斜儀確定所 述機(jī)器的取向的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，其中在所述機(jī)器在所述工地之上移動 時動態(tài)地確定所述工地的所述外形，并且所述機(jī)器上的所述掃描器估計所述工地表面的所 述外形。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的操作工地平土機(jī)的方法，其中所述控制監(jiān)視器提供控制輸出以 部分地基于所述工地外形而控制所述機(jī)器的操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的操作工地平土機(jī)的方法，其中所述控制裝置基于所述工地的所 掃描的外形確定何時修改所述機(jī)器的操作。
20.根據(jù)權(quán)利要求9的操作工地平土機(jī)的方法，其中確定在所述機(jī)器的前面掃描的點(diǎn) 與隨后在所述機(jī)器的后面掃描的相同點(diǎn)的標(biāo)高差，并將該標(biāo)高差用于計算通過所述機(jī)器去 除的泥土的體積。
21.一種用于在工地之上行進(jìn)的機(jī)器的三維機(jī)器掃描裝置，包括掃描器，其被安裝在機(jī)器上，所述掃描器測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離， 所述掃描器朝前或朝后；控制裝置，其響應(yīng)于所述掃描器，用于確定所述工地的外形；以及顯示器，其被安裝在所述機(jī)器上且響應(yīng)于所述控制裝置，用于顯示所述工地的外形。
全文摘要
一種用于在工地之上行進(jìn)的機(jī)器(16)的三維機(jī)器掃描裝置包括安裝在所述機(jī)器上的掃描器對(12，14)。每一個掃描器測量與所述工地處的地面上的多個點(diǎn)的距離。所述掃描器對中的一個掃描器朝后，并且所述掃描器對中的另一個掃描器朝前?？刂蒲b置響應(yīng)于所述掃描器對。所述控制裝置確定所述工地的外形。安裝在所述機(jī)器上的顯示器響應(yīng)于所述控制裝置，用于顯示所述工地的外形。
文檔編號E02F9/26GK102131986SQ200980132515
公開日2011年7月20日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者C·B·克拉克, I·T·瓦伊尼 申請人:卡特彼勒天寶控制技術(shù)有限責(zé)任公司