使用提供距离信息的图像采集装置的重型设备导航和工作刃定位的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及GNSS/INS系统，并且更具体地涉及用于重型设备导航和工作刃定位的GNSS/INS系统。
【背景技术】
[0002]重型设备车辆通常具有被利用来执行特定功能的一个或更多个工作刃(例如，刀片)。重型设备的示例包括例如推土机、平地机、前端装载机、反向铲等。如本文所使用的，术语工作刃通常指代执行其中精确定位可能是必要的特定功能的重型设备的任何部件。工作刃的示例可以包括推土机或平地机的刀片、反向铲的铲子等。
[0003]在正常操作期间，重型设备的驾驶员将利用工作刃来执行某种功能，例如，使用推土机的刀片来把一段土地弄平至预定等级。通常在操作期间人工地检查工作以确保它已根据预定义规范完成。例如，推土机操作员可以把该段土地弄平，但是需要单独的检查来验证它在所期望的等级、宽度等。这可能导致执行工作并且然后取得测量结果的迭代过程，其中测量结果被用于下一轮工作直到已实现所期望的结果为止。也就是说，重型设备可以执行操作，例如，把一段土地分级。在分级之后，一队勘测员和/或工程师然后必须人工地验证分级正确等。如果存在误差，则重型设备必须在取得第二组测量结果之前执行第二遍等。
[0004]近来，各种制造商已生产与重型设备机械一起使用的自动工作刃定位系统。自动工作刃定位系统被设计来通过在工作的同时精确地指导操作员来使得能实现生产力提高。通常，自动工作刃定位系统在操作期间控制工作刃的定位，使得所期望的工作按照自动化方式执行。这通常导致完成项目所需要的工作测量迭代次数的减小。通过使工作刃定位自动化，通常通过减小勘测停工次数等来增加生产力。替代地，利用自动化的工作刃定位系统，可以按照更高效方式进行工作。
[0005]在常规的重型设备工作刃控制系统中，一个或更多个传感器附加至工作刃以监测它相对于重型设备车辆的固定点的位置和/或定向。例示性地，这个工作刃位置信息经由一个或更多个电缆被中继给位于车辆的驾驶室内的控制系统。通常，重型设备车辆将包括提供机器的准确位置的全球导航卫星系统(GNSS)。结合所中继的刀片位置，这个定位信息由工作刃控制系统利用来准确地把工作空间分级和/或弄平。
[0006]有人指出，常规的重型设备工作刃控制系统的缺点是精密传感器被安装在工作刃上并且因此在机器的正常操作期间易被损坏。损坏的这个增加机会是位于非常紧张的工作环境中的结果。如本领域技术人员将了解的，重型设备机器的工作刃在操作期间经受许多应力。这些应力可能是脏或其它材料击中传感器的结果，从而使它们损坏或将它们敲成不对准和/或不校准。
[0007]传感器由于它们位于其中的紧张工作环境而导致的损坏减小自动工作刃控制系统的有效性。响应于传感器的损坏，必须停止工作并且替换和/或修理传感器。因此，通过使用自动化工作刃控制系统的低效的预期减小由于在修理/替换传感器时花费的停机时间而丧失。
【发明内容】
[0008]现有技术的缺点通过提供一种为重型设备机器提供位置信息的新颖GNSS/INS系统来克服。视觉系统被利用来通过经由图像捕获装置(诸如飞行时间相机)采集图像的方式来获得工作刃位置信息。所述位置信息由所述视觉系统在视觉系统坐标系统中计算。所述工作刃位置信息然后被变换成与所述GNSS/INS系统相关联的坐标系统。经变换的工作刃位置信息然后可以由工作刃控制系统利用。
[0009]在操作期间，所述GNSS/INS系统提供与所述重型设备车辆的位置有关的准确位置和导航信息。例示性地，安装在所述车辆上的具有空间区域的固定视场的图像采集装置(诸如相机)采集包括被附加在所述工作刃上的预定位置处的目标的图像，所述目标可以在所述空间区域内移动。所述图像采集装置例示性地提供关于其视场内的每一个像素的强度值和距离值。根据所述位置信息，所述图像采集装置可以提供所述目标在视觉系统坐标系统中的位置信息。
[0010]在使用之前的配置/校准操作期间，在与所述视觉系统相关联的坐标系统与由所述GNSS/INS导航系统利用的坐标系统之间定义已知变换。一旦基于所述目标在所述图像内的位置在所述视觉系统坐标系统中为所述工作刃获得了所述位置信息，就应用预定义变换来生成所述工作刃在所述导航系统的坐标系统中的位置。然后可以将这个信息输出给自动化工作刃控制系统以用于在准确地分级和/或执行其它操作时使用。
【附图说明】
[0011]本发明的上述和另外的优点是相对于以下图来说明的，在以下图中相同的附图标记指示类似的功能或结构部件，其中:
[0012]图1是可以在本发明的例示性实施方式中利用的示例性重型设备车辆的侧视图；
[0013]图2是示出了根据本发明的例示性实施方式的示例性目标的工作刃的立体图；
[0014]图3是根据本发明的例示性实施方式的可以被利用的GNSS/INS导航系统和视觉系统的功能框图；
[0015]图4是详述了根据本发明的例示性实施方式的惯性导航系统启动处理的步骤的流程图；
[0016]图5是详述了根据本发明的例示性实施方式的惯性导航系统稳态处理的步骤的流程图；
[0017]图6是根据本发明的例示性实施方式的可以被利用的GNSS/INS系统的功能框图；以及
[0018]图7是详述了根据本发明的例示性实施方式的确定工作刃的位置的程序的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0019]重铟设备和工作刃
[0020]图1是根据本发明的例示性实施方式的其中可以利用本发明的原理的示例性重型设备车辆100 (例如，推土机)的侧视图。推土机100例示性地包括工作刃，例如，刀片105。此外，推土机100包括安装在其上被配置为获得在操作上互连/附加至刀片105的目标200的图像的图像采集装置110。图像采集装置110包括固定视场120，其包括目标200可以在其内在工作刃105的操作期间移动的空间区域。例示性地，图像采集装置110包括飞行时间(TOF)相机。TOF相机例示性地为TOP相机的视场中的各个像素提供强度值和离该相机的距离这二者。在操作上与图像采集装置110互连的是光照单元125。光照单元125例示性地发射强度调制光。光击中视场内的物体并且反射回到图像采集装置110。图像采集装置使与所发射和接收到的光照有关的信息相关联以针对视场内的各个像素计算到物体的距离。此外，推土机包括被配置为接收GNSS信号以供由参照图3在下面进一步描述的导航系统300使用的天线115。
[0021]应该注意，虽然本文所包含的描述参考具有刀片105的推土机100，但是明确地设想了可以在任何类型的重型设备车辆具有任何形式的工作刃情况下利用本发明的原理。因此，对具有刀片的推土机的描述应该被视为仅示例性的。此外，如本领域技术人员将了解的，可以将本发明的原理扩展为包含具有多个工作表面的那些机器，例如具有前端装载机和反向铲这二者的机器。在这样的实施方式中，可以利用多个目标105和/或图像采集装置110。在一个这样的实施方式中，各个工作表面将与一个或更多个目标105和图像采集装置110相关联。例如，第一目标可以在其中第一图像采集装置110聚焦在其上的推土机的刀片上。第二目标可以附加至其中第二图像采集装置110聚焦在其上的反向铲。然而，在另选的实施方式中，如果不能够采集多个目标的图像则可以利用单个图像采集装置110。在另一个另选的实施方式中，可以在单个工作表面105上利用多个目标200。可以利用多个目标来改进准确性，以避免由于机器的轮廓而导致的盲点等。因此，本文所包含的描述应该被视为仅示例性的，并且关于可以实现本发明的所期望的原理的可能另选的实施方式不应该被解释为限制性的。
[0022]图2是根据本发明的例示性实施方式的示例性工作刃105的立体图200。例示性地，视图200示出了工作刃105的背面。连接至工作刃的是三维目标130。例示性地，该目标包括连接至工作刃105的预定义形状。在一个例示性实施方式中，目标105包括被焊接或以其它方式连接至工作刃的金属球。虽然本文所包含的描述是金属球的，但是应该注意，可以在本发明的另选的实施方式中利用用于附接的任何形状和/或材料和/或技术。因此，对金属球被焊接至工作刃105的描述应该被视为仅示例性的。
[0023]目标130由图像采集装置和关联处理利用来确定工作刃105相对于图像采集装置110的位置。在操作中，光照单元125发射然后被目标130反射的光。反射光由TOF相机100检测。TOF相机和关联电路然后确定图像采集装置的视场内的各个像素的距离值。因为目标130具有预定义形状，所以从图像采集装置获得的数据可以用来迅速地定位目标。也就是说，TOF相机可以通过检查在视场内和目标的三维轮廓匹配的区域来确定目标的位置。通过使用预定义形状，即使目标的位置被例如覆盖目标130的一部分的污泥或其它岩肩修改TOF相机也可以检测到它。
[0024]GNSS/INS 系统
[0025]重型设备车辆例示性地利用提供有关重型设备的位置信息的GNSS/INS系统300。在另选的实施方式中，可以利用仅GNSS或仅INS系统。因此，对GNSS/INS系统的描述应该被视为仅示例性的。在2004年4月13日发布的Tho