CN102076914A - 工地规避系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种规避系统(40)，用于在工地(10)上的材料(16)的材料堆(18)上操作车辆(38)，材料(16)经工地(10)上的开口(20)释放并引起扰动区(32)形成在材料堆(18)的表面(30)上。所述系统(40)具有位于工地(10)并能够感测材料堆(18)表面(30)的传感器(42)和与传感器(42)和车辆(38)通信的处理器(50)。处理器(50)能够基于所感测的表面和已知的开口(20)的位置识别扰动区(32)，并将表示扰动区(32)的信号传输给车辆(38)。

Description

工地规避系统

技术领域

本发明总体上涉及规避系统，更具体地说，涉及工地规避系统。

背景技术

诸如像矿山、填埋场、采石场、挖掘场地等工地通常具有在工地表面上操作来执行各种任务的车辆。例如在挖掘场地，表面被挖掘车辆和/或其他设备改变。由于工地的性质，表面可能受到各种障碍物的妨碍，这些障碍物诸如像不平整的地形、设备、车辆、工人、工地基础设施(例如建筑物)以及/或者其他物体。

在工地上操作的车辆需要规避这些障碍物，以避免对这些车辆造成损害、进入无法通行的地形、工人受伤以及/或者其他不利情形。然而，在一些情况下，障碍物规避可能是困难的。例如，一些车辆提供的对工地的可视性差。其他车辆可以远程控制，而在控制车辆时，车辆操作人员可能要依赖工地的视频显示。障碍物可能难以从视频显示察觉，因此/或者完全被忽略。还有一些车辆是自动控制的(即无人操纵的)，因此，可能没有操作人员来确定是否要规避特定障碍物，以及/或者是否要控制车辆来规避该障碍物。

颁给Stentz等人的美国专利第7272474号(“`474专利”)公开了一种用于检测障碍物的系统。`474专利的系统将地形表面地图分成多个地形单元。然后，该系统沿着无人操纵车辆的规划全程路径为这些地形单元确定车辆控制数据。具体地说，确定沿着全程路径的局部路径段，以避免车辆进入以下的地形单元：预计超过最大俯仰或者侧倾角；不能维持车辆的最小离地距离；和预计超过车辆的悬挂限制。

虽然`474专利系统可能有助于车辆规避某些障碍物，但是其应用场合可能会受到限制。某些障碍物可能是仅仅基于地形表面地图无法检测的。例如，一些地形单元尽管不会造成车辆超过最大俯仰或侧倾角，也不应该进入，诸如表面下面的地貌形成了表面上不是特别明显的障碍物。

本发明意在克服上面提出的一个以上的问题。

发明内容

本发明的一个方面涉及在工地的材料堆上操作车辆的方法，材料经过工地上的开口释放。该方法可以包括感测材料堆的表面，并基于所感测的表面和已知的开口位置识别材料释放引起的材料堆表面上的扰动区。该方法还包括将表示扰动区的信号传输给车辆。

本发明的另一方面涉及用来在工地的材料堆上操作车辆的规避系统，材料经过工地上的开口释放并引起扰动区形成在材料堆的表面上。该系统可包括位于工地并能够感测材料堆表面的传感器以及与传感器和车辆通信的处理器。处理器能够基于所感测的表面和已知的开口位置识别扰动区，并将表示扰动区的信号传输给车辆。

本发明的再一方面涉及存储计算机程序的计算机可读存储介质，该程序在被计算机执行时引起计算机实现在工地的材料堆上操作车辆的方法，材料经过工地上的开口释放。该方法可以包括感测材料堆的表面，并基于所感测的表面和已知的开口位置识别材料释放引起的材料堆表面上的扰动区。该方法还包括将表示扰动区的信号传输给车辆。

本发明的又一方面涉及在工地的材料堆上操作的车辆，材料经过工地上的开口释放。该车辆可包括能够接收表示所感测的材料堆表面的信号的通信装置、能够确定车辆在工地上的位置并产生表示车辆位置的信号的定位装置以及与定位装置和通信装置通信的控制器。控制器能够基于所感测的表面和已知的开口位置识别材料释放引起的材料堆表面上的扰动区，并确定车辆是否位于离该区一段距离之内。

附图说明

图1示出的是上面有材料料堆(workpile)的工地示意图；

图2示出的是可在图1的料堆内形成的漏斗示意图；

图3示出的是用来与图1的工地一起使用的工地规避系统的示意图；

图4示出的是图3的工地规避系统的示例性传感器坐标系；

图5示出的是图1的示例性工地坐标系；

图6示出的是说明本发明的用于识别图1中料堆表面上扰动区的示例性过程的流程图；

图7是用于解释图6过程的说明；

图8示出的是可在图1的工地上操作的示例性车辆；

图9示出的是提供在与图8的车辆相关联的显示装置上的示例性显示示意图；以及

图10示出的是说明图1的工地规避系统示例性操作的流程图。

具体实施方式

图1说明的是本发明的示例性工地10。工地10可以代表任何材料堆积场地，诸如煤、沙子、岩石、沙砾以及/或者其他松散材料等的开采材料被聚集在此处等待运输到诸如分销商等目的地。例如，可以从矿山或者其他材料源12提取出煤，并堆积在工地10处等待运输到分销商。

工地10上的传送机14或其他材料运输手段可将从源12提取的材料16移送到工地10上的材料料堆18上面。位于工地10底部处、在料堆18下方的开口20可以将材料16从料堆18释放(即“排放”)到诸如列车、托运卡车等运输车辆22上面。作为替换方式或者额外地，可以使用传送机、船以及/或者其他运输手段。

在图1所示的例子中，工地10可以是储料场(未示出)的一部分，运输车辆22可以处于通过工地10下面的隧道26中。但是，应当理解，作为替换方式，工地10可以是人造结构(未示出)，诸如混凝土池或类似结构，其适合于聚集大量材料16。

开口20可以相对隧道26定位成允许材料16被释放到运输车辆22上面。开口20可以例如包括阀(未示出)，阀能够选择性地打开和关闭，以将希望量的材料16释放到运输车辆22上面。但是，应该理解，可以实施对于工地10来说合适的其他构造。

材料16经开口20的排放可能引起在料堆18内形成在开口20和料堆18的料堆表面30之间竖直延伸穿过料堆18的降落漏斗28。漏斗28内的材料16可能在重力作用下被拉向开口20，从而在料堆表面30上生成扰动区32，扰动区32中的材料16进入漏斗28。也就是说，漏斗28可限定料堆18的活动区域，活动区域中的材料16落向开口20。漏斗28可以是释放材料16引起的在料堆18中自然发生的现象，而不是由料堆18中的结构等引起的。

图2示出的是漏斗28的详细视图。由于材料16的性质，漏斗28可以以相对工地10的底部表面35成材料16的静止角θ_R引自开口20的边界34。这样，漏斗28可具有大体为锥形的形状。于是，如果料堆18(图1)被置之不理足够长的时间，并且足够的材料16经开口20释放，那么，会在料堆18中形成斜度等于静止角θ_R的锥形空洞。

静止角θ_R可以定义为材料16可堆放在水平表面(即工地10的底部35限定的水平表面)，不会由于重力而塌落的最大稳定角。静止角θ_R可取决于材料16的摩擦系数、材料16的附着力、材料16的颗粒形状、材料16的密度、材料16的水分含量、材料16的温度、环境条件(例如湿度)以及/或者其他因素。在一个例子中，发现煤的静止角为大约60度。然而，应当理解，静止角可随着材料类型和/或上述任意因素而改变。

如图2所示，区32的半径Rz可随料堆表面30的高度h改变。区32的半径Rz可等于开口20的半径Ro加上由于静止角θ_R产生的额外径向距离

$\mathrm{Rz}=R_{{\mathrm{\θ}}_R}+\mathrm{Ro},---\left(1\right)$

其中，Rz是区32的半径，

是由于材料16的静止角θ_R产生的径向距离，Ro是开口20的半径。

于是，区32的半径Rz可定义为：

$R_z=\frac{h}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_R\right)}+R_o,---\left(2\right)$

其中，h是漏斗28的高度(即料堆表面30高出底部35的高度h)；θ_R是材料16的静止角(即漏斗28从开口20的边界34发散的角度)；Ro是开口20的半径。应当理解，区半径Rz(和尺寸)可以因此随料堆高度h改变。结果，当料堆高度h变化时，区边界36的位置可随时间变化。进一步，因为料堆表面30上不同点处的料堆高度h可以不同，所以，在料堆表面30上的不同位置处，区半径Rz以及因此区边界36的位置也可以改变。举例来说，如果料堆表面30非常不平整，那么，区32可能具有不同于开口20的横截面形状(例如非圆形)。

因此，区32可具有动态的、变动的性质，而且区32的尺寸和形状可在工地20上的条件变化时改变。例如，区32的尺寸和形状可以在出现以下情况时变化：额外的材料16被输送到料堆18因而料堆高度h增加；材料16被释放到运输车辆22上面因而料堆高度h减小；以及/或者材料16在料堆18上四处移动因而料堆高度h在区32中或区32附近(例如沿着区边界36)变化。

进一步，虽然上面讨论了开口20具有圆形形状(即具有半径)，但是，应当理解，即使采用了非圆形状，也可以应用相同的原理。例如，作为替换方式，开口20可具有矩形形状。在这种情况下，区32也可具有矩形形状，尽管更大并且被修圆，因此，漏斗28可具有修圆的矩形锥状。但区边界36的位置可类似地基于开口20的边界34的位置、静止角θ_R和料堆高度h来定义。

回到图1。诸如推土机和/或其他设备的车辆38和工人(未示出)在将材料16经开口20释放时可连续地在工地10上四处移送材料16并将其移送进区32中，以有效地将材料16装载在运输车辆22上面。然而，由于材料16在区32(和漏斗28)中的运动性质，区32内的基础和/或附着摩擦可能差。也就是说，区32里面的材料16可能是不稳定的，造成难以穿越区32以及/或者穿越区32不安全。于是，虽然周期性将材料16移送进入区32以维持均匀的料堆18和有效地装载运输车辆22是有利的，但是同时还可能希望将车辆38、工人和/或其他物体保持在区32的外面(即区边界36的外面)。例如，由于区32内不稳定的基础，如果车辆38进入区32，那么车辆38可能会被陷住。

工人和车辆操作人员可能有时通过眼睛观察料堆18中材料16的移动，并由此检测并规避区32。然而，区32内的料堆表面30的斜度可能时而变得较为平坦，使得区32不明显。这可能使工人和车辆操作人员难以用眼睛观察并规避区32。进一步，取决于材料16的类型，料堆表面30能暂时固化或者形成“硬壳(crust over)”。例如，在煤的贮料堆中可以发生这种“结壳”。此外，因为料堆高度h可随着时间的经过变化并且/或者随着料堆表面30上位置的不同而不同，所以，区32的形状可能是动态的和/或不规则的。其中的这些因素可进一步造成工人和车辆操作人员难以准确目测并规避区32。

图3示出的是本发明的工地规避系统40。在车辆38和/或工人在料堆18四处移送材料16的时候，工地规避系统40可动态地绘制料堆表面30以识别区32的存在、尺寸、形状和/或其他特征。工地规避系统40可确定车辆38是否在距区32一段距离内行驶或者行驶进入区32，并向车辆38发送警告信号。工地规避系统40还可以在车辆操作期间向车辆传输包含料堆表面30和/或区32相关信息的信号。这些特征将在下面更详细地讨论。

工地规避系统40可包括与工地计算系统44通信的若干传感器42和若干车辆。工地计算系统44可与例如采矿公司、产权人、承包人、设备租赁商以及/或者其他工地单位相联。工地计算系统44可包括例如服务器计算机、台式计算机、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、手持装置(例如掌上电脑或者黑)或者本领域已知的其他合适的计算装置。工地计算系统44可位于工地10上或工地10附近，诸如在工地指挥部(例如现场的挂车)或者远程位置，诸如公司总部。

传感器42可以定位在并/或安装到诸如像传送机14的工地基础设施上(见图1)，并能够扫描料堆表面30。作为替换方式或者额外地，传感器42可包括定位于料堆表面30上的独立单元。传感器42可包含LIDAR(光探测和测距)装置(例如激光扫描器)、RADAR(无线电探测和测距)装置、SONAR(声音导航和测距)装置、摄像装置以及/或者可以感测料堆表面30上的点并确定到所感测点的距离和方向的其他装置。传感器42可扫描料堆表面30以单独地感测点和/或作为点簇(即“点云”)地感测点。

传感器42可配备并/或联接有定时装置(未示出)，并能够确定点被扫描的时刻。此外，传感器42可配备有GPS和/或其他位置和方位确定装置以确定传感器42在工地10的位置，以及传感器相对工地10的俯仰、侧倾和/或偏转；也就是确定传感器42在工地10上的位置和方位。

图4示出的是传感器42可用来相对于传感器在工地10上的位置和方位描述料堆表面30上的被扫描点的位置的坐标系S。也就是，坐标系S可相对传感器42的参考体系定义料堆表面30上的被扫描点的位置(即从传感器42到料堆表面30上的被扫描点的距离和方向)。坐标系S可以是右手三维笛卡尔坐标系，具有轴矢量X_s、Y_s、和Z_s。坐标系S中的点可以用X_s＝[s₁ s₂ s₃]的笛卡尔形式坐标来表述，其中，从原点O_s(工地10上各传感器42的位置)开始，s₁是沿着轴矢量X_s的距离，s₂是沿着轴矢量Y_s的距离，s₃是沿着轴矢量Z_s的距离。作为替换方式或者额外地，坐标系S中的点可以以X_SP＝[ρθφ]形式的极坐标进行表述，其中，ρ是距点O_s的距离，θ是从轴矢量X_s开始的极角度，φ是从轴矢量Z_s开始的极角度。

传感器42可发射束脉冲60来测量传感器42和料堆表面30上的点62之间的距离。束脉冲60可以从点62反射出并被传感器42接收。基于测量到的束脉冲62行进到点62、被点62反射并返回所需的时间，传感器42可计算传感器42和点62之间的距离ρ。束脉冲60可以以沿着X_s-Y_s面、从X_s轴矢量开始在0度和180度之间改变的角度θ且以沿着Z_s-Y_s面、从Z_s轴矢量开始在0度和180度之间改变的角度φ发射。传感器42可以向工地计算系统44发送含有关于点62位置的信息的信号。例如，这些信号可以包括下述形式的坐标系S中点62的位置：

$X_{\mathrm{SP}}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ρ}}_1& {\mathrm{\θ}}_1& {\mathrm{\φ}}_1\\ {\mathrm{\ρ}}_2& {\mathrm{\θ}}_2& {\mathrm{\φ}}_2\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ {\mathrm{\ρ}}_n& {\mathrm{\θ}}_n& {\mathrm{\φ}}_n\end{array}\right],---\left(3\right)$

其中，每行代表相对传感器坐标系S的极坐标形式的料堆表面30上的一个点62。

信号可以定时地发送给工地计算系统44，诸如实时地、接近实时地以及/或者以任何其他希望的间隔。但是应当理解，如果传感器42经常地发送表示点62位置的信号，那么，可以通过工地计算系统44保持对料堆表面30准确、实时的表征。在下面讨论的随后的确定过程中，工地计算系统44可以使用被扫描点62的位置。传感器42还可以发送含有下列信息的信号，诸如像点被扫描的时刻等的额外信息；传感器42的俯仰、侧倾和/或偏转；传感器42的定位(例如GPS位置)；以及/或者其他信息。

如图3所示，工地计算系统44可以包括与工地规避系统控制器50通信的地形地图数据库46和工地布局数据库48。传感器42和车辆38可以经通信链路52(例如无线广播网络、卫星网络、有线网络、光纤网络、蜂窝网络、以太网、因特网以及/或者这些网络的组合)与控制器50通信。

地形地图数据库46可以含有限定料堆表面30的点(例如来自传感器42对料堆表面30的扫描)。参见图5，这些点可以相对于例如与工地10相联的坐标系G存储在地形地图数据库46中。坐标系G可以是右手三维笛卡尔坐标系，其原点在点O_G，具有轴矢量X_G、Y_G和Z_G。轴矢量X_G、Y_G、Z_G可以分别指向工地10上磁东极、磁北极和沿重力向上的方向。坐标系G中的点可以以X_G＝[g₁ g₂ g₃]形式的坐标表述，其中，从原点O_G开始，g₁是沿着轴矢量X_G的距离，g₂是沿着轴矢量Y_G的距离，g₃是沿着轴矢量Z_G的距离。地形地图数据库46可以由控制器50用从传感器42接收的信息定期更新，以在料堆表面30变化时动态地反映料堆表面30。例如，地形地图数据库46可以存储限定料堆表面30的点的矩阵，该矩阵可以由控制器50定期更新。

工地布局数据库48可以存储关于工地10布局的信息。例如，工地布局数据库48可以包括限定工地10地理布局的点的地图，没有(即不包括)材料16、料堆18、车辆38、工人和/或其他工地10上短时间存在的物体。也就是说，工地布局数据库48可以限定工地10永久特征的地理布局。这些永久特征可以包括诸如传送机14、开口20、建筑物、结构支承等的工地基础设施；工地10的底部35(即料堆18所在的表面)；和/或工地10的任何其他永久性结构方面。

工地布局数据库48可以基于在“空”的时候(也就是当材料16、车辆38、工人和/或其他物体不在工地10上的时候)对工地10的扫描生成。作为替换方式或者额外地，工地布局数据库48可以基于对工地10的勘测、工地10的卫星或空中成像、图表和/或其他来源生成。

像地形地图数据库46一样，存储在工地布局数据库48中的点可以与上面讨论的工地坐标系G关联。另外，这些点可以进行标识以指明与其关联的物体(例如传送机14、开口20等)。控制器50可以结合下面讨论的确定过程评估、对比或者以其他方式利用地形地图数据库46和工地布局数据库48。

控制器50可以包括用于接收信息、用于监视、记录、存储、索引、处理以及/或者发送有关工地规避系统40操作的信息的任何装置。这些装置可以包括诸如像中央处理单元(CPU)、存储器、一个以上的数据存储装置等的部件和/或用来运行应用程序的任何其他计算部件。能通过商业方式得到的微处理器(例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或其他集成电路装置)可以被构造成实现控制器50的功能。

进一步，尽管本发明的方面可以总体上描述成存储在存储器中，但是，本领域技术人员会理解，这些方面可以存储在或者读取于与控制器50关联的不同类型的计算机可读存储介质。这些计算机可读存储介质可以包括例如光存储器、磁存储器(例如硬盘)、固态存储器、CD-ROM、DVD-ROM、RAM、ROM、闪存以及/或者任何其他合适的计算机可读存储介质。

控制器50可以将传感器坐标系S中的被扫描点62(图4)与它们在工地坐标系G中的对应位置相关，以允许下面描述的过程得以实现。特别是，控制器50可以将极坐标形式的传感器坐标系S中的被扫描点62与它们在传感器坐标系S中对应的笛卡尔坐标相关。极坐标(即X_SP)和笛卡尔形式的坐标系S中的笛卡尔坐标(即X_S)之间的关系可以是如下：

$X_S=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ρ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1& {\mathrm{\ρ}}_1{\sin \mathrm{\θ}}_1& {\mathrm{\ρ}}_1{\cos \mathrm{\φ}}_1\\ {\mathrm{\ρ}}_2{\cos \mathrm{\θ}}_2& {\mathrm{\ρ}}_2{\sin \mathrm{\θ}}_2& {\mathrm{\ρ}}_2{\cos \mathrm{\φ}}_2\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ {\mathrm{\ρ}}_n{\cos \mathrm{\θ}}_n& {\mathrm{\ρ}}_n{\sin \mathrm{\θ}}_n& {\mathrm{\ρ}}_n{\cos \mathrm{\φ}}_n\end{array}\right],---\left(4\right)$

其中，每行代表相对于传感器坐标系S的笛卡尔坐标形式的料堆表面30上的一个点62。

此外，控制器50可以记录传感器坐标系S和工地坐标系G之间的平动和转动偏移。应该理解，传感器42可以定位在工地10上的任何希望位置和/或方位。此外，传感器42可以定位在车辆38和/或其他运动物体上。进一步，为了提高扫描性能，独立的传感器42可以随时地在工地10到处运动。于是，传感器坐标系S相对工地坐标系G可以具有任意的位置和/或方位。因此，控制器50可能需要坐标系S和G间的关系以将传感器坐标系S中的点X_S与工地坐标系G中的对应点X_G相关。按此方式，结合这里公开的确定过程，被扫描点62被赋予含义并被控制器50所利用。

传感器坐标系S相对工地坐标系G的原点O_S位置和方位可以是固定的、已知的以及/或者被确定的，这取决于传感器42的配置。原点O_S在工地坐标系G中的对应位置X_G(O_S)可以定义为[-b_S1-b_S2-b_S3]，其中，b_S1、b_S2、b_S3分别是传感器42沿着轴矢量X_G、Y_G、Z_G在工地坐标系G中的平动偏移量。也就是，b_S1、b_S2、b_S3可以是限定传感器42在坐标系G中的位置的笛卡尔坐标。进一步，传感器坐标系S相对工地坐标系G的转动偏移A_G(R_S)可以定义为[ps ys rs]，其中ps、ys、rs分别是传感器坐标系S相对工地坐标系G的俯仰、偏转、侧倾。换言之，ps、ys、rs可分别定义传感器42相对工地10的俯仰、偏转、侧倾，或者，传感器42相对工地10“指向”的方向。

在一个实施方式中，b_S1、b_S2、b_S3和ps、ys、rs的值可以被预先确定并固定。例如，技术人员可以以“永久”的方式将传感器42安装或者以其他方式定位在工地10上的希望位置(例如安装在传送机14上)。接着，技术人员可以测量平动偏移b_S1、b_S2、b_S3以及转动偏移ps、ys、rs。然后，可以将这些测量到的偏移提供给工地规避系统40，用于随后的确定过程(例如输入图形用户界面应用程序等)。

在另一实施方式中，b_S1、b_S2、b_S3和ps、ys、rs的值可以定期改变。例如，传感器42可以安装在车辆38和/或在工地10上定期四处移动的三角架上。在这种情况下，传感器42可以配备定位和/或方位装置，诸如全球定位系统(GPS)、惯性基准组件(IRU)、以及里程或航位推算装置、激光水平传感器、倾斜传感器、倾斜计、回转罗盘、无线电测向仪，以及/或者本领域已知的其他适合于确定位置和方位的装置。传感器42可以向控制器50发送表示被确定的位置和/或方位的信号；也就是，包括b_S1、b_S2、b_S3和ps、ys、rs的值的信号。

使用这些平动和转动偏移值，控制器50可以进一步将笛卡尔形式的传感器坐标系S中的点62与它们笛卡尔形式的工地坐标系G中的对应位置相关：

$X_G=\left[\begin{array}{c}{[A_S{X_{S1}}^G+B_S]}^G\\ {[A_S{X_{S2}}^G+B_S]}^G\\ .\\ .\\ .\\ {[A_S{X_{\mathrm{Sn}}}^G+B_S]}^G\end{array}\right],---\left(5\right)$

其中，X_S1是X_S的第1行，X_S2是X_S的第2行，X_Sn是X_S的第n行；A_S＝A_ysA_psA_rs，表示从笛卡尔形式的传感器坐标系S到工地坐标系G的转动变换；并且

$A_{\mathrm{ys}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{ys}& -\sin \mathrm{ys}& 0\\ \sin \mathrm{ys}& \cos \mathrm{ys}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],---\left(6\right)$

$A_{\mathrm{ps}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{ps}& 0& -\sin \mathrm{ps}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{ps}& 0& \cos \mathrm{ps}\end{array}\right],---\left(7\right)$

$A_{\mathrm{rs}}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{rs}& -\sin \mathrm{rs}\\ 0& \sin \mathrm{rs}& \cos \mathrm{rs}\end{array}\right],---\left(8\right)$

以及

$B_S=\left[\begin{array}{c}{b}_{S1}\\ b_{S2}\\ b_{S3}\end{array}\right],---\left(9\right)$

代表从笛卡尔形式的传感器坐标系S到工地坐标系G的平动变换。此外，根据本领域已知的方法，控制器50可以进行滤波以除去与料堆表面30没有关联的无关点。

控制器50可以识别出料堆表面30上落在区边界36上的点。换言之，控制器50可以确定漏斗28在何处与料堆表面30“相交”。图6示出的是本发明的一种示例性过程70，确定料堆表面30上限定了区边界36的点，该过程70可以由控制器50来实施(并由此识别扰动区32)。

首先，控制器50可以确定工地坐标系G中漏斗28的理论顶点(X_f0，Y_f0，Z_f0)(步骤72)。例如，控制器50可从工地布局数据库48检索出顶点，或者基于已知的开口20位置和材料16的静止角θ_R计算出顶点。漏斗28的顶点可代表漏斗28半径为零的点(即漏斗28的底部点)。

然后，控制器50可如下将Z_f0(即漏斗顶点(X_f0，Y_f0，Z_f0)的z坐标)设为漏斗28的当前z坐标(步骤74)：

Z_fi＝Z_f0，                  (10)

其中，Z_fi是漏斗28的当前z坐标。

接着，控制器50可将Z_fi增加预定增量(步骤76)。也就是，控制器50如下地从漏斗顶点(X_f0，Y_f0，Z_f0)向着料堆表面30沿竖直方向(即向上)逐渐增加：

Z_fi＝Z_fi+ΔZ，              (11)

其中，ΔZ是预定的竖直增量(例如0.25米)。可以基于用于对漏斗28上的点进行计算的希望分辨率，因此是用于对限定区边界36的点进行计算的精度，来选择或者确定增量ΔZ。

然后，控制器50可计算Z_fi处的漏斗28的半径(步骤78)。也就是，控制器50可计算对应于Z_fi的高度h处的漏斗28的半径。可以如下计算半径：

R_i＝Z_fi sin(90-θ_R)，       (12)

其中，Z_fi是漏斗28的当前z坐标，θ_R是材料16的静止角。

然后，控制器50可将当前漏斗角θ_f设定为零(步骤80)，并如下计算针对漏斗28当前z坐标Z_fi和当前漏斗角θ_f的漏斗28上的对应x坐标(步骤82)：

X_fi＝X_f0+R_i cosθ_f，        (13)

其中，X_f0是漏斗顶点(X_f0，Y_f0，Z_f0)的x坐标，R_i是Z_fi处的漏斗28的半径，θ_f是当前漏斗角。参见图7，应当理解，当前漏斗角θ_f可对应漏斗28在当前z坐标Z_fi处的水平横截“片”102(图7)上的径向位置100。

类似地，控制器50可如下计算针对当前z坐标Z_fi和当前漏斗角θ_f的漏斗28上的对应y坐标(步骤84)：

Y_fi＝Y_f0+R_i sinθ_f，        (14)

其中，Y_f0是漏斗顶点(X_f0，Y_f0，Z_f0)的y坐标，R_i是Z_fi处的漏斗28的半径，θ_f是当前漏斗角。

然后，控制器50可确定漏斗28上的当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)是否位于料堆表面30上(步骤86)。应当理解，既在料堆表面30上也在漏斗28上的当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)可以是限定区边界36的点。通过确定下式是否成立，控制器50可确定漏斗28上的当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)是否位于料堆表面30上：

(X_fi，Y_fi，Z_fi)＝(X_Gi，Y_Gi，Z_Gi)，(15)

其中，(X_Gi，Y_Gi，Z_Gi)是限定料堆表面30的点X_G中的任意一点。当例如对应的坐标值位于一定公差(例如±0.5米)内，以及/或者(X_fi，Y_fi，Z_fi)和(X_Gi，Y_Gi，Z_Gi)之间的距离在一定公差内时，控制器50可确定(X_fi，Y_fi，Z_fi)＝(X_Gi，Y_Gi，Z_Gi)。换言之，在步骤86，控制器50可以确定漏斗28上的当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)是否含在限定料堆表面30的点X_G的矩阵中。

如果控制器50在步骤86中确定漏斗28上的当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)位于料堆表面30上，那么，控制器50可将当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)存储在存储器中，作为限定区边界36的点(步骤88)：

$X_{\mathrm{zp}}=\left[\begin{array}{ccc}{x}_{\mathrm{ZP}1}& y_{\mathrm{ZP}1}& z_{\mathrm{ZP}1}\\ x_{\mathrm{ZP}2}& y_{\mathrm{ZP}2}& z_{\mathrm{ZP}2}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ x_{\mathrm{ZPn}}& y_{\mathrm{ZPn}}& z_{\mathrm{ZPn}}\end{array}\right],---\left(16\right)$

其中，每行代表相对于工地坐标系G，在步骤86中被确定位于料堆表面30(即区边界36)上的漏斗28上的当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)。

如果控制器50在步骤86中确定漏斗28上的当前点(X_fi，Y_fi，Z_fi)不在料堆表面30上(即不在区边界36上)，或者在步骤88完成后，控制器50可确定当前漏斗角θ_f是否小于360度(步骤90)。换言之，控制器50可在步骤90中确定，针对当前z坐标Z_fi处漏斗28的横截“片”102(图7)上的每一个径向位置100是否已经计算出了x和y坐标并将其同限定料堆表面30的点X_G进行了比较。

如果控制器50在步骤90中确定当前漏斗角θ_f小于360度，那么，控制器50可以根据下式将当前漏斗角θ_f增加预定增量(步骤92)：

θ_f＝θ_f+Δθ_f，                     (17)

其中，Δθ_f是预定增量(例如1度)。可以基于用于对料堆表面30上限定区边界36的点进行计算的希望分辨率，来选择或者确定增量Δθ_f。应该理解，增量Δθ_f可以限定横截片102上径向位置100之间的角偏移。完成步骤92之后，控制器50可以回到步骤82。

应该理解，步骤82～92可以描述为截取漏斗28的一个水平横截片102(图7)，然后将限定横截片102边界的点与限定料堆表面30的点X_G进行比较。基本上等于限定料堆表面30的任意点X_G的限定横截片102的任意点可限定区边界36。

如果控制器50在步骤90中确定当前漏斗角θ_f不小于360度，那么，控制器50可以确定漏斗28上的当前z坐标Z_fi是否小于预定的最大值Z_fm(对应于最大漏斗半径R_m)(步骤94)。如果小于，控制器50则可返回步骤76。也就是，控制器50可截取对应于更大料堆高度h的漏斗28的另一水平横截片102，并重复步骤78～94。否则，控制器50可终止过程70。

控制器50可经通信链路52接收料堆表面30上车辆38的位置和/或方位的实时更新。例如，控制器50可从车辆38接收位置和/或艏向信息(即俯仰、偏转和/或侧倾)。控制器50可以将车辆38的位置转换成工地坐标系G中的对应坐标。车辆38的坐标可以以矩阵形式存储在存储器中：

$X_V=\left[\begin{array}{ccc}{x}_{V1}& y_{V1}& z_{V1}\\ x_{V2}& y_{V2}& z_{V2}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ x_{\mathrm{Vn}}& y_{\mathrm{Vn}}& z_{\mathrm{Vn}}\end{array}\right],---\left(18\right)$

其中，每行代表相对工地坐标系G限定料堆表面30上车辆38的实时位置的一个点。

应该理解，为了维持对区边界36的精确限定，控制器50可重复过程70，以定期地、实时地以及/或者接近实时地更新点X_zp(即通过传感器42向控制器50提供额外的数据)。

控制器50可定期或连续地计算车辆38和区边界36之间的距离。具体而言，控制器50可根据下式进行限定区边界36的点X_zp和限定料堆表面30上车辆38实时位置的点X_V之间的距离计算：

$d_n=\sqrt{({(x_{\mathrm{Vn}}-x_{\mathrm{ZPn}})}^{^2}+{(y_{\mathrm{Vn}}-y_{\mathrm{ZPn}})}^{^2}+{(z_{\mathrm{Vn}}-z_{\mathrm{ZPn}})}^{^2})}---\left(19\right)$

其中，d_n是车辆38和限定区边界36的点之间的距离。

如果控制器50确定计算出的距离d_n小于阈值(例如5英尺)，那么，控制器50可以向车辆38传输警告信号；也就是，当车辆行驶得过于靠近或者进入了区32中时。控制器50可以建立围绕着区32的一个以上缓冲区域(未示出)，并类似地向过于靠近缓冲区域行驶或者驶进缓冲区域的车辆38传输警告信号。在这种情况下，可以想到，警告信号的严重程度可以基于车辆对区32的接近。

另外，控制器50可以将含有限定料堆表面30的点X_G和限定区边界36的点X_zp的信号传输给车辆38，使得车辆38可以向车辆操作人员显示料堆18和/或区32。按此方式，当在料堆18上操作车辆38的时候，车辆操作人员可以手动采取预防措施来规避区32。自动(即无人操纵的)车辆38可以以类似方式规避区32。

图8示出的是可以在料堆18上操作的示例性车辆38。车辆38可以由车上的操作人员控制、由不在现场的操作人员远程控制、以及/或者自动控制。例如，在自动控制的情况下，车辆38可以被编程以反复地沿着规定路径将材料16从料堆18上的一个以上位置移送到区32中。

车辆38可包括用于控制车辆38各种操作的车载系统110。车载系统110可包括与车辆控制器124通信的可视警告装置112、可听警告装置114、车辆停止装置116、操作人员显示装置118、定位装置120和通信装置122。但是，在利用自动车辆38的实施方式中，可以省略可视警告装置112、可听警告装置114、操作人员显示装置118以及/或者其他装置。

可视警告装置112可包括灯、LED或者能够响应于来自车辆控制器124的信号而发光的其他装置。可听警告装置114可包括扬声器或者能够响应于车辆控制器124提供的信号而发出能够听得见的信号的其他音频换能器。

车辆停止装置116可以包括车辆制动器、开关、阀、马达以及/或者能够响应于来自车辆控制器124的信号而停止车辆38的操作(例如引起停车、减速、断电等)的其他装置(未示出)。

操作人员显示装置118可以包括CRT装置、LCD装置、等离子体装置、投影显示装置(例如HUD)以及/或者本领域已知的任何其他显示装置。操作人员显示装置118可以响应于车辆控制器124提供的信号而显示图像。

定位装置120可以包括全球定位系统(GPS)、惯性基准组件(IRU)、里程或航位推测装置、激光水平传感器、倾斜传感器、倾斜计、回转罗盘、无线电测向仪，速度传感器、加速度计以及/或者能够向车辆控制器124提供表示位置、俯仰、侧倾、斜度、速度、加速度的信号以及/或者关于车辆38运动的其他信息。

通信装置122可以包括能够便于车辆38和工地计算系统44之间通信的任何装置。例如，通信装置122可以包括天线、发射器、接收器以及/或者能够使得车辆经通信链路52与工地计算系统44以无线方式交换信息的任何其他装置。

车辆控制器124可以包括用于接收信息和/或用于监视、记录、存储、索引、处理和/或发送有关车辆38操作的信息的任何装置。这些装置可以包括诸如像中央处理单元(CPU)、存储器、一个以上的数据存储装置等的部件以及/或者用来运行应用程序的任何其他计算部件。能通过商业方式得到的微处理器(例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或其他集成电路装置)可以被构造成实现车辆控制器124的功能。各种其他已知电路可以与车辆控制器124相联，诸如电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路、通信电路和其他合适电路。

车辆控制器124可经过通信链路52定期从工地计算系统44(例如实时地、接近实时地和/或按任何其他希望的间隔)接收限定料堆表面30的点X_G和限定区边界36的点X_zp。车辆控制器124可进一步接收工地计算系统44传输的警告信号。车辆控制器124可以向工地计算系统44发送从定位装置120接收的位置、俯仰、侧倾、偏转、斜度、速度、加速度以及/或者有关车辆38运动的其他信息。

图9示出的是可以通过车辆控制器124在操作人员显示装置118上提供的示例性显示130。车辆控制器124可以使用限定料堆表面30的点X_G、限定区边界36的点X_zp、来自定位装置120的车辆定位数据以及/或者其他信息来呈现显示130。显示130可包括工地10的俯视图132，来显示料堆表面30、区32、区边界36和/或料堆表面30上车辆38相对于区32的相对位置。显示130可以进一步包括工地10的侧视图134。侧视图134可显示料堆18的竖直横截面以及车辆38在料堆表面30上相对于区32的相对位置。侧视图134还可以包括指明料堆18高出工地10底部表面35的高度的图例136。

当车辆38的位置和/或方位变化时，以及/或者当收到新的限定料堆表面30的点X_G和限定区边界36的点X_zp时，可以定期或者连续地更新显示130。如图9所示，区32和/或区边界36可以诸如通过着色、阴影、闪烁等在操作人员显示装置118上视觉区分开。进一步，围绕着区32建立的缓冲区域(未示出)也可以显示在操作人员显示装置118上。于是，能够使得车辆操作人员意识到区32的存在、位置、尺寸和/或形状，以及车辆在工地10上相对区32的位置。

车辆控制器124还可以响应于从工地规避系统控制器50接收到警告信号(例如当车辆38在离区边界36一段距离内行驶或者驶进区边界36时)执行一个以上的动作。例如，车辆控制器124可以发出信号引起可视警告装置112发光、闪烁等，并由此警告车辆操作人员车辆38已行驶得太靠近区32或者驶入区32。

作为替换方式或者额外地，车辆控制器124可以发出信号引起车辆停止装置116停止车辆38的操作。例如，车辆停止装置116可以断开车辆38的能源、施加车辆制动、脱开车辆的传动系、降低发动机速度以及/或者以其他方式防止车辆38进一步进入或行驶到区32内。可以想到，如果希望的话，车辆操作人员可以能够忽略车辆38的停止。

作为替换方式或者额外地，车辆控制器124可以发出信号引起可听警告装置114以声音的方式警告车辆操作人员车辆38已行驶得太靠近区32或者驶入区32。例如可听警告装置114可产生令人不快的噪音(例如警报)或者通告消息(例如“本车已进入工地受限区域，请立即离开。”)

在另一例子中，车辆控制器124可以使类似的消息显示在操作人员显示装置118上。例如通过操作人员显示装置118上显示的图像90中区32和/或区边界36的闪烁以及/或者在操作人员显示装置118上提供的其他图形警告，这条消息可以得到突出。

在车辆38是自动的或无人操纵的并且被控制完成程序化任务的情况中，车辆控制器124可以控制车辆38的操作，使区32得以规避。例如，车辆控制器124可以控制车辆38，使得在车辆位置和限定区边界36的点X_zp之间至少保持最小距离。

工业实用性

本发明的地形绘制和规避系统可以应用于车辆或其他物体操作于堆放在工地上的材料料堆上的任何情形。在料堆中的材料经工地上的开口(例如用于聚集)释放导致料堆表面上形成动态扰动区的情况下，本发明系统可能尤其有用。

下面参照图10所示的流程图150解释工地规避系统40的操作。当车辆38正操作在料堆18上时，传感器42可扫描料堆表面30(步骤152)。具体而言，像上面讨论的那样，传感器42可发射束脉冲60，并计算料堆表面30上的点62相对于传感器坐标系S的位置X_SP。然后，传感器42可将含有点X_SP的信号经通信链路52传输到控制器50(步骤154)。

像上面讨论的那样，控制器50可将传感器42传输的点X_SP与它们在工地坐标系G中的对应坐标X_G相关(步骤156)。这些点X_G可以以矩阵形式存储在存储器中。

如上面参照图6详细讨论的那样，控制器50然后识别料堆表面30上落在区边界36上的点X_zp(步骤158)。

像上面讨论的那样，然后，控制器50确定是否有任何车辆38处于区32的一定距离内(或者在区32内)(步骤160)。如果发现车辆38处于区32的所述一定距离内(或者在区32内)，则控制器50可向这些车辆38传输警告信号(步骤162)。如果没有发现车辆38过于靠近区32(或者在区32内)，则控制器50返回步骤152。

响应于接收警告信号，车辆控制器124可进行上面讨论的一个以上的动作。例如，车辆控制器124可分别经过可视警告装置112和/或可听警告装置114向车辆操作人员提供可看见和/或可听见的警告；以及/或者，经过车辆停止装置116停止车辆38的操作。

此外，在上面讨论的步骤152～162期间，控制器50可以向车辆38连续地或者定期地传输含有限定区边界36的点X_zp和限定料堆表面30的点X_G的信号。于是，如上所示，车辆控制器124可向车辆操作人员提供以工地10的显示130。进一步，在自动车辆38中，车辆控制器124可控制车辆38在工地10上的行驶，从而规避区32。

本发明的地形绘制和规避系统可有助于操作在料堆上的车辆规避由于材料经工地上的开口释放而在料堆表面上形成的动态扰动区。在料堆高度由于材料进、出工地和/或在工地上四处移送而变化时，通过扫描料堆表面，可以保持区的最新限定。此外，可以连续地将区报告给车辆，并且/或者当车辆行驶得过于靠近区或者驶进区中时对车辆发出警告。于是，可防止车辆过于靠近区运动或者进入区中。

进一步，在仅通过检查料堆表面不能容易地检测到区的情形中，诸如当区中或区附近的料堆斜度比较水平(即当区不明显时)时，本发明的地形绘制和规避系统可识别出区。通过使用材料的静止角、已知的开口位置和限定被扫描的料堆表面的点，不需要分析料堆表面的轮廓就可以识别出区。

本领域技术人员也会理解，本说明书中说明的过程可以实施为存储于和/或读取于计算机可读储存介质的一个以上计算机程序。例如，工地计算系统44和/或车载系统110可包括上面存储了计算机可执行指令的计算机可读存储介质，这些指令在被计算机执行时，其中会引起计算机完成这里公开的过程。示例性的计算机可读存储介质可包括辅助存储装置，像硬盘、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、闪存、光学存储装置、固态存储装置和/或其他形式的计算机可读存储介质。

对于本领域技术人员会显而易见的是，可以对本发明的方法和系统作出各种修改和变形。例如，在其他的实施方式中，车辆控制器124可以实现上面所讨论的由工地规避系统控制器50实现的一个以上的过程，反之亦然。

例如，作为替换方式或者额外地，车辆38的车载系统110可以实现工地计算系统44的功能。来自传感器42的信号可以直接发送给车辆控制器124(而不是发送给工地规避系统控制器50，或者除了工地规避系统控制器50外)，并且车辆控制器124可以实现上面所讨论的由工地规避系统控制器50实现的一个以上过程。按此方式，车辆控制器124可以单独地识别区32、确定车辆38相对区32的位置、并响应地进行上面所讨论的一个以上的动作。

通过对说明书的思考和本发明的实践，本发明的方法和系统的其他实施方式对于本领域技术人员来说将是清楚的。意图是说，说明书应当仅仅看作是示例性的，本发明的真正范围由权利要求及其等同指明。

Claims (10)

1.一种在工地(10)上的材料(16)的材料堆(18)上操作车辆(38)的方法，所述材料经所述工地上的开口(20)释放，所述方法包括：

感测所述材料堆的表面(30)(步骤102)；

基于所感测的表面和已知的所述开口的位置，识别所述材料释放引起的所述材料堆表面上的扰动区(32)(110)；并且

将表示所述扰动区的信号传输给所述车辆(114)。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所感测的表面确定所述材料堆的高度(步骤108和110)，其中，识别扰动区包括基于所述开口的位置、所述材料的静止角和所述材料堆的高度确定所述扰动区的边界(36)。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

接收所述车辆的位置(步骤112)；并且

确定所述车辆是否位于离所述扰动区一段距离之内(步骤112)，

其中，当确定所述车辆位于离所述扰动区所述距离之内或者在所述扰动区里面时，传输所述信号。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括下述步骤中的至少一个步骤：

响应于所述信号停止所述车辆的操作；

响应于所述信号警告所述车辆的操作人员；

基于所述信号向所述车辆的所述操作人员显示所述材料堆和所述扰动区；以及

基于所述信号控制所述车辆规避所述扰动区。

5.一种计算机可读储存介质，所述介质存储计算机程序，所述计算机程序在被计算机执行时引起所述计算机实现权利要求1到4中任一项所述的方法。

6.一种用于在工地(10)上的材料(16)的材料堆(18)上操作车辆(38)的规避系统(40)，所述材料经所述工地上的开口(20)释放并引起扰动区(32)形成在所述材料堆的表面(30)上，所述系统包括：

位于所述工地并能够感测所述材料堆表面的传感器(42)；和

与所述传感器和所述车辆通信的处理器(50)，所述处理器能够：

基于所感测的表面和已知的所述开口的位置识别所述扰动区(32)，并且

将表示所述扰动区的信号传输给所述车辆。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述处理器进一步能够基于所感测的表面确定所述材料堆的高度，其中，识别所述扰动区包括基于所述开口的位置、所述材料的静止角和所述材料堆的高度确定所述扰动区的边界(36)。

8.如权利要求6所述的系统，其中，所述处理器进一步能够：

接收所述车辆的位置；并且

确定所述车辆是否位于离所述扰动区一段距离之内，

其中，所述处理器能够当确定所述车辆位于离所述扰动区所述距离之内或者在所述扰动区里面时，传输所述信号。

9.如权利要求6所述的系统，所述车辆包括控制器(84)，所述控制器能够：

响应于所述信号停止所述车辆的操作或者警告车辆操作人员；

基于所述信号在显示装置上显示所述材料堆和所述扰动区；或者

基于所述信号控制所述车辆规避所述扰动区。

10.如权利要求6所述的系统，其中，所述传感器包括激光扫描器。

Images