CN103362172A - 用于挖掘机的碰撞探测和减缓系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于探测碰撞的系统和方法。一种系统包括处理器，其被配置为接收来自于安装在挖掘机上的至少一个传感器的数据，基于该数据识别多个平面，确定多个平面是否被安置在与拖运卡车有关的预定结构中，以识别多个平面是否表示拖运卡车。该处理器进一步被配置为接收挖掘机的铲斗的当前位置和移动的当前方向，且基于多个平面、当前位置和当前移动的方向，确定在铲斗和所识别的拖运卡车之间碰撞是否是可能的，且不从拖运卡车接收任何信息。如果碰撞是可能的，则该处理器被配置为警告挖掘机的操作者，且可选择地，增加铲斗的移动。

Description

用于挖掘机的碰撞探测和减缓系统及其方法

相关申请

本申请要求申请日为2012年3月29日的美国临时专利NO.61/617,516和申请日为2013年2月11日的美国临时专利NO.61/763,229的优先权，其公开的全部内容通过引用在此合并。

技术领域

本发明的实施例涉及探测在工业机械，例如电力绳索或动力挖掘机、以及探测到的位于工业机械附近的物理对象之间的碰撞。

背景技术

工业机械、例如电力绳索或动力挖掘机、索斗铲等，用于执行挖掘操作，以从例如矿堆搬运物料。操作者在挖掘操作期间控制绳索挖掘机以向挖掘机装载物料。操作者从铲斗向拖运卡车内堆放物料。在堆放物料之后，挖掘循环继续并且操作者回转铲斗回到矿堆以执行另外的挖掘。

当挖掘机移动时，重要的是要有清晰的回转路径以避免与其它对象的撞击。例如，铲斗在回转路径上可能撞击拖运卡车或其它设备。铲斗还可能撞击矿堆、地面、挖掘机的其它部件、和/或位于挖掘机周围的其它对象。该撞击，特别是如果强烈的话，则可能导致对铲斗和被撞击对象的破坏。此外，该撞击可能导致对挖掘机其它部件的破坏。

发明内容

因此，本发明的实施例提供了用于探测和减缓挖掘机碰撞的系统和方法。为了探测碰撞，该系统和方法探测挖掘机周围区域内的对象。在探测到对象之后，该系统和方法可以选择地增加对挖掘机的控制以减缓与探测到的对象的可能碰撞的影响。当减缓碰撞时，该系统和方法可以使用听觉、视觉和/或其它触觉反馈来向挖掘机操作者提供警告。

特别地，本发明的一个实施例提供了一种用于探测碰撞的系统。该系统包括至少一个处理器。该至少一个处理器被配置为接收来自于与挖掘机周围区域有关的安装在挖掘机上的至少一个传感器的数据，基于所述数据识别多个平面，且确定多个平面是否被安置在与拖运卡车有关的预定结构中。如果该多个平面被安置在预定结构中，则该至少一个处理器被配置为识别作为表示拖运卡车的多个平面。该至少一个处理器进一步被配置为接收挖掘机的铲斗的当前位置和当前移动方向，且基于多个平面、当前位置和当前移动方向确定在铲斗和所识别的拖运卡车之间的碰撞是否是可能的，而不从拖运卡车接收任何信息。如果碰撞是可能的，则该至少一个处理器被配置为警告挖掘机的操作者。

本发明的另一个实施例提供了一种探测在工业机械和位于工业机械周围的至少一个物理对象之间的碰撞的方法。该方法包括，在至少一个处理器处，接收来自于安装在工业机械上的至少一个传感器的数据，其中，该传感器收集关于工业机械周围至少一部分的数据。该方法进一步包括，在至少一个处理器处，基于所述数据识别多个平面，且在至少一个处理器处，确定多个平面是否被安置在与预定物理对象相关的预定结构中。此外，该方法包括，如果多个平面被安置在预定结构中，则在至少一个处理器处，识别作为表示该预定物理对象的多个平面。此外，该方法包括，在至少一个处理器处，接收工业机械的至少一个可移动部件的当前位置和当前移动方向，以及，在至少一个处理器处，基于多个平面、当前位置以及当前移动方向确定在至少一个可移动部件和所识别的预定物理对象之间的碰撞是否是可能的。该方法也包括，如果碰撞是可能的，则警告工业机械的操作者。

通过考虑详细描述和图，本发明的其它方面将变得清晰。

附图说明

本专利或申请文件包括至少一个彩色的图。具有彩色图的本专利或专利申请公开的副本将基于要求和所需费用的支付而提供。

图1示出了根据本发明的一个实施例的工业机械和拖运卡车。

图2示出了用于图1的工业机械的控制器。

图3是示出了由图2的控制器执行的探测对象的方法的流程图。

图4示出了由图2的控制器探测的示例性平面。

图5示出了基于图4的平面、由图2的控制器限定的示例性排除体积。

图6示出了在工业机械附近捕获的图像。

图7示出了基于图6的图像的工业机械的顶视图。

图8示出了添加有由图2的控制器探测的平面的图7的顶视图。

图9示出了由图2的控制器执行的减缓碰撞的方法的流程图。

图10示出了根据本发明另一个实施例的工业机械的控制器。

具体实施方式

在详细描述本发明的任一实施例之前，可以理解的是，本发明的应用并不限于在后面的说明中详细描述或在后面的图中示出的结构的细节和部件的布置。本发明能够有其它实施例和以多种方式实行或执行。同样，可以理解的是，这里使用的措辞和术语是用于描述的目的且并不被视为限制性的。在此，使用“包括”、“包含”或“具有”及其变形意味着包括在下文中列出的项目及其等价物以及其它项目。术语“安装”、“连接”和“联结”被广泛使用，且包括直接和间接安装、连接和联结。此外，“连接”和“联结”并不限于物理或机械连接或联结，并且可以包括电力连接或联结，无论直接或间接地。同样，电力通讯和通知可以使用任何已知的方式执行，包括直接连接、无线连接等等。

还应注意的是，可以使用基于装置的多个硬件和软件、以及多个不同的结构部件来实施本发明。此外，可以理解的是，本发明的实施例可以包括硬件、软件、和电子部件或模块，基于讨论的目的，其可以被示出或描述为部件的主体在硬件中被单独地实施。然而，本领域普通技术人员，以及基于阅读这一详细描述，将认识到，在至少一个实施例中，基于本发明的多个方面的电子可以在软件中实施(例如，存储在非暂存计算机可读介质中)，该软件由一个或多个处理器执行。这样，可以注意到的是，基于装置多个硬件和软件、以及多个不同的结构部件可以用于实施本发明。此外，且正如在后面的段落中的描述，在图中示出的特定机械结构意图例证本发明的实施例，并且其它替代机械结构是可能的。例如，在说明书中描述的“控制器”可以包括标准处理部件，例如一个或多个处理器、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口、以及连接部件的各种连接(例如，系统总线)。

图1描绘了示例性的绳索挖掘机100。该绳索挖掘机100包括履带105，用于向前和向后推进绳索挖掘机100，且用于使该绳索挖掘机100转向(也就是，通过改变左和右履带彼此相对的速度和/或方向)。履带105支撑包括驾驶室115的基座110。该基座110能够围绕回转轴125回转或旋转，例如，以从挖掘位置移动到倾倒位置以及回到挖掘位置。在一些实施例中，履带105的移动对于回转运动不是必需的。该绳索挖掘机进一步包括支撑可枢转铲斗杆135和铲斗140的铲斗轴或吊臂130。该铲斗140包括门145，用于将铲斗140内包含的内容物倾倒入倾倒位置。

挖掘机100还包括张紧悬吊线缆150，其被联结在基座110和吊臂130之间，用于支撑铲斗轴130；升降线缆155被附接至基座110内的绞盘(未示出)，用于卷绕线缆155以升起或降低铲斗140；以及附接至另一个绞盘(未示出)的铲斗门线缆160，用于打开铲斗140的门145。在一些示例中，挖掘机100是由P&H矿业设备公司生产的4100系列挖掘机，尽管挖掘机100可以是另一类型或样式的电力采矿设备。

当采矿挖掘机100的履带105静止的时候，铲斗140是可操作的，以基于升降、伸缩(crowd)和回转三个控制动作移动。升降控制通过卷绕或释放升降线缆155来升起或降低铲斗140。伸缩控制伸出和收回杆135和铲斗140的位置。在一个实施例中，杆135和铲斗140通过使用齿轮齿条系统伸缩。在另一个实施例中，使用液压驱动系统伸缩杆135和铲斗140。回转控制相对于回转轴125转动杆135。在操作期间，操作者控制铲斗140从挖掘位置挖掘地面物料，回转铲斗140至倾倒位置，释放门145以倾倒地面物料，以及收缩铲斗140，其使得门145关闭，并且回转铲斗140至相同或另一挖掘位置。

图1还指示了拖运卡车175。在操作期间，绳索挖掘机100通过打开门145倾倒铲斗140内包含的物料至拖运卡车车斗176内。虽然绳索挖掘机100被描述为使用拖运卡车175，但绳索挖掘机100还可以从铲斗140内倾倒物料至其它物料收集器内，例如移动采矿破碎机，或直接倾倒至地面上。

正如在上面发明内容部分中描述的，当操作者回转铲斗140时，铲斗140可能碰撞其它对象，例如拖运卡车175(例如，拖运卡车175的车斗176)和挖掘机100的其它部件(例如，履带105、位于挖掘机100后面的平衡配重，等)。这些碰撞(例如，金属对金属的碰撞)可能导致铲斗140、挖掘机100和被撞击对象的损坏。因此，挖掘机100包括一控制器，其探测对象且增加铲斗140的控制，以减缓在铲斗140和探测到的对象之间的碰撞。

控制器包括硬件和软件的组合，在其它对象中间，如果可应用的话，它们是可操作的，以监控挖掘机100的操作且增加对挖掘机100的控制。在图2中示出了根据本发明的一个实施例的控制器300。如图2所示，控制器300包括探测模块400和减缓模块500。在其它部件之间，探测模块400包括，处理单元402(例如，微处理器、微控制器或其它适合的可编程装置)，非瞬时性计算机可读介质404，以及输入/输出接口406。处理单元402、存储器404和输入/输出接口406经由一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线408)连接。相似地，在其它部件之间，减缓模块500包括，处理单元502(例如，微处理器、微控制器或其它适合的可编程装置)，非瞬时性计算机可读介质504，以及输入/输出接口506。处理单元502、存储器504和输入/输出接口506由一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线508)连接。可以理解的是，在其它结构中，探测模块400和/或减缓模块500包括附加的、更少的或不同的部件。

如下文更详细的描述，探测模块400探测对象且向减缓模块500提供关于探测到的对象的信息。减缓模块500使用来自于探测模块400的信息和关于挖掘机100的其它信息(例如，当前位置、运动，等)，以识别或探测可能的碰撞，并且可选地，减缓碰撞。可以理解的是，控制器300的功能性可以以多种形式在探测模块400和减缓模块500之间分配。例如，在一些实施例中，替代或附加于减缓模块500的功能性，探测模块400基于探测到的对象(以及通过减缓模块500直接或间接接收到的关于挖掘机100的其它信息)探测可能的碰撞，且向操作者提供警告。探测模块400还可以向减缓模块500提供关于所识别的可能碰撞的信息，并且减缓模块500可以使用该信息以自动地减缓碰撞。

将控制器300分为探测模块400和减缓模块500允许每一模块的功能性可以独立地且以多种配置使用。例如，探测模块400可以无需减缓模块500而使用，以探测对象、探测碰撞、和/或向操作者提供警告。此外，减缓模块500可以被配置为从多个探测模块400接收数据(例如，每一个探测模块400探测挖掘机100周围的特定对象或特定区域)。此外，通过在两个模块之间分开控制器300，每一个模块可以独立测试以确保该模块正确地操作。

计算机可读介质404和504储存程序指令和数据。被包含在每一个模块400和500中的处理器402和502被配置为从介质404和504检索指令，并且在其它之间，执行指令以执行在此描述的控制处理和方法。每一个模块400和500的输入/输出接口406和506从模块向外部系统、网络和/或装置传送数据，且从外部系统、网络和/或装置接收数据。输入/输出接口406和506还可以分别将从外部来源接收的数据储存至介质404和504和/或将该数据提供给处理器402和502。

如图2所示，减缓模块500与用户界面370进行通信。用户界面370允许用户执行伸缩控制、回转控制、升降控制和门控制。例如，界面370可以包括一个或多个操作者控制的输入装置，例如操纵杆、控制杆、脚踏板和其它起动器。用户界面370经由输入装置接收用户的输入，且输出数字移动指令至减缓模块500。移动指令包括，例如，升起、下降、伸缩伸展、伸缩收回、顺时针回转、逆时针回转、铲斗门释放、左履带前进、左履带倒退、右履带前进和右履带倒退。正如将被更详细描述的，减缓模块500被配置为增加操作者移动指令。在一些实施例中，减缓模块500还可以通过用户界面370向操作者提供反馈。例如，如果减缓模块500增加了操作者对铲斗140的控制，则减缓模块500可以使用用户界面370以向自动控制的操作者通报(例如，使用视觉、听觉或触觉反馈)。

减缓模块500还与多个挖掘机位置传感器380进行通信，以监控铲斗140和/或挖掘机100的其它部件的位置和状况。例如，在一些实施例中，减缓模块500被联结至一个或多个伸缩传感器、回转传感器、升降传感器和挖掘机传感器。伸缩传感器指示了杆135和铲斗140的伸展或收回水平。回转传感器指示了杆135的回转角。升降传感器基于升降线缆155的位置指示铲斗140的高度。挖掘机传感器指示了铲斗门145是否打开(用于倾倒)或关闭。挖掘机传感器还可以包括重量传感器、加速度传感器和倾斜传感器，以向减缓模块500提供关于铲斗140内的负载的附加信息。在一些实施例中，伸缩传感器、回转传感器和升降传感器中的一个或多个是分解器，其指示了用于移动铲斗140的电机(例如，伸缩电机、回转电机、和/或升降电机)的绝对位置或相对移动。例如，为了指示相对移动，当升降电机转动以卷绕升降线缆155以升降铲斗140时，升降传感器输出数字信号，其指示升降的转动量和移动方向。减缓模块500将这些输出转变为铲斗140的高度位置、速度、和/或加速度。

如图2所示，在一些实施例中，探测模块400还与用户界面370进行通信。例如，用户界面370可以包括显示器，并且探测模块400可以在显示器上显示探测到的对象的指示。替代地或附加地，如果探测模块400探测到在挖掘机100的预定距离内探测到对象和/或探测模块400探测到与探测到的对象的可能碰撞，探测模块400可以在用户界面370上显示警告。可以理解的是，在一些实施例中，显示器与用户界面370分离。此外，在一些实施例中，显示器可以是位于远离挖掘机100的控制台的部分，并且可以被配置为通过一个或多个有线或无线连接与探测模块400和/或减缓模块500进行通信。

探测模块400也与多个对象探测传感器390进行通信以探测对象。传感器390可以包括数字相机和/或激光扫描器(例如，2D或3D扫描器)。例如，在一些实施例中，传感器390包括一个或多个SICK LD-MRS激光扫描器。在其它实施例中，替代地或者附加地，传感器390包括一个或多个TYSX G3EVS AW立体照相机。在包括激光扫描器和照相机二者的传感器390的实施例中，如果照相机不可用或没有正确运行，则探测模块400可以仅使用激光扫描器，且反之亦然。在一些实施例中，传感器390包括至少三个激光扫描器。一个扫描器可以被放置在挖掘机100的左侧(如挖掘机操作者的看到的)(以跟踪物料向挖掘机100的左侧倾倒)。第二扫描器可以被安置在挖掘机100的右侧(如挖掘机操作者的看到的)(以跟踪物料向挖掘机100的右侧倾倒)。第三扫描器可以被安置在挖掘机100的后侧，以探测大体上位于挖掘机100后方的对象(例如，其可能在挖掘机100的后侧与平衡配重碰撞)。

如上所述，探测模块400和减缓模块500被配置为分别从介质404和504检索指令，且在其它之间，施行有关对挖掘机100执行控制处理和方法的指令。例如，图3是示出了由探测模块400执行的对象探测方法的流程图。如图3所示，探测模块400从对象探测传感器390获取数据(在600)，并且基于该数据识别可能与挖掘机100碰撞的对象(例如，可能与铲斗140碰撞的对象)。在一些实施例中，探测模块400执行本地探测方法以寻找在铲斗140的即时路径上(也就是，围绕挖掘机100的预定影响区域)的对象，当铲斗140移动时其可能与铲斗140碰撞。例如，在本地探测方法中，探测模块400可以从传感器390获取数据，其聚焦于挖掘机100附近的预定影响区域(例如，铲斗140的左侧或右侧)。在一些实施例中，本地探测方法还分类探测到的对象，例如探测到的对象是否是挖掘机100的一部分。

替代地或附加地，探测模块400施行全局探测方法，其绘制在挖掘机周围探测到的对象的位置图。全局探测方法可以聚焦于比本地探测方法有关的影响区域更大的预定影响区域。全局探测方法还可以尝试识别特定对象。例如，全局探测方法可以确定探测到的对象是否是拖运卡车的一部分、地面的一部分、墙壁的一部分，等等。

在一些实施例中，探测模块400被配置为探测特定对象，例如拖运卡车175。为了探测卡车175，探测模块400基于来自于传感器390的数据识别平面(在602)。特别地，探测模块400可以被配置为在通常与拖运卡车175有关的构造中确定一个或多个水平和/或垂直平面。例如，如图1所示，拖运卡车175通常包括近似水平的头部700，其在卡车175的驾驶室702上延伸。拖运卡车175还包括近似水平的车斗176。此外，拖运卡车175典型地包括一垂直前面、两个垂直侧面和一垂直后面。因此，探测模块400可以被被配置为基于由传感器390供应的数据识别多个平面，其应对应于拖运卡车175的前面、侧面、后面、头部700和车斗176。

例如，如图4所示，拖运卡车175的区域可以由多条边线702限定。边线702包括：限定了卡车175前端的前边线702a、限定了卡车175后端的后边线702b、限定了远离挖掘机100的卡车175第一侧面的远边线702c、以及限定了靠近挖掘机100的卡车第二侧面的近边线702d。卡车175还可以由标记了头部700的后边缘的头部线704限定。

线702和704限定了组成卡车175的多个平面。特别地，如图4所示，前边线702a、远边线702c、和后边线702b限定了远侧壁平面706。相似地，前边线702a、近边线702d、和后边线702b限定了近侧壁平面710。前边线702a、远边线702c、和近边线702d还限定了前平面712，并且后边线702b、远边线702c、和近边线702d还限定了后平面714。

此外，头部线704、前边线702a、远边线702c和近边线702d限定了顶头部平面716。头部线704、远边线702c和近边线702d还限定了侧头部平面718。同样，头部线704、远边线702c、近边线702d和后边线702b限定了车斗平面720。

如图4所示，探测模块400被配置为，从对象探测传感器390供应的数据中，识别一组一个或多个平面为这样的结构，其匹配了与拖运卡车175有关的平面的结构。在一些实施例中，探测模块400被配置为识别特定尺寸的平面。在其它实施例中，探测模块400被配置为识别任何近似矩形的平面，而不考虑尺寸。还在另一实施例中，探测模块400被配置为识别超过了预定尺寸阈值的矩形平面。可以理解的是，对于探测和识别拖运卡车的探测模块400，不是所有在图4中示出的平面都需要被探测。例如，如果拖运卡车的一部分在传感器390的范围之外或没有精确地匹配图4中所示平面的全部结构(例如，具有曲面头部)，如果由模块400探测的至少最小数量的平面处于合适的结构(例如，前、后和车斗平面)，则探测模块400仍然可以探测卡车。还可以理解的是，虽然在本申请中描述的平面作为识别拖运卡车，但是探测模块400可以被配置为探测特定平面或其它形状以及与其它类型对象有关的相关结构，例如履带105、墙壁、人、在挖掘机100后部的平衡配重，等等。

探测模块400使用所识别的平面的位置(和尺寸)，以确定探测到的对象是否对应于拖运卡车175(在604)。例如，在一些实施例中，探测模块400被配置为从三维空间(也就是，x-y-z)中的点云图探测平面。特别地，为了识别平面，模块400最初移除在预定高度下方(也就是，低于预定的z值)的所有点。模块400随后将保留的点映射至二维平面上，其形成了二进制的二维图像。模块400随后在该二进制二维图像上施行斑点探测。斑点探测使用数学方法来探测数字图像内的区域，其与周围区域的属性(例如，亮度、颜色，等)不同。因此，探测到的区域或“斑点”是数字图像的区域，其中，这些区域的一些属性是恒定的或在预定的值的范围内改变(也就是，斑点内的所有点是相似的)。

在探测了图像内的所有斑点之后，探测模块400消除所有不符合预定尺寸(也就是，预定宽度/长度比阈值)的斑点。探测模块400随后在每一个保留的斑点上执行线探测，以确定该斑点是否包括通常与拖运卡车175相关的四个边线702和头部线704。如果是这样的，则模块400检测，四条边线702形成了矩形(也就是，前边线702a和后边线702b是平行的，且垂直于远边线702c和近边线702d)，并且头部线704平行于前边线702a和后边线702b。使用在点云图的四条边线702的位置，探测模块400随后确定线702的高度(也就是，z值)。如果这些线的高度指示这些线正确地限定了近似水平的矩形，其符合预定高度/宽度比阈值(也就是，没有线在不希望的z平面)，模块400在高度方向(也就是，z方向)中投影每一条线702和704至地面，以在三维空间形成平面。特别地，这些平面包括前平面712、远侧壁面706、近侧壁面710、后平面714、和侧头部平面718。模块400还从头部线704投射平面至前平面712，其限定了顶部头部平面716。此外，模块400从后平面714的顶部高度投射平面至头部线704下方高度的一半，其形成了车斗平面720。

在识别拖运卡车175的各平面之后，探测模块400可以基于这些平面限定拖运卡车175的位置、尺寸和方位。在一些实施例中，探测模块400使用网格来跟踪所识别的对象(也就是，所识别的平面)的位置、定位和方位。探测模块400可以为减缓模块500提供网格，并且减缓模块500可以使用该网格来确定在铲斗140和探测到的拖运卡车175之间的可能的碰撞，并且，可选地，因此减缓碰撞。

在一些实施例中，探测模块400还基于所识别的拖运卡车175的平面来限定排除的体积(在606)。例如，依照由探测模块400识别的特定平面作为表示拖运卡车175，探测模块400限定了一体积，其包括标记了挖掘机100(也就是，铲斗140)不能进入的拖运卡车175周围的区域的平面。例如，图5示出了用于图4所示平面的由探测模块400限定的排除的体积。如图5所示，包括头部平面716的排除的体积800是立方体形，且从该平面无限地向上延伸。因此，排除的体积800指示了挖掘机100没有一部分可以被安置在头部700之上(例如，保护驾驶室702内的操作者)。

相似地，探测模块400可以为远侧壁平面706和近侧壁平面710限定排除的体积。例如，如图5所示，包括远侧壁平面706的体积802是三角形的且从卡车175的远侧向外延伸至地面。体积802成型为如图5所示，以指示出铲斗140越接近卡车175的侧面，则铲斗140应被升降至大于卡车175侧面的高度，以减缓与卡车175的远侧的碰撞。如图5所示，探测模块400可以生成相似形状的排除体积804，其包括近侧壁平面710。还如图5所示，探测模块400可以限定包含后部平面714的排除体积806。例如，如图5所示，体积806包括后部平面714，其是梯形的，且从卡车175的后部和侧面向外延伸朝向地面。体积804成型为图5所示，以指示当铲斗140接近卡车175的后部时，铲斗140应被升降以减缓与卡车175后部的碰撞。可以理解的是，在一些附加的或作为替代的实施例中，探测模块400可以基于所识别的平面限定排除的体积，其限定了挖掘机100可以安全操作的区域。

在一些实施例中，在探测模块400探测一个或多个平面之后，探测模块400可以锁定这些平面。在这一情况中，探测模块400不再尝试探测或识别对象。然而，锁定的平面可以被用于检测减缓模块500，甚至通过移除探测到的对象。例如，在拖运卡车175在特定位置被探测到之后，拖运卡车175可以被物理上地移除，同时减缓模块500被探测以确定模块500是否成功地增加了铲斗140的控制，以在由探测模块400探测之前，基于卡车175的锁定位置避免与卡车175的碰撞。对此，如果减缓模块发生故障，则减缓模块500的功能性可以被检测，而没有对挖掘机100或拖运卡车175的危险损害。

回到图3，探测模块400向减缓模块500提供了关于探测到的对象(例如，识别的平面和排除的体积)的数据(在608)。在一些实施例中，探测模块400还向用户界面370提供了关于探测到的对象的数据(或分离或远离挖掘机100的独立显示器)(在610)。用户界面370可以向用户显示关于探测到的对象的信息。例如，用户界面370可以显示由探测模块400识别的平面和/或排除体积，如图4和5所示。如图4所示，用户界面370可以显示由探测模块400当前探测到的卡车平面处于相对于挖掘机100的正确位置。用户界面370还可以选择地显示排除体积(如图5所示)。在一些实施例中，用户界面370还显示挖掘机100的三维表达810。特别地，用户界面370可以显示挖掘机100的表达810，其指示了铲斗的X、Y和Z方位、铲斗杆角度、和铲斗140的当前回转角或方向。挖掘机100的当前位置和运动可以从减缓模块500获得，如下文所述，其获得了挖掘机100的当前状态以限定可能的碰撞。探测到的对象的位置可以在用户界面370上更新，作为从探测模块400接收到的更新数据(例如，基本上持续地)，并且，相似地，由表达810示出的挖掘机100的当前位置可以在用户界面上更新，作为从减缓模块500接收到的更新数据(例如，基本上持续地)。

平面和/或排除的体积可以以多种方式显示。例如，在一些实施例中，用户界面370将探测到的平面添加至邻近挖掘机100的区域的照相机视图上。特别地，一个或多个静止或视频照相机包括广角透镜，例如鱼眼透镜，其可以被安装在挖掘机100上且可以被用于捕获挖掘机100周围的一个或多个区域的图像。例如，图6示出了使用四个数字照相机在挖掘机周围捕获到的四个图像。来自于每一个照相机的图像可以被展开(例如，变平)，并且三维变换可以被应用于所展开的图像以生成挖掘机100的顶视图，如图7所示。

顶视图还可以包括来自于顶视图的挖掘机100的图形表达820。在一些实施例中，表达820可以基于挖掘机100的当前状态(例如，铲斗140的当前回转角)而改变。由探测模块400确定的平面和/或排除体积可以被叠加在挖掘机100的顶视图上。例如，如图8所示，基于识别的拖运卡车175相对于挖掘机100的位置，作为表示拖运卡车的由探测模块400识别的平面830可以被添加在顶视图上。操作者或其它观察者可以使用顶图像和叠加平面830，以：(i)验证所探测的对象是否确实是拖运卡车，以及(ii)快速地确定挖掘机100相对于所识别的拖运卡车或其它所探测的对象的当前位置。在一些实施例中，叠加平面830的特征(例如，形状、尺寸、颜色、动画，等)可以被用于传达关于探测到的对象的信息。例如，如果拖运卡车175被安置在在挖掘机100附近限定的预定危险区域内，(例如，距离挖掘机0至10英尺)，平面830可以被涂上红色。或者，平面830可以被涂上黄色。此外，表示石头、墙壁、人和其它非卡车的对象的探测到的平面830可以以不同于表示拖运卡车175的所探测平面830的颜色显示。使用不同的颜色和其它叠加平面830的特征可以给挖掘机操作者提供挖掘机周围的快速参考，即使操作者仅观察显示的平面830或者通过他或她的外部观察得到的其它图像。

图9示出了由减缓模块500执行的减缓碰撞的方法。如图9所示，减缓模块500从探测模块400获取关于探测到的对象的数据(例如，位置、大小、尺寸、分类、平面、排除体积，等)(在900)。减缓模块500还从挖掘机位置传感器380和用户界面370获取数据(在902)。减缓模块500使用所获取的数据以确定挖掘机100(例如，铲斗140)的当前位置和挖掘机(例如，铲斗140)的任何当前移动。如上所述，在一些实施例中，减缓模块500向探测模块400和/或用户界面370提供关于挖掘机100的当前位置和行进或运动的方向的信息，用于向用户显示(在904)。

减缓模块500也使用挖掘机100的当前位置和行进或运动的方向的，以识别挖掘机100的一部分，例如铲斗140，与探测到的对象之间的可能的碰撞(在906)。在一些实施例中，减缓模块基于铲斗140是否朝向头部且当前被安置在离与所探测对象或与所探测对象的排除体积预定距离内，识别可能的碰撞。例如，减缓模块500识别了铲斗140的速度矢量。在一些实施例中，速度矢量与铲斗140的球轴颈(ball pin)关联。在其它实施例中，模块500识别了多个速度矢量，例如用于铲斗140的多个外部点的矢量。减缓模块500可以基于挖掘机100的前进运动而生成一个或多个速度矢量。在生成一个或多个速度矢量之后，模块500执行几何计算，以无穷地延伸速度矢量，并且确定是否有任何矢量与由探测模块400识别的任何平面向交叉(见图4)。在其它实施例中，模块500执行几何计算以确定任何矢量是否与由探测模块400识别的任何排除体积相交叉(见图5)。

如果有交叉，则模块500识别碰撞是可能的。当减缓模块500确定碰撞是可能的时候，减缓模块500可以生成一个或多个警告(例如，语音、视觉或触觉)且将警告发布给挖掘机操作者。减缓模块500还可以选择地增加挖掘机100的控制，以防止碰撞或降低与所探测的对象碰撞的撞击速度(在908)。特别地，当其非常接近探测到的对象的时候，减缓模块500可以施加力场，其使得铲斗140变慢。当其接近探测到的对象的时候，减缓模块500还可以施加速度限制场，其限制了铲斗140的速度。

例如，模块500可以在所识别的交叉点生成斥力场。斥力场修改了基于操作者的输入通过用户界面370生成的移动指令。特别地，减缓模块500向移动指令施加推斥力以减小指令。例如，减缓模块500接收移动指令，使用斥力场以确定减小多少指令，且输出新的、改变的移动指令。被包含在挖掘机100中的一个或多个控制器接收移动指令，或其的一部分，且基于移动指令操作一个或多个挖掘机的部件。例如，回转杆135的控制器根据移动指令的指导而回转杆135。

可以理解的是，由于速度矢量无穷延伸，即使当铲斗140远离所探测对象时，仍然可以识别交叉。然而，由减缓模块500施加的斥力场可以与最大半径和最小半径相关。如果探测的交叉在最大半径的外部，则减缓模块500不增加铲斗100的控制，并且因此不发生碰撞减缓。

当铲斗140移动接近斥力场的中心时，斥力场施加增大的负因数至移动指令。例如，当铲斗140首先移动至斥力场的最大半径内时，斥力使移动指令降低了一小量，例如近似1％。当铲斗140移动接近于斥力场的中心时，斥力场通过一更大量来降低移动指令，直到铲斗140在力的最小半径内，其中该降低近似于100％且铲斗140停止。在一些实施例中，斥力场仅向铲斗140朝向探测到的对象的移动施加。因此，操作者还可以手动地移动铲斗140远离探测到的对象。在一些实施例中，铲斗140可以通过多个斥力场(例如，与多个探测到的对象或探测到的对象的平面有关)被推斥。多个斥力场防止铲斗140在多个方向上移动。然而，在大多数情形中，铲斗140将仍能够被手动地在至少一个方向上移动，其允许铲斗140远离探测到的对象移动。

因此，减缓模块500可以防止挖掘机100和其它对象之间的碰撞，或者可以减缓这种碰撞的力和带来的影响。当防止或减缓碰撞(例如，通过限制挖掘机的移动或限制挖掘机移动的速度)的时候，减缓模块500可以使用听觉、视觉或触觉反馈向操作者提供警告(在910)。该警告告知操作者，增加控制是作为与挖掘机100的故障相比较的碰撞减缓控制的部分(例如，铲斗140的无响应)。

在一些实施例中，不像其它碰撞探测系统，在本申请中描述的系统和方法不再需要对探测到的对象，例如拖运卡车175的改进。特别地，在一些布置中，没有传感器或装置和相关的通信链接需要被安装在拖运卡车175之上且与其共同使用，以向挖掘机100提供关于拖运卡车175位置的信息。例如，在一些目前的系统中，视觉基准和其它被动/主动位置传感设备(例如，GPS设备)被安装在拖运卡车上，并且挖掘机使用来自该设备的信息，以跟踪拖运卡车的方位。这些改进需求的消除降低了系统和方法的复杂性，且降低了拖运卡车175的成本。

相似的，一些目前的碰撞探测系统需要，该系统由所有可用的拖运卡车(例如，所有制造、模式等)的特征(例如，图像、大小、尺寸、颜色，等)预编程。探测系统使用这些预编程的特征来识别拖运卡车。然而，这一类型的预编程增加了系统的复杂性且需要广泛的和频繁的更新，以当新的卡车可用的且目前的拖运卡车存在改进的时候，探测所有可用的拖运卡车。相比之下，如上所述，探测模块400使用平面以识别拖运。使用通常与拖运卡车相关的平面和平面的构造，增加了探测模块400的精确度，且消除了广泛的预编程和相关更新的需求。此外，通过基于多于仅一个特征，例如尺寸，探测模块400更精确地探测拖运卡车。例如，使用上述的平面结构，探测模块400可以区分拖运卡车和在尺寸上与拖运卡车相似的设备的其它部件或环境的其它部分(例如，大石头)。

可以理解的是，虽然上述功能性涉及探测和减缓挖掘机100(也就是，铲斗140)和拖运卡车175之间的碰撞，但相同的功能性可以被用于探测和/或减缓挖掘机100的任何部件和任何类型对象之间的碰撞。例如，功能性可以被用于探测和/或减缓履带105和铲斗140之间的、履带105和位于铲斗100周围的对象例如石头或人之间的、挖掘机100后部的平衡配重和位于挖掘机100后面的对象之间的碰撞，等等。同样，可以理解的是，如在本发明中描述的控制器300的功能性可以与其它控制器结合以执行附加的功能。此外地或替代地，控制器300的功能性还可以在多于一个控制器中被分配。同样，在一些实施例中，控制器300可以以多种模式操作。例如，在一个模式中，控制器300可以探测潜在的碰撞，但可以不增加铲斗140的控制(也就是，仅操作探测模块400)。在这一模式中，控制器300可以记录关于探测到的对象和/或探测到的与探测到的对象的可能碰撞的信息，和/或可以警告操作者对象和/或可能的碰撞。

可以理解的是，虽然控制器300的功能性以两个模块(也就是，探测模块400和减缓模块500)的方式在上文中描述，该功能可以以多种构造在两个模块之间分配。此外，在一些实施例中，如图10所示，控制器300包括合并的模块，其执行了探测模块400和减缓模块500的功能性。

本发明的多个特征和优点在下面的权利要求中陈述。

Claims (26)

1.一种用于探测在挖掘机和位于所述挖掘机周围的拖运卡车之间的碰撞的系统，所述系统包括：

至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为

接收来自于安装在所述挖掘机上的至少一个传感器的数据，所述数据涉及挖掘机周围的区域，

基于所述数据识别多个平面，

确定所述多个平面是否被安置在与拖运卡车相关的预定结构中，

如果所述多个平面被安置在所述预定结构中，则识别作为表示拖运卡车的所述多个平面，

接收所述挖掘机的铲斗的当前位置和当前移动方向，

基于所述多个平面、所述当前位置和所述当前移动方向，来确定在所述铲斗和所识别的拖运卡车之间的碰撞是否是可能的，并且无需从所述拖运卡车接收任何信息，并且

如果碰撞是可能的，则警告所述挖掘机的操作者。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器进一步被配置为，增加所述铲斗的所述当前移动方向，以减缓可能的碰撞。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个处理器进一步被配置为，向所述挖掘机操作者提供关于所述铲斗的所增加的控制的至少一个警告。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器从伸缩传感器、回转传感器、升降传感器和铲斗门传感器中的至少一个接收所述铲斗的所述当前位置。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器从至少一个用于移动所述铲斗的受操作者控制的输入装置接收所述铲斗的所述当前移动方向。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个[g1]传感器包括至少一个激光扫描器。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括至少一个立体照相机。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括至少一个激光扫描器和至少一个立体照相机。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置为，通过基于所述数据识别多条线和基于在所述多条线之间的交叉识别所述多条线来识别所述多个平面。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置为确定所述多个平面是否被安置在所述预定结构中包括：确定所述多个平面是否包括水平头部平面、水平卡车车斗平面、一垂直前平面、两个垂直侧平面和一垂直后平面。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器进一步被配置为，基于所述多个平面中的一个，识别至少一个排除体积，所述排除体积从所述多个平面中的一个延伸、且限定了所述铲斗不能进入的体积。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置为，当所述铲斗被安置在所述至少一个排除体积内的时候，识别在所述铲斗和所述拖运卡车之间的可能的碰撞。

13.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个处理器被配置为，当基于第二数据的所述铲斗的速度矢量和无穷延伸的第三数据与所述多个平面中的至少一个交叉的时候，识别在所述铲斗和所述拖运卡车之间的可能的碰撞。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个处理器进一步被配置为，生成斥力场，用于减缓可能的碰撞，所述斥力场被安置在所述速度矢量与所述多个平面中的至少一个的交叉点处且具有最大半径，并且当所述铲斗移动接近所述最大半径内的所述交叉点的时候向第三数据施加所述斥力场以向第三数据施加增加的负因数。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述排斥力包括最小半径，并且其中，所述至少一个处理器被配置为，当所述铲斗在所述最小半径内移动时，向所述第三数据施加所述斥力场以使所述铲斗停止。

16.一种探测在工业机械和位于所述工业机械周围的至少一个物理对象之间的碰撞的方法，所述方法包括：

在至少一个处理器处，接收来自于安装在所述工业机械上的至少一个传感器的数据，所述传感器收集关于所述工业机械周围的至少一部分的数据，

在至少一个处理器处，基于所述数据识别多个平面，；

在至少一个处理器处，确定所述多个平面是否定位在与预定的物理对象相关的预定结构中；

如果所述多个平面被安置在所述预定结构中，则在至少一个处理器处识别作为表示所述预定的物理对象的所述多个平面；

在至少一个处理器处，接收所述工业机械的至少一个可移动部件的当前位置和当前移动方向；

在至少一个处理器处，基于所述多个平面、所述当前位置以及所述当前移动方向，确定在所述至少一个可移动部件和所识别的预定物理对象之间的碰撞是否是可能的；以及，

如果碰撞是可能的，则警告所述工业机械的操作者。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括，如果碰撞是可能的，则增加所述至少一个可移动部件的所述当前移动。

18.如权利要求17所述的方法，其中，增加所述至少一个可移动部件的所述当前移动包括：向所述至少一个可移动部件的所述当前移动施加斥力场，所述斥力场限定了增加的反力，所述反力将被施加于更接近所述至少一个可移动部件向所述多个平面中的一个移动的所述当前移动。

19.如权利要求17所述的方法，其中，增加所述至少一个可移动部件的所述当前移动包括：当所述至少一个可移动部件处于所述多个平面中的一个的预定距离内时，停止所述至少一个可移动部件朝向所述多个平面中的一个的移动，同时允许所述至少一个可移动部件远离所述多个平面中的一个的移动。

20.如权利要求16所述的方法，其中，从所述至少一个传感器接收所述数据包括从至少一个激光扫描器接收所述数据。

21.如权利要求16所述的方法，其中，从所述至少一个传感器接收所述数据包括从至少一个立体照相机接收所述数据。

22.如权利要求16所述的方法，其中，从所述至少一个传感器接收所述数据包括从至少一个激光扫描器和至少一个立体照相机接收所述数据。

23.如权利要求16所述的方法，其中，识别所述多个平面包括：基于所述数据探测多条线，其中，所述多条线包括前边线、第一侧边线、第二侧边线、后边线和头部线，并且基于所述多条线的交叉来限定所述多个平面。

24.如权利要求23所述的方法，其中，确定所述多个平面是否定位在所述预定结构中包括：确定所述前边线、所述第一侧边线、所述第二侧边线和所述后边线是否近似形成矩形。

25.如权利要求16所述的方法，其中，确定所述多个平面是否定位在所述预定结构中包括：确定所述多个平面是否包括水平头部平面、水平卡车车斗平面、一垂直前平面、两个垂直侧平面和垂直后平面。

26.如权利要求16所述的方法，其中，确定碰撞是否是可能的包括：基于所述当前位置和所述当前移动方向确定所述至少一个可移动部件的速度矢量，并且确定所述速度矢量是否与所述多个平面中的至少一个相交叉。

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