CN104641254B - 使用射频信号的定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于确定机器(10)的位置的定位系统(30)和方法。该系统可具有光学感测装置(32)，其配置为产生与在机器的位置处的工地(20)的一部分相关联的确定的形状数据。该系统可具有第一信号装置，其配置为传送射频信号并且接收响应信号。该系统可具有第二信号装置，其配置为接收所传送的射频信号并且传送响应信号。该系统可以具有控制器(18)，其与光学感测装置以及第一信号装置和第二信号装置中的至少一者通信。控制器可配置为基于射频信号和响应信号确定近似位置(40)，识别对应于所确定的形状数据的参考形状数据，并且基于近似位置和参考形状数据确定位置。

Description

使用射频信号的定位系统
技术领域
本发明总体涉及一种定位系统，并且更具体地，涉及一种在地下环境中提供高精度位置确定的用于移动机器的定位系统。
背景技术
机器，诸如，例如，拖运卡车、钻孔机、装载机、输送机和其他类型的重型设备通常在地下采矿应用中用于执行各种任务。不像地上采矿应用，地下采矿场所不能接收GPS(全球定位系统)信号，然而期望知道例如关于该场所地形的机器的现场位置。
在一些地下采矿应用中，光探测和测距(LIDAR)定位系统可用于确定关于工地的机器的位置。LIDAR系统扫描周围的环境，以识别在机器附近的工地的部分的形状。然后将扫描的形状与工地的已知地图比较，并且定位系统基于地图上的位置和扫描的形状之间的相关性推断机器的位置。
然而，在一些应用中，对于LIDAR系统可能难以单独基于形状的识别确定机器的位置。例如，LIDAR系统可检测对特定位置不唯一的形状，并且在没有关于机器的大致位置的其他信息的情况下，可能无法单独基于扫描的形状推出机器的特定位置。另外，在工地可存在不具有永久的位置或已经新增的物体。如果这些形状不包含在预先存在的地图中，则这种物体可导致试图将在工地环境中的形状与预先存在的地图匹配的LIDAR系统的混乱。
所公开的定位系统旨在克服上述的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种用于确定在工地中机器的位置的系统。该系统可包括光学感测装置，其配置为产生与在机器的位置处的工地的一部分相关联的确定的形状数据。该系统还可包括配置为传送射频信号并且接收响应信号的第一信号装置以及配置为接收传送的射频信号并且响应于接收射频信号传送响应信号的第二信号装置。该系统还可包括控制器，其与光学感测装置以及第一信号装置和第二信号装置中的至少一者通信。控制器可配置为基于射频信号和响应信号确定机器的近似位置。控制器还可配置为识别对应于确定的形状数据的至少一个参考形状数据。控制器还可基于近似位置和在与至少一个参考形状数据相关联的工地中的位置确定机器的位置。
在另一方面，本发明涉及一种用于确定在工地处的机器的位置的方法。该方法可包括产生与工地的一部分相关联的确定的形状数据。该方法可包括传送射频信号、接收射频信号并且响应于接收射频信号传送响应信号。该方法可包括基于响应信号以及与射频信号和响应信号相关联的经过时间确定机器的近似位置。该方法可包括识别对应于确定的形状数据的至少一个参考形状数据。该方法还可包括基于近似位置和在与至少一个参考形状数据相关联的工地中的位置确定机器的位置。
在又一方面，本发明涉及一种用于确定在工地处机器的位置的系统。该系统可包括第一信号装置，其配置为传送一个或多个射频信号并且接收一个或多个响应信号。该系统可包括第二信号装置，其配置为接收一个或多个传送的射频信号并且响应于接收一个或多个射频信号传送一个或多个响应信号。第一信号装置可位于机器上以及工地内的固定位置处中的一者，并且第二信号装置位于机器上以及工地内的固定位置处中的另一者。该系统可包括配置为检测机器的运动的运动传感器。该系统还可包括控制器，其中控制器可配置为以闭环方式产生多个第一组微粒和第二组微粒。控制器可产生第一组微粒，每个微粒与工地内的位置和取向相关联。控制器可基于所检测的机器的运动更新第一组微粒的每个微粒的位置和取向。控制器可分配权重至第一组微粒的每个微粒，其指示微粒的位置和取向与机器的位置和取向相匹配的概率，其中此概率基于传送一个或多个射频信号和接收一个或多个响应信号之间的经过时间确定。控制器可基于分配的权重产生第二组微粒。控制器可基于多个第二组微粒中的一个确定机器的位置。
在另一方面，本发明涉及一种用于确定在工地中机器的位置的方法。该方法可包括传送一个或多个射频信号。该方法还可包括接收一个或多个射频信号并且响应于接收一个或多个射频信号传送一个或多个响应信号。该方法可包括接收一个或多个响应信号。该方法可包括以闭环方式产生多个第一组微粒和第二组微粒。该方法可包括产生第一组微粒，每个微粒与工地内的位置和取向相关联。该方法可包括基于所检测的机器的运动更新第一组微粒的每个微粒的位置和取向。该方法可包括分配权重至第一组微粒的每个微粒，其指示微粒的位置和取向与机器的位置和取向相匹配的概率，其中此概率基于传送一个或多个射频信号和接收一个或多个响应信号之间的经过时间确定。该方法可包括基于分配的权重产生第二组微粒。该方法可包括基于多个第二组微粒中的一个确定机器的位置。
在又一方面，本发明涉及在工地中的铲运装载机。装载机可包括动力系统、由动力系统驱动以移动铲运装载机的一个或多个牵引装置，以及确定铲运装载机的位置的定位系统。定位系统可包括第一信号装置、第二信号装置、运动传感器和控制器。控制器可配置为以闭环方式产生多个第一组微粒和第二组微粒。控制器可产生第一组微粒，每个微粒与工地内的位置和取向相关联。控制器可基于所检测的铲运装载机的运动更新第一组微粒的每个微粒的位置和取向。控制器可分配权重至第一组微粒的每个微粒，其指示微粒的位置和取向与铲运装载机的位置和取向相匹配的概率，其中此概率基于由第一信号装置传送一个或多个频率信号和由第二信号装置接收一个或多个响应信号之间的经过时间确定。控制器可通过利用所分配的权重产生第二组微粒。控制器可基于多个第二组微粒中的一个确定铲运装载机的位置。
附图说明
图1是一种示例性的公开的机器的立体说明图；
图2是可与图1的机器一起使用的一种示例性定位系统的立体说明图；
图3是可与图1的机器一起使用的另一种示例性定位系统的立体说明图；
图4是可与图1的机器一起使用的又一种示例性定位系统的立体说明图；
图5是描绘一种示例性的公开的定位方法的流程图；
图6是描绘另一种示例性的公开的定位方法的流程图；
图7是描绘又一种示例性的公开的定位方法的流程图；
图8是与图7的示例性方法有关的一个立体说明图；
图9是与图7的示例性方法有关的另一个立体说明图；并且
图10是与图7的示例性方法有关的又一个立体说明图。
具体实施方式
图1示出具有示例性的公开的定位系统的机器10。机器10实施为移动机器，其配置为执行与以下行业相关联的一个或多个操作，诸如采矿、建筑、农业、运输或者在本领域中已知的任何其他行业。例如，机器10可以是负载移动机器，诸如托运卡车、装载机、挖掘机、轮式拖拉机、铲土机或任何其他类似的机器。机器10可用于地上或地下。例如，图1示出地下采矿铲运(LHD)装载机，其可用于在矿场接近装载场所、托运负载远离装载场所，并在倾置场释放负载。机器10可被手动控制、半自主控制或全自主控制。除了其他方面，机器10可包括推进机器10的一个或多个牵引装置14、感测机器10的各种运动的运动传感器15、动力源16和控制器18。控制器18可与运动传感器15、动力源16和/或驱动牵引装置14通信，并且可以配置为响应于例如来自操作员输入装置和/或运动传感器15的各种输入调节动力源16的操作，以便以期望的方式驱动牵引装置14并且推进机器10。控制器18还可以从运动传感器15接收信息，该信息指示，例如，机器10的速度、加速度和/或转动速率，并且可配置为基于这种信息计算各种运动，诸如机器10穿越的距离和方向。在各种实施例中，如在下面将更详细地描述的，控制器18也可以被利用来确定机器10的位置。
图2示出在工地20处执行任务的机器10。工地20可以是矿场或具有机器10可穿越的道路22的任何其他类型的工地。在一些实施例中，例如，当工地20是地下矿场时，工地20不可访问GPS导航系统。道路22可与侧壁24(诸如，例如，地下隧道的墙壁)邻接，并且可以具有天花板，诸如设置在道路22之上的隧道洞顶。在一些应用中，还可存在不同于侧壁24的物体，诸如其他机器、机筒、杆、地质特征和相对于道路设置在工地20处的不同的位置的其他类似的障碍和/或上述的附加物体。在各种实施例中，可期望确定在工地20中机器10的位置信息。在一些实施例中，位置信息可以由航行于工地20中的机器10使用。在其他实施例中，位置信息可用于监测和收集关于在工地20中机器10和其他机器如何有效地执行各种任务的数据。
在示例性实施例中，在工地20中机器10的位置可通过利用定位系统30来确定。如图2所示，除了其他方面，定位系统30可包括，控制器18、光学感测装置32、读取器装置34和/或标签装置36。控制器18可包括处理器、存储器模块和/或存储模块(未示出)。在一些实施例中，处理器、存储器模块和/或存储模块中的一个或多个可以被一起包括在单一的设备中。在其他实施例中，处理器、存储器模块和/或存储模块中的一个或多个可被单独地提供。处理器可以包括一个或多个已知的处理装置，诸如微处理器。存储器模块可以包括一个或多个装置，诸如随机存取存储器(RAM)，其配置为存储由控制器18动态使用的信息以执行与机器10的各种操作有关的功能。存储模块可包括本领域中已知的任何类型的存储装置或计算机可读介质。例如，存储模块可包括磁、半导体、磁带、光学、可移动的、不可移动的、易失性和/或非易失性存储装置。存储模块可存储程序、算法、地图、查找表和/或与确定在工地20中机器10的位置相关联的其他信息。
光学感测装置32可被利用来使用光信号扫描机器10周围的物体，诸如道路22、侧壁24、地下隧道的天花板和/或与工地20相关联的任何其他物体。光学感测装置32可以位于机器10的框架和/或主体上，诸如在正面、背面、侧面等，和/或在机器10的任何其他地方。可存在设置在机器10上的多于一个的光学感测装置32，并且每个光学感测装置32可位于机器10上的唯一的位置。例如，单独的光学感测装置32可位于机器10的前面、后面和每一侧。在各种实施例中，示例性光学感测装置32可以是LIDAR单元，其包括一个或多个光源，诸如激光，和/或一个或多个探测器。在其他实施例中，示例性光学感测装置32可以是在本领域中已知的任何其他装置，其利用光学电磁辐射以获得关于道路22、侧壁24、天花板和/或与工地20相关联的任何其他物体的信息。在其中光学感测装置32包括LIDAR单元的示例性实施例中，激光器可以发出例如侧壁的表面24的表面和/或在工地20中的物体的其他表面反射的光。LIDAR单元的探测器可接收所反射的光，并且可以将指示所接收的光的信号发送到控制器18。然后控制器18可以基于来自光学感测装置32的数据计算到物体的表面上的各个点的距离。例如，这种数据可以包括光的发射和光的检测之间经过的时间。基于所计算出的距离，控制器18还可估算、计算和/或另外确定物体的形状。在本发明中，基于来自光学感测单元32的数据确定的物体的形状被称为“确定的形状数据”。
在一些实施例中，定位系统30可以包括存储在控制器18的存储模块中的工地20的地图。在这些实施例中，控制器18可以将确定的形状数据与存储的和/或另外设置在工地20的地图上的唯一相应的位置处的已知形状进行比较。在本发明中，这些存储的和/或工地20的地图的另外已知形状被称为“参考形状数据”。在示例性实施例中，控制器18可以将由所确定的形状数据指示的长度、宽度、高度、尺寸、角度、取向和/或其他信息和与每个相应的参考形状数据相关联的所存储的信息进行比较。控制器18可以识别所确定的形状数据和参考形状数据之间的最佳匹配。由于每个参考形状数据对应于在工地20处的唯一的位置，所以控制器18可基于该对应的位置确定机器10的位置。
在各种实施例中，诸如，例如，当工地20包括在各种位置中的类似的特征或由重复的布局组成时，控制器18可能难以发现所确定的形状数据和参考形状数据之间的唯一匹配。在这种实施例中，控制器18不能肯定无疑和/或非常准确地确定机器10的位置。例如，如图所示，在图2中，在区域I和区域II处的侧壁24可具有大致相同的形状。机器10可以接近区域I并且可以用光学感测装置32扫描区域I的侧壁24。然而，响应于该扫描由控制器18获得的所确定的形状数据可紧密地匹配对应于位于区域I和区域II处的侧壁表面形状的两个不同的参考形状数据。在这些情况下，控制器18可能无法确定机器10是在区域I的位置还是在区域II的位置。因此，在这些实施例中，除了光学感测装置32之外，可以利用读取器装置34和标签装置36确定机器10的位置。
读取器装置34和/或标签装置36可以是配置为产生、传送和/或接收信号的装置。在一些实施例中，由读取器装置34和/或标签装置36产生、传送和/或接收的信号可以是射频信号。例如，读取器装置34可以是RFID(射频识别)读取器并且标签装置36可以是有源RFID标签，其中有源(与无源相对)的RFID标签可以无需首先接收信号而有源地产生信号。读取器装置34和标签装置36都可包括传送射频信号的传送器、接收射频信号的接收器，和/或传送和接收射频信号的收发器。在一些实施例中，标签装置36可被放置在机器10上并且读取器装置34可以被放置在工地20中的一个点，诸如，例如在工地20的地下隧道的侧壁24或天花板上或在此之中。在一些实施例中，可以存在设置在机器10上的多于一个的标签装置36，且每个标签装置36可位于机器10上的唯一的位置处。例如，单独的标签装置36可位于机器10的前面和背面。在一些实施例中，多于一个读取器装置34可以被放置在工地20的各个点。在一些实施例中，读取器装置34和标签装置36可以互换，使得一个或多个读取器装置34可以被附接到机器10并且一个或多个标签装置36可以被附接到工地20的各个点。
在一些实施例中，标签装置36可产生并传送射频信号，并且读取器装置34可以接收由标签装置36产生的射频信号。响应于接收射频信号，读取器装置34可以产生并传送响应信号，并且标签装置36可以接收该响应信号。然后定位系统30可基于通过标签装置36的射频信号的发送和通过标签装置36的响应信号的接收之间经过的时间确定读取器装置34和标签装置36之间的距离。在一些实施例中，标签装置36可以计算该距离，例如，使用位于标签装置36内和/或与标签装置36相关联的处理器。在一些实施例中，标签装置36可以将所计算出的距离存储在例如位于标签装置36内和/或与标签装置36相关联的存储器中。例如，在图2中，定位系统30的控制器18的处理器和存储模块可以计算并存储读取器装置34和标签装置36之间的距离。在一些实施例中，这些存储的距离可以由控制器18用于确定机器10的位置。在下面将关于图5和图6更详细地描述其中工地20中的机器10的位置可通过利用读取器装置34和标签装置36来确定的实施例。
在一些实施例中，当定位系统30包括多个读取器装置34时，标签装置36可以传送射频信号，并且多个读取器装置34中的一个或多个可以在接收射频信号的范围中，并且反过来，可以传送响应信号。来自标签装置36的射频信号和来自每个读取器装置34的响应信号可以包括唯一地识别射频信号从哪个标签装置36产生并且响应信号从哪个读取器装置34产生的信息。因此，标签装置36可以接收多个响应信号并计算多个距离，每个距离对应于来自传送响应信号的多个读取器装置34的唯一的读取器装置34。在一些实施例中，控制器18可以计算和/或存储多个距离中的一个或多个。在进一步的实施例中，标签装置36可以存储所计算的距离中的一个或多个。
在其他实施例中，读取器装置34和标签装置36的作用可以调换，使得读取器装置34可以产生并传送射频信号，标签装置36可接收射频信号并传送响应信号，并且读取器装置34可以接收该响应信号。标签装置36和读取器装置34之间的距离可以基于在通过读取器装置34的射频信号的传送和响应信号的接收之间经过的时间来确定。在一些实施例中，读取器装置34可以计算并存储一个或多个距离。在其他实施例中，与读取器装置34相关联的处理器和存储装置可以计算并存储一个或多个距离。
为了本发明的目的，读取器装置34和标签装置36可以是可互换的。为了反映这种灵活性，贯穿本发明，读取器装置34和标签装置36还可以未必分别地被称为“第一信号装置”和“第二信号装置”。也就是说，第一信号装置可以是读取器装置34并且第二信号装置可以是标签装置36，或者第一信号装置可以是标签装置36并且第二信号装置可以是读取器装置34。在示例性实施例中，来自第一信号装置的初始信号可以由第二信号装置接收。响应于接收来自第一信号装置的初始信号，第二信号装置可以产生响应信号。产生初始信号的第一信号装置可以接收响应信号，使得可以确定两个装置之间的距离。在各种实施例中，第一信号装置可位于机器10上，并且第二信号装置可位于工地20内的固定点处。在其他实施例中，第一信号装置可位于工地20内的固定点处，并且第二信号装置可以位于机器10上。
例如，标签装置36可以是有源RFID标签，并且读取器装置34可以是RFID读取器。多个标签装置36可以被安装在工地20的各个固定位置处，并且读取器装置34可以被附接到机器10。标签装置36可配置为发起距离测量，例如，通过将射频信号传送到读取器装置34、从读取器装置34接收响应信号，并且测量传送射频信号和接收响应信号之间经过的时间。在一些实施例中，标签装置36可以同时用附接到工地20中的一个或多个机器10的所有读取器装置34发起距离测量。在一些实施例中，在机器10上的读取器装置34可以在任何时间检索来自标签装置36的距离测量。在各种实施例中，然后读取器装置34可以将所检索的距离测量传送到控制器18，用于执行如下面关于图5、图6和图7所讨论的确定位置的方法。
在另一个示例性实施例中，标签装置36可以是安装在工地20的各个固定位置处的有源RFID标签，并且读取器装置34可被附接到机器10，但是读取器装置34可以配置为发起距离测量并且确定该距离，例如，通过将射频信号传送到标签装置36、从标签装置36接收响应信号，并且测量传送射频信号之间经过的时间。在一些实施例中，然后读取器装置34可以将所经过的时间的测量传送到控制器18，用于执行如下面所讨论的确定位置的方法。
在又一个示例性实施例中，标签装置36可以是附接到机器10的有源RFID标签，并且读取器装置34可以是安装在工地20的各个固定位置处的RFID读取器34，如在图2、图3、图4、图8、图9和图10中描绘的。标签装置36可配置为发起距离测量，例如，通过将射频信号传送到读取器装置34、从读取器装置34接收响应信号，并且测量传送射频信号和接收响应信号之间的经过时间。在一些实施例中，然后标签装置36可以将所经过的时间的测量传送到控制器18，用于执行如下面所讨论的确定位置的方法。
在图2所示的实施例中，定位系统30包括多个读取器装置34。标签装置36可以接收来自多个读取器装置34中的每一个的响应信号，并且可以基于对应于每个读取器装置34的接收到的响应信号确定到每个读取器装置34的距离。然后控制器18可以通过本领域中已知的方法使用到多个读取器装置34的距离来减小其中机器10可位于工地20中的可能性。这些方法可以包括，例如，三边测量。在三边测量过程中，在关注的物体以及两个或多个固定点之间的已知距离被用作与相应的固定点相关联的圆的半径。圆相交的位置可被利用作为关注的物体的位置。在一些实施例中，由于测量的距离的噪声或误差，通过三角测量确定的位置可以是近似位置40。例如，这种误差可由标签装置36和/或读取器装置34中的电气噪声和/或由在射频范围内发射信号的其他装置引起的标签装置36和/或读取器装置34的射频信号的干扰而导致。另外，这种误差可通过由工地20中的物体对射频信号的反射和/或吸收而导致。如图2所示，近似位置40可包括机器10的一系列可能位置，与机器10的特定位置相对。定位系统30可以利用近似位置40结合由光学感测装置32所获得的确定的形状来确定机器10的特定位置。例如，如图2所示，基于在机器10上的标签装置36和工地20中的读取器装置34之间的距离，定位系统30可确定在区域I附近的近似位置40。因此，定位系统30可确定机器10很可能接近工地20的区域I，并且不接近工地20的区域II，即使由光学单元32所获得的确定的形状可以匹配在区域I和在区域II处的侧壁24的形状。在示例性实施例中，一旦已使用读取器装置34和标签装置36确定近似位置40，定位系统30可以使用来自光学单元32的所确定的形状数据以具体查明机器10在区域I中的近似位置40。
如在图3和图4的示例性工地20中所示，在附加的示例性实施例中，定位系统30可包括控制器18、读取器装置34和标签装置36，而光学感测装置32可以被省略。在图3和图4中，机器10用由箭头42指示的取向方位在工地20的道路22上示出。工地20还示出包括在各个位置处的多个读取器装置34。在图3和图4的实施例中，定位系统30可配置为确定附接到机器10的一个或多个标签装置36和附接到工地20的各个点的一个或多个读取器装置34之间的距离A、B、C。虽然三个读取器装置34和三个距离A、B、C分别示于图3，各个实施例可以具有多于三个或少于三个读取器装置34，并且定位系统30可以配置为确定多于或少于三个距离。定位系统30可基于这些距离A、B、C确定机器10的位置。然而，如上所讨论的，在一些环境中，由读取器装置34、标签装置36或工地环境引入的误差或噪声可限制距离确定的精度。由于精度有限，定位系统30可能够确定机器10可位于此处的近似位置40。
另外，在一些实施例中，可以使得读取器装置34、标签装置36和机器10的位置基于读取器装置34和带有机器10的标签装置36之间的距离A、B、C，定位系统30可确定多个近似位置40。例如，如果定位系统30包括附接到工地20的两个不同位置的两个读取器装置34，并且带有标签装置36的机器10与两个读取器装置等距，则根据已知的几何原理，在工地20中存在机器可位于此的至少两个位置。因此定位系统30可不能确定对应于距离信息的唯一近似位置40。在这些实施例中，可期望机器10的位置的更精确的确定。
因此，在这些实施例中，定位系统30可以利用来自读取器装置34和标签装置36的信息以迭代方法执行仿真，以确定在工地20处机器10的特定位置。这种仿真可以包括，例如，微粒滤波器估算技术和/或本领域中已知的其他仿真技术。如将在以下参考图7更详细地描述的，这种仿真可以包括用一个或多个微粒38填充所存储的工地20的地图。如图3、图4、图8、图9和图10所示，这些示例性微粒38可包括可能的机器位置和/或取向虚拟的指示符。例如，这些位置指示符可以包括与x轴相关联的x坐标和与y轴相关联的y坐标。示例性x轴和y轴分别示于图3和图4。另外，这些取向指示符可包括相对于例如正x轴旋转的角度，或者以x值和y值为特征的二维单位矢量。在图3和图4中，箭头44提供微粒38的取向的可视化表示形式。如将在下面更详细地描述的，在这种仿真过程中，定位系统30可以用微粒38随机地填充在控制器18的存储模块中存储的地图，每个微粒38具有最初随机产生的位置和取向44。然后微粒38的各自的位置和/或取向可以基于来自读取器装置34和标签装置36的信息进行更新，直到定位系统30能够确定由更新的微粒38的空间收敛指示的机器10的特定位置。在一些实施例中，以这种方式确定的机器10的位置可以比仅基于读取器装置34和标签装置36之间的距离的单次测量确定的位置更准确和/或具体。
图5、图6和图7示出与使用各种公开的定位系统30的示例性方法相关联的流程图，并且这些示例性方法中的每一个将在下面的部分中讨论以进一步说明所公开的概念。
工业实用性
所公开的定位系统30可以适用于期望位置确定的任何移动机器。所公开的定位系统30可以特别适用于地下采矿应用，诸如在图2、图3和图4中所示的示例性工地20，其中机器10不访问GPS导航系统。
参考图2的示例性定位系统30和在图5中所示的示例性流程图，在确定机器10的位置的示例性方法中，定位系统30可以用光学感测单元32开始扫描道路22、侧壁24，或与工地20相关联的任何其他部分或物体，并且可以产生与道路22、侧壁24，或与工地20的其他部分相关联的确定的形状数据(步骤：510)。在一些实施例中，确定的形状数据可以包括，例如，物体(诸如在工地20中的侧壁24)的轮廓、长度、宽度、高度、角度、取向和/或其他形状的指示信息。在一些实施例中，确定的形状数据可以是矢量格式、位图格式，或本领域中已知的任何其他格式。在一些实施例中，确定的形状数据可以包括不同于以上列出的指示在工地20中的物体的物理特征的数据，如本领域已知的，诸如，例如，纹理、复杂度，和/或光滑度。
如以上所讨论的，在其中当工地20包括在多个位置处的具有类似的形状、几何尺寸和/或其他物理属性的表面的实施例中，所确定的形状数据无法提供足够的信息以确定机器10的特定位置。因此，在步骤515中，定位系统30可使用至少一个第一信号装置诸如标签装置36以及至少一个第二信号装置诸如读取器装置34确定机器10的近似位置40。在一些实施例中，近似位置40可以通过确定第一信号装置和第二信号装置之间的距离来确定。
图6描绘示出确定第一信号装置和第二信号装置之间的距离的示例性方法的流程图，第一信号装置和第二信号装置可用于在步骤：515中确定机器10的近似位置40。在图6所示的示例性方法中，定位系统30可使用至少一个读取器装置34和至少一个标签装置36，其中任一装置可以是如以上所讨论的第一信号装置或第二信号装置。如图6所示，在步骤650中，第一信号装置，诸如标签装置36，可以产生并传送射频信号。在一些实施例中，第一信号装置可以以预定的定期间隔传送射频信号。在示例性实施例中，这些间隔可以小于或大于一秒。该射频信号可以穿越工地20，并且在步骤655中，射频信号可以由第二信号装置诸如读取器装置34接收。在步骤660中，第二信号装置可以通过产生并传送响应信号响应接收射频信号。在一些实施例中，响应信号可以包含，例如，对各自的第二信号装置唯一的识别信息或坐标信息。响应信号可以穿越工地20，并且在步骤665中，响应信号可以由传送射频信号的第一信号装置接收。在步骤670中，定位系统30可确定在通过第一信号装置的射频信号的传送和通过第一信号装置的响应信号的接收之间经过的时间。在其他实施例中，定位系统30可确定其他经过时间，诸如在响应信号的传送和响应信号的接收之间经过的时间。在步骤675中，基于所确定的经过时间和已知的射频信号传播速度，诸如，近似光速，定位系统30可确定第一信号装置和第二信号装置之间的距离。例如，定位系统30可以通过将响应信号的传送和接收之间经过的时间乘以已知传播速度确定这种距离。该距离可以对应于例如具有读取器装置34的工地20的位置和具有标签装置36的机器10的位置之间的距离。
定位系统30还可以根据图6中所示的方法确定标签装置36的位置和多于一个读取器装置34的位置之间的距离。在这些实施例中，定位系统30可基于多个确定的距离例如通过三边测量方法确定机器10的位置。然而，由于误差、噪声，和/或在距离的测量的精度中的其他限制，所确定的位置可以是近似位置40。定位系统30可以使用近似位置40以集中搜索在工地20的地图数据中所确定的形状数据的匹配。通过集中搜索近似位置40，定位系统30可确定机器10的特定位置，如关于图5的步骤：520和525所讨论的。
继续参考图5，在步骤520中，定位系统30可试图发现在步骤510中产生的确定的形状数据以及与工地20相关联的参考形状数据之间的匹配。在一些实施例中，定位系统30可以从与工地20相关联的所有参考形状数据的集合中搜索参考形状数据的子集以发现该匹配。例如，定位系统30可以搜索对应于侧壁24的部分的参考形状数据的子集，侧壁24位于在步骤515中确定的近似位置40处。定位系统30可以识别在步骤510中产生的确定的形状数据和来自与近似位置40相关联的参考形状数据的子集的参考形状数据之间的匹配。在各种实施例中，可以利用任何数量的形状匹配算法、图像识别软件和本领域已知的其他方法进行该匹配。在步骤525中，定位系统30可确定对应于匹配参考形状数据的位置的机器10的特定位置。
如以上所讨论的，用于确定机器10的位置的附加示例性实施例可以不包括光学感测单元32的使用。在这些示例性实施例中，通过以迭代方法执行例如利用来自第一信号装置诸如标签装置36的信息以及来自第二信号装置诸如读取器装置34的信息的仿真以确定在工地20处机器10的特定位置，定位系统30可以确定机器10的位置。图7描绘示出确定机器10的特定位置的这种示例性方法的流程图，机器10可以由图3和图4中所示的示例性定位系统30使用。
在图7的实施例中，机器10可以采用，如在图3和图4中描绘的，不包括光学感测单元32的定位系统30。在步骤710中，定位系统30可以用微粒38随机地填充工地20的地图，如图3所示。这些微粒38可以与工地20内的机器10的估算位置和取向相关联。当在步骤：710中定位系统30最初用微粒38随机地填充工地20的地图时，每个微粒38的位置和取向都可以被随机地分配。在一些实施例中，在步骤：710中可根据本领域中已知的各种因素产生任何数量的微粒38，诸如计算资源和/或期望的收敛。例如，在一些实施例中，数千量级的大量微粒38可以是合适的。在各种实施例中，较少数量的微粒38可需要来自定位系统30的更少的计算资源，但是较多数量的微粒可以允许定位系统30在仿真收敛到一个解之前用较少的迭代确定机器10的位置。
在一些实施例中，当定位系统30执行图7所示的方法时，机器10可以不维持相同的位置和/或取向42，恰恰相反，可以在工地20内移动。在这些实施例中，定位系统30可配置为考虑机器10的运动。例如，机器10可以向前或向后运动、左转或右转，和/或另外以任何其他已知方式改变位置，并且在步骤：712中，定位系统30可使用运动传感器15检测机器10的这种运动。在步骤：715中，然后定位系统30可以更新微粒38的位置和/或取向44，以基于所检测的机器10的运动反映运动。例如，如果机器10向前移动一英尺，则在步骤：715中所有微粒38的当前位置可以在地图上向前移动一英尺。在示例性实施例中，还可以在步骤：715中引入仿真变化量，以反映运动传感器15的精度的限制。例如，如果来自运动传感器15的角运动测量已知精确在五度内，并且机器10转动二十度，则微粒38也可以平均转动二十度。但考虑到传感器精确度的变化，一些微粒38可以，例如，转动多达二十五度或更多，并且其他微粒仅仅转动十五度或更少。这些变化的分布可根据本领域中已知的统计方法来确定。例如，转动特定量的角度的微粒38的百分比可通过以二十度为中心的高斯分布进行设定。
在一些实施例中，在步骤：715中一旦定位系统30已更新微粒38的位置和取向，则定位系统30可确定与每个微粒38相关联的指示每个微粒38的更新的位置和取向44与机器10的位置和取向42匹配紧密程度的概率。例如，在一些实施例中，定位系统30可以通过执行图7的步骤：717、720、721、723、724和725中的一个或多个来确定对于每个微粒38的这种概率。
在步骤：717中，定位系统30可确定第一信号装置诸如在机器10上的标签装置36以及一个或多个第二信号装置诸如位于工地20中的各个点的读取器装置34之间的距离。该距离可以以类似于关于图6所示的步骤讨论的方式来确定。例如，基于通过标签装置36的射频信号的产生和通过标签装置36的响应信号的接收之间经过的时间，定位系统30可以通过将经过时间乘以射频信号的传播的速度来计算该距离。
在步骤：720中，基于从设置在机器10上的第一信号装置到位于工地20中的各个点处的一个或多个第二信号装置的一个或多个确定的距离，定位系统30可以产生实际测量矢量。这种实际测量矢量可以基于相对于第二信号装置，诸如位于工地20中的各个点处的读取器装置34的在工地20处的机器10的实际位置。实际测量矢量可包括与从机器10到每个读取器装置34的距离和方向有关的信息。图8包括从标签装置36延伸到各个读取器装置34A、34B和34C的实际测量矢量A、B、C的图形表示。实际测量矢量A、B、C分别表示机器10和各个读取器装置34之间的距离，以及从机器10到各个读取器装置34的方向。在进一步的示例性实施例中，实际测量矢量A、B、C可以统称为单一和/或合成实际测量矢量P。这种示例性矢量P被示于图8。图8还描绘了具有取向42的机器10。另外，关于具有取向44的机器10描绘微粒38。
在各种实施例中，定位系统30还可以基于从与微粒38相关联的估算位置到用于产生实际测量矢量P的相同的读取器装置(34A、34B、34C)的距离确定估算的测量矢量D、E、F。图9包括从微粒38延伸到各个读取器装置34A、34B和34C的估算的测量矢量D、E、F的图形表示。估算的测量矢量D、E、F分别表示微粒38和各个读取器装置34之间的距离，以及从微粒38到各个读取器装置34的方向。在进一步的示例性实施例中，估算的测量矢量D、E、F可以统称为单一和/或合成估算的测量矢量Q。这种示例性矢量Q被示于图8。图9对应于图8，因为其描绘了相对于在图8所描绘的读取器装置34具有相同的位置和取向44的微粒38。然而，为了清楚起见，机器10已经在图9中省略。估算的测量矢量Q指示相对于读取器装置34A、34B和34C的微粒38的估算的位置和取向44。在一些实施例中，在步骤721中，定位系统30可以确定微粒38的估算的位置和用于在步骤720中产生实际测量矢量P的相同组的读取器装置34的位置之间的距离，以便确定估算的测量矢量Q。例如，定位系统30可以通过计算各个读取器装置34A、34B、34C的已知位置和微粒38的估算位置之间的差来确定每个距离。
如图8和图9所示，在示例性实施例中，由于机器10和微粒38的位置和取向的分别的差，实际测量矢量P和估算的测量矢量Q可以彼此不匹配。因此，在步骤：724中，定位系统30可确定实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的差。在图8和图9中所示的示例性实施例中，定位系统30可以通过在单一参考坐标系中将两个测量矢量P和Q中的一者或两者相对于彼此平移和旋转来确定实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的差。例如，在步骤：724中，实测矢量P可以平移到以微粒38为中心，如图8的测量矢量P'所示。此外，在图8中，如以微粒38为中心的测量矢量P'还相对于微粒38的取向44旋转微粒38的取向44和机器10的取向42之间的旋转差的量。平移的和/或旋转的测量矢量P'包括分别对应于实际测量矢量P的分量A、B和C的分量A'、B'和C'。作为一个示例，如果微粒38相对于机器10被逆时针定向15度，则平移的和/或旋转的测量矢量P'也可以相对于实际测量矢量P逆时针旋转15度。一旦定位系统30已经平移和/或旋转实际测量矢量P，定位系统30可以将平移的测量和/或旋转的矢量P'与估算的测量矢量Q比较，二者都在图9中描绘。例如，定位系统30可确定平移的和/或旋转的测量矢量P'和估算的测量矢量Q之间的矢量差。例如，这种矢量差可以通过分别计算每个分量A'和A、B'和B以及C'和C之间的矢量差来计算。矢量差可以通过取在一个矢量诸如矢量A'中的每个元素和在另一个矢量诸如矢量A中的对应元素之间的差来计算。在一些实施例中，定位系统30还可以计算矢量P'和Q之间的矢量差的大小，以确定机器10的实际测量矢量P和微粒38的估算的测量矢量Q之间的差。在步骤：724中，定位系统30可以例如通过确定测量矢量P'和Q之间的差来确定对于定位系统30已经用此填充工地20的地图的微粒38中的每一个的实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的差。
在步骤：725中，定位系统30可基于该差将权重分配至每个微粒38。例如，如果对于特定微粒38的实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的差比对于其他微粒38的差小，则这可以是特定微粒38的位置和取向是机器10的位置和取向的准确估算的较高概率的指示。如果对于特定微粒38的实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的差比对于其他微粒38的差大，则这可以是特定微粒38的位置和取向是机器10的位置和取向的准确估算的较低概率的指示。因此，在一些实施例中，在步骤725中，定位系统30可以从权重的可配置范围中将指示较高概率的较大的权重分配至微粒38，与对应于其他微粒38的实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的矢量差相比，该微粒38的对应的估算的估计测量矢量Q与实际测量矢量P具有较小的矢量差。定位系统30可以将指示较低概率的较小的权重分配至微粒38，与对应于其他微粒38的实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的矢量差相比，该微粒38的对应的估算的测量矢量Q与实际测量矢量P具有较大的矢量差。
例如，参考图8和图9，在步骤：725中，定位系统30可以基于在步骤：724中确定的实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的差将特定的权重分配至微粒38。在另一方面，图10示出具有位置和取向44的不同的微粒38，其更紧密地匹配机器10的位置和取向42。在这种实施例中，定位系统30可以将比在图8和图9中所描绘的分配到微粒38的权重相对较高的权重分配至图10的微粒38，因为在图10中实际测量矢量P和估算的测量矢量Q之间的差是较小的。在进一步的实施例中，可以预期的是本领域中已知的其他方法可以被用来确定对于每个微粒38的权重。
在图7的步骤：730中，定位系统30可用一组新的微粒38重新填充地图。在各种实施例中，可以通过复制或保持之前组的微粒38的一些或全部重新填充地图。在一些实施例中，可以随机选择哪些微粒38被保持以及多少微粒38被保持，但选择的概率可以与在步骤：725中分配至每个微粒38的权重成比例。另外，在一些实施例中特定微粒38的重复使用率可与分配至该微粒38的权重成比例。具有较大权重的微粒38可以与权重成比例随机选择多次。具有较小权重的微粒38可以不那么频繁地或根本不随机选择。在这些实施例中，定位系统30可对之前组的微粒38进行重采样，从之前的组中重复使用微粒38一次或多次以位于新的组中。例如，之前组的微粒38可包含100个微粒，并且在步骤：725中每个微粒38被分配权重。通过从之前组的微粒38中随机选择微粒38，定位系统30可以在下一组微粒38中产生第一微粒38，更有可能选择具有较大的权重的微粒38。包含增加的选择不同的微粒38的可能性的此随机选择可以以本领域中已知的各种方式来实施。例如，在定位系统30开始随机选择过程之前，定位系统30可以创建微粒38的代表池使从其中进行选择。代表池可以包括来自先前组的所有微粒38，但还可以包括与每个微粒38的权重成比例的微粒38的一些或全部中的多个。在这种示例中，在微粒38的代表池中，具有较大权重的微粒38可以表示为是具有较小权重的微粒38的几倍。因此，当定位系统30从微粒38的代表池中随机选择时，定位系统30更可能选择其比构成代表池的较小百分比的微粒38构成代表池的较大百分比的微粒38。通过再次从例如微粒的相同的代表池中随机选择，然后定位系统30可以在下一组微粒38中继续产生所有其他微粒38。包含微粒38的权重的信息的微粒38的表示的任何其他方式也可以被使用。
作为步骤：730的结果，下一组微粒38可以包括簇拥更可能具有与机器10的位置相同的位置的更多微粒38，以及具有更可能与机器10的取向42相同的取向44的更多微粒38。然后定位系统30可以使用新的一组微粒38重复步骤：715至730。定位系统30可以以闭环方式继续重复步骤：715至730。在各种实施例中，在多次迭代之后，大多数微粒38可被靠近机器10的实际位置定位，如图4所示。大多数微粒38还可以具有靠近机器10的取向42(未示出)的取向44。在图4中，机器10被描绘为已经在迭代发生期间移动，说明由定位系统30执行的示例性方法可以在动态的情况下发生。在这种情况下，微粒38可以被更新以变为机器10的更准确的估算，并且微粒38也可以被更新以反映正在移动的机器10的位置和取向42的变化。最终，微粒38可以聚合于机器10的位置与取向42，尽管事实是机器10可以不断移动。
在步骤：735中，在每次迭代结束时，定位系统30可确定是否已经满足结束条件。在步骤：735中的这些确定可包括，例如，检查以查看微粒38的定量散布是高于还是低于阈值，或者确定预定次数的迭代是否已执行。在示例性实施例中，定量散布可以是指示微粒38的位置和/或取向的值的变化的值，诸如标准偏差、统计范围，和/或本领域中已知的任何其他量度。如果结束条件还未得到满足(步骤735：否)，则定位系统30可以返回到步骤715，并且可以继续执行步骤715至730。当结束条件被满足(步骤735：是)时，定位系统30可以计算和/或另外在步骤：740中确定机器10的位置。例如，定位系统30可平均微粒38的位置，以产生机器10的特定位置的最佳估算。可以预期，机器10的特定位置的最佳估算可以使用本领域中已知的其他计算从微粒中确定。在一些实施例中，定位系统30还可以确定微粒38的位置和/或取向44的定量散布以确定估算的精确度。例如，如果微粒在适当的位置松散地散布，则估算的精确度比起基于紧密聚集的微粒的估算不那么确定。例如，如果任何两个微粒间的最大距离小于可配置的阈值，诸如75米，定位系统30可确定估计的精确度是精确的。在这种示例中，阈值可以被设定为其他合适的值。在各种实施例中，定位系统30可以是连续的实时跟踪系统，并且因此，即使在步骤：735中结束条件已满足并且机器10的位置已被确定之后，只要机器10继续移动，微粒38就可以继续被更新。也就是说，即使在机器10的位置确定之后，定位系统30可继续执行步骤：715至730，以便当机器10继续移动时维持机器10的位置的精确的、更新的确定。
在各种实施例中，在任何给定的时刻，机器10和第一信号装置，诸如标签装置36，可以在允许与工地20中的全部的第二信号装置诸如读取器装置34的子集通信的物理范围内。在图6中所描述的方法可包括在允许与第一信号装置通信的物理范围中的在工地20中的所有第二信号装置的子集。当图7中的方法通过迭代继续进行时，机器10可以移动，使得最初在通信范围内的读取器装置34中的一些不再处于该范围内，并且最初不在该范围的读取器装置34现在处于该范围内。在各种实施例中，每次迭代可以被调整以使用从当前正在通信范围内的任何/所有第二信号装置接收的信号。
若干好处可以与公开的定位系统的实施例相关联。例如，由于机器10的位置的确定不依赖于LIDAR，阻碍光束信号源的来自工地20的污泥和其他物质不会妨碍机器10的位置的确定。然而，尽管缺乏LIDAR，可利用射频信号进行机器10的位置的高精度的确定。
对于本领域技术人员将显而易见的是可以对本发明的定位系统30做出各种修改和变化。例如，在一些实施例中，可以预期，第一信号装置或第二信号装置的数目可优化用于位置确定的精度的特定级别。在其他实施例中，第一信号装置或第二信号装置的数目可优化用于定位系统中的部件的数目的最小化和简化。在一些实施例中，控制器18可以位于机器10以外的某处，或者在各个位置可以存在多个控制器18。例如，控制器18可以是与工地20相关联的计算机系统的一部分，或者可以是远程系统的一部分。在一些实施例中，该定位系统的任何部件可以通过有线或无线连接与定位系统的任何其他部件通信。通过考虑本文所公开的定位系统的说明书和实践，对于本领域的技术人员而言，该方法和系统的其他实施例将是显而易见的。本说明书和实施例旨在认为仅是示例性的，本发明的真实范围由随附权利要求及其等同物指示。

Claims (6)

1.一种用于确定在工地(20)处机器(10)的位置的系统，其包括：
第一信号装置，其能够传送一个或多个射频信号并且接收一个或多个响应信号；
第二信号装置，其能够接收传送的所述一个或多个射频信号并且能够传送所述一个或多个响应信号作为对接收到所述一个或多个射频信号的响应，
其中，所述第一信号装置位于所述机器上以及所述工地内的固定位置处中的一者，并且所述第二信号装置位于所述机器上以及所述工地内的固定位置处中的另一者；
运动传感器(15)，其能够检测所述机器的运动；以及
控制器(18)，其能够：
通过以下步骤以闭环方式产生多个第一组微粒(38)和第二组微粒：
(a)产生第一组微粒，在所述第一组中的每个微粒与所述工地内的位置和取向相关联，
(b)基于所检测的机器的运动更新所述第一组微粒的每个微粒的所述位置和取向，
(c)分配权重至所述第一组微粒的每个微粒，其指示各个微粒的所述位置和取向与所述机器的所述位置和取向相匹配的概率，其中，所述概率基于传送所述一个或多个射频信号和接收所述一个或多个响应信号之间的经过时间确定，以及
(d)基于所分配的权重产生第二组微粒；并且
基于所述多个第二组微粒中的一个确定所述机器的所述位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，分配权重至每个微粒包括：
产生指示相对于所述第一信号装置的所述机器的位置的实际测量矢量，其中
所述第一信号装置位于所述固定位置，并且相对于所述第一信号装置的所述机器的位置是由基于所述一个或多个射频信号的传送和所述一个或多个响应信号的接收之间的经过时间计算出的距离来确定的，
产生指示相对于第一信号装置的当前组的微粒的每个微粒的位置的预计测量矢量，以及
基于所述实际测量矢量和所述预计测量矢量之间的差分配所述权重至每个微粒。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，通过利用所分配的权重产生所述第二组微粒包括从所述第一组微粒复制微粒，其中，在所述第一组中的微粒与其分配的权重成比例进行一次或多次复制。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个所述第一信号装置是RFID标签装置并且所述射频信号包括与所述RFID标签装置相关联的唯一识别信息，并且所述第二信号装置是RFID读取器装置并且所述响应信号包括与所述RFID读取器装置相关联的唯一识别信息。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一信号装置位于所述工地内的固定位置，并且所述第二信号装置位于所述机器上并且与所述控制器通信。
6.根据权利要求5所述的系统，其中
所述第一信号装置确定所述第一信号装置和所述第二信号装置之间的距离，并且
所述第二信号装置从所述第一信号装置检索所确定的距离并且将所确定的距离传送至所述控制器。
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