CN105209694A - 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 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于自动地控制重型设备车辆上的工作刃的系统和方法。GNSS/INS系统确定所述车辆的位置。视觉系统通过使用具有固定视场的获得关于各个像素在所述固定视场中的距离信息的相机来获得连接至所述工作刃的目标的图像来计算所述工作刃在视觉系统坐标系统中的位置。所述位置然后被变换到导航系统坐标系统。经变换的位置信息由工作刃控制系统用来控制所述工作刃的放置。
Description
技术领域
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
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：
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；
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；
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；
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；
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；
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
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
重型设备和工作刃
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。
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。
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。
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屑修改TOF相机也可以检测到它。
GNSS/INS系统
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ThomasFord等人的标题为INERTIALGNSSNAVIGATIONSYSTEM的美国专利No.6,721,657中描述了一个示例性GNSS/INS系统，通过引用将其内容并入本文。
图3是根据本发明的例示性实施方式的作为GNSS/INS系统300例示性地具体实现的示例性导航系统和视觉系统355的示意框图。GNSS/INS系统300包括在处理器330的控制下操作以计算GNSS位置和INS位置、速度和姿态信息的INS子系统320和GNSS子系统325。GNSS子系统处理通过天线115接收到的卫星信号。INS子系统从惯性测量单元(“IMU”)315接收测量结果，该惯性测量单元(“IMU”)315从正交定位的加速度计305和陀螺仪310读取数据。来自IMU的数据由被从属于GNSS时钟335的计数器340加时间标记。两个子系统因此能够可靠地交换在时间上同步的位置相关信息。两个子系统通过软件集成在处理器330中一起操作，以在子系统之间提供位置相关信息。
为了易于理解，对两个子系统的处理操作的描述是在没有特定参考处理器330的情况下做出的。系统可以替代地包括在适当的时间彼此通信以交换执行在下面所讨论的各种GNSS和INS计算操作时所需要的信息的专用GNSS和INS子处理器。例如，当IMU数据被提供给子处理器时，INS子处理器与GNSS处理器进行通信，以便利用GNSS时间给数据加时间标记。此外，GNSS子处理器与INS子处理器进行通信以在各个测量间隔开始时提供GNSS位置信息等。
在启动时，GNSS子系统325按照已知方式操作以从至少最少数量的GNSS卫星采集信号并且计算到相应卫星的伪距和关联的多普勒速率。基于伪距，GNSS子系统确定它相对于卫星的位置。GNSS子系统还可以通过使用在基站处生成的差分校正测量结果或在解决关联的载波周期模糊之后确定它相对于固定位置基站接收机(未示出)的位置。
同时，INS子系统320处理IMU数据，即，来自各种加速度计305和陀螺仪310的测量结果，以确定接收机的初始姿态和速度。INS子系统还处理IMU数据以及GNSS位置和关联的协方差信息，以为INS卡尔曼滤波器(Kalmanfilter)(图6)建立各种矩阵。在各个测量间隔开始时，INS子系统更新卡尔曼滤波器并且将更新的误差状态提供给机械化过程。机械化过程使用经更新的信息和IMU数据来在测量间隔期间传播惯性位置、姿态和速度，其中惯性位置和其它系统元件误差在测量间隔开始时用GNSS位置控制。
现在还参照图4，在启动时系统300被推测为静止，并且INS子系统320针对加速度计和陀螺仪测量结果来确定参照系或机身架的定向。为了设定参照系的定向，INS子系统320比较来自被名义上指派给X轴、Y轴和Z轴的各种加速度计的测量结果，以确定哪一个测量结果在大小上是最大的。INS子系统然后在加速度计当中重新指派或映射X轴、Y轴和Z轴，使得Z轴有最大的正加速度大小，也就是说，使得Z轴突出。INS子系统然后将适当地估计初始姿态，而不管接收机如何被定向。
IMU315插入到处理器330的端口(未示出)中并且通过该端口向处理器供应加速度计和陀螺仪测量数据。可以从各自与不同的标度因子以及标称加速度计和陀螺仪偏置电平相关联的许多模型和/或类型中选择IMU。用户可以基于价格和/或基于IMU的特定特性来为导航操作选择特定IMU模型。
在启动时，INS子系统因此必须确定哪一个IMU连接至处理器330(步骤415)，以便确保IMU测量结果被正确地定标，并且还将初始不确定性指派给姿态计算。INS子系统通过确定与加速度计测量结果相关联的标度因子来测试特定IMU。该过程因此将正常重力向量的大小和经定标的加速度向量的长度的比率与和各种IMU标度因子相关联的存储的比率相比较并且选择适当的模型和类型。
基本上同时，INS子系统基于所测量到的加速度计信号的标准偏差对IMU测量结果估计噪声级(步骤420)。如果接收机在噪声级估计完成之前移动，则过程将由IMU制造商指定的标称噪声级值用作估值。
INS子系统320开始粗对准过程(步骤425)。粗对准过程建立被用来将测量数据变换为计算系的各种旋转矩阵，所述计算系在该示例中是地心地固坐标系或ECEF系。粗对准过程基于接收机的假定“本地”位置，其是由GNSS子系统325提供的初始GNSS位置。INS子系统指定与本地位置相关联的三个正交向量，即，重力向量、地球角速度向量和这两个向量的叉积。INS子系统然后基于加速度计305和陀螺仪310的测量结果来确定被变换为参照系或机身架的相同向量及其叉积。INS子系统320在计算初始姿态和速度时使用步骤420中确定的所估计的噪声级。INS子系统还计算相对于初始GNSS位置的惯性位置(步骤430)。
作为粗对准的一部分，计算了姿态准确度和INS测量噪声级。在粗对准之后，INS子系统在导航模式下操作以传播位置、速度、姿态和偏置估值的惯性系统参数。传播涉及卡尔曼滤波器过程和机械化过程。卡尔曼滤波器过程基本上更新系统误差和方差协方差信息并且传播该方差协方差信息，而机械化过程在位置、速度、姿态的惯性系统参数的传播中使用经更新的信息。
通用的卡尔曼滤波器过程估计描述并且预测系统的行为的一系列参数。卡尔曼滤波器利用描述系统中的误差的一组状态变量以及描述状态的当前知识水平的关联的方差协方差矩阵进行操作。卡尔曼滤波器通过使用传播和更新过程来随着时间的推移并且在存在外部测量结果的情况下维持系统误差和关联协方差的最佳估值。
为了传播从某个过去时间到当前时间的状态及其协方差，卡尔曼滤波器传播步骤使用随着时间的推移根据系统的物理性质和系统的随机特性而确定的状态动态行为的知识。卡尔曼滤波器更新步骤因此结合协方差矩阵使用状态与观测向量之间的线性关系来确定对状态向量和状态协方差矩阵这二者的校正，所述协方差矩阵与那些向量相关。
INS卡尔曼滤波器基于作为线性关系建模的函数关系来使观测数据(即，IMU数据和GNSS数据)与状态中的各种元素相关联。如在下面所讨论的，状态向量被最初设定为零向量，因为任何误差估值被最初应用于位置、速度、姿态的系统参数，并且还应用于偏置项。
例示性地，IMU测量结果的噪声级是误差的来源，并且因此必须在INS卡尔曼滤波器中考虑它。速度和姿态状态被建模为随机游动并且应用于这些速度和姿态状态的基本过程噪声值分别为关于加速度计测量结果和陀螺仪测量结果的噪声级的函数。但是加速度计和陀螺仪定标误差在该系统中未被建模为状态，并且所以它们还将在存在加速度和系统旋转情况下导致速度和姿态状态的不确定性。
在加速度计的情况下，不能够在系统不动的同时区分定标误差和偏置误差。因此，在存在重力的情况下，垂直轴加速度计偏置成为可观测的但是偏置误差的一部分是所关联的定标误差的结果。因此在初始化期间，系统在做出加速度计偏置的第一估值的同时保持测量到的平均比力(specificforce)。稍后，当系统开始移动时，由加速度计测量到的比力与初始比力不同。
如果做出了接收机在导航模式开始时不动的确定(步骤435)，则INS子系统执行用于减小噪声引发的“假可观测量”效果的过程(步骤440、455)。由于加速度计和陀螺仪偏置以及关于测量结果的噪声，INS子系统测量结果指示接收机正在移动。
现在参照图5，一旦接收机开始移动，INS子系统320就在稳态导航模式下操作。在步骤500中，惯性位置、速度和姿态是在一秒测量间隔期间在每十毫秒应用接收机动态特性情况下传播的。在一秒标记处，INS卡尔曼滤波器传播协方差矩阵。INS子系统然后确定它在一秒边界处的惯性位置，必要时内插。同时INS子系统确定接收机是否正在移动，并且如果不是，则接收机执行零速度更新。否则，假定接收机有那时可被它利用的足够数量的GNSS卫星，INS系统等待与所述一秒标记对应的GNSS位置。一旦GNSS位置信息由GNSS子系统供应，INS卡尔曼滤波器过程就使用INS测量结果和系统参数来执行位置更新。否则，卡尔曼滤波器不执行位置更新。此后，卡尔曼滤波器将酌情更新的误差状态信息提供给对系统参数再次应用系统动态特性的机械化过程。
为让零速度更新发生，平均测量到的加速度向量和重力向量的大小之间的差必须在预定阈值范围内，并且同样平均测量到的角速率向量的大小必须低于预定阈值。针对零速度更新对卡尔曼滤波器的速度更新使用基于用来检测不动条件的阈值的观测协方差矩阵。同时卡尔曼滤波器使用GNSS位置来更新状态，但是因为系统是不动的，所以除非位置基于固定的整数模糊，否则GNSS位置通常被去加权。作为当系统不动时在GNSS测量结果上发生的相关测量噪声的结果，这个去加权防止状态方差的过度减小。
例示性地，如果GNSS位置信息不可用并且接收机正在移动，则INS卡尔曼滤波器不执行更新(步骤535)。所传播的协方差矩阵然后反映无GNSS位置可用。经内插的惯性位置在下一个一秒测量周期开始时被用作接收机位置(步骤540)。
如果GNSS位置信息不可用并且接收机正在移动，则INS卡尔曼滤波器不执行更新(步骤535)。所传播的协方差矩阵然后反映无GNSS位置可用。经内插的惯性位置在下一个一秒测量周期开始时被用作接收机位置(步骤540)。然而，如果接收机不动，则INS卡尔曼滤波器执行零速度更新而不是位置更新(步骤540)，并且再次将经内插的惯性位置用作接收机位置(步骤540)。
如在下面所讨论的，当例如特定GNSS滤波器用来确定GNSS位置时卡尔曼滤波器过程可以对与特定观测时间相关联的特定观测协方差信息进行去加权，而无论接收机是否不动。去加权类似地用来补偿与时间相关的测量噪声。
在许多环境(例如，城市峡谷)中，接收机可能经受严重的多径误差。为了防止在这些环境中生成的GNSS位置经由卡尔曼滤波器更新而中断惯性系统参数，INS子系统在信息用来更新卡尔曼滤波器之前对信息施加六西格玛约束。
机械化过程(步骤515)将在路线对准期间确定的初始条件与IMU数据组合，以使INS子系统参数保持更新。此后，机械化过程使用与前一个测量间隔的结束边界相关联的条件，并且将INS子系统参数，即，位置、速度和姿态，从前一个测量间隔的结束边界传播到当前测量间隔的结束边界。
机械化过程每10毫秒对INS子系统参数应用接收机动态特性一次。惯性位置是在各个GNSS秒初期相对于GNSS位置而确定的。随着GNSS位置在偶数GNSS秒处变得可用，卡尔曼滤波器过程将更新的误差状态提供给机械化过程，并且机械化过程在计算中使用该信息来在测量间隔期间传播系统参数。经更新的信息用来控制惯性系统误差生长。
现在参照图6，GNSS/INS接收机的操作通过由具有软件的IMU和NovAtelOEM4双频GNSS接收机构成的示例来描述，所述软件已被修改为使得GNSS处理器能够使用相应的GNSS和INS滤波器来处理GNSS测量结果和惯性测量结果。OEM4能够提供L1和L2范围以及载波测量结果以及单点伪距差分和基于载波的差分GNSS定位。GNSS子系统因此包括三个GNSS滤波器，即，作为能够在单点模式或差分模式下操作的伪距最小二乘方位置估计器的PSR位置滤波器640、伪距/载波PTK浮动模糊滤波器615和基于载波的RTK固定模糊滤波器620。提供根据当前本地载波测量结果、预测的基站测量结果和最佳可用模糊计算的低延迟位置的第四滤波器也是系统的一部分，但是对INS/GNSS集成不重要，所以这里仅被顺便提到。相应的滤波器具有不同的误差特性，并且因此与不同的协方差矩阵相关联。
来自各个GNSS滤波器的位置和协方差信息被提供给最佳位置任务630，其基于最小协方差跟踪来选择最佳位置。该过程将所选择的位置和关联协方差信息以及滤波器类型指示符提供给INS卡尔曼滤波器任务635。GNSS位置信息也被包括在被提供给用户的导航信息中。
如以上所讨论的，当系统不动时和/或当特定GNSS滤波器用来确定GNSS位置时卡尔曼滤波器任务635对由GNSS子系统提供的协方差矩阵的部分进行去加权。具体地，当接收机不动并且在伪距(PSR)位置滤波器640中生成了GNSS位置或者无论系统是否不动并且在浮动模糊滤波器615中生成了位置时，尔曼滤波过程在十有八九的GNSS观测时间对协方差矩阵进行去加权。否则，卡尔曼滤波器过程将GNSS协方差矩阵直接用于更新。
对于INS处理来自IMU的测量结果被提供给向处理器330(图3)上的控制器(未示出)发送高优先级中断的IMU任务，并且控制器通过读取从属于GNSS时间的计数器340的计数来响应。计数器准确到1微秒，然而GNSS时间准确到100纳秒。控制器使用计数来重建GNSS时间，并且IMU任务利用经重建的GNSS时间给惯性测量结果加时间标记。基于该数据的惯性位置因此在微秒级与GNSS位置同步。
如上面所讨论的，机械化任务610处理IMU数据以根据接收机动态特性每10毫秒传播惯性位置、姿态和速度。在1秒边界处，惯性位置和速度与被内插至一秒边界的所述惯性位置和速度的关联的协方差信息一起通过机械化过程被发送到INS卡尔曼滤波器635、信号重新采集任务625和GNSSRTK浮点模糊滤波器615。INS卡尔曼滤波器将除同时收集到的GNSS位置和协方差之外的这个信息用于更新。GNSS滤波器615使用该信息来执行完整性检查，或者酌情协助模糊解决操作，并且信号重新采集任务酌情使用该信息来协助信号重新采集任务。
在测量间隔边界处，卡尔曼滤波器任务635向机械化任务610如上所述的更新或者未更新的误差状态。针对该测量间隔，机械化任务将该误差状态信息包括在它的传播计算中。如以上所讨论的，机械化任务还将各种传播的系统参数作为导航信息的一部分提供给用户。
在足够数量的卫星不可被接收机利用时，接收机在导航信息中省略GNSS位置。同时，GNSS子系统使用惯性位置、速度和协方差信息来重新采集卫星信号。
信号重新采集任务625需要如由接收机看见的给定卫星信号的即时代码和多普勒速率，以便使本地代码生成器与卫星信号中的代码同步。为了确定即时代码，信号重新采集任务结合接收机时钟偏移和已知卫星位置使用惯性位置来生成到卫星的理论伪距。GNSS子系统然后基于该理论伪距将本地代码生成器重新设定给适当的代码芯片。
为了确定理论多普勒速率，信号重新采集任务将惯性速度投影到卫星视线向量上并且结合接收机时钟偏移和卫星运动使用结果得到的视线速度来计算卫星的理论多普勒速率。该理论多普勒速率然后在GNSS子系统中用来为本地代码生成器设定多普勒控制。
GNSS子系统进而针对各个可观测卫星来计算理论伪距和多普勒速率。假定惯性位置和速度接近于实际的接收机位置和速度，本地代码生成器产生在相位上接近于所接收到的卫星信号中的对应代码的代码。因此，各个卫星一旦可用，GNSS子系统就能够迅速地产生被用来确定GNSS位置的相关测量结果。
GNSS子系统还必须解决周期模糊以便确定GNSS相对于固定位置接收机的位置。GNSS子系统首先估计与RTK浮动模糊滤波器615相关联的浮动模糊。当位置像由关联协方差所表示的那样准确时，GNSS子系统为RTK固定模糊滤波器620初始化搜索空间，并且固定模糊解决过程能够开始。
在模糊估计过程期间，GNSS子系统使用惯性位置和关联的协方差矩阵来设定浮动模糊位置和协方差。浮动模糊估计过程通常占用20或30秒来为整数模糊滤波器初始化搜索空间，但是信号一旦变得可用，惯性辅助就使得固定模糊滤波器的初始化能够开始，从而大大地缩短解决过程。
如所讨论的，GNSS/INS使用单独的但是耦合的GNSS和INS滤波器。使用单独的GNSS和INS滤波器限制滤波器的尺寸和复杂性。此外，GNSS位置的单独计算和特定测量结果的去加权减小被用来更新INS卡尔曼滤波器的GNSS信息中的时间相关误差的不利效果。因此，单独的滤波器的使用提供优于使用一个滤波器的数个优点。还在本申请要求优先权的临时申请中并且在T.Ford、J.Neumann、P.Fenton、M.Bobye和J.Hamilton的标题为“OEM4Inertial:ATightlyIntegratedDecentralizedInertial/GNSSNavigationSystem”的论文中讨论了GNSS/INS接收机的好处，所述论文是在2001年9月盐湖城的卫星导航研究所部门的第14届国际技术会议上提出的，并且通过引用整体地并入本文。
如以上所指出的，本文所包含的描述包括GNSS/INS系统的示例性实施方式。明确地注意，可以对能够为重型设备车辆提供实时位置和导航信息的任何系统利用本发明的原理。因此，本文所包含的描述应该被视为仅示例性的。
视觉系统
返回参照图3，根据本发明的例示性实施方式，视觉系统355被提供用于获得一个或更多个目标130的位置信息，进而，获得目标驻留在上面的工作刃的位置信息。图像采集装置(诸如相机110)随着目标通过图像采集装置的固定视场120移动而获得目标130的一个或更多个图像。例示性地，相机110每秒获得其固定视场的多个图像。所捕获的图像包含视场中的各个像素的强度值以及距离值。如在下面进一步描述的，图像被输送给执行用于确定目标在视觉系统坐标系统中的位置的软件(未示出)的视觉处理器345。例示性地，视觉处理器在操作上与时钟335互连，使得所采集的图像可以被加时间戳到还被用于GNSS和INS测量结果的公共时钟。这使得视觉系统355能够提供在与GNSS/INS系统同步的特定时间点的位置信息。在一个实施方式中，时钟335作为GNSS系统、INS系统和视觉系统为从属装置的主时钟。
随着目标130在操作上连接至处于已知位置中的工作刃105，通过确定目标的位置，视觉系统标识工作刃在视觉系统坐标系统内的位置。因此，视觉系统基于目标与工作刃的已知位置之间的预定义空间关系来确定工作刃的例如底部的位置。
例示性地，图像采集装置110包括固定视场120，所述固定视场120包含目标130可以在工作刃105的操作期间移动的空间区域。当图像采集装置被安装在重型设备车辆上时，执行校准程序。当图像采集装置110提供关于该图像采集装置的准确距离信息时，校准程序将确定图像采集装置的位置(以及因此视觉系统坐标系统的中心)与GNSS/INS导航系统的坐标系统的中心之间的转化。这个转化然后可以被利用来将视觉系统坐标系统中的位置变换为导航系统的坐标系统中的位置。
视觉系统例示性地输出一组工作刃位置信息。当与由导航系统提供的导航信息组合时，工作刃控制系统350可以首先将工作刃位置从视觉系统坐标系统变换成导航系统的坐标系统。这提供可以由工作刃控制系统利用来控制工作刃的操作的工作刃在坐标系统中的位置。
工作刃控制
图7是详述了根据本发明的例示性实施方式的提供与工作刃(诸如刀片105)有关的位置的程序700的步骤的流程图。程序700在图像采集装置110采集其固定视场的图像的步骤705中开始。如以上所指出的，图像采集装置例示性地包括为视场内的各个像素提供距离信息的飞行时间相机或其它装置。
过程700然后延续至根据视觉系统坐标系统在所采集的图像内标识目标的步骤710。结合从图像采集装置获得的距离值工作，视觉处理器345可以定位视场内的目标。因为目标具有已知形状，所以视觉处理器可以利用所接收到的距离信息来定位目标。在目标已经被例如覆盖目标的一部分的污泥或其它岩屑修改的情况下，视觉系统可以通过标识目标的数学模型与所接收到的距离信息的最佳拟合来定位目标。以这种方式，环境将不影响确定位置的能力，除非目标被基本上覆盖在岩屑中以致视觉系统可能未从所接收到的距离信息中找到最佳拟合匹配。
在步骤710结束时，视觉处理器345已计算出目标在视觉系统的坐标系统内的位置。也就是说，视觉处理器345具有相对于视觉系统的坐标系统的原点的X、Y、Z位置以及与目标有关的旋转信息。因为导航系统具有重型设备车辆在对应于真实世界的导航系统坐标系统中的位置信息，所以需要将目标位置信息转换成导航系统坐标系统。在步骤715中工作刃控制系统350将目标位置从视觉系统的坐标系统转化到导航系统的坐标系统。
当首先安装视觉系统时，发生校准程序，该校准程序标识视觉系统的坐标系统的原点在导航系统的坐标系统内的特定点处的位置。使用这个已知位置，可以计算出变换以将视觉系统的坐标系统的原点转化到导航系统的坐标系统。例示性地，工作刃控制系统350利用从导航系统300获得的导航信息、从视觉系统355获得的目标的相对位置信息和所计算出的变换值作为输入来生成目标在导航系统的坐标系统中的位置。
在示例性实施方式中，目标的位置与工作刃的已知点之间的空间关系可以被用于第二变换，使得位置信息与工作刃上的预定义点而非目标相关。预定义空间关系的使用可以在视觉系统内发生，使得视觉系统输出工作刃上的预定义点在视觉系统坐标系统中的位置而不是目标的位置。另选地，可以在到导航系统的坐标系统的变换期间利用预定义空间关系。在另一个另选的实施方式中，工作刃控制系统可以在接收到目标在导航系统的坐标系统中的位置之后做出另一个变换。如本领域技术人员将了解的，当考虑空间关系时的定时可以在程序700期间的各个点处发生。因此，对它在特定时间点处发生的描述应该被视为仅示例性的。
然后在步骤720中输出目标在导航系统的坐标系统中的位置。例示性地，工作刃控制系统350可以将目标位置输出给适当的控制机构以例如操纵刀片进入预编程位置中。例如，如果工作刃控制系统根据目标位置确定刀片105太高，即，不足够的污物或其它材料正被去除，则刀片控制系统可以将刀片自动地降低至更接近于地面的高程的水平，使得在推土机正沿着特定路径移动的同时适量的污物或其它材料被去除。程序700然后环回至步骤705。
前面的描述已致力于本发明的特定实施方式。然而，将显而易见的是，可以对所描述的实施方式做出其它变化和修改，达到它们的优点中的一些或全部。明确地设想了可以按照另选的顺序实现本文所描述的程序、过程和方法。此外，本发明的教导能够作为软件(包括具有在计算机上执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质)、硬件、固件或其组合被实现。因此本描述将仅通过示例进行而不将以其它方式限制本发明的范围。因此，所附权利要求的目标是涵盖如落入本发明的真实精神和范围内的所有这样的变化和修改。
Claims (16)
1.一种用于控制车辆上的工作刃的系统，所述系统包括：
导航系统，该导航系统被配置为提供所述车辆在导航系统坐标系统中的位置；
具有固定视场的图像捕获装置，该图像捕获装置被配置为获得在操作上连接至所述工作刃的一个或更多个目标的一个或更多个图像，其中，所述一个或更多个图像中的每一个图像包括针对该每一个图像中的多个像素中的每一个像素的距离值；
视觉系统，该视觉系统被配置为通过使用与所述一个或更多个图像中的所述多个像素相距的所述距离值确定一个或更多个目标的位置，使用所捕获的一个或更多个图像来确定所述工作刃在视觉系统坐标系统中的位置信息；以及
处理器，该处理器被配置为将所述位置信息从所述视觉系统坐标系统转化到所述导航系统坐标系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导航系统还包括在操作上与惯性导航子系统互连的GNSS子系统。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导航系统包括GNSS子系统。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器使用所述视觉系统坐标系统与所述导航系统坐标系统之间的预定义变换来转化所述位置信息。
5.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括工作刃控制系统，该工作刃控制系统被配置为利用所述导航系统坐标系统中的所述位置信息来控制所述工作刃以获得预配置结果。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述目标与所述工作刃之间存在预定义空间关系。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器还被配置为在将所述位置信息从所述视觉系统坐标系统变换到所述导航系统坐标系统时执行与所述预定义空间关系相关联的变换。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图像采集装置包括飞行时间相机。
9.一种用于控制车辆上的工作刃的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述车辆在导航系统坐标系统中的位置；
使用具有固定视场的相机来获得在操作上连接至所述工作刃的一个或更多个目标的一个或更多个图像，其中，所述相机获得针对每一个像素在所述固定视场中的距离信息；
使用所述距离信息来确定所述工作刃在视觉系统坐标系统中的位置信息以在所获得的一个或更多个图像中定位一个或更多个目标；以及
将所述位置信息从所述视觉系统坐标系统变换到所述导航系统坐标系统。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述车辆在所述导航系统坐标系统中的所述位置还包括利用全球定位子系统和惯性导航子系统来确定所述位置。
11.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括：
计算所述导航系统坐标系统与所述视觉系统坐标系统之间的变换。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所计算出的变换被利用来将所述位置信息从所述视觉系统坐标系统变换到所述导航系统坐标系统。
13.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括使用所述导航系统坐标系统中的所述位置信息来操作所述工作刃以获得预配置结果。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述目标与所述工作刃之间存在预定义空间关系。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述相机包括飞行时间相机。
16.一种系统，该系统包括：
具有工作刃的车辆，该车辆包括导航系统、图像捕获装置、视觉系统和处理器，
其中，所述导航系统包括全球定位子系统和惯性导航子系统，所述导航系统被配置为提供所述车辆在导航系统坐标系统中的位置，
其中，所述图像捕获装置被配置为使用固定视场来获得在操作上连接至所述工作刃的一个或更多个目标的一个或更多个图像，并且其中，所述图像捕获装置被配置为获得针对所述一个或更多个图像中的每一个图像中的每一个像素的距离值，
其中，所述视觉系统被配置为使用在所述一个或更多个目标的所捕获的一个或更多个图像中的所述距离信息来确定所述工作刃在视觉系统坐标系统中的位置信息，并且
其中，所述处理器被配置为使用所述视觉系统坐标系统与所述导航系统坐标系统之间的预定义变换以及所述目标与所述工作刃上的预定义点之间的预定义空间关系来将所述位置信息从所述视觉系统坐标系统转化到所述导航系统坐标系统。
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