CN105934686B - 用于确定n+1维环境模型的方法和设备及采矿装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于确定N＋1维环境模型的方法。根据该方法，使用至少一个传感器来确定N个维度上的环境信息。在另一步骤中，确定所述至少一个传感器的位置和/或取向。然后，基于N个维度上的所确定环境信息和所述至少一个传感器的所确定位置和/或取向来确定N＋1维环境模型。此外，提供了一种设备和采矿装置。

Description

用于确定N+1维环境模型的方法和设备及采矿装置
描述
本发明涉及一种用于确定N＋1维环境模型的方法和设备。此外，本发明涉及一种采矿装置。
在采矿中，许多操作遵循类似的程序，例如诸如挖掘或装载。必须重复地执行相同的动作序列。这给予了用于自主系统的应用的高潜力。然而，当前在采矿中使用的大多数机器（铲斗式挖掘机、卡车等）是手动操作的。
自主系统要求诸如感知环境、处理数据、从内部知识推理和导出适用动作以及最后执行这些动作之类的任务。感知环境的任务一般地包括确定环境的二维或三维模型。
通常，针对感知任务采用传感器，诸如光学、雷达或声学传感器。然而，一方面提供足够的信息且另一方面就成本而言可承受的适当传感器的选择常常是困难的。适当传感器的选择中的相关更多方面是其可操作性以及其安装复杂性。
因此，本发明的目的是提供一种用于确定N＋1维环境模型的改进方法和设备。本发明的另一目的是提供一种改善的采矿装置。
根据第一方面，提供了一种用于确定N＋1维环境模型的方法。其中，使用至少一个传感器来确定N个维度上的环境信息。此外，确定所述至少一个传感器的位置和/或取向。在另一步骤中，基于N个维度上的所确定环境信息和所述至少一个传感器的所确定位置和/或取向来确定N＋1维环境模型。
一个想法是使用简单且因此低成本的传感器来确定N个维度上的环境信息，并且然后通过确定所述至少一个传感器的位置和/或取向来添加另一维度。因此，本解决方案降低了自动化成本，因为降低了传感器成本。因此可更容易地获得自主系统，具有减少人力、增加安全性和更大的效率的益处。
可根据要求重复使用至少一个传感器来确定N个维度上的环境信息、确定所述至少一个传感器的位置和/或取向、以及基于N个维度上的所确定环境信息和所述至少一个传感器的所确定位置和/或取向来确定N＋1维环境模型的步骤。此外，可根据要求改变这些步骤的序列。特别地，其不限于在权利要求中其被布置的顺序。并且，可在前进至下一步骤之前重复某些步骤。
特别地，本方法可包括改变所述至少一个传感器的位置和/或取向。此步骤可在确定N个维度上的环境信息和所述至少一个传感器的位置和/或取向之后发生，并且可根据要求而被重复。
例如，提供了单个传感器，其被配置成用于在两个（N＝2）维度上确定环境信息。通过确定所述单个传感器的位置和/或取向以及改变该单个传感器的位置和/或取向，可确定三（2+1）维环境模型。或者，例如，提供两个单独传感器，每个传感器被配置成用于在精确地一个维度（N＝2，因为使用两个传感器）上确定的环境信息。然后通过确定两个传感器的位置和/或取向以及改变其位置和/或取向来添加附加（第3）维度。根据另一示例，在一个维度（N＝1）上确定环境信息，并且环境模型是二维的。
如本文所使用的“确定”包括中的至少一个参数的测量和/或数据和/或信息的处理。
所述至少一个传感器的“位置”指代沿着三个空间轴（在本文中称为x、y和z）中的至少一个的所述至少一个传感器的位置。“取向”指代所述至少一个传感器围绕空间轴中的至少一个的取向。
N是大于或等于1的整数（N≥1）。
根据实施例，所述至少一个传感器被安装到机器零件，该机器零件沿着机器轴可移动或者绕着机器轴可旋转，并且其中，通过使所述至少一个传感器连同机器零件一起沿着或绕着机器轴移动来改变所述至少一个传感器的位置和/或取向。
不要求附加致动器来确定环境信息，其具有与所述至少一个传感器同样地可以提供的相比的更多的自由度。通过避免附加致动器，降低了安放、安装和操作复杂性。该机器可以是采矿装置或任何其它运土装置。可例如分别地用螺钉或焊接来将所述至少一个传感器可释放地或固定地安装到机器零件。根据另一实施例，在垂直于所述至少一个传感器的测量方向或测量平面的方向上确定第N维度上的环境信息。
“测量方向”指代一种仅在单个维度上确定环境信息的传感器。例如，发送出一束光（该光束被反射并从而确定距离）的激光传感器将是具有测量方向的传感器的一个示例。另一方面，“测量平面”指代在两个维度上测量环境信息的传感器。此类传感器的示例是一种激光扫描仪，其具有在单个平面中扫描环境的一束光。
例如，测量方向垂直于机器轴取向。“垂直于”在本文中涵盖达到45°、优选地达到10°且进一步优选地达到3°的偏差。测量平面可垂直于机器轴取向，或者机器轴可位于测量平面中。
根据另一实施例，基于由用于控制机器零件沿着或绕着机器轴的位置和/或取向的控制单元提供的数据来确定所述至少一个传感器的位置和/或取向。
“控制”在本文中涵盖机器零件沿着或绕着机器轴的闭环和开环控制。例如，控制单元可向沿着或绕着机器轴对机器零件进行致动的一个或多个致动器提供输出信号。这些输出信号可表示数据，基于该数据来确定所述至少一个传感器的位置和/或取向。替换地，控制单元可包括用于感测机器零件沿着或绕着机器轴的位置和/或取向的一个或多个传感器。来自一个或多个传感器的信号可表示数据，基于该数据来确定所述至少一个传感器的位置和/或取向。
根据另一实施例，由控制系统提供的所述至少一个传感器的所确定位置和/或取向与所确定环境信息匹配。
例如，由控制单元提供的数据的时间戳和由所述至少一个传感器提供的环境信息的时间戳可不同。在匹配过程中，例如通过内插来处理数据和/或环境信息，以便提供分配到相同时间戳的数据和环境信息。
根据另一实施例，并行地或连续地确定N个维度上的环境信息和所述至少一个传感器的位置和/或取向。
例如，首先，确定环境信息，并且其次，确定所述至少一个传感器的位置和/或取向。替换地，同时地确定环境信息和所述至少一个传感器的位置和/或取向，或者这些过程可重叠。
根据另一实施例，所述至少一个传感器被配置成精确地在N个维度上确定环境信息。
因此，改变所述至少一个传感器的位置和/或取向并确定所述至少一个传感器的位置和/或取向将另一维度添加到环境模型。
根据另一实施例，机器零件被供电而沿着机器轴移动或绕着机器轴旋转以便修改环境。
“供电”意指提供用于驱动机器零件的至少一个致动器。“修改环境”意指改变对象或物质的位置和/或取向。示例是运土、钻孔或移动其它对象，诸如设备或机器。
根据另一实施例，以电动、液压或气动方式对机器零件进行供电。
例如，电动或液压马达或者液压或气动活塞可驱动机器零件。
根据另一实施例，采矿装置包括机器零件。
就此而言，任何其它运土装置还可包括机器零件。
根据另一实施例，机器零件是采矿挖掘机。
特别地，该机器零件可以是外壳、吊杆（boom）或吊桶。除其它之外，需要将这些机器零件相对于环境（例如相对于人类、拖运卡车或其它材料）准确地定位和/或取向。
根据另一实施例，所述至少一个传感器是用于在单个测量平面中扫描环境的激光扫描仪。
还可采用其它传感器，诸如雷达传感器、光学传感器或声学传感器。
根据另一实施例，提供了至少两个传感器，并且其中，所述至少两个传感器的测量平面交叉或者相互平行地布置。
根据实施例，所述至少两个传感器的测量平面可在机器轴中交叉。在其中所述至少两个扫描仪的测量平面交叉的实施例中，由一个传感器提供的数据可被其它传感器提供的数据覆写。从而，可快速地更新环境模型。另一方面，在其中所述至少两个传感器的测量平面被相互平行地布置的示例性实施例中，一个传感器可看到并检测其它传感器不能看到并检测的环境的部分。因此，可获得更好的3D模型。
可将关于用于确定N+1维环境模型的方法的第一方面的任何实施例与第一方面的任何实施例组合而获得第一方面的另一实施例。
根据第二方面，本发明涉及一种计算机程序产品，其包括当在至少一个计算机上运行时用于执行上文所讨论的方法的至少一个步骤（或所有步骤）以便确定N+1维环境模型的程序代码。
可将计算机程序产品（比如计算机程序装置）具体实施为存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD或者可在网络中从服务器下载的文件。例如，这可通过用计算机程序产品从无线通信网络传输相应的文件来提供。
根据第三方面，提供了一种用于确定N＋1环境模型的设备。该设备包括用于在N个维度上确定环境信息的至少一个传感器、用于确定所述至少一个传感器的位置和/或取向的确定单元、以及用于基于N个维度上的所确定环境信息和所述至少一个传感器的所确定位置和/或取向来确定N+1维环境模型的处理单元。
可用硬件和/或用软件来实现相应的实体（单元），例如确定单元、处理单元或控制单元。如果用硬件来实现所述实体（单元），则可将其具体实施为设备，例如作为计算机或作为处理器或作为系统（例如计算机系统）的一部分。如果用软件来实现所述实体（单元），则可将其具体实施为计算机程序产品、作为函数、作为例程、作为程序代码或者作为可执行对象。
此外，所述设备可包括用于改变所述至少一个传感器的位置和/或取向的定位/取向单元。
根据第四方面，提供了一种包括本文所述设备的采矿装置。
一般地，还可将该装置配置为例如任何其它种类的运土装置。
结合本方法解释的特征加以必要的变更适用于所述设备和装置，并且反之亦然。
根据结合附图进行的后续描述和从属权利要求，本发明的更多目的、特征和优点将变得显而易见，在所述附图中：
图1示意性地示出了根据一个实施例的用于确定N+1维环境模型的设备；
图2更详细地图示出在图1的设备中使用的部件中的一些；
图3图示出根据本发明的示例性实施例的数据匹配过程；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于确定N+1维环境模型的方法步骤的序列的实施例；
图5图示出根据本发明的示例性实施例的侧视图中的采矿装置；
图6图示出顶视图中的图5的采矿装置；
图7A和7B更详细地图示出在图6的实施例中使用的测量原理；
图8A和8B图示出相对于图7A和7B的替换实施例；以及
图9图示出根据本发明的示例性实施例的三维环境模型的示例。
在图中，除非另外指明，相似的参考数字指定相似或功能上等价的元件。
图1图示出用于确定N+1维环境模型的设备100。例如，N+1维模型可以是二维环境模型或三维环境模型。在图9中示出了三维环境模型900。
设备100包括例如传感器102和另一传感器104。传感器102被配置成用于确定在N个维度上的环境信息。例如，传感器102是用于在x-z平面（即两个维度）中扫描环境200的激光扫描仪，如图2中所示。参考数字202图示出由传感器102发送出以便测量环境200的周线（contour）上的点xn、yn、zn的激光束。
作为单个传感器102的替代，例如，可以使用仅在单个维度上确定环境信息且具有不同取向的两个传感器。传感器102可被配置成不仅测量环境200，而且处理测量数据。所确定环境信息因此可对应于测量参数或已处理数据。
传感器102例如借助于螺钉或焊接被固定地附着到机器零件204。机器零件204是例如采矿装置或任何其它运土装置的一部分。在图5中示出了采矿装置500的一个示例。
返回图2，示出了机器零件204绕着机器轴206是可旋转的。在替换实施例中，机器零件204可以沿着机器轴206可移动。
根据图1和图2，设备100可以包括例如被配置成用于使机器零件24绕着机器轴206旋转的致动器106。如图2中所示，可将致动器106配置为马达，例如电动、液压或气动马达，提供机器零件204的旋转。
随着机器零件204绕着机器轴206旋转，传感器102连同机器零件204一起绕着机器轴206旋转。通过使传感器102围绕着机器轴206移动，确定第N+1维度上的环境信息。例如，如果传感器102被配置成精确地在一个维度上确定环境信息，则传感器102的旋转向所获得的环境信息添加第二维度。或者，如已经结合图2所解释的，传感器102可在精确地两个维度上确定环境信息。通过现在使传感器102连同机器零件204一起绕着机器轴206旋转，传感器102相对于环境200的取向改变，并且因此在y方向上（即在垂直于x-z平面的方向上）确定的环境信息改变。
在图1和2中，示出了设备100还可包括用于控制致动器106的控制器108。在本示例中，另一传感器104测量机器零件204围绕着机器轴206的旋转角αn，如图2中所示。该角度αn被返回到控制器108。因此，提供了闭环控制。用图2中的参考数字208来指定由此形成的控制单元且其是闭环控制系统。替换地，可将控制单元208配置为开环控制系统。
设备100还可以具有被配置成用于确定N+1维环境模型（例如图9的三维环境模型900）的处理单元110。
基于N个维度上的所确定环境信息来确定环境模型。在图2中，此信息是环境信息xn、zn。此外，基于传感器102的信息αn来确定N+1维环境模型。根据角度αn，处理单元110推导出对应于环境信息xn、zn的坐标yn。因此，获得了三维环境模型。
处理单元110还可被配置成使所确定传感器取向αn与相应的所确定环境信息xn、zn匹配。在图3中图示出此过程。图3示出了环境信息xn、zn是在时间戳tn处获得的，而传感器取向αn和因此的坐标yn是在时间戳tn+∆处获得的。该匹配过程可包括用以在tn处获得坐标yn的内插技术。因此，确定了tn处的一组坐标xn、yn、zn。
再次地参考图1，传感器102、104、致动器106、控制器108和处理单元110可形成通信网络，其可以是例如基于USB、以太网或PROFINET的。在图1的实施例中，设备100包括集线器112，其被配置成在传感器102、104、控制器108和处理单元110之间路由通信。
图4图示出根据本发明的示例性实施例的由图1的设备100执行的方法步骤。
在步骤S401中，传感器102确定环境信息xn、zn。
在之前、并行地或然后，另外的传感器104在步骤S402中确定机器零件204的取向。
在步骤S403中，由传感器102、104提供的数据被经由通信网络传输到处理单元110。
该数据在步骤S404中被处理单元110处理以提供如所述的三维模型。此处理可涵盖如上所述的数据匹配。此外，此数据处理可涵盖数据解释，特别是特征提取。例如，可将一组坐标xn、yn、zn与已知环境特征（例如斜坡、山丘、地下室、人类、卡车或其它对象）相比较。这样，可进一步细化三维环境模型。
在步骤S405中，三维环境模型正被传输到的处理单元110或另一处理单元（未示出）判定将由致动器106执行的动作。例如，基于所确定三维环境模型来规划机器零件204的轨道，从而避免与对象的碰撞或者从而完成某个任务，例如将吊桶从第一位置移动至第二位置。
一旦规划了动作，相应数据就被传输到控制器108，其然后通过向致动器106给出相应命令而执行动作。致动器106因此按照相应控制命令的定义使机器零件204围绕着机器轴206移动（步骤S406）。从而，传感器102的取向αn改变，因此按照激光束202'所指示的使x-z平面（测量平面）移动至新位置（参见图2）。在该新位置处，获得环境信息以及传感器102的取向，并且因此更新环境模型。
因此，随着机器零件204移动以完成对应于采矿或其它运土功能的任务，获得三维环境模型并连续地更新。不要求附加致动器以使传感器102移动。另外，传感器102因此可具有简单的设计。
图5示出了采矿装置500，并且图6在顶视图中示出了图5的采矿装置500。采矿装置500例如被配置为铲斗式挖掘机。采矿装置500包括如结合图1至4所解释的设备100。
在图5和6的示例中，提供了两个传感器102、102'，其被分别地安装到采矿装置500的铲斗204，特别是外壳。例如，可将传感器102、102'安装到吊杆502的左侧和右侧。吊杆502至少被间接地连接到图5中所示的吊桶504。随着铲斗204绕着其轴206在水平平面中旋转，吊桶504被操作成例如在水平平面中移动泥土。电动或液压马达106可驱动铲斗204绕着轴206旋转。
可将传感器102、102'分别地配置为例如激光扫描仪，其在x-z平面中跨例如135°的角β扫描。传感器102、102'可在采矿装置500前方取向，从而扫描在采矿装置500前面的浅滩（bank）200。浅滩200的周线上的扫描点被指定为xn、yn、zn。再次地，传感器102、102'被配置成用于仅确定坐标xn、zn，并且从监视铲斗204的角位置αn的另一传感器104获得坐标yn。
图6示出当传感器102、102'分别地在x-z/x'-z'平面中测量环境200且正绕着机器轴206旋转时获得的两个3D扫描体积600、600'。这样，可获得两个环境子模型902、902'（参见图9），其然后被处理单元110熔合到单个环境模型900。为此，扫描体积600、600'可重叠，如也在图6中所示。在图9的示例中，图示出在采矿装置500的左侧的浅滩200和卡车200'。
在图5和6的示例中，扫描平面x-z、x'-z'每个与旋转轴206交叉。因此，随着铲斗204如图7A和7B中所示地逆时针转动，可以用来自传感器102的环境信息x、z将来自传感器102'的环境信息x'、z'覆写。这可以被完成，因为已知来自右传感器102的环境信息x、z表示与来自在左侧的传感器102'的环境信息x'、z'确切相同的航向。虽然环境信息本身可能由于环境中的变化而不同，但新确定的环境信息是环境的最准确表示。使用这个技术允许快速地更新环境模型900。
随着铲斗204再次地在顺时针方向上摆动回来，例如从卡车200'至浅滩200（其可表示挖掘位置），在右侧的传感器102将更新浅滩200的形状。同时，其它传感器102'将检测到卡车200'并确定例如卡车200'有多满（参见图9）。
替换地，可如图8A和8B中所描绘地布置传感器102、102'。其中，扫描平面x-z、x'-z'相互平行地取向，并且不与旋转轴206交叉。根据本实施例，传感器102、102'从不同的角度测量环境200，这就是为什么可以以这种方式获得附加环境信息。特别地，可获得从采矿装置500的观点的改善三维环境模型。
虽然已经根据优选实施例描述了本发明，但对于本领域的技术人员而言显而易见的是修改在所有实施例中都是可能的。
参考数字：
100 设备
102 传感器
102' 传感器
104 传感器
106 致动器
108 控制器
110 处理单元
112 集线器
200 环境
200' 卡车
202 激光束
202' 激光束
204 机器零件
206 机器轴
208 控制单元
500 采矿装置
502 吊杆
504 吊桶
600 扫描体积
600' 扫描体积
900 环境模型
902 环境子模型
902' 环境子模型
S401—S406 方法步骤
x 空间方向
x' 空间方向
y 空间方向
y' 空间方向
z 空间方向
z' 空间方向
x-z 平面
x'-z' 平面
α 角
β 角。

Claims (8)

1.一种用于确定N+1维环境模型（900）的方法，包括：
使用至少一个传感器（102、102'）在N个维度（x、z）上确定环境信息（xn、zn），
确定所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn），以及
基于N个维度（x、z）上的环境信息（xn、zn）和通过改变所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）来确定N+1维环境模型（900），其中，在垂直于所述至少一个传感器（102、102'）的测量方向或测量平面（x-z、x'-z'）的方向上确定第N+1维度（y）上的环境信息（yn），
其中，所述至少一个传感器（102、102'）被安装到机器零件（204），该机器零件（204）沿着机器轴（206）可移动或绕着该机器轴（206）可旋转，并且
其中，通过使所述至少一个传感器（102、102'）连同机器零件（204）沿着或围绕机器轴（206）移动来改变所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）。
2.如权利要求1所述的方法，
其中，基于由用于控制机器零件（204）沿着或绕着机器轴（206）的位置和/或取向（αn）的控制单元（208）提供的数据来确定所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）。
3.如权利要求2所述的方法，
其中，由控制单元（208）提供的所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）与环境信息（xn、zn）匹配。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，
其中，并行地或连续地确定在N个维度（x、z）上的环境信息（xn、zn）和所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，
其中，所述至少一个传感器（102、102'）是用于在单个测量平面（x-z、x'-z'）中扫描环境（200）的激光扫描仪。
6.如权利要求1至3中任一项所述的方法，
其中，提供了至少两个传感器（102、102'），
其中，所述至少两个传感器（102、102'）的测量平面（x-z、x'-z'）交叉或者相互平行地布置。
7.一种用于确定N+1维环境模型（900）的设备（100），包括：
至少一个传感器（102、102'），其用于在N个维度（x、z）上确定环境信息（xn、zn），
控制单元（208），其用于确定至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）；以及
处理单元（110），其用于基于N个维度（x、z）上的环境信息（xn、zn）和通过改变所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）来确定N+1维环境模型（900），其中，在垂直于所述至少一个传感器（102、102'）的测量方向或测量平面（x-z、x'-z'）的方向上确定第N+1维度（y）上的环境信息（yn），
其中，所述至少一个传感器（102、102'）被安装到机器零件（204），该机器零件（204）沿着机器轴（206）可移动或绕着该机器轴（206）可旋转，并且
其中，通过使所述至少一个传感器（102、102'）连同机器零件（204）沿着或围绕机器轴（206）移动来改变所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）。
8.一种采矿装置（500），包括：
至少一个传感器（102、102'），其用于在N个维度（x、z）上确定环境信息（xn、zn），
控制单元（208），其用于确定至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）；
处理单元（110），其用于基于N个维度（x、z）上的环境信息（xn、zn）和通过改变所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）来确定N+1维环境模型（900），其中，在垂直于所述至少一个传感器（102、102'）的测量方向或测量平面（x-z、x'-z'）的方向上确定第N+1维度（y）上的环境信息（yn），以及
机器零件，其中，所述至少一个传感器（102、102'）被安装到机器零件（204），该机器零件（204）沿着机器轴（206）可移动或绕着该机器轴（206）可旋转，并且
其中，通过使所述至少一个传感器（102、102'）连同机器零件（204）沿着或围绕机器轴（206）移动来改变所述至少一个传感器（102、102'）的位置和/或取向（αn）。
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