CN110389350A - 运土机、测距仪布置和3d扫描方法 - Google Patents

运土机、测距仪布置和3d扫描方法 Download PDF

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Abstract

本公开内容涉及运土机、测距仪布置和3D扫描方法。本发明涉及一种移动运土机，该移动运土机包括：承载部(1)；至少一个可相对于承载部(1)移动的机器元件；定位系统，用于确定运土机的3D位置和方位数据；至少一个感测器件(14)，用于确定可移动机器元件的位置和方位数据；至少一个测距仪器件(10)，用于检测测距仪器件的视野中的至少一个物体，并且提供该物体的点云输出；以及至少一个控制单元(9)，被配置为接收并处理生成的数据。测距仪器件(10)是没有内部可移动机械元件的固态器件，由此器件(10)没有内部扫描设备。测距仪器件(10)布置在可移动机器元件上，并且被配置为与可移动机器元件一起移动。

Description

运土机、测距仪布置和3D扫描方法
技术领域
本发明涉及一种运土机。
本发明进一步涉及一种测距仪布置。
本发明进一步涉及一种3D扫描方法。
背景技术
文档US 2016/0104289 A1公开了具有范围图产生系统的工地上的工作机器。文档WO 2015/041689 A1公开了一种用于确定工地中的机器的位置的方法。该方法包括通过工地中位置处的机器上的激光雷达单元来确定与激光雷达调查相关联的输入数据。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的运土机、新的测距仪布置和新的3D扫描方法。
本发明的特征在于独立权利要求的特征。本发明的实施例在从属权利要求中公开。
在呈现的解决方案中，一种移动运土机包括：承载部；可相对于承载部移动的至少一个机器元件；定位系统，用于确定运土机的3D位置和方位数据；至少一个感测器件，用于确定可移动机器元件的位置和方位数据；至少一个测距仪器件，用于检测测距仪器件的视野中的至少一个物体，并且提供该物体的点云(point cloud)输出；以及至少一个控制单元，被配置为接收并处理生成的数据。测距仪器件是没有内部可移动机械元件的固态器件，由此该器件没有内部扫描设备；测距仪器件布置在可移动机器元件上，并且被配置为与可移动机器元件一起移动；测距仪器件被配置为基于至少一个发送单元发送的信号和至少一个接收单元接收的反射信号的飞行时间来产生点云输出，所述至少一个接收单元包括至少一个检测器；并且控制单元被配置为确定测距仪器件的位置和方位并且响应于输入数据提供点云。测距仪器件是耐用的且便宜的。可移动机器元件为测距仪器件的移动提供扩大的自由度，从而提供扩大的视角和宽的扫描射束。
根据实施例，飞行时间指至少一个发送单元发送信号和至少一个接收单元接收反射信号之间的时间段或持续时间。
根据实施例，控制单元被配置为确定测距仪器件的3D位置和方位并且响应于输入数据提供具有3D坐标的点云。
根据实施例，测距仪器件在可移动机器元件上的已知地方被布置到可移动机器元件；测距仪器件的所述地方和可移动机器元件的运动学模型被输入到控制单元；并且控制单元被配置为响应于输入数据计算测距仪器件的位置和方位。在该实施例中，3D定位系统是相对于测距仪器件分开布置的。
根据实施例，测距仪器件包括用于确定测距仪器件的3D位置和方位的定位部件。
根据实施例，测距仪器件的接收单元包括用于接收反射信号的至少一个单光子检测器。
根据实施例，接收单元包括一个或多个时间门控单光子雪崩检测器元件。
根据实施例，接收单元包括被布置为形成n*m阵列的至少一个检测器元件，其中，n和m可以是任何数。
根据实施例，接收器单元的检测器元件阵列包括具有按n行m列布置的数个元件的矩阵。
根据实施例，接收器单元的检测器元件阵列包括具有数个元件的一行。从而，测距仪可以具有水平条状配置。
根据实施例，接收器单元的检测器元件阵列包括具有数个元件的一列。从而，测距仪可以具有垂直条状配置。
根据实施例，测距仪器件包括单个检测器元件，由此接收器单元具有点形式配置。
根据实施例，所述至少一个机器元件是吊杆；并且所述至少一个测距仪被布置到吊杆，由此所述至少一个测距仪与吊杆一起移动。
根据实施例，吊杆设有至少两个测距仪器件，所述至少两个测距仪器件被布置到吊杆上的不同地方，从而具有不同的视角。
根据实施例，吊杆是铰接式的，并且包括两个或更多个吊杆零件以及它们之间的关节；并且至少两个测距仪器件布置在分开的吊杆零件上。
根据实施例，吊杆的远端部分设有至少一个工作工具；并且所述至少一个测距仪器件被定向为生成关于工作工具的点云数据。
根据实施例，运土机是包括吊杆和在吊杆的自由端处的铲斗的挖掘机；并且所述至少一个测距仪器件被定向为生成关于铲斗的点云数据。
根据实施例，所述至少一个机器元件是推土机刮土铲；至少一个测距仪被布置到刮土铲或刮土铲的支撑元件以生成关于刮土铲的点云数据。可替代地或另外地，扫描数据包括关于刮土铲前方地面的地形或在操作期间面向刮土铲的前面的加工材料的数据。
根据实施例，所述至少一个机器元件是设有移动布置的控制室，该移动布置使得控制室的垂直位置可以相对于承载部调整；并且所述至少一个测距仪器件被配置为生成关于控制室的垂直位置的云数据。
根据实施例，测距仪器件是激光测距仪器件，其中，发送单元包括至少一个激光发射器。
根据实施例，激光测距仪包括用于生成指向工作地点处的期望点的激光束的至少一个激光源。所述器件包括接收从工作地点的目标点反射出来的激光束的至少一个检测器器件。基于产生激光束和接收之间的时间，控制单元可以确定目标点和测距仪器件之间的距离。因此，距离测量是基于飞行时间测量原理。基于距离测量，对测距仪器件检测的工作地点的部分生成3D点云数据。3D点云的每个数据点包括从测距仪器件到工作地点的被检测点的距离。
根据实施例，测距仪器件是激光雷达器械。激光雷达是使用来自激光器的紫外光、可见光或近红外光的激光雷达器件。
根据实施例，测距仪器件是基于无线电波的使用的雷达器械。
根据实施例，测距仪器件是基于声音的飞行时间照相机或图像传感器。
根据实施例，用于确定运土机的3D位置和方位数据的定位系统包括基于卫星的定位系统(GNSS)。
根据实施例，用于确定关于运土机的3D位置和方位数据的定位系统包括全站仪。
根据实施例，用于确定关于运土机的3D位置和方位数据的定位系统包括SLAM系统(同时定位和制图)。SLAM系统被配置为生成运土机在初始地方的周围环境的点云，并且被配置为创建周围环境的地图。该系统可以同时使用创建的地图来确定它自己在该空间内的地点。SLAM系统可以用于通过将借助于另一个系统生成的主要位置和方位数据与创建的地图进行比较来确保主要位置和方位数据是可靠的。
根据实施例，用于确定可移动机器元件的位置和方位的至少一个感测器件包括用于生成关于方位的数据的至少一个惯性测量单元(IMU)；并且控制单元被配置为响应于从惯性测量单元接收的数据确定测距仪器件的方位。
根据实施例，测距仪器件包括IMU。
根据实施例，IMU包括提供角位置、速率或加速度的测量的一个或多个器件。IMU可以包括加速度计、陀螺仪和/或倾斜仪。
根据实施例，一个或多个感测器件被配置为监视可移动机器元件的关节或移动致动器，并且控制单元被配置为响应于所述监视来计算位置和方位。因此，感测器件可以例如是线性移动传感器或旋转编码器。
根据实施例，运土机的测距仪布置包括：至少一个测距仪器件，用于提供扫描数据，该扫描数据包括至少一个被检测物体的点云；用于确定该布置的3D位置和方位的部件；至少一个控制单元，被配置为接收检测的数据并且对接收的数据进行处理；并且测距仪器件是没有内部可移动机械元件的固态器件；测距仪器件被配置为基于发送单元发送的信号和接收单元接收的反射信号的飞行时间来产生点云，接收单元包括至少一个检测器；并且控制单元被配置为确定测距仪器件的3D位置和方位并且响应于输入数据提供具有3D坐标的点云。
根据实施例，一种用于运土机的工作地点处的3D扫描的方法，其中，运土机包括承载部和可相对于承载部移动的至少一个机器元件，所述方法包括：借助于布置在运土机上的至少一个测距仪器件来生成运土机的周围环境的扫描数据，其中，扫描数据包括在测距仪器件的视野中检测到的至少一个物体的至少一个点云；确定工作地点处关于运土机的3D位置和方位数据；将生成的扫描数据以及确定的位置和方位数据输入到至少一个控制单元，并且对生成的扫描数据的至少一个目标点计算三维坐标；借助于至少一个测距仪器件来执行扫描，所述至少一个测距仪器件是没有内部可移动机械元件并且具有有限视角的固态器件；通过借助于可移动机器元件移动测距仪器件来扩大布置在可移动机器元件上的所述至少一个测距仪器件的视角；借助于飞行时间测量来确定测距仪器件和至少一个物体之间的距离，并且将数据输入到控制单元；确定测距仪器件的3D位置和方位，并且将数据输入到控制单元；并且响应于输入数据对点云计算三维坐标。
根据实施例，所述系统被配置为执行调查并且收集与运土机正在其中操作的环境相关的信息。所述系统可以收集与运土机正在其上移动的表面相关的信息。因此，所述系统可以确定工作地点的地面的地面表面、地面水平和其他地形特征。运土工具前方地面表面的地形也是有用的信息。
根据实施例，所述系统被配置为执行运土机正在其中操作的环境的调查，并且被配置为更新工作地点的预先设计的或先前创建的三维环境模型。
根据实施例，所述系统被配置为执行运土机正在其中操作的环境的调查，并且被配置为确定环境的表面轮廓。所述系统可以用于执行工作地点的周期性扫描，并且可以将采集的表面数据与先前的点云输出进行比较。控制单元可以响应于所述比较来计算操作区域处被移除的或被填充的材料的体积和表面变化。所述系统还可以更新工作地点的生成或地势模型和地图。所述系统可以确定工作地点的表面轮廓的变化，并且操作者可能能够在控制室内部查看即时切割/填充体积和表面变化。创建的点云可以被变换到3D模型中以用于体积计算和地势模型。此外，创建并更新的3D模型和地图可以与在同一个工作地点处操作的两个或更多个运土机共享，由此协作的3D模型和地图可以被使用。此外，所述数据可以用于自动地监视和记录在工作地点处执行的已实现的测量。
根据实施例，所述系统被配置为确定运土机的工作工具的位置和方位。此外，可以将确定的位置和方位数据与从布置在吊杆上的一个或多个感测器件采集的位置和方位数据进行比较。可以基于比较数据来对吊杆传感器进行校准。所述系统还可以用于检测装备器械的吊杆的主要感测部件中的可能故障。
根据实施例，一个或多个测距仪器件被配置为扫描铲斗或传输平台和其中加载的材料。基于扫描数据，可以确定加载的材料的体积和重心。确定的数据可以例如用于对加载的材料进行称重并且用于确定所引起的对于机器的加载。
根据实施例，所述系统被配置为产生一个或多个机器元件或工作工具的三维模型。从而，可以对铲斗、传输平台或吊杆进行建模。可以将产生的模型与先前创建的模型或为制造组件而做的初始模型进行比较，并且检测模型之间的偏差。从而，可以注意到组件的磨损、故障和变形。所述系统可以提供针对条件监视系统的信息。
根据实施例，所述系统被配置为确定潜在障碍存在于环境中的哪里以及运土机在哪里与检测到的潜在障碍有关。因此，运土机的控制系统可以在障碍检测和避免中利用点云数据。点云数据还可以用于接近控制并且用于创建运土机周围的安全区。
根据实施例，所述系统可以基于产生的点云数据来确定运土机的线性速度和旋转速度。因此，点云数据可以用于量距，其中，随着时间的位置变化被确定。运土机可以包括一个或多个公开的测距仪器件，这些测距仪器件被布置为检测运土机的一个或多个移动部件(比如导轨或轮子)的移动。可以基于创建的点云数据来测量行进的距离和速度。
附图说明
一些实施例在附图中被更详细地描述，其中
图1是设有测距仪器件的挖掘机的示意性侧视图；以及
图2示意性地示出测距仪布置的一些组件。
为清晰起见，附图以简化的方式示出了所公开的解决方案的一些实施例。在附图中，相似的标号标识相似的元件。
具体实施方式
图1示出了包括可移动承载部1的挖掘机E，在可移动承载部1上布置有吊杆2。挖掘机是移动运土机的一个例子。承载部1可以包括下承载部1a和上承载部1b。上承载部1b可以借助于旋转轴3连接到下承载部1a。上承载部1b可以围绕旋转轴3的旋转轴线4旋转R。吊杆2被布置为与上承载部1b一起转动。吊杆2可以包括第一吊杆零件2a和第二吊杆零件2b。第一吊杆零件可以借助于未示出的第一关节连接到盒体1。第二吊杆零件2b可以借助于第二关节5连接到第一吊杆零件2a。在第二吊杆零件2b的远端处是工作工具，在这种情况下为铲斗6，并且在铲斗6和第二吊杆零件2b之间可以是第三关节7。与第三关节7连接的还可以是使得铲斗可以在侧向方向上倾斜的关节或机构。
在承载部1上是用于操作者的控制室8。控制室8可以设有使得控制室8的垂直位置可以相对于承载部1调整的移动布置。
挖掘机E设有测距仪布置，该测距仪布置包括一个或多个控制单元9和一个或多个测距仪器件10。测距仪器件10可以被布置到吊杆2，由此测距仪器件10与吊杆2一起移动。吊杆2可以设有至少两个测距仪器件10，这些测距仪器件10被布置到吊杆2上的不同地方，从而具有不同的视角。还可以将一个测距仪器件10布置到第一吊杆零件2a并且将另一个测距仪器件10布置到第二吊杆零件2b。吊杆2或每个吊杆零件2a和2b还包括至少一个感测器件14，感测器件14用于确定吊杆2或吊杆零件2a和2b的位置和方位数据。此外，测距仪器件10可以包括感测器件14。
挖掘机E还可以设有GNSS卫星定位系统，该GNSS卫星定位系统包括用于从卫星S接收信号的一个或多个卫星接收器件SN。接收器件SN可以被放置在承载部1上，并且控制单元可以基于接收的基于卫星的位置数据来计算挖掘机E的位置。可替代地，挖掘机E可以配备有另一个板载位置测量器件，比如全站仪TS。
位置测量器件、感测器件14和测距仪器件10的数据被发送到控制单元9。控制单元9对所述数据进行处理，并且提供测距仪器件10检测的物体的点云输出。
图2公开了所公开的测距仪布置的一些组件和特征。这些问题已经在本申请中在上面被公开。测距仪器件10可以包括感测器件14。感测器件14可以包括用于生成关于方位的数据的至少一个惯性测量单元(IMU)。测距仪器件10包括发送单元11和接收单元12，发送单元11发送飞行时间信号，接收单元12包括接收反射信号的至少一个检测器13。
对于本领域技术人员来说将显而易见的是，随着技术发展，可以以各种方式实现本发明构思。本发明及其实施例不限于上述例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (9)

1.一种移动运土机，包括：
承载部(1)；
能够相对于承载部(1)移动的至少一个机器元件；
定位系统，所述定位系统用于确定运土机的3D位置和方位数据；
至少一个感测器件(14)，所述至少一个感测器件用于确定能够移动的所述机器元件的位置和方位数据；
至少一个测距仪器件(10)，所述至少一个测距仪器件用于检测测距仪器件的视野中的至少一个物体，并且提供所述物体的点云输出；以及
至少一个控制单元(9)，所述至少一个控制单元被配置为接收并处理生成的数据；
其特征在于，
所述测距仪器件(10)是没有内部可移动机械元件的固态器件，由此所述器件没有内部扫描设备并且具有有限视角；
所述测距仪器件(10)被布置在能够移动的所述机器元件上，并且被配置为与能够移动的所述机器元件一起移动以扩大测距仪器件(10)的视角；
所述测距仪器件(10)被配置为基于由至少一个发送单元(11)发送的信号和由包括至少一个检测器(13)的至少一个接收单元(12)接收的反射信号的飞行时间来产生点云输出；并且
所述控制单元(9)被配置为确定测距仪器件的位置和方位，并且响应于输入数据提供点云。
2.根据权利要求1所述的运土机，其特征在于，
所述控制单元(9)被配置为确定测距仪器件的3D位置和方位，并且响应于输入数据提供具有3D坐标的点云。
3.根据权利要求1或2所述的运土机，其特征在于，
所述接收单元(12)包括被布置为形成n*m阵列的至少一个检测器(13)元件，其中，n和m能够是任何数。
4.根据权利要求1所述的运土机，其特征在于，
所述至少一个机器元件是吊杆(2)；并且
所述至少一个测距仪器件(10)被布置到吊杆(2)，由此所述至少一个测距仪器件(10)与吊杆(2)一起移动。
5.根据权利要求1所述的运土机，其特征在于，
所述测距仪器件(10)是激光测距仪器件，其中，所述发送单元(11)包括至少一个激光发射器。
6.根据权利要求1所述的运土机，其特征在于，
用于确定运土机的3D位置和方位数据的所述定位系统包括基于卫星的定位系统(GNSS)。
7.根据权利要求1所述的运土机，其特征在于，
用于确定能够移动的所述机器元件的位置和方位的所述至少一个感测器件(14)包括用于生成关于方位的数据的至少一个惯性测量单元(IMU)；并且
所述控制单元(9)被配置为响应于从惯性测量单元接收的数据确定测距仪器件(10)的方位。
8.一种运土机的测距仪布置，所述布置包括：
至少一个测距仪器件(10)，所述至少一个测距仪器件用于提供包括至少一个被检测物体的点云的扫描数据；
用于确定所述布置的3D位置和方位的部件；
至少一个控制单元(9)，所述至少一个控制单元被配置为接收检测的数据并且对接收的数据进行处理；
其特征在于，
所述测距仪器件(10)是没有内部可移动机械元件的固态器件，并且具有有限视角；
所述测距仪器件(10)将被布置在运土机的能够移动的机器元件上，并且被配置为与能够移动的所述机器元件一起移动以扩大测距仪器件(10)的视角；
所述测距仪器件(10)被配置为基于由发送单元(11)发送的信号和由包括至少一个检测器(13)的接收单元(12)接收的反射信号的飞行时间来产生点云；并且
所述控制单元(9)被配置为确定测距仪器件(10)的3D位置和方位，并且响应于输入数据提供具有3D坐标的点云。
9.一种用于运土机的工作地点处的3D扫描的方法，其中，所述运土机包括承载部(1)和能够相对于承载部(1)移动的至少一个机器元件；
所述方法包括：
借助于布置在运土机上的至少一个测距仪器件(10)生成运土机的周围环境的扫描数据，其中，扫描数据包括在测距仪器件(10)的视野中检测的至少一个物体的至少一个点云；
确定工作地点处的运土机的3D位置和方位数据；
将生成的扫描数据以及确定的位置和方位数据输入到至少一个控制单元(9)，并且对生成的扫描数据的至少一个目标点计算三维坐标；
其特征在于，
借助于至少一个测距仪器件(10)执行扫描，所述至少一个测距仪器件是没有内部可移动机械元件的固态器件并且具有有限视角；
通过借助于能够移动的所述机器元件移动测距仪器件(10)来扩大布置在能够移动的所述机器元件上的所述至少一个测距仪器件(10)的视角；
借助于飞行时间测量来确定测距仪器件(10)和至少一个物体之间的距离，并且将数据输入到控制单元(9)；
确定测距仪器件(10)的3D位置和方位，并且将数据输入到控制单元(9)；以及
响应于输入数据对点云计算三维坐标。
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