CN110824931B - 用于控制自主施工车辆的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了用于在工地上监测和控制多个自主施工车辆的系统和方法。该系统包括位于在工地上工作的移动式施工车辆上的命令和控制站。命令和控制站提供控制自主施工车辆的操作的能力。

Description

用于控制自主施工车辆的系统和方法

技术领域

本发明总体涉及施工领域。更具体地，本发明涉及用于控制诸如铺路施工设备的自主施工车辆的系统和方法。

背景技术

为了修复道路以继续供车辆使用，在准备使用冷刨床(有时也称为路面碾磨机或松土机)进行表面重修时移除废沥青，以破碎和移除沥青道路的层。冷刨床通常包括装配有切削工具的铣削滚筒，该铣削滚筒被旋转以使路面破碎。

铺路机通常用于在工作表面上相对均匀地施加和铺开沥青材料垫层。这些机器通常用于道路和停车场的施工。铺路机通常包括用于接收沥青材料的料斗、用于将沥青从料斗输送到路基上的输送机系统、以及用于将铺路材料均匀地散布在整平板前面的成组螺旋输送器。整平板使沥青材料光滑，理想地留下均匀深度、密度、质地和光滑度的垫层。

压实机经常用于压实新铺设的沥青、泥土、砾石和与路面相关的其它可压实的作业材料。例如，在道路、公路、停车场等的施工期间，由铺路机沉积的松散沥青由在表面上行进的一个或多个压实机而压实，由此压实机的重量将沥青压缩成固化体。

自主工地可以采用多个自主机器来执行各种任务，这些任务可以由车载和非车载计算机、处理器以及其他电子控制器的组合来控制，而非人工操作员。因此，自主操作可以提高机器的生产率，并且减少控制工地操作所需的人力资源。

发明内容

描述了一种移动式施工车辆，其包括框架、联接到框架的发动机、至少一个机具以及命令和控制站。命令和控制站包括控制器、无线通信模块和用户界面。命令和控制站被配置为处理具有用于自主机器的控制指令的工地计划。

描述了一种控制自主施工车辆的方法。该方法包括将操作指令从移动式施工车辆的命令和控制站无线发送到自主施工车辆。操作指令由自主施工车辆的控制和通信系统无线接收。控制和通信系统然后响应于接收到的操作指令而操作自主施工车辆。

本发明描述了一种控制自主施工车辆的方法，该方法包括为施工现场创建工地计划，并且基于该工地计划将操作指令从移动式施工车辆的命令和控制站无线发送到第一自主施工车辆。该方法进一步包括利用该命令和控制站监测从该第一自主施工车辆发送的数据。命令和控制站可以响应于从第一自主施工车辆发送的数据而至少部分地编辑工地计划。

附图说明

图1示出了根据本发明的铺路机。

图2示出了根据本发明的压实机。

图3示出了根据本发明的冷刨床机。

图4示出了命令和控制系统。

图5示出了根据本发明的示例性道路施工工地。

图6示出了道路施工操作的步骤。

具体实施方式

本发明描述了一种用于在工地上监测和控制多个自主或半自主施工车辆的系统和方法。该系统包括在工地上工作的移动式施工车辆(例如铺路机)上的命令和控制站。

为了实现本发明的目的，术语“沥青”定义为集料和沥青水泥的混合物。沥青是作为石油蒸馏的副产物而获得的沥青的棕黑色固体或半固体混合物。沥青可被加热并与集料混合以用于铺设路面，其中混合物在冷却时硬化。

建造新的道路、停车场或其它铺砌表面需要几种类型的施工设备。类似地，重新铺设现有表面也需要不同的设备。例如，冷刨床是用于从现有道路移除硬化沥青层的机器，铺路机是用于沉积沥青层的机器，压实机是用于压实沉积的沥青的机器。这些机器可在工地中组合使用以移除现有材料、沉积新材料并准备新材料以供使用。

参见图1，铺路机10包括牵引整平板组件18的牵引机11。牵引机11包括框架12，框架12可相互操作地连接使铺路机10能够起作用的各种物理和结构特征。铺路机包括成组与框架12联接的地面接合元件14，例如轮或履带。地面接合元件14可以由发动机16以常规方式驱动。发动机16还可驱动相关的发电机17，该发电机17可用于为铺路机10上的各种系统提供动力。这里使用的术语“发动机”广义地定义为用于将能量转换成机械力和运动的机器。发动机可以由可燃燃料、电力等提供动力。

整平板组件18连接在牵引机11的后端，将铺路材料展开成具有所需形状、厚度、纹理、宽度、密度和光滑度的垫层20。铺路机10还包括用于存储铺路材料的料斗26，以及包括一个或多个输送机28以将铺路材料从料斗26移动到铺路机10后部的整平板组件18的输送机系统。一个或多个螺旋输送器30靠近整平板组件18的前端布置，以接收由输送机28供应的铺路材料，并在整平板组件18的前面均匀地散布材料。整平板组件18、料斗26、螺旋输送器30和输送机28被认为是机具。机具可包括旨在用于施工操作的任何工具、机器、设备件、装置或连接件。

整平板组件18可以具有本领域已知的多种配置中的任何一种。例如，其可以是单部分或多部分整平板。在一些实施例中，整平板组件18可以包括邻近左和右主整平板部分中的每一个设置的整平板延伸部(未示出)。整平板延伸部可以可滑动地在缩回位置和延伸位置之间横向移动，从而可以铺设不同宽度的铺路材料。延伸部的横向移动可以由相应的整平板宽度致动器驱动，例如液压或电动致动器。然而，应当注意，在其它实施例中，可以省略整平板延伸部。

铺路机10还包括命令和控制站25。如下所述，可以被配置为设置用于自主或半自主车辆的工地计划，提供在该工地上工作的自主机器的位置和性能数据，提供事故警报，以及提供用于某些命令或活动的远程控制能力。工地计划可以包括场地区域(GPS边界)，所有机器的场地计划以及所有机器的机器设置。命令和控制站25可定位成由铺路机10的操作员操作。在其它实施例中，铺路机10具有单独的操作员站，用于控制铺路机和操作命令和控制站25。

一旦创建了工地计划，命令和控制25就向自主机器发送指令以执行该计划并监测自主机器的进度。与命令和控制站25交互的操作员可以监测进程，并且可以接管具有命令和控制站的自主机器，手动地命令自主机器。

图2示出了根据一个实施例的压实机100，其可以在表面101上行进，压实诸如沥青垫层20(图1)的作业材料102。设想其它类型的压实机来实施所公开的方法和装置，包括例如土壤压实机、沥青压实机和振动压实机。压实机100包括主体或框架104，该主体或框架104可相互操作地连接能够使压实机100起作用的各种物理和结构特征。这些特征可包括安装在框架104顶部的操作员驾驶室106，操作员可从此处控制和引导压实机100的操作。另外，转向仪器108和类似的控制器可以位于操作员驾驶室106内。为了在表面101上推动压实机100，诸如内燃机的发动机114也可以安装到框架104上，并且可以产生动力以物理地移动压实机100。

为了使压实机100能够相对于表面101运动，所示的压实机100包括与表面101滚动接触的第一滚筒110(或压实元件110)和第二滚筒112(或压实元件112)。第一滚筒110和第二滚筒112都可旋转地联接到框架104，使得当压实机100在表面101上行进时，第一滚筒110和第二滚筒112在表面101上滚动。为了将动力从传动系统传递到表面101，传动系统可以通过适当的传动系(未示出)可操作地接合和旋转第一滚筒110、第二滚筒112或其组合。

可以理解，第一滚筒110可以具有与第二滚筒112相同或不同的结构。还应当理解，机器100可以包括单个滚筒和轮胎(未示出)以接触表面101。第一滚筒110和第二滚筒112都可以具有振动机构120。虽然图2示出了第一和第二滚筒110、112都具有振动机构120，但是在其他实施例中，可以有位于第一或第二滚筒110、112上的单个振动机构120。

压实机100可以配备有多个机器传感器，这些机器传感器提供指示(直接或间接)机器的各种操作参数和/或机器正在操作所处的操作环境的数据。术语“传感器”用于指其最广泛的意义，包括一个或多个传感器和相关部件，这些传感器和相关部件可以与机器100相关联并且可以协作来感测机器的各种功能、操作和操作特性和/或机器正在操作所处的环境的各方面。

位置感测系统130可以感测机器相对于工地的位置和取向(即，行进方向、俯仰、滚动或倾斜、以及偏航)。位置传感器130可包括多个单独的传感器，其协作以产生并提供指示机器100的位置和取向的位置信号。在一个示例中，位置传感器130可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器与定位系统(例如，全球导航卫星系统或全球定位系统)相互作用以操作为位置传感器。在另一示例中，位置传感器130还可包括用于测量机器100相对于地面或地表基准的斜度或倾斜度的斜度或倾斜度传感器，例如俯仰角传感器。

控制和通信系统150允许压实机与一个或多个外部系统通信。在一个实施例中，工地内压实机100的整个操作可以由位于与压实机100通信的铺路机10上的命令和控制站25自主地或半自主地管理。此外，每个压实机100可以包括能够向命令和控制站25或其他外部控制系统发信号、进行跟踪、进行监测或以其他方式传送相关的机器信息的各种反馈装置中的任何一个或多个，如在此所解释的。

压实机100可由控制和通信系统150控制，控制和通信系统150可通过无线通信系统从驾驶室106内或车外接收来自操作机器100的操作员的输入信号。控制和通信系统150可以控制包括传动系统和液压系统的机器100的各个方面的操作。

图3示出了冷刨床200，其具有由一个或多个牵引装置216支撑的框架214、可旋转地支撑在框架214下方的铣削滚筒212、以及安装到框架214以驱动铣削滚筒212和牵引装置216的发动机218。牵引装置216可包括连接到致动器220的轮或履带，致动器220适于相对于地面可控地升高和降低框架214。在一些实施例中，如果需要，相同或不同的致动器220还可用于操纵冷刨床200和/或调节牵引装置216的行进速度(例如，加速或制动牵引装置216)。输送机系统222可以在前端连接到框架214，以将移除的材料输送离开铣削滚筒212并进入容器，例如卡车224。

框架214还可以支撑操作员站226，操作员站226容纳用于控制冷刨床200的任何数量的接口装置。在其他实施例中，冷刨床200可以是自主的并且可以不包括操作员站226。

冷刨床120可以配备有多个机器传感器，这些机器传感器提供指示(直接或间接地)机器的各种操作参数和/或机器操作所处的操作环境的数据。术语“传感器”用于指其最广泛的意义，包括一个或多个传感器和相关部件，这些传感器和相关部件可以与冷刨床200相关联并且可以协作来感测机器的各种功能、操作和操作特性和/或机器正在操作所处的环境的各方面。

位置感测系统230可以感测冷刨床机器相对于工地的位置和取向(即，行进方向、俯仰、滚动或倾斜、以及偏航)。位置传感器230可包括多个单独的传感器，其协作以产生并提供指示机器200的位置和取向的位置信号。在一个示例中，位置传感器230可包括一个或多个传感器，其与定位系统(例如，全球导航卫星系统或全球定位系统)相互作用以操作为位置传感器。在另一示例中，位置传感器230还可包括用于测量机器200相对于地面或地表基准的斜度或倾斜度的斜度或倾斜度传感器，例如俯仰角传感器。

控制和通信系统250允许冷刨床200与一个或多个外部系统通信。在一个实施例中，冷刨床200在工地内的整个操作可以由位于与冷刨床通信的铺路机10上的命令和控制站25自主地或半自主地管理。此外，每个冷刨床可以包括能够向命令和控制站25或其他外部控制系统发信号、进行跟踪、进行监测或以其他方式传送相关的机器信息的各种反馈装置中的任何一个或多个，如在此所解释的。

控制和通信系统150和250可包括执行操作、执行控制算法、存储和检索数据和其它所需操作的电子计算机、处理器和其它电子控制器，本文中称为控制器。术语“控制器”用于指示其最广泛的意义，包括一个或多个控制器、计算机和/或处理器，这些控制器、计算机和/或处理器可以协作来控制相关联的机器的各种功能和操作。

控制和通信系统150、250可以包括或访问存储器、辅助存储装置、处理器和用于运行应用的任何其他部件。存储器和辅助存储装置可以是只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)或可由控制器访问的集成电路的形式。各种其它电路可与控制和通信系统150、250相关联，例如电源电路、信号调节电路、驱动器电路和其它类型的电路。

控制和通信系统150、250可以包括单个控制器或者可以包括多于一个控制器，控制器被配置为控制相关联的机器的各种功能和/或特征。控制和通信系统的功能可以用硬件和/或软件来实现，而不考虑该功能。控制和通信系统150、250可以独立地控制相关机器的操作，或者响应于命令和控制站25提供的指令而操作。例如，命令和控制站25可以经由控制和通信系统150指示压实机100在沉积的沥青层上遵循限定的路径。如果在压实机行进所限定的路径时压实机检测到障碍物，则控制和通信系统150可以控制压实机，例如调节压实机的速度。

控制和通信系统150和250可以使用来自位置传感器130和230的位置信号来确定相关机器在工地内的位置。位置信号还可用于确定机器的地面速度。或者，可以使用其他传感器或专用地面速度传感器来确定机器的地面速度。还可以提供传感器来监测相关联的机器发动机和传动系的操作条件，例如发动机速度传感器。可以提供操作压实机和冷刨床机器所需或希望的其它传感器。

控制和通信系统150和250包括无线通信模块或系统，以利用一个或多个外部系统发送和接收信号，例如铺路机10的命令和控制站25，或远程基站(后台)。这里使用的无线通信被广泛地定义为在没有通过电导体连接的两个或多个点之间传递信息的任何电路，包括无线电波、卫星通信、移动通信、无线网络通信、红外通信和蓝牙通信。

参考图4，提供了控制和通信系统150和250、命令和控制站25以及基站300或后台的框图。铺路机10、压实机100和冷刨床200在工地内的整个操作可以由位于铺路机10上的命令和控制站25自主地或半自主地管理。压实机100和冷刨床200可以分别经由控制和通信系统150和250与命令和控制站25通信。控制和通信系统150和250还可以与基站300通信。在一些实施例中，控制和通信系统150和250仅向基站300发送数据信号，而在其他实施例中，控制和通信系统150和250还可以从基站300接收数据信号。

无线通信模块或发射和接收(TX/RX)模块301-304分别设置在控制和通信系统150和250、命令和控制站25以及基站300中的每一个中。类似地，控制和通信系统150和250、命令和控制站25以及基站300中的每一个可以分别包括用户界面或输入/输出(I/O)310-313，诸如图形显示器和键盘等。此外，控制和通信系统150和250、命令和控制站25以及基站300可以分别包括控制器320-323。

在一个实施例中，控制和通信系统150和250使用诸如基于卫星的通信系统的远程通信系统与基站300通信。在实施例中，控制和通信系统150和250可以使用本地无线信号与命令和控制站25通信。应当理解，设想了能够发送和接收信号的任何远程通信系统和技术。

如这里所描述的，命令和控制站25可以被配置为从基站300接收工地计划，或者创建用于自主车辆的工地计划。命令和控制站25可以被配置为监测在工地上工作的自主机器的位置和性能数据，并且向基站提供状态数据。同样，命令和控制站25可以被配置为向基站300提供事故警报。基站可以提供初始工地计划，同时允许命令和控制站25根据工地条件根据需要调整计划。

如在此使用的，根据上下文，表述“被配置为”可以被替换为“适合于”、“具有……能力”、“被设计成”、“适于”、“被制造成”或“能够”。术语“被配置为”不一定意味着在硬件级中“专门设计为”。取而代之的是，仪器被“被配置为”的表述可以意味着该仪器“能够”与特定上下文中的其他装置、硬件、固件、软件或部件一起工作。举例而言，“被配置为执行操作的控制器”可意指用于执行操作的专用控制器，或能够通过执行存储在存储器装置中的一个或多个软件程序来执行操作的通用控制器(例如，CPU或应用处理器)。

命令和控制站25包括执行操作、执行控制算法、存储和检索数据和其它期望操作的控制器322。命令和控制站25可以包括或访问存储器324、辅助存储装置、处理器和用于运行应用的任何其它部件。存储器和辅助存储装置可以是只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)或可由控制器访问的集成电路的形式。各种其它电路可以与命令和控制站25相关联，例如电源电路、信号调节电路、驱动器电路和其它类型的电路。用户界面312可以包括人可以用来与控制器交互的任何界面，包括但不限于显示屏、触摸屏、键盘和鼠标。

机器10、100和200的控制可以以任何数量的不同布置来实现。例如，控制可以至少部分地在相对于工地局部定位的命令和控制站25处实现，其具有用于与机器通信的足够装置，例如，通过本地无线或卫星等。使用前述布置中的任一种，命令和控制站25通常可配置为监测机器相对于工地的位置和预定的目标操作，并提供用于以有效方式控制机器的指令。

工业实用性

参照图5，描述了包括铺路机10、冷刨床200和三个压实机100(1)-100(3)的示例性道路施工工地400。在操作中，冷刨床200移除路面的一部分，例如道路的顶部两英寸。铺路机10跟随冷刨床并且在刨平的路面的顶部上沉积新的沥青材料层。压实机100(1)-100(3)然后跟随铺路机，以提供沥青材料的初级、中间和最终压实。每个铺路机具有指定的操作区401、402或403。应当理解，这些区域不需要是离散的，而是可以根据需要重叠。操作区域可以在工地计划中定义，传送到压实机，并由命令和控制25编辑，如本文所述。在该实施例中，使用三个压实机将路面准备成所需的压实，但是可以设想，可以基于可用的设备和工地条件来实现更多或更少的压实机。

应当理解，诸如地面条件和天气的工地变量可能需要对初始工地计划进行现场调整。在该实施例中，铺路机10作为工地上的基础机器进行操作，并且由能够控制工地设备的操作员使用。工地设备可以包括压实机、铺路机、自主卡车、自主压实测试探测车、自主无人机和冷刨床/铣床。命令和控制操作员可以定义工地计划并为所有机器设置铺路计划。一旦定义了计划，命令和控制操作员可以命令自主机器执行计划。命令和控制操作员还可以监测每个机器的进程，并且可以使用命令和控制站25来接管，以根据困难任务的需要手动地命令机器。应当理解，在每个实施例中，所有的工地机器不需要是自主的。

在所示实施例中，铺路机10包含命令和控制站25，因为铺路机对于铺路操作极为重要。在其他实施例中，命令和控制站25可以位于工地上的另一移动车辆上，包括冷刨床200、压实机100或其他车辆。命令和控制站操作员可以与其它铺路机操作员分开。例如，命令和控制操作员可以仅控制与铺路机一起工作的自主机器。

如上所述，诸如铺路机10的移动式施工车辆包括车架、联接到车架的发动机、至少一个机具以及命令和控制站。命令和控制站包括控制器、无线通信模块和用户界面。命令和控制站被配置为处理自主车辆的工地计划。即，处理器可以执行准备好的工地计划、创建新的工地计划或编辑准备好的工地计划。命令和控制站可以被配置为监测自主机器的位置和性能数据。同样地，命令和控制站还可以被配置为向远程基站传送数据信号。例如，自主车辆的性能可以从命令和控制站传送到远程基站。在另一个实施例中，命令和控制站被配置为向自主机器传送远程控制指令。例如，指令可以专用于自主机器以遵循工地计划，例如机器的路径和速度。

图6示出了在一个实施例中，从在步骤410为工地400创建工地计划开始的工地的操作。可以利用基站300或命令和控制站25创建初始工地计划。如果初始工地计划在基站处创建，则在步骤420处将初始工地计划从基站300下载到命令和控制站25。初始计划可包括待铺设道路的GPS边缘、分配给工地的设备、材料厚度和压实程度。应当理解，附加信息和指令可以与初始计划一起提供。在其他实施例中，可以使用命令和控制站25来创建初始工地计划。

在步骤430，命令和控制站25处理工地计划，包括但不限于为操作员显示工地计划并向自主机器发送控制指令。在步骤440，操作员可以根据需要使用命令和控制站25修改或编辑初始工地计划。例如，基于工地条件，操作员可以为几个压实机中的每一个限定操作距离或区域。也就是说，为了达到目标压实水平，必须在一定温度条件下压实沥青。操作员可以监测路面条件并调节每个压实机在铺路机后面操作的区域。类似地，操作员使用命令和控制站25可以调节铺路机10的速度和沥青材料的输送。命令和控制站25向控制和通信系统150发送指令数据，该控制和通信系统150控制相关联的压实机在定义的物理区域内的操作。

在步骤450，命令和控制站25监测由工地设备提供的操作数据。例如，命令和控制站25监测由压实机、冷刨床、铺路机和其它设备(例如卡车、压实测试探测车和无人机)的传感器提供的数据。如果在步骤460需要对任何工地设备进行手动控制，则在步骤470，操作员可以通过传送操作员启动的控制信号，使用命令和控制站25启动控制。然后，操作员可以根据需要继续修改工地计划并监测操作。

描述了一种用于在工地上监测和控制多个自主施工车辆的系统和方法。该系统包括在工地上工作的移动式施工车辆上的命令和控制站。命令和控制站可以提供为自主车辆设置工地计划(包括创建和/或修改工地计划)、监测在工地上工作的自主机器的位置和性能数据、提供事故警报、以及为某些命令或活动提供远程控制能力的能力。

Claims (6)

1.一种移动式施工系统，包括：

移动式施工车辆；和

自主机器，

其中所述移动式施工车辆包括：

框架；

发动机，联接到所述框架；

至少一个机具；以及

命令和控制站，包括：

控制器；

无线通信模块；以及

用户界面，

其中所述命令和控制站被配置为：

处理包括用于自主机器的控制指令的工地计划；

将所述控制指令发送至所述自主机器；

监测所述自主机器的位置和性能数据；

向远程基站传送数据信号；

向所述自主机器传送操作员发起的控制指令；

编辑所述工地计划；以及

将所编辑的控制指令发送至所述自主机器；以及

其中所述自主机器包括控制和通信系统，所述控制和通信系统被配置为：

从所述移动式施工车辆接收控制指令；

响应于所接收的控制指令来操作所述自主机器；以及

从所述移动式施工车辆接收所编辑的控制指令。

2.根据权利要求1所述的移动式施工系统，其中所述移动式施工车辆是铺路机，其中所述至少一个机具包括用于铺开铺路材料的整平板组件。

3.根据权利要求1或2所述的移动式施工系统，其中所述自主机器是压实机，所述压实机包括：

框架；

发动机，联接到所述框架；

滚筒；以及

其中所述控制和通信系统被配置为向所述命令和控制站传送数据，从所述命令和控制站接收包含指令数据的控制指令，并且响应于所接收的指令数据来控制所述压实机的操作，

其中，所述指令数据包括用于所述控制和通信系统在工地的限定物理区域内控制所述压实机的操作的指令。

4.一种控制自主施工车辆的方法，所述方法包括：

为施工现场创建工地计划；

基于所述工地计划将操作指令从移动式施工车辆的命令和控制站无线发送到第一自主施工车辆；

基于所述工地计划将操作指令从所述移动式施工车辆的所述命令和控制站无线发送到第二自主施工车辆；

利用所述命令和控制站监测从所述第一和第二自主施工车辆发送的数据；

响应于从所述第一和第二自主施工车辆发送的数据，利用所述命令和控制站至少部分地编辑所述工地计划；

基于所编辑的工地计划，将所编辑的操作指令从所述移动式施工车辆的命令和控制站无线发送到所述第一和第二自主施工车辆；以及

将状态数据从所述移动式施工车辆的所述命令和控制站发送到远程基站。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一自主施工车辆包括第一压实机，所述第二自主施工车辆包括第二压实机，并且所述工地计划包括所述施工现场内用于所述第一压实机的第一操作区域和所述施工现场内用于所述第二压实机的第二操作区域，所述方法还包括利用所述命令和控制站编辑所述工地计划，以改变所述第一操作区域和所述第二操作区域。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，远离所述移动式施工车辆的所述命令和控制站创建用于所述施工现场的所述工地计划，并且将用于所述施工现场的所述工地计划无线发送到所述移动式施工车辆的所述命令和控制站。