CN113008196B - 机器下沉检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种机器包括框架；与框架相关联的多个地面接合构件，多个地面接合构件构造成沿着地面移动机器；附接到框架的地面传感器，地面传感器提供地面信息；以及与框架相关联的电子控制器。电子控制器编程和配置为从地面传感器接收地面信息，估计地面相对于机器的框架的位置，建立地面的位置与机器的框架之间的高度差，在机器的操作期间持续监测高度差，以及在高度差减小到低于可接受阈值时提供下沉状况指示。

Description

机器下沉检测系统及方法
技术领域
本公开大体上涉及用于处理道路表面的机器，并且更具体地涉及用于道路铺面或重铺路面操作的冷刨机或铣刨机。
背景技术
自主机器是配置为在没有操作员连续干预的情况下操作的机器。因为特定应用可能需要，所以此类机器可在铺砌或未铺砌的表面上操作，且通常可能在不太理想的地面支承状况下操作。例如，在空旷地区的操作存在机器可能穿越泥泞区域的可能性。由于机器很重，所以在泥泞的区域或泥土中穿行可能会引起机器卡死，因为机器的轮或其它地面接合部件会下沉并卡在泥土中。目前，操作员试图识别现场有问题的区域，并指示机器软件避免这些区域。然而，问题区域的识别可能并不总是可能的或完整的，且因此自动机器可能仍会卡住，这可能会对机器的正常运行时间和效率产生不利影响。
过去已经提出了用于控制自主车辆的环境的检测。例如，US2019/0079539A1描述了用于确定车辆位置的系统和方法。在此参考文献中，一种用于定位车辆的方法包括在获得竖直运动数据的同时在第一路段上驾驶。该数据与参考竖直运动数据进行比较，以识别车辆的位置。虽然此参考文献中描述的方法可以帮助确定车辆的位置，但其假设对于路段的参考竖直运动数据是已知的，并且还要求车辆沿着此路段行进。因此，所描述的系统和方法不适用于在未知地形上行进的越野车辆。
发明内容
一方面，本公开描述了机器。一种机器包括框架；与框架相关联的多个地面接合构件，多个地面接合构件构造成沿着地面移动机器；附接到框架的地面传感器，地面传感器提供地面信息；以及与框架相关联的电子控制器。电子控制器编程和配置为从地面传感器接收地面信息，估计地面相对于机器的框架的位置，建立地面的位置与机器的框架之间的高度差，在机器的操作期间持续监测高度差，以及在高度差减小到低于可接受阈值时提供下沉状况指示。
另一方面，本公开描述了一种机器。机器包括框架；与框架相关联的多个地面接合构件，多个地面接合构件构造成沿着地面移动机器；与框架相关联的作业机具，作业机具操作以改变其在操作期间横穿的地面的形状；附接到机器的多个地面传感器，多个地面传感器提供地面和压实地面信息；以及与框架相关联的电子控制器。
电子控制器编程和配置为从多个地面传感器接收地面和压实地面信息，估计地面和压实地面相对于机器的框架的位置，建立地面的位置和机器的框架之间的第一高度差，建立压实地面的位置与机器的框架之间的第二高度差，在机器的操作期间连续地监测第一高度差和第二高度差，当第一高度差减小到低于第一可接受阈值时提供下沉状况指示，并且当第二高度差减小到低于第二可接受阈值时提供地面状况警告。
另一方面，本公开描述了一种用于操作自主机器的方法。该方法包括操作机器以自主地横穿区域，操作与机器相关联的一个或多个传感器以获取指示位于机器的框架下方的表面的轮廓的数据，将获取的数据提供至控制器，使用控制器基于所获取的数据创建推定的地面，使用控制器建立推定的地面与机器的框架之间的高度差，在机器横穿该区域时连续地监测高度差，以及当确定高度差减小到低于阈值时在控制器中提供下沉状况指示。
附图说明
图1是根据本公开的机器的侧视立体图。
图2是操作状态期间图1的机器的侧视立体图。
图3是根据本公开的机器的备选实施例的侧视立体图。
图4是根据本公开的方法的流程图。
具体实施方式
本公开涉及一种用于检测机器不期望的沉入地面中的系统和方法，尤其自主机器，自主机器在机器的操作员驾驶室内没有操作人员直接控制其运动和操作。本公开设想在实施例中，使用与自主机器相关联的传感器测量从机器框架上的点到地面的距离。这些测量值可以发送到机器的控制器，该控制器在机器横穿地形时监测读数。
当控制器基于传感器输入确定从框架到地面的距离减小超过预定阈值时，控制器可识别下沉状况并停止机器或基于地面状况改变机器的操作。改变机器的操作可包括降档、减速、限制转弯半径等。可使用机器上的全球定位系统(GPS)或全球导航卫星系统(GNSS)传感器确定不良地面状况的位置，并且可在车队管理系统中记录或报告给现场经理。此外，为了避免假阳性确定，可以使用多于一个传感器来提供机器框架上的多个点到地面的总距离，使得隔离的障碍物(例如，灰尘堆、块等)不会向单个传感器提供误导性读数。相反，机器周围的区域的基准地面可以连续地实时地确定和更新，并然后与机器框架或机器的另一部分与基准地面的间隙高度进行比较。用于检测机器的一部分到地面的距离的传感器可以配置成在不利状况包括机器沉入深水填充区域中的情况下检测地面和水的表面。
图1示出了根据本公开的体现为越野卡车的机器100。机器100包括作业机具102，其体现为卡车床，其枢转地连接到框架104。在典型操作期间，机器100在装载位置到倾倒位置之间移动，在装载位置，材料装载到作业机具102中，在此情况下为床，而在倾倒位置，材料从床卸载并然后返回到装载位置以重复该过程。在图1所示的典型构造中，机器100包括地面接合构件或轮106，其允许框架104沿着地面108行进。机器100进一步包括操作员驾驶室110和发动机112。
在所示实施例中，机器100是自主引导的，这意味着在操作期间不存在占据驾驶室110的操作人员。相反，信息的发射器和接收器111用于与控制中心(未示出)通信，控制中心在操作期间向机器100提供命令。机器100包括控制器202，其从控制中心接收指令并自主地实现或执行各种操作，包括在装载位置与倾倒位置之间驱动机器100。
虽然机器100上的各种传感器与控制器202通信并提供信号和其它信息以促进机器100的自主操作，但此功能不是本公开的焦点，并且由本领域技术人员普遍和一般地认为是已知的。相反，本公开描述了用于确定机器操作期间，且特别是在机器在地形上行进期间的地面质量的传感器、系统和方法，地形的状况在机器在地形上行进时是未知的。例如，机器可以在机器或另一类似机器以前没有行进过的地形上行进，且因此地面的状况是未知的。另外，即使机器以前已经横穿地形，时间的流逝或诸如雨、侵蚀等环境因素可能已经总体地改变了地形的特性，或者更确切地说，改变了地形支承机器的重量的能力。
为了实现地形的质量的确定，并且确切地说关于在机器横穿地形时地形支承机器的重量的能力，机器100包括一个或多个传感器200。每个传感器200可体现为三维(3D)传感器，如LiDAR(光探测和测距)传感器、立体相机等，其构造且操作成以采集传感器所指向的区域的三维数据。例如，传感器可感测从周围地面108反射的周围环境或发射的光辐射，并向控制器202提供指示传感器读数的信号，该信号可包括相对于传感器200在机器100上的位置的地面上的一个或多个点的等值线图或三维位置。控制器202然后可以基于传感器200在机器框架104上的已知关系或位置来计算、插值或以其它方式确定机器(例如，框架104)相对于地面108的地点或位置。
为了避免任何假阳性确定，例如，如果机器在传感器200的正前方横穿凹陷或巨石或其它正向或突出的地面特征，则机器可以包括设置在机器100周围的不同位置的多个传感器200。在所示实施例中，机器100包括设置在机器的前部和后部、右侧和左侧(仅右侧可见)以及框架底部下方最靠近地面的传感器200。以此方式，可以监测包括框架本身的机器的所有侧的与地面108的间隙。
传感器200与控制器202通信地相关联或连接，并向控制器202提供指示传感器200感知的地面表面属性的信号。控制器202连同附加信号，如全局定位信号(GPS)、倾斜信号、高度信号等，可以将机器行进的地面的三维表示缝合在一起。缝合在一起的地面可仅在机器100下方和/或围绕机器紧密接近地延伸，或可备选地还涵盖在单个方向上(例如前部)或在围绕机器的多个方向上更远离机器的地面，包括几十米的距离。
当信息已经编译时，控制器202可以连续地询问或监测来自传感器202的信号，以确定机器的轮或地面接合构件106是否在测量和监测的地面的可接受深度公差内。例如，横穿软地面材料(如沙子)可能导致增加的但仍可以接受的机器轨道深度。类似地，粗糙地形(如砾石基板)相比于平坦的硬地面，可能向控制器202提供地面的位置的不太精确的测量。
与本公开相关，当机器框架104和地面108之间的机器行驶高度(或换言之高度h，如图1所示)之间的差至少在局部减小到小于可接受阈值时，控制器202将确定机器的下沉状况。这样的操作状态的模拟在图2中示出，其中机器100在表面108上行驶，该表面低于先前由控制器202感测和确定的预期表面108’。更确切地说，在机器100横穿图2中所示的位置之前，控制器202基于来自传感器200的信号确定地面应处于水平108’处。该水平可能已经由软材料(如泥浆或水)呈现，软材料将地面的错觉提供至传感器200，并且因此导致控制器202做出错误确定。当机器横穿该区域时，机器的重量引起轮106保持与硬下表面108接触，引起机器下沉到表面108’中。
当机器100从表面108’下沉到表面108时，在正常地面状况下框架104与地面之间的距离h减小(由于机器下沉)到小于距离h的距离h’。控制器202监测机器框架104与地面之间的距离，这可以相对于机器100周围的一个或多个位置进行确定，可以将高度h与期望的或预定距离进行比较，使得当高度h’与高度h相差超过预定阈值时，控制器202可以首先确定机器是否处于特殊工作模式，并且如果不是，则推断存在下沉状况。
当存在下沉状况时，或者换句话说，当控制器检测到机器的下沉状况时，可以自动地实施各种缓解措施。例如，机器可以停止和倒退，直到下沉状况不再存在并且机器处于实心地面上。另外或备选地，控制器可以另外改变机器的操作，如使机器降档，使得向轮提供额外的扭矩以克服不稳定地面的影响，降低机器速度使得机器可以通过深水坑，限制了机器的转弯半径使得可以进行更浅的转弯，以及其它。另外，控制器可包括机器的当前位置的地理位置信息，例如，使用来自传感器的地理位置或现场位置数据的输入，并且标记其中检测到下沉状况的区域以供将来参考和/或有利于可能在该区域中操作的其它机器。
可以使用一个以上的严重性来执行下沉状况检测。例如，基于高度h和h’的比较，机器可以针对浅下沉状况利用改变的操作而继续移动通过区域，并且可以针对更极端的下沉状况停止和倒退。用于区分浅下沉与严重下沉的阈值可取决于机器的类型、轮的大小、机器的装载状况或重量和其它参数。
应注意，本文中所描述的控制器202及其功能性可在硬件或软件中实施。大体上，电子控制器可以是单个控制器，或者可以包括设置成控制机器的各种功能和/或特征的一个以上的控制器。例如，用于控制机器的整体操作和功能的主控制器可以与用于控制机器的各种部件和系统(如发动机，变速器等)的电动机或发动机控制器协同实施。在该实施例中，术语“控制器”旨在包括可以与机器100相关联并且可以协作控制机器100(图1)的各种功能和操作的一个、两个或更多个控制器。尽管在这里仅为说明目的而概念性地描述为包括各种离散的功能，但控制器的功能可以在硬件和/或软件中实现，而不考虑所述的离散功能。因此，尽管相对于机器100的部件描述了控制器的各种接口，但是接口不旨在限制所连接的部件的类型和数量，也不限制所描述的控制器的数量。
图3中示出了机器300的备选实施例。在此实施例中，机器300的元件和特征或其操作与机器100的由与先前为了简单起见所使用的相同的附图标记表示的对应元件和特征(图1和2)相同或相似。值得注意的是，尽管机器100是预期在地面108上运行并监测是否存在下沉状况的卡车，但是机器300是压实机，其压实其工作表面，使得机器108的操作表面变得压实并且相对于周围地面108’竖直地移位一定压实深度D，如图3中所示。
机器300体现为土壤压实机。类似于机器100，机器300包括体现为压实鼓的作业机具307。在典型操作期间，机器300沿着表面行进以压实表面。机器300可以蛇形或其它图案执行连续运行以压实整个工作场，并且可以进一步横穿同一区域一次以上以实现期望的压实。在图3所示的典型构造中，机器300包括地面接合构件或轮306，其允许框架304沿着地面108行进。机器100进一步包括操作员驾驶室310和发动机312。
在所示实施例中，机器300是自主引导的，这意味着在操作期间不存在占据驾驶室310的操作人员。相反，信息的发射器和接收器311用于与控制中心(未示出)通信，控制中心在操作期间向机器300提供命令。机器100包括控制器302，其从控制中心接收指令并自主地实现或执行各种操作，包括沿着其压实路径驱动机器300。
虽然机器300上的各种传感器与控制器302通信并提供信号和其它信息以促进机器300的自主操作，但此功能不是本公开的焦点，并且由本领域技术人员普遍和一般地认为是已知的。相反，本公开描述了用于确定机器操作期间，且特别是在机器在地形上行进期间的地面质量的传感器、系统和方法，地形的状况在机器在地形上行进时是未知的。例如，机器可以在机器或另一类似机器以前没有行进过的地形上行进，且因此地面的状况是未知的。另外，即使机器以前已经横穿地形，时间的流逝或诸如雨、侵蚀等环境因素可能已经总体地改变了地形的特性，或者更确切地说，改变了地形支承机器的重量并且压实到既不大于也不小于预期压实深度D的压实深度的能力。地面108’的预期压实特征可为预定的，或在机器操作期间在预选时间之后确定。例如，如果在校准时段期间(例如，行驶100m的距离、稳定行驶超过最低地面速度持续诸如5分钟的时段，或表示稳定操作的另一量度)将特定现场的平均压实深度D确定为特定值X，+/-dX，则超出预期范围的压实可能表示地面状况欠佳。
在机器300中，与机器100一样，传感器200分布在机器周围和下方，并且体现为三维(3D)传感器，例如LiDAR(光探测和测距)传感器、立体相机等，其配置和操作成获取传感器所指向区域的三维数据。控制器302可以基于传感器200在机器框架104上的已知关系或位置以及框架相对于表面108’的位置来计算、内插或以其它方式确定机器(例如，框架304)相对于地面108的地点或位置。换句话说，控制器302可连续地监测压实深度D以确定地面状况在机器操作期间是否改变。此操作既可用于确定下沉状况，也可用于确定在工作区域或现场的部分上的机器操作的质量。
图4中示出了操作自主机器的方法的流程图。根据该方法，机器在402处操作以横穿区域。这种操作可以自主地执行，意味着机器中不能有操作员物理存在或在机器处本地操作其控制。在404处，当机器横穿区域时，一个或多个传感器可以操作以获取数据，该数据指示在机器已行进，当前正在横穿和/或将要横穿的区域周围的周围地面的轮廓。可体现为诸如LiDAR的3D传感器、立体相机、声波传感器等的由传感器采集的数据在406处提供至控制器，控制器在408处将地面的估计形状缝合在一起以产生推定的地面。推定的地面可以是平坦的，也可以是轮廓的，并且可以限制在机器框架正下方的区域，或备选地可以沿一个或多个方向从机器进一步向外延伸，从而在控制器内在410处建立机器框架与地面之间的高度差。
在412处，控制器可以在机器操作时连续地监测高度差，以确定所建立的高度差何时变化超过可接受阈值。当机器在地面和机器的框架之间的可接受的地面间隙下沿着区域行驶时，控制器继续监测，并且过程在410处重复。在操作期间，当机器的框架与地面之间的高度差减小到超过可接受的极限时，控制器将其理解为指示该轮或机器的其它地面接合部件可能下沉到地面中，则控制器在414提供下沉状况指示，并可在416处实施缓解措施。
缓解措施的实例包括机器的降档和/或降低机器的速度，以向轮或其它地面接合构件提供额外扭矩，限制机器的转动半径，以避免用轮钻入地面等。控制器可进一步标记区域并将此信息传输到中央控制件，使得可以在随后的通过中避开该区域，并且/或者警告在同一区域内工作的其它机器有关该机器遇到的不同地面状况。可使用机器上的GPS或GNSS传感器确定不良地面状况的位置，并且可在车队管理系统中进一步记录或报告给现场经理。
工业适用性
本公开涉及表面加工机，如冷刨机、土壤回收机、刮板机、压实机、平地机、翻土机等。本文中示出和描述的示例性机器实施例可以在地面上行进，或者可以改变地面作为其操作的一部分。尽管这些示例性实施例示出了本公开的各个方面，但是应当理解，包括穿透机器设置在其上的地面的地面穿透工具和在机器沿表面行进时覆盖工作区域以产生工作表面的条带的任何其它机器类型或构造都适用于并且可受益于本文所述的各种系统和方法。
应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可设想，本公开的其它实施方式可在细节上与前述示例不同。对本公开或其示例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定示例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。
除非本文另有指示，否则本文对值范围的叙述仅仅旨在用作分别提及落入所述范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值并入到说明书中，如同在本文中分别叙述一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。
因此，如适用法律所允许的，本公开包括所附权利要求书中叙述的主题的所有修改和等效内容。另外，除非在本文中另有指示或者与上下文明显矛盾，本公开涵盖上述元件以所有可能变型的任何组合。

Claims (11)

1.一种道路施工机器，包括：
框架；
与所述框架相关联的多个地面接合构件，所述多个地面接合构件构造成沿着地面移动所述道路施工机器；
附接到所述框架的多个地面传感器，所述多个地面传感器提供地面信息，所述地面信息指示在多个位置处所述框架和所述地面之间的间隙；以及
与所述框架相关联的电子控制器，所述电子控制器编程和配置为：
从所述多个地面传感器接收所述地面信息，该地面信息为延伸到所述框架下方或直接围绕所述框架的区域的地面的信息；
估计所述地面相对于所述道路施工机器的框架的基线位置，所述基线位置包括下沉到所述地面的地面接合构件的可接受深度公差；
在多个位置处建立所述地面的所述基线位置和所述道路施工机器的框架之间的高度差；
在所述道路施工机器的操作期间连续地监测所述高度差；以及
当所述高度差减小到低于所述可接受深度公差时，提供下沉状况指示，当所述道路施工机器的所述框架和所述地面的距离在所述框架的多于一个位置处小于所述可接受深度公差时，展示所述下沉状况指示。
2.根据权利要求1所述的道路施工机器，其中所述多个地面传感器中的每一个在相应位置处将包含所述地面信息的相应地面信号提供到所述电子控制器。
3.根据权利要求2所述的道路施工机器，其中所述电子控制器进一步配置成基于由所述多个地面传感器提供给所述电子控制器的所述地面信息，编译在所述道路施工机器下方和周围延伸的区域的表面轮廓，以建立所述道路施工机器的行驶高度。
4.根据权利要求1所述的道路施工机器，其中所述地面传感器是三维(3D)传感器。
5.根据权利要求4所述的道路施工机器，其中所述地面传感器是LiDAR(光探测和测距)传感器和立体相机中的一个。
6.根据权利要求1所述的道路施工机器，其中在提供所述下沉状况指示之后，所述电子控制器进一步配置成调整所述道路施工机器的控制参数。
7.根据权利要求6所述的道路施工机器，其中在所述下沉状况指示的存在下调整所述道路施工机器的控制参数包括以下中的至少一个：
命令所述道路施工机器降挡；
降低所述道路施工机器的速度，以及
限制所述道路施工机器的转弯半径。
8.根据权利要求1所述的道路施工机器，其中作业机具操作成在操作期间将所述地面的形状改变成压实地面，其中所述电子控制器进一步编程和配置为：
从所述多个地面传感器接收所述地面和压实地面信息，所述地面和压实地面信息为延伸到所述框架下方或直接围绕所述框架的地面的信息，其中所述多个地面传感器中的一个布置在所述框架上以用于测量所述框架下方的所述压实地面，并且其中所述多个地面传感器中的另一个布置在所述道路施工机器的侧面上以用于测量围绕所述道路施工机器的所述地面；
估计所述地面和所述压实地面相对于所述道路施工机器的框架的基线位置，以计算所述道路施工机器相对于所述压实地面的行驶高度；
建立所述地面的位置和所述道路施工机器的框架之间的第一高度差，所述第一高度差包括地面接合构件相对于所述地面的所述基线位置的可接受高度公差；
建立所述压实地面的位置与所述道路施工机器的框架之间的第二高度差，所述第二高度差包括所述地面接合构件相对于所述压实地面的所述基线的可接受高度公差；
在所述道路施工机器的操作期间连续地监测所述第一高度差和所述第二高度差；以及
当所述第一高度差减小到低于第一可接受阈值时，提供所述下沉状况指示；以及
当所述第二高度差减小到低于第二可接受阈值时，提供地面状况警告。
9.根据权利要求8所述的道路施工机器，其中在提供所述下沉状况指示或地面状况警告之后，所述电子控制器进一步配置成调整所述道路施工机器的控制参数。
10.根据权利要求9所述的道路施工机器，其中在所述下沉状况指示或所述地面状况警告的存在下调整所述道路施工机器的控制参数包括以下中的至少一个：
命令所述道路施工机器降挡；
降低所述道路施工机器的速度，
停止所述作业机具的操作，
使所述道路施工机器倒退，以及
限制所述道路施工机器的转弯半径。
11.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的道路施工机器的方法，所述方法包括：
操作所述道路施工机器以自主地横穿区域；
操作与所述道路施工机器相关联的一个或多个传感器以获取指示位于所述道路施工机器机器的框架下方的表面的轮廓的数据；
将所获取的数据提供至所述控制器；
使用所述控制器基于所获取的数据和所述道路施工机器的下沉到所述地面中的地面接合构件的可接受高度公差来创建基线地面，所述基线地面建立所述道路施工机器的在所述道路施工机器的下方或围绕所述道路施工机器的相对于所述地面的基线行驶高度；
使用所述控制器建立所述道路施工机器的下方的地面轮廓和所述基线行驶高度；
在所述道路施工机器横穿所述区域时连续地监测所述高度差；以及
当确定所述高度差减小到低于阈值时，在所述控制器中提供所述下沉状况指示；
基于所述高度差将超过一个严重性分配给所述下沉状况指示，所述严重性指示浅下沉状况或极端下沉状况。
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