CN115343701A - 针对地面压实作业机器对地面特征的实时表面扫描和估计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及针对地面压实作业机器对地面特征的实时表面扫描和估计。提供了用于动态表征要使用作业机器的作业机具进行作业的区域的系统和方法。经由作业机器外部或机载的第一传感器沿前进方向收集第一实时数据(例如，表面扫描数据)，并且经由第二机载传感器收集作业区域的至少被穿越部分的第二实时数据(例如，表面扫描数据)。至少基于与给定表面相对应的第一数据和第二数据来确定作业区域中的地面物料的特征值，并且基于所述特征值中的至少一个特征值，来生成至少与所确定的实现作业区域的目标值所需的物料量相对应的输出。尤其，可以将基于实时数据的某些特征值用于估计作业区域仍需要多少货车载荷。

Description

针对地面压实作业机器对地面特征的实时表面扫描和估计
技术领域
本公开总体上涉及作业机器，举例来说如自推进式作业机器，该作业机器包括被安装在其上以用于对地形进行作业的机具(implement)。更特别地，本公开涉及向这种作业机器提供用于动态地生成关于工地的至少部分的表面特征的实时估计的表面扫描能力的系统和方法。
背景技术
许多建筑工程需要大量的土方工程以确保给定工程的适当承载能力、海拔(elevation)、造型以及其它特征。用于工程的给定场地的土方工程可能涉及输入和/或重新分布填料。通常使用运输车辆(举例来说，如铰接式自卸车(ADT))来将填料递送至工程场地。输入的填料可以使用自推进式作业机器(诸如推土机、平地机、拖拉机等)在场地四周重新分布。然后，经重新分布的填料可以使用更多的压实机(诸如滚压机等)来进行压实。
在开始土方工程之前，通常执行估计以确定给定工程所需的输入填料量。可以执行测量以确定所需的填料量，通常是以立方码测得的。当估计器把实体立方码数(bankcubic yardage，BCY)、松散立方码数(loose cubic yardage，LCY)、给定填料的膨胀系数以及给定填料的压实系数计算在内来确定给定填料的预期压实立方码数时，会出现复杂性。实体立方码或BCY是在将一立方码的土或岩石(例如，填料)从地面移除并运输至工程场地之前，在该一立方码的土或岩石(例如，填料)的自然状态下对其进行计算或测量。松散立方码或LCY是在挖掘之后对填料的测量结果。例如，当从地面挖掘填料时，该填料不再是压实的并且随着空气和/或水的添加而进一步膨胀。这意味着从地面移除的一实体立方码的填料将几乎总是达到多于一松散立方码的相同填料。膨胀系数是当挖掘填料(例如，BCY)时该填料的体积增加的百分比(例如，从BCY到LCY的体积变化)。填料的膨胀也可称为松软(fluff)。
一旦松散填料被运输至工程场地，就例如使用推土机等将其重新分布在该场地四周。压实系数可以包括轻压实系数(例如，在使用滚压机或等效的压实机之前)和重压实系数(例如，在使用滚压机或等效的压实机之后)。压实系数无论重或轻都是填料(例如，LCY)在其被压实时体积减小的百分比(例如，从LCY到压实立方码(CCY)的体积变化)。压实系数(比如膨胀系数)通常取决于填料的类型。
估计器可以基于填料的类型来外推近似压实系数，但是这些估计通常是不准确的。另选地，可以执行预扫描(before-scan)或测量，可以估计被移动至场地的填料(例如，LCY)的体积，然后可以执行填料的重新分布，接着可以执行后扫描(after-scan)或测量，以更准确地估计轻压实系数(例如，在使用压实机之前)。另外，在执行后扫描或测量之前，可以使用一个或更多个压实机对经重新分布的填料进行重压实，以便更准确地估计重压实系数。
估计器还可以利用所估计的轻压实系数和重压实系数，来估计为完成给定场地的土方工程所需的填料的总卡车载荷数。沿着这些路线，估计器还可以估计需要挖掘的总实体立方码数，以便提供给定工程的足够填料量。
所估计的压实系数和事后计算的轻压实系数和重压实系数都不提供实时数据或用于动态更新估计的合理等同物，以使得例如填料的剩余卡车载荷数必须完成给定场地的土方工程，或者剩余实体立方码数需要被挖掘和运输以完成给定场地的土方工程。
发明内容
本公开至少部分地通过引入新颖的系统和方法来提供对常规系统的增强，该新颖的系统和方法包括使用被安装在诸如推土机或滚压机的作业机器上的设备(例如，立体摄像机、雷达、LiDAR、以及其它光学传感器)来对工地表面进行实时扫描。
根据本公开的示例性系统和方法可以生成与诸如实体码数、膨胀系数、压缩系数等的特征的任何估计相对应的输出，但是与常规工具相反，基本上是实时生成的。表面扫描和关联的数据处理的实时方面还使得能够估计与堆场密度相关的压实，或者在由作业机器压实地面时直接和立即比较轻压实特征与重压实特征，并且将这种估计用于进一步的有用步骤。
例如，根据本公开的系统和方法可以利用如上所述的估计，来预测诸如与给定挖掘机相关联的所需的物料量/运输车辆循环或载荷数，以满足各种基准点中的任一基准点。
在一个实施方式中，本文公开了一种用于动态表征要使用作业机器的至少一个作业机具进行作业的区域的方法。可以经由可以处于作业机器外部或者作业机器机载的至少第一传感器，来收集作业区域相对于该作业机器的至少前方部分(forward portion)的第一数据。还可以经由作业机器机载的至少第二传感器来收集作业区域的至少被穿越部分的第二数据。可以基于指定表面区域部分的第一数据以及同一指定表面区域的对应第二数据，来确定作业区域中的地面物料(ground material)的一个或更多个特征值。可以基于所述一个或更多个特征值中的至少一个特征值，来生成至少与实现作业区域的目标值所需的所确定的物料量相对应的输出。
在根据上面参考的实施方式的一个示例性方面，第一数据可以经由作业机器机载的所述至少第一传感器进行表面扫描来收集，并且第二数据包括经由作为作业机器机载的第二传感器的全局位置传感器收集的位置数据，其中，位置数据对应于作业机器的与作业区域的被穿越部分相对应的一部分的当前海拔，并且作业区域中的地面物料的所述一个或更多个特征值还基于作业机器的所述部分的当前海拔相对于作业区域的所述至少前方部分的海拔来确定。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，第一数据可以经由作业机器机载的所述至少第一传感器进行表面扫描来收集，并且第二数据可以经由作业机器机载的所述至少第二传感器进行表面扫描来收集。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，位置数据还可以经由作业机器机载的至少第三传感器来收集。相对于作业区域的所述至少前方部分的海拔确定作业机器的当前海拔，其中，作业区域的地面物料的所述一个或更多个特征值还基于作业机器的当前海拔相对于作业区域的所述至少前方部分的海拔来确定。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，还提供了基于所述一个或更多个特征值中的至少一个特征值，来估计为了实现作业区域的目标值而在作业区域的所述至少前方部分以及作业区域的所述至少被穿越部分中所需的物料体积。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，作业区域的至少前方部分的第一数据可以包括：在作业区域的所述至少前方部分中卸载松散填料之前收集的表面扫描数据；以及在作业区域的所述至少前方部分中卸载松散填料之后收集的表面扫描数据。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，可以估计松散填料的压实体积，以及还在在作业机器穿越包括松散填料的区域时基于第二表面扫描数据更新所述一个或更多个特征值中的至少一个特征值。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，被估计为为了实现作业区域的目标值(例如，预定表面轮廓)而在作业区域的所述至少前方部分以及作业区域的所述至少被穿越部分中所需的物料体积可以基于所述一个或更多个特征值中的更新后的至少一个特征值。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，可以估计每运输车辆载荷添加至作业区域的物料体积；以及可以相应地预测实现作业区域的目标值所需的运输车辆载荷数。可以至少部分地基于来自相应运输车辆的载荷称重或测量单元的输入信号，来估计每运输车辆载荷添加至作业区域的物料体积。作为另一示例，可以至少部分地基于相应运输车辆的估计物料运回(carryback)，来估计每运输车辆载荷添加至作业区域的物料体积，其中，至少使用运输车辆的装载容器的扫描图像来估计物料运回。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，可以访问包括与待作业区域的至少一部分相对应的三维数据的地图。可以至少部分地基于每运输车辆载荷添加至作业区域的估计物料体积以及实现作业区域的目标值时所需的预测运输车辆载荷数，来预测待作业区域的所述至少一部分中的一个或更多个期望卸载位置(discharge location)。还可以针对至少一个运输车辆生成与所预测的一个或更多个期望卸载位置相对应的输出信号。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，对于所述至少一个运输车辆中的各个运输车辆，可以生成运输车辆的在该运输车辆的所检测到的当前位置与所预测的一个或更多个期望卸载位置之间的路线，其中，针对相应运输车辆的所生成的输出信号对应于为该运输车辆生成的路径。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，可以至少部分地基于所接收到的用户输入和/或基于所检测到的有效载荷重量，来生成相应运输车辆的路线，接收到的用户输入包括关于所预测的一个或更多个期望卸载位置的至少一个优先级指示符。
在根据上面参考的实施方式的另一示例性方面，第一传感器和第二传感器包括以下项中的一个或更多个：图像数据源；光学数据源；以及雷达传感器。
在本文所公开的另一实施方式中，提供了一种用于动态表征要使用作业机器的至少一个作业机具进行作业的区域的系统，该系统可以包括：作业机器机载的至少第一传感器，并且所述至少第一传感器被配置成收集作业区域的至少前方部分的第一表面扫描数据；作业机器机载的至少第二传感器，并且所述至少第二传感器被配置成收集作业区域的至少被穿越部分的第二表面扫描数据；以及控制器，该控制器在功能上链接至所述至少第一传感器和所述至少第二传感器。该控制器可以被配置成指导根据上面参考的方法实施方式以及可选地根据上面参考的方法实施方式的示例性方面中的任一个或更多个示例性方面的操作的执行。
上面参考的实施方式的控制器通常可以与作业机器本身相关联。在其它实施方式中，该控制器可以相对于作业机器是远程的并且采取移动计算装置的形式。
通过结合附图阅读下面的公开，本文所阐述的实施方式的许多目的、特征以及优点对于本领域技术人员将容易显而易见。
附图说明
图1是履带式作业机器的立体图，该履带式作业机器并入有如本文所公开的自推进式作业机器和方法的实施方式。
图2是表示根据本文所公开的系统的实施方式的作业机器的示例性控制系统的框图。
图3是表示具有压实和松散物料部分的工地以及需要额外填充的目标轮廓的图解图。
图4是表示本文所公开的方法的示例性实施方式的流程图。
图5是表示本文所公开的方法的示例性实施方式的流程图。
图6是表示根据本文所公开的方法的示例性实施方式的补充可选特征的流程图。
具体实施方式
图1是作业机器100的立体图。在所例示的实施方式中，作业机器100是履带式推土机，但也可以是具有地面接合铲或其它作业机具142的任何作业机器，诸如小型履带式装载机、机动平地机、铲运机、滑移装载机、反铲以及拖拉机，等等。作业机器可以被操作成接合地面并对物料进行平整、切割和/或移动，以在地面上实现简单或复杂的特征。在操作时，作业机器可以经历沿三个方向的移动以及沿三个方向的旋转。作业机器的方向也可以参照纵向102、横向或侧向106、以及竖直方向110。作业机器100的旋转可以被称为翻滚104或翻滚方向、俯仰108或俯仰方向、以及偏航112或偏航方向或航向。
驾驶室136可以位于底盘140上。驾驶室136和作业机具142均可以被安装在底盘140上，以使至少在某些实施方式中，驾驶室136面向作业机具142的作业方向，举例来说，如在机具被正面安装的情况下。包括用户界面214的控制台(图1未示出)可以位于驾驶室136中。如本文所使用的，关于作业机器100的方向可以从坐在驾驶室136内的操作员的角度来参考；作业机器的左侧就是此操作员的左侧，作业机器的右侧就是此操作员的右侧，作业机器100的前部或前面就是此操作员面向的方向，作业机器的后面或后部就是此操作员的后方，作业机器的顶部就是此操作员的上方，以及作业机器的底部就是此操作员的下方。
如本文所使用的术语“用户界面”214可以广泛地采取显示单元218和/或来自系统的其它输出的形式，诸如指示灯、可听警告等。用户界面还可以或者另选地包括用于操作作业机器100(包括发动机、液压缸等的操作)的各种控件或用户输入(例如，方向盘、操纵杆、控制杆、按钮)。可以将这种机载用户界面例如经由CAN总线布置或者其它等同形式的电和/或机电信号传输联接至车辆控制系统。另一形式的用户界面(未示出)可以采取在远程(即，非机载)计算装置上生成的显示单元(未示出)的形式，该显示单元可以显示诸如状态指示的输出和/或以其它方式使得能够实现诸如向系统提供输入的用户交互。在远程用户界面的背景下，例如车辆控制系统与用户界面之间的数据传输可以采取本领域中常规上已知的无线通信系统和关联的组件的形式。
所例示的作业机器100还包括控制系统，该控制系统包括控制器212(下面参照图3进一步描述)。控制器212可以是作业机器的机器控制系统的部分，或者它可以是单独的控制模块。因此，控制器212可以生成用于控制遍及作业机器100的各种致动器的操作的控制信号，这些致动器例如可以是液压马达、液压活塞-缸单元、电致动器等。来自控制器的电子控制信号例如可以由与相应致动器相关联的电动液压控制阀来接收，其中，电动液压控制阀响应于来自控制器的控制信号，来控制去往和来自相应的液压致动器的液压流体的流动，以控制该液压致动器的致动。
控制器212可以包括或者在功能上链接至用户界面214，并且可选地在驾驶室136中被安装在控制面板处。
控制器212被配置成从与作业机器100相关联的各种传感器144、149中的一些或全部传感器接收输入信号，这些传感器例如可以包括被固定至底盘140的一组一个或更多个传感器144和/或被固定至作业机器100的作业机具142的一组一个或更多个传感器144并且被配置成提供表示底盘或铲的倾斜度(斜度)的信号。在另选实施方式中，这样的传感器可以不直接固定至底盘，而是可以通过中间组件或结构(诸如橡胶化的安装件)连接至底盘140。这样的传感器144可以被配置成至少提供指示底盘140相对于重力方向的倾斜度的信号，或者提供指示底盘的其它位置或速度的一个或多个信号，包括其在诸如翻滚方向104、俯仰方向108、偏航方向112的方向上的角位置、速度或加速度，或其在纵向方向102、横向方向106和/或竖直方向110上的线性加速度。传感器144可以被配置成直接测量倾斜度，或者例如测量角速度并进行积分以达到倾斜度，并且通常可以例如包括惯性测量单元(IMU)，该惯性测量单元被安装在底盘140上并且被配置成至少提供底盘倾斜度(斜度)信号或者与底盘140的范围相对应的信号，作为针对控制器212的输入。这样的IMU例如可以采用三轴陀螺仪单元的形式，该三轴陀螺仪单元被配置成检测传感器的取向的变化，并由此相对于初始取向来检测其被固定至的底盘140的取向的变化。
在其它实施方式中，传感器可以包括相对于底盘140和/或铲定位单元固定的多个GPS位置传感器232，该GPS位置传感器可以检测作业机器100在外部参考系内的绝对位置和取向，并且可以检测这种位置和取向的变化。
作业机器100是由底架114支承在地面上的。底架114包括地面接合单元116、118，在本示例中，该地面接合单元是由左履带116和右履带118形成的，但在某些实施方式中，地面接合单元可以由包括轮式地面接合单元的另选布置来形成，并且为作业机器100提供牵引力。各个履带皆可以包括具有沉入地面以增加牵引力的履带齿片的履带片(shoe)，以及允许履带绕前惰轮120、履带支重轮122、后链轮124以及顶惰轮126旋转的互连组件。这种互连组件可以包括：连杆、销、衬套以及导向件等等。在作业机器100的左右两侧上的前惰轮120、履带支重轮122以及后链轮124为作业机器100在地面上提供支承。前惰轮120、履带支重轮122、后链轮124以及顶惰轮126全部被枢转地连接至作业机器100的其余部分，并且被旋转地联接至它们相应的履带，以便与这些履带一起旋转。履带框架128向这些组件和底架114的其余部分提供结构支承或强度。在另选实施方式中，地面接合单元116、118例如可以包括位于作业机器的左侧和右侧上的车轮。
前惰轮120位于左履带116和右履带118的纵向前部，并且提供用于履带绕其旋转的旋转表面以及在作业机器100与地面之间传递力的支承点。当左履带116和右履带118平行于地面在其竖直下部和竖直上部之间过渡时，它们绕前惰轮120旋转，因此前惰轮120中的各个前惰轮的外径的大约一半与相应的左履带116或右履带118接合。这种接合可以通过链轮和销布置，其中，被包括在左履带116和右履带118中的销由前惰轮120中的凹部接合，以便传递力。这种接合还导致左履带116和右履带118的竖直高度仅稍大于履带的纵向前部处的前惰轮120中的各个惰轮的外径。履带116、118的前接合点130可以被近似为各个履带上的处于前惰轮120的中心的竖直下方的点，该前接合点是履带的接合地面的前方点。
履带支重轮122是沿着作业机器100的左下侧和右下侧纵向地定位在前惰轮120与后链轮124之间的。履带支重轮122中的各个履带支重轮皆可以通过履带的上表面与履带支重轮122的下表面之间的接合而旋转地联接至左履带116或右履带118。这种构造可以允许履带支重轮122向作业机器100提供支承，并且特别地可以允许在作业机器与地面之间沿竖直方向传递力。当左履带116和右履带118穿过纵向长度小于前惰轮120与后链轮124之间的距离的向上地面特征时，该构造还抵抗左履带116和右履带118的向上偏转。
可以将后链轮124定位在左履带116和右履带118中的各个履带的纵向后部处，并且类似于前惰轮120，提供用于履带绕其旋转的旋转表面以及在作业机器100与地面之间传递力的支承点。当左履带116和右履带118平行于地面在其竖直下部和竖直上部之间过渡时，它们绕后链轮旋转，因此后链轮124中的各个后链轮的外径的大约一半与相应的左履带116或右履带118接合。这种接合可以通过链轮和销布置，其中，被包括在左履带和右履带中的销由后链轮124中的凹部接合，以传递力。这种接合还导致履带的竖直高度仅稍大于后链轮124中的各个后链轮在相应履带的纵向后端或后部处的外径。履带的最后侧接合点132可以被近似为各个履带上的处于后链轮的中心的竖直下方的点，该最后侧接合点是履带的接合地面的最后侧点。在该实施方式中，后链轮124中的各个后链轮皆可以由经旋转联接的液压马达来提供动力，以驱动左履带116和右履带118，从而控制作业机器100的推进和牵引。左液压马达和右液压马达中的各个液压马达皆可以接收来自静液压泵的加压液压流体，该静液压泵的流动方向和排量控制左液压马达和右液压马达的旋转方向和转速。各个静液压泵可以由作业机器的发动机134(或等同动力源)来驱动，并且可以由驾驶室136中的操作员进行控制，该驾驶室136发出可以由控制器212接收并传送至左静液压泵和右静液压泵的指令。在另选实施方式中，所述后链轮中的各个后链轮皆可以由经旋转联接的电动机或者传输来自发动机的动力的机械系统来驱动。
顶惰轮126是在履带支重轮122上方沿着作业机器100的左侧和右侧纵向地定位在前惰轮120与后链轮124之间的。类似于履带支重轮，所述顶惰轮中的各个顶惰轮皆可以通过履带的下表面与顶惰轮的上表面之间的接合而旋转地联接至左履带116或右履带118。这种构造可以允许顶惰轮支承用于前惰轮与后链轮之间的纵向跨度的履带，并且防止履带的平行于前惰轮与后链轮之间的地面的上部发生向下偏转。
将底架114固定至作业机器100的底盘140并且为作业机器的底盘提供支承和牵引力。底盘是向作业机器提供结构支承和刚度的框架，从而允许在作业机具142(例如，铲)与左履带116和右履带118之间传递力。在该实施方式中，底盘是由多个成形并连接的钢构件构成的焊接件，但是在另选实施方式中，底盘可以由任何数量的不同材料或构造来构成。
本示例的铲是作业机具142，其可以接合地面或物料，例如将物料从一个位置移动至另一位置，以及在地面上形成特征，包括平坦区域、斜坡、山丘、道路、或者更复杂形状的特征。在该实施方式中，作业机器100的铲可以被称为六向铲、六向可调节铲、或动力角度倾斜(power-angle-tilt，PAT)铲。铲可以经液压致动以竖直向上或向下移动(“升降”)、向左或向右翻滚(“倾斜”)、以及向左或向右偏航(“角度”)。另选实施方式可以利用具有较少液压控制自由度的铲(诸如四向铲)，其可以不在偏航112的方向上成角度或被致动。
作业机具142是通过连杆装置146可移动地连接至作业机器100的底盘140的，该连杆装置支承并致动铲，并且该连杆装置被配置成允许铲相对于底盘进行升降(即，沿竖直方向110升起或降下)。该连杆装置146包括C形框架148，这是位于作业机具142后方的具有C形的结构构件，其中C形朝着作业机器100的后部开口。作业机具142可以通过升降缸150的致动而相对于作业机器100升降(即，升起或降下)，该升降缸可以升起和降下C形框架148。作业机具142可以通过倾斜缸152的致动而相对于作业机器100倾斜，这也可以被称为沿翻滚104的方向移动铲。作业机具142可以通过角度缸154的致动而相对于作业机器100成角度，这也可以被称为沿偏航112的方向移动作业机具142。升降缸150、倾斜缸152以及角度缸154中的各个缸皆可以是双作用液压缸。
如图2示意性地例示的，在本文所公开的实施方式中的作业机器100包括控制系统，该控制系统包括控制器212。控制器212可以是作业机器100的机器控制系统的部分，或者它可以是单独的控制模块。
如上面引用的，控制器212被配置成从表面扫描系统204接收输入信号，该表面扫描系统在一个示例中可以包括立体摄像机并且共同限定成像系统。在另选例中或者另外地，成像系统可以包括红外摄像机、视频摄像机、立体摄像机、PMD摄像机等中的一个或更多个摄像机。本领域技术人员可以意识到，本公开的范围内的表面扫描系统204可以包括高分辨率光检测和测距(激光雷达)扫描仪、雷达检测器、激光扫描仪等。表面扫描系统204中的所述扫描仪的数量和取向可以根据作业机器100的类型和相关应用而改变，但是至少可以相对于作业机器100的前方和/或后方的区域来提供，并且相应地被配置成捕获与作业机器100附近的相关环境相关联的数据。
虽然附图大体上例示了在被配置成执行表面扫描的机载传感器的背景下的数据收集，但是可以理解，除非另外具体声明，否则作业机器100外部的附加传感器可以在功能上链接至控制器212并且处于表面扫描系统204的范围内。例如，在某些实施方式中，表面扫描可以由作为作业机器100的压实机之前的履带牵引装置来执行(使用视觉扫描装置或GPS辅助位置传感器)，然后将该表面扫描中继至作为作业机器100的压实机(从而生成其前进扫描)，或者可以使用被安装在例如无人驾驶飞行器(UAV或无人机)上的外部扫描装置来收集数据。
由作为表面扫描系统204中的数据源的相应摄像机记录的图像区域的位置和大小可以取决于摄像机和摄像机镜头系统的布置和取向，特别是摄像机镜头的焦距。本领域的技术人员还可以意识到，如果进行适当配置，则可以在给定图像数据源处分离地执行图像数据处理功能，但是通常还可以或者以其它方式包括由控制器或其它下游数据处理器进行的至少一些图像数据处理。例如，可以提供来自任一个或更多个表面扫描数据源的图像数据，以供使用本领域已知的图像数据处理工具结合所公开的目标来进行三维点云生成、图像分割、物体描绘以及分类等。
作业机器100的控制器100可以被配置成生成针对与显示单元218相关联的用户界面218的输出(如下面进一步描述的)，以供向人类操作员显示。控制器212可以被配置成接收来自用户界面214的输入，诸如经由用户界面214提供的用户输入。图2未具体地表示，作业机器100的控制器212在一些实施方式中还可以经由相应的用户界面(例如具有触摸屏界面的显示单元)从与用户相关联的远程装置接收输入以及生成针对该远程装置的输出。例如车辆控制系统与远程用户界面之间的数据传输可以采取本领域中常规上已知的无线通信系统和关联的组件的形式。在某些实施方式中，用于相应作业机器100的远程用户界面和车辆控制系统还可以与远程服务器或其它计算装置进行协调或者以其它方式进行交互，以用于在如本文所公开的系统中执行操作。
在各种实施方式中，控制器212可以作为图2的控制系统的一部分，并且还与上面参考的公开一致地被配置成生成用于控制相应致动器的操作的控制信号、或者用于经由与机械转向控制系统226、机械作业机具控制系统228和/或发动机速度控制系统230相关联的中间控制单元进行间接控制的信号。控制系统226、228、230可以是独立的或以其它方式集成在一起，或者以本领域已知的各种方式作为机器控制单元的部分。控制器212例如可以生成用于控制诸如液压马达或液压活塞-缸单元(未示出)的各种致动器的操作的控制信号，来自控制器212的电子控制信号实际上可以由与致动器相关联的电动液压控制阀接收，使得电动液压控制阀将响应于来自控制器212的控制信号，来控制去往和来自相应的液压致动器的液压流体的流动，以控制该液压致动器的致动。
还可以提供本领域中常规上已知的位置传感器232(举例来说，如全球定位系统(GPS)收发器等)，并将其以通信方式链接至控制器212。
控制器212包括处理器250、计算机可读介质252、通信单元254以及数据存储装置256(举例来说，如数据库网络)或者可以与其相关联。应理解，本文所描述的控制器212可以是具有所描述的功能中的一些功能或全部功能的单个控制器，或者它可以包括多个控制器，其中所描述的功能中的一些功能或全部被分布在所述多个控制器之间。
可以将结合控制器212描述的各种操作、步骤或算法直接以硬件具体实施、以诸如由处理器250执行的软件模块的计算机程序产品具体实施、或者以这两者的组合具体实施。计算机程序产品可以驻留于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘或者本领域已知的任何其它形式的计算机可读介质252中。可以将示例性计算机可读介质252联接至处理器250，使得处理器250可以从存储器/存储介质252读取信息以及向该存储器/存储介质写入信息。在该另选例中，介质252可以与处理器250成一体。处理器250和介质252可以驻留于专用集成电路(ASIC)中。ASIC可以驻留在用户终端中。在该另选例中，处理器250和介质252可以作为分立组件驻留于用户终端中。
如本文所使用的术语“处理器”250可以指本领域技术人员可以理解的至少通用或专用处理装置和/或逻辑，包括但不限于微处理器、微控制器、状态机等。还可以将处理器250实现为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或更多个微处理器结合DSP核心的组合、或者任何其它此类配置。
通信单元254可以支持或提供控制器212与外部通信单元、系统或装置之间的通信，和/或支持或提供关于作业机器100的内部组件的通信接口。通信单元可以包括无线通信系统组件(例如，经由蜂窝调制解调器、WiFi、蓝牙等)，和/或可以包括一个或更多个有线通信终端，诸如通用串行总线端口。
除非另有声明，否则如下面进一步描述的数据存储装置256通常可以涵盖硬件(诸如易失性或非易失性存储装置、驱动器、电子存储器以及光学或其它存储介质)，以及在某些实施方式中，驻留于该硬件上的一个或更多个数据库。
接下来，参照图4，可以紧接着描述本公开的示例性方法400。方法400至少包括步骤410：基于各种输入基本上实时地确定作业区域中的地面物料的特征值。
一组输入可以被提供为前方作业区域中的表面的第一数据402，或者以其它方式陈述为作业区域的前方部分。在各种实施方式中，第一数据可以经由前方作业区域的表面扫描来提供。如本文所使用的术语“前方作业区域”或等同物例如可以指作业区域的、当作业机器正在沿前进方向行进时通常处于该作业机器前方的至少一部分。如先前所提到的，扫描数据可以经由图像数据源(例如，立体摄像机)、光学传感器、雷达传感器等来提供。在作业区域的前方部分收集的第一扫描数据例如可以包括：在前方作业区域中卸载松散填料之前的表面扫描数据的收集，以及在前方作业区域中卸载松散填料之后的表面扫描数据的收集。
另一组输入可以被提供为被穿越作业区域中的表面的第二数据406，或者以其它方式陈述为作业区域的被穿越部分。在各种实施方式中，第二数据506可以经由被穿越作业区域的表面扫描来提供。如本文所使用的术语“被穿越作业区域”或等同物例如通常可以指作业区域的、当作业机器正在沿前进方向行进时通常处于该作业机器后方并且该作业机器已经穿越的至少一部分。提供第二扫描数据的传感器可以不同于提供第一扫描数据的传感器，或者它们可以包括一个或更多个重叠传感器。
可以提供另一组(或另选的)输入作为来自位置传感器(举例来说，如被安装或者以其它方式设置在作业机器100上的GPS收发器)的位置数据404。位置数据404例如可以与对应的第一表面扫描数据402一起来加以利用，以确定作业机器100相对于作业机器前面的表面的当前海拔，和/或可以与对应的第二表面扫描数据406一起来加以利用，以确定作业机器100相对于作业机器先前穿越的表面的当前海拔。
相对海拔(z)值可以在其它输入当中加以利用，以确定地面物料的特征值，作为对于例如作业机器已经穿越的特定表面的例如膨胀系数、压实比等的指示。
在作业机器100是滚筒式压实机或等同物的至少一个特定示例中，可以利用表面扫描传感器来生成表面扫描数据402，同时利用位置传感器来生成位置数据404，而无需单独表面扫描传感器或等同物来生成被穿越的作业区域的数据406。与高精度GPS信号和已知的作业机器主体运动一起的前进扫描可以足够用于确定后滚筒的表面高度(作为作业机器100接触地表面并因此等于被穿越的作业区域的海拔的最后一点)并因此足以确定压实比。
在各种实施方式中，可以将各种数据点设置为时序数据等，其中，例如，可以基于例如作业机器的地面速度来由系统直接比较和处理地表面的同一部分的第一扫描数据402和对应的第二扫描数据406，以匹配相应的数据。
在方法400的另一步骤420中，可以提供与为了实现作业区域中的一个或更多个目标而需要添加的物料量相对应的输出信号。参照图3所例示的作业区域的简化图，作业机器100可以穿越作业区域310的压实地表面，该压实地表面的一部分在疏松填料312之前，并且通常对应于期望的或目标表面轮廓314。当前地表面与目标表面轮廓314之间的体积差316需要进行填充，例如通过包括松散填料312的散布和压实的操作。在例示示例中，疏松填料312是在压实地表面310的与目标表面轮廓314相对应的所述部分与当前地表面的仍需要进行填充的一部分之间的斜坡(slope)24上卸载的，并且进一步与表面310的斜坡24的上边缘(lip)22重叠。通过在作业机器(例如，推土机、滚压机)穿越之前扫描相关区域、在穿越之后进一步扫描同一区域、以及针对给定区域的第二扫描基本上实时地进行计算，可以确定展开并且(至少轻微地)压实的表面的相关特征，并且将其用于重要的进一步估计。换句话说，在各种实施方式中，如本文所公开的系统能够测量如常规上已知的任何数量的表面特征(例如，实体码数、膨胀系数、压实系数)、以及根据该表面特征的任何数量的派生特征，但是当利用如本文所公开的多个表面扫描输入并且基于例如与预测扫描结果相对比的当前扫描结果来进一步动态地更新估计时，可以在穿越地面时基本上实时地进行计算。
在本文所公开的并且如图5所表示的示例性实施方式中，使得能够由上述方法400和系统配置来实现的另一方法500包括：估计为了实现作业区域的目标表面轮廓314所需的物料体积(步骤510)；以每载荷为基础来估计被运输至作业区域的物料体积(步骤540)；以及相应地预测为了实现目标表面轮廓314所需的运输车辆载荷数(步骤550)。例如，可以考虑到当前表面扫描(和/或来自工地的地形图的输入数据)并且进一步考虑到常规数学模型和假设来提供初始估计，但是这些估计的准确度可以随时间而提高，其中实时反馈包括在地表面被作业机器穿越之前的地表面与之后的同一地表面的比较。
在实施方式中，可以在没有来自运输车辆的任何反馈的情况下，来估计随着各个载荷运输的物料的估计体积。例如，在多次迭代之后，进一步考虑到所运输的载荷数，可以用数学方法确定所需物料的初始估计体积与所需物料的当前估计体积相差多少。
然而，在其它实施方式中，随着各个载荷运输的物料的估计体积可以进一步考虑来自运输车辆本身的输入，举例来说，如经由本领域已知的有效载荷称重或测量单元。直接基于来自有效载荷称重或测量单元(520)的输入的体积估计自身可能缺乏高准确度，例如假定物料在被运输时关于该物料的状态/密度的不确定性，但是在各种实施方式中，可能有用地在其它输入当中实现或者作为其它输入的确认。作为另一示例，可以提供在物料卸载之后来自有效载荷称重或测量单元的输入，以用于作为总体积估计的部分的运回估计(530)，换句话说，使得在卸载之后装载容器中的剩余物料量在体积估计中被加以考虑。与完全空的装载容器的已知轮廓相比，可以进一步或者在另选例中基于装载容器的扫描来估计物料运回。
接下来，参照图6，如本文所公开的实施方式还可以包括方法600中的步骤，以可选地使得能够预测和/或选择作业区域内的期望物料卸载位置。
这种实施方式可以在检测到特定运输车辆从装载阶段到卸载(倾卸)阶段的过渡时被发起(步骤620)。例如基于从有效载荷称重单元520获得的值，进一步考虑到车速输入，可以确定运输车辆在工地中处于从装载区域到预期卸载(倾卸)区域的运动中。
在第二步骤630中，作业机器100(举例来说，如履带式推土机)可以包括第一用户界面214，该第一用户界面被配置成选择性地访问包括与待作业工地的至少一部分相对应的三维数据的地图。在一个实施方式中，为了实现作业区域的目标值所需的预测运输车辆载荷数(如先前公开的)可以连同与地图相关联的预定作业计划一起实现，以预测运输车辆的目标卸载位置。目标卸载位置的样本组可以由系统自动预测，并且经由机载显示单元218呈现给用户以进行选择性修改，该机载显示单元218包括对应于工地图的可视信息，以及提供诸如触摸屏输入的界面工具，以便操作员选择工地图上的一个或更多个区域作为目标卸载位置30，其中优选为由运输车辆10来卸载。在某些实施方式中，用户界面214可以启用另一些输入，举例来说，如相对于所述一个或更多个选定区域中的各个选定区域来改变优先等级(例如，最接近、最低)。在其它实施方式中，目标卸载位置的自动预测可以被省略或者以其它方式禁用，其中，目标卸载位置的选择在实现中是完全手动的。
用户界面214可以被配置成显示与来自被安装在作业机器100上的图像数据源204的实时输入相关联并且与作业机器的周围环境相对应的第一图像层；以及还显示与来自所访问的地图的输入相关联的第二图像层，其中，第二图像层包括相对于第一图像层并且与关于工地的三维信息相对应的重叠或叠加的可视要素。在实施方式中，第二图像层(或第三图像层)还可以包括与用户输入相对应的可视要素(例如，松软部分，breadcrumb)，该用户输入对应于在所显示的周围环境和三维信息的背景下的选定目标卸载位置。
在实施方式中，用于接收与优选卸载位置相对应的用户输入的用户界面214不需要安装在作业机器100上，而是可以被设置在移动计算装置等上，而无论是与作业机器100的操作员相关联还是与和工地相关联的另一经授权用户相关联。
在接收到用户输入时，系统和方法600在一些实施方式中可以通过相对于斜坡的边缘修改选定卸载位置来继续(即，步骤640)。例如，针对与斜坡的所述边缘相对的一个位置的操作员选择可以通过该系统基于由运输车辆运载至场地的物料载荷20的估计尺寸、物料类型、所检测到的斜坡的严重性等来进行自动校正。一般而言，在该系统内可能期望并且相应地预定的是，物料堆的边缘在卸载时与斜坡24的边缘22重叠达指定最小距离。
利用从用户界面214接收到的或者以其它方式从与目标卸载位置相关联的用户输入导出的足够信息，方法600可以在步骤650中继续：将包括与目标卸载位置相对应的数据的输出信号发送至运输车辆。例如，多个运输车辆中的各个运输车辆皆可以被指派预测和/或选定目标卸载位置中的一个或更多个目标卸载位置，其中，生成到相应的运输车辆的对应输出信号。
在实施方式中，如本文所公开的智能地图绘制系统可以包括与作业机器100上以及某些运输车辆上的相应用户界面相关联的公共地图绘制界面，其中，由作业机器100的操作员相对于目标卸载位置作出的选择被基本上实时地处理和传输，以供在运输车辆的用户界面上可视地实现。
在其它实施方式中，所述运输车辆中的某些运输车辆可以设置有与工地相关联的地图绘制或其它视觉系统，该地图绘制或其它视觉系统独立于作业机器100的地图绘制系统，在该情况下，来自作业机器100的用户输入可以由本文所公开的系统从与作业机器相关的坐标系(即，当经由用户界面提供用户输入时，与操作员的视角相关联)转换成独立于作业机器的坐标系，然后根据需要进一步由该系统转换成与运输车辆相关的另一坐标系(即，与运输车辆的驾驶员经由相关联的显示单元的视角相关联，或者以其它方式用于路线指令的说明)。
在步骤660中，可以向运输车辆的驾驶员提供与由系统生成的路线相对应的数据，包括采用例如经由运输车辆的相应工地地图绘制单元或者经由车辆的公共(“智能”)地图绘制系统共同显示的指令的形式的位置瞄准输出。优选地，可以确定该路线以考虑目标卸载位置和/或目标停止位置与运输车辆的当前位置之间的任何居间地形和关联的物体。
作为生成运输车辆的地图和路线的先决条件，该系统可能首先需要例如使用GPS数据和机器到机器通信，来检测或者以其它方式确定运输车辆的当前位置。另选地，可以使用飞行时间成像技术、信标发送器或RFID标签、或者装载容器的轮廓的图像分类和关联处理，来提供对应于运输车辆与作业机器100之间的距离的信息。
在一个示例中，运输车辆的驾驶员可以简单地遵循在所显示的地图上生成的可视指示符并且遵循所显示的路线，或者，例如使用备用摄像机系统将视线对准到与目标停止位置相关的指定停车位置，在该目标停止位置处当前载荷20应当优选地被倾卸/卸下。如先前所提到的，瞄准系统可以优选地对准物料的卸载载荷20，以使卸载的堆(按预定的或其它最小的距离)与斜坡24的边缘22重叠。在实施方式中，这种实施方式可以包括与作业机器100相关联的控制器212和与运输车辆相关联的控制器的协作，例如经由使用通信网络的双向数据通信。例如，使用俯视(即，自顶向下)视图或前摄像机视图作为在运输车辆的机载用户界面上显示的第一图像层，可以生成叠加的第二图像层，以将与所确定的路线、目标卸载位置、目标停止位置等相对应的信息通知给运输车辆的驾驶员，其中，驾驶员简单地至少将装载容器驾驶到位。
在另一示例中，可以可选地提供自动化倾卸控制模式(步骤660)，其中，至少部分地控制运输车辆，以至少将该运输车辆的装载容器的移动引导至与目标卸载位置相对的指定目标停止位置。这种实施方式例如可以包括与作业机器100相关联的控制器212(或者其它系统控制单元)和与运输车辆相关联的控制器的协调，例如经由使用通信网络的双向数据通信。作为一个示例，当运输车辆已经达到距目标卸载位置和/或目标停止位置指定或阈值距离时，可以从控制器212或其它系统控制单元生成到该运输车辆的输出信号，以通知驾驶员：自动停车系统可用于所确定的路线的剩余部分。然后，操作员可以例如经由机载用户界面来确认自动停车模式的启用，其中，运输车辆的转向控制系统使用这样的控制数据来自动接管转向，即，该控制数据与来自作业机器控制器212的输出信号相关联或者以其它方式根据该输出信号导出。在各种实施方式中，即使在自动停车模式期间，驾驶员仍可以负责一个或更多个驾驶方面，例如包括制动，但是在本公开的范围内也可以设想完全自主特征。
在实施方式中，作业机器100机载的传感器和/或其它传感器或者另选输入(举例来说，如来自运输车辆的有效载荷称重单元520)可以被实现成估计填充工地的至少一部分所需的物料体积，和/或当前或先前在与工地的所述至少一部分相关的一个或更多个位置中卸载的物料体积。这例如可以说明工地的未填充部分的低部分相对于完成部分的相对海拔，并且在一些实施方式中进一步说明所扫描地形从平整之前到平整之后(即，在轻压实时)的变化。
该系统和方法600还可以可选地包括：估计在针对与工地的所述至少一部分相关的所述一个或更多个位置的物料卸载之后，在运输车辆的装载容器中剩余的运回物料体积530；以及在估计在与工地的所述至少一部分相关的所述一个或更多个位置中卸载的物料体积时考虑所估计的运回物料体积。例如，可以将被安装在运输车辆上的一个或更多个图像数据源配置成，当装载的物料理论上已经完全卸载时扫描装载容器的底部，其中，剩余物料的轮廓相对于空装载容器的预期轮廓可以被处理以估计运回物料。如先前所提到的，如本文所公开的图像数据源可以包括雷达、激光雷达、以及可以生成与仅常规图像相对比的数据点云的等同感测单元。运回估计模块还可以可选地考虑来自有效载荷称重单元520的输入。
对于由运输车辆卸载的量相对于预期量，或者对于填充工地的至少相关部分所需的物料量，体积估计(如上面提到的)可以可选地被提供为关于运输车辆的用户界面上的驾驶员辅助输入的输入(步骤635)，例如，倘若动态地修改目标卸载位置/当动态地修改目标卸载位置时，考虑预期卸载的大小，或者潜在地改变选定的多个目标卸载位置之间的相对优先级。
这种体积估计也可以或者在另选例中被提供为关于步骤660的自动化卸载控制模式的输入(步骤635)，例如，倘若动态地修改目标卸载位置/当动态地修改目标卸载位置时，考虑预期卸载的大小，或者潜在地改变选定的多个目标卸载位置之间的相对优先级。
如本文所使用的，短语“…中的一个或更多个”在与项目列表一起使用时，意指可以使用这些项目中的一个或更多个项目的不同组合，并且可以需要列表中的各个项目中的仅一个。例如，“项目A、项目B以及项目C中的一个或更多个”例如可以包括但不限于项目A，或者项目A和项目B。该示例还可以包括项目A、项目B以及项目C，或者项目B和项目C。
因此，可以看出，本公开的设备和方法容易实现所提及的以及其中固有的目的和优点。虽然出于本目的已经例示和描述了本公开的某些优选实施方式，但是本领域技术人员可以对部件和步骤的布置和构造进行许多改变，这些改变被涵盖在由所附权利要求限定的本公开的范围和精神内。各个公开的特征或实施方式皆可以与其它公开的特征或实施方式中的任一者相组合。

Claims (15)

1.一种用于动态表征要使用作业机器(100)的至少一个作业机具(142)进行作业的区域的方法(400、500、600)，所述方法包括以下步骤：
经由所述作业机器外部或机载的至少第一传感器来收集作业区域(310)的相对于所述作业机器的至少前方部分的第一数据(402)；
经由所述作业机器机载的至少第二传感器来收集所述作业区域的至少被穿越部分的第二数据(404、406)；
至少基于指定区域的第一数据以及所述指定区域的对应第二数据，来确定所述作业区域中的地面物料的一个或更多个特征值(410)；以及
基于所述一个或更多个特征值中的至少一个特征值，来生成至少与实现所述作业区域的目标值所需的所确定的物料量相对应的输出(420)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：
所述第一数据是经由所述作业机器机载的所述至少第一传感器(144、149)进行表面扫描来收集的，
所述第二数据包括经由作为所述作业机器机载的所述第二传感器的全局位置传感器(232)收集的位置数据，所述位置数据对应于所述作业机器的与所述作业区域的被穿越部分相对应的部分的当前海拔，以及
所述作业区域中的所述地面物料的所述一个或更多个特征值是进一步基于所述作业机器的所述部分的所述当前海拔相对于所述作业区域的所述至少前方部分的海拔来确定的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述第一数据是经由所述作业机器机载的所述至少第一传感器(144、149)进行表面扫描来收集的，并且所述第二数据是经由所述作业机器机载的所述至少第二传感器(144、149)进行表面扫描来收集的。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
经由所述作业机器机载的至少第三传感器(144、149、232)来收集位置数据，以及
相对于所述作业区域的所述至少前方部分的海拔以及所述作业区域的所述至少被穿越部分的海拔中的一个或更多个海拔确定所述作业机器的当前海拔，
其中，所述作业区域中的所述地面物料的所述一个或更多个特征值是进一步基于所述作业机器的所述当前海拔相对于所述作业区域的所述至少前方部分的海拔以及所述作业区域的所述至少被穿越部分的海拔中的所述一个或更多个海拔来确定的。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
基于所述一个或更多个特征值中的至少一个特征值，来估计为了实现所述作业区域的所述目标值而在所述作业区域的所述至少前方部分以及所述作业区域的所述至少被穿越部分中所需的物料体积(510)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，收集作业区域的至少前方部分的第一数据的步骤包括：
在所述作业区域的所述至少前方部分中卸载松散填料之前收集表面扫描数据；以及
在所述作业区域的所述至少前方部分中卸载松散填料之后收集表面扫描数据。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法包括以下步骤：
估计所述松散填料的压实体积，并且在所述作业机器穿越包括所述松散填料的区域时基于所述第二数据更新所述一个或更多个特征值中的至少一个特征值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，基于所述一个或更多个特征值中的更新后的至少一个特征值，来估计为了实现所述作业区域的所述目标值而在所述作业区域的所述至少前方部分以及所述作业区域的所述至少被穿越部分中所需的物料体积。
9.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
估计每运输车辆载荷添加至所述作业区域的物料体积(540)；以及
预测实现所述作业区域的所述目标值所需的运输车辆载荷数(550)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征还在于，每运输车辆载荷添加至所述作业区域的所述物料体积是至少部分地基于来自相应运输车辆的载荷称重或测量单元的输入信号(520)来估计的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征还在于，每运输车辆载荷添加至所述作业区域的所述物料体积是至少部分地基于所述相应运输车辆的估计的物料运回(530)来估计的。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
访问包括与待作业的区域的至少一部分相对应的三维数据的地图；
至少部分地基于每运输车辆载荷添加至所述作业区域的所估计物料体积以及实现所述作业区域的所述目标值所需的预测运输车辆载荷数，来预测所述待作业的区域的所述至少一部分中的一个或更多个期望卸载位置；以及
针对至少一个运输车辆生成与所预测的一个或更多个期望卸载位置相对应的输出信号。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：对于所述至少一个运输车辆中的各个运输车辆，生成所述运输车辆在该运输车辆的所检测到的当前位置与所预测的一个或更多个期望卸载位置中的至少一个期望卸载位置之间的路线，其中，针对相应运输车辆生成的输出信号对应于为所述运输车辆生成的路径。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征还在于，相应运输车辆的路线是至少部分地基于所接收到的用户输入和/或基于所检测到的有效载荷重量来生成的，所接收到的用户输入包括关于所预测的一个或更多个期望卸载位置的至少一个优先级指示符。
15.一种用于动态表征要使用作业机器(100)的至少一个作业机具(142)进行作业的区域的系统(200)，所述系统包括：
所述作业机器外部或机载的至少一第一传感器(144、149)，并且所述至少一第一传感器被配置成收集作业区域相对于所述作业机器的至少一前方部分的第一数据；
所述作业机器机载的至少一第二传感器(144、149、232)，并且所述至少第二传感器被配置成收集所述作业区域的至少一被穿越部分的第二数据；
控制器(212)，所述控制器在功能上链接至所述至少一第一传感器和所述至少一第二传感器，并且所述控制器被配置成引导根据权利要求1至14中的一项所述的方法中的步骤的执行。
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