CN117587872A - 配置施工机械的机械控制单元的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及配置施工机械的机械控制单元的方法和系统。用于配置施工机械的机械控制单元(75)以执行土方作业的系统(70)和方法，土方作业包括要连续执行的多个阶段，所述方法包括由计算单元(71)执行的以下步骤：接收所述施工机械周围在至少第一检测范围内的地形的三维测量数据；基于所述三维测量数据来检测所述土方作业的前一阶段的元素；以及至少基于所检测到的元素来配置所述机械控制单元以至少部分地自动执行所述土方作业的下一阶段。

Description

配置施工机械的机械控制单元的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及一种用于配置施工机械(construction machine)的机械控制单元以控制土方作业(earth-moving operation)的方法和系统，该土方作业包括要连续执行的多个阶段，例如以控制用于沟渠(ditch)或道路施工的电动平地机(motor grader)或履带机(crawler)。控制包括使用3D传感器来检测土方作业的当前状态，以便将机械控制单元配置为在土方工程(work)的下一阶段期间至少部分地控制施工机械。
背景技术
已知的是，使用施工机械的自动化系统通过完全或部分地控制该机械来促进机械操作者的土方作业。现有的自动化系统主要专注于将土壤表面切割成期望的外形所需的最终减缓坡度(grading)遍次(pass)。基于期望的外形是相对于世界坐标(“3D系统”)被定位还是期望的外形是相对于车辆坐标(“2D系统”)被定位，存在着两个不同的主要应用。2D系统使用起来更简单。土壤外形是相对于车辆系统来设计的，并且操作者完全负责导航车辆，以使系统生成正确的表面。3D系统需要使用复杂计算机系统创建的表面设计文件。然后，机械可以相对于3D平面图进行定位，并且以多种可能的导航运动来正确地切割表面。
已知有各种测量系统用于建筑领域的特殊需要，尤其是用于诸如挖掘机、平地机或推土机(dozer)的土方机械。这种测量系统可以与施工机械一起使用，以建立该机械周围的数字3D模型、检测该机械周围的障碍物和/或支持对该施工机械的控制。例如，EP3086196 A1建议借助于被布置在铲土机(bulldozer)上的摄像机系统来进行环境检测。该摄像机系统使用SLAM或SfM算法来生成环境的3D点云。JP 2019167719A2公开了一种2D激光扫描仪，当安装有该2D激光扫描仪的挖掘机进行枢转时，借助于该2D激光扫描仪生成环境的3D模型。WO 2019/197064 A1示出了一种用于利用ToF摄像机来监测施工机械环境的装置。以这种方式生成的图像被用于引导施工机械的操作者，以便根据平面图控制施工机械在施工现场(construction site)的作业。
感知传感器的进步允许新的交互式工作流程，该新的交互式工作流程使得能够以类似于现有2D系统的更简单方式来生成3D设计表面。这些相同的感知传感器允许机械相对于设计文件的坐标定位其自身，并且使得能够实现机械自动化的进步，以使自动化系统可以在更宽范围的操作者条件下使用。WO 2020/126123 A2公开了包括激光扫描仪和至少一个摄像机的紧凑型“现实捕获装置”的示例。利用该现实捕获装置，可以借助于发射激光测量射束的激光扫描仪(例如使用脉冲化电磁辐射)来对环境进行光学扫描和测量，其中，接收来自环境的反向散射表面点的回波，并且导出距该表面点的距离并将该距离与关联的激光测量射束的角发射方向相关联。这样，生成三维点云。例如，距离测量可以基于脉冲的飞行时间、形状、和/或相位。对于附加信息，例如借助于RGB摄像机或红外摄像机，来将激光扫描仪数据与摄像机数据相结合，特别是提供高分辨率光谱信息。现实捕获装置可以是移动的并且被配置为同时提供勘测数据和参考数据，例如其中，至少该装置的轨迹数据(例如位置和/或姿态数据)与探测数据(例如激光扫描仪数据和/或摄像机数据)一起提供，使得可以将现实捕获装置的不同位置的探测数据组合到公共坐标系。现实捕获装置可以被配置为例如借助于同时定位和地图构建(SLAM)功能，来自主创建新环境的3D地图。欧洲专利申请No.21176387.5公开了一种类似的现实捕获装置，该现实捕获装置包括飞行时间(ToF)摄像机的布置而不是激光扫描仪，其中，ToF摄像机被配置用于联合捕获周围的3D点云数据。
EP 3865895 A1公开了一种用于施工机械的测量系统，其包括用于在施工现场的土方工程之前和期间捕获施工机械周围的一个或更多个现实捕获装置。
一些土方作业包括要连续执行的多个阶段，其中该阶段至少是部分迭代的。这种操作的一个示例是“V型挖沟”，其用于对具有V型外形的沟渠进行施工。在施工机械的连续遍次期间，工具被连续地降低以执行几次切割。
期望提供一种用于施工机械的施工现场(site)测量系统，其便于施工机械的操作者执行这种土方作业，特别是通过在机械的控制中允许更高级别的自动化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的系统和方法，其用于配置施工机械的机械控制单元以执行土方作业。
本发明的另一目的是提供这样一种系统和方法，其允许配置机械控制单元以至少部分地自动执行土方作业。
本发明的另一个目的是提供这样一种系统和方法，其允许配置机械控制单元以至少部分地自动执行土方作业。
本发明的另一个目的是提供这样一种系统和方法，其允许配置机械控制单元以执行土方作业的阶段的至少一个子集，所述土方作业包括要连续执行的多个阶段。
本发明的第一方面涉及一种用于配置施工机械的机械控制单元以执行土方作业的系统，所述土方作业包括要连续执行的多个阶段。所述系统包括：测量系统，所述测量系统被配置用于捕获所述施工机械周围在至少第一检测范围内的地形的三维测量数据；用户界面，所述用户界面被配置用于接收来自所述施工机械的操作者的用户输入；以及计算单元，所述计算单元至少与所述测量系统、所述用户界面和所述机械控制单元可操作地耦合。根据本发明的该方面，所述计算单元被配置用于：基于所述三维测量数据来检测所述土方作业的前一(previous)阶段的元素；以及至少基于所检测到的元素来配置所述机械控制单元以至少部分地自动执行所述土方作业的下一阶段。
根据所述系统的一些实施方式，测量系统包括在施工机械处的至少一个测量单元，各个测量单元被配置用于捕获3D点云数据，即作为三维测量数据。各个测量单元包括：
-至少一台激光扫描仪，
-多个ToF摄像机，
-毫米波雷达系统，和/或
-一个或更多个立体摄像机系统。
根据一些实施方式，所述系统包括背景(context)摄像机，所述背景摄像机具有相对于所述测量系统和/或所述三维测量数据的已知位置，并且被配置用于捕获所述第一检测范围内的所述地形的背景图像数据。在这种情况下，所述用户界面被配置用于基于所述背景图像数据来向所述施工机械的操作者显示至少一个背景图像，所述计算单元被配置为将所检测到的元素叠加到所显示的背景图像上，并且用于接收来自操作者的与所述土方作业的下一阶段相关的输入；以及配置所述机械控制单元还基于来自所述操作者的输入。可选地，所述用户界面可以包括触敏显示器，在所述触敏显示器上显示所述背景图像并且在所述触敏显示器上接收所述用户输入。例如，来自所述操作者的输入可以包括对一个或更多个所检测到的元素的选择。
根据一些实施方式，所述施工机械是电动平地机，并且所述土方作业包括对沟渠(ditch)的施工，其中，所述阶段是电动平地机沿着沟渠线的遍次，所述遍次包括多个切割遍次；以及所检测到的元素包括由前一切割遍次产生的边缘和/或表面。例如，所述土方作业可以包括V形挖沟。可选地，来自所述操作者的输入可以包括以下中的一个或更多个：
-选择由前一切割遍次产生的边缘和/或表面；
-选择用于下一遍次的切割深度；和/或
-选择保持下一遍次的平行切割。
在一个实施方式中，来自所述操作者的输入包括选择由前一切割遍次产生的边缘和表面，并且选择调整用于下一遍次的表面的横向坡度(cross slope)，同时将所选择的边缘保持为在下一遍次期间要成形的平面的顶点。
根据系统的一些实施方式，计算单元被配置用于：
-接收指示期望沿哪条线执行所述土方作业的期望的线(例如，样条线(spline))的操作者输入；
-基于所述三维测量数据(例如，相对于期望的线)来定位所述施工机械；
-将所述工具定位在所述期望的线处，以及
-执行所述多个阶段中的第一阶段，从而产生可检测的元素。
可选地，所述计算单元还可以被配置用于将所述施工机械引导(steer)到所述期望的线。
在一些实施方式中，操作者输入包括所述期望的线相对于给定线的偏移，并且所述计算单元被配置为基于所述偏移来计算所述期望的线。例如，如果所述给定线是样条线，则计算单元可以被配置为基于偏移来计算作为所述期望的线的另一样条线。在一个实施方式中，给定线可以是属于道路第一侧上的现有沟渠的线，并且期望的线是要在道路的另一侧上施工的另一条沟渠，例如具有与第一侧上的沟渠相同的到道路的距离。
根据该系统的一些实施方式，所述测量系统被配置用于连续地捕获3D测量数据并将所捕获的3D测量数据连续地提供给所述计算单元，其中，所述计算单元被配置用于连续地评估所接收的3D测量数据以连续地检测所述元素，并且用于在至少部分地自动执行所述土方作业的阶段的同时连续地配置所述机械控制单元。
本发明的第二方面涉及一种施工机械，例如平地机、推土机或挖掘机，该施工机械包括：
-工具，所述工具用于执行土方作业，例如用于挖沟渠或壕沟(trench)；
-控制单元，所述控制单元用于至少部分地控制所述土方作业；以及
-根据本发明的第一方面的所述的系统，所述系统与所述控制单元可操作地耦合或者包括所述控制单元。
本发明的第三方面涉及一种计算机实现的方法，所述计算机实现的方法用于配置用于执行土方作业的施工机械(例如，根据本发明的第二方面所述的施工机械)的机械控制单元，所述土方作业包括要连续执行的多个阶段。所述方法包括由计算单元(例如，根据本发明的第一方面所述的系统的计算单元)执行的以下步骤：
-接收所述施工机械周围在至少第一检测范围内的地形的3D测量数据；
-基于所述3D测量数据来检测所述土方作业的前一阶段的元素；以及
-至少基于所检测到的元素来配置所述机械控制单元以至少部分地自动执行所述土方作业的下一阶段。
根据一些实施方式，所述方法进一步包括：
-使用具有相对于所述3D测量数据和/或相对于捕获所述3D测量数据的测量系统的已知位置的背景摄像机来捕获所述第一检测范围内的所述地形的背景图像数据；
-基于所述背景图像数据来向所述施工机械的操作者显示至少一个背景图像，将所检测到的元素覆盖在所显示的背景图像上；以及
-接收来自操作者的与所述土方作业的下一阶段相关的输入，特别是其中，来自所述操作者的输入包括对一个或更多个所检测到的元素的选择，其中，还基于来自所述操作者的所述输入来配置所述机械控制单元。
根据所述方法的一些实施方式，所述施工机械是电动平地机，并且所述土方作业包括对沟渠的施工，例如，通过V形挖沟。在这种情况下，所述阶段是电动平地机沿着沟渠线的遍次，所述遍次包括多个切割遍次；并且所检测到的元素包括由前一切割遍次产生的边缘和/或表面。可选地，来自所述操作者的输入包括以下中的一个或更多个：
-选择由前一切割遍次产生的边缘和/或表面；
-选择保持下一遍次的平行切割；和/或
-选择用于下一遍次的切割深度。
在一个实施方式中，来自操作者的输入包括：选择由前一切割遍次产生的边缘和表面，并且选择调整用于下一遍次的表面的横向坡度，同时保持所选择的边缘作为在下一遍次期间要成形的平面的顶点。
根据一些实施方式，所述方法进一步包括：
-接收指示期望沿哪条线执行所述土方作业的期望的线(例如样条线)的操作者输入；
-基于所述三维测量数据(特别是相对于期望的线)来定位所述施工机械；
-将所述工具定位在所述期望的线处，以及
-执行所述多个阶段中的第一阶段，从而产生可检测的元素，
可选地，该方法可以进一步包括将所述施工机械自动引导到所述期望的线。在一个实施方式中，所述操作者输入包括所述期望的线相对于给定线的偏移，并且该方法包括基于所述偏移来计算所述期望的线。
根据该方法的一些实施方式，连续地捕获所述3D测量数据并连续地评估所述3D测量数据以检测所述元素，以及所述机械控制单元被在至少部分地自动执行所述土方作业的阶段的同时连续地配置。
根据该方法的一些实施方式，所述土方作业包括对沟渠的施工，所述期望的线为沟渠线，例如沟渠边缘线；第一阶段是沿着所述沟渠线的标记遍次，并且由所述标记遍次产生的所产生的元素包括边缘和/或表面。可选地，所述施工机械可以是电动平地机；所述土方作业可以包括V形挖沟；和/或所述沟渠线可以是沟渠边缘线、沟渠样条线或沟渠边缘样条线。
本发明的第四方面涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括程序代码，该程序代码被存储在机器可读介质上或者通过包括程序代码段的电磁波来具体实施，并且该计算机程序产品具有计算机可执行指令，该计算机可执行指令特别是在根据本发明的第一方面所述的系统的计算单元上执行时，执行根据本发明的第三方面所述的方法。
附图说明
仅通过示例的方式，在下文中参照附图，对本发明的优选实施方式进行更全面描述，其中：
图1a至图1b示出了用于执行土方作业的已知施工机械的两个示例性实施方式；
图2例示出了使用电动平地机对沟渠进行施工的示例性方法；
图3a和图3b示出了作为施工机械的示例的电动平地机，该平地机包括根据本发明的施工现场测量系统的示例性实施方式；
图4示出了根据本发明的系统的示例性实施方式；
图5a和图5b示出了包括沟渠的道路设计；以及
图6示出了例示出根据本发明的方法的示例性实施方式的步骤的流程图。
具体实施方式
图1a和图1b示出了可以配备有根据本发明的系统的已知施工机械1的两个示例。图1a示出了使用电动平地机的工具11来挖掘V形沟渠的电动平地机。这是一个迭代过程，其中工具被连续降低以执行若干切割。这些切割包括作为标记切割31的初始浅切割和包括至少第一切割32和最终切割33的多个后续较深切割。图1b示出了履带机(也称为铲土机或推土机)，其具有作为用于例如在道路施工期间执行土方工程的工具11的铲刀。已知为这样的施工机械1配备有自动化系统，以通过在这些操作期间至少部分地控制机械来促进操作者的土方作业。
在这里示出的施工机械1中，即在平地机和履带机中，当前的自动化系统通常包括可以被配置为保持期望的横向坡度的坡度控制系统。这是操作者在道路施工和沟渠施工期间可以使用的简单功能。典型的横向坡度系统仅控制工具运动的一个轴线。它们充当运动学约束，要求操作者控制工具11的深度、导航机械1以及控制例如与材料管理相关联的其它工具运动。
图2例示出了使用如图1a所示的电动平地机挖掘V形沟渠(“V形挖沟”)的示例性方法。这种方法本身是已知的。目前，由于对平地机的控制主要是手动执行的，因此执行该方法需要平地机操作者的大量关注。已知的横向坡度系统可以控制用于铲刀运动的五个致动器中的单个致动器。不利的是，这要求操作者管理铲刀控制的若干方面，同时还必须导航车辆。
电动平地机的操作者以用于标记沟渠线的浅标记切割(也参见图1a)开始。然后，操作者可以接合已知的2D横向坡度系统，将该系统设定为期望的沟渠坡度，然后继续进行随后的若干切割遍次。在这些遍次期间，操作者通过调整切割深度和铲刀的角度来管理车辆上的负载。铲刀的角度还用于沿着铲刀横向移动材料并移入堆料(windrow)。在多次切割遍次之后，已经产生了大量的堆料。然后，操作者脱离横向坡度系统并工作以首先移动堆料，然后将其稀薄地展开。进行另外的遍次和堆料展开操作，直到沟渠的一个表面完成。操作者可以在切割堤岸(bank)时再次接合2D横向坡度系统。在这些遍次期间，土壤被推动到先前成形的表面上。一旦路堤(embankment)已经成形，操作者就再次使用2D横向坡度系统从沟渠清理材料。针对最终表面切割调整横向坡度系统。然后将料堆展开并成形为期望的高度和坡度。
图3a和图3b示出了作为施工机械1的示例的电动平地机，该平地机包括用于配置施工机械的机械控制单元的系统的示例性实施方式。该系统包括具有感知传感器的施工现场测量系统，该感知传感器可以被包括在执行土方作业中，从而实现所使用的自动化的急剧扩展。所公开的方法和系统提供了对诸如履带机和电动平地机的施工机械上的现有2D系统的扩展。这基于增加了感知传感器，该感知传感器增加了现有2D系统缺乏的环境背景。
如图3a所示，施工机械1包括用于执行土方作业的工具(铲刀11)。尽管所示的机械是电动平地机，但是它也可以是可用于土方作业的任何其它施工机械，例如挖掘机或推土机。测量单元2作为施工现场测量系统的一部分安装在平地机1的驾驶室14上。
如图3b中更详细地示出的，测量单元2包括一个或更多个现实捕获装置(RCD)3a、3b以捕获周围(通常不平坦的)地形的三维(3D)测量数据。在至少一个捕获方向上捕获例如是或包括3D点云的3D测量数据。优选地，这包括朝向施工机械的前部的方向，并且通常至少部分地匹配操作者在操作机械时的观察方向。
在本发明的上下文中，RCD特别地包括使用非接触式方法捕获环境的3D点云的一些传感器布置。通常，这包括使用基于光波(例如，在红外光谱中的光波)、无线电波或超声波的飞行时间(ToF)测量来确定到环境中的点的距离。然而，立体视觉传感器可以使用视差或左图像和右图像中的数据位置的差异来提供环境的点云测量。例如，各个RCD可以包括至少两个摄像机和可选的其它传感器，诸如激光扫描仪或ToF摄像机的布置。一个或更多个测量单元2的现实捕获装置3a、3b可以被配置为有助于生成地形的相同3D点云，以检测障碍物和/或跟踪进入机械周围的危险区的人或动物。测量单元2可以设置在施工机械的许多部分上，例如连接到工具11、底盘12上和/或驾驶室14上。
用于配置机械控制单元的系统包括计算单元和用户界面。优选地，用户界面可以设置在驾驶室14处或内部，使得挖掘机1的操作者可以在操作期间使用该用户界面。用户界面包括用于显示实时图像的显示器和/或图形用户界面(GUI)。在图3b所示的示例性实施方式中，用户界面包括设置在驾驶室14前面的半透明显示器4，从而允许操作者查看所显示的内容而不必将他的眼睛从前方的地形上移开。
用户界面包括优选地设置在驾驶室14内部的输入装置，例如包括触敏显示器(触摸屏)和可选的与触摸屏一起使用的触笔(stylus)。计算单元可以使用由测量单元生成的测量数据(RCD数据)，例如来自LiDAR扫描仪的LiDAR数据和来自多个摄像机的图像数据，用于生成例如施工现场或其部分的3D模型，并且可选地还用于障碍物检测。
施工现场测量系统还可以包括以下部件中的至少一个，这些部件可选地可以与测量单元2一起设置在公共壳体中，或者与计算单元和/或用户界面一起设置在公共壳体中：
-GNSS天线，该GNSS天线被配置用于生成位置数据；
-惯性测量单元(IMU)，该IMU被配置用于生成IMU数据；以及
-蜂窝单元，该蜂窝单元被配置用于将任何数据传输到远程站或其它车辆，例如同一施工现场的施工机械或拖运卡车。
例如，如果测量数据包括LiDAR数据和图像数据，则图像数据可以用于对LiDAR数据进行着色和/或用于通过将LiDAR数据与基于图像的生成的点云(例如，由视觉同时定位和地图构建(VSLAM)算法生成)进行匹配来优化LiDAR数据的参考。此外，特征跟踪和/或特征识别算法可以帮助将LiDAR数据组合成一致且参考良好的全局点云。类似地，利用GNSS天线获得的位置数据和来自IMU的IMU数据可以用于传感器融合，以在构建地形的3D模型时获得更高的精度。还可以在LiDAR数据上支持VSLAM点云生成，特别是以LiDAR数据引入尺度并从而增加算法的稳定性的方式。LiDAR扫描仪可以被配置用于在每个扫描仪的两个旋转轴线旋转快于0.1Hz(特别是快于1Hz)时生成LiDAR数据，其中点获取速率为每秒至少300,000个点，特别是每秒至少500,000个点。
LiDAR扫描仪以及ToF摄像机可能能够以非常快的速度捕获周围的3D表示。因此，利用移动的施工机械，可以基于SLAM(同时定位和地图构建)算法来生成相干(coherent)3D点云，该算法单独地或与来自摄像机的图像数据组合地使用LiDAR数据或ToF数据。如果施工机械在桥下或一些受到GNSS信号影响的其它地方下操作，则这种定位和地图构建特别有利。SLAM算法可以由提供IMU数据的至少一个IMU支持，IMU数据可以被处理以稳定算法。特别地，所有这样的融合的传感器数据可以由卡尔曼(Kalman)滤波器处理。
可选地，用于配置机械控制单元的系统还可以包括至少一个背景摄像机，例如作为施工现场测量系统的一部分。所述背景摄像机是生成提供环境背景的图像的任何摄像机装置。特别地，背景摄像机不需要提供用于传感器系统的任何数据。然而，通过计算视差图，由立体摄像机提供的图像除了用作传感器之外，还适合用作背景摄像机。背景摄像机可以与测量单元2的RCD 3a、3b一起被设置在公共外壳中、在半透明显示器4处或者与计算单元和用户界面一起被设置在公共外壳中。背景图像数据可以通过使用外部参数与施工现场测量系统的RCD数据相关，外部参数表征当背景摄像机和RCD安装在施工机械1上时它们的相对位置。由背景摄像机拍摄的图像可在半透明显示器4上、触摸屏上和/或用户界面的任何其它显示器上(特别是作为实况视频)显示给机械的操作者。
安装到施工机械的一个或更多个RCD 3a、3b的使用使得能够基于RCD数据将整个工作计划定位到现场。如果RCD用于导航或地图构建(例如，SLAM的某一变体)，那么可将设计文件定位到所述导航框架。如果机械配备有GNSS或另一全球定位系统，则RCD数据可以被定位到全球坐标，并且设计文件也可以被定位到世界坐标系。然后可以保存设计文件并输出设计文件以供参考或以后使用。
图4例示出了根据本发明的系统70的示例性实施方式。它可以至少部分地设置在施工机械上，例如设置在图3a和图3b的电动平地机上。系统70包括与用户界面73可操作地耦合的计算单元71。用户界面被配置为向系统的操作者呈现信息并从操作者接收输入。例如，用户界面73可以设置在图3a和图3b的电动平地机的挖掘机的驾驶室中，并且包括半透明屏幕和/或触摸屏。
该系统可以进一步包括与计算单元71可操作地耦合的机械控制单元75。机械控制单元75被配置为帮助操作者执行土方作业。特别地，这包括至少部分地自动监督施工机械的工具的坐标，例如使得防止图3a和图3b的电动平地机的铲刀在预定平面下挖掘。另选地，机械控制单元75可以单独地设置在施工机械上并且可连接到系统70，使得其与计算单元71可操作地耦合。
系统70还可以包括与计算单元71可操作地耦合的一个或更多个现实捕获装置(RCD)82和至少一个背景摄像机83。背景摄像机83的图像可显示在用户界面73的屏幕(例如触摸屏)上。另选地，RCD 82和背景摄像机83可以分开设置在施工机械上并且可连接到系统70，使得它们与计算单元71可操作地耦合。
计算单元71被配置为从RCD 82接收施工现场的表面(特别是施工机械周围的表面)的点云数据。计算单元71被配置为从用户界面73接收关于在施工现场上的计划的土方作业的用户输入。计算单元71确定所计划的土方作业的3D坐标，并相应地对机械控制单元75进行编程。
图5a示出了包括在路拱40两侧的沟渠30的横截面上的最终道路设计。可以使用根据本发明的系统的实施方式来对道路和/或沟渠进行施工。例如，道路设计包括路拱40的宽度41和/或一半宽度42的值。关于沟渠30，提供沟渠深度36、沟渠壁角38和沟渠偏移37的值，沟渠偏移例如描述沟渠底部边缘35与道路中心45或道路边缘之间的距离。
为了使用所描述的系统来对具有该横截面的道路进行施工，系统有必要提供样条线偏移。这允许操作者使用沟渠30的内边缘来限定道路的工作方向，然后横向地偏移道路的肩部边缘和路拱40，以便确保它们平行于沟渠线。该系统还应当能够产生和遵循用于引导的弯曲样条线。这在图5b中例示出，其中计算出的沟渠边缘35的样条线遵循道路中心45的给定样条线。另选地，可以给出第一沟渠边缘35的样条线和道路的样条线，并且计算要在道路的另一侧上施工的第二沟渠边缘35的样条线。例如，用偏移计算样条线，使得两个沟渠边缘35具有到道路(例如，到道路的相应侧或到道路的中心45)的相同距离。
当利用履带机进行槽(slot)减缓坡度(grading)时可以使用类似的方法(如图1b所示)。操作者执行初始标记切割，然后配置系统以保持期望的斜率并沿着期望的壕沟导航。然后，操作者仅负责管理车辆负载并将其从前进转移到倒退，反之亦然，直到需要进行堆料散布操作。在槽减缓坡度方法中，操作者设置标记线，然后使用该系统来向履带机的两侧生成堆料，以便形成一条壕沟。然后，系统在两个堆料之间引导。
图6是例示出根据本发明的方法100的示例性实施方式的流程图，即，用于配置用于执行土方作业的施工机械的机械控制单元的方法，该土方作业包括要连续执行的多个阶段。在这里描述的示例中，土方作业是V形挖沟操作(例如，如关于图2描述的)，并且阶段是电动平地机或类似机械沿着沟渠线的遍次，该遍次包括若干切割遍次。根据本发明的系统的示例性实施方式辅助操作者执行这些遍次中的一个或更多个遍次。
除了V形挖沟之外，所述方法和系统的其它实施方式也可以用于包括在相同路线上迭代遍次以对结构进行施工的其它应用，诸如道路构建或槽减缓坡度。除了电动平地机之外，所公开的方法和工作流程还可以与其它施工机械(诸如履带机和轮式装载机)一起使用。
在执行该方法期间，例如使用安装在施工机械上的一个或更多个现实捕获装置(RCD)以捕获机械周围的表面来捕获3D表面的三维点云。这允许定位施工机械以及识别周围的特征。具体地，可以连续地捕获3D点云。可选地，具有相对于3D点云和/或相对于捕获3D点云的测量系统的已知位置的背景摄像机捕获机械周围的背景图像数据。
所例示的方法开始于执行标记或注册(registration)遍次，其中土壤被切割得刚好足以提供注册线，以帮助后续遍次的引导。操作者可以手动执行101标记遍次，或者开始由施工机械的机械控制单元和/或根据本发明的系统辅助的辅助过程110。
在后一种情况下，即在辅助过程110期间，操作者指示用于标记遍次的期望的线(“沟渠线”)，例如直线或样条线。该指示可以包括在触摸屏上显示的背景图像中输入坐标或绘制的线。此外，操作者可以选择背景图像中的特征，例如道路或类似结构，并且指示期望的线相对于特征的偏移。另选地或附加地，可以将包括坐标的数据文件上载到系统。
由系统接收111作为输入的期望的沟渠线的指示。由于安装到施工机械的RCD使得能够定位112施工机械，因此可选地，可以将自动化系统设置为将工具(例如模具板的趾部(toe))引导113到期望的沟渠线和/或设置为将工具定位114在指定的沟渠线处并保持该位置(例如至少保持高度和倾斜度)，同时施工机械沿着沟渠线行驶，由操作者引导或由自动化系统控制。因此完全或部分自动地执行115标记遍次。在后一种情况下，例如，自动化系统致动铲刀侧移，以便在操作者控制引导、圆移和圆角的同时将工具(例如模具板的趾部)保持在期望的位置。
在已经(手动地101或使用辅助过程110)进行标记遍次之后，可以开始随后的遍次，例如，如这里所示的包括进行第一次深切割的切割过程120。使用安装到施工机械的RCD，施工现场测量系统可以自动检测121前一遍次(即，标记遍次或前一切割遍次)的边缘和表面。这些边缘和表面可以例如在由RCD捕获的图像数据和/或点云数据中被检测121。
然后，系统可以例如通过将这些检测到的元素叠加122在触摸屏上显示的背景图像中来在显示器中呈现这些检测到的元素，并且允许操作者选择先前成形的边缘和/或表面以便配置用于当前切割遍次的自动化系统。例如，操作者可以选择前一切割的边缘并将系统配置为在下一遍次切割其下方25mm。操作者可以选择前一表面并且配置系统以维持用于后续遍次的平行切割。切割还可旨在改变表面的横向坡度，但使用先前倾斜的边缘作为在后续切割遍次上成形的平面的顶点。接收123这些选择作为用户界面上(例如在示出背景图像的触摸屏上)的操作者输入，以配置124自动化系统用于完全或部分地自动执行125切割遍次。可以重复该切割过程120，直到进行了最后遍次并且完成沟渠的施工。
可选地，如果用户界面在也用于接收操作者输入的触摸屏上显示背景图像(例如，在步骤111和步骤123中)，则输入可以包括对背景图像的像素的选择或者被解释为对像素的这种选择。由于捕获背景图像数据的背景摄像机具有相对于测量系统和/或3D测量数据的已知位置，因此可以将像素的选择(例如，表示期望的沟渠线)映射到3D测量数据，例如映射到基于3D测量数据生成的3D地形模型的表面。基于该映射，然后可以确定表面上的3D坐标，该3D坐标可以被提供给机械控制单元以用于至少部分地控制土方作业。这在欧洲专利申请No.22180149.1中进行了详细描述。
由RCD捕获的数据还可以用于在脱落(shed)材料形成堆料时监测脱落材料。堆料中的材料的体积或堆料的高度可用于向操作者指示何时需要执行扩展遍次(参见例如图2中的步骤7和步骤8)。另选地或附加地，控制单元可以被触发以在下一遍次期间执行扩展行为或自动执行扩展遍次。
可选地，所述方法可包括将关于先前识别的线和表面的信息存储在存储器中，且在后续遍次中检索此信息。例如，该方法可以包括用于清理沟渠的底部的遍次(参见例如图2中的步骤9和步骤10)。在这种情况下，如果系统记住沟渠的底部边缘的位置，即使当沟渠被覆盖在土壤中时，也会对操作员有所帮助。这将允许操作者切割沟渠的内斜坡，然后在切割沟渠的外斜坡时使用沟渠的内边缘，然后在从沟渠的底部清理出土壤时再次使用沟渠的内边缘。使用沟渠的上边缘正确地限定偏移将是困难的，但是由于系统知道底部边缘相对于上边缘的位置，所以操作者可以命令它在从沟渠清理出土壤时引导到隐藏的沟渠线，这在沟渠线是样条线的情况下尤其有用。
在一些实施方式中，系统可以被配置为自配置。在该模式中，操作者可以设置标记遍次的横向坡度和高度，增加高度直到达到标记遍次的正确深度。在车辆在现场引导时，RCD的定位能力使得能够保持全局一致的高度。然后，操作者可以使用增量按钮来告知系统每个切割遍次的期望深度。施工现场测量系统可以使用其定位能力来确定其何时处于作业的开始位置。然后，它可以将定位数据与前一切割遍次的配置相结合，以便自动检测和识别由机械切割的边缘和表面。然后，它可以基于前一遍次和操作者指示的深度来自动设置期望的引导样条线或模具板趾部线(toe line)。
根据一些实施方式，根据本发明的方法和系统也可用于监控V型沟渠的施工。由于系统了解工作流程，因此可以用它来跟踪在施工中使用的步骤以及用于每个遍次的系统配置和工作产品。该数据为施工作业提供实时状态，并且还可以用于训练新的操作者，使用该系统为无经验的操作者指定期望的工作流程。
可选地，该系统可以包括用于感测施工机械的负载的机械装置。这可以包括感测发动机扭矩、观察发动机转速变化、静液压回路压力和/或排量、变速器输出扭矩、扭矩转换器扭矩等。在这种情况下，控制单元的深度控制可以被设置为负载相关状态，其中系统可以基于检测到的负载来自动调整工具的高度。
尽管上面部分地参照一些优选实施方式例示了本发明，但是必须理解，可以对实施方式的不同特征进行许多修改和组合。所有这些修改都落入所附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种用于配置施工机械(1)的机械控制单元(75)以执行土方作业的系统(70)，所述土方作业包括要连续执行的多个阶段，所述系统(70)包括：
-测量系统(82)，所述测量系统(82)被配置用于捕获所述施工机械(1)周围在至少第一检测范围内的地形的三维测量数据；
-用户界面(73)，所述用户界面(73)被配置用于接收(140)来自所述施工机械(1)的操作者的用户输入；以及
-计算单元(71)，所述计算单元(71)至少与所述测量系统(82)、所述用户界面(73)和所述机械控制单元(75)能够操作地耦合，
其特征在于，
所述计算单元(71)被配置用于：
-基于所述三维测量数据来检测(121)所述土方作业的前一阶段的元素；以及
-至少基于所检测到的元素来配置(124)所述机械控制单元(75)以至少部分地自动执行(125)所述土方作业的下一阶段。
2.根据权利要求1所述的系统(70)，其中，所述测量系统(82)包括在所述施工机械(1)处的至少一个测量单元(2)，各个测量单元(2)被配置用于捕获3D点云数据，其中，各个测量单元(2)包括：
-至少一台激光扫描仪，
-多个ToF摄像机，
-毫米波雷达系统，和/或
-一个或更多个立体摄像机系统。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统(70)，所述系统(70)包括背景摄像机(83)，所述背景摄像机(83)具有相对于所述测量系统(82)和/或所述三维测量数据的已知位置，并且被配置用于捕获所述第一检测范围内的所述地形的背景图像数据，其中，
-所述用户界面被配置用于基于所述背景图像数据来向所述施工机械(1)的操作者显示至少一个背景图像，
-所述计算单元(71)被配置用于将所检测到的元素叠加到所显示的背景图像上，并且用于接收(123)来自所述操作者的与所述土方作业的下一阶段相关的输入；以及
-配置(124)所述机械控制单元(75)还基于来自所述操作者的输入，
特别是其中，
-所述用户界面(73)包括触敏显示器，在所述触敏显示器上显示所述背景图像并且在所述触敏显示器上接收所述用户输入；和/或
-来自所述操作者的所述输入包括对一个或更多个所检测到的元素的选择。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(70)，其中，所述施工机械(1)是电动平地机，并且所述土方作业包括对沟渠(30)的施工，其中，
-所述阶段是所述电动平地机沿着沟渠线的遍次，所述遍次包括多个切割遍次；以及
-所检测到的元素包括由前一切割遍次产生的边缘(35、39)和/或表面，
特别是其中，所述土方作业包括V形挖沟，和/或来自所述操作者的输入包括：
-选择由前一切割遍次产生的边缘和/或表面；
-选择用于下一遍次的切割深度；
-选择保持所述下一遍次的平行切割；和/或
-选择由前一切割遍次产生的边缘和表面，并且选择调整用于所述下一遍次的所述表面的横向坡度，同时将所选择的边缘保持为在所述下一遍次期间要成形的平面的顶点。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(70)，其中，所述计算单元(71)被配置用于：
-接收(111)指示期望沿哪条线执行所述土方作业的期望的线的操作者输入；
-基于所述三维测量数据来定位(112)所述施工机械；
-将工具(11)定位(114)在所述期望的线处，以及
-执行(115)所述多个阶段中的第一阶段，从而产生能够检测的元素，
特别是其中，
-所述施工机械相对于所述期望的线进行定位(112)；
-所述计算单元(71)被配置用于将所述施工机械(113)引导到所述期望的线；和/或
-所述期望的线为样条线。
6.根据权利要求5所述的系统(70)，其中，操作者输入包括所述期望的线相对于给定线的偏移(37)，并且所述计算单元(71)被配置为基于所述偏移(37)来计算所述期望的线，特别地其中，所述给定线为样条线，并且所述计算单元(71)被配置为基于所述偏移(37)来计算作为所述期望的线的样条线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(70)，其中，
-所述测量系统(82)被配置用于连续地捕获所述三维测量数据并将所捕获的三维测量数据连续地提供给所述计算单元；
-所述计算单元(71)被配置用于连续地评估所述三维测量数据以检测(121)所述元素，并且用于在至少部分地自动执行(125)所述土方作业的阶段的同时连续地配置(124)所述机械控制单元(75)。
8.一种施工机械(1)，特别是平地机、推土机或挖掘机，所述施工机械包括：
-工具(11)，所述工具(11)用于执行土方作业，特别是用于挖沟渠或壕沟；
-控制单元(75)，所述控制单元(75)用于至少部分地控制所述土方作业；以及
-根据前述权利要求中的任一项所述的系统(70)，所述系统与所述控制单元(75)能够操作地耦合或者包括所述控制单元(75)。
9.一种计算机实现的方法(100)，所述计算机实现的方法(100)用于配置用于执行土方作业的施工机械(1)的机械控制单元(75)，所述施工机械(1)特别是根据权利要求8所述的施工机械(1)，所述土方作业包括要连续执行的多个阶段，所述方法(100)包括由计算单元(71)执行的以下步骤：
-接收所述施工机械(1)周围在至少第一检测范围内的地形的三维测量数据；
-基于所述三维测量数据来检测(121)所述土方作业的前一阶段的元素；以及
-至少基于所检测到的元素来配置(124)所述机械控制单元(75)以至少部分地自动执行(125)所述土方作业的下一阶段。
10.根据权利要求9所述的方法(100)，所述方法包括以下步骤：
-使用具有相对于所述三维测量数据和/或相对于捕获所述三维测量数据的测量系统(82)的已知位置的背景摄像机(83)来捕获所述第一检测范围内的所述地形的背景图像数据；
-基于所述背景图像数据来向所述施工机械(1)的操作者显示至少一个背景图像，将所检测到的元素覆盖(122)在所显示的背景图像上；
-接收(123)来自所述操作者的与所述土方作业的下一阶段相关的输入，特别是其中，来自所述操作者的所述输入包括对一个或更多个所检测到的元素的选择；以及
-还基于来自所述操作者的所述输入来配置(124)所述机械控制单元(75)。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法(100)，其中，所述施工机械(1)是电动平地机，并且所述土方作业包括对沟渠(30)的施工，其中，
-所述阶段是所述电动平地机沿着沟渠线的遍次，所述遍次包括多个切割遍次；并且
-所检测到的元素包括由前一切割遍次产生的边缘(35、39)和/或表面，
特别是其中，
-所述土方作业包括V形挖沟；
-来自操作者的输入包括选择由前一切割遍次产生的边缘和/或表面；
-来自所述操作者的所述输入包括选择保持下一遍次的平行切割；和/或
-来自所述操作者的所述输入包括选择用于所述下一遍次的切割深度。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法(100)，所述方法(100)包括以下步骤：
-接收(111)指示期望沿哪条线执行所述土方作业的期望的线的操作者输入；
-基于所述三维测量数据来定位(112)所述施工机械，特别是相对于所述期望的线来定位(112)所述施工机械；
-将所述工具(11)定位(114)在所述期望的线处，以及
-执行(115)所述多个阶段中的第一阶段，从而产生能够检测的元素，
特别是其中，
-所述方法(100)包括将所述施工机械(113)自动引导到所述期望的线；
-所述期望的线为样条线；和/或
-所述操作者输入包括所述期望的线相对于给定线的偏移(37)，并且所述方法包括基于所述偏移(37)来计算所述期望的线。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法(100)，其中，
-连续地捕获所述三维测量数据并连续地评估所述三维测量数据以检测(121)所述元素，并且
-所述机械控制单元(75)被在至少部分地自动执行(125)所述土方作业的阶段的同时连续地配置(124)。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法(100)，其中，
-所述土方作业包括对沟渠(30)的施工，
-期望的线为沟渠线，特别是沟渠边缘线；
-第一阶段是沿着所述沟渠线的标记遍次，并且
-由所述标记遍次产生的所产生的元素包括边缘(35、39)和/或表面，
特别是其中，
-所述施工机械(1)是电动平地机；
-所述土方作业包括V形挖沟；和/或
-所述沟渠线是沟渠边缘线、沟渠样条线或沟渠边缘样条线。
15.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括程序代码，所述程序代码被存储在机器可读介质上或者通过包括程序代码段的电磁波来具体实施，并且所述计算机程序产品具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令特别是在根据权利要求1至7中的任一项所述的系统(70)的计算单元(71)上执行时，执行根据权利要求9至14中的任一项所述的方法(100)。
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