ES2950579T3 - Máquina de movimiento de tierras, disposición de telémetro y método para barrido electrónico tridimensional - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una máquina móvil para movimiento de tierras que comprende un soporte, al menos un elemento de máquina móvil con respecto al soporte, un sistema de posicionamiento para determinar datos de posición y orientación en 3D de la máquina para movimiento de tierras, al menos un dispositivo sensor para determinar la posición y la orientación. datos del elemento móvil de la máquina, al menos un dispositivo telémetro para detectar al menos un objeto en un campo del dispositivo telémetro y proporcionar una salida de nube de puntos del objeto, y al menos una unidad de control configurada para recibir y procesar los datos producidos . El dispositivo telémetro es un dispositivo de estado sólido sin elementos mecánicos móviles internos, por lo que el dispositivo no tiene equipo de escaneo interno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Máquina de movimiento de tierras, disposición de telémetro y método para barrido electrónico tridimensional Antecedentes de la invención
La invención se refiere a una máquina de movimiento de tierras.
La invención se refiere además a un método para barrido electrónico tridimensional.
El documento US 2016/0104289 A1 divulga una máquina de trabajo en un lugar de trabajo que tiene un sistema de generación de mapa de alcance. El documento WO 2015/041689 A1 divulga un método para determinar una posición de una máquina en un lugar de trabajo. El método comprende determinar datos de entrada asociados con un levantamiento LiDAR, mediante una unidad LiDAR en la máquina en la posición en el lugar de trabajo. Los documentos JP 2016 008484 A, US 2007/181810 A1, US 2016/154094 A1 y US 2009/112472 A1 divulgan también tipos similares de disposiciones.
Breve descripción de la invención
Un objeto de la invención es proporcionar una nueva máquina de movimiento de tierras y un nuevo método para barrido electrónico tridimensional.
La invención se caracteriza por las características de las reivindicaciones independientes. Realizaciones de la invención se divulgan en las reivindicaciones dependientes.
El dispositivo de telémetro es duradero y barato. El elemento de la máquina móvil proporciona un mayor grado de libertad para el movimiento del dispositivo de telémetro proporcionando así un mayor ángulo de visión y un amplio haz de barrido electrónico.
De acuerdo con una realización, la unidad de control está configurada para determinar orientación y posición en tres dimensiones del dispositivo de telémetro y para proporcionar a la nube de puntos coordenadas tridimensionales en respuesta a los datos de entrada.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro está dispuesto en el elemento de la máquina móvil en una ubicación conocida en el elemento de la máquina móvil; la ubicación del dispositivo de telémetro y un modelo cinemático del elemento de la máquina móvil se introducen en la unidad de control; y la unidad de control está configurada para calcular la posición y orientación del dispositivo de telémetro en respuesta a los datos de entrada. En esta realización, el sistema de posicionamiento tridimensional está dispuesto por separado en relación al dispositivo de telémetro.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro comprende medios de posicionamiento para determinar orientación y posición en tres dimensiones del dispositivo de telémetro.
De acuerdo con una realización la unidad de recepción del dispositivo de telémetro comprende al menos un único detector de fotones para recibir las señales reflectantes.
De acuerdo con una realización la unidad de receptor comprende uno o más elementos de detector de avalancha de fotones únicos controlados en el tiempo.
De acuerdo con una realización la unidad de recepción comprende al menos un elemento de detector dispuesto para formar un conjunto de n*m, en la que n y m pueden ser cualquier número.
De acuerdo con una realización el conjunto de elementos de detector de la unidad de receptor comprende una matriz con varios elementos dispuestos en n filas y m columnas.
De acuerdo con una realización el conjunto de elementos de detector de la unidad de receptor comprende una fila con varios elementos. Mediante ello, el telémetro puede tener una configuración similar a una barra horizontal.
De acuerdo con una realización el conjunto de elementos de detector de la unidad de receptor comprende una columna con varios elementos. Mediante ello, el telémetro puede tener una configuración similar a una barra vertical.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro comprende un único elemento de detector, por lo que la unidad de receptor tiene una configuración en forma de punto.
De acuerdo con una realización el al menos un elemento de máquina es un brazo; y el al menos un telémetro está dispuesto en el brazo, por lo que el al menos un telémetro se mueve junto con el brazo.
De acuerdo con una realización el brazo está provisto de al menos dos dispositivos de telémetro dispuestos en diferentes ubicaciones en el brazo y, por ello, tienen diferentes ángulos de visión.
De acuerdo con una realización, el brazo está articulado y comprende dos o más partes de brazo y articulaciones entre ellas; y al menos dos dispositivos de telémetro están dispuestos en partes separadas del brazo.
De acuerdo con una realización una parte de extremo distal del brazo está provista de al menos una herramienta de trabajo; y el al menos un dispositivo de telémetro está dirigido para producir datos de nube de puntos en la herramienta de trabajo.
De acuerdo con una realización la máquina de movimiento de tierras es una excavadora que comprende un brazo y una cuchara en un extremo libre del brazo; y el al menos un dispositivo de telémetro está dirigido a producir datos de nube de puntos en la cuchara.
De acuerdo con una realización el al menos un elemento de máquina es una hoja de buldócer; al menos un telémetro está dispuesto en la hoja o en los elementos de soporte de la hoja para producir datos de nube de puntos en la hoja. Alternativamente, o además de, los datos de barrido electrónico tridimensional comprenden datos sobre la topografía del suelo frente a la hoja, o material procesado frente a la cara frontal de la hoja durante la operación.
De acuerdo con una realización el al menos un elemento de máquina es una cabina de control provista de una disposición móvil que permite ajustar la posición vertical de la cabina de control con respecto al soporte; y el al menos un dispositivo de telémetro está configurado para producir datos de nube sobre la posición vertical de la cabina de control.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro es un dispositivo de telémetro láser, en el que la unidad de transmisión comprende al menos un transmisor láser.
De acuerdo con una realización el telémetro láser comprende al menos una fuente de luz láser para producir un rayo láser, que se dirige al punto deseado en un lugar de trabajo. El dispositivo comprende al menos un dispositivo de detector que recibe los rayos láser después de reflejarlos en el punto objetivo del lugar de trabajo. En base al tiempo transcurrido entre la generación y la recepción del rayo láser, la unidad de control puede determinar una distancia entre el punto objetivo y el dispositivo de telémetro. De este modo, la medición de la distancia se basa en el principio de medición del tiempo de vuelo. Sobre la base de las mediciones de distancia se generan datos de nube de puntos tridimensional de parte del sitio de trabajo que es detectado por el dispositivo de telémetro. Cada punto de datos de la nube de puntos tridimensional incluye una distancia desde el dispositivo de telémetro hasta el punto detectado del sitio de trabajo.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro es un instrumento LiDAR. LiDAR es un dispositivo de radar láser que utiliza luz ultravioleta, visible, o cercana a infrarroja de los láseres.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro es un instrumento de radar basado en el uso de ondas de radio.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro es una cámara de tiempo de vuelo basada en sonido o un sensor de imagen.
De acuerdo con una realización el sistema de posicionamiento para determinar los datos de orientación y posición en tres dimensiones de la máquina de movimiento de tierras comprende un sistema de posicionamiento basado en satélites (GNSS).
De acuerdo con una realización el sistema de posicionamiento para determinar los datos de orientación y posición en tres dimensiones en la máquina de movimiento de tierras comprende una estación total.
De acuerdo con una realización el sistema de posicionamiento para determinar los datos de orientación y posición en tres dimensiones en la máquina de movimiento de tierras comprende un sistema SLAM (localización y mapeo simultáneos). El sistema SLAM está configurado para producir una nube de puntos del entorno de la máquina de movimiento de tierras en una ubicación inicial y está configurado para crear un mapa del entorno. El sistema puede usar simultáneamente el mapa creado para determinar su propia ubicación dentro de ese espacio. El sistema SLAM puede usarse para asegurar que los datos primarios de posición y orientación producidos por medio de otro sistema sean confiables comparando los datos primarios de posición y orientación con el mapa creado.
De acuerdo con una realización el al menos un dispositivo de detección para determinar la posición y la orientación del elemento de la máquina móvil comprende al menos una Unidad de Medición de Inercia (IMU) para generar datos sobre la orientación; y la unidad de control está configurada para determinar la orientación del dispositivo de telémetro en respuesta a los datos recibidos desde la Unidad de Medición Inercial.
De acuerdo con una realización el dispositivo de telémetro comprende la IMU.
De acuerdo con una realización la IMU comprende uno o más dispositivos que proporcionan medición de la posición angular, velocidades o aceleración. La IMU puede comprender un acelerómetro, un giroscopio y/o un inclinómetro.
De acuerdo con una realización, uno o más dispositivos de detección están configurados para monitorizar articulaciones o actuadores móviles del elemento de la máquina móvil, y la unidad de control está configurada para calcular la posición y la orientación en respuesta a la monitorización. Así, el dispositivo de detección puede ser un sensor de movimiento lineal o un codificador giratorio, por ejemplo.
De acuerdo con una realización, el sistema está configurado para ejecutar reconocimiento y recopilar información relacionada con el entorno en el que está operando la máquina de movimiento de tierras. El sistema puede recopilar información relacionada con una superficie sobre la que se desplaza la máquina de movimiento de tierras. Así, el sistema puede determinar la superficie del suelo, el nivel del suelo y otras características topográficas del suelo del sitio de trabajo. La topografía de la superficie del suelo frente a la herramienta de movimiento de tierras también es información útil.
De acuerdo con una realización el sistema está configurado para ejecutar reconocimiento del entorno donde está operando la máquina de movimiento de tierras, y está configurado para actualizar un modelo ambiental tridimensional previamente diseñado o creado del sitio de trabajo.
De acuerdo con una realización el sistema está configurado para ejecutar reconocimiento del entorno en el que está operando la máquina de movimiento de tierras, y está configurado para determinar los perfiles de la superficie del entorno. El sistema puede ser utilizado para ejecutar barridos electrónicos periódicos del sitio de trabajo y puede comparar los datos de superficie recopilados con la salida de la nube de puntos anterior. La unidad de control puede calcular el volumen del material eliminado o rellenado y los cambios en la superficie en las áreas de operación en respuesta a la comparación. El sistema también puede actualizar el modelo de producción o terreno y el mapa del sitio de trabajo. El sistema puede determinar los cambios en los perfiles de la superficie del sitio de trabajo y el operador puede ver los volúmenes de corte/relleno en tiempo real y los cambios en la superficie dentro de la cabina de control. Las nubes de puntos creadas pueden transformarse en modelos tridimensionales para cálculos de volumen y modelos de terreno. Además, los modelos y mapas tridimensionales creados y actualizados pueden compartirse con dos o más máquinas de movimiento de tierras que operen en el mismo sitio de trabajo, por lo que se pueden usar modelos y mapas tridimensionales colaborativos. Además, los datos pueden usarse para monitorizar y registrar automáticamente las medidas realizadas ejecutadas en el sitio de trabajo.
De acuerdo con una realización el sistema está configurado para determinar la posición y orientación de una herramienta de trabajo de la máquina de movimiento de tierras. Además, los datos de posición y orientación determinados pueden compararse con los datos de posición y orientación recopilados de uno o más dispositivos de detección dispuestos en el brazo. Los sensores del brazo pueden calibrarse en base a los datos de comparación. El sistema también puede usarse para detectar posibles fallos en los medios de detección primarios del brazo instrumentado.
De acuerdo con una realización uno o más dispositivos de telémetro están configurados para barrer electrónicamente una cuchara o una plataforma de transporte y el material cargado en las mismas. En base a los datos del barrido electrónico, se puede determinar el volumen y el centro de gravedad del material cargado. Los datos determinados pueden usarse para pesar el material cargado y para determinar la carga provocada en la máquina, por ejemplo.
[0041] De acuerdo con una realización el sistema está configurado para generar un modelo tridimensional de uno o más elementos de máquina o herramientas de trabajo. Mediante ello, se puede modelar la cuchara, la plataforma de transporte o el brazo. El modelo generado puede compararse con uno creado previamente, o con un modelo inicial realizado para la fabricación del componente, y se van detectando las desviaciones entre los modelos. De esta manera, se pueden notar desgastes, fallos y deformaciones del componente. El sistema puede proporcionar información para un sistema de monitorización de condiciones.
De acuerdo con una realización el sistema está configurado para determinar dónde existen los obstáculos potenciales en el entorno y dónde se encuentra la máquina de movimiento de tierras en relación con los obstáculos potenciales detectados. Por lo tanto, el sistema de control de la máquina puede utilizar los datos de la nube de puntos para detectar y evitar obstáculos. Los datos de la nube de puntos también se pueden utilizar para
el control de acceso y para crear zonas de seguridad alrededor de la máquina.
De acuerdo con una realización el sistema puede determinar las velocidades lineales y de giro de la máquina de movimiento de tierras en base a los datos de nube de puntos generados. Por lo tanto, los datos de la nube de puntos se pueden usar para odometría, en la que se determina el cambio de posición a lo largo del tiempo. La máquina de movimiento de tierras puede comprender uno o más dispositivos de telémetros divulgados dispuestos para detectar movimientos de uno o más medios de movimiento, tales como orugas o ruedas, de la máquina de movimiento de tierras. La distancia recorrida y la velocidad se pueden medir en base a los datos de la nube de puntos creados.
Breve descripción de los dibujos
Algunas realizaciones se describen con más detalle en los dibujos que se acompañan, en los que
la figura 1 es una vista lateral esquemática de una máquina excavadora provista de un dispositivo de telémetro, y la figura 2 muestra esquemáticamente algunos componentes de la disposición del telémetro.
En aras de la claridad, las figuras muestran algunas realizaciones de la solución divulgada de manera simplificada. En las figuras, números de referencia similares identifican elementos similares.
Descripción detallada de algunas realizaciones
[0046] La figura 1 muestra una excavadora E que comprende un soporte móvil 1 sobre el que está dispuesto un brazo 2. La excavadora es un ejemplo de una máquina de movimiento de tierras móvil. El soporte 1 puede comprender un soporte inferior 1a y un soporte superior 1b. El soporte superior 1b se puede conectar al soporte inferior 1a por medio de un eje de giro 3. El soporte superior 1b puede girar R alrededor de un eje de giro 4 del eje giro 3. El brazo 2 está dispuesto para girar junto con el soporte superior 1b. El brazo 2 puede comprender una primera parte de brazo 2a y una segunda parte de brazo 2b. La primera parte de brazo se puede conectar al soporte 1 por medio de una primera articulación, que no se muestra. La segunda parte de brazo 2b puede conectarse a la primera parte de brazo 2a por medio de una segunda articulación 5. En un extremo distal de la segunda parte de brazo 2b hay una herramienta de trabajo, en este caso una cuchara 6, y entre la cuchara 6 y la segunda parte del brazo 2b puede haber una tercera articulación 7. En conexión con la tercera articulación 7 también pueden existir articulaciones o mecanismos que permitan inclinar la cuchara en una dirección lateral. En el soporte 1 hay una cabina de control 8 para un operador. La cabina de control 8 puede estar provista de una disposición móvil que permita ajustar la posición vertical de la cabina de control 8 con respecto al soporte 1. La excavadora E está provista de una disposición de telémetro que comprende una o más unidades de control 9 y uno o más dispositivos de telémetro 10. El dispositivo de telémetro 10 puede estar dispuesto en el brazo 2, por lo que el dispositivo de telémetro 10 se mueve con el brazo 2. El brazo 2 puede estar provisto con al menos dos dispositivos de telémetro 10 dispuestos en diferentes ubicaciones del brazo 2 y por lo tanto tener diferentes ángulos de visión. También es posible disponer un dispositivo de telémetro 10 en la primera parte de brazo 2a y otro dispositivo de telémetro 10 en la segunda parte de brazo 2b. El brazo 2 o cada parte de brazo 2a y 2b también comprenden al menos un dispositivo de detección 14 para determinar los datos de posición y orientación del brazo 2 o las partes de brazo 2a y 2b. Además el dispositivo de telémetro 10 puede comprender el dispositivo de detección 14.
La excavadora E también puede estar provista de un sistema de posicionamiento por satélite GNSS, que comprende uno o más dispositivos de recepción de satélite SN para recibir señales de satélites S. El dispositivo de recepción SN puede situarse en el soporte 1 y la unidad de control puede calcular la posición de la excavadora E en base a los datos de posición basados en satélite recibidos. Alternativamente, la excavadora E puede estar equipada con otro dispositivo de medición de posición a bordo, como una estación total TS.
Los datos del dispositivo de medición de posición, el dispositivo de detección 14 y el dispositivo de telémetro 10 se transmiten a la unidad de control 9. La unidad de control 9 procesa los datos y proporciona una salida de nube de puntos de un objeto detectado por el dispositivo de telémetro 10.
La figura 2 describe algunos componentes y características de la disposición de telémetro divulgada. Estos inconvenientes ya se han divulgado anteriormente en esta solicitud. El dispositivo de telémetro 10 puede comprender el dispositivo de detección 14. El dispositivo de detección 14 puede comprender al menos una Unidad de Medición de Inercia (IMU) para generar datos sobre orientación. El dispositivo de telémetro 10 comprende una unidad de transmisión 11 que transmite señales de tiempo de vuelo y una unidad de recepción 12 que comprende al menos un detector 13 que recibe señales reflectantes. La invención y sus realizaciones no se limitan a los ejemplos descritos anteriormente sino que pueden variar dentro del alcance de las reivindicaciones.
Claims (8)
1. Una máquina móvil de movimiento de tierra que comprende:
un soporte (1);
al menos un elemento de máquina móvil con respecto al soporte (1);
un sistema de posicionamiento para determinar datos de orientación y posición en tres dimensiones de la máquina de movimiento de tierras en un lugar de trabajo;
al menos un dispositivo de detección (14) para determinar los datos de posición y orientación del elemento de máquina móvil;
al menos un dispositivo de telémetro (10) para detectar al menos un objeto en un campo del al menos un dispositivo de telémetro (10) y proporcionar una salida de nube de puntos del al menos un objeto; y
al menos una unidad de control (9) configurada para
recibir como datos de entrada al menos los datos de orientación y posición en tres dimensiones del sistema de posicionamiento, los datos de posición y orientación del elemento de máquina móvil y la nube de puntos del al menos un objeto, y procesar los datos de entrada producidos;
por lo que
el al menos un dispositivo de telémetro (10) es un dispositivo de estado sólido sin elementos mecánicos móviles internos, por lo que el al menos un dispositivo de telémetro (10) no tiene equipo de barrido electrónico interno, y está provisto de un ángulo de visión limitado;
el al menos un dispositivo de telémetro (10) está dispuesto en un elemento de máquina móvil y está configurado para moverse junto con el elemento de máquina móvil para ampliar el ángulo de visión del al menos un dispositivo de telémetro (10);
el al menos un dispositivo de telémetro (10) está configurado para generar la salida de la nube de puntos en base al tiempo de vuelo de señales transmitidas por al menos una unidad de transmisión (11) y señales reflejadas recibidas por al menos una unidad de recepción (12) que comprende al menos un detector (13); y la al menos una unidad de control (9) está configurada para determinar orientación y posición en tres dimensiones del al menos un dispositivo de telémetro (10) en el lugar de trabajo y para proporcionar la nube de puntos en respuesta a los datos de entrada.
2. La máquina de movimiento de tierras según la reivindicación 1, en la que
la unidad de control (9) está configurada para determinar orientación y posición en tres dimensiones del al menos un dispositivo de telémetro (10) y para proporcionar a la nube de puntos coordenadas tridimensionales en respuesta a los datos de entrada.
3. La máquina de movimiento de tierras según la reivindicación 1 ó 2, en la que
la unidad de recepción (12) comprende al menos un elemento de detector (13) dispuesto para formar un conjunto de n*m elementos de detector, donde n y m pueden ser cualquier número.
4. La máquina de movimiento de tierras según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3, en la que el al menos un elemento de máquina es un brazo (2); y
el al menos un dispositivo de telémetro (10) está dispuesto en el brazo (2), por lo que el al menos un dispositivo de telémetro (10) se mueve junto con el brazo (2).
5. La máquina de movimiento de tierras según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4, en la que el dispositivo de telémetro (10) es un dispositivo de telémetro láser, en el que la unidad de transmisión (11) comprende al menos un transmisor láser.
6. La máquina de movimiento de tierras según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5, en la que
el sistema de posicionamiento para determinar los datos de orientación y posición en tres dimensiones de la máquina de movimiento de tierras comprende un sistema de posicionamiento basado en satélites (GNSS).
7. La máquina de movimiento de tierras según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 6, en la que el al menos un dispositivo de detección (14) para determinar posición y orientación del elemento de máquina móvil comprende al menos una Unidad de Medición de Inercia (IMU) para producir datos sobre la orientación; y la unidad de control (9) está configurada para determinar la orientación del al menos un dispositivo de telémetro (10) en respuesta a los datos recibidos desde la Unidad de Medición Inercial.
8. Un método de barrido electrónico tridimensional en un lugar de trabajo de una máquina de movimiento de tierras, en el que la máquina de movimiento de tierras comprende un soporte (1) y al menos un elemento de máquina móvil con respecto al soporte (1);
comprendiendo el método:
determinar datos de orientación y posición en tres dimensiones de la máquina de movimiento de tierras en el lugar de trabajo;
producir datos de barrido electrónico del entorno de la máquina de movimiento de tierras por medio de al menos un dispositivo de telémetro (10) dispuesto en el al menos un elemento de máquina móvil de la máquina de movimiento de tierras, en el que los datos del barrido electrónico comprenden al menos una nube de puntos de al menos un objeto detectado en un campo del al menos un dispositivo de telémetro (10);
dar entrada a los datos del barrido electrónico producidos y los datos de posición y orientación determinados en al menos una unidad de control (9) y calcular las coordenadas tridimensionales para al menos un punto objetivo de los datos del barrido electrónico producidos;
ejecutar el barrido electrónico por medio del al menos un dispositivo de telémetro (10) que es un dispositivo de estado sólido sin elementos mecánicos móviles internos, por lo que el dispositivo de telémetro no tiene equipo de barrido electrónico interno, y está provisto de un ángulo de visión limitado;
ampliar el ángulo de visión del al menos un dispositivo de telémetro (10) que está dispuesto en el elemento de la máquina móvil moviendo el dispositivo de telémetro (10) por medio del elemento de la máquina móvil; determinar la distancia entre el al menos un dispositivo de telémetro (10) y el al menos un objeto por medio de medición de tiempo de vuelo, y dar entrada a los datos en la al menos una unidad de control (9); determinar orientación y posición en tres dimensiones del al menos un dispositivo de telémetro (10), y dar entrada a los datos en la unidad de control (9); y
calcular coordenadas tridimensionales para la nube de puntos en respuesta a los datos de entrada.
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