基于点云的表面施工的制作方法

背景技术：

本公开总体上涉及表面施工，并且更具体而言涉及基于点云的表面施工。

表面施工(例如，道路施工)规范通常包括平滑度要求。平滑度要求确定了表面应该被施工成的平滑度，以确保表面将用于其预期的目的。例如，路面必须沿着表面的长度在一定高度上没有凹陷和隆起，以便允许车辆以期望的速度在表面上安全地行驶并且生成将具有期望寿命的表面。另外，表面施工规范可以包括关于表面必须如何适应诸如路缘和排水沟的外部参考的信息。

使用各种方法构建表面以生成期望的结果(例如，以实现期望的平滑度)。在一种方法中，使用各种材料来构建表面以防止或最小化随着时间的推移表面的变化。通常在涂覆顶表面之前使用诸如砾石或沙子之类的底面材料。用于顶表面的材料可以是沥青、水泥、碎石等。测量用于构建表面的材料以确定材料的顶表面是否在特定范围内是平滑的(即，没有超过一定尺寸的凹陷和/或隆起)。如果表面在所期望范围内不平滑，则表面必须被修改。表面平滑度的测量可以在表面的整个施工过程中重复进行。如此，可以使用不同的机器和不同的传感器来测量表面的平滑度。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种方法包括从多个传感器接收表示表面的数据。点云基于该数据生成，并且然后基于特定的传感器类型进行滤波，以生成传感器特定数据。多个传感器可以包括但不限于高度传感器、全球导航卫星系统(gnss)接收器、惯性测量传感器和车轮传感器。所述高度传感器可以包括基于激光的距离感测装置或基于声波的距离感测装置，并且所述特定的传感器类型可以是激光扫描仪的声波跟踪器。在一个实施例中，所述滤波基于高斯滤波器。所述传感器特定数据可以被传输到机器以用于修改表面。

在一个实施例中，一种方法包括在具有高度传感器的机器处接收传感器特定数据。所述传感器特定数据基于表面的点云数据，并且基于所述高度传感器的特性对点云数据进行滤波。基于来自高度传感器的数据，与经滤波的云数据相比较以修改表面。在一个实施例中，所述经滤波的云数据被修改以反映期望的表面。所述高度传感器可以是声波跟踪器、光学传感器和/或激光扫描仪中的一个或多个。在一个实施例中，当扫描机器沿着表面行进时，基于从与所述扫描机器相关联的多个传感器接收的数据来生成所述表面的点云数据。

在这里，还描述了用于实现上述方法的设备。

附图说明

图1示出了用于收集表面数据的车辆；

图2示出了传感器和获取的传感器数据；

图3示出了根据实施例的方法的流程图；以及

图4示出了计算机的高级框图。

具体实施方式

本公开描述了用于将基于多个传感器生成的数据转换为可以结合具有已知特性的单个传感器或多个传感器使用的数据的方法和设备。表面施工(例如，道路建设)的各种方法使用机器来生成表面的表示。在一个实施例中，这种表示被称为点云并且基于从多个传感器接收的数据而生成。点云信息还可以包括关于表面必须如何适应诸如路缘和排水沟的外部参考的信息。具有能够感测表面以生成点云的多个传感器的机器在表面施工期间可能不是一直可用的。然而，也可以使用装配有一个或两个传感器的其他机器。由于点云数据是使用来自多个传感器的数据生成的表面表示，与点云数据相比，来自不同传感器配置的数据通常不会生成有意义的结果。因此，点云数据在与来自不同传感器配置的数据一起使用之前需要进行滤波。这种滤波允许使用某些机器和传感器类型以获取点云数据，并且允许在表面施工和修改过程中使用不同类型的传感器。例如，在表面信息的初始构建期间，可以使用具有激光扫描仪的机器以及附加传感器。必须对使用激光扫描仪和附加传感器获得的点云数据进行滤波(例如，转换)，以便与来自诸如声波跟踪器的单个传感器的数据一起使用。这里描述的方法可以用于各种类型的机器控制和表面施工方法。

可以结合各种表面规范和施工方法使用二维(“2d”)或三维(“3d”)机器控制系统来完成表面施工。机器控制系统有助于根据表面规范对表面进行施工。表面规范可分为三种类型：松散要求、平滑度要求和严格的3d要求。

具有松散要求的表面规范可能仅指定使用材料的量。对于具有松散要求的表面规范，可以在没有控制系统的情况下进行操作(例如，手动控制诸如用于去除表面材料的铣床以及用于添加和使材料成形的沥青摊铺机)。在一些情况下，针对具有松散要求的表面规范的操作使用传感器技术(例如，声波跟踪器)以复制表面并施加固定的偏移，以便使用特定厚度的附加材料覆盖表面。

具有平滑度要求的表面规范通常涉及使用2d机器控制系统的操作。使用声波跟踪器或激光扫描仪的机械滑雪和/或非接触式平均装置，与2d机器控制系统一起使用，以实现期望的平滑度。表面的平滑度可以使用诸如断面测绘器的装置来确定，所述断面测绘器测量表面的不平坦度。

具有严格的3d要求的表面规范可能需要各种传感器和装置，以实现高度准确性(elevationaccuracy)。为了实现严格的3d要求，可以使用附加的升级，例如弦线、基于全站仪的控制、以及基于gnss和激光的控制。下面更详细地描述这些升级。

如前所述，可以使用2d机器控制根据表面规范施工表面。2d机器控制通常用于表面施工，并且可以包括沿垂直调整(例如，第二维度)自动化的表面(例如，第一维度)移动的机器。

应该指出，垂直调整可以被手动控制。当手动控制垂直调整时，操作者通过目视来监控垂直距离(例如，偏移)，或者可以使用传感器输出(例如，声波跟踪器)来监控垂直距离。

在使用表面规范来指示沿着表面的多个垂直距离的操作中，可以使用2d机器控制。所述2d机器控制跟踪表面并控制机器的垂直方面，以使表面的形状与某一偏移相匹配。操作者根据基于表面规范提供的数字来调整偏移。这些数字可以在已经开始修改表面之前被写在表面上。当机器沿着表面行进时，操作机器的用户可以看到这些数字。

2d机器控制可以与平均系统一起使用。平均系统可以是机械类型的系统，基于声波的距离感测系统和/或基于激光的距离感测系统。应该注意的是，不管使用哪种类型的平均系统，具有平均系统的2d机器控制都不跟踪实际的表面，而是跟踪表面的平均表示。

如果已经以足够的间隔(在纵向方向上)对表面进行了测量并且如果也捕获了横向上的所有断线，则可以使用3d机器控制。当使用3d机器控制时，机器的精整部分(即，将修改或创建表面的顶部的部分，诸如熨平板、鼓或叶片)的位置必须在诸如x、y和z的三维上已知；或纬度、经度和海拔是已知的；平移、偏移和海拔是已知的等等。该位置可以相对于已知的局部点或者使用投影系统(例如，3d坐标系)来计算。当机器移动时，机器的精整部分的位置被连续地计算并与表面设计信息进行比较。机器控制系统连续地进行调整，以尝试并使精整部分的位置与沿表面的每个位置处的表面规范(例如，表面设计)相匹配。

多个全球导航卫星系统(“gnss”)接收器可以与3d机器控制结合使用。但是，gnss的精度有限，特别是在海拔方面。这种有限的精度可能不足以达到表面施工的期望结果。

gnss接收器的海拔不精准性可以使用外部参考设备来克服。全站仪可以跟踪安装在机器精整部分的棱镜。使用棱镜确定的位置信息被传输到机器上的控制系统，在该机器上控制机器的精整部分的海拔以匹配从机器位置处的表面的设计数据连续被提取的海拔。另一种使用外部参考的方法是在gnss天线附近的机器上跟踪的已知点发射激光束。来自激光发射器的具有精确海拔数据的水平位置信息可以由控制机器的精整部分的系统组合。

当表面平滑度具有高优先级时，上述方法可能不利于表面施工。虽然3d机器解决方案可用于在表面规范内施工表面，但完成表面的平滑度可能不足。这可能是由于与外部海拔参考工作的困难所致。

用于生成表面表示的数据点的数据收集可以使用配备有多个传感器的车辆来完成。这通常需要将感测装置(例如，基于声波的距离感测装置)放置在要跟踪的表面的点上方。或者，可以使用基于激光的距离感测系统。基于激光跟踪器的距离感测系统通常在横向上每次数据采集运行时检测2-3个表面点。如果有足够的附加数据可用，独立收集运行可以精确地拼接在一起。感测装置(例如，激光跟踪器)通常直接放置在跟踪点上方。使用多个传感器来检测表面轮廓的基于点云的解决方案可用于生成表面的表示。没有数据修改的基于点云的方案通常具有过多的噪声数据。点云方案也会生成大量数据，并且出于设计目的，包含这些数据的文件不易于处理。最后，使用点云方案进行数据后处理可能非常耗时。

使用表面作为参考的机器控制可以被执行，但是某些问题会影响完成表面的精度。使用表面作为参考的机器控制要求感测装置(机械或声波)位于收集数据位置的顶部。定位通常基于可以粘住或滑动的车轮传感器。最后，使用表面作为参考的机器控制需要高度熟练的操作者。

在一个实施例中，用于铺路和/或碾磨过程的方法使用点云数据集，该点云数据集经过修改，使得其可以用于使用单个控制感测部件(例如，声波跟踪器)的机器控制。使用传感器的组合来收集表面数据。数据被处理以创建点云并且点云数据然后被滤波以生成模拟特定传感器将感测表面的方式的数据。

图1示出了配备有多个装置和传感器的车辆102，所述装置和传感器可以用来提供表面的测量。示出了具有全球导航卫星系统(gnss)接收器104的车辆102(在该示例中为卡车)，该全球导航卫星系统(gnss)接收器104可以用于确定车辆102的位置。在该示例中，容器106容纳处理单元，在一个实施例中，该处理单元用于为来自各种传感器和装置的数据提供时间戳。容器106还容纳可用于检测车辆102的移动的惯性测量单元(imu)。壳体108包含基于激光的距离感测装置，以用于确定从感测装置到车辆102正在其上移动的表面的距离。示出了车辆102具有可用于确定车辆102的移动的车轮传感器110。在一个实施例中，车轮传感器110是编码器，但也可以是用于检测旋转的任何类型的传感器。

在一个实施例中，来自gnss接收器104、imu和基于激光的距离感测装置的数据被传输到容器106中的处理单元以被标记时间戳。被标记时间戳的数据然后经由电缆114传输到数据存储装置112。应当注意的是，可以将数据从各种传感器和装置无线地传输到处理单元和/或数据存储装置112。

当车辆102在表面上行驶时，各种传感器和装置收集关于表面的数据。例如，可以使用gnss接收器104来确定车辆102的位置。imu还可以用于检测车辆102的移动并且确定车辆102的位置。通过测量从高度传感器下方的表面的点或区域到高度传感器的距离，可以使用各种类型的距离传感器来确定表面的轮廓。在一个实施例中，壳体108还包含基于光学的距离感测装置，其用于确定从光学距离感测装置到车辆102正在其上移动的表面的距离。在一个实施例中，基于光学的距离感测装置包括一个或多个相机。一个或多个相机收集其他传感器无法感测的表面的其他细节。另外，可以使用一对相机来使用诸如三角测量之类的方法来确定从相机到车辆102正在其上行驶的表面的距离。在其他实施例中，基于光学的距离感测装置可以是其他类型的光学装置和/或传感器。

基于激光的距离感测装置和基于光学的距离感测装置可以被一起使用。例如，如图1所示，壳体108中的基于激光的距离感测装置和/或基于光学的距离感测装置可以用于测量距离。距离传感器可以是用于测量距离的任何类型的传感器，例如声波跟踪器或激光扫描仪，或者传感器的组合。在一个实施例中，使用一个或多个光学距离传感器来光学地检测表面的变化。在一个实施例中，一对光学传感器被用于表面的立体成像。来自位于壳体108中的基于光学的距离感测装置的数据可以被传输到容器106中的处理单元。

在一个实施例中，车轮传感器110可以包括用于感测车辆102的移动的旋转传感器。来自被安装到车辆102的一个或多个传感器或装置的数据可以被传输到可以存储和分析数据的数据存储装置112。来自数据存储装置112的数据也可以经由通信天线被传输到远程位置。

应该注意的是，用于检测表面轮廓的传感器可以被安装到车辆102以外的机器或装置。例如，用于检测表面轮廓的各种传感器可以被安装到施工机器上，例如压路机。任何可以移动或者可以在表面上被移动并且可以被配备一个或多个传感器的机器都可以用来检测表面的轮廓。

在一个实施例中，安装到车辆102的传感器和装置被用于生成点云数据。点云数据形成表面的表示。然后可以使用点云数据来确定可能需要的修改以满足表面的平滑度要求或其他要求。在一个实施例中，收集数据以聚焦于捕获传感器被附接到的车辆102附近的表面的细节。在一个实施例中，可以组合多个机器上的多个传感器以生成点云数据。

在一个实施例中，使用一个或多个基于机械的距离传感器来测量表面的轮廓。基于机械的距离传感器可以被单独使用或与其他类型的传感器结合使用。在一个实施例中，基于机械的距离传感器包括被配置为感测施工机器的端门(endgate)的位置的弦线电位计。当端门通过端门正在其上移动的表面的轮廓垂直移动时，弦线电位计输出与垂直位置和端门有关的数据。该数据可以被解释为确定端门正在其上移动的表面的轮廓。在一个实施例中，侧叶片与弦线电位计一起使用以感测表面轮廓。

在获取来自传感器的数据之后，数据被用于生成表示表面的点云。点云可以由数据存储装置112或者远离车辆102的装置(例如，计算机)或两者的组合来生成。在其中点云至少部分地由远程计算机生成的实施例中，来自传感器的数据可以经由通信天线或其他手段被传输到远程计算机。

点云数据基于来自一个或多个传感器的数据的组合来提供表面的特定表示。应该指出的是，点云数据可以与其他点云数据进行比较。然而，点云数据通常不能很容易地与来自单个传感器(例如，声波距离感测装置或激光距离感测装置)或使用不同类型的传感器或配置的任何其它传感器系统的数据进行比较。因此，为了直接在施工和/或修改表面中利用点云数据，应该将代表表面期望形状的参考点云与基于表面的当前条件生成的点云进行比较。由于点云生成可能需要大量的处理，因此通常远离用于获取表示表面的传感器数据的施工机器。因此，点云生成通常不由施工机器或车辆的部件感测表面的当前状况来执行。

尽管施工机器通常不被配置为生成点云数据，但是施工机器的控制单元可以将传感器数据与参考数据进行比较，以生成用于向操作者显示的信息。例如，可以将基于声波跟踪器的参考数据与来自另一个声波跟踪器的数据进行比较。类似地，基于激光扫描仪的参考数据可以与来自另一台激光扫描仪的数据进行比较。然而，未经修改的点云数据不能与基于声波的传感器数据或基于激光的传感器数据进行比较。

在一个实施例中，对点云数据进行滤波，以生成可用作表面施工的参考数据的数据。具体而言，点云数据被滤波(也被称为修改)以生成可以与来自特定类型的传感器数据进行比较的数据。例如，表面的点云数据可经滤波以生成参考数据，从而与来自声波跟踪器的数据进行比较。在一个实施例中，可以修改参考数据以反映期望的表面。点云数据的滤波可以在用于获取点云数据的机器的控制单元上来执行。在一个实施例中，滤波被远程执行，并且经滤波的数据被传输到机器以供使用。在一个实施例中，远程执行滤波，并且当机器正在修改表面时，基于滤波而生成的数据被传输到机器以修改表面。用于反映期望表面的参考数据的修改可以通过修改表面的机器或通过单独的装置远程地执行，并且被传输到机器以用于修改表面。在一个实施例中，远程执行用于反映期望表面的参考数据的修改，并在机器修改表面时将其传输到机器以修改表面。

图2示出了传感器和所获取的传感器数据。图2示出传感器200从第一位置移动到第二位置(以虚线示出)。图2中所示的传感器200是声波跟踪器，但也可以是其他类型的传感器，例如激光扫描仪。传感器200在其从第一位置移动到第二位置时输出数据。数据传感器200输出表面202的表示并且被示出为虚线204。如图2中所示，来自传感器200的数据表示在表面传感器200当前所处的长度上的表面202的平均值。例如，传感器200被示出为在第一位置处输出数据点206，其表示在距离210上的表面202的平均值，该表面202在图2中示出为数据点206。距离210是传感器200在第一位置感测到的表面202的长度。类似地，数据点208表示距离212上的表面202的平均值。

图2中示出的交叉点214表示代表表面202的点云的点。如图2中所示，多个交叉点214不提供类似于图2中虚线204所示的由传感器200所生成的表面表示的一组数据点。

在一个实施例中，对用于表面的点云数据进行滤波，以生成类似于由特定传感器(例如，图2的声波跟踪器200)生成的表示的表面表示。在一个实施例中，通过使用算法修改点云数据来执行点云数据的滤波。

可以使用各种滤波方法来将点云数据转换为表示由特定传感器感测到的表面的数据。在一个实施例中，用于将点云数据转换成表示由特定传感器感测到的表面的数据的滤波方法基于高斯滤波器。在一个实施例中，滤波器仅应用于表示高度坐标的点云的点，并且平滑效果取决于滤波器西格玛(在下面的等式中示为σ)。对于点云中的每个点pi，确定位于点pi周围的特定区域a中的所有点pj。如下所示，对于点pi来说，经滤波的高度h'i被计算为属于a的所有点pj的高度hj的加权平均值：

在一个实施例中，区域a被定义为以地球为中心的固定地球坐标(“ecef”)的4σ*4σ*4σ立方体。应该注意的是，在一个实施例中，为了减少计算时间，将a定义为立方体而不是球体。

在一实施例中，缓存方案以用于提高性能(例如，减少计算时间)。在一实施例中，缓存方案包括从数据库加载ecef坐标中的16σ*16σ*16σ立方体，并使用该立方体用于适于缓存内的若干点。

西格玛可以是一系列的值。在一个实施例中，西格玛被设定为20厘米。应该注意的是，即使用于平均的实际区域是4σ*4σ*4σ的立方体，有效区域是半径为2σ的球体。这是因为当两点之间的距离大于西格玛时，用于平均的高斯权重下降很快。

在一个实施例中，本文描述的高斯滤波器被用于将点云数据转换为与声波跟踪器一起使用的数据。这里描述的高斯滤波器可以被修改以与其他类型的传感器一起使用。在一个实施例中，使用其他类型的滤波器以生成与特定传感器一起使用的数据。

图3示出了用于对点云数据进行滤波的方法300的流程图。在步骤302中，从多个传感器接收数据。在一个实施例中，传感器被附接到沿着表面移动的扫描机器，例如施工机器。在另一实施例中，扫描机器是诸如皮卡车的车辆。数据表示由多个传感器感测到的表面。在一个实施例中，数据从扫描机器传输到远程位置以用于分析和/或修改(例如，滤波)。

在步骤304中，基于从多个传感器接收的数据生成点云。应该注意的是，可以使用来自扫描机器上的所有传感器或位于扫描机器上的传感器的子集的数据来生成点云。

在步骤306中，基于特定传感器类型对点云进行滤波以生成传感器特定数据。例如，点云可被滤波以生成基于声波的传感器类型数据、激光传感器类型数据和/或基于机械的距离感测装置数据。

在步骤308中，将传感器特定数据传输到施工机器以用于修改表面。例如，可以使用多个传感器基于扫描机器生成点云数据。点云数据可以被滤波以生成传感器特定数据以供具有特定传感器的施工机器使用。因此，点云数据可以被转换成可以与位于特定施工机器上的传感器一起使用的数据。

在步骤310中，使用传感器特定数据由施工机器修改表面。

例如，当仅具有单个传感器(例如，声波跟踪器)的机器可用于表面施工时，可以使用方法300。先前针对特定表面生成的点云基于来自多个传感器的数据。因此，点云数据与来自表面的声波跟踪器的数据相比不会生成有意义的信息。点云数据被滤波以生成表面的表示，该表示是使用声波跟踪器捕获的表面表示所生成的近似值。然后可以将经滤波的数据与来自声波跟踪器的数据进行比较，以确定表面的高度和表面的期望高度之间的差异。类似地，当仅具有激光扫描仪或其他类型的高度传感器的机器可用于表面施工时，表面的点云数据可被滤波以生成近似于使用激光扫描仪或其他高度传感器捕获的表面表示所生成的数据。

应该注意的是，可以进一步修改经滤波的数据以生成附加的数据。例如，可以进一步修改经滤波的数据以生成表面所需的修改的表示，以便将表面从其当前平滑度改变为期望的平滑度。

在一个实施例中，可以在施工机器上或远程地实时执行滤波，并将其传输到施工机器。例如，点云数据可以在远程位置被滤波，并基于来自施工机器的数据在需要时被传输给施工机器，以指示其相对于表面的位置。这样，与施工机器当前或即将修改的表面的特定部分(例如，在施工机器表面修改工具或装置的前面2-3英尺)有关的数据可以基于施工机器的位置和移动在需要时被传输给施工机器。这可以减少施工机器的各种控制和装置所需的内存量。在一个实施例中，被转换成与施工机器配备的特定传感器一起使用的日期的点云数据被传输到施工机器，并且施工机器基于期望的表面来修改所接收的数据。在一个实施例中，传输到施工机器的数据被修改以考虑期望的表面。

应该注意的是，尽管在图1中示出了各种传感器和装置被安装到车辆102的后部，但是传感器和装置也可以位于车辆102的前部或侧部或上部。在一个实施例中，示出的安装在图1中车辆102的后部的传感器和装置可以被分开安装到车辆102上的不同位置。车辆102被示出为皮卡车，但是也可以是能够移动的任何类型的车辆或机器，或者在表面上能够被移动的任何类型的车辆或机器。

可以使用计算机实现图1的处理单元、imu、gnss接收器104、基于光学的距离感测装置、基于激光的距离感测装置、数据存储装置112以及用于生成和滤波点云数据的远程装置。这种计算机的高级框图在图4中示出。计算机402包含处理器404，其通过执行定义这种操作的计算机程序指令来控制计算机402的整体操作。计算机程序指令可以存储在存储装置412或其他计算机可读介质(例如磁盘、cdrom等)中，并且当期望执行计算机程序指令时将其加载到内存410中。因此，图3的方法步骤可以由存储在内存410和/或存储器412中的计算机程序指令来定义，并且由执行计算机程序指令的处理器404来控制。例如，计算机程序指令可以实现为本领域技术人员编程的计算机可执行代码，以执行由图3的方法步骤定义的算法。因此，通过执行计算机程序指令，处理器404执行通过图3的方法步骤定义的算法。计算机402还包括用于经由网络与其他装置进行通信的一个或多个网络接口406。计算机402还包括使用户能够与计算机402交互的输入/输出装置408(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)。本领域的技术人员将认识到，实际计算机的实现也可以包含其他部件，并且出于说明的目的，图4是这种计算机的一些部件的高级表示。

前面的具体实施方式应被理解为在每个方面都是说明性的和示例性的，而不是限制性的，并且这里公开的本发明构思的范围不是从具体实施方式中确定，而是根据专利法允许的全部范围解释的权利要求来确定的。应当理解，这里所示出和描述的实施例仅仅是对本发明构思的原理的说明，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明构思的范围和精神的情况下实施各种修改。本领域技术人员可以在不脱离本发明构思的范围和精神的情况下实施各种其他特征组合。