使用射频信号的定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及一种用于移动物体，诸如移动机器的定位系统。定位系统尤其与 这种移动物体在地下环境中的高精度位置确定有关。
【背景技术】
[0002] 机器，诸如，例如，拖运卡车、钻孔机、装载机、输送机以及其它类型的重型装备常 用于地下采矿应用以执行各种任务。不同于地上采矿应用，地下采矿工地无法访问GPS(全 球定位系统)信号，但获知机器例如相对于工地地势的现场位置却是期望的。
[0003] 在一些地下采矿应用中，激光雷达(光探测和测距；也称为激光雷达)定位系统可 用于跟踪机器相对于工地的位置。激光雷达系统扫描邻近机器的周围环境的部分。每次激 光雷达扫描捕获表示工地被扫描部分形状的数据。然后捕获到的数据与工地的已知地图的 参考相比较，且定位系统基于与捕获到的数据相关的参考推断机器的位置。定位系统能够 通过随后捕获另一个激光雷达扫描，且类似地将该捕获到的数据与地图参考相比较来跟踪 机器的移动。
[0004] 然而，在一些应用中，对于激光雷达系统来说，仅基于将捕获到的数据与地图参考 相关联来确定机器的位置可能是困难的。例如，捕获到的数据可能表示并非对于具体位置 是独有的形状。另外，将捕获到的数据与地图相比较可能计算强度大，导致处理系统寻找匹 配参考很缓慢。另外，工地上可能存在没有永久位置或最新添加的物体。这些物体可能导致 激光雷达系统的复杂性，该激光雷达系统试图将工地环境中的形状与预先存在地图相匹配 (如果这些形状并不包括在预先存在地图中）。这可能导致激光雷达系统丢失对机器位置的 跟踪，需要操作者对机器的手工干涉，而操作者必须识别机器位置并重新植入定位系统。
[0005] 在一些应用中，可能期望监控除移动机器之外的移动物体。例如，可能期望确定一 些其它移动装置在地下环境中的位置。
[0006] 所公开的定位系统旨在克服或至少改善上面提到的一个或多个问题。
【发明内容】
[0007] 在一个方面，公开了一种用于确定工地中机器的位置的方法。该方法包括由机器 上的激光雷达单元确定来自激光雷达勘测的输入数据。输入数据与在激光雷达单元和工地 中相应光反射点之间的距离相关联。该方法进一步包括由工地内的已知位置处的第一信号 装置与位于机器上的第二信号装置之间的射频通信来进行通信。该方法进一步包括基于至 少射频通信确定机器的位置数据，并基于位置数据和输入数据确定机器的位置。
[0008] 在另一个方面，公开了一种用于确定工地中机器的位置的系统。该系统包括用于 附接到机器并且配置成捕获激光雷达勘测以产生输入数据的激光雷达单元，该输入数据与 在激光雷达单元和工地中相应光反射点之间的距离相关联。该系统进一步包括射频通信系 统，其包括用于在工地内的已知位置处定位的第一信号装置以及用于附接到机器的第二信 号装置。通信系统配置用于执行第一信号装置和第二信号装置之间的射频通信。该系统进 一步包括控制系统，其与激光雷达单元和射频通信系统通信。控制系统配置成基于至少射 频通信确定机器的位置数据，并基于位置数据和输入数据确定机器的位置。
[0009] 在另一个方面，公开了一种用于确定移动机器或其它移动物体的位置的方法。机 器或其它物体位于包括至少一条隧道的地下矿井中。隧道具有用于将矿石装载到移动机器 上的多个指定装载位置。该方法包括将第一测距装置和第二测距装置配置成执行其间的超 宽带射频通信。第一测距装置位于矿井中的已知位置处且在隧道内具有操作场(第一测距 装置在其上具有视线）。操作场沿隧道延伸通过至少两个指定装载位置。第二测距装置与机 器或其它移动物体相关联且位于操作场中。该方法进一步包括发射来自测距装置之一的通 信的第一超宽带射频信号。该方法另外包括接收来自测距装置中另一个的所述通信的超宽 带射频响应信号。另外，该方法包括确定时基特性，其与第一超宽带射频信号的发射以及超 宽带射频响应信号的接收相关联。该方法进一步包括基于时基特性确定第二测距装置的位 置。
[0010] 可选地，位置可相对于存储在存储器系统中的地图的矿井来确定。可选地，该方法 可进一步包括:识别矿井中的安装位置，此处第一测距装置在隧道内具有操作场(第一测距 装置在其上具有视线），所述操作场沿隧道延伸通过至少两个指定装载位置;且将第一测距 装置安装在安装位置处。该方法可进一步包括将识别的安装位置作为第一测距装置相对于 矿井地图的所述已知位置存储在存储器系统中。在一个实施例中，第一测距装置位于隧道 的一端处。可选地，移动物体为装载-拖运-倾倒采矿机器，其中该方法进一步包括将第二测 距装置安装到机器的后部。
[0011] 在另一个方面，公开了另一种用于确定移动机器或其它移动物体的位置的方法。 机器或其它物体位于包括至少一条隧道的地下矿井中。隧道具有用于将矿石装载到移动机 器上的多个指定装载位置。该方法包括将第一测距装置和第二测距装置配置成执行其间的 超宽带射频通信。第一测距装置位于矿井中的已知位置处且在隧道内具有操作场(第一测 距装置在其上具有视线）。操作场沿隧道延伸通过至少两个指定装载位置。第二测距装置与 移动物体相关联且位于操作场中。该方法包括发射来自测距装置之一的所述通信的第一超 宽带射频信号。该方法进一步包括接收来自第一测距装置和第二测距装置中另一个的所述 通信的第一超宽带射频响应信号。该方法还包括确定第一时基特性，其与第一超宽带射频 信号的发射以及超宽带射频响应信号的接收相关联。该方法还包括发射来自第二测距装置 和第三测距装置之一的第二超宽带射频信号。第三测距装置位于与第一信号装置相反的隧 道的一端的工地中的另一已知位置处。第二测距装置位于第一测距装置和第三测距装置之 间。该方法进一步包括接收来自第二测距装置或第三测距装置中的另一个的第二超宽带射 频响应信号。此外，该方法包括确定第二时基特性，其与第二超宽带射频信号的发射以及第 二超宽带射频响应信号的接收相关联。该方法还包括基于第一时基特性以及第二时基特性 确定第二测距装置的位置。
[0012] 在另一个方面，公开了一种用于确定地下矿井中移动物体，例如移动机器的位置 的系统。矿井包括至少一条隧道，该隧道具有用于将矿石装载到移动机器上的多个指定装 载位置。该系统包括用于存储表示矿井地图的数据的存储器系统。该系统进一步包括第一 测距装置，其位于矿井中的已知位置处且在隧道内具有操作场(第一测距装置在其上具有 视线）。操作场沿隧道延伸通过至少两个指定装载位置。该系统进一步包括第二测距装置， 其与移动物体相关联且位于操作场中。第一测距装置和第二测距装置配置成执行超宽带射 频通信用于确定时基特性，该特性与发射来自测距装置之一的第一超宽带射频信号以及接 收来自测距装置中另一个的超宽带射频响应信号相关联。该系统进一步包括控制器，其配 置成基于时基特性确定第二测距装置相对于地图的位置。
[0013] 如本文所使用，术语"包括"（及其语法变型）包含性地使用且不排出额外特征、元 件或步骤的存在。
【附图说明】
[0014] 将参考下面的附图描述本发明的实施例的各个方面和特征，所述附图提供仅以进 行阐述并且仅借助于非限定性的示例。
[0015] 图1是示例性公开的机器的图示；
[0016] 图2是可与移动物体，诸如图1的机器(该机器以简化的方式示出）一起使用的示例 性定位系统的图示；
[0017] 图3是可由图2的定位系统使用以确定机器位置的数据的概念性表示；
[0018] 图4是图2的定位系统在其中可操作的工地的图示；
[0019]图5是描绘示例性公开的定位方法的流程图；
[0020]图6是描绘用于执行图5的定位方法的部分的示例性相关算法的流程图。
【具体实施方式】
[0021]图1示出具有示例性公开的定位系统的机器10。机器10体现为移动机器，其配置成 执行与诸如采矿、建筑、农业、运输工业或本领域已知的任何其它工业相关联的一种或多种 操作。例如，机器10可以是装载移动机器，诸如拖运卡车、装载机、挖掘机、轮式牵引车、刮土 机或任何其它类似机器。机器10可用于地上或地下。例如，图1更具体地示出地下采矿装载-拖运-倾倒(LHD)装载机，其可用于接近矿井中的装载地点（例如，从放矿点）、拖运装载物远 离装载地点，并在倾倒地点处(例如放矿溜井处)释放装载物。机器10可为手动控制、半自动 控制，或全自动控制。机器10包括推进机器10的一个或多个牵引装置。在示例性实施例中， 机器1〇具有四个以相应轮子13形式的牵引装置。除了其它之外，机器10还包括感测机器10 的各种移动的移动传感器14、电源15、方向传感装置16、方向传感装置17,以及包括控制器 18的控制系统。
[0022]机器10具有铰接接头19,其将机器10分成前部23以及后部27,该前部23包括两个 轮子13并止于铲斗25,该后部27包括控制器18、另两个轮子13、供一人的驾驶室28,以及在 后部27的两个轮子13之后并保持电源15的后端29。前部23和后部27绕铰接接头19枢转以影 响机器10的转向。取向传感装置16和取向传感装置17每一个均测量信息，其独立地可被用 于确定机器10的至少前部23的取向。例如，取向传感装置中的一个取向传感装置16为数字 指南针，其位于机器10的前部23上，在铰接接头19的前面。取向传感装置中的另一个取向传 感装置17为铰接传感器，该铰接传感器测量角度或其它参数，其指示铰接接头19的旋转角 度，且因此指示机器10的前部23相对于机器10的后部27的布置。在所示实施例中，铰接传感 器位于机器的后部27上，邻近铰接接头19。
[0023] 控制器18与移动传感器14、取向传感器16、取向传感器17、电源15,和/或驱动牵引 装置13通信，且可配置成响应于例如来自操作者输入装置和/或移动传感器14的各种输入 来调节电源15的操作，以驱动牵引装置以所需方式推进机器10。控制器18还可接收来自移 动传感器14的信息，其指示，例如，机器10的速度、加速度和/或转动速率，且可配置成基于 这些信息计算各种运动，诸如机器10通过的距离和方向。
[0024]控制器18包括处理器(未示出）和存储器系统21，其由存储器模块和/或存储模块 组成。可选地，处理器、存储器模块和/或存储模块中的一个或多个可一起包括在单个设备 中。可替代地，处理器、存储器模块和/或存储模块中的一个或多个可单独提供。处理器可包 括一个或多个已知处理装置，诸如微处理器。存储器模块可包括一个或多个装置，诸如随机 存取存储器(RAM)，其配置成存储信息，该信息由控制器18动态使用以执行与机器10的各种 操作相关的功能。存储模块可包括本领域中已知的任何类型存储装置或计算机可读介质。 例如，存储模块可包括磁、半导体、磁带、光、可移除、不可移动、易失性和/或非易失性存储 装置。存储模块可存储程序、算法、图、查询表，和/或与确定工地20中机器10的位置相关联 的其它信息。存储模块和存储器模块二者的功能可由单个存储器/存储装置来执行。
[0025]在各种示例性实施例中，控制器18被用于确定机器10的位置，如下面将更详细描 述的。
[0026]图2示出以简化方式示出的机器10在工地20处执行任务。工地20可为具有机器10 可通过的道路22的任何工地，但示例性实施例尤其适用于无法访问到GPS导航系统的工地。 对于本文所示的示例性实施例，工地20为地下矿井工地，其无法访问到GPS导航系统。道路 22以侧壁24,诸如地下隧道的壁为边界，且可具有顶面，诸如设置在道路22上方的隧道顶 (未示出）。在一些应用中，除了侧壁24之外还可有物体，诸如其它机器、机筒、杆、地质特征 以及其它类似障碍物，其相对于道路和/或上述额外物体设置在工地20的各个位置中。在各 种情况下，可能期望确定工地20中机器10的位置信息。位置信息可由机器10用于导航工地 20。可替代地，位置信息可用于监控并收集关于工地20中机器10和其它机器如何有效执行 各种任务的数据。
[0027]在示例性实施例中，通过利用定位系统30确定机器10在工地20中的位置。如图2所 示，除了其它之外，定位系统30包括控制器18和光学传感器，所述光学传感器在示例性实施 例中为激光雷达单元32。然而，在其它实施例中，光学感测装置可以是任何其它装置，所述 装置使用光学电磁辐射（即红外光、可见光或紫外光）以得到有关道路22、侧壁24、顶板或与 工地20相关的任何其它物体的信息。激光雷达单元32