与移动机联接的用具的非接触式位置和取向确定的制作方法

与移动机联接的用具的非接触式位置和取向确定的制作方法
【专利摘要】一种用于与移动机联接的用具的非接触式位置和取向确定的方法和系统。一个示例利用安装在移动机上的固定位置处的传感器检测用具的识别特征的取向。还确定从传感器到用具的识别特征的距离。另外，访问与移动机联接的用具的已知的操作包络。然后将用具的已知的操作包络与来自传感器的取向和距离相结合以确定用具相对于移动机的位置。
【专利说明】与移动机联接的用具的非接触式位置和取向确定
[0001 ] 相关美国专利申请的交叉引用
[0002] 本申请与Gregory C.Wallace等人在2014年2月13日递交的、名称为"NON-CONTACT LOCATION AND ORIENTATION DETERMINATION OF AN IMPLEMENT COUPLED WITH A MOBILE MACHINE"的美国专利申请No. 14/180，302有关，该美国专利申请具有代理人案号No . TRMB-3208且被转让给本申请的受让人。
【背景技术】
[0003] 运土机，诸如推土机、自动平地机、铲土机、挖掘机等，用于针对各种工程沿等高线 修筑地面，各种工程诸如建筑(例如公路、大厦、公园等）、采矿和农耕。当机器使用时，经常 依靠人类操作者来得知用具的工作边缘(例如，推土机用具的底部边缘）的位置和取向。然 而，人类操作者可以很容易犯错、疏忽、分心等。
【附图说明】
[0004] 并入本说明书且形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，以及连 同描述一起用于阐述本发明的原理。除非具体指示，否则在该描述中引用的附图应当被理 解成未按尺寸绘制。
[0005] 图1示出根据各个实施方式的利用用具相对于推土移动机的位置和取向的基于非 接触式的确定的系统。
[0006] 图2示出根据各个实施方式的用于与移动机联接的用具的非接触式位置和取向确 定的系统。
[0007] 图3示出根据各个实施方式的用于与移动机联接的用具相对于该移动机的非接触 式位置和取向确定的方法的流程图。
[0008] 图4示出根据各个实施方式的利用用具相对于推平移动机的位置和取向的基于非 接触式确定的传感器系统。
[0009] 图5A为根据各个实施方式的具有传感器系统的移动机的俯视图，该移动机具有双 臂型液压安装的用具。
[0010] 图5B为根据各个实施方式的具有传感器系统的移动机的俯视图，该移动机在不同 位置具有双臂型液压安装的用具。
[0011]图6A为根据各个实施方式的具有传感器系统的移动机的俯视图，该移动机具有球 状安装的用具。
[0012] 图6B为根据各个实施方式的具有传感器系统的移动机的俯视图，该移动机在不同 位置具有球状安装的用具。
[0013] 图7为根据本技术的一个实施方式的用识别对象填充的工作现场的地图。
[0014] 图8为根据本技术的一个实施方式的可使用的示例性导航卫星系统(NSS)接收器 的框图。
[0015] 图9示出根据各个实施方式的可包括的作为电子阅读器的部件的示例性计算系 统。
【具体实施方式】
[0016]现在将详细地参考主题的实施方式，这些实施方式的示例在附图中被示出。尽管 将结合各个实施方式描述本文中所讨论的主题，但是将理解，不意图将主题限制到这些实 施方式。相反，呈现的实施方式意图覆盖替选物、修改和等效物，这些可以被包括在如所附 权利要求所限定的各个实施方式的精神和范围之内。此外，在实施方式的描述中，陈述了多 个具体细节以便提供对本主题的实施方式的全面理解。然而，可以在不具有这些具体细节 的情况下实践实施方式。在其它实例中，没有详细描述熟知的方法、过程、部件和电路，就不 会不必要地使所描述的实施方式的多个方面模糊不清。
[0017] 符号和术语
[0018] 除非与如从以下讨论清楚可知相反的具体指示，应当理解，贯穿实施方式的描述， 例如诸如"捕获"、"确定"、"输出"、"输入"、"提供"、"接收"、"利用"、"获得"、"改善"、"访 问"、"检测"等术语的讨论经常指的是电子计算设备/系统的动作和进程，该电子计算设备/ 系统诸如移动电话、电子个人显示器、和/或移动（即手持式）多媒体设备等等。电子计算设 备/系统操控在电子计算设备/系统的电路、电子注册器、存储器、逻辑、和/或部件等内表示 为物理（电子)量的数据并将该数据变换成在该电子计算设备/系统或其它电子计算设备/ 系统内类似表示为物理量的另一数据。
[0019] 在以下讨论中，用具指的是诸如推土机或自动平地机的铲、挖掘机的铲斗、铲车的 1广叉等的物品。
[0020] 可使用用具的移动机包括但不限于:推土机、自动平地机、挖掘机、滑移转向装载 机、铲土机、挖沟机、修边机、具有附件(例如推平附件）的牵引机、铺路机(例如混凝土或沥 青铺路机）、滑模混凝土机(例如路边和排水沟机器）、联合收割机、收割机、播种机、耕田机、 种植机等。应当理解，术语"挖掘机"可以指的是标准挖掘机、翻转式铲斗挖掘机、旋转式铲 斗挖掘机、以及利用额外的吊杆和棍部件的其它配置或前置铲斗配置。尽管列出这些特定 移动机，但是本发明的实施方式很好地适合于被实施在用在农业应用、工业应用、建筑应 用、采矿应用、军事应用、商业应用和消费者应用中的各种移动机内。
[0021] 现在参照图1，图1示出了根据本发明的实施方式的利用用具相对于移动机的位置 和取向的基于非接触的确定的系统100。在图1的实施方式中，用具111为铲且移动机105为 推土机。
[0022] 在图1的实施方式中，传感器系统200与推土机联接，且被校准以确定用具111相对 于移动机105的位置。在一个实施方式中，传感器系统200监测用具111的位置且确定用具 111何时已从第一位置移动到第二位置。例如，传感器系统200可以聚焦于用具111自身的识 别特征;诸如右边缘122、上边缘123、左边缘124、下边缘125、或用具111的一部分。当将用具 111相对于移动机105从第一位置移动到第二位置(例如从升高的位置移动到降低的位置） 时，传感器系统200将识别到距离和/或取向的变化以及确定用具111的新位置。
[0023] 在另一实施方式中，识别特征可以是附接到用具111的指示器136。通常，指示器 136指的是固定地安装在用具111上的平衡物。例如，如果用具111为铲斗且铲斗正被用在水 面下等，则传感器系统200将无法检测铲斗。然而，通过使用离铲斗已知距离且固定地附接 到铲斗的指示器136,传感器系统200将能够继续监测铲斗的距离和取向。
[0024] 在另一实施方式中，识别特征可以是设计成改善摄像机的检测能力的基准点。在 又一实施方式中，识别特征可以是已知光图案。已知光图案的一个示例是将像素的已知图 案(通常为栅格或横杠)投射到用具上的结构化的光。图案在照在用具表面时变形的方式将 允许目视型传感器计算关于用具的深度和表面信息。
[0025] 在本发明的另一实施方式中，确定用具111的位置可以包括处于第一位置的传感 器系统200和处于第二位置的第二传感器系统200b。
[0026] 现在参照图2,根据各个实施方式示出了用于与移动机联接的用具的非接触式位 置和取向确定的传感器系统200。在一个实施方式中，传感器系统200包括传感器210,该传 感器210具有取向模块212和距离确定器，诸如距离确定模块214。传感器系统200还包括校 准模块216、用具评估器220、以及用具位置和取向确定器230。
[0027] 现在参照传感器210,在一个实施方式中，传感器210为芯片上的雷达(ROACH)。通 常，ROACH系统将包括射频集成电路(RFIC)、天线和波形设计和信号处理。在另一实施方式 中，传感器210为激光器。在又一实施方式中，传感器210可以为视觉传感器，诸如摄像机、立 体摄像机、深度摄像机等。通常，深度摄像机产生对图像中的每个像素的深度测量。示例包 括但不限于飞行时间摄像机、波前编码摄像机和光场摄像机。
[0028]通常，光场摄像机为使用小型或微型透镜的阵列来捕获用于场景的光场信息的摄 像机。飞行时间摄像机基于光速分析距离信息。通过针对图像的任意数量的点测量摄像机 和用具之间的光信号的飞行时间。在一个实施方式中，飞行时间摄像机可以为无扫描器类 型，其中利用每个激光或光脉冲捕获整个场景。在另一实施方式中，飞行时间摄像机可以为 扫描类型，其使用利用每个激光束的逐点测量系统。通常，波前编码使用立方相位调制元件 连同去卷积以延伸数字成像系统的视野深度。
[0029] 在一个实施方式中，传感器系统200为三维传感器，该三维传感器安装在移动机上 的已知位置处，而非安装在与移动机联接的用具上。在另一实施方式中，传感器系统200包 括单轴传感器，并且利用多个传感器系统200。例如，如图1所示，传感器系统200包括安装在 移动机上的已知位置处的第一单轴传感器210,且传感器系统200b包括安装在移动机105上 的第二已知位置处的第二单轴传感器210。单轴传感器210的取向可以选自一个横轴扫描传 感器和一个纵轴扫描传感器、两个横轴扫描传感器、以及两个纵轴扫描传感器。
[0030] 传感器210包括取向模块212,该取向模块212向用具评估器220提供针对用具的识 别特征的取向信息202。此外，传感器210包括距离确定模块214,该距离确定模块214向用具 评估器220提供针对用具的识别特征的距离信息204。在一个实施方式中，识别特征可以为 用具111的边缘。在另一实施方式中，识别特征可以为用具111的拐角。在又一实施方式中， 识别特征可以为附接到用具111的指示器136。
[0031] 用具评估器220访问数据库223(电子数据库），其包含与移动机105联接的用具的 已知的操作包络特性。操作包络特性可以包括用具尺寸、用具连接类型等。类似地，数据库 223可以包括对于用具的多个运动特性，诸如但不限于枢轴点、多个致动器、机械联动装置 等。
[0032] 在一个实施方式中，用具评估器220将初始地将用具和机器特定特性提供给校准 模块216,进而提供给校准传感器210。通常，校准模块216包括用于确定用具相对于移动机 的平坦且水平的取向的确定器。此外，校准模块216包括多个运动限定器，所述多个运动限 定器限定用具相对于移动机的多个运动特性。
[0033] 一旦针对联接到移动机105的用具校准传感器210,则用具评估器220将向用具位 置和取向确定器230提供取向信息202、距离信息204和操作包络特性。
[0034] 用具位置和取向确定器230将利用来自用具评估器220的信息来确定用具相对于 移动机105的取向和位置240。
[0035] 现在参照图3,根据各个实施方式示出了用于与移动机105联接的用具相对于该移 动机的非接触式位置和取向确定的方法的流程图300。此外，多个实施方式将包括在图4至 图6B中所示的信息。
[0036]总的来说，图4示出根据各个实施方式的具有用具430的平地机405。传感器系统 200被安装在右侧且对用具430的边缘进行测距和定位，如用测距线434所示。传感器系统 200b被安装在左侧且对用具430的边缘进行测距和定位，如用测距线433所示。
[0037]图5A为根据各个实施方式的具有传感器系统200的移动机500的俯视图，该移动机 500具有双臂505型液压安装的用具111。在一个实施方式中，传感器系统200为三维传感器 且对用具111进行测距和定位，如用测距线507所示。
[0038]图5B为根据各个实施方式的具有传感器系统200的移动机550的俯视图，该移动机 在与移动机500的位置不同的位置具有双臂505型液压安装的用具。在一个实施方式中，传 感器系统200为三维传感器且对用具111进行测距和定位，如用测距线557所示。
[0039]图6A为根据各个实施方式的具有传感器系统200和传感器系统200b的移动机600 的俯视图，该移动机具有安装有球612的用具111。在一个实施方式中，传感器系统200为单 轴型传感器且被安装在右侧，以及对用具111的边缘进行测距和定位，如用测距线634所示。 类似地，传感器系统200b被安装在左侧，以及对用具111的边缘进行测距和定位，如用测距 线633所示。
[0040]图6B为根据各个实施方式的具有传感器系统200和传感器系统200b的移动机650 的俯视图，该移动机在与移动机600的位置不同的位置具有安装有球612的用具111。在一个 实施方式中，传感器系统200为单轴型传感器且被安装在右侧，以及对用具111的边缘进行 测距和定位，如用测距线654所示。类似地，传感器系统200b被安装在左侧，以及对用具111 的边缘进行测距和定位，如用测距线653所示。
[0041] 现在参照图3的302以及参照图1，一个实施方式利用安装在移动机105上的固定位 置处的传感器系统200检测用具111的识别特征的取向。通过将传感器系统200放在移动机 105上较不活跃的位置，可以使用稳健性较小的传感器。换言之，由于传感器系统200不接触 用具111，因此传感器系统200将不经受与用具111相关联的压力、破坏和移动。
[0042]在一个实施方式中，传感器系统200为安装在移动机105上的已知位置处的三维传 感器。在另一实施方式中，诸如图4所示，第一单轴传感器系统200被安装在移动机405上的 已知位置处，以及至少一个第二单轴传感器系统200b被安装在移动机405上的第二已知位 置处，其中第一单轴传感器系统和第二单轴传感器系统都未被安装在与移动机105联接的 用具111上。通常，第一单轴传感器200和第二单轴传感器200b可以选自由下列项构成的组： 一个横轴扫描传感器和一个纵轴扫描传感器、两个横轴扫描传感器、或两个纵轴扫描传感 器。
[0043] 通常，如图1所示，识别特征可以包括用具111的边缘、用具111的拐角、附接到用具 111的指不器136等。
[0044] 在一个实施方式中，在安装传感器系统200之后，相对于用具111校准传感器系统 200。通常，相对于传感器系统200校准用具111或使用具111就位，以一个自由度创建已知的 零基准，这对于与移动机105相关的用具是有意义的。在一个实施方式中，可以通过建立用 具111相对于移动机105的平坦且水平的取向来执行校准。此外，校准包括查明用具相对于 移动机105的多个运动特性。
[0045] 例如，在一个实施方式中，可以通过将移动机105放置在已知的平坦表面上、然后 将用具111降低到其均匀地接触地面的点来执行校准。即，用具111平坦且水平地放置。通过 建立平坦且水平的取向，可在移动机105的驾驶室内的非线性机制和控制从校准过程中被 去除。尽管利用平坦且水平的表面是一种用于执行校准的方法，但是也可以使用多种其它 方法在不均匀的表面上执行校准。例如，如果平坦表面不容易获得，则可以利用水平面、激 光器、方形等执行校准。校准对于建立用具111到移动机105的位置和取向基线是重要的。一 旦确定了基线，则传感器系统可以监测取向信息和距离信息的变化，从而根据建立的基线 确定用具相对于移动机105的位置的变化。
[0046]仍参照302,在执行初始校准之后，传感器系统200将能够从该点检测用具111的取 向，从而用具111将保持处于3d环境下的已知位置。如本文中所陈述，该技术可以使用3D传 感器系统200(诸如在图5A和图5B中所示)或多个单轴扫描传感器系统200(诸如在图6A和图 6B中所示）。在一个示例中，诸如在图1中所示，多个单轴传感器可以执行边缘检测以确定用 具111的顶部轮廓。例如，如果机器是推土机，则可以使用一个传感器系统200b来获得上边 缘，且使用另一个传感器系统200来获得用具111的侧边缘。通过添加从传感器系统到用具 的距离测量值，可以在无需传感器物理接触用具的情况下确定用具111的取向和位置。 [0047]在一个实施方式中，使用单轴传感器光束的宽度的加权平均值来定位中心点。例 如，如果光束为几厘米宽，则从传感器获得的测量值的加权平均值将用于确定光束的中心 点，因此确定从用具111到传感器系统200的距离。
[0048] 现在参照图3的304和参照图4至图6B，一个实施方式确定从传感器系统200到用具 111的识别特征的距离。例如，一个实施方式利用基于非接触式的测距技术，诸如雷达，激光 器等。在另一实施方式中，测距技术为执行光栅式扫描的基于微型电子机械系统(MEMS)的 2D镜子。就此而言，传感器的距离确定模块214部分将包括发射器和接收器以及可以为单轴 或双轴。此外，激光器可以电子扫描或机械扫描。
[0049] 直接测距的一个优势在于，可以非常快速地执行边缘检测。例如，如图6A所示，传 感器系统200被示出具有测距线634。测距线634的光束的一部分击打用具111，而测距线634 的光束的另一部分不击打用具111。在一个示例中，测距线634的击打用具111的光束可以具 有2米的范围，而测距线634的错过用具111的光束可以具有大于10米的范围。因此，由于传 感器系统200和用具111之间的距离相对靠近，因此边缘可以被识别成发生范围-距离断开 连接的位置。
[0050] 现在参照图3的306和参照图5A至图6B，一个实施方式访问与移动机105联接的用 具111的已知的操作包络。该已知的操作包络可以用于诸如确定用具的多个运动特性的目 的。多个运动特性可以包括但不限于枢轴点、多个致动器、机械联动装置等。因此，在一个实 施方式中，校准和用具监测将是机器特有的，且在一些情况下是底座特有的。
[0051]由于传感器系统200被校准到正被监测的移动机105,因此传感器系统200不一定 需要观看整个用具111来提供用具位置和取向信息。例如，如果球612型枢轴位于用具111的 中央，则左边缘变得更靠近传感器系统200将意味着用具的右边缘远离机器。
[0052]在一个实施方式中，诸如多个运动特性的操作包络对于确保传感器系统200在整 个运动范围内不遗失用具边缘而言也是重要的。在另一实施方式中，多个传感器系统200 (诸如图6A和图6B的左边缘检测器200b和右边缘检测器200)可以用于覆盖用具111的整个 操作包络。那样，如果一个边缘传感器由于用具的运动范围而遗失基准位置，则另一个传感 器将能够看到其相关联的基准位置。
[0053] 现在参照图3的308和参照图2, 一个实施方式将用具111的已知的操作包络与来自 传感器系统200的取向和距离相结合以确定用具111相对于移动机105的位置。
[0054]换言之，该技术检测距离变化(例如，用具的顶点（pitch)已改变）；检测识别特征 位置的变化(例如，用具已被旋转）。通过结合距离和取向信息以及用具111维度、安装风格、 和针对给定移动机105的运动特性，该技术将提供准确的用具位置信息。
[0055] 移动机和用具地理位置确定
[0056] 现在参照图7,根据一个实施方式示出了工作场地的地图。通常，地图700是用户可 选择的且可以为航空地图、等高线图、地形图、物理地图、公路地图、卫星图像等。此外，该地 图可以基于正使用的机器105的类型、场地的规模、期望的间隔尺寸等来调整规格。此外，可 以自动地或手动地调整规格。通常，一旦选择工作区的地图700,则一个实施方式将把机器 105的位置投射到地图上。另外，操作702的半径(诸如地理围栏等)也可以被提供在地图700 上。
[0057] 在一个实施方式中，可以通过安装在机器105上的导航卫星系统(NSS)715来确定 机器105的位置。在该情况下，机器105的位置将被标注在地图上。此外，用具111的位置也将 由系统200来提供，以及由于NSS 715和传感器210之间的距离是已知的，因此用具111的位 置也被准确知晓。在一个实施方式中，可以从因特网下载地图700。例如，在一个实施方式 中，地图可以源自于应用程序，诸如Trimble Out doors，或源自于网站，诸如my topo或 Tnmbieoutdoors.com。在另一个实施方式中，地图700可以基于NSS 715位置而被自动下载， 或可以基于来自用户的输入而被下载，该输入诸如:炜度和经度、大地基准点（诸如NAD 83 和WGS 84)等。在又一个实施方式中，地图可以取自存储在⑶、DVD上的地图数据库或与数据 库联接的其它数字输入，而无需因特网连接。
[0058] 同时定位和建图（SLAM)
[0059] 仍参照图7,在另一个实施方式中，机器105可以不包括NSS 715接收器。代替地，场 地地图700可以用多个可识别的基准点来填充，多个可识别的基准点诸如池塘704、建筑物 717、电力线720、公路706、基站725等。在一个实施方式中，机器105可以通过利用一个或多 个感测系统作为定位信息确定器来得以定位。
[0060] 例如，扫描器(诸如定位和建图传感器710)可以用于确定真实世界坐标系，诸如用 于移动机的地理空间定位或地理空间定位信息。在一个实施方式中，定位和建图传感器710 可以是通用全站仪(UTS);激光基准;声波基准;机器视觉(基于视频的导航）；使用雷达和/ 或摄像机的SLAM技术等。在一个实施方式中，传感器710在类似于本文中所描述的传感器系 统200的系统中操作。然而，代替传感器710针对用具111进行扫描和测距，传感器710将扫描 移动机105周围的区域且将距离信息提供给至少一个基准点。如本文中所述，基准点可以是 在已知位置添加到该区域的天然设备、人造设备、或可展开的设备。
[0061]此外，数据库访问器将访问地图数据库，该地图数据库包括针对至少一个基准点 的位置信息。换言之，数据库访问器将访问地理空间定位信息。位置确定器(诸如用具位置 和取向确定器230)将利用来自传感器710的距离信息204连同基准点的位置信息来确定定 位和建图传感器710的真实世界的地理空间定位。
[0062] 一旦通过安装在机器105上的定位和建图传感器710确定移动机105的位置；由于 定位和建图传感器710和传感器系统200之间的距离是已知的，因此用具111的位置也被准 确知晓(包括知晓用具的地理空间定位信息和/或地理空间位置信息）。
[0063] NSS接收器
[0064] 现在参照图8,示出了根据本文中描述的各个实施方式的可使用的示例性NSS接收 器的实施方式的框图。特别地，图8示出了通用GPS接收器880形式的NSS接收器的框图，该通 用GPS接收器880能够解调从一个或多个GPS卫星接收的L1信号和/或L2信号。出于以下讨论 目的，讨论L1信号和/或L2信号的解调。注意，一个或多个L2信号的解调通常由"高精度"NSS 接收器来执行，该"高精度" NSS接收器诸如用在军事应用和一些民用中的那些NSS接收器。 通常，"消费者"级别的NSS接收器不访问一个或多个L2信号。另外，尽管描述了L1信号和L2 信号，但是这些信号不应被视为对信号类型的限制；而是仅为了清楚讨论而提供对一个或 多个L1信号和L2信号的使用。
[0065] 尽管本文中描述了关于GPS的GNSS接收器和操作的实施方式，但是本技术很好地 适合于与多种其它GNSS信号一起使用，多种其它GNSS信号包括但不限于GPS信号、格洛纳斯 (Glonass)信号、伽利略(Galileo)信号、和罗经(Compass)信号。
[0066]该技术也很好地适用于与区域导航卫星系统信号一起使用，该区域导航卫星系统 信号包括但不限于质谱仪信号、星火信号、中心点信号、北斗信号、星基多普勒轨道和无线 电定位组合系统（DORIS)信号、印度区域导航卫星系统（IRNSS)信号、准天顶卫星系统 (QZSS)信号等。
[0067]此外，该技术可以利用各种基于卫星的增强系统（SBAS)信号，诸如但不限于广域 增强系统(WAAS)信号、欧洲地球同步卫星导航增强服务系统(EGN0S)信号、多功能卫星增强 系统(MSAS)信号、GPS辅助地理增强导航(GAGAN)信号等。
[0068] 另外，该技术还可以利用基于地面的增强系统(GBAS)信号，诸如但不限于局域增 强系统(LAAS)信号、基于地面的区域增强系统(GRAS)信号、差分GPS(DGPS)信号、连续运行 基准站(C0RS)信号等。另外，基于地面的系统可以为可作为单机或作为NSS系统的增加物运 行的伪卫星系统，诸如Trimble的Terralite系统、超带宽(UWB)系统等。
[0069] 尽管本文中的示例利用GPS，但是本技术可以利用多种不同导航系统信号中的任 一者。此外，本技术可以利用两个或更多个不同类型的导航系统信号来生成位置信息。因 此，尽管本文中提供了GPS操作示例，但该示例仅出于清楚的目的。
[0070] 本技术的实施方式可以被NSS接收器利用，该NSS接收器单独访问L1信号、或访问 L1信号连同L2信号。可以在专利号为5,621，426的美国专利中找到对接收器(诸如6?5接收 器880)的功能的更为详细的讨论。通过引用并入的Gary R.Lennen的专利号为5,621，426、 名称为"Optimized processing of signals for enhanced cross-correlation in a satellite positioning system receiver"的美国专利包括与图8的GPS接收器880非常类 似的GPS接收器。
[0071]在图8中，所接收的L1信号和L2信号由至少一个GPS卫星生成。各个GPS卫星生成不 同的L1信号和L2信号，并且这些信号被不同的数字信道处理器852处理，这些数字信道处理 器852以彼此相同的方式运行。图8示出了通过双频天线801进入GPS接收器880的GPS信号 (L1 = 1575 · 42MHz，L2 = 1227 · 60MHz)。天线801可以是磁力可安装的模型，其可从加利福尼 亚州的桑尼维尔市的Trimble? Navigation公司（94085)购得。主控振荡器848提供基准振 荡器，该基准振荡器驱动系统中的所有其它时钟。频率合成器838获得主控振荡器848的输 出并生成贯穿系统所使用的重要时钟和本地振荡器频率。例如，在一个实施方式中，频率合 成器838生成多个定时信号，诸如第一L01 (本地振荡器)信号1400MHz、第二L02信号175MHz、 (采样时钟)SCLK信号25MHz、以及被系统用作本地基准时间的测量值的MSEC(毫秒)信号。 [0072]滤波器/LNA(低噪声放大器)834执行L1信号和L2信号的滤波和低噪声放大。GPS接 收器880的噪声因数由滤波器/LNA组合的性能来指示。下变频器836以下至约175MHz的频率 混合L1信号和L2信号，并将模拟L1信号和L2信号输出到IF(中频)处理器850JF处理器850 获得处于约175MHz的模拟L1信号和L2信号，并分别在针对L1信号的载波频率420KHz和针对 L2信号的载波频率2.6MHz处将模拟L1信号和L2信号转换为数字采样的L1和L2同相信号 (L1I和L2I)和正交信号(L1Q和L2Q)。
[0073]至少一个数字信道处理器852输入数字米样的L1和L2同相信号和正交信号。所有 的数字信道处理器852通常在设计上是相同的且通常在相同的输入样本上运行。每个数字 信道处理器852被设计成连同微处理器系统854通过跟踪代码和载波信号而数字地跟踪由 一个卫星产生的L1信号和L2信号，以及形成代码和载波相位测量。一个数字信道处理器852 能够在L1信道和L2信道中跟踪一个卫星。
[0074] 微处理器系统854为通用计算设备，其促进跟踪和测量过程，从而提供用于导航处 理器858的伪距和载波相位测量。在一个实施方式中，微处理器系统854提供控制一个或多 个数字信道处理器852的操作的信号。导航处理器858以产生用于微分和测量功能的位置、 速度和时间信息的方式执行组合测量的更高级功能。存储器860与导航处理器858和微处理 器系统854联接。应当理解，存储器860可以包括易失性或非易失性存储器，诸如随机存取存 储器(RAM)或只读存储器(R0M)、或者一些其它计算机可读存储设备或介质。
[0075]本技术的实施方式可在其上实施的GPS芯片组的一个示例为麦克斯韦(Maxwell?) 芯片组，其可从加利福尼亚州的桑尼维尔市的Tri.mble?.Navigation公司（94085)购得。 [0076]示例性计算机系统环境
[0077] 现在参照图9,本技术的部分用于提供由计算机可读的和计算机可执行的指令组 成的通信，上述指令例如存在于计算机系统的非暂时性计算机可用的存储介质。即，图9示 出了一种可用于实现本技术的实施方式的计算机的类型的一个示例。图9表示可连同本技 术的多个方面一起使用的系统或部件。在一个实施方式中，图1或图3的部分部件或全部部 件可以与图9的部分部件或全部部件组合，以实践本技术。
[0078] 图9示出了根据本技术的实施方式所使用的示例性计算系统900。应当理解，图9的 系统900仅为示例，且本技术可以在多个不同的计算机系统上或多个不同的计算机系统内 运行，多个不同的计算机系统包括通用联网计算机系统、嵌入式计算机系统、路由器、交换 机、服务器设备、用户设备、各种中间设备/人工制品、单机计算机系统、移动手机、个人数据 助理、电视等。如图9所示，图9的计算系统900很好地适用于具有外围计算机可读介质902， 诸如软盘、光盘、闪存驱动器、和与其联接的类似物。
[0079]图9的系统900包括用于传送信息的地址/数据/控制总线904、以及联接到总线904 的处理器906A，该处理器906A用于处理信息和指令。如图9所示，系统900还很好地适用于多 处理器环境，其中存在多个处理器906A、906B和906C。相反地，系统900还很好地适用于具有 单个处理器，诸如处理器906A。处理器906A、处理器906B和处理器906C可以为各种微处理器 中的任一者。系统900还包括数据存储特征，诸如计算机可用的易失性存储器908,例如随机 存取存储器(RAM)，该易失性存储器908联接到总线904,用于存储用于处理器906A、处理器 906B和处理器906C的信息和指令。
[0080]系统900还包括计算机可用的非易失性存储器910,例如只读存储器(R0M)，该非易 失性存储器910联接到总线904,用于存储用于处理器906A、处理器906B和处理器906C的静 态信息和指令。在系统900中还存在数据存储单元912(例如磁盘或光盘和硬盘驱动器），该 数据存储单元912联接到总线904,用于存储信息和指令。系统900还包括可选的字母数字输 入设备914,其包括联接到总线904的字母数字和功能键，用于将信息和命令选择传送到处 理器906A或处理器906A、906B和906C。系统900还包括可选的光标控制设备916,该光标控制 设备916联接到总线904,用于将用户输入信息和命令选择传送到处理器906A或处理器 906A、906B和906C。可选的光标控制设备可以为触摸传感器、手势识别设备等。本实施方式 的系统900还包括可选的显示设备918,该显示设备918联接到总线904,用于显示信息。 [0081] 仍参照图9,图9的可选的显示设备918可以为液晶设备、阴极射线管、0LED、等离子 体显示设备或适合于创建用户可识别的图形图像和字母数字字符的其它显示设备。可选的 光标控制设备916允许计算机用户动态地在显示设备918的显示屏上用信号发送可视符号 (光标)的移动。光标控制设备916的许多实现在本领域中是已知的，包括轨迹球、鼠标、触摸 板、操纵杆或在字母数字输入设备914上的专用键，该专用键能够用信号发送给定方向或方 式的位移的运动。可替选地，将理解，可以使用专用键和键序列命令借助来自字母数字输入 设备914的输入指导和/或激活光标。
[0082]系统900也很好地适用于具有由其它手段指导的光标，其它手段诸如声音命令。系 统900还包括I/O设备920,用于将系统900与外部实体联接。例如，在一个实施方式中，I/O设 备920为调制解调器，该调制解调器用于实现系统900和外部网络之间的有线或无线通信， 该外部网络诸如但不限于因特网或内联网。本技术的更为详细的讨论在下文找到。
[0083]仍参照图9,针对图9描绘了各个其它组件。具体地，当存在时，操作系统922、应用 程序924、模块926和数据928可以被示出为通常存在于计算机可用的易失性存储器908(例 如随机存取存储器(RAM))和数据存储单元912中的一者或某种组合内。然而，应当理解，在 一些实施方式中，操作系统922可以被存储在其它位置上，诸如网络或闪存驱动器;另外，可 从远程位置借助例如与因特网的联接来访问操作系统922。在一个实施方式中，例如本技术 被存储为在RAM 908内的存储位置上和在数据存储单元912内的存储区域的应用程序924或 模块926。本技术可以应用于所描述的系统900的一个或多个元件。
[0084]系统900还包括与总线904联接的一个或多个信号生成和接收设备930,用于使系 统900与其它电子设备和计算机系统连接。本实施方式的信号生成和接收设备930可以包括 有线串行适配器、调制解调器、和网络适配器、无线调制解调器、和无线网络适配器、以及其 它这类通信技术。信号生成和接收设备930可以连同一个或多个通信接口 932-起工作，通 信接口932用于联接去往和/或来自系统900的信息。通信接口932可以包括串行端口、并行 端口、通用串行总线(USB)、以太网端口、蓝牙、雷电、近场通信端口、WiFi、蜂窝调制解调器、 或其它输入/输出接口。通信接口932可以物理地、电力地、光学地、或无线地(例如借助射 频)将系统900与另一设备联接，该另一设备诸如蜂窝电话、收音机、或计算机系统。
[0085] 计算系统900仅为合适的计算环境的一个示例，且不意图暗示对于本技术的使用 范围或功能的任何限制。不应将计算系统900理解为具有与在示例性计算系统900中所示的 部件中的任一者或部件组合相关的任何依赖或要求。
[0086] 可以在计算机可执行指令(诸如程序模块)的一般上下文下描述本技术，上述指令 被计算机执行。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、 对象、部件、数据结构等。本技术也可以在分布式计算环境中实践，其中由通过通信网络链 接的远程处理设备执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地计算机存储介 质和远程计算机存储介质(包括内存存储设备）中。
[0087] 以上对实施方式的描述不意图是详尽的或不意图将实施方式限制到所描述的精 确形式。代替地，在对实施方式的描述中的示例性实施方式已被呈现以使本领域的技术人 员制作和使用所描述的主题的实施方式。此外，已经在各个组合中描述了各个实施方式。然 而，可以组合任何两个或更多个实施方式。尽管以专用于结构特征和/或方法论行为的语言 描述了一些实施方式，但是应当理解，在所附权利要求中所限定的主题不一定受限于上文 描述的具体特征或行为。反而，上文描述的具体特征和行为以说明性方式被公开，且作为实 现权利要求及其等效物的示例形式。
[0088] 作为简短的总结，该文字记载公开了至少以下宽泛的构思。
[0089] 构思1、一种用于与移动机联接的用具的非接触式位置和取向确定的系统，所述系 统包括：
[0090] 传感器，所述传感器被安装在所述移动机上的已知位置处，所述传感器包括：
[0091] 取向模块，所述取向模块提供针对所述用具的识别特征的取向信息；
[0092] 和
[0093]距离确定器，所述距离确定器提供从所述传感器到所述用具的所述识 [0094]别特征的距离测量值；以及
[0095]用具位置和取向确定器，所述用具位置和取向确定器将所述取向信息和所述距离 测量值相结合以提供所述用具相对于所述移动机的位置。
[0096] 构思2、如构思1所述的系统，还包括：
[0097]用具评估器，所述用具评估器访问数据库并获得与所述移动机联接的所述用具的 已知的操作包络特性；以及
[0098]所述用具位置和取向确定器将所述取向信息和所述距离测量值与所述已知的操 作包络特性相结合以提供所述用具相对于所述移动机的位置。
[0099] 构思3、如构思1所述的系统，还包括：
[0100]校准模块，所述校准模块相对于所述用具校准所述传感器，所述校准包括：
[0101] 用于确定所述用具相对于所述移动机的平坦且水平的取向的确定器。
[0102] 构思4、如构思3所述的系统，其中，所述校准模块还包括：
[0103] 多个运动限定器，所述多个运动限定器提供所述用具相对于所述移动机的多个运 动特性。
[0104] 构思5、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述识别特征为所述用具的边缘。
[0105] 构思6、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述识别特征为所述用具的拐角。
[0106] 构思7、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述识别特征为附接到所述用具的指示 器，所述指示器距所述用具已知距离。
[0107] 构思8、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述识别特征为设计成改善摄像机的检 测能力的基准点。
[0108] 构思9、如构思8所述的系统，其中，所述基准点附接到所述用具上的已知位置。
[0109] 构思10、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述识别特征为投射到所述用具上的已 知光图案。
[0110] 构思11、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述传感器包括芯片上的雷达(ROACH)。
[0111] 构思12、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述传感器包括激光器。
[0112] 构思13、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述传感器包括视觉传感器，所述视觉 传感器选自由摄像机、立体摄像机、和深度摄像机构成的组。
[0113] 构思14、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述传感器包括：
[0114]三维传感器，所述三维传感器被安装在所述移动机上的所述已知位置处，所述传 感器未被安装在与所述移动机联接的所述用具上。
[0115] 构思15、如构思1、2或3所述的系统，其中，所述传感器包括：
[0116] 第一单轴传感器，所述第一单轴传感器被安装在所述移动机上的所述已知位置 处，所述第一单轴传感器未被安装在与所述移动机联接的所述用具上；以及
[0117] 第二单轴传感器，所述第二单轴传感器被安装在所述移动机上的第二已知位置 处，所述第二单轴传感器未被安装在与所述移动机联接的所述用具上。
[0118] 构思16、如构思15所述的系统，其中，所述第一单轴传感器和所述第二单轴传感器 选自由下列项构成的组:一个横轴扫描传感器和一个纵轴扫描传感器;两个横轴扫描传感 器；以及两个纵轴扫描传感器。
[0119] 构思17、一种用于与移动机联接的用具相对于所述移动机的非接触式位置和取向 确定的方法，所述方法包括：
[0120] 利用安装在所述移动机上的固定位置处的传感器检测用具的识别特征的取向； [0121]确定从所述传感器到所述用具的所述识别特征的距离；
[0122] 访问与所述移动机联接的所述用具的已知的操作包络；以及
[0123] 将所述用具的所述已知的操作包络与来自所述传感器的所述取向和所述距离相 结合以确定所述用具相对于所述移动机的位置。
[0124] 构思18、如构思17所述的方法，还包括：
[0125] 相对于所述用具校准所述传感器，所述校准包括：
[0126] 建立所述用具相对于所述移动机的平坦且水平的取向；以及
[0127] 确定所述用具相对于所述移动机的多个运动特性。
[0128] 构思19、如构思17或18所述的方法，还包括：
[0129] 从与所述移动机联接的导航卫星系统(NSS)接收器接收关于所述移动机的地理空 间定位信息；
[0130] 提供从所述NSS到所述传感器的距离；以及
[0131]利用所述地理空间定位信息连同所述用具的位置来提供所述用具的地理空间定 位和位置信息。
[0132] 构思20、如构思17、18或19所述的方法，其中，所述识别特征选自由下列项构成的 组:所述用具的边缘、所述用具的拐角、附接到所述用具的指示器。
[0133] 构思21、如构思17、18或19所述的方法，还包括：
[0134] 将三维传感器安装在所述移动机上的所述固定位置处，所述传感器未被安装在与 所述移动机联接的所述用具上。
[0135] 构思22、如构思17、18或19所述的方法，还包括：
[0136] 将第一单轴传感器安装在所述移动机上的所述固定位置处，所述第一单轴传感器 未被安装在与所述移动机联接的所述用具上；以及
[0137] 将第二单轴传感器安装在所述移动机上的第二固定位置处，所述第二单轴传感器 未被安装在与所述移动机联接的所述用具上。
[0138] 构思23、如构思22所述的方法，其中，所述第一单轴传感器和所述第二单轴传感器 选自由下列项构成的组:一个横轴扫描传感器和一个纵轴扫描传感器;两个横轴扫描传感 器；以及两个纵轴扫描传感器。
[0139] 构思24、一种用于与移动机联接的用具相对于真实世界坐标系的非接触式位置和 取向确定的系统，所述系统包括：
[0140]传感器，所述传感器被安装在所述移动机上的已知位置处，所述传感器确定从所 述传感器到所述用具的识别特征的取向信息和距离测量值；
[0141] 用具评估器，所述用具评估器访问数据库并获得与所述移动机联接的所述用具的 已知的操作包络特性；
[0142] 定位信息确定器，所述定位信息确定器确定针对所述移动机的真实世界地理空间 定位的地理空间定位信息，所述定位信息确定器以距所述传感器已知距离的方式与所述移 动机联接;以及
[0143] 用具位置和取向确定器，所述用具位置和取向确定器将来自所述传感器的所述取 向信息和所述距离测量值与所述已知的操作包络特性和所述地理空间定位信息相结合，以 提供所述用具相对于所述真实世界地理空间定位的位置和取向。
[0144] 构思25、如构思24所述的系统，还包括：
[0145] 校准模块，所述校准模块相对于所述用具校准所述传感器，所述校准模块包括：
[0146] 确定器，所述确定器确定所述用具相对于所述移动机的平坦且水平的取向；以及
[0147] 多个运动限定器，所述多个运动限定器提供所述用具相对于所述移动机的多个运 动特性。
[0148] 构思26、如构思24所述的系统，其中，所述定位信息确定器为导航卫星系统(NSS) 接收器。
[0149] 构思27、如构思24所述的系统，其中，所述定位信息确定器包括：
[0150]定位和建图传感器，所述定位和建图传感器确定针对所述移动机的所述真实世界 地理空间定位，所述定位和建图传感器包括：
[0151]扫描器，所述扫描器扫描所述移动机周围的区域并将距离信息提供给至少一个基 准点；
[0152] 数据库访问器，所述数据库访问器访问地图数据库，所述地图数据库包括针对所 述至少一个基准点的定位信息；以及
[0153] 位置确定器，所述位置确定器利用所述距离信息和所述定位信息来确定所述定位 和建图传感器的所述真实世界地理空间定位。
【主权项】
1. 一种用于与移动机联接的用具的非接触式位置和取向确定的系统，所述系统包括： 传感器，所述传感器被安装在所述移动机上的已知位置处，所述传感器包括： 取向模块，所述取向模块提供针对所述用具的识别特征的取向信息;和 距离确定器，所述距离确定器提供从所述传感器到所述用具的所述识别特征的距离测 量值；以及 用具位置和取向确定器，所述用具位置和取向确定器将所述取向信息和所述距离测量 值相结合以提供所述用具相对于所述移动机的位置。2. 如权利要求1所述的系统，还包括： 用具评估器，所述用具评估器访问数据库并获得与所述移动机联接的所述用具的已知 的操作包络特性；以及 所述用具位置和取向确定器将所述取向信息和所述距离测量值与所述已知的操作包 络特性相结合以提供所述用具相对于所述移动机的位置。3. 如权利要求1所述的系统，还包括： 校准模块，所述校准模块相对于所述用具校准所述传感器，所述校准包括： 用于确定所述用具相对于所述移动机的平坦且水平的取向的确定器。4. 如权利要求3所述的系统，其中，所述校准模块还包括： 多个运动限定器，所述多个运动限定器提供所述用具相对于所述移动机的多个运动特 性。5. 如权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述识别特征选自由下列项构成的组:所述用 具的边缘;所述用具的拐角；附接到所述用具的指示器，所述指示器距所述用具已知距离； 设计成改善摄像机的检测能力的基准点，其中所述基准点附接到所述用具上的已知位置； 以及投射到所述用具上的已知光图案。6. 如权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述传感器选择由下列项构成的组:芯片上的 雷达(ROACH);激光器;和视觉传感器。7. 如权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述传感器包括： 三维传感器，所述三维传感器被安装在所述移动机上的所述已知位置处，所述传感器 未被安装在与所述移动机联接的所述用具上。8. 如权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述传感器包括： 第一单轴传感器，所述第一单轴传感器被安装在所述移动机上的所述已知位置处，所 述第一单轴传感器未被安装在与所述移动机联接的所述用具上；以及 第二单轴传感器，所述第二单轴传感器被安装在所述移动机上的第二已知位置处，所 述第二单轴传感器未被安装在与所述移动机联接的所述用具上。9. 如权利要求8所述的系统，其中，所述第一单轴传感器和所述第二单轴传感器选自由 下列项构成的组:一个横轴扫描传感器和一个纵轴扫描传感器;两个横轴扫描传感器；以及 两个纵轴扫描传感器。10. -种用于与移动机联接的用具相对于所述移动机的非接触式位置和取向确定的方 法，所述方法包括： 利用安装在所述移动机上的固定位置处的传感器检测用具的识别特征的取向； 确定从所述传感器到所述用具的所述识别特征的距离； 访问与所述移动机联接的所述用具的已知的操作包络；以及 将所述用具的所述已知的操作包络与来自所述传感器的所述取向和所述距离相结合 以确定所述用具相对于所述移动机的位置。11. 如权利要求10所述的方法，还包括： 相对于所述用具校准所述传感器，所述校准包括： 建立所述用具相对于所述移动机的平坦且水平的取向；以及 确定所述用具相对于所述移动机的多个运动特性。12. 如权利要求10或11所述的方法，还包括： 从与所述移动机联接的导航卫星系统(NSS)接收器接收关于所述移动机的地理空间定 位信息； 提供从所述导航卫星系统到所述传感器的距离；以及 利用所述地理空间定位信息连同所述用具的位置来提供所述用具的地理空间定位和 位置信息。13. -种用于与移动机联接的用具相对于真实世界坐标系的非接触式位置和取向确定 的系统，所述系统包括： 传感器，所述传感器被安装在所述移动机上的已知位置处，所述传感器确定从所述传 感器到所述用具的识别特征的取向信息和距离测量值； 用具评估器，所述用具评估器访问数据库并获得与所述移动机联接的所述用具的已知 的操作包络特性； 定位信息确定器，所述定位信息确定器确定针对所述移动机的真实世界地理空间定位 的地理空间定位信息，所述定位信息确定器以距所述传感器已知距离的方式与所述移动机 联接；以及 用具位置和取向确定器，所述用具位置和取向确定器将来自所述传感器的所述取向信 息和所述距离测量值与所述已知的操作包络特性和所述地理空间定位信息相结合，以提供 所述用具相对于所述真实世界地理空间定位的位置和取向。14. 如权利要求13所述的系统，还包括： 校准模块，所述校准模块相对于所述用具校准所述传感器，所述校准模块包括： 确定器，所述确定器确定所述用具相对于所述移动机的平坦且水平的取向；以及 多个运动限定器，所述多个运动限定器提供所述用具相对于所述移动机的多个运动特 性。15. 如权利要求13所述的系统，其中，所述定位信息确定器包括： 定位和建图传感器，所述定位和建图传感器确定针对所述移动机的所述真实世界地理 空间定位，所述定位和建图传感器包括： 扫描器，所述扫描器扫描所述移动机周围的区域并将距离信息提供给至少一个基准 占 . 数据库访问器，所述数据库访问器访问地图数据库，所述地图数据库包括针对所述至 少一个基准点的定位信息；以及 位置确定器，所述位置确定器利用所述距离信息和所述定位信息来确定所述定位和建 图传感器的所述真实世界地理空间定位。
【文档编号】E02F3/84GK106030244SQ201580008743
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月12日
【发明人】格雷戈里·华莱士, 格雷戈里·贝斯特, 马克·尼克尔斯, 斯科特·克罗泽尔
【申请人】天宝导航有限公司