專利名稱：用于操作工地上地形變更機(jī)械的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于改變工地地形的機(jī)械的操作，更確切地說，涉及數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的實時產(chǎn)生和使用，這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的集合代表由機(jī)械使工地地形朝著所要求的狀態(tài)改變。
本發(fā)明說明書中所使用的術(shù)語“地形變更機(jī)械”及其各種近似的術(shù)語指的是自我推進(jìn)的移動機(jī)械，如履帶式拖拉機(jī)、堆土筑路機(jī)、鋪路機(jī)以及瀝青敷設(shè)機(jī)，這些機(jī)械具有下述兩個特點(1)由于在一底產(chǎn)上配備了一個原動機(jī)(例如一發(fā)動機(jī))，該原動機(jī)用來驅(qū)動車輪或支承底座的導(dǎo)軌所以可以在工地上移動或通過工地，(2)因底座上配備有設(shè)備(如刀、鏟、斗、鋸等)而能夠改變工地地形。履帶式拖拉機(jī)、堆土筑路機(jī)、鋪路機(jī)和瀝青敷設(shè)機(jī)之類的機(jī)械通常稱為“推土機(jī)械或推土設(shè)備”，應(yīng)該理解的是，這些機(jī)械是本發(fā)明涉及的地形變更機(jī)械的一個子范疇。
背景技術(shù)：
盡管推土機(jī)械的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟完善，但仍需花費(fèi)相當(dāng)多的時間及做仍然很瑣碎的零碎工作，來大面積改變地形，或者改變工地的地形，如建筑工地、礦山、道路等。這種工作有時還包括必要的勘測，這項工作目前是采用視力光學(xué)儀器或其他靜態(tài)點對點測量技術(shù)來獲取工地上大量點坐標(biāo)，隨后構(gòu)造三維工地模型而完成。根據(jù)勘測結(jié)果制定建筑計劃或目標(biāo)地形。隨后，用具有不同顏色的標(biāo)樁仔細(xì)地在工地上打上標(biāo)記，從而給出有形的記號，使履帶式拖拉機(jī)之類的地形變更機(jī)械的操作人員可以知道該如何操作機(jī)械，將工地從原來的狀態(tài)改變成所要求的狀態(tài)。只有最熟練和最有經(jīng)驗的操作人員能夠在改變大面積地形中獲得較高的效率，其困難的原因部分在于沒有大標(biāo)尺，以及工地施工進(jìn)行過程中的詳細(xì)資料。
因此，包含改變大面積工地地形的大多數(shù)工程項目是既費(fèi)時又費(fèi)力的，需要技術(shù)熟練人員以及眾多職員來指揮推土機(jī)械等機(jī)械的操作。
另外，為了知道原始地形已被改變成所要求的地形到了何種程度，當(dāng)勘測人員檢驗當(dāng)天的工程進(jìn)度并手工更新工地標(biāo)樁和標(biāo)記以及工地模型時，經(jīng)常要中斷操作。在這些間斷的檢驗工作之間，機(jī)械操作人員和工地主任沒有一種真正精確的方法來測量其實時進(jìn)度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了對一種長期未解決的問題，即精確有效地操作使工地地形改變成所要求狀態(tài)的機(jī)械的解決方法。本專題發(fā)明實現(xiàn)的地形變更無需在工地上打上提醒操作人員的有形標(biāo)記，只有在諸如給機(jī)械加油之類的情況下才需要中斷操作，并且可使員工人數(shù)減小到最少。
一般說來，這是通過提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲、取出及處理設(shè)備來完成的，該設(shè)備自身承載在移動機(jī)械上，或遠(yuǎn)離該機(jī)械但通過(例如)一無線電連接的方式與該機(jī)械相連接，用來在任意給定的時刻，存儲、實際產(chǎn)生并修改一個存在的工地的數(shù)字三維模型，以及建筑師所希望的工地數(shù)字模型。
本專題發(fā)明還包含一種機(jī)械，通過該機(jī)械，移動機(jī)械的或者在某種情況下該機(jī)器裝載的觸土工具的三維空間的精確位置可以實時精確確定；即，它改變了工地的地形，從而當(dāng)機(jī)械在工地上行駛或通過時，能夠一點一點地實時改變數(shù)字三維模型。正如后文中所描述的那樣，本發(fā)明的較佳實施例包含相差GPS(全局定位系統(tǒng))接收機(jī)系統(tǒng)(phase differential global positioning system receiver system)，該系統(tǒng)能夠精確地在三維空間內(nèi)將一物體定位至厘米數(shù)量級的精度。
本專題發(fā)明還包含這樣一種裝置，該裝置用來將所要求的數(shù)字三維工地模型與連續(xù)變更的實際數(shù)字三維工地模型相比較，以及用來產(chǎn)生代表使實際模型符合所要求的模型而使工地上或者通過該工地的大量坐標(biāo)中每一坐標(biāo)所需變化程度的信號。這些信號在一種情況下，可以提供接通或關(guān)斷機(jī)械的實時顯示，實時提醒操作人員注意該機(jī)器的實際進(jìn)度，以及在傳遞信息的參考系(frame of reference)內(nèi)至少是整個工地的相當(dāng)一部分。在后文描述的另一種實施例中，描述了代表所要求的三維模型和實際三維模型之間差異的信號，它們并被應(yīng)用于機(jī)器自身或其一部分或二者的實時自動控制之中。
在一種較佳形式中，當(dāng)機(jī)械通過工地時，至少一部分定位機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)是裝在機(jī)器自身上的。如果該機(jī)器包含一單獨(dú)的觸土器械，則該定位系統(tǒng)可以安裝在該器械上。如果該器械自身可以相對于機(jī)器底座或載體移動，例如液壓式推土鏟、斗或刮土機(jī)，則該器械可以配備確定相對于工地地面上升高度的裝置。
本發(fā)明的另一發(fā)明點在于提供了一種指揮移動式地形變更機(jī)械操作的方法，該方法包含下述步驟在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲及檢索裝置中產(chǎn)生并存儲代表所要求的工地地形的第一三維工地地形模型以及代表工地實際工地地形的第二三維工地地形模型；隨后，產(chǎn)生實時代表移動式地形變更機(jī)械或其承載的器械通過并改變工地時在三維空間中的瞬時位置的數(shù)字信號；用這些數(shù)字信號更新第二模型；確定第一模型與已更新的第二模型之間的差異，并按照該差異指揮機(jī)械的運(yùn)行，使已更新的第二模型與第一模型一致。
在一種實施例中，指揮機(jī)械運(yùn)行的步驟是通過向機(jī)械操作者提供實時告知移動式機(jī)械相對于工地的瞬時位置、使工地與第一三維模型一致所需的變更以及實現(xiàn)第一模型的實際進(jìn)度的顯示來實施的。
在另一種實施例中，指揮機(jī)械運(yùn)行的步驟是以一種自動或半自動方式，通過實際操作電動液壓式傳動機(jī)構(gòu)來控制機(jī)械和/或其裝載的地形變更器械的位置、高度以及運(yùn)動方向來實施的。
在一種較佳形式中，當(dāng)機(jī)械通過工地時，至少一部分定位裝置是裝載在該機(jī)械上。如果該機(jī)械包括一單獨(dú)觸土器械，則定位系統(tǒng)可以安裝在該器械上。如果該器械可以相對于機(jī)械底座或載體移動，該器械可以配備確定該器械相對于工地表面上升高度的裝置。
如后文較清楚地說明的那樣，可以以各種不同的方式來實現(xiàn)本發(fā)明的裝置和方法，例如，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲及檢索裝置以及更新和區(qū)分裝置可以由機(jī)械承載或裝載在機(jī)械上，作為整體機(jī)械系統(tǒng)的一部分。這些裝置還可以位于遠(yuǎn)離工地的地方，或者靠近以便于將可視顯示信號或自動控制信號傳送到該機(jī)械，并在機(jī)械運(yùn)行期間從該機(jī)械接收更新位置和工地信息。
正如后文中詳細(xì)描述的那樣，地形變更機(jī)械可以是諸如履帶式拖拉機(jī)、推土機(jī)、鋪路機(jī)或瀝青敷設(shè)機(jī)這些地面移動設(shè)備。視所使用的定位系統(tǒng)之性能而定，該機(jī)械還可以能夠進(jìn)行地下或地面操作，如露天礦內(nèi)的移動式機(jī)械或地面之下的采礦操作。
在該較佳形式中，本發(fā)明方法和裝置是通過應(yīng)用三維位置信息來實現(xiàn)的，此三維位置信息是從采用相差GBS接收機(jī)系統(tǒng)的全球定位衛(wèi)星得到的。這種GPS接收機(jī)采用來自全球定位衛(wèi)星的信號以及來自已知位置坐標(biāo)的本地參考接收機(jī)的差分信號，產(chǎn)生厘米精度的位置坐標(biāo)。因此，實施本發(fā)明裝置的較佳形式包含一GPS接收機(jī)，該GPS接收機(jī)具有GPS接收能力和本地信號接收能力，并且，如果測地勘測處沒有本地參考信號，則一臨時勘測差分接收機(jī)/發(fā)射機(jī)提供具有校正信號的本地數(shù)據(jù)處理裝置。也可以是，原位置數(shù)據(jù)可以從參考接收機(jī)傳送到本地數(shù)據(jù)處理機(jī)，供比較，以及用來與安裝在機(jī)械上的接收機(jī)的信息進(jìn)行校正。
按照本發(fā)明的另一發(fā)明特征，本發(fā)明的裝置用來精確產(chǎn)生和控制顯示，這種顯示可以用作改變工地(如建筑工地、礦山和道路)地形的操作，從而對采用移動式機(jī)械進(jìn)行的工作進(jìn)程在逐步增長的基礎(chǔ)上作出準(zhǔn)確顯示，其中的顯示單位區(qū)域可以或可以不與GPS接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)的抽樣速率對應(yīng)。正如后文中所描述的那樣，工地或其實際可顯示的部分可以再分成這樣大小的單位區(qū)域的連續(xù)矩陣，在這樣大小的單位區(qū)域內(nèi)，移動式機(jī)械可以以大于GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備的抽樣速率的速率通過這些單位區(qū)域。提供了一些算法，它們考慮到土地變更工具或器械的物理參考和尺寸以及對實際機(jī)械和它的通過路徑的關(guān)系。按照以后敘述的數(shù)字處理設(shè)備中具備的算法規(guī)則，顯示的單位區(qū)域被填上、著色、按照從GPS接收機(jī)或其他定位系統(tǒng)和數(shù)字處理設(shè)備得到的進(jìn)度信息進(jìn)行修改或變更。
在本發(fā)明的一種實施例中，相對于位置讀數(shù)之間工地的機(jī)械實時路徑是由差分算法確定的，該算法規(guī)則確定了機(jī)械地形變更部分的有效寬度(該有效寬度小于或等于其實際寬度)，并更新該有效寬度所通過的工地模型的每一部分。在一種較佳形式中，機(jī)械通過工地的瞬時位置被跟蹤作為工地模型上的一系列坐標(biāo)點。如果跟蹤坐標(biāo)點的速率與機(jī)械通過工地單位區(qū)域和網(wǎng)格單元的速率不同步，那么差分運(yùn)算規(guī)則就通過坐標(biāo)點之間機(jī)械的地形變更部分確定通過的單位區(qū)域。如果地形變更部分是一個連續(xù)寬度，例如是一個推土鏟或刮土機(jī)單元，那么該推土鏟的有效參數(shù)最好被設(shè)置成小于其實際參數(shù)，從而確保只有由推土鏟實際工作的那些工地部分被填滿、著色、修改或變更，或標(biāo)記成反應(yīng)工地的變更以及實際工地模型和所要求的工地模型之間的目前差異。
正如后文中敘述得更加清楚的那樣，可以以各種方式來進(jìn)行初始工地勘測，從而構(gòu)成第一個三維地形工地模型。在一種實施例中或本發(fā)明的應(yīng)用中，第一模型可以用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代工地勘測方法來產(chǎn)生，隨后，按照所使用的特定數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實際和數(shù)據(jù)處理要求，將上述現(xiàn)代勘測得到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)化。另外，實際工地地形模型可以通過使地形變更機(jī)械通過工地或者使用適合這些條件的特別機(jī)械和/或車輛來產(chǎn)生。例如，一平整、相當(dāng)精細(xì)的地形工地可以由一輕型卡車通過，而一不太精細(xì)或較粗糙的工地會需要一特殊車輛，或者甚至是一臺接收機(jī)、步行通過該工地的某一人所攜帶的數(shù)字化和/或存儲設(shè)備。另一種方法中，一特別困難的工地可以通過航空、采用立體攝影或全息攝影設(shè)備來勘測。在又一種方法中，地下的地質(zhì)勘測可以通過制作構(gòu)筑地下工地模型中不同位置和不同深度處大量的巖芯樣品來進(jìn)行。附圖概述

圖1示意描述的是本發(fā)明的機(jī)械位置和控制方法的簡圖；圖2示意描述的是可以用來接收并處理GPS信號，實施本發(fā)明的裝置簡圖；圖3是采用GPS定位的圖2所示系統(tǒng)實施例的詳細(xì)示意圖；圖4是按照本發(fā)明描述的大地輪廓實施例的工地、地形變更機(jī)械以及位置及控制系統(tǒng)的示意圖；圖4A描述的是圖4所示安裝了定位系統(tǒng)的機(jī)械的另一種結(jié)構(gòu)；圖5A—5B是用于本發(fā)明的典型數(shù)字化工地模型的圖形；圖6A—6D是表示用于如圖4所示大地輪廓操作(earth con-touring operation)的、按照本發(fā)明產(chǎn)生的實時操作員顯示；圖7A—7D是按照本發(fā)明的動態(tài)工地數(shù)據(jù)庫的流程圖；以及圖8是包含一閉環(huán)自動機(jī)械控制系統(tǒng)的本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖。本發(fā)明的最佳實施方式圖1示意描述了本發(fā)明的方法。采用一種帶有一外標(biāo)號的已知三維定位系統(tǒng)，例如3—D激光器、GPS、GPS/激光器組合或雷達(dá)，當(dāng)機(jī)械在工地上移動時，在方框100中確定機(jī)械或器械的位置坐標(biāo)。這些坐標(biāo)以一系列不連續(xù)點的形式瞬時提供給102處的差分算法規(guī)則。該差分算法規(guī)則實時計算機(jī)械位置和路徑。在方框104處，實際以及所要求的工地地形的數(shù)字化模型被裝載或存儲到一可進(jìn)入的數(shù)字存儲及檢索設(shè)備，如一本地數(shù)字計算機(jī)。差分算法規(guī)則102檢索、計算和更新來自104的工地模型，并在106處產(chǎn)生實際工地模型和所要求的工地模型之間差異的動態(tài)工地數(shù)據(jù)庫，當(dāng)從方框100處接收新的位置信息時，實時更新實際工地模型。隨后，在顯示步驟108，將該動態(tài)更新的工地模型提供給操作員，以一種人們可以閱讀的形式，給出實時位置、方向和工地地形/地勢更新值。采用從該顯示得到的信息，操作員可以在109處有效地監(jiān)測以及實施對機(jī)械的人工控制。
另外或者另一方面，動態(tài)更新信息可以在110處提供給自動機(jī)械控制系統(tǒng)，例如由履帶拖拉機(jī)股份有限公司(Caterpillar Inc.)開發(fā)的電氣液壓控制系統(tǒng)，也可以用來操作各種泵、閥、液壓缸、電機(jī)/控制機(jī)構(gòu)以及其他地形變更機(jī)械中使用的控制。電氣液壓控制可以有助于操作人員的工作，例如在操作人員進(jìn)行的操作超過了機(jī)械負(fù)載的情況下，使機(jī)器功減小到最小，并限制手工控制。另外，從動態(tài)數(shù)據(jù)庫得到的工地更新數(shù)據(jù)可被用來完整地提供給自動機(jī)械/器械控制。
從前文的描述中可以清楚的知道，采用本發(fā)明方法，可以通過以前未勘測地帶上的機(jī)械來產(chǎn)生實際工地地形/地勢。簡單地使機(jī)械以一種規(guī)定的方式通過某一工地，可以確定在104處裝載的相對于所要求的建筑師的工地模型的工地地形。在機(jī)械已經(jīng)通過整個工地，從而精確確定了其實際地形以后，可以隨后在機(jī)械使實際地形與所要求的工地模型一致時，在106處實時監(jiān)測并更新實際工地模型。
參見圖2，圖中以方框圖的形式示出了實施本發(fā)明的接收并處理GPS信號所使用的裝置，該裝置包含帶有一本地參考天線和一衛(wèi)星天線的一GPS接收機(jī)裝置；一采用一種差分算法規(guī)則并用來接收來自120的位置信號的數(shù)字處理機(jī)124；一由處理器124存取并更新的數(shù)字存儲及檢索設(shè)備126，以及在128處，接收來自處理機(jī)124的信號的操作員顯示和/或自動機(jī)械控制器。
GPS接收機(jī)系統(tǒng)120包括一從全球定位衛(wèi)星接收信號的衛(wèi)星天線以及一本地參考天線。該GPS接收系統(tǒng)120采用來自衛(wèi)星天線的位置信號和來自本地參考天線的差分校正信號，產(chǎn)生運(yùn)動物體厘米精度的三維位置坐標(biāo)。另外，從該參考天線得到的原數(shù)據(jù)可以由該系統(tǒng)處理，以確定差分校正。
如果GPS接收機(jī)120的坐標(biāo)取樣速率允許，該位置信息在實時的基礎(chǔ)上，被提供至數(shù)字處理器124。數(shù)字存儲設(shè)備126存儲所要求的工地地形的第一工地模型(例如按照建筑師的計劃)，以及實際工地地形的第二數(shù)字化工地模型(例如一開始勘測的那樣)。當(dāng)數(shù)字處理機(jī)124從GPS接收機(jī)120處接收新的位置信息時，可以由該數(shù)字處理機(jī)實時地存取并更新與實際工地地形對應(yīng)的工地模型。
數(shù)字處理機(jī)124還產(chǎn)生代表連續(xù)更新的實際工地模型與建筑師的計劃之間差異的信號。這些信號在128處被提供給操作員顯示器和/或自動機(jī)械控制器，在工地上指揮該機(jī)械的操作，使更新的實際工地模型與建筑師計劃一致。例如，操作員顯示器128提供了一個或多個表示實際連續(xù)更新的工地模型和所要求的工地模型之間差異的可視顯示，從而指導(dǎo)操作員在進(jìn)行必要的地形變更操作時，操縱機(jī)器。
圖3中，采用用于位置參考信號的運(yùn)動GPS(kinematic GPS)，更詳細(xì)地描述了圖2所示的系統(tǒng)。一基地參考模塊40和一位置模塊50一起確定相對于工地的地形變更機(jī)械的三維坐標(biāo)，而一更新/控制模塊60將該位置信息轉(zhuǎn)換成可被用作精確監(jiān)測并控制該機(jī)械的工地實時顯示。
基地參考模塊40包括一固定GPS接收機(jī)16；一接收來自接收機(jī)16的輸入的計算機(jī)42；暫時或永久存儲在計算機(jī)42內(nèi)的參考接收機(jī)GPS軟件44；一標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)監(jiān)測屏46；以及一與計算機(jī)相連，并能傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的數(shù)字收發(fā)型無線電裝置48。在描述的實施例中，基地參考接收機(jī)16是一種高精度的運(yùn)動GPS接收機(jī)；計算機(jī)42例如是一種具有一硬盤、8兆字節(jié)RAM、二串行通信端、一打印機(jī)端、一外部監(jiān)測器端以及一外部鍵盤端的486DX計算機(jī)；監(jiān)測屏46是一種無源矩陣彩色LCD；無線電裝置48是一種市售數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)機(jī)。
位置模塊50包含一匹配運(yùn)動GPS接收機(jī)18、一接收來自接收機(jī)18的輸入的匹配計算機(jī)52、永久或暫時存儲在計算機(jī)52內(nèi)的運(yùn)動GPS軟件54，一標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)監(jiān)測屏56，以及一接收位于基地參考模塊40內(nèi)的無線電裝置48的信號的匹配收發(fā)型數(shù)字無線電裝置58。在描述的實施例中，位置模塊50位于地形變更機(jī)械上，從而隨之在工地上移動。
在描述的實施例中同樣裝載在機(jī)械上的更新/控制模塊60包括接收來自位置模塊50的輸入的另一計算機(jī)62；數(shù)字式存儲或裝載在計算機(jī)存儲器內(nèi)的一個或多個數(shù)字化工地模型64；一同樣存儲或裝載在計算機(jī)62存儲器內(nèi)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫更新模塊66；以及一與計算機(jī)相連的彩色操作員顯示屏22。取代或者除了操作員顯示器22以外，自動機(jī)械控制器70可以與計算機(jī)相連，接收以熟知形式自激或半自激方式操作機(jī)械的信號。
盡管這里更新/控制模塊60是安裝在移動式機(jī)械上，但是其中的某一些部分或全部可以位于遠(yuǎn)處。例如，計算機(jī)62、工地模型64以及動態(tài)數(shù)據(jù)庫66可以通過無線電數(shù)據(jù)鏈路連接到位置模塊50以及操作員顯示器22或機(jī)械控制接口70上。位置及工地關(guān)斷信息隨后可自該機(jī)械傳送出來或被傳送至該機(jī)械，用作顯示，或由操作員或管理人員接通或關(guān)斷機(jī)械時使用。
基地參考站40固定在相對于工地的某一已知三維坐標(biāo)的點處?；貐⒖颊?0通過接收機(jī)16接收來自某一GPS衛(wèi)星星座的位置信息，采用參考GPS軟件44以一種熟悉的方式產(chǎn)生一瞬時差錯量或校正因子。該校正因子在移動式機(jī)械上通過無線電鏈路48，58從基地站40傳送到位置站50。另外，原位置數(shù)據(jù)可以通過無線電鏈路48，58從基站40傳送到位置站50，并由計算機(jī)52處理。
安裝在機(jī)械上的接收機(jī)18接收來自衛(wèi)星星座的位置信息，而運(yùn)動GPS軟件54將來自接收機(jī)18的信號以及從基地參考40的校正因子合并在一起，在幾厘米范圍之內(nèi)精確地確定接收機(jī)18以及相對于基地參考40和工地的機(jī)械的位置。該位置信息呈三維形式，按照GPS系統(tǒng)的抽樣速率可以在逐點的基礎(chǔ)上得到。
至于更新/控制模塊60，一旦工地的數(shù)字化計劃或模型已被裝入了計算機(jī)62內(nèi)，動態(tài)數(shù)據(jù)庫66產(chǎn)生代表實際工地地形和所要求的工地地形之間差異的信號，并將該差異以圖形方式顯示在操作員顯示屏22上。例如，在屏幕22上，實際工地模型和所要求的工地模型的輪廓和/或平面圖形被合在一起，并標(biāo)出其表面升高的差異。采用從位置模塊50接收到的位置信息，該數(shù)據(jù)庫66相應(yīng)于工地上機(jī)械的實際位置和方向，還在顯示器22上產(chǎn)生疊加在實際工地模型上的機(jī)械圖像。
因為機(jī)械在工地上移動時，位置模塊50的抽樣速率產(chǎn)生位置坐標(biāo)點之間的時間/距離延遲，本發(fā)明的動態(tài)數(shù)據(jù)庫66使用一種差分算法規(guī)則實時地確定并更新機(jī)械的路徑。
用機(jī)械相對于工地的準(zhǔn)確位置，工地的數(shù)字化顯示以及機(jī)械的工程進(jìn)度，使操作員可以在工地上操縱機(jī)械，進(jìn)行各種地形變更操作，而無需依賴于工地表面放置的有形標(biāo)記。并且，當(dāng)操作員使機(jī)械在工地上移動時，動態(tài)數(shù)據(jù)庫66繼續(xù)讀取并計算從模塊50輸入的位置信息，動態(tài)地更新機(jī)械相對于工地的位置、機(jī)械在工地上的路徑以及由機(jī)械的路徑所形成的實際工地地形中的任何變化。這一更新的信息被用來產(chǎn)生工地的圖像顯示，并可以用來實時描繪機(jī)械的操作，使實際更新的工地地形與所要求的工地模型一致。工業(yè)實用性圖4中示出了一個位于建筑工地12上的圖形變更機(jī)械10。在圖4所描述的實施例中，機(jī)械10是一個在工地上進(jìn)行推土操作和仿形操作的履帶式拖拉機(jī)。但是，隨著后文中將變得清楚起來的是，本發(fā)明的原理和應(yīng)用實際上可用于任何能夠在工地上移動或通過某一工地并以某種方式改變工地地形的移動式器械或機(jī)械。
機(jī)械10以一種熟知的方法配備了如圖中標(biāo)號24所示的液壓式或電氣液壓地器械控制器。在圖4所示的拖拉機(jī)仿形實施例中，這些控制器除了其它許多事情以外，還使推進(jìn)桿26、傾斜汽缸28、以及升降起重汽缸30工作，從而使推土鏟以三維方向進(jìn)行所需要的挖、裝及運(yùn)送操作。
機(jī)械10配備的定位系統(tǒng)能夠以一較高的精確度確定機(jī)械和/或其工地改變器械32的位置，在圖4所示的實施例中，相差GPS接收機(jī)18位于機(jī)械上相對于履帶觸土部分的固定的且為已知的坐標(biāo)處。安裝在機(jī)械上的接收機(jī)18如圖3所示，通過無線電鏈路48、58，接收來自某一GPS星座14的位置信號以及來自基地參考16的差錯/校正信號。安裝在機(jī)械上的接收機(jī)18采用衛(wèi)星信號和從基地參考16得到的差錯/校正信號，來精確確定其在三維空間中的位置。另外，原位置數(shù)據(jù)可以從基地參考16中傳送出來，并以熟知的方式由安裝在機(jī)械上的接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，從而獲得同樣的結(jié)果。有關(guān)運(yùn)動GPS以及適合用于本發(fā)明的系統(tǒng)方面的信息可參見美國專利4,812,991(1989年3月14日)以及美國專利4,963,889(1990年10月16日)，這兩個專利的專利權(quán)人均為Hatch。采用運(yùn)動GPS或其他來自某一外部參考的合適三維位置信號，可以使得當(dāng)機(jī)械10在工地12上運(yùn)動時，可以在幾厘米的范圍內(nèi)在逐點的基礎(chǔ)上精確確定接受器18和機(jī)器10的位置。采用所描述的本定位系統(tǒng)，目前坐標(biāo)點的抽樣速率近似為每秒一點。
基準(zhǔn)接收機(jī)16的坐標(biāo)可以以任何一種熟知的方式加以確定，如GPS定位或傳統(tǒng)的勘測方法。本國和其他國家采取的做法是將GPS參照點置于如機(jī)場之類的固定的國家的勘測點處。如果工地12是位于國家勘測點和本地GPS接收機(jī)的范圍內(nèi)(當(dāng)前近似為20英里)，那么本地接收機(jī)可被用作一基準(zhǔn)參照點。也可以使用一種安裝有三角架的GPS的便攜式接收機(jī)(如16)，以及一再發(fā)射傳輸機(jī)。便攜式接收機(jī)16在勘測時置于或靠近前面討論的工地12附近。
圖4中還示意描述了在拖拉機(jī)上有一臺機(jī)載式數(shù)字計算機(jī)20，該計算機(jī)20包括一動態(tài)數(shù)據(jù)庫以及一彩色圖形操作員顯示器22。計算機(jī)20與接收機(jī)18相連，以連續(xù)接收機(jī)械位置信息。盡管不必將計算機(jī)20、動態(tài)數(shù)據(jù)庫以及操作員顯示器放置于拖拉機(jī)10上，這在目前是一種較佳實施例并使描述簡化。
參見圖5A一5B，工地12以前已被勘測過，用以提供一詳細(xì)地形藍(lán)圖(未圖示)，這藍(lán)圖在原始工地地形平面圖上疊加了建筑師的最終工地圖形。工地地形地貌藍(lán)圖的產(chǎn)生(如用光學(xué)勘測和其他技術(shù)進(jìn)行的填土、礦山和建筑工地)是一種人們所熟知的技術(shù)；在一工地網(wǎng)格上繪出參照點，隨后連起來或填滿，在一藍(lán)圖上產(chǎn)生工地輪廓。參照點的數(shù)目越多，地圖的詳細(xì)程度越高。
現(xiàn)有的系統(tǒng)和軟件可以用來產(chǎn)生數(shù)字化的二維或三維工地地形圖。例如，建筑師的藍(lán)圖可被轉(zhuǎn)換成圖5A中36處所示原始工地地形或地貌的三維數(shù)字化模型，以及圖5B中38處所示的要求工地模型的三維數(shù)字化模型。工地輪廓可以以熟知的方式用具有均勻網(wǎng)格單元37的一參考網(wǎng)格疊加。一些該數(shù)字化工地平面圖可以被疊加在一起，從各種角度以二維或三維方式觀看(如輪廓或平面)，并用顏色標(biāo)出需要進(jìn)行加工(例如通過推土、加土或簡單地保留原樣)的區(qū)域。現(xiàn)有的軟件還可以估計需要進(jìn)行機(jī)械處理或移走的土量，進(jìn)行成本估算以及識別地上或地下的各種工地的特征和障礙物。
但是在勘測工地12時，無論機(jī)械操作員和其管理員是用藍(lán)圖或數(shù)字化工地圖進(jìn)行工作，以前的做法是用給機(jī)械操作員的標(biāo)記指令來實際標(biāo)出各種工地輪廓或參照點，采用用作參照點的標(biāo)記樁和標(biāo)記，操作員必須通過肉眼和感覺估計那里需要挖去多少、填進(jìn)多少、運(yùn)載多少，來改變原始地形或地貌，完成最終工地地形。這一過程中，每隔一段固定時間手工檢查操作員的進(jìn)度，以靜態(tài)的步進(jìn)方式協(xié)調(diào)仿形操作，直至完成最終輪廓。這種人工周期性的更新和檢驗即費(fèi)力又費(fèi)時，其結(jié)果還不理想。
另外，當(dāng)需要修改藍(lán)圖或數(shù)字化工地模型而標(biāo)出工程日期及進(jìn)度時，必須再次進(jìn)行工地的靜態(tài)勘測，以一種非實時方式，手工作出藍(lán)圖或數(shù)字化工地模型的非現(xiàn)場修正。
為了消除現(xiàn)有技術(shù)靜態(tài)勘測及更新方法的缺陷，本發(fā)明將精確三維定位以及數(shù)字化工地測繪與動態(tài)更新的數(shù)據(jù)庫以及操作員顯示結(jié)合在一起，從而實時地對工地12和機(jī)械10進(jìn)行監(jiān)測和控制。動態(tài)工地數(shù)據(jù)庫判定實際工地模型地形和所要求的工地模型地形之間的差異，從位置接收機(jī)18接收機(jī)械10相對于工地12的運(yùn)動GPS位置信息，在顯示屏22上向操作員顯示工地模型和當(dāng)前機(jī)械位置，并以精確到厘米的精度實時地更新實際工地模型地形、機(jī)械位置和顯示。因而操作員可以在工地上實時地獲取前所未有的移土操作的情況，并且因此可以實際上不中斷地完成工作，無需檢驗或再勘測工地。
圖6A—6D示出了供圖4所示地形仿形應(yīng)用的、在屏幕22上向機(jī)械操作員作出的幾個顯示。圖6A—6D所示的實施例給出了用安裝在拖拉機(jī)上的推土鏟進(jìn)行地形仿形操作的操作員顯示，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是十分明顯的是，本發(fā)明可以用于任何類型的推土或地形變更操作和機(jī)械的相應(yīng)顯示。
圖6A和6B所示的第一種實施例中，顯示屏22上的操作員顯示在平面窗70中有一個作為主要部分的三維數(shù)字化工地模型，顯示出相對于實際地形的所要求的最終工地12的輪廓或平面(或其一部分)。在實際的顯示屏70上，實際工地地形與要求的工地模型之間的差異已更加清楚，因為圖中用顏色或類似的可視標(biāo)記顯示了哪些區(qū)域的土必須移走，哪些區(qū)域中必須加進(jìn)土，哪些區(qū)域已經(jīng)與最終工地模型一致。
圖6B中，除了工地平面窗70顯示的是一個二維平面圖，以及機(jī)械相對于工地來說處于另一不同的位置以外，操作員顯示屏22與圖6A中的情況相同。窗70中顯示的工地上不同的陰影或劃有斜線的區(qū)域代表實際工地圖形和要求工地地形之間不同的差異。
操作員顯示屏22在其頂部包含一水平坐標(biāo)窗或顯示72，繪出操作員相對于基準(zhǔn)參照點16的三維位置。粗細(xì)分辨率的邊側(cè)標(biāo)度74、75表示從目標(biāo)輪廓上升的升高或Z-軸偏差，給出拖拉機(jī)推土鏟32在該地點應(yīng)該鏟進(jìn)或填入多少的指示。右側(cè)的粗指示74給出目標(biāo)高度之上和之下以1.0英尺遞增的標(biāo)度升高；顯示左側(cè)的細(xì)分辨率邊側(cè)75給出0.1英尺的增量，當(dāng)操作員處于目標(biāo)輪廓一英尺之內(nèi)或低于此值時，給出一種方便的參照點。采用顯示軟件中的“Zoom”或“autoscaling”性能，當(dāng)操作員接近目標(biāo)地形時，標(biāo)度74、75的增量可以變到更小。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中所使用的顯示增量和測量單位可以由使用者選擇而取公制(米、厘米等)或非公制。
在顯示屏22的底部的外觀窗76中，向機(jī)械操作員給出了另一種參考值。外觀窗76給出了機(jī)械走過的路徑中以及機(jī)械直接的后面實際工地地形76a和要求的地形76b之間的高度差。外觀顯示76左側(cè)上的高度標(biāo)尺78可以給出另一顯示，給出某一給定點處應(yīng)鏟入多深或者應(yīng)加進(jìn)多少土，而外觀顯示76底部處的水平標(biāo)尺79指示拖拉機(jī)/推土鏟前方的距離，在該處，操作員將遇到某個實際和所需地形之間的差異。采用這種方式，操作員可以同時監(jiān)測前面的地形以及在完成目標(biāo)地形的過程中最當(dāng)前路徑的精度，并相應(yīng)調(diào)整其操作。
工地12上拖拉機(jī)的位置在屏幕22上顯示為疊加在平面窗70、外觀窗76以及恰當(dāng)邊側(cè)標(biāo)尺74、75上的拖拉機(jī)推土鏟圖像82。在工地平面窗70中，圖像82處給出一方向向前伸出的指示符84，用來標(biāo)出拖拉機(jī)通過的方向上某一固定距離上的地形。在外觀窗76中，拖拉機(jī)圖像82前示出的地形與方向指示符84所覆蓋的那部分工地12對應(yīng)。圖6A和6B中，當(dāng)窗70、74、75中的圖像82響應(yīng)于相對于工地的機(jī)械當(dāng)前位置移動時，外觀窗76中圖像82在工地地形輪廓76a、76b相應(yīng)于機(jī)械運(yùn)動而通過它時，保持位于中央位置。
采用通過顯示屏22而提供給操作員的詳細(xì)位置、方向和目標(biāo)輪廓信息，可以在移土操作中維持厘米精度的控制。同時，操作員在實現(xiàn)所要求的地形過程中，可以獲得整個工地的完全、最新、實時顯示、工程進(jìn)度和成功。一天結(jié)束時，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)字化工地模型已完全更新，并可以簡單地存儲起來，供操作員第二天從停止的地方開始檢索或取下作進(jìn)一步分析。
圖6C和6D給出了一種略有不同的操作員顯示，該顯示中給出工地輪廓的示意平面窗88，具有左右鏟邊高度標(biāo)度89a、89b的推土鏟前端外形窗89，有助于沿推土鏟旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行某一角度的挖土或在一有一定角度的地形上挖土，該顯示中還有帶大標(biāo)尺的外觀窗76，并采用了一種不同的拖拉機(jī)/推土鏟圖像82。除了為取得拖拉機(jī)操作的不同透視角度而使側(cè)邊外觀顯示76旋轉(zhuǎn)了90°角以外，圖6D的顯示與圖6C中的情況相同。圖6C和6D主要用來描述本發(fā)明原理對于不同地形變更應(yīng)用場合下的靈活性和實用性。
在描述的拖拉機(jī)仿形應(yīng)用實施例中，安裝在機(jī)械上的位置接收機(jī)18被固定在拖拉機(jī)10的駕駛室上，與拖拉機(jī)履帶的觸地部分底部有一固定的已知距離。因為履帶實際上與工地地形保持接觸，所以接收機(jī)18的標(biāo)定考慮到了這一高度差；實際上，當(dāng)安裝在駕駛室上的接收機(jī)18與該機(jī)器工作的工地地形一樣高時，可以由該系統(tǒng)觀察到。
因為距離機(jī)械觸土機(jī)架或踏板一固定距離的單個位置接收機(jī)18是一種有效且堅固的安裝機(jī)構(gòu)，所以在某些應(yīng)用場合下，最好采用定位接收機(jī)的不同安裝機(jī)構(gòu)。例如，視接收機(jī)18的抽樣速率和機(jī)器方向變化的速率而定，相應(yīng)于工地平面的拖拉機(jī)當(dāng)前方向在顯示屏22上如圖6A中由圖像82以及方向指示符84所示的那樣，可以偏離一個很小的時間滯后向量。因為只有一個安裝在拖拉機(jī)10上的位置接收機(jī)18，而該機(jī)械圍繞這單一的接收機(jī)旋轉(zhuǎn)，所以無法確定單一點的機(jī)械方向。這一問題可以通過在該機(jī)械上距第一位置接收機(jī)放置一個第二位置接收機(jī)作為方向參照點來解決。
另外，當(dāng)推土鏟進(jìn)行推土運(yùn)作時，圖4中的推土鏟32和向后安裝的GPS接收機(jī)18之間的距離在分辨鏟的位置時產(chǎn)生了一個很小的實時延遲。在大多數(shù)情況下，這一延遲是可以忽略不計的，這是因為這一GPS位置緊靠在推土鏟32之后，且與剛剛進(jìn)行的工地地形變更適配。但是，在更大的機(jī)械上，最好如圖4假想線所示的推土鏟上直接安裝一個或多個位置接收機(jī)18a。在這種結(jié)構(gòu)中，因為推土鏟相對于機(jī)械和工地表面上下運(yùn)動，這也就要求提供一種測量推土鏟底和工地表面之間距離的裝置。
例如，一種合適的裝置是一種如圖4的19處示意所示安裝在推土鏟上的聲學(xué)接近檢測器(a sonic proximity detector)，該檢測器的連接用來將代表地表面上推土鏟32的高度的信號提供給計算機(jī)20和動態(tài)數(shù)據(jù)庫。這些和其他的聲學(xué)接近檢測器可在市場上買到。該動態(tài)數(shù)據(jù)庫用來自聲學(xué)接近檢測器19的信號來補(bǔ)償安裝在推土鏟上的GPS接收機(jī)至地面相對位置的偏差，并可以校正推土鏟磨損，以及由于拖拉機(jī)倒擋時引起的推土鏟上舉。
在機(jī)械10上安裝位置接收機(jī)設(shè)備的另一個考慮是該機(jī)械是否還帶有一個進(jìn)行地形變更操作而獨(dú)立運(yùn)動的工具；一個較好的例子是一個帶有可控移動式推土鏟32的拖拉機(jī)10。為了提高監(jiān)測精度并控制工具32的地形變更操作，位置接收機(jī)18的較佳安裝結(jié)構(gòu)在許多情況下可以直接安裝在工具32上。在一種機(jī)械仿形應(yīng)用中，圖4A所示的安裝在推土鏟上的雙接收機(jī)結(jié)構(gòu)不僅將接收機(jī)18直接置于進(jìn)行工地變更的點上，而且當(dāng)機(jī)械改變方向時，二接收機(jī)18還提供機(jī)械的方向參照點以及如圖6C和6D中89處所示用于左/右推土鏟角度測量的位置信息。
圖7A示意描述了機(jī)械作仿形運(yùn)作時，動態(tài)數(shù)據(jù)庫66的運(yùn)算步驟。該系統(tǒng)從計算機(jī)的操作系統(tǒng)開始，在300處啟勸。顯示屏的圖形在302處開始。初始工地數(shù)據(jù)庫(一種數(shù)字化的工地圖)是從程序目錄中的某一文件中讀取的，并且工地圖、實際及目標(biāo)地形是在步驟304處畫到顯示屏上的。來自顯示屏22的邊側(cè)等級指示符(side bargrade indicator)是在步驟306處建立起來的，模塊40、50、60中的各種順序的通信程序(圖3)是在步驟308處建立起來的。在步驟310處，系統(tǒng)檢查用戶暫停該系統(tǒng)的請求，例如一天結(jié)束時，或就餐時間時或換班時間時?？梢杂萌魏我阎挠脩艚涌谘b置在步驟310處進(jìn)入用戶要求中止的請求，例如，與計算機(jī)62相通的計算機(jī)鍵盤或類似的計算機(jī)輸入裝置。
隨后，在步驟312，從圖3中的位置模塊50和控制/更新模塊之間的串聯(lián)端連接讀取機(jī)械的三維位置。在步驟314處，機(jī)械的GPS位置被轉(zhuǎn)換成數(shù)字化工地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)，這些坐標(biāo)在步驟316處被顯示在顯示屏22上的窗口72中。
在步驟318處，以圖示和輪廓顯示的方式確定機(jī)械路徑，并且該路徑被實時更新，指示機(jī)械進(jìn)行操作的工地圖網(wǎng)格部分。在機(jī)械仿形實施施中，使機(jī)械路徑的寬度與機(jī)械通過工地時的地形變更工具(拖拉機(jī)推土鏟32)相等。必須精確判定推土鏟32通過的網(wǎng)格方格，從而提供實時更新的操作員位置，并在動態(tài)工地圖上工作。數(shù)字化工地圖上網(wǎng)格單元的大小是固定的，并且盡管數(shù)個網(wǎng)格單元的寬度可以均勻地與機(jī)械(即拖拉機(jī)推土鏟)的寬度匹配，但是當(dāng)機(jī)械通過時，推土鏟不會總是覆蓋某一特定的網(wǎng)格單元。既使如果機(jī)械/工具寬度正好是網(wǎng)格單元寬度的倍數(shù)，但是機(jī)械沿網(wǎng)格單元排列方向移動從而在其路徑完全覆蓋每一網(wǎng)格單元的機(jī)會也是較少的。
為了克服這一問題，圖7B—7C中步驟318的子程序?qū)ο鄬τ诠さ貓D網(wǎng)格的機(jī)械(這里為一拖拉機(jī)推土鏟32)操作部分的路徑作出判定。在圖7B的步驟319處，模塊判定安裝在機(jī)械上的接收機(jī)位置相對于工地是否沿橫向或縱向(即在(X，Y，Z)坐標(biāo)系中沿X方向或Y方向)發(fā)生了改變。如果是，則系統(tǒng)在步驟320處確定這是否是第一系統(tǒng)環(huán)路。如果本環(huán)路不是第一環(huán)路，則在步驟322處擦去前面環(huán)路中確定的和顯示的機(jī)械路徑，以便在本環(huán)路中更新。如果本環(huán)路是第一環(huán)路，則簡單地跳過步驟322，就像本例中沒有什么機(jī)械路徑被擦去那樣。
在步驟324處，開始繪制拖拉機(jī)圖像。如果已經(jīng)畫好，則在步驟326處，從工地模型圖中它的前一位置上擦去拖拉機(jī)圖像。在步驟328處，系統(tǒng)對機(jī)械當(dāng)前位置坐標(biāo)是否處于機(jī)械在上一系統(tǒng)環(huán)路中占據(jù)的網(wǎng)格單元之外作出判定。
如果在步驟328機(jī)械的位置沒有變化，例如如果推土機(jī)被擱置或空轉(zhuǎn)在那兒，那么系統(tǒng)就跳到步驟336—344。
如果在步驟328處，機(jī)械相對于工地圖網(wǎng)格的位置已經(jīng)改變，系統(tǒng)就前進(jìn)到步驟330，在那里從實際推土鏟端內(nèi)側(cè)標(biāo)明“有效”拖拉機(jī)推土鏟端。在描述的實施例中，有效推土鏟端是通過差分算法規(guī)則距實際端近似為網(wǎng)格單元寬度的二分之一來識別的。例如，如果實際推土機(jī)推土鏟32為10.0英尺長，對應(yīng)于2.0英尺×2.0英尺網(wǎng)格單元，則在步驟330處計算的推土鏟端的有效位置為從每一實際端內(nèi)側(cè)起一英尺。如果有效(非實際)推土鏟端接觸或通過數(shù)字化工地模型上網(wǎng)格單元的任一部分，由于已經(jīng)由機(jī)械進(jìn)行了改變，則由差分算法來讀取并計算那一網(wǎng)格單元，因為實際上推土鏟至少通過了網(wǎng)格單元的一半。當(dāng)然，推土鏟端的偏離量可以視網(wǎng)格單元的大小以及確定推土鏟是否已經(jīng)通過某一網(wǎng)格單元所要求的誤差范圍而變化。例如，可以將有效工具參數(shù)設(shè)定成與實際工具參數(shù)相等，盡管在描述的實施例中最好取更小的有效參數(shù)。
可以理解，這一推土鏟定位方法可以用于任何地形變更操作之中，在這種操作之中要求判定機(jī)械連續(xù)部分的路徑或者通過工地模型的網(wǎng)格單元的它的工具的路徑。
在步驟332中，系統(tǒng)判定自上一系統(tǒng)環(huán)路以來推土鏟是否已經(jīng)移動。如果推土鏟已經(jīng)移動，系統(tǒng)前進(jìn)到步驟334，用將在下文結(jié)合圖7D進(jìn)行詳細(xì)描述的方法實時判定工地圖網(wǎng)格上推土鏟的路徑。如果在步驟332處推土鏟自上一系統(tǒng)環(huán)路以來沒有移動，則系統(tǒng)跳過步驟334。在步驟336處，系統(tǒng)用上面確定的機(jī)械路徑信息計算機(jī)械圖像位置以及方向。在步驟338處，這一信息被用來確定當(dāng)前或?qū)嶋H工地地形以及所要求的工地地形輪廓。在步驟340處，這些輪廓被顯示在操作員顯示器22的外觀窗76中。在步驟342處，系統(tǒng)接著在圖形窗口70上繪制機(jī)械圖像，并在步驟344處，重新繪制以前擦去的機(jī)械路徑軌跡，以反應(yīng)最近的機(jī)械運(yùn)動以及機(jī)械路徑中的工地變化。
再回到步驟318看子程序的步驟319，如果自上一測量以來機(jī)械位置中沒有顯著改變，則跳過機(jī)械位置、跟蹤及更新步驟320—344，并且系統(tǒng)從圖7A中步驟318的子程序跳到步驟346。
在圖7A中的步驟346、348，更新顯示屏上的粗細(xì)等級指示符，并且系統(tǒng)完成了其環(huán)路程序的運(yùn)行，回到步驟310。
在步驟310處，操作員還可以如上所述選擇停止該系統(tǒng)，例如在一天結(jié)束時或午餐時。如果操作員在步驟310處選擇使系統(tǒng)停機(jī)，則系統(tǒng)進(jìn)行到步驟350，在那里，當(dāng)前數(shù)據(jù)庫被存儲在系統(tǒng)計算機(jī)中某一合適的數(shù)字存儲裝置(如一永久或可移動磁盤)的文件中，在步驟352處，中斷差分模塊的運(yùn)行，在步驟354處，操作員返回到計算機(jī)操作系統(tǒng)。如果操作員不從該系統(tǒng)中退出，則它即返回到步驟312，在該步驟處，從與位置模塊50和接收機(jī)18相連的串聯(lián)端口處讀取后續(xù)位置讀數(shù)，并且反復(fù)系統(tǒng)環(huán)路。
圖7C中更新機(jī)械路徑和當(dāng)前工地圖的步驟334的子程序見圖7D中的更詳細(xì)描述。因為步驟330的算法規(guī)則彌補(bǔ)了機(jī)械或工具寬度與由該機(jī)械或工具完全通過的網(wǎng)格單元個數(shù)之間的不完全一致，所以GPS位置讀數(shù)之間由機(jī)械/工具產(chǎn)生的距離和方向的變化會導(dǎo)致機(jī)械通過部分實時更新信息的損失。這在機(jī)械行駛速度相對于工地圖的網(wǎng)格單元較高時特別嚴(yán)重。例如，如果網(wǎng)格單元是一平方米，并且定位系統(tǒng)的取樣速率是每秒鐘一個坐標(biāo)取樣，則以每小時18公里速度行駛的機(jī)械在位置抽樣之間達(dá)約行駛5米或5個正方形網(wǎng)格。因此，對于由機(jī)械覆蓋的5個正方形網(wǎng)格中至少中間的三個網(wǎng)格來說，不存在實時信息。
為了解決這一問題，在步驟334處采用一種“填入多邊形”的算法規(guī)則來估算坐標(biāo)抽樣之間由機(jī)械通過的路徑。圖7D中，算法規(guī)則在步驟334a、在位置(X1，Y1)和(X2，Y2)以及坐標(biāo)位置(X0，Y0)處，在由推土機(jī)推土鏟有效端限定的工地圖網(wǎng)格表面上定出一個矩形。在步驟334b、334c以及334f處，搜尋算法規(guī)則在矩形邊界內(nèi)，搜尋那些由二推土鏟位置之間限定的多邊形中那些網(wǎng)格單元，即由推土鏟的有效端之間通過的那些網(wǎng)格單元。
在步驟334d和334e，這些最近通過的網(wǎng)格單元被著色、打上陰影、否則即被更新，從而告知操作員，他是處在那些網(wǎng)格單元的目標(biāo)高度之上方還是下方，或者就在目標(biāo)高度上。在步驟334d，網(wǎng)格單元的地面高度或Z軸坐標(biāo)在坐標(biāo)(x2，y2)處被更新。在步驟334e，高于目標(biāo)高度的當(dāng)前高度使得網(wǎng)格單元被著上顏色，如紅色。與目標(biāo)高度相等的當(dāng)前高度使得網(wǎng)格單元被著上另一種顏色，如黃色。低于目標(biāo)高度的當(dāng)前高度使得網(wǎng)格單元被著上再一種顏色，如藍(lán)色。在操作員顯示屏22上，這些更新就像是機(jī)械/工具圖像82后剛剛通過的一行行網(wǎng)格單元，被著了色，或者被可視地更新成指示推土或仿形是在目標(biāo)輪廓之上還是之下；圖6B中由圖形窗口70的不同陰影區(qū)示出了一個例子。如果目標(biāo)輪廓在那一區(qū)域內(nèi)沒被匹配，那么操作員可以在下一次通過時重做或校正它。由推土機(jī)圖像通過的著色行將保留在操作員顯示屏22上，直至在以后通過時被充分改變，以確保色彩變化或類似的可視更新，也就是直至實際工地上機(jī)械的高度坐標(biāo)更加接近那些網(wǎng)格單元上所要求的工地模型的高度坐標(biāo)。
當(dāng)圖7A—7D描述的實施例的系統(tǒng)和方法通過可視操作員顯示屏用來提供實時機(jī)械位置和工地更新信息時，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解到，產(chǎn)生的代表機(jī)械位置和工地更新信息的信號可以用非可視方法來實施已知自動機(jī)械控制，例如電氣液壓機(jī)械和/或工具控制系統(tǒng)。
圖8示意繪出了本發(fā)明系統(tǒng)的一個或多個機(jī)械或工具操作系統(tǒng)的閉合環(huán)路自動控制。如上所述，圖8所示的實施例能夠與補(bǔ)充的操作員顯示屏一起或者沒有補(bǔ)充操作員顯示屏?xí)r使用，本例中為描述方便，僅示出自動機(jī)械控制器。在400處給出了一個含有本發(fā)明動態(tài)數(shù)據(jù)庫的算法規(guī)則的合適的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，如前述實施例中描述的一臺計算機(jī)。動態(tài)數(shù)據(jù)庫400從GPS接收機(jī)系統(tǒng)410接收3-D瞬時位置信息。所要求的數(shù)字化工地模型420以任何一種合適的方式被裝載或存儲在計算機(jī)400的數(shù)據(jù)庫中，例如存儲在一合適的磁盤存儲器內(nèi)。自動機(jī)械控制模塊470含有電氣液壓機(jī)器控制器472，該控制器的連接用來操作，例如地形變更機(jī)械上的方向控制、工具和驅(qū)動系統(tǒng)474、476、478。自動機(jī)械控制器472能夠接收來自計算機(jī)400中動態(tài)數(shù)據(jù)庫的信號，這些信號代表實際工地模型430和所要求的工地模型420之間的差異，用來操作機(jī)械的方向控制、工具和驅(qū)動系統(tǒng)，使實際工地模型與所要求的工地模型一致。當(dāng)自動機(jī)械控制器472操縱該機(jī)器的各個方向控制、工具和驅(qū)動系統(tǒng)時，機(jī)械的工地和當(dāng)前位置和方向的改變是由400處的動態(tài)數(shù)據(jù)庫來接收，讀取和運(yùn)算的，從而更新實際工地模型。實際工地更新信息是由數(shù)據(jù)庫400接收的，其相應(yīng)地使傳送到機(jī)械控制器472的信號得到更新，用作機(jī)械的方向控制、工具和驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)機(jī)械在工地上移動時，使實際工地模型與所要求的工地模型一致。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員很清楚的是，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以容易地用于幾乎任何通過某一工作場地進(jìn)行的地形變更、機(jī)械作業(yè)或勘測運(yùn)行，從而實時監(jiān)測或?qū)嵤┕さ氐匦蔚哪承┳兓?。描述的實施例有助于理解本發(fā)明的整個原理，并詳細(xì)揭示了一種最佳應(yīng)用，并且這些實施例是非限定性的?？梢詫Ρ景l(fā)明作出許多其它修改和應(yīng)用，并且這些修改和應(yīng)仍落在后文權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用來操縱移動式地形變更機(jī)械(10)運(yùn)行的裝置(40，50，60)，其特征在于，它包含(a)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲和檢索裝置(126)，用來存儲代表所要求的工地地形的第一三維工地地形模型(104)和代表實際工地地形的第二三維工地地形模型(106)；(b)產(chǎn)生數(shù)字信號的裝置(120)，所述數(shù)字信號實時代表當(dāng)機(jī)械(10)通過工地(12)時，至少一部分機(jī)械(10)在三維空間中的瞬時位置；(c)接收所述信號和更新第二模型(430)的裝置(124)；(d)實時判定第一和第二模型(420，430)之間差異的裝置；以及(e)按照所述差異操縱所述機(jī)械(10)運(yùn)行的裝置(128)，用來使更新的第二模型(430)與所述第一模型(420)一致。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述產(chǎn)生三維位置信號的裝置(120)包括一GPS接收機(jī)(16，18)。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述產(chǎn)生三維位置信號的裝置裝載在機(jī)械(10)上。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述機(jī)械(10)包含一相對于機(jī)械(10)可以移動的工具(32)，用來改變工地地形，并且產(chǎn)生三維位置信號的裝置(120)安裝在工具(32)上。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，它還包括在機(jī)械上判定相對于工地(12)表面的工具(32)的高度的裝置(18)。
6. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，操縱機(jī)械(10)運(yùn)行的裝置(128)包括一操作員顯示器(22)。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示器(108)包括第一和第二工地模型(104，10)以及其間差異的一圖形顯示和一輪廓顯示。
8. 如權(quán)利要求6所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示器(108)包括工地模型(104，106)和其之間的差異的一圖形顯示。
9. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述操作員顯示器包括所述工地模型(104，106)和其之間差異的一輪廓顯示。
10. 如權(quán)利要求7所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示器包括一相對于所述工地模型(104，106)的移動式機(jī)構(gòu)(10)的實時位置顯示器。
11. 如權(quán)利要求8所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示器(108)包括移動式機(jī)械(10)處工地模型(104，106)之間差異的實時粗細(xì)指示器。
12. 如權(quán)利要求6所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示器(108)裝載在移動式機(jī)械(10)上。
13. 如權(quán)利要求6所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示器離移動機(jī)械處有一段距離。
14. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述接收位置信號和更新第二模型(430)的裝置(124)以及判定第一和第二模型之間差異的裝置(124)位于機(jī)械(10)上。
15. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述接收位置信號和更新第二模型(430)的裝置(124)以及判定第一和第二模型(420，430)之間差異的裝置(124)離機(jī)械(10)有一段距離。
16. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操縱機(jī)械運(yùn)行的裝置(128)包括閉合環(huán)路的自動控制裝置(470)，用來驅(qū)動機(jī)械(10)上的一個或多個運(yùn)行系統(tǒng)。
17. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述機(jī)械(10)包含一工地仿形機(jī)械，所述第一工地模型(104)包含所要求的工地地形的靜態(tài)三維模型，所述第一和第二模型(104，106)之間的差異包含實際工地地形和所要求的工地地形之間的高度差。
18. 如權(quán)利要求1所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，它還包含一差分裝置(124)，用來實時判定相對于位置讀數(shù)之間的工地(12)的機(jī)械(10)的路徑。
19. 如權(quán)利要求18所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述差分裝置(124)包括判定所述機(jī)械(10)的地形變更部分有效寬度的裝置，所述有效寬度小于或等于其實際寬度。
20. 如權(quán)利要求19所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述差分裝置(124)包括在位置讀數(shù)之間判定由所述機(jī)械的地形變形部分(32)通過的工地(12)的面積的裝置(62)，以及更新由所述地形變更部分(32)的有效寬度改變的第二工地模型(106)的面積的裝置(62)。
21. 一種操縱移動式地形變更機(jī)械(10)運(yùn)行的方法，其特征在于，它包括下述步驟(a)在一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲檢索裝置(126)中，產(chǎn)生并存儲代表所要求的工地地形的第一三維工地模型(104)以及代表實際工地地形的第二三維工地地形模型(106)；(b)當(dāng)機(jī)械(10)通過工地(12)時，在至少一部分機(jī)械(10)的三維空間中，產(chǎn)生代表實時瞬時位置的信號(120)；(c)按照所述的三維位置信號更新第二模型(430)；(d)判定所述第一工地模型和第二工地模型(420，430)之間的差異；以及(e)按照所述的差異，操縱所述機(jī)械(10)的運(yùn)行，從而使更新的第二工地模型(430)與所述第一工地模型(420)一致。
22. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述三維位置信號是由一GPS接收機(jī)(16，18)產(chǎn)生的。
23. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述三維位置信號是由裝載在機(jī)械(10)上的裝置(18)產(chǎn)生的。
24. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械(10)包括一相對于機(jī)械(10)可以移動的工具(32)，并且所述三維位置信號是響應(yīng)于裝載在工具(32)上的裝置的位置而產(chǎn)生的。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括這樣的步驟向工具(32)提供判定相對于工地(12)表面的工具(32)高度的裝置。
26. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述按照第一和第二工地模型(104，106)之間的差異操縱機(jī)械(10)的運(yùn)行的步驟包括提供所述第一和第二工地模型(104，106)之間差異的操作員顯示(108)。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括以一圖形顯示(plan view)和一輪廓顯示的方式，顯示所述第一和第二工地模型(104，106)之間差異的步驟。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括以一圖形顯示的方式顯示所述第一和第二工地模型(104，106)之間差異的步驟。
29. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括以一輪廓顯示的方式顯示所述第一和第二工地模型(104，106)之間差異的步驟。
30. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括實時顯示相對于第一和第二工地模型(104，106)的機(jī)械(10)的位置的步驟。
31. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括在機(jī)械(10)上提供操作員顯示(108)的步驟。
32. 如權(quán)利要求26所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，它還包含提供遠(yuǎn)離機(jī)械(10)的操作員顯示(108)的步驟。
33. 如權(quán)利要求21所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述更新第二模型(430)和判定所述第一和第二模型(420，430)之間差異的步驟是由機(jī)械上的裝置(18)來實施的。
34. 如權(quán)利要求21所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述更新第二模型(430)和判定所述第一和第二模型(420，430)之間差異的步驟是由遠(yuǎn)離機(jī)械的裝置實施的。
35. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述按照第一和第二工地模型(104，106)之間的差異操縱所述機(jī)械(10)的運(yùn)行的步驟包括提供控制某一機(jī)械系統(tǒng)和工具運(yùn)行的信號并使所述第二工地模型(106)與所述第一工地模型(104)一致的步驟。
36. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械(10)是一種工地仿形機(jī)械，所述第一工地模型(104)包含所要求的工地地形的靜態(tài)三維模型，所述第一和第二模型(420，430)之間的差異被判定為實際工地地形和所要求的工地地形之間的高度差。
37. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述按照機(jī)械(10)的位置來更新所述第二模型(430)的步驟包括在位置讀數(shù)之間實時判定相對于工地的機(jī)械(10)的路徑的步驟。
38. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，它還包括判定機(jī)械(10)的地形變更部分(32)的有效寬度的步驟，所述有效寬度小于或等于實際寬度。
39. 如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，它還包括在位置讀數(shù)之間判定機(jī)械(10)的地形改變部分(32)通過的工地面積、并更新所述地形變更部分(32)的有效寬度通過的第二工地模型(106)的面積的步驟。
40. 一種精確監(jiān)測并控制工地地形以及在所述工地(12)上工作的機(jī)械的系統(tǒng)，其特征在于，它包含一在工地上行駛或通過所述工地并改變所述工地地形的移動式機(jī)械(10)，所述機(jī)械上配備有定位裝置(40，50)，用來實時精確判定機(jī)械(10)相對于工地(12)移動時至少機(jī)械(10)的一部分的瞬時位置(100)；與機(jī)械(10)上的定位裝置(40，50)相連通的一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施(40)；所要求的工地地形.的第一三維模型(104)，以及實際工地模型的第二三維模型(106)，所述第一和第二工地模型(104，106)存儲在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施(40)中；與所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施和定位裝置(40，50)相連通的動態(tài)數(shù)據(jù)庫(400)，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫(400)裝置實時地監(jiān)測相對于所述工地(12)的機(jī)械(10)的位置，并且當(dāng)機(jī)械(10)通過所述工地(12)時，響應(yīng)于所述機(jī)械(10)的被監(jiān)測位置實時地更新第二工地模型(106)，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫(400)裝置還產(chǎn)生代表所述第一和第二工地模型(104，106)之間差異的信號，用來操縱所述機(jī)械(10)的運(yùn)行，使所述第二更新的工地模型(106)與所述第一工地模型(104)一致。
41. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，它還包括操作員顯示裝置(108)，用來使所述信號與所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)相連通，并顯示所述第一和第二工地模型(104，106)以及相對于所述工地(12)的機(jī)械(10)的位置之間的差異。
42. 如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述操作員顯示器(108)位于所述機(jī)器(10)上。
43. 如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述操作員顯示器(108)離所述機(jī)械(10)一段距離。
44. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)位于所述機(jī)械(10)上。
45. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)離所述機(jī)械(10)一段距離。
46. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，它還包括在所述機(jī)械(10)上與所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)相連通的自動控制裝置，代表所述第一和第二工地模型(104，106)之間差異的信號使所述自動控制裝置運(yùn)行，從而使所述第二工地模型(106)與所述第一工地模型(104)一致。
47. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定位裝置包含一GPS接收機(jī)(16，18)。
48. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述定位裝置安裝在所述機(jī)械(10)上、相對所述機(jī)械(10)的某一部分與工地表面接觸的已知位置上。
49. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械(10)包含一可相對于所述機(jī)械(10)運(yùn)動從而改變工地(12)的工具(32)，所述定位裝置安裝成與所述工具(32)一起移動。
50. 如權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述工具(32)還配備有一判定工具(32)相對于工地表面高度的鄰近檢測裝置(19)。
51. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械(10)配備有定位裝置(18)，所述定位裝置位于機(jī)械(10)上相隔一定距離的第一地點和第二地點處，所述第二地點處的定位裝置給出相對于所述第一地點處的定位裝置(18)的方向參照。
52. 如權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫(400)包括在位置讀數(shù)之間實時判定機(jī)械相對于所述工地的路徑的差分裝置(124)。
53. 如權(quán)利要求52所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械(10)包括一連續(xù)寬度的地形變更部分(32)，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)包括判定地形變更部分(32)的有效寬度的裝置(124)，所述有效寬度小于或等于其實際寬度。
54. 如權(quán)利要求53所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述差分裝置(124)包括一填充多邊形算法規(guī)則，用來在所述位置讀數(shù)之間判定機(jī)械(10)的地形變更部分(32)通過的路徑。
55. 如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫(400)裝置還包括更新由機(jī)械(10)的地形變更部分(32)通過的第二工地模型的面積的裝置(62)。
56. 一種實時判定移動式地形變更機(jī)械(10)在工地上的路徑的方法，其特征在于，它包含下述步驟提供一工地地形模型，所述工地地形被劃分成由單位面積組成的一連續(xù)陣列；為所述移動式機(jī)械(10)裝備裝置(40，50)，用來判定當(dāng)所述機(jī)械(10)通過工地(12)時至少機(jī)械(10)的一部分在三維空間中的位置；當(dāng)所述機(jī)械通過工地(12)時，跟蹤所述機(jī)械(10)的位置，并表示成所述工地模型(104，106)上的一系列坐標(biāo)點；判定機(jī)械(10)的工作部分(32)相對于所述工地模型(104，106)的單位面積的物理參數(shù)；以及如果跟蹤坐標(biāo)點的速率與所述機(jī)械(10)在所述工地(12)的單位面積上行駛的速率不同步，則在所述坐標(biāo)點之間，實時判定包含機(jī)械(10)的運(yùn)行部分(32)通過的許多單位面積的機(jī)械(10)的路徑。
57. 如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械(10)的工作部分(32)的參數(shù)被判定為小于或等于其實際參數(shù)的有效參數(shù)，并且工地(12)上被表述為工地模型(104，106)的機(jī)械(10)的路徑是由工作部分(32)的有效參數(shù)的路徑確定的。
58. 如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，所述判定機(jī)械(10)的工作部分(32)的有效參數(shù)的步驟包括判定所述工作部分(32)的有效寬度的步驟，所述有效寬度小于其實際寬度。
59. 如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述有效寬度是通過定位所述機(jī)械(10)的工作部分(32)的每一有效端離每一實際端有一段距離而確定的，這一段距離與所述工地模型(104，106)上一個單位面積的一段寬度相對應(yīng)。
60. 如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械(10)的工作部分包含一具有連續(xù)寬度的推土鏟(32)。
61. 如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械(10)的工作部分包含多個地形變更部分(32)。
62. 如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，它還包含對所述工地模型(37)的每一單位面積的地形進(jìn)行更新，并且其中的有效參數(shù)被判定為已經(jīng)通過的步驟。
63. 一種實時判定工地上可移動式地形變更機(jī)械(10)的路徑的裝置(40，50，60)，其特征在于，它包含被存儲在數(shù)字存儲設(shè)施(126)中并被劃分成具有許多單位面積的一連續(xù)陳列的一工地地形模型(36)；一移動式機(jī)械(10)，所述機(jī)械(10)配備有用來判定當(dāng)所述機(jī)械(10)通過工地(12)時至少機(jī)械(10)的一部分在三維空間中的瞬時位置的裝置；與所述數(shù)字存儲設(shè)施(126)以及位置確定裝置(120)相連通的裝置(124)，用來當(dāng)所述機(jī)械(10)通過所述工地(12)時跟蹤所述機(jī)械(10)的瞬時位置，并表示為所述工地模型(104，106)上的一系列坐標(biāo)點；確定所述機(jī)械(10)的工作部分(32)相對于所述工地模型(104，106)的單位面積(37)的物理參數(shù)的裝置(470)；以及裝置(124)，當(dāng)跟蹤所述坐標(biāo)點的速率與所述機(jī)械(10)在所述工地(12)的許多單位面積(37)上行駛速率不同步時，所述裝置(124)以所述坐標(biāo)點之間機(jī)械(10)的工作部分(32)通過的許多單位面積(37)的形式，來實時判定機(jī)械(10)的路徑。
64. 如權(quán)利要求63所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述判定物理參數(shù)的裝置(470)包括用來判定所述機(jī)械(10)的工作部分(32)的有效參數(shù)的裝置，所述有效參數(shù)小于或等于其實際參數(shù)；判定在工地模型(104，106)上表示的機(jī)械(10)在工地(12)的路徑的裝置(124)包括用來判定工作部分(32)的有效參數(shù)的路徑的裝置(124)。
65. 如權(quán)利要求64所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述機(jī)械(10)的工作部分(32)的有效參數(shù)包含所述工作部分(32)的有效寬度，該有效寬度小于它的實際寬度。
66. 如權(quán)利要求65所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述有效寬度被限定為所述機(jī)械(10)的工作部分(32)的有效端之間，每一有效端離每一實際端有所述工地模型(37)上一個單位面積的一段寬度的距離。
67. 如權(quán)利要求65所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述機(jī)械(10)的工作部分(32)包含具有連續(xù)寬度的一推土鏟。
68. 如權(quán)利要求65所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述機(jī)械(10)的工作部分(32)包含具有連續(xù)寬度的多個地形變更部分。
69. 如權(quán)利要求64所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，它還包括對所述工地模型(37)的每一個有效寬度被確定為已經(jīng)通過的單位面積的地形進(jìn)行更新的裝置。
70. 采用三維位置信號以及工地的數(shù)字化模型，在三維空間內(nèi)對機(jī)械相對于工地的位置進(jìn)行精確判定的方法，其特征在于，所述方法包含下述步驟(a)裝備機(jī)械(10)使能接收位置信號；(b)在一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施(126)中產(chǎn)生并存儲工地模型(37)；(c)在所述工地(12)上操作所述機(jī)械(10)，并且按照至少機(jī)械(10)的一部分相對于所述工地(12)的三維位置，同時同步實時更新存儲設(shè)施(126)中的工地模型(37)。
71. 如權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，所述工地模型(37)是一個代表實際工地(12)地形的實際工地模型(37)。
72. 如權(quán)利要求71所述的方法，其特征在于，它還包含下述步驟在所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施(126)中產(chǎn)生并存儲所要求的一工地模型(37)，并且當(dāng)所述實際工地模型被更新時，實時判定實際工地模型和所要求的工地模型之間的差異。
73. 如權(quán)利要求72所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械(10)用來形成工地(12)的輪廓，并且所述要求的工地模型(37)包含最終工地輪廓(36)的靜態(tài)三維模型。
74. 如權(quán)利要求70所述的方法，其特征在于，它還包括實時對所述機(jī)械(10)的操作員顯示和更新工地模型(37)的步驟。
75. 如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于，所述操作員顯示裝置(108)位于所述機(jī)械(10)上。
76. 如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于，所述操作員顯示裝置(108)離所述機(jī)械(10)一段距離。
77. 如權(quán)利要求75所述的方法，其特征在于，所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施位于所述機(jī)械(10)上。
78. 如權(quán)利要求75所述的方法，其特征在于，所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施(126)離機(jī)械(10)一段距離，所述裝置(40，50，60)還包括將代表更新的工地模型(37)的信號從遠(yuǎn)離機(jī)械(10)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)傳送到位于機(jī)械(10)上的操作員顯示裝置(108)，以及用來將所述機(jī)械(10)的位置傳送到所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫(400)的裝置。
79. 一種采用工地的數(shù)字化模型中的三維位置信號，用來精確判定相對于工地的三維空間中的機(jī)械(10)的位置的裝置(40，50，60)，其特征在于，它包含(a)一移動式機(jī)械(10)，所述機(jī)械(10)配備有裝置(124)，當(dāng)所述機(jī)械通過工地(12)時，所述裝置(124)用來接收位置信號，并用來判定至少機(jī)械(10)的一部分在三維空間中的瞬時位置；(b)存儲在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施(126)中的一工地地形模型；(c)與判定機(jī)械位置的裝置(470)以及數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施(126)相連通的動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)包括按照至少機(jī)械(10)的一部分相對于工地(12)的三維位置，實時更新存儲設(shè)施(126)中工地模型的裝置(126)。
80. 如權(quán)利要求79所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述工地模型是一個代表工地實際地形的實際工地模型。
81. 如權(quán)利要求80所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所要求的工地模型存儲在數(shù)字存儲設(shè)施(126)中，并且所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)包括差分裝置(124)，用來當(dāng)所述實際工地模型被更新時，實時判定實際工地模型和所要求的工地模型之間的差異。
82. 如權(quán)利要求81所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述機(jī)械(10)是一種工地仿形機(jī)械，并且所要求的工地模型包含一最終工地輪廓的靜態(tài)三維模型。
83. 如權(quán)利要求79所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述裝置包括實時將更新的工地模型顯示給機(jī)械(10)的操作員的裝置。
84. 如權(quán)利要求83所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示裝置(108)位于所述機(jī)械(10)上。
85. 如權(quán)利要求83所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述操作員顯示裝置(108)離所述機(jī)械(10)有一段距離。
86. 如權(quán)利要求84所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)位于所述機(jī)械(10)上。
87. 如權(quán)利要求84所述的裝置(40，50，60)，其特征在于，所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)離所述機(jī)械(10)有一段距離，所述裝置還包括將代表更新的工地模型的信號從遠(yuǎn)離機(jī)械(10)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫裝置(400)傳遞到位于機(jī)械(10)上的操作員顯示裝置(108)的裝置，以及將所述機(jī)械(10)的位置傳送到所述動態(tài)數(shù)據(jù)庫(400)的裝置。
全文摘要
一種操作地形變更機(jī)械而將地形改變成要求地形的方法和裝置。要求地形的第一數(shù)字三維模型和實際地形的第二數(shù)字三維模型被存儲在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲設(shè)施內(nèi)。位置接收機(jī)確定機(jī)械相對工地在三維空間內(nèi)的地點。動態(tài)數(shù)據(jù)庫接收機(jī)械位置信息，確定第一、第二工地模型之差異，并產(chǎn)生代表該差異的信號，用來操縱該機(jī)械的運(yùn)行，使實際工地地形與要求工地地形一致。
文檔編號G01S19/48GK1117317SQ94191115
公開日1996年2月21日 申請日期1994年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月8日
發(fā)明者亞當(dāng)·J·古德特, 丹尼爾·E·亨德森, 格雷戈里·R·哈羅德, 卡爾·W·埃萊曼哈根 申請人:履帶拖拉機(jī)股份有限公司