专利名称：为挖土作业呈现地形数据的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及一种用于呈现地形数据的方法和装置，更特别地，涉及一种为 挖土机器的操作者呈现出工作场地的目标设计表面(target design surface)和可视图像的方
法和装置。
背景技术：
挖土作业通常使用各种挖土机器来改变工作场地的地形学特征。例如，可使用 挖掘机挖掘沟渠。类似地，可使用推土机将材料清除或推动至期望的坡度。通常，可设 置标记(例如桩体或旗子)来标记特定的位置。但是，传统的标记只限于能告知挖土机器 的操作者其所关注的区域。这些传统的标记仅能标记特定的位置。对于一些挖土作业， 可能需要额外的信息来确定是否要将土从标记所代表的位置移开或要将土移至标记所代 表的位置。另外，在传统标记的位置进行挖土作业会移开和/或遮住所述标记。因此， 传统的标记可能不适合某些挖土作业。传统挖土作业的另一个缺点是从挖土机器观察参考标记和/或工作场地很麻 烦。例如，在某些挖土机器中，操作者从挖土机器的驾驶室可能不能完全地观察到工作 场地。类似地，操作者从某些挖土机器的驾驶室可能不能识别出参考标记。因此，操作 挖土机器可能很困难。另外，由于特定挖土机器的尺寸和/或附近的障碍物的原因，操 作挖土机器可能更复杂。虽然挖土作业的传统方法能使用旗子或桩体作为标记，但是这些传统的标记不 能满足某些挖土机器的作业要求。
发明内容
本文公开的以及要求保护的是一种用于为挖土作业呈现工作场地的可视图像的 系统和方法。在一个实施方式中，可接收工作场地的目标设计数据。可接收在工作场地 作业的挖土机器的空间位置和方位。另外，可从设置在挖土机器上的图像设备接收至少 部分工作场地的可视图像。使用覆盖可视图像的目标设计数据的子集(subset)来显示部 分工作场地的可视图像，其中所述目标设计数据的子集涉及该部分工作场地。鉴于本发明的以下详细说明，本发明的其他方面、特征以及技术对于相关领域 的技术人员来说将是显而易见的。
图1图示了本发明的一个或多个实施方式的控制器的简化�？橥迹煌�2图示了本发明的一个或多个实施方式的系统的实施方式；图3图示了本发明的一个或多个实施方式的方法；图4图示了本发明的一个实施方式的工作场地的图像；图5图示了本发明的一个或多个实施方式的方法；
图6A-6B图示了本发明的一个或多个实施方式的显示器的图像。
具体实施例方式本发明一方面致力于给挖土机器的操作者提供数据用于挖土作业。在一个实施 方式中，控制器可被配置用来接收对应于挖土机器的空间位置和方位的数据。根据另 一个实施方式，所述控制器可被配置用来接收对应于工作场地的目标设计数据和图像数 据。在一个实施方式中，目标设计数据可涉及关于工作场地的地形学数据。所述控制 器可被进一步配置用来显示部分工作场地的可视图像以及覆盖在可视图像上的目标设计 表面轮廓。在一个实施方式中，所述目标设计表面轮廓可被透明地覆盖或半透明地覆盖 等。采用这种方式，控制器能以平面的、轮廓的或3D模型图像中的一种或多种形式给挖 土机器的操作者提供期望坡度、高度或填充信息。根据本发明的另一个方面，本发明提供一种用于给挖土机器的操作者呈现目标 设计表面轮廓的方法。所述方法可包括接收工作场地的设计表面信息以及挖土机器的位 置和方位。所述方法也可进一步包括接收部分工作场地的可视图像。根据另一个实施方 式，本方法可包括在工作场地的可视图像上叠合(superimpose)目标设计表面轮廓。本发明的另一个方面涉及一种用于给挖土机器的操作者呈现工作场地的实时可 视图像的系统。在一个实施方式中，所述系统可包括设置在挖土机器内的控制器。所述 系统可进一步包括多个参考标记。根据另一个实施方式，所述系统可包括与挖土机器通 讯的控制中心，所述控制中心被配置用来收集挖土机器和参考标记的方位和位置从而生 成工作场地的地形学模型。所述控制器可与系统的元件通讯以提供包括目标设计表面在 内的工作场地的实时显示。当以软件执行时，本发明的元件实质上是执行必要任务的代码段。程序或代码 段能被存储在处理器可读介质中。所述“处理器可读介质”可包括任何能存储或传递信 息的介质。所述处理器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储设备、ROM、闪存或 其他的非易失性存储器、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质等等。所述代码段可 通过计算机网络(例如因特网、内部网络等)来下载。参见附图，图1图示了本发明的一个或多个实施方式的控制器的简化�？橥�。 根据本发明的一个实施方式，控制器100可被配置用来给挖土机器的操作者提供设计数 据。正如本文中所使用的，设计数据可涉及工作场地内的包括工作场地的位置和/或高 度特征在内的特征的测绘。也可意识到的是，设计数据可包括至少部分工作场地的目标 设计表面，其中目标设计表面涉及工作场地的期望坡度、高度或图像。根据另一个实施 方式，设计数据可涉及物料的期望开凿和/或填充。例如，设计数据可表示要被放置在 特定位置的石头的高度或深度。如图1所示，控制器100包括与GNSS输入端110、可视 输入端115、存储器120、显示器125以及输入/输出(I/O)接口 130连接的处理器105。 GNSS输入端110被配置用来接收对应于挖土机器的空间位置和/或方位的数据。在一个 实施方式中，控制器100能通过GNSS输入端110接收全球导航卫星系统(GNSS)数据、 全球定位系统(GPS)数据以及一般的地理空间定位信息中的至少一种。根据另一个实施 方式，控制器100能接收基于地面的无线电位置数据、通过总站产生的3D定位系统和/ 或一般的任何类型的3D定位数据。控制器100的可视输入端115可连接到图像源，例如数码照相机、摄影机或一般的视频设备。因此，可视输入端115可用于从图像设备接 收图像数据。根据另一个实施方式，输入/输出(I/O)接口 130可用于通过有线或无线 连接接收工作场地的设计数据和/或更新的地形学数据。处理器105可被配置用来通过 I/O接口 130提供一个或更多的输出信号，因而从可视输入端115接收的可视数据以及从 I/O接口 130接收的地形学数据可通过显示器125呈现。也可意识到的是，通过处理器 105接收的数据可存储在存储器120内。存储器120可以是ROM和RAM存储器中的一 个。根据另一个实施方式，处理器105可为任何类型的处理器，例如微处理器、现场可 编程门阵列(FPGA)和/或专用集成电路(ASIC)。参见图2，图2显示了简化的系统200，系统200可使用图1中的控制器。如图 2所示，系统200包括可设置在挖土机器205内的控制器225 (例如控制器100)。在一个 实施方式中，图像设备210和GPS接收器215可连接到挖土机器205。同样地，图像设 备210可被配置用来捕获工作场地220的一部分的可视数据(例如视频流或静像信息)。 工作场地220的该部分可以是图像设备210的观察区。如图1所示，工作场地220的该 部分被显示为挖土机器205的前方部分。但是，应当意识到，图像设备210可被配置用 来捕获涉及挖土机器的任何方向的可视图像。根据另一个实施方式，图像设备210可被 配置用来获取全景图像。GPS接收器215可被配置用来确定挖土机器205的空间位置和 /或方位。根据另一个实施方式，控制器225可通过无线或有线通讯线路连接到图像设备 210和GPS接收器215。以这种方式，控制器225可被配置用来呈现该部分工作场地220 的可视图像。另外，控制器225可被配置用来在显示器230 (例如显示器125)上呈现设计 数据和地形数据。例如，可显示工作场地的目标设计表面，这将在下文中参考图6A-6B 更加详细地描述。在一个实施方式中，显示器230可以是液晶显示器(LCD)。可意识到 的是，控制器225也可使用其他类型的显示器。在一个实施方式中，控制器225可包括 至少一个终端235，使用者可使用终端235调整显示器230。参见图3，图3显示了本发明的一个或多个实施方式的用于显示地形学数据的方 法300。方法300开始于方框305，其中接收工作场地(例如工作场地220)的设计数据 和/或地形学数据。在方框305中的接收的设计数据可包括工作场地的目标高度和/或 坡度。类似地，在方框305中接收的地形学数据可涉及工作场地的开凿和/或填充。可 在方框310中接收挖土机器(例如挖土机器205)的空间位置和/或方位。方法300可包 括在方框315中接收工作场地的可视图像。在一个实施方式中，所述可视图像可以是可 视流或一个或更多个的静止数码图像中的一种。在方框315内接收的可视数据可涉及部 分的工作场地。在方框315接收的设计数据或地形学数据可叠合在方框320内的可视图 像上。在一个实施方式中，在方框320内的目标设计表面的叠合可包括使用基准点或参 考标记中的至少一种。根据另一个实施方式，通过方法300呈现的设计数据可被更新， 这将在下文中参考图5更加详细地描述。图4描述了工作场地400的简化图像，在工作场地400中可使用图2中的系统。 在一个实施方式中，工作场地400可以是预先界定的具有至少一个边界的区域。如图4所 示，工作场地400具有一般的矩形形状。但应意识到，所述工作场地可具有其他形状。 挖土机器405 (例如挖土机器205)可被配置用来使用GPS接收器410接收空间定位数据 和方位数据。在一个实施方式中，挖土机器405可通过GPS接收器410从GPS卫星425接收空间定位数据和方位。至少部分地基于通过GPS接收器410接收的一个或更多的信 号，连接到挖土机器405的控制器(例如控制器225)能给机器的操作者呈现涉及工作场 地400的设计数据和/或地形学数据。根据另一个实施方式，挖土机器405可通过控制 站415的I/O接口(例如I/O接口 130)接收地形学数据。另外，控制中心415能从多个 参考标记ASOilSOn的一个或多个收集工作场地的地形学参考数据，例如由435表示的坡 度。参考图5，图5显示了根据本发明的一个实施方式的用于呈现工作场地的地形学 数据的方法500。方法500开始于方框505，其中显示工作场地的实时图像。可从设置 在挖土机器(例如挖土机器205)上的图像设备(例如图像设备210)来获取实时图像。可 在方框510中接收工作场地的设计数据和地形学数据。在方框515中可确定挖土机器的 位置和/或方位。例如，GPS接收器(例如GPS接收器215)可被配置用来确定挖土机 器的空间位置和方位。也可意识到的是，控制器(例如控制器225)可被配置用来确定挖 土机器的方位。方法500可进一步包括确定是否存在开凿和/或填充数据或开凿和/或填充数据 是否可被计算挖土机器的当前位置和/或方位。根据本发明的一个实施方式，可通过设 置在挖土机器内的控制器(例如控制器215)接收开凿/填充数据。所述开凿/填充数据 可以是表示如显示给挖土机器的操作者的、工作场地的期望高度和坡度中的至少一个的 信息。在另一个实施方式中，可通过控制器从控制器能得到的设计表面数据和/或最新 近的地形表面数据中确定开凿/填充数据。当不存在关于挖土机器的当前空间位置的设 计数据时(例如从方框520出来的“否”路径)，则如方框515中所述监控挖土机器的 位置和方位。但是，当存在关于挖土机器的当前空间位置的地形学数据时(例如从方框 520出来的“是”路径)，则如方框525所示更新呈现部分工作场地的显示(例如显示器 230的显示)。在一个实施方式中，可将目标设计表面叠合在工作场地的实时图像上。因 而，当操作挖土机器时，可给挖土机器的操作者提供期望的设计数据。继续参考图5，方法500可包括确定是否在方框530中修订(modify)挖土机器 的位置和/或方位。当挖土机器的位置或方位变化时(例如从方框530出来的“是”路 径)，如方框515所示，通过控制器(例如控制器225)能确定挖土机器的位置和方位。 但是，当挖土机器的位置或方位未变化时(例如从方框530出来的“否”路径)，控制 器能确定是否在方框535中更新工作场地的设计和/或地形数据。当工作场地的设计和 /或地形学数据已更新(例如从方框535出来的“是”路径)，如方框515所述，能确定 挖土机器的位置和方位。但是，当工作场地的设计和/或地形学数据还未更新时(例如 从方框535出来的“否”路径)，如在方框515所描述的，控制器可被配置用来监控挖土 机器的位置。根据本发明的另一个实施方式，可意识到的是，挖土机器的操作者可使用 控制器的输入终端(例如终端235)来更新工作场地的可视图像和地形学数据中的至少一 个。参见图6A-6B，其显示了根据本发明的一个或多个实施方式的显示窗口 600a和 600b(例如，显示窗口 230)的示范性视窗。首先参考图6A，显示窗口 600a呈现了根据 本发明的一个实施方式的至少部分工作场地610的实时图像。可意识到的是，可在工作 场地610的可视图像上叠合目标设计表面615。如图6a所示，目标设计表面615可被呈现为代表部分工作场地的期望高度和坡度中的至少一个的线条。也可意识到的是，目标 设计表面615可被呈现为阴影的、有色的或有图案的区域。在某些实施方式中，显示窗 口 600a可以是挖土机器附近的部分工作场地610 (例如部分工作场地220)。根据另一个 实施方式，GPS参考站620可用作显示窗口的参考标记。例如，控制器(例如控制器 225)可被配置用来使用GPS参考站620从而将目标设计表面和工作场地的可视图像校准 (align)。以这种方式，呈现在显示窗口 600a内的工作场地610的可视图像可与设计表面 615校准。在一个实施方式中，通过使用从角度传感器、惯性传感器、GNSS接收器和 一般的定位设备收集的位置和/或方位数据可确定工作场地610的可视图像与目标构造表 面615的校准。在其他的实施方式中，显示窗口 600a可以是挖土机器的操作者佩戴的目 镜。参考图6B，其显示了显示窗口 600b，显示窗口 600b呈现了部分工作场地610的 与设计表面615相符的可视图像。也可意识到的是，当达到工作场地610的目标高度或 坡度时，目标设计表面615可被显示成另一种颜色。以这种方式，可以给挖土机器的操 作者提供一种目标坡度或高度已达到的指示。虽然在附图中已经描述和显示了某些示范性的实施方式，但是应当认为，这些 实施方式仅仅是对宽泛发明的示例，而不是对其的限制，并且本发明不应当被限制到已 显示和描述的特定构造和布置，因为可能出现本领域普通技术人员进行的各种其他修 改。本文涉及的商标和版权是各自的拥有者的权利。
权利要求
1.一种用于为挖土操作呈现工作场地的可视图像的方法，所述方法包括以下动作 接收工作场地的目标设计数据；接收在所述工作场地操作的挖土机器的空间位置和方位； 从设置在挖土机器上的图像设备接收至少部分工作场地的可视图像； 以及使用覆盖所述可视图像的设计数据的子集显示所述部分工作场地的可视图像， 其中所述设计数据的子集涉及所述部分工作场地的目标设计表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标设计表面对应于所述工作场地的位置数 据、高度数据、坡度数据、开凿/填充数据以及空间参考标记中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间位置数据包括全球导航卫星系统 (GNSS)数据、全球定位系统(GPS)数据和一般的地理空间定位数据中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述可视图像进一步包括基于挖土机器的位 置变化和方位变化中的至少一个更新目标设计数据的子集。
5.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述可视图像进一步包括基于工作场地的地 形特征变化更新目标设计数据的子集。
6.根据权利要求1所述的方法，其中显示所述可视图像进一步包括以颜色阴影和着色 所述可视图像中的至少一种方式来显示所述设计数据的子集。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括至少部分地基于接收的用户输入来调节 工作场地的可视图像的显示。
8.根据权利要求7所述的方法，其中调节显示可视图像包括增加、减小、水平定位和 垂直定位部分工作场地的观察角度中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括至少部分地基于横向、纵向和垂直旋转 来调节所述设计数据的子集的显示。
10.一种用于给挖土机器呈现工作场地的可视图像的操作者界面，所述界面包括 显不器；至少一个输入端，所述至少一个输入端被配置用来 接收工作场地的目标设计数据，在所述工作场地操作的挖土机器的空间位置和方位，以及 来自设置在挖土机器上的图像设备的至少部分工作场地的可视图像；以及 连接到所述至少一个输入端和显示器的处理器，所述处理器被配置用来将由所述至 少一个输入端接收的数据输出至所述显示器，从而显示所述部分工作场地的可视图像， 并且所述设计数据的子集被显示为覆盖所述可视图像，其中所述设计数据的子集涉及所 述部分工作场地的目标设计表面。
11.根据权利要求10所述的操作者界面，其中所述目标设计表面对应于所述工作场地 的位置数据、高度数据、坡度数据、开凿/填充数据以及空间参考标记中的至少一个。
12.根据权利要求10所述的操作者界面，其中所述空间位置数据包括全球导航卫星系 统(GNSS)数据、全球定位系统(GPS)数据、基于地面的无线电定位数据和一般的地理 空间定位数据中的至少一个。
13.根据权利要求10所述的操作者界面，其中所述处理器被进一步配置用来基于挖土 机器的位置变化和方位变化中的至少一个更新目标设计数据的子集。
14.根据权利要求10所述的操作者界面，其中所述处理器被进一步配置用来基于工作 场地的地形学特征变化更新目标设计数据的子集。
15.根据权利要求10所述的操作者界面，其中显示所述可视图像进一步包括以颜色阴 影和着色所述可视图像中的至少一种方式来显示所述目标设计数据的子集。
16.根据权利要求10所述的操作者界面，所述处理器进一步被配置用来至少部分基于 接收的用户输入来调节工作场地的可视图像的显示。
17.根据权利要求16所述的操作者界面，其中调节显示可视图像包括增加、减小、水 平定位和垂直定位所述部分工作场地的观察角度中的至少一种。
18.根据权利要求10所述的操作者界面，其中所述处理器进一步被配置用来至少部分 基于所述挖土机器的横向、纵向和垂直旋转来调节设计数据的子集的显示。
19.根据权利要求10所述的操作者界面，其中从设置在所述挖土机器上的图像设备接 收至少一部分工作场地的可视图像。
全文摘要
一种用于为挖土作业呈现工作场地的可视图像的系统和方法。在一个实施方式中，可接收工作场地的目标设计数据。也可接收在工作场地作业的挖土机器的空间位置和方位。可从设置在挖土机器上的图像设备接收至少部分工作场地的可视图像。使用覆盖可视图像的目标设计数据的子集来显示部分工作场地的可视图像，其中所述目标设计数据的子集涉及部分的工作场地。
文档编号G01S5/14GK102016629SQ200980113070
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月9日 优先权日2008年4月11日
发明者马克·爱德华·尼克尔斯 申请人:卡特彼勒特林布尔控制技术有限责任公司
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