CN105556338B - 使用射频信号的定位*** - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于确定机器(10)在工地(20)中的位置的方法。所述方法包括由机器(10)上的激光雷达单元(32)确定来自激光雷达勘测的输入数据(102)。输入数据(102)与在激光雷达单元(32)与工地(20)中的相应反光点之间的距离相关联。所述方法进一步包括由工地(20)内的已知位置(35)处的第一信号装置(34)与位于机器(10)上的第二信号装置(36)之间的射频通信来进行通信。所述方法进一步包括至少基于射频通信确定机器(10)的位置数据，以及基于位置数据和输入数据(102)确定机器的位置。还公开了一种用于执行所述方法的***(30)。

Description

使用射频信号的定位***
技术领域
本发明总体涉及一种用于移动物体，诸如移动机器的定位***。定位***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
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***)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。
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***可用于跟踪机器相对于工地的位置。激光雷达***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***基于与捕获到的数据相关的参考推断机器的位置。定位***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。
然而，在一些应用中，对于激光雷达***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***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***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***的复杂性，该激光雷达***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***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***。
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。
所公开的定位***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
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。
在另一个方面，公开了一种用于确定工地中机器的位置的***。该***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***进一步包括射频通信***，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***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***进一步包括控制***，其与激光雷达单元和射频通信***通信。控制***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。
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***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。
可选地，位置可相对于存储在存储器***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***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。
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***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。
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***。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***包括用于存储表示矿井地图的数据的存储器***。该***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***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***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。
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
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。
图1是示例性公开的机器的图示；
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***的图示；
图3是可由图2的定位***使用以确定机器位置的数据的概念性表示；
图4是图2的定位***在其中可操作的工地的图示；
图5是描绘示例性公开的定位方法的流程图；
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
图1示出具有示例性公开的定位***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10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***。
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。
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。
控制器18包括处理器(未示出)和存储器***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。
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。
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***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***。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。
在示例性实施例中，通过利用定位***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***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被用于使用光信号扫描机器10周围的物体，诸如道路22、侧壁24、地下隧道的顶板和/或与工地20相关联的任何其它物体。激光雷达单元32可以位于机器10的框架和/或主体上，诸如前部、后部、侧面、顶部和/或机器10上的任何其它地方。在图2中的示例中，存在设置在机器10上的多个激光雷达单元32。每一个激光雷达单元32位于机器10上的独特位置处，特别地，前部和相应的侧面。激光雷达单元32包括一个或多个光源(即红外光、可见光或紫外光)，和/或一个或多个光检测器以通过得到有关道路22、侧壁24、顶板或与工地20相关的任何其它物体的信息来勘测周围环境。
光源是激光器，其在激光雷达单元32的视场内发射反射离开侧壁24的表面和/或工地20中的物体的其它表面的光。可以通过单个激光器发射光，其通过旋转镜反射以扫描在视场中的工地的部分。可替代地，可以通过涉及视场内不同角度的多个激光器发射光，以便辐射光以非扫描方式扫过视场。激光雷达单元32的一个或多个检测器接收反射光并且将信号发送至指示所接收光的控制器18。然后控制器18计算与表面上各个点的距离。计算的距离基于光的发射与光的检测之间所经过的时间，与表面的距离为所经过时间的一半乘以光的速度。然而，由于经过的时间和相关的距离基本上是相关的，所以在此认为可以将所经过的时间或计算出的距离视为限定的距离数据。在其它实施例中，控制器18的至少一部分集成到激光雷达单元32中。在这种情况下，激光雷达单元32计算工地表面上相应点的经过时间或距离，所述工地通过激光雷达单元32进行扫描或其它勘测。激光雷达单元32然后可以将计算的时间或距离发送至控制器18的外部元件或其它处理***，用于进一步分析。
在一个实施例中，至少一个激光雷达单元32由被控制器18作为单个装置处理的多个激光雷达装置组成。在这种实施例中，两个激光雷达装置背对背集成以形成一个激光雷达单元32。每一个激光雷达装置具有180度的视场，以使得激光雷达单元32具有360度的视场。激光雷达单元32可以安装在机器10的顶部，例如在驾驶室28的顶部或提升至其上方，以提供具有距离数据的控制器18围绕机器10进行360度观察。可以根据经过的时间或相对于参考矢量88的相应角度的距离提供距离数据。如图2所示，参考矢量88可以例如是沿着道路22(例如沿着道路的中心线)的路径90的切向矢量，并朝向道路的参考端91。通过360度观察记录的数据，激光雷达单元32可以潜在地呈现距离数据，所述距离数据表示在工地中以激光雷达单元的位置的视角的整个工地。然而，对于本文的工地的拓扑和在其中的激光雷达单元32的位置，工地的一些部分对于激光雷达单元32可能是不可见的。可替代地，如果激光雷达单元具有低于360度的视场，则工地的一些部分可能是不可见的。在任一情况下，所呈现的距离数据可以仅代表从激光雷达单元32可见的工地的一部分或几部分。
图3为数据100的概念表示，其中通过控制器18对其进行分析，以确定激光雷达单元32的位置及激光雷达单元32安装在其上的机器10。数据100可从控制器18的存储器***中读取，数据可存储在其上。然而，在各种实施例中，至少一些数据100由存储的数据动态地产生，诸如矿井的存储地图。数据100的其它元素可从其它输入到控制器18的输入中读取，诸如可从激光雷达单元32中读取。数据100包括从激光雷达单元32中得到的距离数据。距离数据为在视场内并相对于参考矢量88或其它一些参考系呈已知角度偏移的每一个相应角的一系列测量距离值，从D(1)104到D(s)104。在图3中，距离数据表示为线性一维阵列。在其它实施例中，距离数据可作为圆形阵列来索引。在激光雷达单元具有360°视场的一个实施例中，输入数据包含720个测量的距离值104，距离测量的数据元素以0.5°的增量绕着激光雷达单元32径向地间隔开。基于距离数据，控制器18还可估计、计算和/或另外确定所扫描的工地的物体或部分的形状。一些与形状相关的信息可通过利用数学滤波器从距离数据提取。例如，距离数据可变换到频域并且然后经过高通滤波器，以识别工地表面上的边缘或轮廓变化。距离数据的其它突出特性可通过其它已知的特性提取算法进行提取。表征距离数据的这种提取信息可以可选地被存储，而非原始距离值104，其作为输入数据102，以供控制器18在确定机器10的位置时使用。然而，在所述的示例性实施例中，输入数据102包含距离值D(1)到D(s)的线性阵列。
除其它之外，存储器***21还存储表示工地20的地图的数据。地图可通过限定在工地中把各种坐标连接起来的线的集合的数据来表示，例如，如在矿井地图的DXF文件中。地图可表示整个工地20或其一部分，诸如工地20中的至少一条指定隧道113，在该隧道内机器10被允许或指定来进行作业。地图还可以表示其它隧道115，其中机器10不被允许或指定来操作。在操作期间，控制器18动态生成参考数据109，其中每一个参考数据109指示来自粒子参考位置118的激光雷达勘测。对于给定的参考位置134，参考数据109基于从参考位置134到矿井地图上各点的相应距离111，通过生成理论激光雷达勘测从激光雷达地图文件中生成。例如，点可以是沿着矿井地图的线的点，其表示工地的壁24。在一个实施例中，点绕着参考位置134分布，以便表示绕着参考位置134具有360°视场的激光雷达勘测。在一个实施例中，为了简便起见而在本文中将其称为参考距离值的距离111绕着参考位置134以0.5°的间隔间隔开，以便提供720个参考距离值。可替代地，如果激光雷达单元32使用其它间距，则参考距离值的间距可匹配于与激光雷达单元32相关联的间距。
由控制器18生成的参考数据109在图3中表示为工地数据108的一部分。工地数据108包含一组参考项110，总数为M个参考。在图3的图示中，每一个参考项都包含参考标识118、参考位置134、用于该参考位置134的参考数据109以及其它数据116。参考项110的数字M由地图上点的有限分辨率确定。每一个点都对应于参考位置134，参考数据109可从该参考位置134中生成。在一个实施例中，包括在工地数据108中的地图点(及从其中生成的参考数据109)被限制于处于工地20的限定区域内的那些点。例如，工地数据108可被限制于在工地20的一部分内的点，其中机器10被指定来操作。例如，在一个实施例中，控制器18被编程来将在工地数据108中的参考位置134仅限制于沿着路径90的参考位置，其中路径90沿着道路22的纵向延伸中心线延伸，并且假定机器10沿着其操作。然而，可以理解，由于在一个实施例中，参考数据109是动态得到的，所以工地数据108无需存储于控制器21的存储器***21中，前提是其能够从工地地图及存储在存储器***21中的任何其它数据得到。因此，并非组成工地数据108的所有参考数据都需要同时共存。在一个实施例中，只有参考数据109可随时存在。
在其它实施例中，对应于工地数据108的所有参考数据109都可同时地存储于存储器***21中。例如，工地数据108可通过为工地20内的相应位置执行激光雷达扫描得到。每一个激光雷达扫描都可通过移动机器10或通过另一个相当装备及配置的移动机器或一些其它勘测工具预先捕获。组成参考数据109的每一组参考距离值111然后可通过与输入数据102相同的方式得到，因此例如可同样地表示用于360°视场的激光雷达勘测，其由720个参考距离值表示。无论工地数据是否存储或根据需要动态地生成，将工地数据当作数据集是方便的。
参考标识符118可用于索引每一个参考项110。例如，参考标识符118可表示初始地址(例如，在随机存取存储器中)，对应参考项110中的信息可从该初始地址访问。对应于每一个参考数据109的参考位置134可相对于参考系存储为x坐标112和y坐标114。例如，x坐标可对应于沿东/西轴线的位置，而y坐标可对应于沿南/北轴线的位置。可替代地，坐标112或坐标114中的一个坐标可表示沿路径90的距离，该路径90沿道路22，例如沿道路22的纵向延伸中心线延伸。在这种情况下，工地数据108可由沿路径90的长度展开的参考项110组成。例如，参考位置134可沿通常跨距为50-200m的隧道的一些或全部而以1米增量间隔开或生成为间隔开。每一个参考数据109指示激光雷达勘测相对于工地20中的参考系的特定取向。例如，参考项124中的参考距离值d1(1)可与与机器的行进路径90相切的参考矢量88对准。另一个参考项126可具有参考系，其相对于参考矢量偏离角度β(116)。例如，可采用45度平移以使得对于表示360度的720个元素矩阵，矢量88与元素d2(91)，而非d2(1)对准。在一个实施例中，有16个参考项110，其生成用于工地20中的每一个标测位置，其中16个参考项110中的每一个绕参考矢量88或其它参考系以22.5度增量成角度地间隔开。对应于相同参考值111但针对不同成角度偏离的参考项110可存储在控制器18的存储器***中的单独存储器地址处。可替代地，这种成角度变化的参考项110可来自于用于工地中位置的单个存储的一组参考数据109或从其推断。这可通过偏置索引n以便读取对应于成角度偏离β的距离值d(n)来实现。事实上，这导致控制器18读取对应于不同成角度偏离β的参考项。
随着机器10在工地20内移动，机器10记录来自对其周围环境的激光雷达扫描的输入数据102，以使得机器10可确定其在工地内的位置。控制器18通过将输入数据102与每一个参考110的参考数据109相比较来分析输入数据102以识别参考数据109，而输入数据102与参考数据109紧密相关。根据比较，控制器18识别出输入数据和参考项110之间的最佳匹配。由于每一个参考项110对应于工地20中的唯一位置(就位置和取向而言)，所以控制器18基于与输入数据102相关的参考数据109的对应参考位置134来确定机器10的位置。本文的示例性实施例使用了由测量距离值104组成的输入数据102。然而，在其它实施例中，输入数据102可限定通过将数学函数或算法应用到距离数据测量距离值104得到的激光雷达勘测的表征特征。在输入数据102限定从测量距离值104提取的信息的实施例中，参考数据109可通过应用被用于得到输入数据102的相同数学函数或算法来表示从对应一组参考距离值111提取的信息。在这种情况下，所提取的信息可存储为参考数据109而非参考距离值111。
在操作期间，定位***30通过将输入数据102与比较数据相比较来确定机器10的位置。比较数据表示地图上一个或多个区域的参考数据109，其组成由工地数据108表示的区域的子集。因此比较数据可被认为是参考数据组，其由从ref(1)至ref(N)(其中N小于工地数据108的M项)的N个参考项110组成。在一个实施例中，组成比较数据的参考项110基于对应参考位置134(其也可动态生成)而同样根据需要动态生成。因此，N个参考项110的整个数据集在任何时间都不需要存储在存储器中。比较数据的组成可随时间改变，以每当比较数据与输入数据相比较时允许参考项110的不同组成。在定位***30的跟踪模式期间，比较数据是基于机器10的最近确定位置动态得到的工地数据108的子集。更具体地，在跟踪模式期间，比较数据动态得到以受限于那些参考110，其与工地中邻近最近确定位置的位置相关联。然而，当定位***首次初始化时(或如果定位***丢失了对机器10的位置的跟踪)，将不会存在这种比较数据可在其上得到的相关初始位置。此外，在一些情况下，如果输入数据102匹配一个以上的参考数据109，则对于定位***30来说，快速和/或准确地确定初始位置可能是困难的。
对于这种情况，定位***30进一步包括如图2和图4所示的射频通信***33。定位***30通过射频通信***33确定初始第一位置。一旦初始位置已经确定，将衍生自后续位置的输入数据102，与参考数据集进行比较，其中，该参考数据集基于先前确定的位置自后续位置动态得到。先前的位置可以是，例如，最近确定的位置。换句话说，由射频通信***33确定的初始位置用于在其位置跟踪模式中植入定位***30。在一些实施例中，所确定的初始位置包括相对于矿井地图的坐标，以及可选地包括取向，该地图可以是参考数据109从其中得到的工地地图，或可以是与该工地地图相关的一些其它地图。在其它实施例中，所确定的初始位置通过识别反过来对应于这种坐标和取向的参考项110来推断。在其它实施例中，初始位置是以邻近初始位置的指定区域内的一组参考项110的形式来确定的。
射频通信***33包括位于工地20内相应已知位置上的一个或多个参考信号装置34、37，以及位于机器上的移动信号装置36。在一些实施例中，可以存在两个、三个或更多个参考信号装置34、37。如图2所示，第一参考信号装置34在工地20内相应的已知位置35上。第一信号装置34可以固定到工地20的侧壁24或天花板(未示出)上，诸如机器20被指定在其内操作的指定隧道113的侧壁24或天花板上。第二信号装置36位于机器上。在一些实施例中，第二信号装置36固定到机器10的后部27。例如，在一个实施例中，第二信号装置36位于驾驶室28的顶上，而在另一个实施例中，第二信号装置位于后部27的后端29的顶上。作为参考信号装置34、37中的另一个，第三信号装置37附接在工地内与第一信号装置34不同的位置上。例如，第三信号装置37可以固定到工地20的侧壁24或天花板(未示出)上，诸如机器20被指定在其内操作的指定隧道113的侧壁24或天花板上。射频通信***33配置成在移动信号装置36和参考信号装置34、37中的至少一个之间进行射频通信。
定位***30包括控制***38，该控制***38经由至少一个通信信道与射频通信***33通信，与移动信号装置36和参考信号装置34、37中的一个或多个通信。在一个实施例中，通信信道是或包括具有参考信号装置(一个或多个)34、37的有线通信网络39，诸如以太网网络。可替代地或另外地，另外的通信信道允许控制***38通过无线网络，例如通过至少一个WiFi收发器40，与射频通信***33通信。这种无线通信可以在控制***38的至少一部分安装在相对于工地(如图2)的固定位置的情况下，用于与移动信号装置36进行通信，或者在控制***38完全安装在机器10上的情况下，用于与参考信号装置34、37中的一个或多个通信。
控制***38可以包括，或者可以是控制器18。在控制***38是控制器18的实施例中，存储器***21可包括代表地图信息的附加数据，该数据可以附加或补充参考数据109从中可以得到的工地地图(在本文中也称为激光雷达地图)。在控制***38包括但不限于与控制器18相同的实施例中，控制***38可包括单独的处理装置(一个或多个)和单独的存储器***，分别独立于控制器18的处理装置(一个或多个)和存储器***21。在这种情况下，控制***可以在控制器18外面存储代表工地20的另外地图的数据，其可以可选地包括激光雷达地图。控制***38从射频通信***33得到与射频通信相关的数据。在一些实施例中，所得到的数据限定了与射频通信特性相关联的距离。例如，该特性可以是发送和接收一个或多个传送信号之间的信号强度或经过的时间。基于所得到的与射频通信相关的数据，控制***38确定指示机器10在工地20内位置的位置数据。
根据位置数据，控制***38选择与该位置数据相关联的参考数据集。参考数据集是基于位置数据的工地数据108所表示的参考项110的子集。控制***38然后从参考数据集识别出对应于输入数据102的参考项110。然后，随着输入数据102从工地20中的新位置更新，定位***30通过将输入数据102与基于最近确定的位置动态得到的参考数据集进行比较来跟踪机器10的位置。
(多个)参考信号装置34、37和移动信号装置36可由相同的硬件和软件组成。然而，在一些实施例中，尤其涉及多个参考信号装置34、37和/或多个移动信号装置36，每一个参考信号装置34、37和移动信号装置36具有与其相关联的相应装置标识符，诸如唯一的MAC地址。在其它实施例中，参考信号装置34、37的硬件和/或软件可与移动信号装置36是不同的，其除了不同的装置标识符之外还可具有进一步的不同。
用于射频通信33的示例性实施例现在将被进一步详细描述，该射频通信33控制***38使用以确定位置。
基于射频信号的阈值强度的位置确定
在一些实施例中，作为参考信号装置34、37中的一个，第一信号装置34发射射频信号，当第二信号装置位于第一信号装置34的发射范围内时，该射频信号可由移动信号装置36的形式的第二信号装置检测到。当第二信号装置36在相距发射射频信号的第一信号装置34的检测距离42处时，第二信号装置36给控制器18指示它已接收到发射的信号。当发射的射频信号大于阈值强度时，该指示会发生。在一个实施例中，阈值强度为最小信号强度(例如幅度或功率)，在该最小信号强度下，第二信号装置36能够检测到发射的信号。在另一个实施例中，阈值强度为最小强度，在该最小强度下，第二信号装置测量高于一些预定水平的信号强度。通信***33配置成使得检测距离42预定成邻近于第一信号装置34，以使得定位***30基于检测距离可推断出工地20中第二信号装置36位于的近似位置。因而，第一和第二信号装置34、36用作为接近感测***。
第一信号装置34的位置35存储在定位***30的存储器元件中，诸如控制器18的存储器***21中。控制器18接收来自第二信号装置36的指示、即已经接收到来自第一信号装置34的信号。因为位置35和检测距离42也是已知的，所以来自第二信号装置34的关于已经接收到来自第一信号装置34的信号的指示构成了位置数据，从该位置数据中可以推断机器10的位置。例如，定位***可推断出第二信号装置位于工地中的区域处或其内，该区域由圆圈44限定，该圆圈44具有与检测距离相等的半径且以第一信号装置34的已知位置35为中心。基于该位置数据，控制器18确定了第一比较数据128，在此例示为第一组参考数据。第一组参考数据由与位置35相关联的参考项110组成。在一个实施例中，根据与位置35相关联的一个或多个参考项110，可知道位置35。检测距离42越小，定位***30将考虑到的与位置35相关联的参考项的数量越少。如果检测距离42小于对应于工地数据中参考项110的位置的间距，则定位***30可确定与位置35相关联的单个参考项。
定位***30还可包括任何数量的另外参考信号装置，诸如分布在工地20中不同位置处的参考信号装置37。每一个另外信号装置的相应位置对于定位***是已知的，其以与第一信号装置34相同的方式。同样地，每一个这些另外信号装置37与第二信号装置36交互操作，其使用的方式与第二信号装置34与第二信号装置36交互操作的方式是相同的。随着机器10行进通过工地20搜索初始位置数据以植入定位***30，初始位置数据将基于机器10第一次通过的参考信号装置34、37的任一个的已知位置。
在涉及多个参考信号装置34、37的实施例中，控制器18确定了参考信号装置34或37的哪个装置已由第二信号装置36检测到，以便确定与检测到的参考信号装置34或37相关联的工地20中对应的位置。在一个实施例中，通过每一个参考信号装置34、37在它们相应的射频发射中编码唯一的标识符来实现它。这种唯一的标识符可例如为MAC地址或参考信号装置34、37的序列号。第二信号装置或控制器18然后可以使用查找表来确定与检测到的参考信号装置34、37相关联的位置或参考成员110。参考成员110可以通过识别参考位置134来确定，该参考位置134位于与检测到的信号装置34、37相关联的位置相距一些预定距离之内。基于参考位置134，第一组参考数据的参考数据109然后可以由工地20的地图得到。
在一些实施例中，移动信号装置36和参考信号装置34、37的通信方向相反。在这种实施例中，移动信号装置36发送射频信号，当参考信号装置34或37在移动信号装置36的传输范围内，即距移动信号装置为径向距离48内时，该射频信号可以由一个或多个参考信号装置34或37中的任何一个检测到。发射范围可足够小，例如小于3米，以使得机器10通过给定的参考信号装置34或37，则参考信号装置34或37检测到来自第二信号装置的发射信号，并向控制***38发送信号，以表示该信号已被接收。在具有多个参考信号装置的实施例中，参考信号装置34或37也使其自身被控制***38所识别，以使得控制***38可确定信号被检测到的位置。基于所确定的位置，控制***38确定对应于所确定位置的一个或多个参考项110。一个或多个参考项可从参考信号装置34或37的标识中直接确定，或经由限定所识别的参考信号装置34或37的位置的坐标或其它位置参数的标识确定。
在一个实施例中，(多个)参考信号装置34、37是无源射频识别标签，而移动信号装置36是射频识别阅读器。当参考信号装置接近移动信号装置时，移动装置36发送将会由参考信号装置34或37干扰的射频信号。根据干扰情况，移动信号装置识别出与信号发生干扰的参考信号装置34或37。可替代地，射频识别标签可以是有源(供电)标签，其接收来自移动装置的射频信号，并将响应信号发射到移动装置，以识别发射响应信号的相应参考信号装置34或37。在任何情况下，定位***30可因此确定机器10的位置靠近所识别的参考信号装置34或37。
在另一个实施例中，(多个)参考信号装置34、37是射频识别阅读器，而移动信号装置36是无源射频识别标签。当移动信号装置36接近参考信号装置34或37时，每一个参考信号装置34或37发送会由移动信号装置34或37干扰的射频信号。根据干扰情况，参考信号装置34或37识别出与信号发生干扰的移动信号装置36。可替代地，射频识别标签可以是有源(供电)标签，其接收来自参考信号装置34或37的射频信号，并将响应信号发射到参考信号装置34或37，以在响应信号中识别移动装置36。在任何情况下，定位***30可因此确定机器10的位置靠近参考信号装置34或37，其识别出移动信号装置36。
基于射频信号的测量强度的位置确定
在一些实施例中，不是基于所发射信号的阈值电平来确定检测距离，从发射信号装置(36或34或37中的另一个)接收无线射频传输的信号装置(36或34或37中的任一个)测量所检测信号的信号强度。这种测量称为接收信号强度指标(RSSI)，如功率。在一个实施例中，与信号传输相关的机器10的位置然后可以如上所述确定，但是基于可变检测距离42。换句话说，第一比较数据128的内容取决于确定的检测距离42。具体地说，控制***38确定工地20中的位置，其与信号传输涉及的参考信号装置36、37相关联。定位***30然后确定参考位置134，用于生成第一比较数据作为工地20中的那些位置，基于已确定的检测距离42，机器10也可能位于该处。例如，如在上述实施例中，可能的位置可以被确定为位于相距信号传输中所涉及的参考信号装置34或37的径向距离内的所有位置。
在另一个实施例中，多个参考信号装置34、37可同时与移动信号装置36通信。基于相应通信的信号强度，对于工地20中的机器10的任一给定位置，定位***30可以确定其与相应多个参考信号装置34、37的距离。相应的距离由控制***38中的一个用于通过三边测量过程来确定位置。在三边测量过程中，移动信号装置的可能位置限定于假想圆圈44、46的交点47、49的位置，这两个假想圆圈分别以两个或多个参考信号装置34、37为圆心，并且具有等于对应的所确定径向距离的相应半径。可以理解的是，在两个参考信号装置的情况下，三边测量过程可称为“bilateration”(两边测量过程)。然而，本文所用的“三边测量”是指基于两个或两个以上圆圈之间交点的位置。
对于这样的实施例，其中移动信号装置36的初始位置确定为在相距一个或多个参考信号装置34、37的径向距离处(相对其内)，使用以下任何一种或多种方式，可以更精确地确定移动装置36的位置：(i)地图信息，其限定该位置到隧道113，其中移动装置36称为驻留(例如在隧道113中的位置47，相对于隧道115中的位置49)，(ii)运动传感器14的移动信息，(iii)统计模型；上述中的每一个都会在下面基于经过时间的测量的实施例中进行更详细地描述。从一个或多个径向距离更精确地确定位置的这些方法，将在下面进一步详细描述，其可用于本发明的其它实施例中。
基于与射频通信相关联的时基特性的位置确定
在一些实施例中，到至少一个参考信号装置34、37的径向距离由与射频通信相关联的时间特性来确定。例如，时间特性可与射频通信的发射和射频通信的接收之间的经过时间相关联。在一个实施例中，该经过时间是两个时刻的差异，这两个时刻为：射频信号在一个方向中从参考信号装置34或37或者从移动信号装置36被发射的时刻，以及从参考信号装置34、37中的另一个装置或移动信号装置36被接收的时刻。发射信号包括时间戳记，在该时间戳记处信号被发射。接收装置因此可以确定信号从发射机到接收机传播所花费的时间。由于传播速度是已知的(即光速)，所以可以确定径向距离。然而，发射装置上的内部时钟(可用于测量时间)相对于接收装置上的内部时钟将会随时间而漂移。这限制了可以来确定传播时间、以及因此来确定距离和位置的精度。因此，在一个实施例中，采用了无线同步协议来维持内部时钟之间的一些同步性。
在一些实施例中，基于到达时间差，通信***33或控制***38确定了机器的位置，而不是确定了经过时间。时间差指的是移动信号装置36与多个参考信号装置34、37之间的相应信号发射的到达时间差。例如，可以从移动信号装置36广播一信号，且每一个参考信号装置34、37接收到信号(例如到达)的时间可以被记录以得到一个或多个时间差测量。相反地，每一个参考信号装置34、37可同步发射相应的信号，且每一个信号的到达时间在移动信号装置36处记录。参考信号装置34、37可以彼此相互同步，以使得时间差计算去除移动信号装置36与参考信号装置34、37之间的任何异步性。基于到达时间差，可以得到第二信号装置36的位置。
在其它实施例中，时间特性为与用于双向射频通信的往返行程有关的经过时间。初始的第一射频信号从初始装置发射至响应的接收装置。一旦接收到第一信号，响应装置发送响应射频信号至初始装置。在一个实施例中，第一信号可包括识别发射第一信号的初始装置的识别数据。响应信号还可包括识别初始装置的识别数据。因而，当初始装置接收到响应信号时，它可确定该响应信号是对由该初始装置(而不是工地中一些其它可能的初始装置)发送的第一信号的响应。响应装置在响应信号中还可包括用于识别响应的装置的识别数据。因而，在于工地10中具有多个响应装置的实施例中，初始装置可确定哪个响应装置对其初始信号做出响应。根据该信息，经过时间是第一信号从初始装置传播至响应装置所花费的时间加上响应信号从响应装置传播至初始装置所花费的时间。通过初始装置和响应装置的处理延迟是恒定的，且可在任何时间测量中被减去或另外排除，且由于任何时钟异步性产生的误差由经过时间计算消除，因为发射时间和接收时间都参考于相同的内部时钟(即初始装置的时钟)。经过时间因而可表示射频通信的双向传播飞行时间。到涉及射频通信的相应参考信号装置34、37的径向距离可被确定为传播飞行时间与光速相乘值的一半。
在一个实施例中，信号发射包括定向发射(与全方向发射相对)，以使得径向距离对应于工地中的特定位置，而非由半径限定的圆圈上的任何一点。
在另一个实施例中，沿着圆圈44或46(机器10所在的)特定位置可由工地拓扑知识来确定。例如，基于存储在存储器中的工地地图，控制***38可排除沿着圆圈44或46(不是用于机器10的可能位置)的位置。这种排除的位置可以是例如位于工地壁内的位置。另外或可替代地，如上所述，控制***38可限制可能位置于圆圈44或46上的那些位置，该位置位于隧道113内，其中机器10已知被设置，例如它已经指定为在该隧道中操作。
此外或作为使用工地拓扑知识的替代，位置确定可涉及三边测量过程(如已在这里描述的)，但是在这里关于参考信号装置34、37作为中心的相应圆圈44、46是基于对应的经过时间，诸如双向飞行时间确定。
在一些实施例中，除了使用工地拓扑信息和/或三边测量过程之外或代替使用工地拓扑信息和/或三边测量过程的是，还可以基于诸如卡尔曼滤波器的统计模型来改进位置确定的精确度。卡尔曼滤波器使用迭代过程来确定位置。具体地说，卡尔曼滤波器通过使用对要加权的一个或多个之前位置确定的了解、基于时间t处校正的所有可能位置的可能性来确定时间t处的最可能位置。可能位置可以由相距相应的一个或多个参考信号装置34、37的一个或多个径向距离来识别。例如，统计模型可以知道时间t-1处的位置(或可能位置)并且知道机器10的最大速度或机器10的测量速度变化。基于该了解，统计模型可基于时间t处的可能位置相对于先前位置或t-1处的可能位置的距离和/或方向布置来对可能位置加权，且然后排序。例如，时间t处的可能位置(与时间t-1处的位置或可能位置相距大于第一距离)可以被排序远低于时间t处的可能位置(与时间t-1处的位置或可能位置相距小于第二距离)。
除了使用卡尔曼滤波器来改进整***置确定之外或代替使用卡尔曼滤波器来改进整***置确定的是，随着机器10在工地中移动，卡尔曼滤波器还可以用于改进位置确定中使用的距离测量中的每一个的精确度。例如，通信***33可以通过当机器10基本上处于工地中的相同位置处时重复地发射往返通信来多次测量飞行时间。由于可以起因于多路径反射或低的低信噪比的噪音级别，这可以有利于地下环境。卡尔曼滤波器在这种情况下可以用于通过忽略或给定对统计离群值的测量的低权重并且给定对统计上与先前测量一致的测量的较高权重来改进距离测量。因此，在一个实施例中，第一卡尔曼滤波器可以用于确定飞行时间或与其相关联的距离，且第二卡尔曼滤波器可以用于确定工地内的位置。
在一些实施例中，除了使用工地拓扑信息和/或三边测量过程之外或代替使用工地拓扑信息和/或三边测量过程的是，位置确定是基于来自一个或多个运动传感器14的移动信息和/或来自取向传感器16和/或17的取向信息。在一个实施例中，由运动传感器14确定速率矢量或速度。例如，一个运动传感器14可以是从其中得到速度的里程表。速率矢量可以基于速度和诸如可以由数字指南针16提供的取向信息来得到。因为对于所描述的LHD装载机，数字指南针16只提供机器10的前部23的取向，所以机器10的后部27可以基于前部23和铰接传感器17的已确定取向来得到，测量后部27相对于前部23的旋转。速率矢量或速度然后可用于基于从先前射频通信(例如，经过时间)得到的先前确定位置或一组可能位置来预测未来位置或未来的一组位置。该组预测位置然后可基于其与由更新的射频通信得到的新的一组可能位置的关联性而缩小。缩小的一组位置中的参数然后更新为基于速率或速度的新预测值。这个过程可被迭代重复直到只有单个预测位置保持为止，或直到该组位置充分缩小到表示可接收级别的位置精确度为止。
基于运动传感器的位置确定可以包括基于诸如粒子滤波器的统计模型的位置模拟。这种粒子滤波器模拟可以包括用一个或多个虚拟粒子填充工地20的存储地图。每一个粒子表示不同的可能机器位置和/或取向。例如，位置可以由与x轴相关联的x坐标和与y轴相关联的y坐标来表示。每一个粒子的取向可以由相对于(例如)正x轴或由x值和y值特征化的二维单位矢量的旋转度来表示。在这种模拟期间，定位***30用粒子随机地填充存储在控制***38的存储模块(例如，控制器18的存储器***21)中的地图。每一个粒子具有初始随机生成位置和取向。粒子的相应位置和/或取向然后基于来自从相距相应参考信号装置34、37的经过时间测量得到的位置数据的信息来迭代更新，直到定位***30能够确定由更新粒子的空间收敛指示的机器10的精确位置为止。
对于基于时基特性的任何上述实施例，(多个)起始装置和(多个)响应装置是射频测距(RFR)装置。在一个实施例中，起始装置是相应的有源(与无源相对)射频识别标签，且响应装置可以是相应的射频识别阅读器。可替代地，起始装置可以是相应的射频识别阅读器且响应装置可以是相应的有源射频识别标签。然而，作为另一个替代，起始装置和接收装置是由相同硬件配置组成的射频测距(RFR)，但是可以由控制***38选择性地命令以初始化从选定射频测距装置到射频测距***中的任何一个或多个其它射频测距装置的射频。
位置确定精度可以以多种方式来提高。在一个实施例中，射频测距装置是超宽带(UWB)射频装置，其配置成基于UWB射频通信确定相应装置之间的距离。在一些实施例中，所传送的UWB射频信号具有千兆赫量级的带宽。例如，在一个实施例中，频率的范围可以从3.1至5.3千兆赫(GHz)，中心频率为4.3GHz，因此提供约2GHz的带宽。射频信号传输可以由一系列脉冲波形构成。脉冲波形是具有频率分量的短脉冲，在一些实施例中，频率分量分布跨越两个或更多兆赫。在一个实施例中，频率的分布有约4GHz的中心频率，例如4.3GHz。将飞行时间关联至无线电频率传输行进距离的计算假设传输路径是沿着直线。然而，在地下矿场中，射频传输被形成矿井隧道壁的岩床反射，所以传输在发射机和接收机之间具有多个路径。多个路径导致信号在多个不同时间内被接收到，使得难以确定直接直线路径的时间。然而，直接路径将首先到达，因此可以从所接收信号的前沿来确定，即第一个接收的脉冲。由于波形的高带宽、高频成分，或反过来说，由于信号的短波长，利用UWB无线电频率可以提高测量的分辨率。在一个实施例中，为了使传输的直接路径到达接收器并以足够的信号强度接收到以便精确地检测到，发射和接收射频测距装置布置在彼此的视线中。
在一些实施例，包括但不限于UWB实施例，射频信号被发射和处理用于相干信号处理。相干信号处理包括以相干的方式重复发射射频信号，以使得经由通信所发射数据的同样位通过多次传输进行重复发射。这允许信号传输的振幅对于给定的信噪比来说较低。降低的振幅以及因此降低的传输功率，在某些情况下可以帮助确保无线电频率通信在任何最大允许的电磁辐射水平内。这可以帮助定位***30满足可能需要的任何电磁兼容性(EMC)的监管标准。另外或可替代地，对于相同的功率水平来说，低信噪比可以用于增加测距装置可以进行通信的最大距离。因此，在一些实施例中，移动信号装置36和参考信号装置34，37使用相干信号处理来确定飞行时间的测量值。此外，在一些实施例中，相干信号处理是采用UWB射频测距装置实现的，因为相应信号装置34，36，37，和飞行时间测量值是双向(往返)飞行时间测量。在一个实施例中，UWB相干处理射频测距装置是由
Figure BDA0000943848840000221
(TDC采集控股公司)制造的
Figure BDA0000943848840000222
410(P410)测距无线电装置。在另一个实施例中，UWB相干处理射频测距装置是P412测距无线电装置，而在另外的实施例中，UWB相干处理射频测距装置是同样由
Figure BDA0000943848840000223
制造的P442测距无线电装置。
在涉及相干处理的双向飞行时间测量的示例性实施例中，可以在从起始装置向响应装置发送的第一信号中，以规则的间隔(即已知的占空比)多次发射数据包。该数据包包括指示该数据第一次发射的时间戳记和识别起始装置的标识符(例如起始装置的MAC地址)。响应装置接收传输，并识别该信号第一次到达响应装置的时间。响应装置知道该数据包被发射的占空比。因此，响应装置可以将数据包相关以整合每一个数据包内的相应位，并且从而提高信噪比。响应装置然后基于时间戳记和记录的到达时间确定单向飞行时间。然后响应装置使用相同的重复传输方法发送响应信号给起始装置，但在响应数据包内编码发射响应信号的时间、计算的单向飞行时间、起始装置的标识符和与响应装置相关联的标识符(例如响应装置的MAC地址)。然后起始装置接收响应信号，并将每一个数据包的数据相关，以提高信噪比。起始装置记录第一次接收到响应信号的时间，并确定响应信号的飞行时间。然后起始装置通过总结第一信号的飞行时间和响应信号的飞行时间得出双向飞行时间。
工业实用性
图4说明具有多个平行隧道113、115的矿井的工地20中的定位***30的设置。在隧道113、115中的每一个的第一端处是相应的第一信号装置34，其是如本文所述的参考信号装置。具有移动第二信号装置36的机器10指定为操作隧道113和从隧道113分支的工地的部分，诸如用于装矿的指定装载位置50(例如，放矿点)和用于卸矿的至少一个指定放矿位置52(放矿溜井)。另一个机器11在矿井的另一个隧道115中操作，但是(可选地但未示出)另一个机器11可在与机器10相同的隧道113中操作。机器11可以具有与机器10相同的元件，并且与机器10相似，并且还可以是LHD装载机。机器11具有对应的移动第二装置36，其由于机器10上的移动装置36中的每一个具有不同序列号、MAC地址或一些其它唯一标识符(移动装置36通过其可以被唯一地识别)而唯一地可从移动装置36识别。在隧道113、115中的每一个的第二端(与第一端相对)处是相应的第三信号装置37，其是如本文所述的参考信号装置。
参考信号装置34、37中的每一个在隧道内具有操作场(参考信号装置34、37在其内具有视线)。操作场通过至少两个指定装载位置50。在图4的实施例中，操作场顺着对应隧道113、115延伸至少一半，且可选地延伸隧道113、115的整个长度。参考信号装置34、37中的每一个位于对应隧道113或115的交点和连接相应隧道113、115的交点119处，因此操作场还包括交点119的部分。以这种方式，参考信号装置34、37，使得移动机器10和11总是在至少一个且在一个实施例中两个参考信号装置34、37的视线内。在一个实施例中，参考信号装置34、37位于其对应隧道的纵向中心线上。因为隧道113、115相对较窄，所以信号装置36将与隧道的任一端处的信号装置34、37大致上共线。这将位置确定精简为1维空间中的确定，因此通过双边测量法实现精确纵向位置确定。
以太网网络39将控制***38连接到参考信号装置34、37中的每一个，并且还将控制***38连接到位于对应的参考信号装置34、37附近的无线网络收发器40(以Wi-Fi收发器的形式)。无线网络收发器40可选地位于对应隧道113、115的交点处和交叉119处。然而，在图4中示出的实施例中，无线收发器40位于交点附近，刚好在对应隧道113或115内侧，并且具有满足关于参考信号装置的相同准则的视线，以使得移动信号装置36总是在至少一个无线收发器40的视线内。以太网网络39包括在参考信号装置中的每一个处或靠近参考信号装置中的每一个的以太网交换机(未示出)，以使得参考信号装置和可选地WiFi收发器是以菊花链拓扑连接。在一个实施例中，每一个以太网交换机包括在对应的参考信号装置34、37中。Wi-Fi收发器可以用于发送和/或接收操作数据到相应的移动机器10、11上的Wi-Fi收发器(未示出)和/或从相应的移动机器10、11上的Wi-Fi收发器(未示出)发送和/或接收操作数据。操作数据可以例如包括可以由移动机器的操作员经由与移动机器10、11上的Wi-Fi收发器通信的用户接口模块(未示出)读取或输入的信息。
机器10、11在工地20中的相应位置可以基于射频通信根据本文中描述的任何方法并且基于本文中描述的任何***来确定。然而，在一个实施例中，尤其适用于图4中的定位***30的设置，参考信号装置34、37是具有如先前已描述的特征和操作的UWB射频测距装置。对于图4中的设置，定位***30可以足够精确度来定位机器10、11，以使得在一些应用中无需基于激光雷达输入数据102来进一步定位。对于这种应用，定位***30无需包括激光雷达单元32。相反地，机器10、11的位置可以通过基于如所描述的射频通信迭代地定位机器10、11来跟踪。此外，在这种实施例中，作为跟踪机器10、11的代替或除了跟踪机器10、11之外，可以使用定位***和方法来跟踪为移动信号装置36所附接的任何其它物体。对于这种实施例，第一测距装置34位于矿井中的已知位置处并且在隧道113内具有操作场(第一测距装置34在其内具有视线)。操作场沿隧道113延伸通过至少两个指定装载位置。第二测距装置36与机器或其它移动物体相关联并且位于操作场中。延伸通过至少两个指定装载位置的视线可以使得定位***能够以足以确定机器或物***于两个指定位置中的哪个指定位置处或两个指定位置之间的哪个位置处的分辨率来精确地确定沿隧道的位置。此外在一个这种实施例中，定位是基于如本文中已描述的双向飞行时间。
然而，对于下文描述的实施例，一旦定位***30基于射频通信确定位置数据，定位***30使用这种位置数据来基于来自机器10、11中的每一个上的相应激光雷达单元32的输入数据102跟踪机器10和/或机器11。下文描述的这些实施例包含(但不限于)其中参考信号装置34、37是UWB射频测距装置的所有实施例。
图5示出由控制***38执行以确定机器的初始第一位置和后续位置的位置确定过程200。第一位置是用于给定位***30植入以当位置完全未知时或当定位***30丢失对机器位置的跟踪时帮助定位***30。根据过程200，参数id_ref存储最新识别的参考项110。然而，当定位***30初始化时，id_ref被设置为零，因为尚未识别参考项110。在步骤202处，定位***30确定与来自机器的当前位置的激光雷达勘测相关联的输入数据102。因为没有识别参考项，所以步骤204引导所述过程以确定用于给定位***30植入的初始位置。
为了确定初始位置，在步骤205处，控制器38命令射频通信***33执行一个或多个射频通信。例如，在一个实施例中，命令被给予参考信号装置34、37中的一个或多个以各与移动信号装置36通信。基于射频通信，控制***38在步骤206处确定位置数据，诸如机器10相对于工地20的位置。定位数据指示射频通信期间机器10的位置。位置数据可以指示位置，以及可选地指示机器10的取向。位置数据可以是已识别参考项(诸如参考项110)或具有工地20中精确地或近似对应于机器10的位置的相关联位置的项。可替代地，位置数据可以是坐标和/或精确地或近似识别机器10相对于地理参考系的位置的一些其它位置参考。
在步骤207处，控制***38比较输入数据102与第一组参考数据。第一组参考数据由与位置数据相关联的参考项110组成。第一组参考数据由控制***38确定，表示工地数据108的子集。在一些实施例中，参考项110被确定为只包括具有与工地中对应于位置数据或由位置数据定义的位置相距一些限定接近度内的对应位置的参考项110。例如，在一个实施例中，第一组参考项110只被限于被确定对应于与关联于位置数据的位置相距某个限定半径(诸如10米半径)内的位置的那些参考项110。在其它实施例中，限定接近度可以是关于工地中对应于位置数据的位置不对称的区域。例如，基于对机器的运动方向的了解，控制器38可以将第一组参考数据限于只包括对应于位置数据的位置的一侧上的那些参考110。可以存在这样的情况：例如，其中位置数据相对精确地识别位置的情况(包括其中精确度足以识别对应于位置数据的具体参考项110或只识别几个参考项110或其中位置数据由已识别参考项110组成的情况)。在一些实施例中，子集被确定为包括对应于工地中在由位置数据限定的工地的区域内的位置的所有参考项110。可以存在以下情况：例如，位置数据只近似识别机器10的位置。
在步骤208处，如果输入数据102与第一组参考数据的比较满足预定义条件，则过程通过识别匹配输入数据102的参考项110进行到步骤210。预定义条件是至少一个参考项110确定为匹配输入数据102。与输入数据102(或与该参考项110相关联的参考标识符118或参考位置134)最优关联的参考项110被保存到位置标识符参数id_ref132中。定位***30因此已知机器10处于已识别参考位置134处。当机器移动到新位置时或以稍后的某个增量时间，从新激光雷达勘测更新输入数据102。过程200返回到步骤202以确定新输入数据102。在步骤204处，定位***然后考虑是否已识别参考项(即，是否已确定位置)。
一旦参考项被识别，则步骤204指导过程200将输入数据与不同于第一比较数据128的第二比较数据130进行比较。第二比较数据130在此处示例为第二组参考数据，旨在用于跟踪自对应于存储在id_ref中的先前识别的参考项110的位置的位置。在步骤214处，选择第二组参考数据的组成。这通过选择参考位置134而实现，该参考位置134与步骤204中识别的参考项的参考位置134具有邻近关系。可以得到并集合地存储每一个参考数据109以形成随后与输入数据进行比较的完整的第二组参考数据。可选地，在第二数据集中的下一个参考数据109生成、比较和擦除之前，与第二组相关联的每一个参考数据109可以生成，与输入数据进行比较，然后擦除。因此，第二组参考数据的确定和生成可以与第二组参考数据和输入数据102的比较同时发生。在任何情况下，第二组参考数据代表工地数据108的子集。基于由id_ref识别的最新识别的参考项来确定子集。更具体地，该子集仅包括参考项110，该参考项110具有在最新识别的参考项id_ref的位置的一些预定邻近位置内的对应位置。例如，在一个实施例中，第二组参考项110被限定为仅那些参考项，其被确定以对应于与识别的参考项id_ref对应的10米半径位置内的位置。在其它实施例中，限定接近度可以是相对于对应于识别的参考项id_ref的工地中的位置不对称的区域。例如，基于对机器的运动方向的了解，控制器38可以将第一组参考数据限于只包括对应于识别的参考项id_ref的位置的一侧上的那些参考项110。在步骤216处，将更新的输入数据102与第二组参考数据进行比较以识别匹配更新的输入数据的参考项110。
在步骤208处，输入数据102与第一或第二组参考数据的比较中无论哪一种是这样的情况，其可能不能满足预定条件。如果参考数据集中不存在匹配输入数据102的参考项，这种情况会发生。在这种情况下，id_ref设置为空。因此，在过程200的下一个迭代中，定位***再次进行到步骤250以执行另一个无线频率通信以便重新植入定位***30或重新尝试定位***30的初始植入。在定位***无法跟踪机器的位置的情况下，需要进行重新植入。如果不能确定初始位置，则需要重新尝试初始植入，如果先前输入数据不是工地的代表(如果移动的或临时定位的物体在生成输入数据102的激光雷达扫描中被捕获，其可以发生)这种情况也是一样。
将输入数据102与参考数据集(例如第一或第二比较数据)相关联并且可以使用任意数量的形状匹配或图案匹配算法、图象识别软件以及本领域已知的其它方法来执行识别匹配。作为示例性实施例，图6示出了由控制器18执行的算法250，用于将输入数据102与参考数据集进行比较，该参考数据集由N个参考项ref(n)组成或对应于N个参考项ref(n)。该比较确定输入数据是否匹配与参考数据集相关的参考项110。如果一个以上的参考项110匹配输入数据102，则控制器识别最佳最接近的匹配。当确定新输入数据时算法250在252开始。参考数据集在254处被确定以由限定特定参考位置134的第一比较数据128或第二比较数据130组成，从而特定参考项100将由参考数据集代表，如对过程200所述。在步骤256处，算法250通过将索引n设置成1进行初始化以便索引参考数据集中的第一参考项ref(1)。此外，位置标识符id_ref被设置成空以指示匹配参考项110仍没有被识别用于新输入数据102。接下来，生成参考数据109以代表指示来自与参考项110相关的参考位置134的激光雷达扫描的数据，并且在步骤258评估输入数据102和索引参考成员110的参考数据109之间的关联。在一个实施例中，直接在距离数据上进行评估，而不是在从距离数据中抽取的特定特征上进行评估。也就是说，输入数据由测量的距离值104组成，而每一个参考数据109由参考距离值111组成。该评估涉及计算误差，该误差代表输入数据102和索引参考项110的参考数据109之间的差。输入数据102和参考数据109的相应元素之间的绝对差被求和以确定参考数据集中索引的第n个参考项110的error(n)。这可以根据下式进行计算。
Figure BDA0000943848840000281
其中：
n是参考数据集中第n个参考项；
error(n)是与输入数据相比较的第n个参考重复项的误差；
D(i)是输入数据；
dn(i)是第n个参考项的参考数据；
i是输入数据和参考数据中的每一个中的第i个距离值；以及
S是输入数据和参考数据中的每一个中的距离值的数量。
然而，在一些实施例中，输入数据和参考数据可以包括大范围距离值。例如，在激光雷达单元32具有360度视野的实施例中，一些距离值可以为对应于隧道的邻近壁24大约1或2米，而其它距离至可以为对应于隧道113的纵向端大约100米。对于这些情况，上式中计算中的误差可以排除在预定范围之外(例如，0至5米)的D(i)减去dn(i)的值。另外或可替代地，D(i)和dn(i)中的距离值可以限制成对应于在自参考方向的预定扩散内的角度的那些值。
接下来，在步骤260处，将评估的相关值、error(n)与阈值进行比较。该阈值在图6中表示为阈值(n，id_ref)，因为该阈值可以取决于参考数据集(例如，根据由索引n索引的参考标识符118)中的每一个参考项110而改变。例如，可以取决于参考项的特殊性为相应参考项选择不同的阈值。另外或可选地，该阈值可以根据参考项110是否之前已经被识别而改变。例如，如果定位***110在位置捕获模式(即，id_ref为零)则可以选择第一阈值，如果定位***30在位置跟踪模式(即，id_ref不为零)则可以选择第二阈值。
另外或可替代地，根据索引n和/或id_ref可以将不同加权因子应用到相应参考项的误差计算中。在定位***30的安装期间可以确定各种加权因子和/或阈值。在一个实施例中，阈值和加权因子是恒定的。
将误差与阈值进行比较的测试示于步骤262。具体地，如果误差小于阈值，则参考项110被确定为相关并被认为匹配。否则，参考项110被确定为不匹配。如果参考项110不匹配，则控制器18通过检查参考数据集中是否存在更多参考项110来继续到步骤263。如果存在更多成员(即，n小于N)，则索引n递增到n+1以索引参考数据集中的下一个参考项110的参考位置134。在一些实施例中，下一个参考项通过计算确定的坐标系(自先前索引的参考位置的一些预定距离和方向)进行动态计算。在任一情况下，该下一个参考项110的参考数据109然后根据工地地图生成(如果参考数据109不存储在存储器***21中)，且评估258和比较260随后重复用于该参考数据109。如果在步骤262处，则误差小于阈值，则相关被确定为匹配，从而指导控制器18执行步骤264。在步骤264处，控制器18检查先前的匹配是否已经被发现。如果仍未发现匹配(即，id_ref＝零)，则索引的参考项被识别为识别的最佳匹配。在步骤266处，控制器18然后将索引的参考项存储为id_ref或将索引n存储到id_ref，并将error(n)存储到寄存器，最佳_误差。在步骤263控制器18然后通过检查n是否小于N来检查参考数据集中是否存在更多参考项110。在一个实施例中，N代表或相当于自存储在id_ref中的参考位置134的最大距离，例如，10米。以这种方式，参考数据集可以限制成接近任何之前识别的参考位置。如果存在更多参考项，则索引n在步骤270递增，且评估258和比较260重复用于参考数据集中下一个参考项110。然而，此时，id_ref不为零，因此，如果发现进一步的匹配，则将误差，error(n)与272中存储的最佳误差的值比较。如果error(n)小于最佳误差，则比较最后识别的参考项，该参考项与输入数据最密切相关。因此，在步骤274，ref(n)或其索引n被存储到id_ref，而error(n)被存储到最佳误差。如果参考数据集中不存在更多参考项，则算法在276结束。根据最佳匹配参考项，机器10的位置可然后被识别，正如被id_ref识别。可选择地，如果id_ref为零，则控制器30识别，对于该输入数据102位置是未知的。算法250可然后重复用于新输入数据252。
在其中工地20包括各个位置中的类似特征或由重复拓扑组成的情况下，基于激光雷达的定位***可能难以找到当前机器位置的输入数据102与对应于工地的激光雷达地图的参考数据之间的唯一匹配。这种困难在确定定位***的初始位置时尤为明显。例如，如果控制器18将要使用工地数据108，则定位***30不能够以一定和/或高的精确度或效率来确定机器10的位置。例如，如图4中所示，邻近于相应的放矿点50的隧道113中的工地的形状基本上类似。如果机器10在一个放矿点50处，则从所述位置取得的激光雷达数据可能无法与任何其它放矿点50相区分，或至少充分地不可区分使得定位***不能确定机器10的唯一位置。然而，这种定位***可以由于匹配算法的限制而将错误位置识别为最佳匹配。此外，匹配算法无法被优化为识别一定具有唯一形状的工地的那些部分。此外，如果参考数据对应于整个工地的激光雷达地图，则对处理***的计算要求可能过大。
然而，处理***30使用过程200和算法250来减小用于确定与输入数据102的初始匹配的参考位置的数量。数据集的精简是基于从射频通信推导的位置数据。精简数据集可以在有效和/或可靠地确定初始匹配方面辅助匹配算法。
应当了解的是，本说明书中的发明内容扩展到从上下文或图式提及或显而易见的两个或多个独立特征的所有替代组合。所有这些不同组合构成本发明的各个替代方面。

Claims (15)

1.一种用于确定机器在工地中的位置的方法，其包括：
使用位于所述机器上的激光雷达单元确定与在所述激光雷达单元与所述工地中的相应反光点之间的距离相关联的输入数据；
在所述工地内的已知位置处的第一信号装置与位于所述机器上的第二信号装置之间传输射频通信；
至少基于所述射频通信确定所述机器的位置数据，其中所述位置数据基于所述机器与所述第一信号装置的距离，所述距离与所述射频通信的特性相关联；以及
基于所述位置数据和所述输入数据确定所述机器的位置，其中
比较所述输入数据与第一比较数据，所述第一比较数据包括与在所述工地中的多个参考位置相关联的多个参考数据集，所述参考位置具有相距由所述位置数据指示的初始位置的间距，所述间距小于阈值间距；以及
当所述输入数据和所述多个参考数据集中的至少一个参考数据集满足预定义条件时，基于所述第一比较数据确定所述机器的第一位置；
当所述输入数据和所述至少一个参考数据集无法满足所述预定义条件时，基于所述第一信号装置与所述第二信号装置之间的后续射频通信来更新所述位置数据以及基于所述已更新的位置数据和所述输入数据来确定所述机器的所述第一位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述特性是以下项中的一个：
相距所述第一信号装置的所述距离处的所述射频通信的信号的阈值信号强度；以及
相距所述第一信号装置的所述距离处的所述射频通信的信号的测量信号强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述特性是所述射频通信的时基特性。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述射频信号通信是超宽带射频通信。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述射频通信包括至少一个往返通信，所述至少一个往返通信包括：
从起始装置发射第一信号，所述起始装置是所述第一信号装置和所述第二信号装置中的一个；以及
将响应信号从响应装置发射到所述起始装置，所述响应装置是所述第一信号装置和第二信号装置中的另一个，
其中所述时基特性是与所述射频通信相关联的双向飞行时间，并且所述位置数据基于所述双向飞行时间来确定。
6.根据权利要求5所述的方法，其中发射第一信号和发射响应信号各自包括多次发射数据，其中所述数据被相干地处理以确定所述双向飞行时间。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法包括使用卡尔曼滤波器由相应的往返通信的多个确定飞行时间来确定所述位置数据。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法包括基于所述射频通信和由运动传感器得到的运动信息确定所述机器的所述位置数据。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述位置数据由多个确定飞行时间使用粒子滤波器确定。
10.根据权利要求3所述的方法，其中所述射频通信是第一射频通信，并且所述方法包括：
在所述第二信号装置与第三信号装置之间传输第二射频通信，所述第三信号装置在所述工地中的另一个已知位置处；以及
基于所述第一信号装置与所述第二信号装置之间的所述第一射频通信和所述第二信号装置与所述第三信号装置之间的所述第二射频通信确定所述机器的所述位置数据。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个参考数据集是多个第一参考数据集，所述多个参考位置是多个第一参考位置，所述间距为第一间距，并且所述方法进一步包括：
更新所述输入数据；
比较所述已更新输入数据与第二比较数据，所述第二比较数据包括多个与在所述工地的多个第二参考位置相关联的第二参考数据集，所述第二参考位置具有小于阈值间距的相距所述第一位置的第二间距；以及
基于对应于所述多个第二参考数据集中的第二参考数据集确定所述机器的第二位置。
12.一种用于确定机器在工地中的位置的***，其包括：
激光雷达单元，所述激光雷达单元附接到所述机器并且配置成产生输入数据，所述输入数据与在所述激光雷达单元与所述工地中的相应反光点之间的距离相关联；
射频通信***，所述射频通信***包括定位在所述工地内的已知位置处的第一信号装置和附接到所述机器的第二信号装置，所述通信***配置成用于传输所述第一信号装置与所述第二信号装置之间的射频通信；以及
控制***，所述控制***与所述激光雷达单元和所述射频通信***通信，所述控制***配置成：
至少基于所述射频通信确定所述机器的位置数据，其中所述位置数据基于相距所述第一信号装置的距离，所述距离与所述射频通信的特性相关联；以及
基于所述位置数据和所述输入数据确定所述机器的位置，其中
比较所述输入数据与第一比较数据，所述第一比较数据包括与在所述工地中的多个参考位置相关联的多个参考数据集，所述参考位置具有相距由所述位置数据指示的初始位置的间距，所述间距小于阈值间距；以及
当所述输入数据和所述多个参考数据集中的至少一个参考数据集满足预定义条件时，基于所述第一比较数据确定所述机器的第一位置；
当所述输入数据和所述至少一个参考数据集无法满足所述预定义条件时，基于所述第一信号装置与所述第二信号装置之间的后续射频通信来更新所述位置数据以及基于所述已更新的位置数据和所述输入数据来确定所述机器的所述第一位置。
13.根据权利要求12所述的***，其中所述射频通信包括至少一个往返通信，所述至少一个往返通信中的每一个包括：
从起始装置发射第一信号，所述起始装置是所述第一信号装置和所述第二信号装置中的一个；以及
将响应信号从响应装置发射到所述起始装置，所述响应装置是所述第一信号装置和第二信号装置中的另一个，
其中所述特性是与所述射频通信相关联的双向飞行时间。
14.根据权利要求12所述的***，其中所述第一信号装置和第二信号装置是超宽带射频测距装置，其中所述射频信号通信是超宽带射频通信。
15.一种用于确定机器在工地中的位置的方法，其包括：
使用位于所述机器上的激光雷达单元确定与在所述激光雷达单元与所述工地中的相应反光点之间的距离相关联的输入数据；
在所述工地内的已知位置处的第一信号装置与位于所述机器上的第二信号装置之间传输超宽带射频通信；
基于相距所述第一信号装置的所述机器的距离确定所述机器的位置数据，所述距离至少基于与所述第一信号装置与所述第二信号装置之间的超宽带射频通信相关联的双向飞行时间确定；以及
基于所述位置数据和所述输入数据确定所述机器的所述位置，其中
比较所述输入数据与第一比较数据，所述第一比较数据包括与在所述工地中的多个参考位置相关联的多个参考数据集，所述参考位置具有相距由所述位置数据指示的初始位置的间距，所述间距小于阈值间距；以及
当所述输入数据和所述多个参考数据集中的至少一个参考数据集满足预定义条件时，基于所述第一比较数据确定所述机器的第一位置；
当所述输入数据和所述至少一个参考数据集无法满足所述预定义条件时，基于所述第一信号装置与所述第二信号装置之间的后续超宽带射频通信来更新所述位置数据以及基于所述已更新的位置数据和所述输入数据来确定所述机器的所述第一位置。
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