本发明涉及一种用于定位摊铺机(特别是沥青摊铺机或混凝土摊铺机)或碾压机(milling machine)(特别是修整机、表面采矿机、回收机或土壤稳定器)类型的筑路机械的系统，该系统包括第一测量单元、若干标记、数据存储器以及计算单元。
背景技术：
1、在建筑领域中存在已知用于特定需要的各种测量系统。这样的测量系统可以与建筑机械一起使用，例如以：(a)构建机械周围环境的数字3d模型；(b)检测机械周围环境中的障碍物；和/或(c)支持对建筑机械的控制。
2、例如，ep 3 865 895 a1示出了具有测量系统的建筑机械，特别是平地机、推土机或挖掘机，该测量系统具有测量单元，该测量单元配置成生成检测范围内的测量数据并且至少包括相机和lidar扫描仪。该系统还具有计算机，该计算机配置成生成检测范围内的地形的三维模型，识别检测范围内的障碍物或人并控制建筑机械的转向。
3、然而，这种现有技术的测量系统具有以下缺点：它们不能用于准确地确定建筑机械在建筑工地上的位置，特别是当建筑机械连续移动时。
4、在筑路领域中，尤其是在道路摊铺或路面清除领域中，使用所谓的摊铺机，特别是沥青摊铺机或混凝土摊铺机或碾压机。对于借助这种筑路机械的正确且时间高效的摊铺或轧制，非常重要的是，可以非常准确地确定筑路机械的位置以及已经覆盖的路径。以此方式，确保已经被摊铺或轧制的区域不会再次被摊铺或轧制，确保一些区域不会被摊铺或轧制(遗漏/错过)，或者确保摊铺或轧制的区域对应于先前确定的建筑管理规划。
5、用于筑路机械(如摊铺机或碾压机)的三维定位和控制的传统装置包括多个全站仪，这些全站仪以已知位置围绕筑路机械布置。目标/标记(例如回射器)附接到筑路机械，其中全站仪确定与指定移动目标/标记的距离和角度，以识别准确的x/y/z位置。基于全站仪的已知位置和距目标的距离/角度，可以确定目标的位置/姿态，进而确定筑路机械在建筑工地的位置/姿态。常见的系统需要筑路机械周围有四个全站仪，用于确定距离，并且需要另一个全站仪用于质量保证。
6、由于筑路机械在摊铺或轧制过程中不断移动，因此全站仪必须随筑路机械一起移动，以使传感器保持处于目标/标记的范围内，从而确保测量的准确性。此外，全站仪必须在适当的位置重新定位。于是必须在这些位置处重新测量和参照全站仪的确切位置。一方面，这会导致复杂和耗时的设置，另一方面，由于在确定全站仪位置和参照时可能会出现测量不准确的情况，特别是由于人为错误，因此涉及潜在的误差源。
7、因此，有必要开发用于改进和简化地定位并控制建筑工地上的摊铺机(特别是沥青摊铺机或混凝土摊铺机)或碾压机(特别是修整机、表面采矿机、回收机或土壤稳定器)类型的筑路机械的系统。
技术实现思路
1、因此，本发明的目的是提供一种系统，该系统用于改进和简化地定位并控制建筑工地上的摊铺机(特别是沥青摊铺机或混凝土摊铺机)或碾压机(特别是修整机、表面采矿机、回收机或土壤稳定器)类型的筑路机械。
2、本发明涉及一种用于定位摊铺机或碾压机类型的筑路机械的系统，所述摊铺机特别是沥青摊铺机或混凝土摊铺机，所述碾压机特别是修整机、表面采矿机、回收机或土壤稳定器，所述系统包括：第一测量单元，所述第一测量单元配置成在所述筑路机械移动过程中，连续生成第一检测范围中的第一测量数据，并且至少包括第一相机和第一激光雷达传感器模块，其中以最小的重复率和最小的分辨率记录覆盖所述第一检测范围的相机和激光雷达(lidar)数据；以及若干标记。例如，相机的最小重复率至少为20赫兹，特别是至少50赫兹，更特别的是100至130赫兹。例如，就激光雷达模块而言，三维点云的生成速率为每秒每个角度视场至少一个三维点云采样点，其中角度视场为仰角半度，方位角为一度(点采集速率至少为每秒150'000点)。所述系统还包括数据存储器以及计算单元，其中所述数据存储器存储有：参照三维建筑工地坐标系而形成的3d设计模型，以及关于所述若干标记在所述三维建筑工地坐标系中的已知绝对参照(absolute reference)的信息。所述计算单元配置成：在所述第一测量数据内识别所述若干标记以及在所述第一测量数据内确定所述若干标记在所述第一检测范围内的相对位置；基于确定的所述若干标记的所述相对位置以及存储的关于所述若干标记的所述已知绝对参照的所述信息，确定所述第一测量单元在所述三维建筑工地坐标系中的姿态以及所述筑路机械在所述三维建筑工地坐标系中的姿态，特别是六自由度姿态；以及推导出所述筑路机械的转向命令(转向命令不仅是控制筑路机械运动的命令，而且是控制筑路机械所有可能功能/移动/操作的命令)，以便根据所述3d设计模型工作。
3、与现有技术系统相比，本发明的优点在于，筑路机械在三维建筑工地坐标系中的姿态是借助安装在筑路机械上的测量单元通过检测已设置在建筑工地上的参照标记来确定的。这使得简化了筑路机械的定位，并使系统更不易出错，因为不像现有技术那样通过使用在建筑现场上设置的若干全站仪瞄准筑路机械上的标记来确定位置，这些全站仪必须不断地重新定位和确定参照，特别是在筑路机械移动的情况下。
4、在另一个实施方式中，为了便于准确确定第一测量单元的姿态，该系统(尤其是第一测量单元)还包括技术人员已知的至少一个定位单元，例如全球导航卫星系统(gnss)接收器、imu或指南针。
5、在另一实施方式中，所述第一激光雷达传感器模块：被配置成使第一测量光束围绕第一轴线并围绕不平行于所述第一轴线的第二轴线以相对于每条轴线至少0.5hz的旋转速度旋转(例如，其中，所述第一测量光束以脉冲激光束的形式发射，例如，其中所述脉冲激光束包括每秒120万个脉冲)；并且包括：基座；支撑件，所述支撑件安装在所述基座上并且能够相对于所述基座旋转；以及偏转器，用于使所述第一测量光束偏转并且使所述测量光束的部分返回，所述偏转器安装在所述支撑件上并且能够相对于所述支撑件旋转。所述第一激光雷达传感器模块还配置成使所述支撑件相对于所述基座围绕所述第一轴线连续旋转，特别是以1hz的旋转速度旋转，并且使所述偏转器相对于所述支撑件围绕所述第二轴线连续旋转，特别是以50hz的旋转速度旋转；并且包括角度编码器单元，所述角度编码器单元配置成确定表示所述第一测量光束相对于所述第一轴线和所述第二轴线的取向的角度数据。特别地，所述第一激光雷达传感器模块配置成具有绕第一轴线360度和绕第二轴线130度的视场，并以每秒至少150'000个点的点采集率生成数据。
6、在另一实施方式中，所述第一激光雷达传感器模块包括至少两个飞行时间相机(time-of-flight camera)，其中每个飞行时间相机均包括传感器阵列以及一个或多个激光发射器。每个所述飞行时间相机的所述传感器阵列具有光轴并且配置成接收由相应飞行时间相机的所述一个或多个激光发射器发射的光脉冲的反射，以及所述至少两个飞行时间相机围绕第三轴线布置，使得每个传感器阵列均具有一个或两个其他传感器阵列作为相邻传感器阵列，其中在传感器阵列的光轴及其相邻传感器阵列之一的光轴之间围绕第三轴线的角度不大于360°n+20°，其中n是围绕所述第三轴线布置的飞行时间相机的数量。
7、在另一实施方式中，在生成所述第一测量数据的所述过程中，由至少第一相机连续捕获所述第一检测范围的二维图像数据，并且利用所述第一激光雷达传感器模块连续捕获所述第一检测范围的三维点云数据。所述第一测量单元配置成将所述捕获的图像数据和点云数据与它们被捕获时的姿态进行链接。
8、在另一实施方式中，所述计算单元配置成基于所述二维图像数据和/或所述三维点云数据来识别所述第一检测范围内的障碍物或人，特别地，其中，通过模板匹配(template matching)来进行所述障碍物识别。本发明的该实施方式可使得工人在建筑工地上安全操作，并且还可保护昂贵的车辆和设备不被筑路机械碰撞或毁坏。
9、在另一实施方式中，所述计算单元配置成执行slam功能，所述slam功能使用所述二维图像数据和/或所述三维点云数据进行同时定位和映射，和/或执行姿态和轨迹确定功能，所述姿态和轨迹确定功能用于基于所述二维图像数据和/或所述三维点云数据连续地确定所述第一测量单元的姿态和轨迹。
10、换言之，成像激光扫描仪技术(相机和激光雷达传感器模块)和相应的评估(定位)算法与实时登记一起应用，为摊铺应用实现足够的三维位置准确度。第一测量传感器使用相机技术来定位预先勘测的标记，用于在线登记以增强定位。定位算法在传感器(第一测量单元)以及任何其他实时或接近实时的计算程序(边缘处理)中运行。
11、在另一实施方式中，在生成所述第一测量数据的所述过程中，所述计算单元配置成在所述第一测量单元移动时连续地生成定位数据，并且基于所述定位数据来跟踪所述第一测量单元的所述姿态以及所述筑路机械的所述姿态，特别是6自由度姿态。
12、在另一实施方式中，当所述筑路机械根据所述3d设计模型向前移动，并因此所述第一检测范围也根据所述3d设计模型向前移动时，所述第一检测范围中出现目前为止尚未在所述第一测量数据内被识别的若干另外标记。所述计算单元配置成识别所述若干另外标记和在所述第一测量数据内的所述若干标记中的一些仍在被识别的标记，并在所述第一测量数据内确定所述若干另外标记在所述移动的第一检测范围内的相对位置，并推导出关于所述若干另外标记在所述三维建筑工地坐标系中的已知绝对参照的信息作为所述三维建筑工地坐标系中的新绝对参照，并且将所述新绝对参照作为新信息存储在所述数据存储器中。确定所述第一测量单元在所述三维建筑工地坐标系中的所述姿态以及由此确定所述筑路机械在所述三维建筑工地坐标系中的所述姿态的所述步骤，是另外基于所确定的所述若干另外标记的所述相对位置和所存储的关于所述已知新绝对参照的所述新信息的。
13、在另一实施方式中，所述第一测量单元布置在所述筑路机械的第一位置，并且所述系统还包括布置在所述筑路机械的第二位置的第二测量单元。所述第二测量单元配置成生成第二检测范围中的第二测量数据，并且至少包括第二相机和第二激光雷达传感器模块。所述第一测量单元和所述第二测量单元之间的相对位置(特别是相对姿态)是预定的或可确定的，其中所述计算单元配置成基于所述第一测量数据、所述第二测量数据以及所述第一测量单元和所述第二测量单元之间的当前相对位置(特别是当前相对姿态)来生成组合的测量数据。本发明的该实施方式的优点在于，与仅使用一个(第一)测量单元的实施方式相比，通过使用该组合的测量数据，计算单元以增加的准确度来确定筑路机械在三维建筑工地坐标系中的姿态。
14、在另一个实施方式中，第一和第二测量单元中的至少一者用于生成测量数据，从而确定筑路机械的姿态，其中，选择(第一或第二)测量单元中的哪一者用于生成测量数据是基于哪一个测量单元能够最准确和/或最方便地识别所述若干标记的。(目前)不生成任何测量数据的(第一或第二)测量单元处于待机模式，并且一旦当前激活的(第一或第二)测量单元不再检测到所述若干标记，或者如果准确度不再足够而需要通过使用两个测量单元来提高准确度时，计算单元可以随时切换/激活处于待机模式的上述测量单元。本发明的该实施方式的优点在于，通过从第一测量单元切换到第二测量单元，反之亦然，或启动两个测量单元，一方面可以非常灵活地使用系统，并能对建筑工地上可能出现的意外情况(如无法通过的地形、天气影响、限制等)做出反应，另一方面，始终能保证位置确定的足够准确度。
15、换言之，定位解决方案要求在机械上至少有一个测量单元，或根据机械的大小而具有多个测量单元，以便能够对预先勘测的标记和/或已知特征有不间断的视场。
16、在另一个实施方式中，第二测量单元和/或另外的(第三)测量单元配置成附接到筑路机械(摊铺机/碾压机)的后部，其中，位于后部的第二测量单元和/或另外的(第三)测量单元收集竣工数据(当筑路机械仍在操作时)，特别是包括表面温度、水分含量、或路面的等级/坡度，从而监测摊铺/轧制的进度和/或质量(质量保证)。
17、在另一实施方式中，所述若干标记和所述若干另外标记是回射器，特别地其中所述回射器配置为以下中的至少一种：至少一个三棱镜；至少一个球形反射器；回射箔，特别是反射目标标记；以及微棱镜阵列，特别是由塑料或玻璃组成。
18、在另一实施方式中，所述若干标记和所述若干另外标记是建筑工地中的突出特征/物体，特别是诸如树木、岩石、杆、建筑物之类的突出特征/物体。本发明的该实施方式的优点在于，无需在建筑工地上设置额外的标记/目标，而是可以利用现有的特征/目标，然后确定参照。
19、在另一实施方式中，所述系统还包括两个gnss接收器，所述两个gnss接收器用于从定位在所述筑路机械上的导航卫星接收信号，所述两个gnss接收器相对于彼此固定且处于已知关系，特别地，其中所述第一测量单元相对于所述gnss接收器以预定位置布置在所述筑路机械上，并且所述计算单元配置成使用所述信号来生成方向矢量并且用于推导出用于所述筑路机械的所述转向命令，以便基于所述方向矢量根据所述3d设计模型工作。
20、在另一实施方式中，所述系统还包括：若干移动标记，所述若干移动标记配置成在已知位置处附接到至少一个车辆，其中所述至少一个车辆在所述筑路机械的前方和/或后方移动，使得所述若干移动标记在所述第一测量单元或另外(第二或第三)的测量单元的所述第一检测范围或另外的检测范围中的一个内；以及发送单元，所述发送单元配置成向所述至少一个车辆发送转向命令，使得所述筑路机械和所述至少一个车辆能够列队(information)行驶，其中所述计算单元配置成
21、在所述第一测量数据或另外的测量数据中的一者内识别所述若干移动标记以及在所述第一测量数据或另外的测量数据内确定所述若干移动标记在所述第一检测范围或另外的检测范围中的一者内的相对位置，
22、基于所确定的所述若干移动标记的所述相对位置以及所述第一测量单元或另外(第二或第三)的测量单元中的一者的所述姿态来确定所述至少一个车辆在所述三维建筑工地坐标系中的姿态，特别是六自由度姿态，
23、推导出用于所述至少一个车辆的另外的转向命令，以便根据所述3d设计模型进行工作，
24、将所述另外的转向命令传输到所述发送单元。
25、作为这种摊铺列车的实施例，滑模或沥青摊铺机(第一车辆)在筑路机械/主摊铺机的前方行驶，放置材料(例如混凝土或沥青)并使其成为期望的形状，即施加第一层。主摊铺机将另外的材料(例如混凝土或沥青)放置在第一层上，并也使其成为期望的形状，即施加第二层。随后的振动辊(例如，可以用在土壤或沥青上)(第二车辆)固结材料(第一层和第二层)。该第二车辆可以是压实路面的一个或多个辊。系统的计算单元将借助转向命令来使用每个第二车辆的相对位置，以避免碰撞并进行适当的协同控制。在摊铺列车的另一实施例中，拉毛机(texturing machine)(另外的车辆)也可以定位在摊铺列车的某个位置处或替换摊铺列车的车辆。然而，可以构想用于创建这种摊铺列车的摊铺机或其他筑路机械的任何其他集群。
26、使用现有技术的系统来确定筑路机械/车辆(如摊铺机)的位置，该系统使用安装在筑路机械上的标记/目标(例如，回射器)，并借助设置在建筑工地上的全站仪进行瞄准，这对这样的摊铺列车尤其不利，因为必须在建筑工地上设置大量的全站仪，并对每个筑路机械进行单独瞄准。在这种情况下，一方面，在参照全站仪或单独瞄准筑路机械时发生错误的概率非常高，另一方面，由于设置了大量全站仪，建筑工地上的移动性，尤其是大型车辆的移动性受到严重限制。使用本发明来确定这样的摊铺列车的车辆的位置有一个很大的优点，即由于目标/标记附接到筑路机械(车辆)，并由主摊铺机上的第一或另外的(第二或第三)测量单元之一检测，因此摊铺列车的其他车辆的位置是基于第一或另外的(第二或第三)测量单元之一的确定位置来确定的。如上所述，第一或其他测量单元之一的位置是基于所确定的若干(其他)标记的相对位置和所存储的若干(其他)标记的已知绝对参照信息确定的。因此，在确定摊铺列车的所有筑路机械/车辆的位置时，不会产生由于设置大量全站仪而导致的误差，并且与针对单独应用仅确定主摊铺机的位置相比，无需设置更多的标记。本发明的这一特定实施方式还通过基于位置确定向摊铺列车的各个车辆发送相应的转向命令，而便于控制建筑工地上的车辆，从而使主摊铺机和其他摊铺列车的车辆彼此独立行驶以及列队行进。
27、根据本发明的系统的另一个可能应用是连续钢筋混凝土路面(crcp)施工。
1.一种用于摊铺机或碾压机类型的筑路机械(1)的定位的系统(2)，所述摊铺机特别是沥青摊铺机或混凝土摊铺机，所述碾压机特别是修整机、表面采矿机、回收机或土壤稳定器，所述系统(2)包括：
2.根据权利要求1所述的系统(2)，其中，所述第一激光雷达传感器模块：
3.根据权利要求1所述的系统(2)，其中，所述第一激光雷达传感器模块包括至少两个飞行时间相机，其中
4.根据权利要求1所述的系统(2)，其中，在生成所述第一测量数据的过程中，
5.根据权利要求4所述的系统(2)，其中，所述计算单元配置成基于所述二维图像数据和/或所述三维点云数据来识别所述第一检测范围(5)内的障碍物或人，特别地其中，通过模板匹配来进行所述障碍物的识别。
6.根据权利要求4所述的系统(2)，其中，所述计算单元配置成执行
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(2)，其中，在生成所述第一测量数据的过程中，
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统(2)，其中，当所述筑路机械(1)根据所述3d设计模型向前移动，并因此所述第一检测范围(5)也根据所述3d设计模型向前移动时，所述第一检测范围(5)中出现目前为止尚未在所述第一测量数据内被识别的若干另外标记(9)，其中所述计算单元配置成
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(2)，其中，
10.根据权利要求1或8所述的系统(2)，其中，所述若干标记(7)和所述若干另外标记(9)是回射器，特别地其中，所述回射器配置为以下中的至少一者：
11.根据权利要求1或8所述的系统(2)，其中，所述若干标记(7)和所述若干另外标记(9)是建筑工地中的突出特征，特别是诸如树木、岩石、杆、建筑物之类的突出特征。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统(2)，所述系统(2)还包括两个gnss接收器(13、14)，所述两个gnss接收器(13、14)用于从定位在所述筑路机械(1)上的导航卫星接收信号，所述两个gnss接收器(13、14)相对于彼此固定且处于已知关系，特别地其中，所述第一测量单元(3)相对于所述gnss接收器(13、14)以预定位置布置在所述筑路机械(1)上，并且所述计算单元配置成使用所述信号来生成方向矢量并且用于推导出用于所述筑路机械(1)的所述转向命令，以便基于所述方向矢量根据所述3d设计模型来工作。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统(2)，所述系统(2)还包括：若干移动标记，所述若干移动标记配置成在已知位置处附接到至少一个车辆，其中所述至少一个车辆在所述筑路机械(1)的前方和/或后方移动，使得所述若干移动标记在所述第一测量单元(3)或另外的测量单元(4、11)的所述第一检测范围(5)或另外的检测范围(6、12)中的一者内；以及发送单元，所述发送单元配置成向所述至少一个车辆发送转向命令，使得所述筑路机械(1)和所述至少一个车辆能够列队行进，其中所述计算单元配置成
