管道铺设系统和方法与流程

1.本公开涉及一种用于借助于使用挖掘机进行管道铺设的系统和方法。


背景技术：

2.开发新的基础设施和替换老化的基础设施包括在地下铺设各种大的管道，以用于通过这样的管道提供各种服务，举几个来说，例如供水、从地面上方排放雨水、将污水排放到化粪池或城镇下水道、天然气管线、电信、配电、光纤、交通信号灯、街灯、雨水渠、水管和油管线。这些管道或细长结构中的许多由多种材料(例如，铸铁、塑料、镀锌钢、炻器、石棉水泥和混凝土)组成。由于这样的管道的尺寸和重量，作业机器(例如，挖掘机)经常被用于将这些管道放置在地面中。通常在沟槽或其它通常受限的路径中以端对端彼此相连的方式分段铺设这样的管道。挖掘机还可以被用于通常通过沿着所期望的路径并且以材料流从管道到管道通过所需要的所期望的斜率将沟槽挖掘到所期望的深度来准备，其中管道运载流体。通常，管道由支撑管道的侧部并且可选地从底下支撑管道的砾石或其它填充或铺垫材料支撑在沟槽中。
3.在将管道铺设在沟槽中的传统实践中，作业机器(例如，挖掘机或起重机)的作业臂从作业臂悬挂管道部分以用于放置在沟槽中。如果作业臂与管道的联接偏离中心，则管道的重心可能与联接点不一致，并且管道在提升离开地面时可能倾斜。此外，当管道提升离开地面时，管道可能摆动，从而产生管道的不稳定移动。当管道被下放到沟槽中时，其被放置在准备好的砾石上或邻近相邻管道以用于接合。相邻管道的接合结构可以是插口，其中，管道和相邻管道的精确对准变得关键。上文所提到的步骤中的每个都需要在用于管道的沟槽中或沿着用于管道的沟槽存在至少一个工人。目前，工人引导将作业臂联接到管道的精确位置，当管道被提升时引导管道，并且在管道下降时进一步引导管道与相邻管道对准。
4.举例来说，可能要求下水管道处于并且保持在已经铺设的管道的已建立的延伸线的0.5英寸内。混凝上下水管道可以长达8英尺，并且重量可达6吨或更重，借此使沟槽中的松散砾石沉降并且压实。铺设这样的管道的方式可能产生非最佳安全环境，其中在沟槽中或沿着沟槽的工人与作业机器的操作者之间的通信可能由于分心的工人而被延迟，由于不熟练的操作者而不一致，或者被掩盖在嘈杂的工地现场中。此外，管道铺设的精度完全取决于操作者和工人的技能。
5.其中，需要一种用于铺设沿着路径以端对端关系接合的管道或其它细长件改进的系统和方法。另一个需要是提供一种系统和方法，由此，针对这样的管道的常规放置和接合，对在沟槽中或沟槽旁边的工人的需要可以忽略。又一个需要在于提供一种能够测量环境并且向操作者提供改进的引导的系统。


技术实现要素：

6.提供本发明内容是为了引入下文将在详细描述和附图中进一步描述的一些概念选择。本发明内容不意在识别所附权利要求书的关键或必要特征，也不意在用于帮助确定
所附权利要求书的范围。
7.公开了一种用于对环境进行评估并且将第一管道相对于第二管道放置在沟槽中的管道铺设系统。可以与作业机器一起使用的所述管道铺设系统可以包括框架、动臂组件、工具、至少一个传感器、至少一个立体摄像机和控制器。所述框架可以可旋转地安装到地面接合机构，所述地面接合机构适于将所述框架支撑在表面上。所述动臂组件可以联接到所述框架。所述动臂组件可以包括：大动臂，所述大动臂枢转地联接到所述框架并且通过第一致动器可相对于所述框架移动；和铲斗柄，铲斗柄枢转地联接到所述大动臂并且通过第二致动器可相对于所述大动臂移动。所述工具可以可拆卸地联接到所述铲斗柄，并且可通过第三致动器相对于所述铲斗柄移动，其中，所述工具适于可拆卸地接合所述第一管道。所述至少一个传感器可以可操作以感测所述大动臂、所述铲斗柄和所述工具中的一个或更多个的位置和移动方向中的一个或更多个，借此产生位置信号和运动方向信号中的一个或更多个。所述至少一个立体摄像机可以联接到所述工具、动臂组件和框架中的一个或更多个，其中，所述立体摄像机可以适于获得视觉数据并且生成对应的视觉数据信号。控制器可以适于：从所述至少一个立体摄像机接收所述视觉数据信号；识别所述第一管道相对于所述第二管道的至少一个参数；从所述至少一个传感器接收位置信号和移动方向信号中的一个或更多个；将所述视觉数据与对应的位置数据和移动方向数据中的一个或更多个相关联；产生视觉反馈和输入信号中的一个或更多个，其中借助于所识别的所述第一管道相对于所述第二管道的所述至少一个参数向操作者产生视觉反馈，所述输入信号用于修改所述动臂组件的所述位置和所述移动方向中的一个或更多个。
8.所述第一管道相对于所述第二管道的所述至少一个参数可以包括相对于第二边缘识别第一边缘。
9.所述第一管道相对于所述第二管道的所述至少一个参数可以包括相对于第二中心轴线识别第一中心轴线。
10.所述第一管道相对于所述第二管道的所述至少一个参数可以包括相对于第二中心线识别第一中心线。
11.所述第一管道相对于所述第二管道的所述至少一个参数可以包括相对于距沟槽表面的第二平均距离识别距沟槽表面的第一平均距离。
12.所述第一管道相对于所述第二管道的所述至少一个参数包括识别所述第一管道的第一钟形端部和所述第二管道的第二钟形端部。
13.所述系统还可以包括目标信号读取器，所述目标信号读取器联接到所述工具、所述动臂组件和所述第一管道中的一个或更多个。所述目标读取器可以从联接到所述第二管道的目标信号发射器接收目标信号，其中，所述目标信号读取器指示所述第一管道和所述第二管道何时对准；
14.所述控制器可以进一步包括存储介质，所述存储介质适于在存储器中存储所述视觉数据和具有用于所述第一管道的唯一识别符的对应位置数据中的一个或更多个。
15.所述管道铺设系统可以进一步包括位置确定接收器。所述位置确定接收器可以适于在定位所述第一管道时生成位置数据信号，其中，所述存储介质适于存储对应于针对所述第一管道的所述唯一识别符的所述位置数据。
16.所述管道铺设系统可以进一步包括联接到工具和动臂组件中的一个或更多个的
雷达传感器，所述雷达传感器指示到所述表面的深度。
17.一种对环境进行评估并且通过挖掘机将第一管道相对于第二管道放置在沟槽中的方法可以包括以下步骤。所述方法可以包括：由所述挖掘机上的控制器从至少一个立体摄像机接收视觉数据信号；将所述视觉数据与对应的位置数据和移动方向数据中的一个或更多个相关联；产生视觉反馈和输入信号中的一个或更多个，其中借助于所识别的所述第一管道相对于所述第二管道的所述至少一个参数给操作者产生所述视觉反馈，所述输入信号用于修改所述大动臂、所述铲斗柄和所述工具中的一个或更多个的所述移动方向和所述位置中的一个或更多个。
18.所述方法还可以包括：由联接到所述工具、所述动臂组件和所述第一管道中的一个或更多个的目标信号读取器从联接到所述第二管道的目标信号发射器接收目标信号；向所述控制器发送所述目标信号；和产生输入信号，以用于修改所述动臂组件的移动方向和位置中的一个或更多个，其中所述目标信号指示所述第一管道和所述第二管道是对准的。
19.所述方法还可以包括：由所述控制器从联接到所述工具和所述动臂组件中的一个或更多个的雷达传感器接收表面深度信号；和基于所述表面深度信号而产生所述输入信号，以用于修改所述动臂组件的所述移动方向和所述位置中的一个或更多个。
20.所述方法还可以包括：在定位所述第一管道时由位置确定接收器生成位置数据；和通过存储介质接收并且存储对应于用于所述第一管道的唯一识别符的所述位置数据。
21.依据下面的详细描述和附图，这些和其它特征将变得显而易见，其中，借助于图示示出和描述了各种特征。本公开能够具有其它和不同的配置，并且其多个细节能够在各种其它方面中进行修改，所有这些都不脱离本公开的范围。因此，详细描述和附图在本质上被认为是图示性的而不是制约性的或限制性的。
附图说明
22.附图的详细描述参考了附图，其中：
23.图1是具有动臂组件的挖掘机的侧视图；
24.图2是用于图1中所示实施例的管道铺设系统的示意图；
25.图3是将管道下降到沟槽中的挖掘机的侧视图；
26.图4是在用户输入接口的显示器上示出的图像数据的示例性视图；
27.图5是图1中所示实施例的显示器上的视觉反馈的示例性视图；并且
28.图6是用于图1中所示实施例的管道铺设方法的流程图。
具体实施方式
29.在以上附图和以下详细描述中公开的实施例并不意在是穷举性的或将本公开限制于这些实施例。相反，存在在不脱离本公开的范围的情况下可以做出的多种变化和修改。
30.如本文中所使用的，除非另有限制或修改，否则具有由合取术语(例如，“和”)分隔并且前面还带有短语“...中的一个或更多个”或“...中的至少一个”的元素的列表指示潜在地包括列表的个别元素或者其任何组合的配置或布置。举例来说，“a、b和c中的至少一个”或“a、b和c中的一个或更多个”指示只a、只b、只c或a、b和c中的两个或更多个的任何组合的可能性(例如，a和b；b和c；a和c；或a、b和c)。
31.如本文中所使用的，术语“控制器”是包括处理器和存储器的计算装置。“控制器”可以是单个装置或者可替选地是多个装置。所述控制器可以进一步个别地或以任何组合指代任何硬件、软件、固件、电子控制部件、处理逻辑、处理装置，包括但不限于：专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或更多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述功能性的其它合适部件。
32.图1图示了挖掘机100的侧视图。挖掘机可以由框架105、联接到框架105并且适于将框架105支撑在表面115上的地面接合机构110组成。通常，框架115的上部部分140可以借助于摆动枢轴枢转地安装在底盘145上。底盘145可以联接到地面接合机构110，其中，地面接合机构110可以包括用于沿着表面移动的一对履带或车轮。框架105可以包括操作者驾驶室150(尽管远程操作挖掘机100不需要)，其中，操作者通过用户输入接口155(其一部分在图4中示出)控制挖掘机100。用户输入接口155可以包括控制杆、控制踏板、按钮和一个或更多个图形显示屏(本文中也被称为显示器157)。动臂160可以枢转地联接到框架105。第一致动器165可以将动臂160和框架105互连。第一致动器165可以可操作以相对于框架105移动动臂160。铲斗柄170可以枢转地联接到动臂160，以用于围绕枢转轴线175旋转移动。第二致动器180可以将铲斗柄170和动臂160互连。第二致动器180可以可操作以相对于动臂160围绕枢转轴线175移动铲斗柄170。工具185可以枢转地联接到铲斗柄170。第三致动器190可以将工具185和铲斗柄170互连。第三致动器190可以可操作以相对于铲斗柄170移动工具185。至少一个传感器195可以可操作以感测动臂160、铲斗柄170和工具(173、185)中的一个或更多个的位置197(图2中所示)或移动方向199(图2中所示)中的一个或更多个。在一个示例中，由动臂160和铲斗柄170组成的动臂组件163可以联接到铲斗型工具173(仅在图1中示出)，以用于挖掘用于管道铺设的沟槽，其中，沟槽中表面115的均匀性和坡度确保了正确的管道铺设。随后，挖掘机100可以将工具更换成适于可拆卸地接合管道185以用于管道铺设的工具(图3中所示)。适于可拆卸地接合管道的各种工具是可用的。这些包括但不限于吊索、抓钩、磁体，其中的每个都需要将工具185对中联接在管道的重心处或附近。在管道的重心处或附近的联接优化了转移细长结构(如管道)的稳定性。
33.现在转到图2和图3，在继续参考图1的情况下，示出了用于图1中所示实施例的管道铺设系统200的示意图。管道铺设系统200对环境进行评估和将管道从挖掘机放置到沟槽245。管道铺设系统200包括如上文所描述的作业机器(这里示出为挖掘机100)。管道铺设系统200可以进一步包括联接到工具185、动臂组件163和框架105中的一个或更多个的至少一个立体摄像机205，其中，立体摄像机205适于获得视觉数据210并且生成对应的视觉数据信号215。一个或更多个立体摄像机205可以朝向第一管道220和第二管道230中的一个或更多个定向；第一管道220指的是待由挖掘机100定位在地面中的管道，并且第二管道230指的是第一管道220可以联接到的相邻管道。图3展示了立体摄像机205的示例性位置，以捕捉管道和其周围环境的相对视角和细节。将至少一个立体摄像机205放置在挖掘机100的框架105上实现立体摄像机205相对于作业机器的框架105的稳定且固定的位置，以及在距操作者可能坐的操作者驾驶室150的已知距离的情况下实现给操作者的恒定/稳定的视觉反馈。将立体摄像机205联接到框架105进一步使得控制器240能够计算第一管道220距框架105的尺寸和距离，以便使用视觉数据210来放置。此外，立体摄像机204与框架105的联接允许第一管道220和第二管道230两者的高位视图，如虚线区域237所示。第一管道220的两个端部的可
见性允许捕捉视觉数据210来计算第一管道的中心线425、近似中段(与近似重心相关)。
34.另一方面，立体摄像机205与动臂组件163或工具185的联接使得能够直接观察到沟槽245中，借此在第一管道220的定位期间向操作者提供实时视觉反馈275，同时进一步允许控制器240识别沟槽245内的其它物体(例如，公用设施、第二管道230的插口端部、砾石层235、用于管道端到端放置的隆起250，仅举几个示例)。至少一个立体摄像机205与动臂组件和/或工具185的联接覆盖虚线所示的示例性区域255。
35.管道铺设系统200可以包括控制器240，以从至少一个立体摄像机205接收视觉数据信号215；识别第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260；从至少一个传感器195接收位置信号197或移动方向信号199中的一个或更多个；将视觉数据210与对应的位置数据265和移动方向数据270中的一个或更多个相关联；产生视觉反馈275和输入信号280的中的一个或更多个，借助于第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260向操作者产生所述视觉反馈275，所述输入信号280用于通过致动器(165、180、190)修改动臂组件163或工具185的移动方向或位置。
36.现在转到图4和图5，在继续参考图2和图3的情况下，示出了如在显示器上向操作者示出的图像数据400的示例性视图。图4是如在显示器157上向操作者示出的图像数据400的示例性视图。图5是除了用于修改动臂组件163(图2中所示)或工具185的移动方向270或位置265的输入信号280之外的、还借助于第一管道220相对于第二管道240的至少一个参数260的给操作者的视觉反馈275的示例性显示。第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260可以包括相对于第二边缘(410a、410b)识别第一边缘(405a、405b)。第一边缘(405a、405b)可以指第一管道220的第一边缘(405a、405b)，并且第二边缘(410a、410b)可以指第二管道230的第二边缘(410a、410b)。这可以是沿着管道的前后方向415延续的第一边缘405a和第二边缘410a的相对定位，或者可替选地是第一边缘405b和第二边缘410b在管道的左右方向420上的相对定位。
37.第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260可以包括相对于第二中心线430的第一中心线425。第一中心线425可以指第一管道220的第一中心线425(例如，如从顶部表面来看)，并且第二中心线430可以指第二管道230的第二中心线430。
38.第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260可以另外或可替选地包括相对于距沟槽表面445的第二平均距离440的距沟槽表面445的第一平均距离435。如图5中所示，距沟槽表面445的距离可以从侧壁导出。可替选地，距沟槽表面445的距离可以从联接到工具185和动臂组件163中的一个或更多个的雷达传感器450导出，其中，雷达传感器指示到表面(例如，沟槽的砾石层235)的深度。这可以允许识别砾石层235中的隆起250，以用于正确的管道放置。
39.回到图2和图3，管道铺设系统200可以进一步包括联接到工具185、动臂组件163和第一管道220中的一个或更多个的目标信号读取器455，其中，目标信号读取器455从联接到第二管道230的目标信号发射器475接收目标信号460。目标信号读取器可以指示第一管道220和第二管道230何时对准。第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260可以包括识别相对于第二中心轴线470(图2中的虚线所示)的第一中心轴线465(图2中的虚线所示)。第一中心轴线465可以指第一管道220的第一中心轴线465，并且第二中心轴线470可以指第二管道230的第二中心轴线470。中心轴线(465、470)可以或可以不与联接到所述管道
(220、230)的目标信号读取器455和目标信号发射器475准确地重合。然而，目标信号发射器475和目标信号读取器455的定位指示第一管道220和第二管道230的对准。
40.控制器240可以进一步包括存储介质480，存储介质480适于在存储器中存储图像数据400和具有用于第一管道220的唯一识别符485的对应位置数据265中的一个或更多个。如本文中所使用的，存储介质480包括电子存储器、非易失性随机存取存储器、光学存储装置、磁性存储装置或用于在任何可记录、可重写或可读的电子、光学或磁性存储介质上存储和访问电子数据的另一装置。
41.管道铺设系统可以进一步包括位置确定接收器490，位置确定接收器490被配置成在定位第一管道220时生成位置数据495，其中，存储介质480适于存储对应于用于第一管道220的唯一识别符的位置数据495。如本文中所使用的，位置确定接收器490可以包括全球定位系统接收器(gps)或任何卫星导航接收器，以用于提供：(1)车辆或其部件(例如，动臂、铲斗柄和工具)的位置数据、海拔数据、姿态、侧倾、倾斜偏航、运动数据、加速度数据、速度或速率数据。举例来说，位置确定接收器490可以包括具有次级接收器或收发器的卫星导航接收器，以用于接收差分校正信号来校正误差或增强来自所接收的卫星信号的位置数据的准确性。随着项目的进展，在每个相应管道定位时的这个数据汇编为公共设施创建了一个“竣工”图。仅举几个示例，可以在存储介质480中汇编的其它数据包括供应商标识、操作者标识、天气、机器标识、材料描述、条形码、项目标识、启动数据、工具标识。
42.现在转到图6，示出了通过挖掘机100对环境进行评估并且将第一管道220相对于第二管道230放置在沟槽245中的方法600。前体步骤包括：使用铲斗型工具173将沟槽245挖掘到路基的步骤605；安装砾石并且平整到最终坡度的步骤610；和从铲斗型工具173变为用于可拆卸地接合管道185的工具的步骤615。在第一步骤620中，挖掘机100上的控制器240从联接到挖掘机100上的框架105、动臂组件162和工具(173、185)中的一个或更多个的一个或更多个立体摄像机205接收视觉数据信号215。所获得的视觉数据210可以包括借助于用于可拆卸地接合联接到挖掘机的管道的工具来观察一个或更多个管道。在工具185接合管道220时或之前，控制器240可以识别第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260。这可以包括识别管道的钟形端部(410b)，其中，钟形端部与管道的直端部(405b)联接，借此将管道定向在正确的前后方向415上。至少一个参数260还可以包括：识别相对于第二边缘410的第一边缘405；和识别相对于第二中心轴线470的第一中心轴线465。在工具185与管道接合时，在步骤635中，控制器然后可以定位沟槽245，定位放置的前一管道，并且识别相对于距沟槽表面445的第二平均距离440的距沟槽表面445的第一平均距离435。控制器240然后可以从至少一个传感器195接收位置信号197或移动方向信号199中的一个或更多个，至少一个传感器可操作来感测大动臂160、铲斗柄170和工具(173、185)中的一个或更多个的位置或移动方向中的一个或更多个。控制器240然后可以将视觉数据210与对应的位置数据265和移动方向数据270中的一个或更多个相关联。控制器240然后可以产生视觉反馈275和输入信号280中的一个或更多个，其中借助于所识别的第一管道220相对于第二管道230的至少一个参数260(在上文讨论了其示例)向操作者产生所述视觉反馈275，所述输入信号280用于修改动臂组件163的移动方向199或位置197，其中，动臂组件163包括大动臂160和用于将管道的插口端部(例如，405b)安装到钟形端部(例如，410b)(如步骤640中所示)的铲斗柄170。如步骤643中所示，方法可以进一步包括：由控制器240从联接到工具185和动臂组
件163中的一个或更多个的雷达传感器450接收表面深度信号；和基于表面深度信号而产生用于修改动臂组件163的移动方向199或位置197的输入信号280。最后，位置确定接收器490可以基于第一管道220的定位而生成位置数据495，如步骤657中所示，并且控制器240可以在存储介质480中接收并且存储对应于第一管道的唯一识别符485的位置数据495。
43.为了增加的精度，在步骤650中，方法可以进一步包括：通过联接到工具185、动臂组件163和第一管道220中的一个或更多个的目标信号读取器455从联接到第二管道230的目标信号发射器475接收目标信号；将目标信号460发送到控制器240；和产生输入信号280，以用于修改动臂组件163的移动方向199或位置197，其中，目标信号460指示第一管道220和第二管道230是对准的。注意，可以切换目标信号发射器475和目标信号读取器455的定位，其中，目标信号发射器475放置在第一管道220上，并且目标信号读取器455放置在第二管道230上，借此达到相同的最终结果。如果如在步骤655中居中了目标信号读取器455，则过程可以重复到下一个步骤690，或者用铲斗690挖掘更多的沟槽，或者放置下一个管道615。如果目标接收器太高，如在步骤665中，则挖掘机可以向下轻推管道。如果目标接收器太低，如在步骤675中，则可以通知在现场的工人来帮助修改与砾石相关联的任何坡度。
44.视觉反馈275可以实施为移动的指南(例如，视觉馈送或者实时视觉馈送上的覆盖)，并且操作者可以相应地手动地调整。可替选地，可以产生输入信号280，以用于基于视觉数据210而自动地修改移动方向199或位置197。如果需要，操作者可以具有手动调整的超控能力。
45.注意，在上文中，“数据”可以从“信号”中导出。
46.注意，在上文中，“立体摄像机”可以包括任何图像捕捉系统或装置，包括热、激光雷达、雷达、flir和视频类型馈送。
47.本文中所使用的术语用于描述特定实施例或实施方案的目的，而非意在限制本公开。除非另有明确指示，否则如本文中所使用的，单数形式的“一(a)”、“一个(an)”和“所述”意在包括复数含义。将进一步理解，在本说明书中，术语“具有(has)”、“含有(have)”、“拥有(having)”、“包括(include)”、“包含(includes)”、“由...构成(including)”、“由...组成(comprise)”、“涵盖(comprises)”、“构成(comprising)”或类似物的任何使用识别了所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
48.本文中所讨论的任何方法、过程或系统中的步骤或操作中的一个或更多个可以被省略、重复或重新排序，并且在本公开的范围内。
49.虽然上文描述了本公开的示例性实施例，但是这些描述不应该以制约性或限制性意义来看待。相反，存在在不脱离所附权利要求书的范围的情况下可以做出的多种变化和修改。