CN1191594A - 挖掘机数据采集和控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种挖掘机数据集合和控制系统及方法,用来表征一挖掘场地的地表下层地质,并利用采集的数据以优化挖掘机的生产性能。一地质信息采集器(256)和一任选的地理定位系统(254)用来最初勘探一预定的挖掘场地或路线。一地质表征器(260)可用来测定地表下层的物理特性。采集的数据经处理为挖掘场地提供地质的和位置的数据,这些数据被主控制器(250)和机器控制器(255)利用以修改挖掘机的挖掘生产性能。

Description

挖掘机数据采集和控制系统及方法
发明领域
本发明总的涉及挖掘领域，更具体涉及一种用于采集地质和位置数据以及响应采集的数据控制-挖掘机的系统和方法。
发明背景
已经开发的许多类挖掘机都按照一种特定的挖掘方式开挖一预定场地或路线。为了安装并接着掩埋多种管道和公用导管，当开挖连续的长沟渠时，通常采用一种称为履带开沟机的特定型挖掘机。土地开发商或承包商想要挖掘几英里甚至几百英里具有各种类型的未知地下地质数据的土地。
一般说来，为了评定土地特点，这种承包商在一预定的开挖地点在一定大小或长度的待开挖的土地上进行有限的勘探。沿着一预定的开挖路线分析一个或多个土芯样品就可较好地评定待开挖的土壤类型。根据各种定量和定性的信息，承包商通常准备一个费用预算以预测完成该开挖计划所需的经济来源。在求包一个开挖合同时，该承包商要示出一固定的费用报价。
可以理解的是，不充分、不精确或误导的勘探信息将明显影响与具体开挖计划有关的预算或报价的准确度。最初的勘探例如会建议所有或大多数预定开挖路线的地下地质主要由砂子或石子组成。因此，该承包商的预算和报价反映了用于开挖较软的地下土壤的费用。但是在挖掘过程中，却发现该预定开挖路线的大部分是较硬的土壤，例如为花岗石。用于挖掘未被探查到的硬土质的额外费用通常要由该承包商自己负担。在挖掘工业中通常可理解的是，这种未预见的开支能折衷处理该承包商业务的金融能力。
为了确定下面土地的类型、特点和结构特性，已发展起许多方法以分析地下地质。地面穿透雷达和红外温度记录法是用于探测地下地质变化的两种流行的方法的实例。但是，这些和其它非破坏性成象分析工具有许多缺点，使在开挖长的连续沟渠时，或在挖掘较大工地时通常会限制它们的使用。另外，已有的地下分析工具通常只提供一特定地下地质的成象，而不提供有关地下土地的结构或机械属性的信息，而这些正是对企图要确定待挖掘土壤的特性为最重要的信息。
如此，在诸使用挖掘机械的研制商和承包商中产生这样一种需求，即减小确定在一预定开挖场地的地下地质特性的困难。另外一个要求就是通过精确表征这些地下地质而提高挖掘机的生产率。本发明即可实现这些和其它要求。
                    发明概要
本发明是一挖掘机数据采集和控制系统及方法，用来表征挖掘场地的地表下层地质，并利用采集的数据以优化挖掘机的生产性能。地质成象系统和地理定位系统用来最初勘探一预定的挖掘场地或路线。也可用地质表征器来增加地质成象数据。采集的数据经处理提供挖掘场地详细的地质和位置数据，并被一主控制器利用以优化挖掘机的生产性能。在一实施例中，当分析未知的地表下层地质时，主控制器访问包括多种地质类型的地质分布图数据的地质滤波数据库。从采集的地质成象数据中除去对应于已知地质的地质滤波数据内容可立即识别未知的和推测的地表下层物质。地质成象系统最好包括一具有多个按正交关系定向的天线的地面穿透雷达系统，以提供地表下层地质的三维成象。相关软件被用来使采集的地质成象数据与过去的挖掘机生产性能数据相关，以表征地表下层地质的结构力学。地理定位系统提供挖掘场地的精确地理测绘，该地理定位系统最好包括一安装于挖掘机的移动式转发器和多个地面转发器。在一实施例中，由一个或多个全球定位系统(GPS)卫生发射的信号和由多个地面转发器产生的参考信号一起被使用。
附图简要说明
图1是一种称为履带挖沟机的挖掘机的一实施例的侧视图，该机还包括一挖沟机链式开沟附件；
图2是一挖掘机的一履带挖沟机实施例的概括的系统方块图；
图3是用于控制履带挖沟机挖掘机的主用户接口的示意图，它可用来观察采集的地质和位置数据，并与该挖掘机的许多电子和机电元件相连接；
图4是一种新颖的挖掘机数据采集和控制系统的一主控制器(MCU)的系统方块图；
图5是一种新颖的挖掘机数据采集和控制系统的一地质数据采集器(GDAU)的系统方块图；
图6是由一使用传统单轴天线系统的地面穿透雷达系统接收到的反射源电磁信号的曲线图；
图7是一种新颖的挖掘机数据采集和控制系统的一地理定位器(GPU)的系统方块图；
图8是一种新颖的挖掘机数据采集和控制系统的一挖掘机控制器(ECU)的系统方块图；
图9是由主控制器(MCU)访问和处理的多个数据库和软件的方块图；
图10示出具有非均质地下地质的一预定的挖掘场地；
图11是使用一新颖地质数据采集器(GDAU)和地理定位器(GPU)，对一预定的开挖路线获得的、以曲线图方式表示的勘探轮廓图；
图12是一与图11所示的勘探轮廓图相对应的、表示一估计的挖掘生产概况的曲线图；
图13是一具有非均质地下地质和一未知深埋物体的预定开挖场地的示意图；
图14是通常与一地面穿透雷达系统结合使用以提供二维地下地质成象的传统单轴天线系统的示意图；
图15图示了一种新颖天线系统，它包括多个以正交方式定向的天线，它们结合使用一地面穿透雷达系统以提供三维地下地质成象；
图16图示出一部分城市街道坐标方格和一挖掘机，该挖掘机配有一挖掘机数据采集和控制系统，以精确地测绘一预定的开挖场地；以及
图17至20以流程图方式概括出实施一种新颖的挖掘机数据采集和控制过程的各步骤。
最佳实施例的详细描述
新颖的挖掘机数据采集和控制系统及方法，通过对一特定开挖场地的地质、地球物理和地理位置信息的采集和处理，使挖掘效率和对计划开支的评估均有明显的提高和改善。一台挖掘机的工作最好是，根据采集到的勘探数据和从该控制机的操作者收到的输入指令而修改挖掘机操作参数而得以最佳化。通过在启动场地开挖之前提供对采集到的勘探数据的电脑分析，可明显提高对财力和与挖掘一具体场地有关的费用的估计的精度，从而可大大减小由于缺乏有关涉及的开挖场地地质上的详细信息和精确性而对用于该具体的挖掘计划的开支造成误评的风险。
一种新颖的挖掘机数据采集和控制系统及方法的诸优点和特点将结合一种称之为一履带挖掘机的特定类型的挖掘机加以讨论。但是，可以理解的是，一履带挖沟机仅仅表示一装备有下面要揭示的新颖的挖掘机数据采集和控制系统的挖掘机的许多实施例之一。因此，所揭示的新颖系统和方法的优点和特点并不局限于在一履带挖沟机上的应用。
现来看诸附图，尤其看图1。该图示意表示出十分适于结合使用一种新颖的数据采集和控制系统的挖掘机的一实施例。图1和2所示的一履带挖沟挖掘机通常包括一连接于右履带传动装置32和左履带传动装置34的发动机36，这两个传动装置共同组成该履带挖掘机30的牵引部分45。通常连接于该牵引部分45的正面的一挖掘附件46一般进行一种特种挖掘操作。
挖沟机链50或其它挖掘附件常用来以一合适的速度挖掘不同宽度和深度的沟渠。当挖沟机30绕着开挖场地运动时，该挖沟机链50通常是以一运输状态56保持在地面上方。在挖掘过程中，该挖沟机链50以一挖掘态势58放下穿透地面并以所需深度和速度挖沟。另一在已有技术中以滚轮命名的流行的挖掘附件以与该挖沟机链50类似的方式被控制。履带挖沟机30尤其适于沿一预定的挖掘路线有效地挖掘一条沟，以安装各种类型的管道和公用导管。
在图3中，表示了履带挖沟机30的主用户接口101。当以运输状态工作时，一般是通过扳动分别控制左、右履带传动装置34和32的启动用的左、右履带柄64和66来控制履带挖沟机30的驱动和方向操纵的。例如，将右履带柄66推向前，一般使右履带传动装置32沿一向前方向工作，随着相对于左履带传动装置34的相对速度的不同，操纵该履带挖沟机30朝左或右移动。通常通过将右履带柄66向后拉而使右履带传动装置32递转，从而使右履带传动装置32沿一相反方向工作。左履带传动装置34的驱动是以与前面所述关于右履带传动装置32的基本类似的方式实现的。如此，履带挖沟机30的驱动和方向操纵总的是用两履带柄64和66控制的。或者，该主用户接口101也可设计成可分别独立操作和驱动左、右履带传动装置34和32。
常希望在挖掘过程中使发动机36保持于一恒定的最佳的输出，这样，又可使附件46以一最佳挖掘输出值而工作。已有技术的控制面板通常包括多个控制钮和开关，其中包括速度范围开关、RPM(每分钟转速)钮、转向调整钮和推进调整钮。在通常的挖掘操作中，一般必须调节所有这些开关和钮，当遇到变化的附件46负载时使发动机保持在所需的输出值，并使履带挖沟机30转向所希望的方向。另外，一对左、右泵电位器一般需要进行调节和再调节以平衡左、右泵38和40的操作特性。
一种传统的履带挖沟机控制面板的明显的缺点涉及到一种条件，即操作者必须通过首先确定调节哪一个合适的开关，然后确定要调节多大，从而对发动机36负载的变化作出迅速反应。一般，调节推进调整钮可产生小的驱动变化。调节RPM钮则使履带挖沟机30的驱动值发生中等变化。为了使该履带挖沟机30的驱动值产生较大变化，则通常是将速度范围开关从一高设定值调到一个中等或低设定值，并再调节推进调整钮和RPM钮从而防止发动机36发生故障。
该新颖的数据采集和控制系统及方法则免除了连续手调和重调多个控制开关、钮和手柄的要求。代之以用一智能挖掘控制器(ECU)来连续监控将挖掘机各种功能转换为电信号的传感器网络，并处理这些和其它电信号以使该挖掘机的转向和挖掘操作最佳化，而挖掘机操作者只需作小小调整即可。一个增强型用户接口最好将相关的挖掘机操作信息以及地质和地理位置数据通过诸如液晶显示器或阴极射线管显示器的显示器传送给操作者。在用户接口上设置有键盘和其它手柄和开关，以与数据采集和控制系统联络，并控制挖掘机的工作。
                数据采集和控制系统
现在看图4，其中以系统方块图形式表示了一种新颖的数据采集和控制系统。一般说来，图4所示的系统，通过对有关特定挖掘场地的地质、地理和位置信息的采集并利用这些信息以提高挖掘效率，从而明显提高了挖掘机的工作性能。这些相关挖掘场地数据的采集大大减少了在开支预算和具体挖掘计划的日程安排方面的风险。地理位置数据的实时采集保证了对一挖掘区域的精确测绘，以精确标明例如安装在挖掘场地的被掩埋的诸管道和公用导管的位置和深度。这些和其它一些优点和特点是由下面要较详细讨论的新颖的挖掘机数据采集和控制系统及工艺所提供的。
现在仔细地看图4，该新颖的数据采集和控制系统的主要处理单元是一主控制器(MCU)250，它最好包括中央处理装置(CPU)264、随机存取存储器(RAM)266和非易失存储器286，如电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。MCU250最好包括合适的输入端口和输出端口以与采集各种数据并处理这些数据的数个其它子系统通信，并连接于一挖掘机的控制系统，以使挖掘过程得以调节和最佳化。主用户接口(MUI)101最好装在一安装于挖掘机的操作者座椅的附近，并提供一用于主控制器250的装置。挖掘机控制器(ECU)255与主控制器250通信并响应于从主用户接口101收到的操作者输入，以协同控制该挖掘机的工作。最好还设有一电脑或可编程控制器182用作挖掘机控制器255的一单元，以控制和调节挖掘机功能。
挖掘机的移动和方向最好由地理定位器(GPU)254监控和调节(如需要的话)。该地理定位器254最好包括一安装于该挖掘机的移动式转发器和一个或多个基准转发器。由地理定位器254的CPU270将由诸基准转发器产生的诸位置基准信号处理为诸如纬度、径度和高度数据的地理位置数据以及从一个或多个基准位置的位移数据。
该新颖的数据采集和控制系统的一个重要部分是一地理数据采集器(GDAU)256，它为一特定的挖掘场地采集各种地质和地球物理数据。在一实施例中，地球物理数据采集器256可从主控制器250分离开，以对一预定的挖掘场地作最初的勘探。进行了最初勘探后，最好将由地球物理数据采集器256采集的数据下载到主控制器250的RAM266或EEPROM268中。或者，最好将地球物理数据采集器256连接于挖掘机并直接连接于主控制器250，以在挖掘过程中实时采集地质、地球物理和位置数据。在另一实施例中，对一挖掘场地的最初勘探保证了相关的地质、地球物理和位置数据的采集，在完成最初勘探时这些数据被下载到主控制器250。一个船(或车)载地理数据采集器256最好包括那些在最初勘探中使用的诸单元，它提供了实时数据采集，该数据采集可结合从最初勘探中采集的数据使用，以使挖掘机生产性能最好。该地理数据采集器256最好包括一CPU276、RAM278和EEPROM280。
在使挖掘机的生产能力最佳，以及在估计一具体的挖掘计划的开支和财源时，在由地球物理数据采集器256采集的各种数据中，除了这样的地质学的物理特性外，在挖掘场地的专门地质学方面的数据尤其重要。一地质成象器(GIU)258最好与一球物理数据采集器256连接以提供有关挖掘场地特定地质学方面的信息。在该挖掘场地的与一特定地质学有关的多种地球物理学性能最好由地球物理特性器(GCU)260测定。一辅助用户接口(AUI)262最好连接于地球物理数据采集器256以局部观察集的数据和成象，并提供一种供操作者与地球物理数据采集器256通信的装置。该辅助用户接口262尤其适用于与一实施例相结合，在其中将地球物理数据采集器256从主控制器250脱开以对一挖掘场地进行最初的勘探。注意到：RS-232通信线提供了足够的带宽以使电子设备与该新颖的数据采集和控制系统的仪表之间进行有效的通信。
              地球物理数据采集器(GDAU)
如图5所示，该地球物理数据采集器256最好包括一地质成象器258与一地球物理特性器260。地球物理特性器260最好包括多个提供一特定挖掘场地的地质的物理特性的地球物理仪器。一地震测绘模块286包括一由多只地球物理压力传感器组成的电子装置。这些传感器组成的一网络相对于挖掘机沿着一特定方向设置，并设置得使与地面直接接触。该传感器网络测量挖掘机下面和由挖掘机开出的沟壁里产生的地面压力波。对由诸传感器网络收到的地面压力波的分析提供一个测定挖掘场地地下物理特性的基础。这种数据最好由地球物理数据采集器256的CPU276，或者由主控制器250的CPU264处理。
可用点位负载测试器288来测定挖掘场地地下的地球物理特性。该点位负载测试器285最好采用多个加载点用的锥形刀头，这些刀头又与地面相接触以测试一特定地表下层能经受一校正的负载值的程度，该点位负载测试器288采集的数据提供了与初被测试的土壤的地球物理力学相对应的信息。这个数据也可传送于地球物理数据采集器256以储存于RAM278或EEPROM280中。
地球物理特性器260最好包括一史密特锤290，它是一种测量一取样的地表下层地质的回弹硬度特性的地球物理仪器。也可用其它一些地球物理仪器以测量石头质量的相对能量吸收特性、耐磨性、石头容量、石头质量和其它合起来可提供与挖掘一种既定地质有关的相对困难有关的一些物理特性。由史密特锤290采集的数据也最好储存在地球物理数据采集器256的RAM278或EEPROM280中。
地质成象器258最好包括一地面穿透雷达系统(GP雷达)282和一天线系统284。GP雷达系统282与天线系统284共同将源电磁信号传入一挖掘场地的地表下层。该源电磁信号穿过地表下层并被反射返回到天线系统284。被天线系统284接收的反射源电磁信号经GP雷达系统282放大并调整。在一实施例中，由GP雷达系统282处理过的模拟反射源电磁信号最好由一量化器281作数字化和定量处理。在另一实施例中，一数字化GP雷达系统282进行反射源电磁信号的模-数转换。由地质成象器258采集的数字化的雷达数据最好贮存在地球物理数据采集器256中的RAM278或非易失EEPROM280存储器中。
现在看图6，图示了从一使用传统单轴天线系统284的GP雷达系统282采集的典型的地质成象数据的附图。在图6中绘制出在一测试场地采集的GP雷达系统282数据，该场地是在砂质土壤中有五个埋在约1.3米深处的人为障碍物，并在深度约4至5米处有一水表(watertable)。注意到：图6所示的数据是通常使用一Pulse EKKO 1000系统后获得的数据的代表，该系统使用了传统的单轴450兆赫中心频率天线，是由传感器与软件股份有限公司制造的。适用于此用途的其它GP雷达系统282包括由地球物理勘探系统股份有限公司制造的SIR系统-2和系统-10A以及由GeoRader股份有限公司制造的1000B型STEPPED-FM地面穿透雷达。
图6中所示的每个下埋的障碍物均伴有一特征的双曲线形时间-位置曲线。该特征双曲线的顶点指出被埋的障碍物的位置和深度。从图6的曲线可看出：每个被埋的障碍物位于地表面下约1.3米处，相邻两个障碍物之间的水平间距约5米。图6中所示的GP雷达系统282数据表示了使用传统单轴天线系统采集的地质成象数据，因此，只提供正被勘探的地表下层的二维表现。正如下面要详细讨论的，包括多个以正交方式排列的天线的一新颖的天线系统284能对一特定挖掘场地的地表下层地质有更佳的三维观察。
                       地理定位器(GPU)
现在转向图7。图7详细表示出一地理定位器254，它提供挖掘机在一挖掘场地上的位置、移动和方向的地理位置信息。在一实施例中，该地理定位器254连通于一个或多个外部基准信号源以确定挖掘机相对于一个或多个已知参考地点的位置的信息。挖掘机在一特定挖掘路线上的相对移动最好由地理定位器254的CPU270测定，并作为位置数据储存在RAM272或EEPROM274中。
在另一实施例中，对一预定挖掘路线的地理位置数据最好在开挖前采集。这种位置数据可上载到一导航控制器292，该控制器292与主控制器250和挖掘机控制器255共同使用以提供象自动领航的控制和挖掘机在预定挖掘路线上的移动。在另一实施例中，由地理定位器254采集的位置数据最好连通于一路线测绘数据库294，该数据库储存有一既定挖掘场地的位置数据，诸如城市街道的坐标方格或一高尔夫场地，在此地下埋有许多公用导管、通信导管、自来水管道和其它导管。储存在路线测绘数据库294中的数据可接着用于绘制一勘探地图，在该图上精确标明了埋在一指定挖掘区内的各种公用导管的位置和深度。
在一实施例中，应用全球定位系统(GPS)296为地理定位器254提供位置数据。按照美国政府计划要在三条轨道上部署二十四颗通讯卫星，将它称之为全球定位系统(GPS)或NAVSTAR，从一颗或多颗GPS卫星发射的许多讯号可简接用来确定挖掘机相对于一个或多个已知参考地点的位置位移。总的可理解的是，美国政府GPS卫星系统提供一保留或保护频带和一民用频带。一般，保护频带可提供具有精度可达约一至十英尺的高精度定位。但是，保护频带通常只保留于军用和政府监视目的，并以这样一种方式作调制，即使它实际上不为民间用途所使用。该民用频带经调制明显减少其在高精度应用方面的使用性。在多数应用方面，使用民用频带时的定位精度通常约一百至三百英尺。
但是，民用GPS频带通过使用一个或多个民用GPS讯号并结合一个或多个地面参考信号源，能间接用于较高精度的用途上。通过使用多种已知的、通常称作为差分全球定位系统(DGPS)信号处理技术的信号处理技术，定位精度可达到1英尺或更小的数量级。如图7所示，全球定位系统296使用与由至少两个基站转发器(base transponder)304产生的信号合作的、由至少一颗GPS卫星产生的一个信号(尽管使用一个基站转发器304在有些用途上是可以满足的)。将使用一个或多个基站转发器304的差分全球定位信号与一GPS卫星信号302以及一安装在挖掘机上的移动式GPS接收器303一起拓展应用的各种已有的方法，可被用来通过使用一GPS卫星信号源，精确地判定挖掘机相对于基站转发器304诸参考地点的移动。
在另一实施例中，通过使用一测距雷达系统(range radar system)298可应用一地面定位系统。该测距雷达系统298最好包括多个基站射频(RF)转发器306(base radio fregueancy transponder)和一安装于挖掘机的移动式转发器308。诸基站转发器306发射由移动式转发器308接收的RF信号。该移动式转发器308最好包括一计算机，通过多种已知雷达技术该计算机计算移动式转发器308相对于每个基站转发器306的距离，然后计算出其相对于所有基站转发器306的位置。由测距雷达系统298采集的位置数据最好储存在地理定位器254的RAM272或EEPROM274中。
在另一实施例中，可结合诸基站转发器310和安装于挖掘机上的移动式转发器312使用一超声波定位系统300。该基站转发器310发射被移动式转发器312接收的、具有一已知的时钟时基(clock timebase)的信号。移动式转发器312最好包括一计算机，该计算机通过参考源超声波的时钟速度(clock speed)计算出移动式转发器312相对于每个基站转发器310的距离。该移动式转发器312的计算机也计算该挖掘机相对于所有基站转发器310的位置。可理解的是，各种已知的地面和卫星定位系统可用来精确测定挖掘机沿着一预定挖掘路线的移动情况。
                   挖掘机控制装置(ECU)
现在看图8，表示了一挖掘机控制器(ECU)255的系统方块图，该控制器连通于主控制器(MCU)250以协调挖掘机的工作。按照图1和2图示的履带挖沟机30的一实施例，左履带驱动装置34通常包括一与左履带电动机42相连接的左履带泵38，右履带驱动装置32通常包括一与右履带电动机44相连的右履带泵40。左右履带电动机传感器198和192最好分别连接于左、右履带电动机42和44。驱动力来自发动机36的左、右履带泵38和40最好能调节流向左、右履带电动机42和44的油量，又保证了左、右履带传动装置34和32的驱动。挖掘附件46最好包括一附件电动机48和一附件控制器98，附件46最好从发动机36获得动力。传感器186最好连接于附件电动机46。传感器198、192和186分别监控着左履带电动机42、右履带电动机44和附件电动机48的驱动。由传感器198、192和186产生的输出信号传给计算机182。
响应于分别由转向控制器92和驱动控制器90产生的转向和驱动控制信号，计算机182将通常为控制电流形式的控制信号传给左、右履带泵38和40，又调节左、右履带电动机42和44运转的速度。左、右履带电动机传感器198和192将履带电动机传感信号传给显示左、右履带电动机42和44的实际速度的计算机182。类似地，连接于发动机36的一发动机传感器208将一发动机传感信号传给计算机182，如此，就完成了对一履带挖沟机30的牵引传动部分45的闭环控制系统。熟悉该领域的技术人员将认识到：许多已有计算机结构将有一适用的平台，用于根据由驱动和转向控制钮90和92产生的驱动和转向信号实现履带挖沟机30的驱动和转向操作的变化。
履带挖沟机30的挖掘附件46部分包括一附件电动机48、附件控制器98及至少一附件传感器186。附件电动机48最好响应从计算机182传到附件控制器98的指令。附件电动机48的实际输出是由附件传感器186监控的，它产生一附件传感信号由该计算机182接收。
在一实施例中，左、右履带电动机传感器198和192是一种在已有技术中通常称作为磁脉冲传感器(magnetic pulse pickup)或PPUs的传感器。PPUs198和192将履带电动机旋转转变为一系列连续的脉冲信号，其中，该脉冲列最好表示出以每分钟转数作测量时的履带电动机旋转频率。当选用前进的移动方式后，驱动控制器90最好产生一个移动驱动控制信号，该信号是通常以每分钟转数被测定的左、右履带电动机42和44的目标速度。移动驱动信号向目标履带电动机速度的转换是由驱动控制器90本身或最好由计算机182实现。计算机182通常将分别由左、右PPU传感器198和192产生的左、右履带电动机传感信号与由移动驱动信号表示的目标履带电动机驱动值作比较。计算机182响应比较结果将合适的泵控制信号传给左、右履带泵38和40，以补偿在实际的和目标履带电动机驱动值之间的任何偏差。
显示器73连接于计算机82，或连接于主控制器250，并最好将显示操作状态、诊断、校正、故障、安全性的信息和其它有关信息传给操作者。借助于计算机182的解释能力(interpretive power)显示器73将快速、精确而易懂的信息提供给操作者，该计算机182采集和处理来自多个履带挖沟机传感器和许多地质仪器和地球物理仪器的数据。例如，地质成像数据和有关的地球物理信息均可见地显示在显示器73上。另外，有关挖掘机沿着一预定的挖掘路线行进时的位置的信息，以及由地理定位器254接收到的信号质量信息，均显示在显示器73上。在主用户接口101上还设有一键盘75以使操作者与挖掘机控制器255和主控制器250联络。
                      主控制器(MCU)
现在看图9，图中表示了多种数据库和软件的方块图，这些数据徊和软件是在存取和处理与勘探和挖掘一选定的挖掘场地有关的地质、地球物理、位置和运行数据时由主控制器(MCU)250采用的。由地球物理数据采集器256采集的数据最好例如储存在数据库326中，该数据库包括GP雷达数据库328、地质滤波数据库(filter datebase)330和地球物理数据库332。如前讨论的，GP雷达系统282数据最好以一种适于和储存在其它系统数据库中的数据相关的数字方式作数字化处理并储存在GP雷达数据库328中。下面要详细讨论的地质滤波数据库330包括使GP雷达数据与相应的储存在挖掘操作数据库324中的挖掘机生产数据相关而产生的滤波数据。相关和优化软件320进行GP雷达数据与实际的挖掘机生产数据的相关，以形成一列可调的地质数字滤波器，这些滤波器能被实时采集的地质成象数据有效地复盖以排除或“滤出”核实的地质数据，由此留下代表一个或多个埋着的障碍物的未核实的成象。通过进一步说明，一特定型的土壤产生一特征返回雷达成象，该成象能与挖掘机控制器255采集的挖掘机生产数据相关。例如，挖掘花冈岩产生一个能与许多挖掘机操作参数，诸如挖掘附件电动机48速度、发动机36负载和左或右履带电动机42和44速度变化等相关的特征返回雷达成象。
最好能在挖掘机操作参数基础上计算出“挖掘困难”参数或整套参数。“挖掘困难”参数然后与对应于特定地质如花冈岩的、特征的反回雷达成象数据相结合。最好对一宽范围的土和石头算出一列“挖掘困难”滤波参数和有关的反射雷达成象数据值并储存在地质滤波数据库330中。
挖掘统计数据库316最好接收来自相关和优化软件320的数据档案，并编集统计数据以相对于专门地质。维护和设备变量反映实际的挖掘机产生情况。在一实施例中，在一预定的挖掘路线的最初勘探中，GP雷达数据和地球物理数据地由球物理数据采集器256采集。在挖掘该预定的路线之前，这个数据最好上载到挖掘统计数据库316。在采样地质方面根据过去的挖掘产生情况可把储存在挖掘统计数据库316中的数据看作生产估计。
主控制器280也操纵ECU控制软件318，即接收来自相关和优化软件320的数据档案和从主用户接口101收到的输入指令。ECU控制软件318编集了用于在预定的挖掘路线中操作挖掘机的一种现行的操作标准。如果从主用户接口101收到的输入数据导致在操作标准上的变更，ECU控制软件318计算传给主控制器250和挖掘机控制器255的变更的挖掘机操作指令，接着响应变更的操作标准修改挖掘机的操作。
一维护记录存储器314最好包括非易失存储器以储存各种挖掘机维护信息。一消逝时间指示器最好包括在维护记录存储器314中，它指出该挖掘机共计消逝的操作时间。在最好储存在该维护记录存储器314中的预定操作时间值时，主用户接口101提醒操作者要进行计划中的维护工作。对按计划的维护的验证、维护种类、维护日期和其它有关的信息最好经过主用户接口101作为永久性储存输入到维护记录存储器314中。在一实施例中，该维护存储器314最好包括一张工厂指定的操作值和有关标定的挖掘机操作的操作值范围的表格。与每一操作值和诸值范围有关的是一状态计数器，每当发生挖掘机操作超出规定的值或值范围的情况时，该计数器就增大一次。状态计数器信息在评价挖掘机超出工厂指定的操作范围的程度方面是有用的，当决定保证性维护工作的适当性时它更为有用。
                  地质勘探和成象
在一般的操作中，如图10所示，最好使用地理定位器254和地球物理数据采集器256最初对一预定挖掘路线进行勘探。在一实施例，地理定位器254和地质数据采集器256设在一沿着预定的挖掘路线被一车辆342拉着的运输车340上。在图10所示的图示实例中，挖掘路线是一条农村道路，在路下安装有一公用管道。当运输车340被沿着道路344拉动时，从地质成象器258收到的数据被采集起来以确定道路344地表下层的土壤性质。同时，当车辆342和运输车340横过道路344时，由地理定位器254将地理位置数据收集起来。这样，从地质成象器258获得的专门的地质数据可沿着道路344与各专门的地理位置相关。
地质成象器258最好包括GP雷达系统282，该系统通常经校正以穿透一与所需的挖掘深度有关的预定深度。随着不同的预定挖掘深度，沿着该预定的挖掘路线将会遇到各种土壤和石头。如图10所示，一层紧挨在道路344之下方的道路底346具有一特征地质分布图GP1和一相应的地质滤波分布图GF1。如前面讨论的，后一张分布图表示出挖掘生产情况数据与一种特定的土壤反射的雷达成象数据的相关性。当运输车340横过道路344时，对各种土壤和地表下层结构，如砂层354、石子层352、底岩层350和自然土层348均作了探测，每一层有一相应的特征地质分布图和地质滤波分布图。
完成最初的勘探后，最好将采集并储存在地球物理数据采集器256和地理定位器254中的数据下载到另外的个人电脑(PC)252中。该PC252最好包括挖掘统计软件和一有关的数据库316以使采集到的勘探数据与过去的挖掘机生产性能数据相关，以在勘探路线上对意料的挖掘机性能作出估计。该性能估计还可被用作一个基础，用于根据实际的地质数据和过去的生产性能数据计算出挖掘一特定区域所需的时间和开支。
完成最初的勘探之后，地球物理数据采集器256最好在沿着勘探路线启动挖掘之前连接于挖掘机上的主控制器250。在挖掘过程中，如前面讨论过的，包含地质、地球物理、位置和挖掘机操作特性数据的许多数据库被主控制250进行了处理。当挖掘机沿着勘探的路线横过并挖掘时，主控制器250与挖掘机控制器255共同调节该挖掘机的工作，使挖掘得以优化。
现在看图11，表示了通过沿着一预定的挖掘路线运输地球物理数据采集器256和地理定位器254而获得的勘探分布图。要注意的是：在这个图例中，挖掘路线的长度是地点L0与地点L5之间的距离。预定的挖掘路线的相应的估计的挖掘生产分布图表示在图12中。
详细看图11。在地点L1、L2、L3和L4能观察到地表下层的地质特征的不同变化，这些变化与沿着勘探分布曲线图的Y轴线给出的“挖掘困难”参数的相应变化有关。例如，在地点L0与L1之间，地表下层的地质分布图GP1362与一相应的挖掘困难参数D1有联系。L1处的地质成象数据指明了在地表下层地质的一个向土壤的过渡区，该过渡区有一GP2364的地质分布图和一相应的挖掘困难数据D2，这样就指出了向较软的土壤的过渡区。
图12中所示的估计的挖掘生产分布图数据指出从最初的生产分布图PP1372向另一个在地点L1的生产分布图PP2374的相应的过渡区。要注意的是，沿着该挖掘生产分布曲线图的Y轴画出了挖掘速率。根据地点L0与L2之间的地表下层地质特征的勘探分布图数据，能看出：在地点L0与L1之间的部分预定的挖掘路线估计出最初的挖掘速率R1，而在挖掘点L1与L2之间，由于与地质分布图GP2364有关的挖掘困难参数D2较低，故使挖掘速率R2得以提高了。可看出：在一特定的挖掘困难参数与其相应的估计的挖掘速率参数之间存有一类似的关系。
一般说来，增大幅值的挖掘困难参数与相应的减少幅值的挖掘速率参数有联系。这种概括说是相反的关系反映出这样的实际结果，即挖掘较硬的土如花冈石，导致挖掘速率较低，而当挖掘较软的土如砂土，则使挖掘速率较高。还注意到：与每一特定的地质分布图(GPx)和生产分布图(PPx)有联系的，有一相应的挖掘时间，如与地质分布图GP1362和生产分布图PP1372有关的挖掘时间T1。这样，通过将从T1到TN的每个挖掘时间相加，就可得到对一特定的预定路线所需的总的估计的挖掘时间。
与在挖掘路线地点L3与L4之间的地质分布图GP4368有联系的图11的勘探分布图数据表示出在这一位置是不连续的。相应于这一部分预定挖掘路线的图12的挖掘生产分布图数据表明：在挖掘速率估计上有一相应的断续处，是转向零。对这一部分预定挖掘路线的数据表明存在十分坚固的土，或很可能是一人造的障碍物，如混凝土或钢管。可担保对指定区域的进一步调查和勘探，从而要求除去障碍物或修改预定的挖掘路线。
对一特定长度的预定挖掘路线的较真实的地质分布图表示为在挖掘路线点L4与L5之间画出的地质分布图GP5370。这一地质分布图的挖掘困难参数产生一平均参数D5。因此，在挖掘这部分预定路线时，平均挖掘速率R5是适当的。或者，与生产分布图PP5380有关的挖掘速率可由挖掘控制器255调节，以根据挖掘困难方面的这种波动性使挖掘速率得以优化。可以理解的是，挖掘机响应于挖掘速率方面的这种波动性的能力通常受制于许多机械和操作的限制。
现在看图13，表示了在一具有预定距离Ls的预定挖掘路线上的不同类土壤的非均质组成。例如，在区域1中的土壤有一地质分布图GP1和一相应的地质滤波分布图GF1。表示在图13中的每种其它类土壤有一相应的地质分布图和地质滤波分布值。假设对于图13中所示的每个区域1，2，3和4，地质滤波数据库330包含有地质滤波数据。由地球物理数据采集器256进行的新颖障碍物探查方法的明显优点关系到快速探测一未知被埋的结构物401存在的能力。由主控制器250实施的相关和优化软件320最可取地使用一相应的已知地质滤波分布图(geologic filter profile)滤出已知的地质，以从与一勘探扫描成象有关的数据中排除已知或核实的地质数据。滤出或排除该已知或核实的地质数据导致只是未核实的被埋结构物401的形象。通过从地质成象勘探扫描数据中排除已知的地质数据，就能清楚识别出未知的或推测的被埋结构物。
现在看图14，表示了与一地面穿透雷达系统结合使用的传统的天线结构。一般说来，当企图确定一潜在的被埋障碍物386时，可使用一单轴天线，如图中所示的、沿Z轴定向的一个天线A382，以沿多条通路384进行勘探。一般说来，地面穿透雷达系统具有时间测量能力，该种能力能测出信号从发射机输出后经目标反射再返回到接收机所经历的时间。为了测量到一地表下层物体或地层(horizon)的距离，这种时间功能能被校正为专门的地表下层条件的速度。可用一些计算来将这个时间值转换为一距离值，该距离值根据对诸特征性土壤性质，如不导电性和通过一特定类型土壤的波速度的现场测定值表示目标物的深度。在校正一特定地面穿透雷达系统的深度测量能力时能使用的一种简单的技术包括取出目标样品芯料和测量其深度，它涉及到波传播所需的几毫微秒时间。
在地面穿透雷达系统的时间功能能力为操作者提供了深度信息后，该雷达系统就沿水平(X)方向横移，如此，就构成地表下层的二维分布图。通过在一特定场地上沿一系列平行路线384进行多路线勘探，就可确定出一埋着的障碍物386的位置。然而，能意识到的是：传统的天线结构382的两维成像能力能导致错过一埋着的障碍物386，尤其当该障碍物386平行于勘探通路384的方向时更如此。
一种新颖的地质成像天线结构284的明显优点提供了地表下层的三维成象(如图15所示)。最好以正交方式设置一对天线，即天线-A388和天线-B390，以保证对一埋着的障碍物386作三维成象。要注意的是，如图6所示的通过使用传统的单轴天线的两维方式中，特征的双曲线时间-位置数据分布将被绘成三维双曲线面形状，将提供一探测出的埋下的障碍物386的长、宽和厚度尺寸。还要意注的是，如一根与勘探路线392平行的排水管之类的埋下的障碍物386将立即被三维成象GP雷达系统282探查出来。在地质成象器258的天线系统284中最好采用几对正交取向的发射和接收天线。
                  挖掘场地绘图
现在看图16，表示了一个正沿一城市街道方格422的声调街道420进行挖掘操作的挖掘机410。该挖掘机410新颖的地理定位器254的一个重要优点是沿一预定的挖掘路线，如城市街道420准确地行驶的能力，以及在与该地理定位器254相连的路线测绘数据库942中精确地绘制出挖掘路线的能力。希望开始勘探一城市街道方格422，以便为构成例如城市街道方格422的每条能适用的城市街道420准确地建立一条挖掘路线。
这个数据最好加到地理定位器254的行驶控制器292中。
当该挖掘机410沿着为每条城市街道420限定的挖掘路线前进时，实际的位置数据由地理定位器254采集并储存在路线测绘数据库294中。同储存于行驶控制器292中预定挖掘路线的任何偏差被准确地记录在路线测绘数据体294中。当完成了挖掘工作时，储存在路线测绘数据库294中的数据可下载到一PC252中以构制该城市街道方格422的一“正在建筑”挖掘地图。
因此，沿着挖掘路线安装的公用或其它管道的精确的勘探地图可用路线测绘数据绘制，并接着供给想要到达或避开埋下的管道的工人们作参考。可以理解的是，如图16所示的、为了安装公用管道而挖掘一条或多条城市街道的情况是提供作说明之用，而并不构成对该新颖的挖掘机数据采集和挖掘系统的地理定位和路线测绘能力应用的限制。
仍然参阅图16，正如前面结合图7讨论的，准确的行驶和一规定挖掘路线的测绘是由全球定位系统296、测距雷达系统298或超声波定位系统300完成的。采用GPS296结构的挖掘机数据采集和控制系统最好包括第一、第二基站转发器404和408以及从相应数量的GPs卫星302收到的一个或多个GPS信号。最好用安装在挖掘机410上的移动式转发器402来接收GPS卫星信号412和分别从基站转发器404和408发射的基站转发器信号414和418。正如前面的的，差分GPS定位技术的一种修改形式可用来将定位精度提高到1英尺或更少些。
在另一实施例中，地面测距雷达系统298包括三个基站转发器404、408和406以及一安装于挖掘机410的移动式转发器402。要注意的是，在GPS卫星信号412发射突然停止的情况下，可用第三地面转发器406作为采用GPS卫星信号412的系统的后备转发器。位置数据最好由使用从三个地面雷达转发器404、406和408收到的三个参考信号414、416和418的地理定位器254处理并储存。采用超声波定位系统300的一实施例类似地采用了三个基站转发器404、406和408以及一安装于挖掘机410的移动式转发器402。
              挖掘机数据采集和挖掘方法
现在看图17-20，以流程图形式表示出了关于新颖挖掘机数据采集和控制系统和方法的概括的方法诸步骤。如图17所示，一开始，在步骤500，将数个地面转发器设定在沿一预定挖掘路线的数个合适的地点。然后，在步骤502，将地球物理数据采集器256和地理定位器254设定在该挖掘路线的初始地点L0。接着，在步骤504，初始化或校正地质成象器258、地球物理表征器260和地理定位器254。初始化后，在步骤506、508和510，沿着挖掘路线运输地球物理数据采集器256和地理定位器254，在此期间就采集了GP雷达、位置和地球物理数据。在步骤512，由GP雷达系统282采集的数据最好将其数字化和量化。在步骤516，继续数据采集，直至在步骤518时到达了挖掘路线的尽头。然后，将采集的数据最好下载到PC或直接送入主控制器250。
如图18所示，在步骤530，最好对在挖掘路线勘探期间采集的数据操作挖掘统计软件。在步骤253，将过去的挖掘机生产数据从挖掘统计数据库316传送给PC252。采集的数据也载入该PC。在步骤536，挖掘统计软件对采集的GP雷达数据与过去的挖掘机生产数据作相关处理(correlation)。
在一实施例中，通过使用许多已知的矩阵处理技术实现GP雷达数据与过去的挖掘机生产数据之间的相关处理。在步骤538，最好通过使地质成象数据(IDx)与相应挖掘机生产数据(PDx)相关，产生出过去的生产数据矩阵。产生出一相关值(correlationvalue)(CVxx)以对应于每对地质成象数据和生产数据参数。例如，相关值CV22是与一在地质成象数据参数ID2与挖掘机生产数据参数PD2之间的统计相关性有关的一个相关值。与每个地质成象数据参数有关的是一有关的时间参数和地点参数据，如与地质成象数据参数ID1有关的T1和L1。可以看出：与多个地质成象数据和生产数据参数对有关的诸相关值能根据沿着一预定挖掘路线的时间和位置增量而产生。
在步骤540，在挖掘路线上采集了实际的地质成象数据，并最好根据相应的诸离散的时间和地点距离增量处理为一离散的地质成象数据的矩阵。在步骤542，在步骤538和540产生的诸矩阵经处理后产生一相关矩阵，在该矩阵中的一个估计计划的生产数据参数(PDxx)与一对相应的实际地质成象数据(IDx)和相关值(CVx)参数对发生联系。例如，一估计的生产数据参数PD3与实际的地质成象数据参数ID3和相关值参数CV3有联系。要注意的是，每个估计的生产数据参数是与相应的时间和距离地点增量发生关联的。
如图19所示，在步骤550时，对一特定的挖掘路线计算出估计的生产性能参数。挖掘整个挖掘路线所需的总的估计时间(ETT)能通过将从T1到TN的逐个时间增量相加而估计出来。挖掘预定挖掘路线所化的操作费用能通过将与沿着路线的每个部分有关的操作费用相加即可确定出来。估计的劳力开支(LCT)能通过将总的估计的挖掘时间(ETT)与总的每小时人力开支相乘而估计出来。通过将和与挖掘整个路线有关的所有的生产费用与劳力费用相加，即可估算出总的开支(GTE)。
在步骤552，计算出估计的挖掘机操作参数。对于在例如参考地点L0与L1之间限定的挖掘路线部分，估计的生产数据可指明每分钟125英尺的最佳左履带速度(VL)和每分钟125英尺的右履带速度(VR)。另外，估计的生产数据可建议约每分钟110转的最佳挖掘附件速度和每分钟2250转的目标发动机速度。要注意的是，分别为每分钟125英尺的左和右履带速度VL与VR表示的是挖掘机沿着挖掘路线直线行驶时的情况。
可看出的是，沿着在地点L1与L2之间限定的挖掘路线指明了：由于每分钟230英尺的左履带速度VL大于每分钟150英尺的右履带速度VR，所以该挖掘机是朝右方向转弯的。另外，还指明的是，挖掘附件速度一到每分钟130转，而目标发动机速度增大到每分钟2400转。这样，表明了在地点L1与L2之间限定的区域中的土壤较软。沿着在地点L2与L3之间限定的挖掘路线，表明了该挖掘机又是直线行驶，而速度较低，为每分钟60英尺。这样，表明了地表下层土壤较硬。由于挖掘机速度较慢，显示的相应的挖掘附件速度也较慢，为每分钟100转，目标发动机的速度也较低，为每分钟2100转。
在步骤560时(如图20所示)，在步骤552产生的估计的挖掘操作参数被载入主控制器250中。在步骤562时，在参考地点L0处开始挖掘。在步骤564时，主挖掘器250监产着挖掘机操作参数，而超范围(out-of-range)状态记录在维护记录存储器314中。在步骤568，挖掘机控制器255将实际的生产性能参数采集并传送给主控制器250。在步骤570，从主用户接口101收到的任何输入也被送到主控制器。正如在步骤572测试的，如从挖掘机控制器255收到的实际的生产性能参数与估计的挖掘机操作参数间相差一预定量，则在步骤574处主控制器250使估计的参数优化，而在步骤576处将经优化处理的参数发射给挖掘机控制器255以使挖掘机操作产生必要的变化。在步骤578时，挖掘继续，而到了步骤580时就挖到了预定挖掘的的尽头位置，此后，在步骤582处结束挖掘工作。
当然，只要不离开本发明的范围或精神，可对上面讨论过的诸最佳实施例作出一些修改和补充，这是可以理解的。因此，本发明范围并不受上述诸最佳实施例限制，仅仅由下面提出的权利要求和揭示的诸实施例的各种等价物所限定。

Claims (12)

1.一种用于有一地面穿透件的机器的数据集合和控制系统，该机器包括用于沿一预定路线驱动该机器的驱动装置，该系统包括：
一地质信息采集器，用于沿着预定的路线采集地质信息，该地质信息采集器包括一信号处理器以产生一指向预定路线的地表下层的地面穿透源信号并接收来自该地表下层的反射信号；
一机器控制器，用来控制驱动装置的操作；以及
一主控制器，用来接收来自地质信息采集器的地质信息和来自机器控制器的操作信息；
其中，主控制器响应地质信息和操作信息而估计机器性能参数，该机器控制器响应估计的机器性能参数而修改驱动装置的操作。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，信号处理器连接于两按正交关系定向的天线以发射通过地表下层的地面穿透源信号并接收来自该地表下层的反射信号。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一连接于地质信息采集器的显示器，以使用反射信号显示该地表下层的一成象。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一连接于主控制器的地理定位器，以确定该机器沿着该预定路线的位置，其中的主控制器使采集的地质信息与从地理定位器收到的位置信息相关，以产生估计的机器性能参数。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，地理定位器包括一安装于该机器的全球定位系统转发器和多个地面转发器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一连接于地质信息采集器的地质表征装置以确定地表下层的物理特性。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器连接于一含有对应于已知地质的地质滤波信息的存储器；以及，该主控制器使用地质滤波信息滤出采集的地质信息，以除去对应于已知地质的采集的地质信息的内容。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器连接于一含有过去的机器性能数据的存储器；以及，机器控制器响应于估计的机器性能参数和过去的机器性能数据而修改驱动装置的操作。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括测绘装置，用来测绘预定的路线和在挖掘期间该机器相对该预定路线的偏离。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，它还包括行驶装置，用来使用一预定路线图行驶该机器。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，地质信息采集器包括一可分离地啮合于一与主控制器相连接的配对接头的接头。
12.一种用于表征一预定路线的地表下层地质和控制具有一地面穿透件的机器的方法，该方法包括如下诸步骤：
沿着一预定的路线运输一地质信息采集系统；
使用该地质信息采集系统对该预定的路线采集地质信息；以及当地面穿透件横过该预定路线时，响应采集的地质信息修改该机器的操作。
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