專利名稱：建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于建筑工地中所使用的多種機(jī)械的控制系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種用于建筑機(jī)械的控制系統(tǒng)，它包含一具有結(jié)合在一起的一旋轉(zhuǎn)的激光裝置和一光探測器的高度測量裝置，并且還具有一與GPS接收器配合使用的水平二維位置測量裝置。
現(xiàn)有技術(shù)為了使用平地機(jī)和推土機(jī)找平或者修整用于布置住宅區(qū)和鋪路的地面，需要一能夠確定該機(jī)械在水平面中的位置，以及所需找平的地面高度的系統(tǒng)。近年來，已經(jīng)研制了一種建筑機(jī)械控制系統(tǒng)，其中GPS系統(tǒng)確定建筑機(jī)械在水平面中的位置，而旋轉(zhuǎn)的激光裝置確定建筑物下面地形的高度，以便控制該建筑機(jī)械。在這種系統(tǒng)中，該旋轉(zhuǎn)的激光裝置預(yù)先確定一參考高度，在此之上操縱該建筑機(jī)械。
參照圖47，現(xiàn)在將描述現(xiàn)有技術(shù)的建筑機(jī)械系統(tǒng)。在圖47中，表示出將該系統(tǒng)應(yīng)用于推土機(jī)中。建筑機(jī)械控制系統(tǒng)900包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置951和一其中安裝有一激光探測器907的推土機(jī)902。該旋轉(zhuǎn)的激光裝置951處于設(shè)置在適當(dāng)位置上的三角架903的頂端。該旋轉(zhuǎn)的激光裝置951水平發(fā)射激光束904，使激光束904進(jìn)行圓掃描，以限定一激光束的參考平面。
用于找平和整形地面的推土機(jī)902，具有一與之固定并可垂直移動的推土鏟905。高度探測器907固定到與推土鏟905相連的桿906上。該水平探測器907接收旋轉(zhuǎn)的激光裝置905發(fā)射的激光束904，然后檢測高度探測器907的當(dāng)前高度。推土機(jī)902包括一控制裝置(未示出)。該控制裝置(未示出)從高度探測器907得到所探測的高度，然后在所獲得的高度的基礎(chǔ)上計(jì)算推土鏟905的高度，將推土鏟905向上或向下調(diào)節(jié)到所需的高度。
正如已經(jīng)描述的，激光束904限定了水平參考平面，從而，控制該水平參考平面與推土鏟905的邊緣905a之間的距離，使其保持不變，能將該地面推平。改變水平參考平面與推土鏟邊緣905a之間的距離，還可能將地面找平成臺階地形。
參照圖48，將描述推土機(jī)在水平面中位置的確定。為了確定推土機(jī)902在水平面中的位置，使用GPS。首先將GPS基地天線908放置在一已知位置。將另一GPS天線909安裝在推土機(jī)902上。GPS基地天線908從人造衛(wèi)星910接收無線電波，探測該GPS基地天線908自身的位置。同樣，GPS天線909從人造衛(wèi)星910接收無線電波，探測GPS天線909自身的位置。比較探測結(jié)果，計(jì)算GPS基地天線908與GPS天線909的相對位置。使用GPS基地天線908的已知位置和計(jì)算出的相對位置，進(jìn)一步計(jì)算該推土機(jī)902的位置。在所得到的推土機(jī)902的位置的基礎(chǔ)上，在所需的范圍內(nèi)完成找平任務(wù)。
一般，使用不止一個建筑機(jī)械來找平同一區(qū)域，除非該建筑工地的尺寸相當(dāng)小。正如通常的情形，建筑機(jī)械同時向上或向下找平地面，產(chǎn)生了處于不同高度的部分。在這種情形中，建筑機(jī)械應(yīng)該分別操作其各自的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，來檢測高度。不止一個旋轉(zhuǎn)的激光裝置的同時啟動導(dǎo)致安裝在一個建筑機(jī)械上的高度探測器識別一應(yīng)該由另一建筑機(jī)械接收的錯誤的激光束，導(dǎo)致建筑機(jī)械的并非想要的操作或者故障。
為了同時控制不止一個建筑機(jī)械，使之沒有不需要的操作或者故障，需要使用單個旋轉(zhuǎn)的激光裝置來調(diào)整高度設(shè)置。不過，使用單個旋轉(zhuǎn)的激光裝置對不止一個高度進(jìn)行高度設(shè)置，該旋轉(zhuǎn)的激光裝置必須在單個圓掃描中向各個建筑機(jī)械接收器發(fā)射可變高度的激光束。在現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)的激光裝置中，以每分鐘幾百轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)的照射器發(fā)射激光束，限定一參考平面和一參考線。幾乎不可能調(diào)節(jié)該照射器的垂直位置，使它在這種高速操作過程中以各個不同的高度沿不止一個方向發(fā)射激光束。因此，這依然不是簡單地用單個旋轉(zhuǎn)的激光裝置使不止一個建筑機(jī)械受到控制，并且在彼此不同的高度分別找平地面的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)。
在實(shí)際的找平任務(wù)中，地面可以初步找平，有時，要求將最初傾斜的地面平整到某種程度。另外，常常想要產(chǎn)生人為的傾斜，以對地面排水，并且在鋪路時，故意將地面的最初幾何形狀開掘成合理的坡度或者整形成對地面排水所需的斜面。在傳統(tǒng)的找平工作中，在由建筑機(jī)械控制系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)過找平的地面之后，進(jìn)行地形測量，將地面整形成所需的斜面。
在將地面初步找平時，上述建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的使用，使未經(jīng)訓(xùn)練的工人能夠沒有困難的找平地面，而按照需要將地面形成臺階或者產(chǎn)生傾斜地面依然是專家的任務(wù)。所完成斜面的測定也極大的取決于工人的專業(yè)水平。因此，工人的專業(yè)技術(shù)是獲得所需結(jié)果的一個主要因素，并且還是決定要花費(fèi)多長時間完成該任務(wù)的一個因素。在這點(diǎn)上，現(xiàn)有技術(shù)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，對完成任務(wù)時精度的控制以及對任務(wù)進(jìn)度的控制不容易。
在某種情況下，將一個建筑工地找平，以產(chǎn)生處于不同高度的多于兩個部位的臺階形地形。為此，還引起了在使用旋轉(zhuǎn)的激光裝置找平一部分地面之后，必須改變該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的設(shè)置，以便找平剩余部分地面的問題，這是一項(xiàng)復(fù)雜而煩人的工作。
提出本發(fā)明是為克服上述缺點(diǎn)和問題。因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種解決方案，使單個旋轉(zhuǎn)的激光裝置能夠控制不止一個建筑機(jī)械，以使該建筑機(jī)械能同時分別向上或者向下將地面找平成不同高度的部分。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種解決方案，使任何工人都能高效地平整斜面或者將地面按照需要整形成傾斜地形，而不管該工人的專業(yè)技術(shù)水平如何，并且使不止一個建筑機(jī)械能同時分別地平整不同斜度的斜面，而且分別將地面平整成不同斜度。
發(fā)明概述現(xiàn)有技術(shù)中上述問題的一種解決方案，或者也就是，根據(jù)本發(fā)明的一種改進(jìn)的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)，包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射至少兩個在并非水平面的平面內(nèi)發(fā)散的(diverted)扇形激光束，同時圍繞預(yù)定的光軸旋轉(zhuǎn)該激光束；一安裝在一建筑機(jī)械上的光探測器，以接收該扇形激光束；一安裝在該建筑機(jī)械上的GPS接收器，以確定該建筑機(jī)械的位置；以及一安裝在該建筑機(jī)械上的算術(shù)運(yùn)算單元，其中一個扇形激光束以不同于其余的扇形激光束的仰角或俯角發(fā)射，并且該算術(shù)運(yùn)算單元從該GPS接收器接收探測到的信號，以確定該建筑機(jī)械的位置，還接收當(dāng)該光探測器分別接收扇形激光束時的時間之間的延遲，以便計(jì)算并產(chǎn)生對該建筑機(jī)械的控制信號。
根據(jù)本發(fā)明如上所述配置，該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射扇形激光束，同時旋轉(zhuǎn)該激光束。安裝在建筑機(jī)械上的光探測器接收該扇形激光束。GPS接收器和算術(shù)運(yùn)算單元也安裝在該建筑機(jī)械上，并且前者將所探測的信號發(fā)送給后者，后者從中確定該建筑機(jī)械的位置。另外，該算術(shù)運(yùn)算單元接收當(dāng)該光探測器上接收扇形激光束時的時間之間的延遲，然后計(jì)算產(chǎn)生對該建筑機(jī)械的控制信號。
除了來自光探測器和GPS接收器的探得信號以外，該建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中的算術(shù)運(yùn)算單元可以獲得載有幾何數(shù)據(jù)的信號，然后計(jì)算產(chǎn)生對建筑機(jī)械的控制信號。
根據(jù)本發(fā)明按這種方式配置，可以依照特定的幾何數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對建筑機(jī)械的控制。
此外，一驅(qū)動控制器可以為安裝在該建筑機(jī)械內(nèi)的致動器提供動力。
根據(jù)本發(fā)明按這種方式配置，該驅(qū)動控制器允許該建筑機(jī)械被自動驅(qū)動。
該旋轉(zhuǎn)的激光裝置可以放置在已知的位置，該位置作為數(shù)據(jù)傳輸給算術(shù)運(yùn)算單元，用于算術(shù)運(yùn)算，以產(chǎn)生控制信號。
根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)還可以包括一GPS基地裝置，用于確定旋轉(zhuǎn)的激光裝置的位置，以使算術(shù)運(yùn)算單元確定建筑機(jī)械對于旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置。
最好，該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射的至少兩個扇形激光束的交線(anintersection)處于水平面之內(nèi)。
并且最好該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射至少兩個不同偏振的扇形激光束，或者至少兩個被調(diào)制成不同頻率的扇形激光束，或者至少兩個不同波長的扇形激光束。
根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中的光探測器，可以具有兩或更多個光接收部分，分別接收扇形激光束。
可以改變旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射的扇形激光束從一個部分到另一個部分的強(qiáng)度。
該旋轉(zhuǎn)的激光裝置可以發(fā)射三個或者更多的、與水平面的交線彼此等距離間隔的扇形激光束。
最好，該旋轉(zhuǎn)的激光裝置可以發(fā)射至少三個在其被光學(xué)接收的范圍內(nèi)彼此不相交的扇形激光束。
附圖的簡要說明

圖1為示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明的一種建筑機(jī)械控制系統(tǒng)；圖2為表示在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)的激光裝置與光探測器的位置關(guān)系圖；圖3為三重分解圖，表示旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射的扇形光束的發(fā)散度；圖4為剖面圖，表示旋轉(zhuǎn)的激光裝置；圖5描繪旋轉(zhuǎn)的激光裝置的另一個實(shí)施例；圖6描繪旋轉(zhuǎn)的激光裝置的又一個實(shí)施例；圖7表示在旋轉(zhuǎn)的激光裝置中使激光束透過并擴(kuò)展成發(fā)散的扇形光束的衍射光柵；圖8為示意性透視圖，表示根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)，其中發(fā)射兩個不同偏振的扇形光束；圖9為剖面圖，表示發(fā)射不同偏振的扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置；
圖10為該旋轉(zhuǎn)的激光裝置中激光投影器與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分解圖；圖11表示發(fā)射兩個扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的另一實(shí)施例；圖12A，12B表示發(fā)射兩個扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的又一實(shí)施例；圖13A，13B表示在旋轉(zhuǎn)的激光裝置中產(chǎn)生兩個扇形光束的柱面透鏡的一個實(shí)施例；圖14為正視圖，表示根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中所包含的光探測器；圖15為根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中所包含的光探測器的剖面模擬圖；圖16A，16B為根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中光探測器所探測的信號的曲線圖；圖17為透視圖，說明發(fā)射兩個在水平面內(nèi)彼此相交的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置；圖18為表示在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，兩個光接收部分與兩個扇形光束的位置關(guān)系圖；圖19為處于圖18的位置關(guān)系時探測到的信號的曲線圖；圖20說明在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，在傾斜光探測器時，兩個光接收部分與兩個扇形光束的位置關(guān)系；圖21說明在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，在光接收部分保持水平時，兩個光接收部分與兩個扇形光束的位置關(guān)系；圖22為處于圖21中的位置關(guān)系條件時探測到的信號的曲線；圖23A到23C為在旋轉(zhuǎn)的激光裝置中，以較短的延遲分別依次接收兩個扇形激光束時，在光接收部分上探測的信號的曲線；圖24A，24B表示在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中接收兩個不同偏振的扇形激光束的光探測器的結(jié)構(gòu)；圖25A到25F說明在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，全向光探測器的一個實(shí)施例；圖26為方塊圖，表示在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中確定高度的逐步過程；圖27為方塊圖，表示在根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，用具有單個光接收器部分的光探測器確定高度的逐步過程；圖28為方塊圖，表示根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的操作；圖29說明了在根據(jù)本發(fā)明第二最佳實(shí)施例的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)的激光裝置與光探測器的位置關(guān)系；圖30為剖面圖，表示本發(fā)明第二最佳實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)的激光裝置；圖31為本發(fā)明第二最佳實(shí)施例中發(fā)射兩個不同波長的激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的分解圖；圖32A，32B描繪本發(fā)明第二最佳實(shí)施例中光探測器的光接收部分的結(jié)構(gòu)；圖33說明在根據(jù)本發(fā)明第三最佳實(shí)施例的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)的激光裝置與光探測器的位置關(guān)系；圖34為本發(fā)明第三最佳實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)的激光裝置的剖面圖；圖35為本發(fā)明第三最佳實(shí)施例中發(fā)射兩個被調(diào)制成不同頻率的激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的分解圖；圖36A，36B描繪本發(fā)明第三最佳實(shí)施例中光探測器的光接收部分的結(jié)構(gòu)；圖37描繪兩個被調(diào)制成不同頻率的激光束的例子；圖38描繪光接收部分上探測的被調(diào)制成不同頻率的兩個扇形激光束的例子；圖39描繪被調(diào)制成交替發(fā)生的兩個激光束的例子；圖40描繪光接收部分接收被調(diào)制成交替發(fā)生的兩個激光束時所產(chǎn)生的信號的例子；圖41描繪被調(diào)制成交替發(fā)生，并且被調(diào)制成不同頻率的兩個激光束的例子；圖42A到42J舉例說明扇形激光束的發(fā)射圖案；圖43為分解透視圖，表示結(jié)合在一起的可旋轉(zhuǎn)發(fā)射三個扇形激光束的激光投影器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；圖44為旋轉(zhuǎn)發(fā)射三個扇形激光束的激光投影器與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)另一實(shí)施例的分解透視圖；圖45為旋轉(zhuǎn)發(fā)射三個扇形激光束的激光投影器與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)又一實(shí)施例的分解透視圖；圖46為側(cè)視圖，表示五棱鏡中的光路；圖47為示意圖，表示現(xiàn)有技術(shù)的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)；以及圖48為示意圖，表示現(xiàn)有技術(shù)的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)的激光裝置和GPS。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)。
(1)實(shí)施例1(1.1)建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)首先將描述本發(fā)明建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)外形。如圖1所示，本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)100具有一旋轉(zhuǎn)的激光裝置151，一GPS基地裝置501，和一安裝在諸如推土機(jī)502的建筑機(jī)械上的光探測器154。在該建筑機(jī)械控制系統(tǒng)100中，使用激光束來確定建筑機(jī)械502的高度，同時安裝在建筑機(jī)械502上的GPS接收器510確定其在水平面中的位置。獲悉建筑機(jī)械決定的高度和位置，使用建筑機(jī)械502的諸如推土鏟505的附屬裝置來找平地形。
如圖2所示，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射兩個扇形光束152和153，同時圍繞點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)光束。
如圖3所示，與水平面成角度α發(fā)射扇形光束152，與水平面成角度β發(fā)射扇形光束153。扇形光束152與水平面的交線(intersection)和扇形光束153與水平面的交線成δ角度。保持傾斜的兩個扇形光束152和153分別旋轉(zhuǎn)，然后以一定的時間延遲分別掃過光探測器154。本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成利用該延遲來確定光探測器154距離水平面的高度。
(1.2)旋轉(zhuǎn)的激光裝置(1.2.1)發(fā)射兩個扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置現(xiàn)在將討論發(fā)射兩個與水平面傾斜成一定角度的扇形激光束，同時圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)該激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)的激光裝置151包括一外殼101和一激光投影器103。在外殼101頂部的中心形成一限定為截錐形的凹狀面102。激光投影器103通過凹狀面102的中心垂直延伸。激光投影器103具有一安置并懸掛在凹狀面102上的球形支架104，使投影器103能自己傾斜。該激光投影器103包括一能夠旋轉(zhuǎn)并安裝一五棱鏡109的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。通過由馬達(dá)106致動的驅(qū)動齒輪107和掃描齒輪108旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。
旋轉(zhuǎn)的激光裝置151具有圍繞該激光投影器103設(shè)置的兩組傾斜機(jī)構(gòu)(僅表示出一組)。其中一組傾斜機(jī)構(gòu)110具有一馬達(dá)111，一螺桿112和一螺套113，使用所有這些來實(shí)現(xiàn)傾斜特征。該馬達(dá)111能夠通過驅(qū)動齒輪114和傾斜齒輪115來轉(zhuǎn)動螺桿112。螺桿112的轉(zhuǎn)動使螺套113上下運(yùn)動。螺套113的這種垂直運(yùn)動使激光投影器103傾斜。另一組傾斜機(jī)構(gòu)使用同樣的機(jī)械元件使投影器103沿與傾斜機(jī)構(gòu)110傾斜的方向正交的方向傾斜。
平行于臂116設(shè)置的固定探測器118和垂直于臂116設(shè)置的固定探測器119處于該激光投影器103的中間。臂116通過傾斜機(jī)構(gòu)10來調(diào)節(jié)其斜度，使得固定探測器118總采取水平狀態(tài)。同時，使用另一組傾斜機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使固定探測器119總采取水平狀態(tài)。
現(xiàn)在將描述激光投影器103和與之相連的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。如圖5所示，激光投影器103具有一投影器光學(xué)系統(tǒng)，包括諸如激光照射器132和對來自激光照射器132的入射激光束進(jìn)行準(zhǔn)直的準(zhǔn)直透鏡133等元件。通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的衍射光柵(BOE)134，使來自投影器光學(xué)系統(tǒng)的激光束被擴(kuò)展成兩個發(fā)散或扇形光束152和153。扇形光束152和153被五棱鏡109水平偏轉(zhuǎn)，然后射出投影器窗口131。
如圖6所示，衍射光柵(BOE)134a可以處于激光束被五棱鏡109偏轉(zhuǎn)之后傳輸?shù)墓饴飞?。除了衍射光?34a的位置以外，圖6中激光投影器的結(jié)構(gòu)與圖5幾乎相同。
圖7表示在透過衍射光柵(BOE)之后被擴(kuò)展成兩個扇形光束152和153的激光束。
如已經(jīng)描述的，激光投影器103發(fā)射最初由激光照射器132照射，然后被衍射光柵(BOE)134擴(kuò)展成兩個扇形光束152和153的激光束。在被五棱鏡109水平偏轉(zhuǎn)之后，該激光束隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行圓掃描，從而限定一參考平面。
(1.2.2)發(fā)射偏振彼此不同的兩個發(fā)散激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。
下面將描述發(fā)射兩個不同偏振的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。
如后面所述，為了獲得高精度測量，使用發(fā)射兩個不同偏振的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置是有利的。如從圖8中可以看出，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a發(fā)射兩個發(fā)散或扇形激光束152a和153a。由于兩個光束152a和153a被彼此不同地偏振，故光探測器154a的光接收部分能區(qū)別兩個扇形光束152a和153a。
如圖9所示，除了設(shè)置在旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a中的激光束投影器103和與之相連的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a以外，使激光投影器傾斜的裝置與圖4中的幾乎相同。因此，在下面的討論中，僅說明激光投影器103a和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。
如從圖10中可以看出，發(fā)射不同偏振的扇形激光束152a和153a的旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a，包括激光投影器103a和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a。用箭頭和實(shí)線表示透過光學(xué)裝置的激光束的軌跡，而用箭頭和虛線表示激光束的偏振方向。
當(dāng)激光投影器103a中包含的激光照射器132a為激光二極管時，所產(chǎn)生的激光束呈線偏振。在下文中，假設(shè)該激光束沿X-方向偏轉(zhuǎn)，該激光束沿Z-方向發(fā)射，并且與X-Z平面垂直的方向?yàn)閅-方向。由激光照射器132a發(fā)射的激光束被準(zhǔn)直透鏡133a準(zhǔn)直，入射在四分之一(1/4)波片140上。該四分之一波片140的取向?yàn)?，使來自激光照射?32a的激光束在沿X-方向被線偏振之后，變成圓偏振光。在通過該四分之一波片140以后，該激光束又通過另一個四分之一波片139，然后，沿與X-方向的軸成45°角的方向被線偏振，如圖9所示。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a被旋轉(zhuǎn)支撐，故可改變四分之一波片140與四分之一波片139的相對位置。不過，激光束在穿過四分之一波片140之后呈現(xiàn)圓偏振，從而，在穿過四分之一波片139之后，線偏振光的偏轉(zhuǎn)方向不受波片相對位置改變的影響，而由四分之一波片139決定。該激光束通過偏振分束器141。該偏振分束器141反射Y-方向的偏振分量，同時透過X-方向的偏振分量。因此，被四分之一波片139沿與X-方向的軸成45°角方向線偏振的激光束的Y-方向分量被偏振分束器141反射，并偏轉(zhuǎn)90°。該激光束的X-方向分量則通過偏振分束器141。
被偏振分束器141反射的激光束入射在四分之一波片138上，轉(zhuǎn)變成圓偏振光，然后被柱面反射鏡136反射。柱面反射鏡136被取向?yàn)?，使激光束從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a射出時與水平面成α角前進(jìn)。由于被柱面反射鏡136反射的激光束再次透過四分之一波片138，從而被沿Z-方向線偏振，然后該激光束可透過偏振分束器141，爾后從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a出射。
另一方面，透過偏振分束器141的激光束入射在四分之一波片137上轉(zhuǎn)變成圓偏振光，然后被柱面反射鏡135反射。該柱面反射鏡135被取向?yàn)?，使得激光束從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a射出時與水平面成β角。由于被柱面反射鏡135反射的激光束再次通過四分之一波片137，故被沿Y-方向線偏振，從而該激光束被前一階段透過它的偏振分束器141反射，并從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a出射。
除了柱面反射鏡135和136以外，可以用任何具有相同效果的衍射光柵來取代它們。當(dāng)用衍射光柵來替代時，可以按照需要改變扇形光束的強(qiáng)度分布。水平面附近的扇形光束的光，即使在傳播相當(dāng)遠(yuǎn)以后，也必然有被光探測器154a接收的足夠高的光能。偏離水平面非常遠(yuǎn)的光，當(dāng)傳播較遠(yuǎn)時，與地面相接觸，或者擴(kuò)展到一不再能被光探測器154a接收的高度。因此，發(fā)散太遠(yuǎn)的光不必具有高發(fā)光能量，因?yàn)樗幱诠馓綔y器154a的靈敏度覆蓋的近似范圍之外。
該光學(xué)系統(tǒng)的特征如下。任一個扇形激光束，在從激光投影器103a發(fā)射之后，被偏振分束器141和柱面反射鏡135或136兩次反射。因此，出射激光束的偏轉(zhuǎn)角取決于透過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a的偏轉(zhuǎn)角度，不論旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a的旋轉(zhuǎn)角度如何。這就獲得與將典型的五棱鏡用于該光學(xué)系統(tǒng)的情形同樣的效果。
圖11和13表示產(chǎn)生兩個發(fā)散或扇形光束的方法。
圖11表示旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的另一實(shí)施例。如從圖11中可以看出，入射在四分之一波片139上的圓偏振激光束透過偏振分束器141。透過偏振分束器141的光透過四分之一波片138。所透過的激光束的一部分被柱面半反射鏡147反射，之后再次透過四分之一波片138。然后該透過四分之一波片138的激光束被分束器141反射，從而，發(fā)射出所產(chǎn)生的光束或扇形光束152。柱面半反射鏡147被取向?yàn)?，使扇形光?52以傾角α傳播。
透過半反射鏡147的光束透過偏振分束器141a，然后入射在四分之一波片137上。在透過四分之一波片137之后，該光束被射到柱面反射鏡135上。入射在柱面反射鏡135上的光束被反射鏡135反射，然后再次透過該四分之一波片。然后，該光束被分束器141a反射，從而，發(fā)射出所產(chǎn)生的光束或扇形光束153。反射鏡135被取向?yàn)?，使扇形光?53以傾角β傳播。
圖12A，12B表示旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的又一實(shí)施例。如從圖12A，12B中可以看出，被導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的光束入射在五棱鏡109上。入射在五棱鏡109上的光束的一部分被五棱鏡109上側(cè)的半反射鏡146反射，然后被五棱鏡109偏轉(zhuǎn)。柱面透鏡145a將所偏轉(zhuǎn)的光束整形成發(fā)散光束，從而發(fā)射出扇形光束152。柱面透鏡145a被取向?yàn)?，使扇形光?52以傾角α傳播。
透過五棱鏡109中半反射鏡146的光束入射在五棱鏡109a上，并且被偏轉(zhuǎn)。柱面透鏡145b將五棱鏡109a中所偏轉(zhuǎn)的光束整形成發(fā)散光束，從而發(fā)射出扇形光束153。柱面透鏡145b被取向?yàn)?，使扇形光?53以傾角β傳播。
圖13A，13B表示產(chǎn)生兩個扇形光束152和153的再一實(shí)施例。如圖13A所示，一柱面棒形透鏡144被切成片，將片144a和144b結(jié)合在一起(參見圖13B)。當(dāng)光入射到該柱面透鏡上時，出射光被擴(kuò)展成兩個發(fā)散光束或扇形光束152和153(參見圖13C)。
(1.3)光探測器(1.3.1)發(fā)射兩個發(fā)散激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置用的光探測器現(xiàn)在將描述用來接收從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151分別發(fā)射的兩個發(fā)散或扇形光束152和153的光探測器154。如圖14和15所示，將用來檢測扇形光束152和153的光接收部分155和156安裝到光探測器154的外殼164上。外殼164包括一顯示器157，一報(bào)警器161如蜂鳴器，輸入鍵162，和一指針163。另外，該外殼164包含一存儲器165，一用來確定所接收的光的狀態(tài)的算術(shù)運(yùn)算單元166，和一固定到具有刻度160的桿506上的刻度讀取器167。該顯示器157給出從水平參考平面到光探測器154的高度，以及旋轉(zhuǎn)的激光裝置151與光探測器154之間的距離。
(1.3.1.1)利用光探測器測量角度的原理如上所述，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射發(fā)散或扇形光束152和153，同時圍繞中心C旋轉(zhuǎn)。如圖3所示，與水平面成角度β發(fā)射出扇形光束152。扇形光束152與水平面的交線，和扇形光束153與水平面的交線成角度δ。在這樣一種條件下旋轉(zhuǎn)這兩個扇形光束152和153，從而這些發(fā)散光束以某一時間延遲相繼掃過光探測器154的光接收部分。
當(dāng)光探測器154中的光接收部分處于水平面中的位置A時，可以將光探測器154所探測的光表示如圖16A中所示。另外，當(dāng)光接收部分156處于從位置A垂直向上平移的位置B時，結(jié)果可以如圖16B所示探測扇形光束。如圖16A所示，現(xiàn)在假設(shè)當(dāng)光接收部分處于點(diǎn)A，并且旋轉(zhuǎn)的激光裝置151以周期T旋轉(zhuǎn)時，用延遲時間t0相繼探測扇形光束，則下式(1)給出兩個光束的探測之間的時間延遲t0=Tδ2π----(1)]]>當(dāng)光接收部分156處于任意高度的位置B時，從一個探測到另一個探測的時間延遲t正比于∠BCA＝γ，γ是通過光接收單元156的位置B和激光束發(fā)射點(diǎn)C的直線與水平面所成的角度，從而，當(dāng)γ取較大的值時，時間延遲t較大。因此，確定位置B處的時間延遲t，可以由下面的公式(2)和(3)表示由通過位置B和點(diǎn)C的直線與水平面限定的角度γγ=t-t0T(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(2)]]>γ=(t-t0)πtan(α)T]]>(其中，特別是，π-β＝α)(3)可以由算術(shù)運(yùn)算單元166計(jì)算γ的值，其中從兩個扇形光束152與153依次掃過光接收部分時兩時間之間的延遲和旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)周期T通過算術(shù)運(yùn)算得到角度γ，并且由顯示器157顯示出計(jì)算結(jié)果。
下面將討論旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射兩個在水平面內(nèi)彼此相交的扇形光束的情形，或者圖2中的角度δ等于0°條件下的情形。在圖17中進(jìn)行說明。
當(dāng)光探測器的光接收部分處于水平面中的位置A時，兩個旋轉(zhuǎn)扇形光束152和153同時掃過光探測器154，表示成t0＝0。因此，∠BCA＝γ，γ是通過任意高度的位置B和點(diǎn)C或旋轉(zhuǎn)的激光裝置的中心的直線與水平面所成的角度，可通過將t0＝0代入公式(2)和(3)中而得到，如下面的公式(4)和(5)所示γ=-tT(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(4)]]>γ=tπtan(α)T]]>(其中，特別是，π-β＝α)(5)
如從公式(4)和(5)看出，α和β為常數(shù)，從而，角度γ被表示成旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)周期T和兩個扇形激光束的探測之間的時間延遲的函數(shù)。如果旋轉(zhuǎn)激光器151的旋轉(zhuǎn)有些不規(guī)律，這導(dǎo)致預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期T的誤差，或者如果在單次旋轉(zhuǎn)中發(fā)生某種不規(guī)律性，而不存在預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期T的誤差，則探測之間的時間延遲t也具有誤差，這導(dǎo)致計(jì)算出具有誤差的γ。在兩個扇形光束152和153在水平面中彼此相交的水平面的測量中，如圖17所示，對于給定的γ＝0，滿足t＝0，并且不規(guī)律旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的誤差將不影響測量。
在實(shí)際的建筑工地中，常常將水平面用作參考平面，圖17中與水平參考平面中測量有關(guān)的誤差被最小化的結(jié)構(gòu)，比圖2中扇形光束152和153在水平面中彼此不相交的結(jié)構(gòu)更好。
可以將上述通過光探測器154測量角度的原理應(yīng)用于被設(shè)計(jì)來接收不同偏振的扇形光束152a和153a的光探測器154a中。
(1.3.1.2)利用光探測器中的兩個光接收部分測量角度的原理下面將討論通過光探測器154的兩個光接收部分測量角度的原理。用兩個光接收部分，可得到光探測器154與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度，以及它們之間的距離。如圖18所示，在光探測器154中垂直地順序設(shè)置光接收部分。
發(fā)射兩個發(fā)散或扇形光束152和153，使它們在水平面中彼此相交，并且光束152與水平面成角度α進(jìn)行圓掃描，光束153以與水平面成角度β進(jìn)行圓掃描。光接收部分155和156以垂直間隔D相互間隔。在上述條件下旋轉(zhuǎn)兩個扇形光束152和153，因此，光探測器154中的光接收部分155和156探測扇形光束152和153分別掃過光探測器154時的時間之間的延遲，如圖19中所示。
根據(jù)用這種方法探測出的時間延遲t1，t2，t3和T，以及常數(shù)α，β和D，由下面的公式(6)給出光接收部分155距離水平參考平面的高度d1，而由下面的公式(7)得到光接收部分156的高度d2d1=D(t2-t1)(t3-t2+t1)----(6)]]>d2=D(t2-t1)(t3-t2+t1)+D----(7)]]>現(xiàn)在假設(shè)，γ2為通過光接收部分155和扇形激光束的發(fā)射點(diǎn)C的直線與水平面所成的角度，而γ1為通過光接收部分156和點(diǎn)C的直線與水平面所成的角度，從公式(4)得出γ2和γ1，如下面的公式(8)所示γ1=t2-t1T(12πtan(α-β)+12πtan(α))----(8)]]>γ2=t3T(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(9)]]>另一方面，如下面的公式(10)和(11)所示，利用項(xiàng)γ2，γ1，d1和d2表示從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151到光探測器154的距離LL=d1tan(γ1)----(10)]]>L=d2tan(γ2)----(11)]]>將公式(6)到(9)代入公式(10)和(11)，得到下面的公式(12)和(13) 雖然公式(12)或者公式(13)均能給出從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151到光探測器154的距離，不過對于給定的t2-t1＝0，在公式(12)中存在除以零的運(yùn)算，對于給定的t3＝0，在公式(13)中存在另一個除以零的運(yùn)算，在任一種情況下，可以使用不包括這種運(yùn)算的公式。
然后，參見圖20，將模擬光探測器154僅以ε角傾斜的情形。在這種情形中，利用時間延遲t1，t2和t3以及旋轉(zhuǎn)周期T來校正傾斜，由此，可以得到光探測器154與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度，以及它們之間的距離。
在α+ε＜90°的條件下，按照與圖19中所示相同的過程，在光探測器154的光接收部分155和156處探測扇形光束。根據(jù)給定的時間延遲t1，t2和t3，旋轉(zhuǎn)周期T，常數(shù)α和β，以及兩個光接收部分155和156之間的距離D，通過下面的公式(14)和(15)可以得到從水平參考平面到光接收部分155和156的垂直距離d1和d2d1=cos(ϵ)·D(t2-t1)(t3-t2+t1)----(14)]]>d2=cos(ϵ)·D(t2-t1)(t3-t2+t1)+D----(15)]]>通過下面的公式(16)得到光探測器154的傾角εϵ=tan-1((t3-t2)tan(π-β)-t1tan(α)(t3+t1-t2)tan(α)tan(π-β))----(16)]]>通過將公式(14)，(15)，(8)和(9)中給出的d1，d2，γ1和γ2代入公式(10)和(11)，得到距離L。
參照圖21和22，下面將討論光接收部分155和156被相繼水平設(shè)置，以探測扇形光束的情形。
發(fā)射兩個扇形光束152和153，使得它們在水平面內(nèi)彼此相交，并且光束152以與水平面成角度α進(jìn)行圓掃描，光束153以與水平面成角度β進(jìn)行圓掃描。光探測器154包括兩個以間隔D彼此水平間隔設(shè)置的光接收部分155和156，以探測扇形光束。
在上述條件下旋轉(zhuǎn)的扇形光束，當(dāng)它們掃過光探測器154中的光接收部分155和156時被探測，如圖22所示。根據(jù)用這種方法探測到的時間延遲t1，t2，t3和T，和常數(shù)α，β和D，可由下面的公式(17)給出從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)中心C到光探測器154的光接收部分155和156的水平距離L=DTπ(t3-t2-t1)----(17)]]>其中，t1＝t3-t2。
通過將公式(10)和(11)變形成下面的公式(18)和(19)，分別給出從水平參考平面到光接收部分155和156的距離d1和d2d1＝Ltan(γ1) (18)d2＝Ltan(γ2) (19)將公式(8)，(9)和(17)代入公式(18)和(19)，得出下面的公式(20)和(21)d1=DTπ(t3-t2-t1)tan(t2-t1T(12πtan(π-β)+12πtan(α)))----(20)]]>d2=DTπ(t3-t2-t1)tan(t3T(12πtan(π-β)+12πtan(α)))----(21)]]>對于給定的γ2＝0和γ1＝0，滿足tan(γ)＝γ，從而，下面的公式(22)和(23)正確d1=2D(t2-t1)tan(α)tan(π-β)(t3-t2-t1){tan(α)+tan(π-β)}----(22)]]>d2=2Dt3tan(α)tan(π-β)(t3-t2-t1){tan(α)+tan(π-β)}----(23)]]>在獲得d1，d2和ε的公式(14)，(15)，(16)，(22)和(23)中，沒有一個項(xiàng)的運(yùn)算元素包含旋轉(zhuǎn)周期T。這表明即使旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)是不規(guī)律的，并且預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期T包括誤差，測量結(jié)果也不受這種誤差的影響。從而，當(dāng)在兩個扇形光束152和153掃過光探測器154中的光接收部分155和156的短時間內(nèi)不產(chǎn)生可能影響時間延遲t1，t2和t3的旋轉(zhuǎn)不規(guī)律性時，可以實(shí)現(xiàn)無誤差測量。
可以將這種測量角度的原理應(yīng)用于光探測器154a接收的不同偏振的扇形光束152a和153a。
(1.3.1.3)測量光探測器位置的原理當(dāng)光探測器154具有單個光接收部分或者兩個彼此水平間隔設(shè)置的光接收部分，并且兩個扇形光束在水平參考平面中彼此相交時，時間延遲的探測不足以識別兩個垂直對準(zhǔn)且與水平參考平面等間距的位置。在這種情況下，為了獲悉光探測器154位于水平參考平面上面或下面哪一側(cè)，必須上下移動光探測器154以檢查接收光的狀態(tài)。具體來說，如果向上移動光探測器引起時間延遲增大，則光探測器154在水平參考平面之上，而如果向下移動光探測器引起時間延遲減小，則光探測器154在水平參考平面之下。當(dāng)有兩個或更多分別在不同高度彼此間隔設(shè)置的光接收部分時，有可能不通過上述過程而判斷出該光探測器處于水平參考平面的上面還是下面。當(dāng)使用諸如偏振方向和頻率的特征來識別兩個扇形光束152和153時，取決于哪個扇形光束首先被探測，單個光接收部分或兩個水平間隔設(shè)置的光接收部分均能識別光探測器處于水平參考平面上面還是下面。
(1.3.1.4)發(fā)散光束的探測之間為短延遲時的測量原理如上所述，根據(jù)測量結(jié)果和對兩個扇形光束掃過光探測器154時的時間之間的延遲t的算術(shù)運(yùn)算，可計(jì)算出光探測器與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度、其間的距離和光探測器的傾角。當(dāng)光接收部分用較長時間延遲接收兩個扇形光束152和153時，如圖23A所示，延遲t的測量結(jié)果更加精確。相反，當(dāng)兩個扇形光束152和153的探測之間的時間延遲很短時，并且另外，當(dāng)接收光所產(chǎn)生的信號彼此干擾時，不可能精確地確定延遲。從而，根據(jù)各自的偏振來區(qū)別兩個扇形光束所產(chǎn)生的信號，并且識別它們，如果時間延遲較短的話有可能獲得精確的時間延遲。
(1.3.2)發(fā)射兩個不同偏振的發(fā)散激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置用的光探測器現(xiàn)在將討論用于接收兩個不同偏振的發(fā)散或扇形激光束152a和153a的光探測器154a。將詳述根據(jù)其各自不同的偏振來識別激光束的裝置的結(jié)構(gòu)。其他元件，以及確定光探測器與旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對高度和確定它們之間的距離的原理，與上述光探測器154相同。
圖24A為光探測器154a的正視圖，而圖24B為沿圖24A中線A-A所取該光探測器的剖面圖。如圖24A，24B所示，光探測器154a的光接收部分155a包括光接收元件155b和155c，和一設(shè)置在它們前面的偏振分束器168，而光接收部分156a包括光接收元件156b和156c，以及一設(shè)置在它們前面的偏振分束器169。取決于入射光的偏振方向，偏振分束器168和169透過或反射激光束。光接收元件155b和156b用于所反射的光，而光接收元件155c和156c用于所透過的光，從而，可以確定該入射光的偏振方向。這樣，如果兩個扇形激光束152a和153a以較短的時間延遲相繼入射在光接收元件155a和156a上，則光接收元件155b和156b探測扇形光束152a，光接收元件155c和156c探測扇形光束153a，從而，可以精確地確定時間延遲。
另外，可以將一四分之一(1/4)波片(未示出)加到旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a光路軌跡的端部，以發(fā)射圓偏振激光束，同時可以將另一個四分之一波片(未示出)設(shè)置在光接收部分155和156中偏振分束器168和169前面，使得如果傾斜光探測器154，則分束器168和169能精確地分束兩個扇形光束。
(1.3.3)具有單個光接收部分的光探測器可以省略光探測器154或154a中任一個光接收部分。在這種情形中，在用具有單個光接收部分的光探測器進(jìn)行單次測量之后，向上或向下移動光探測器，以進(jìn)行下一次測量。例如，當(dāng)向上移動光探測器時，光接收部分上接收的扇形光束的探測之間時間延遲的增大，證明該光探測器在水平參考平面之上，而延遲的減小證明該光探測器在水平參考平面下面。在確定光探測器關(guān)于水平參考平面的相對位置之后，利用第一次或第二次測量來確定水平參考平面與光探測器之間的距離，從而能得出光探測器的高度。
在使用確定無疑地使其光探測器總位于水平參考平面上面或下面的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)時，可以省略上述過程。在這種情形中，除了使用單個光接收部分以外，幾乎光探測器的所有元件都與上述實(shí)施例相同。
(1.3.4)具有三或更多個光接收部分的光探測器或者，在光探測器154或154a中具有三或更多個光接收部分。除了光接收部分的數(shù)量以外，該實(shí)施例構(gòu)被造成與上述的光探測器相同。在這種情況下，如果如結(jié)合圖23A到23C所說明的，在一個光接收部分中發(fā)生兩個扇形光束引起的信號的干擾，那么在其余的兩或更多個光接收部分中不會同時發(fā)生信號干擾。因此，放棄在引起干擾的光接收部分處進(jìn)行的測量，如果不能根據(jù)其各自的偏振來識別兩個扇形光束，則改為使用其余光接收部分處的測量來實(shí)現(xiàn)精確的判斷。
圖25A到25F表示全方向光探測器154b的一個實(shí)施例。如從圖25A中可以看出，全方向光探測器154b包括一個桿180，三個光接收部分155d、155e和155f，以及一光探測器控制器177。三個光接收部分155d、155e和155f彼此等距離的分別固定到桿180上，并且光探測控制器177固定到桿的下部。如圖25B到25D所示，每個光接收部分155d、155e和155f具有一環(huán)形菲涅耳透鏡176，一環(huán)形光纖板(anannular fiber sheet)175，和一環(huán)形鏈接的光接收元件173，并且這些元件均同心設(shè)置。在環(huán)形鏈接的光接收元件173內(nèi)，為一光接收元件控制器174。如圖25E和25F所示，該光探測器控制器177具有一顯示器157，一諸如蜂鳴器的報(bào)警器161，輸入鍵162，一存儲器165，一用來確定所接收的光的狀態(tài)的算術(shù)運(yùn)算單元166，和一用于外部通信的發(fā)射器178。
當(dāng)扇形激光束掃過任一光接收部分時，圓柱形菲涅耳透鏡通過光纖板175將入射光聚焦在光接收元件173上。一接收到光，光接收元件173就將光產(chǎn)生的信號發(fā)送給光接收元件控制器174。安裝在光接收部分155d、155e和155f任一個中的光接收元件控制器174將該信號傳送給光探測器控制器177。當(dāng)光探測器154工作時，光探測器控制器177處理該信號。
(1.4)建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的操作(1.4.1)用光探測器進(jìn)行高度測量(1.4.1.1)用具有兩個光接收部分的光探測器進(jìn)行測量將描述光探測器與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度的確定過程。按圖26所示的過程確定光探測器154的高度。由旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射的扇形光束152和153被接收在光接收部分155和156上。一接收到光束，光接收部分155和156就產(chǎn)生圖19中所示的信號。該信號被傳送給算術(shù)運(yùn)算單元，確定光探測器154中所接收的光的狀態(tài)，以便計(jì)算時間延遲t1，t2和t3。
在確定所接收光狀態(tài)的算術(shù)運(yùn)算單元166中，根據(jù)扇形光束152和153的仰角或俯角α和β，以及時間延遲t1，t2和t3，求解公式(16)得到傾角ε。算術(shù)運(yùn)算單元166還使用公式(14)和(15)，從保存在存儲器165中的光接收部分155和156之間的距離D、時間延遲t1，t2和t3以及前面計(jì)算出的傾角ε，得出水平參考平面與光接收部分155和156之間的垂直距離d1和d2。
該計(jì)算結(jié)果d1和d2被傳送給顯示器157用于顯示，從而實(shí)現(xiàn)光探測器154與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度的測量。
(1.4.1.2)利用具有單個光接收部分的光探測器進(jìn)行高度測量參照圖27，現(xiàn)在將討論僅具有單個光接收部分的光探測器確定高度的過程。當(dāng)該光接收部分上接收扇形光束152和153時，產(chǎn)生圖16A，16B所示的信號。該信號被傳送給算術(shù)運(yùn)算單元166，以計(jì)算光束探測之間的時間延遲t。將時間延遲t、扇形激光束152和153的旋轉(zhuǎn)周期T，以及它們的仰角或俯角α和β代入公式(4)中，得出角度γ。如上所述，該角度γ是通過光接收部分的點(diǎn)B和扇形激光束的旋轉(zhuǎn)中心C的直線與水平面所成的角度。將角度γ的結(jié)果傳送給顯示器157進(jìn)行顯示。通過公式(18)計(jì)算光接收部分與水平面之間的垂直距離或高度，和通過后面描述的GPS獲得的距離L(從光接收部分到旋轉(zhuǎn)中心C的水平距離)。
(1.4.1.3)利用具有三或更多個光接收部分的光探測器進(jìn)行高度測量在另一具有三或更多個光接收部分的實(shí)施例中，它們中的三個同時接收扇形光束。然后，在所接收光的數(shù)據(jù)之中，選擇兩組其特征在于沒有由于所探測的扇形光束之間不夠長的時間延遲所導(dǎo)致的信號干擾的數(shù)據(jù)。在選擇兩組所接收光的數(shù)據(jù)之后，與圖26中所說明的過程相同進(jìn)行計(jì)算。不過在這種情形中，利用兩個所選擇的光接收部分之間的距離D。
另一旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a發(fā)射兩個不同偏振的激光束，另一光探測器154a能區(qū)別彼此不同偏振的扇形激光束。從而，在激光束的探測之間的時間延遲較短時，可以高精度地實(shí)現(xiàn)測量。并且在這種情況下，測量過程與上述實(shí)施例中相同。
(1.4.2)利用GPS進(jìn)行位置測量參照圖28，將描述利用GPS確定位置的方法。諸如推土機(jī)502的建筑機(jī)械具有一光探測器154，一GPS接收器510，一控制器650，一顯示器655，一控制面板656，一推土鏟致動器671，一液壓缸573和一用于找平的附屬裝置如推土鏟505。GPS接收器510具有一GPS天線509，一接收器553和一信號處理器654?？刂破?50包括一算術(shù)運(yùn)算單元651和一存儲器652。推土鏟致動器671包括一電子液壓電路672和一電磁閥(未示出)。GPS基地裝置501具有一GPS基地天線508和一無線發(fā)射機(jī)557，并且靠近旋轉(zhuǎn)的激光裝置151設(shè)置。
從人造衛(wèi)星接收無線電波的GPS天線509，被固定到諸如推土機(jī)頂部的可無屏蔽地暴露于無線電波的位置。另一方面，安裝在GPS基地裝置501上的GPS基地天線508也從人造衛(wèi)星接收無線電波。GPS基地天線508接收的無線電波被轉(zhuǎn)換，然后通過無線發(fā)射機(jī)557發(fā)射給安裝在建筑機(jī)械502上的接收器553。GPS天線509和接收器553上分別接收的無線電波被傳送給信號處理器654，在其中被放大，然后轉(zhuǎn)換成預(yù)定格式的信號。信號處理器654處理GPS天線509和GPS基地天線508上接收的無線電波，計(jì)算這些天線在水平面中的位置，以及天線之間的距離。根據(jù)該位置和距離的計(jì)算結(jié)果，通過算術(shù)運(yùn)算得出到旋轉(zhuǎn)的激光裝置151和安裝在建筑機(jī)械502上的光探測器154的距離。
利用GPS進(jìn)行的位置測量涉及運(yùn)動學(xué)，以及實(shí)時探測運(yùn)動點(diǎn)的任何其他方法。
(1.4.3)建筑機(jī)械的控制參照圖28，將描述建筑機(jī)械的控制。
控制器650中所包含的存儲器652保存多種數(shù)據(jù)，如基于建筑物設(shè)計(jì)圖的地形，地面相對二維坐標(biāo)的高度，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151在水平面中的位置，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的高度，以及從所附推土鏟的邊緣505a到光探測器154的參考位置的高度。存儲器652還保存相對建筑機(jī)械502在水平面內(nèi)的位置、其高程以及從設(shè)計(jì)圖得出的地形的數(shù)據(jù)來控制推土鏟505的程序。如果想要在控制器650的某一部分中執(zhí)行上述算術(shù)運(yùn)算，以根據(jù)扇形光束的探測之間的時間延遲獲得光探測器154的高程，就應(yīng)該將該算術(shù)運(yùn)算保存在存儲器652中。該控制器650可以是由個人計(jì)算機(jī)代表的任何裝置。
建筑機(jī)械102的位置數(shù)據(jù)(X1，Y1)和高程數(shù)據(jù)H1被輸入控制器650中的算術(shù)運(yùn)算單元651，前一個數(shù)據(jù)是從信號處理器654發(fā)送來的，而后一數(shù)據(jù)是從光探測器接收來的。推土鏟505的控制程序獲得輸入位置數(shù)據(jù)(X1，Y1)和預(yù)先保存在存儲器中的地面相對二維坐標(biāo)的高程數(shù)據(jù)，然后計(jì)算在位置(X1，Y1)處所需的地面高度H2。光探測器154被固定到桿506上，光探測器154和桿506一起隨著推土鏟505上下移動。從光探測器154到推土鏟邊緣505a的距離H3被預(yù)先保存在存儲器652中。從高度數(shù)據(jù)H1中減去距離H3，得出推土鏟邊緣505a的當(dāng)前高度H4。然后，比較所需的地面高度H2和推土鏟邊緣505a的高度H4，計(jì)算推土鏟505的移動量。
由控制器650計(jì)算出的推土鏟505的移動量被傳送給推土鏟致動器671。推土鏟致動器671根據(jù)移動量的輸入值，打開和關(guān)閉電氣液壓回路(an electrical hydraulic circuit)672的電磁閥。具體來說，算術(shù)運(yùn)算單元651按照所要求的順序，將打開或關(guān)閉電磁閥的控制指令發(fā)送給電氣液壓回路672。打開和關(guān)閉電磁閥，能夠?qū)⒓訅河凸┙o液壓缸573或從液壓缸573抽出，或者可調(diào)節(jié)加壓油的流速，以所需的速度沿所需方向移動液壓缸573，從而以任何所需的速度沿任何所需方向上下移動推土鏟505。推土鏟505的位置或挖掘狀態(tài)被顯示在顯示器655上。
可以用某種直接方式手工地執(zhí)行推土鏟505的致動。例如，建筑機(jī)械502的位置數(shù)據(jù)(X1，Y1)，推土鏟邊緣505a的高度H4，或所需的地面高度H2與邊緣的當(dāng)前高度的差，顯示在顯示器655上。該建筑機(jī)械的操作員操縱控制面板656，同時觀察顯示器655，從而，他或她能操縱推土鏟505從高度H4到高度H2。根據(jù)控制面板656上的輸入，將輸入信號傳送給算術(shù)運(yùn)算單元651，促使電氣液壓回路672和液壓缸573移動推土鏟505。不借助算術(shù)運(yùn)算單元651，操作員自己也可以操縱推土鏟致動器。
在上面的實(shí)施例中，光探測器154固定到與推土鏟505相連的桿506上，或者，光探測器154可以安裝在建筑機(jī)械的機(jī)身上。在這種情況下，改變光探測器154與推土鏟505之間的距離H3，從而，在確定液壓缸573的伸縮或者測量支撐推土鏟505的臂的旋轉(zhuǎn)角度之后，必須再次計(jì)算光探測器到推土鏟505的距離H3。在算術(shù)運(yùn)算單元651的算術(shù)運(yùn)算中使用修改過的距離H3來更新高度H4。
雖然已經(jīng)描述了推土機(jī)的推土鏟控制，不過可以使用任何其他的附屬裝置，如滾子來整形地面。
在沒有改變設(shè)計(jì)成接收兩個不同偏振的扇形激光束的光探測器154a，和具有三或更多個光接收部分的光探測器的應(yīng)用時，上述控制過程可能是有效的。
正如已經(jīng)描述的，利用根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)，按照設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)所需自動進(jìn)行找平地面的任務(wù)，并且使用顯示器655上所顯示的數(shù)據(jù)控制找平地面的操作。這使得任何專業(yè)技術(shù)貧乏的工人均能很容易地在建筑工地上操縱找平機(jī)械。
(1.4.4)在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，通過GPS確定在水平面中的位置，是在建筑機(jī)械502和GPS接收器510上進(jìn)行的。不過，在平常使用中，旋轉(zhuǎn)激光器151處于固定位置而不頻繁地移動，從而，一旦確定了旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的位置，并且作為輸入數(shù)據(jù)輸入建筑機(jī)械502中的信號處理器654或算術(shù)運(yùn)算單元651，GPS501就不在需要，或者甚至可以省略。
(1.4.5)對不止一個建筑機(jī)械進(jìn)行控制下面將討論同時使用不止一個推土機(jī)來找平地面。如圖1所示，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151僅發(fā)射扇形激光束152和153，而GPS501僅發(fā)送GPS天線508所接收的位置數(shù)據(jù)，并且設(shè)置另一個具有同樣裝置的建筑機(jī)械502b，能夠以同樣的方法對建筑機(jī)械502b進(jìn)行控制。具體來說，安裝在建筑機(jī)械502b上的光探測器154b接收扇形激光束152和153，接收器553b接收來自無線發(fā)射機(jī)557的無線電波，GPS天線509b從人造衛(wèi)星接收無線電波，等等，從而，獲得完全相同的控制。同樣，可以同時控制操縱數(shù)量進(jìn)一步增加的建筑機(jī)械。
(1.4.6)旋轉(zhuǎn)的激光裝置的操作旋轉(zhuǎn)的激光裝置151不必發(fā)射遍及整個旋轉(zhuǎn)圓周軌跡的扇形激光束。在上面的討論中，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射遍及圓周軌跡的激光束，不過激光發(fā)射可以局限于接收該光束的建筑機(jī)械502的工作區(qū)域所限定的范圍。在這種情形中，激光照射器132(參見圖5)應(yīng)該不時地連續(xù)輻射，不過它可以僅在激光束必須指向建筑機(jī)械的有限時間內(nèi)輻射，這導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)的激光裝置能耗減小。
為了實(shí)現(xiàn)上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，必須將一通信裝置安裝在該建筑機(jī)械502上，以將該建筑機(jī)械的位置信息發(fā)送給旋轉(zhuǎn)的激光裝置151。該旋轉(zhuǎn)的激光裝置151應(yīng)該具有一用于接收該位置信息的裝置，被用來計(jì)算所使用的建筑機(jī)械502的方向。應(yīng)該在投影器103(參見圖4)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105轉(zhuǎn)而面對覆蓋上述方向的范圍的有限時間周期內(nèi)發(fā)射激光束，因此，設(shè)置一控制器來控制馬達(dá)106的旋轉(zhuǎn)以及照射器132的照射。由編碼器117(參見圖4)給出旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的激光發(fā)射范圍。
通過同樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以致動旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的馬達(dá)106，使扇形激光束152和153僅在所用建筑機(jī)械502的工作區(qū)域中進(jìn)行往復(fù)掃描。
(1.5)本發(fā)明建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的其他優(yōu)點(diǎn)在采用現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中，僅確定光接收部分是位于激光束指向的水平面中還是處于傾斜的平面中，從而，單個激光投影器不足以同時找平兩個或更多不同平面區(qū)域。相反，根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)中所使用的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，能夠相對于扇形激光束來確定高程，因此，它能夠在激光束的一次圓掃描中，使均具有光探測器154的不止一個建筑機(jī)械同時在多個位置將地面找平成所需的任何高程。
而且，使用根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)，不僅水平表面的地面，而且可以很容易并且可靠地找平斜面(slope)或等高線(contour)，無需工人的專門技能。另外，由于同一旋轉(zhuǎn)的激光裝置控制不止一個建筑機(jī)械，故可以有利地避免其他激光裝置的干擾導(dǎo)致的建筑機(jī)械的所不需要的操作或者故障。
(2)實(shí)施例2在下面的討論中，將強(qiáng)調(diào)本發(fā)明第二最佳實(shí)施例相對第一實(shí)施例的改變或更改點(diǎn)。因此，此處所省略的任何特點(diǎn)和細(xì)節(jié)均已在第一實(shí)施例中進(jìn)行了討論。
(2.1)建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)在根據(jù)本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例中，如圖29所示，用發(fā)射兩個不同波長的發(fā)散或扇形激光束252和253的旋轉(zhuǎn)的激光裝置251代替第一最佳實(shí)施例中使用的旋轉(zhuǎn)的激光裝置151，并且用能夠識別兩個不同波長的扇形激光束的光探測器254來代替第一實(shí)施例中的光探測器154。其他元件幾乎與第一最佳實(shí)施例中相同。
(2.2)圖30表示發(fā)射不同波長的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置251的第二最佳實(shí)施例。在本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例中，除激光投影器203和其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205以外的元件與第一實(shí)施例中的相同。用在后兩個數(shù)字前面加上前綴2而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的圖30中所示的所有其余元件。
雖然在第一實(shí)施例中使用兩個不同偏振的扇形光束，但在第二實(shí)施例中使用不同波長的兩個扇形光束。
在第二實(shí)施例中，在從該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射之前，將兩個扇形光束252和253調(diào)制成波長彼此不同，使得它們可以相互區(qū)別。通過這種結(jié)構(gòu)，可以獲得與使用兩個不同偏振的扇形激光束所得到的相同的效果。
圖31表示根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)的激光裝置251中的激光投影器203和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205。如圖31所示，激光投影器203采用兩個激光照射器232和243，發(fā)射不同波長的光。當(dāng)激光照射器232和243為激光二極管時，所發(fā)射的激光束是線偏振的。在圖31中，用虛線表示激光照射器232發(fā)出的激光束的偏振方向，用點(diǎn)劃線表示激光照射器243發(fā)出的激光束的偏振方向。兩激光束被引導(dǎo)到偏振分束器242中。偏振分束器242透過激光照射器232發(fā)出的沿X-方向偏振的激光，并反射激光照射器243發(fā)出的沿垂直于X-方向的Y-方向偏振的激光。從偏振分束器242透過或反射的激光束，在由共享的準(zhǔn)直透鏡233準(zhǔn)直之后，入射在四分之一(1/4)波片240上。該四分之一波片240被取向?yàn)椋箒碜约す馔队捌?03的激光束為彼此反向的圓偏振。透過該四分之一波片240的激光束，在入射在四分之一波片239上之后被線偏振。
雖然旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205被旋轉(zhuǎn)支撐，不過這不影響從中發(fā)射的激光束，因?yàn)樗鼈兪菆A偏振的，并且透過另一四分之一波片239的光束呈線偏振，其方向由四分之一波片239決定。透過四分之一波片239的激光束入射在偏振分束器241上。偏振分束器241反射來自激光照射器232的激光束，并透過來自激光照射器243的激光束。
被反射的激光入射在四分之一波片238上，被圓偏振，然后被柱面反射鏡236反射。該柱面反射鏡236被取向?yàn)椋剐D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205發(fā)出的激光束與水平面成角度α。從柱面反射鏡236反射的激光束再次通過四分之一波片238，射出時，所產(chǎn)生的光沿與入射在該波片上的光旋轉(zhuǎn)90°的方向偏振。因此，在透過四分之一波片238以后，該激光透過偏振分束器241，然后被從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205投射出去。
透過偏振分束器241的激光，在入射在四分之一波片237上之后被圓偏振，然后從柱面反射鏡235反射。該柱面反射鏡235被取向?yàn)?，使從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205投射出的激光束與水平面成角度β。從柱面反射鏡235反射的激光束，再次通過四分之一波片237，射出時，所產(chǎn)生的光沿與入射在該波片上的激光束旋轉(zhuǎn)90°的方向偏振。這樣，該激光在透過四分之一波片237之后，被偏振分束器241反射，然后被從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205投射出去。
該偏振分束器242可以是二向色反射鏡(die clock mirror)。
(2.3)光探測器圖32A為正視圖，表示本發(fā)明第二實(shí)施例中的光探測器254，圖32B為沿圖32A中線A-A所取的剖面圖。除了根據(jù)不同波長識別光的光接收部分以外，所有元件與第一實(shí)施例中的相同。用在后兩個數(shù)字前面加上前綴2而不是1的附圖標(biāo)記來表示相當(dāng)于第一實(shí)施例中對應(yīng)物的圖32A，32B中所示的所有其余元件。
如圖32A，32B所示，第二實(shí)施例中的光探測器254根據(jù)各自的波長來識別和區(qū)分入射在光接收部分255和256上的扇形光束252和253。光接收部分255和256分別具有二向色反射鏡268和269，它們?nèi)Q于入射激光束的波長而透射或反射激光。光接收部分255c和256c用于透過二向色反射鏡268和269的光，而光接收部分255b和256b用于從該反射鏡反射的光，從而區(qū)別入射激光的波長。
(2.4)第二實(shí)施例建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的操作可以不加改變和變型地將根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例中所解釋的測量過程應(yīng)用于本發(fā)明第二實(shí)施例，也就是建筑機(jī)械控制系統(tǒng)200中。
(3)實(shí)施例3在下面的討論中，將強(qiáng)調(diào)本發(fā)明第三最佳實(shí)施例相對第一實(shí)施例的改變或變更點(diǎn)。因此，此處所省略的任何特點(diǎn)和細(xì)節(jié)已經(jīng)在第一實(shí)施例中進(jìn)行了討論。
(3.1)建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)將概述根據(jù)本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的第三實(shí)施例。如圖33所示，第三最佳實(shí)施例，即建筑機(jī)械控制系統(tǒng)300，包括旋轉(zhuǎn)的激光裝置351和光探測器354。旋轉(zhuǎn)的激光裝置351圍繞點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)射發(fā)散或扇形光束352和353，且光探測器354接收該扇形光束352和353。諸如扇形光束的發(fā)射角的細(xì)節(jié)均與第一實(shí)施例中相同。
(3.2)發(fā)射兩個被調(diào)制成不同頻率的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置圖34中表示出第三最佳實(shí)施例，即旋轉(zhuǎn)的激光裝置351。除了激光投影器303和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)305以外，其他所有元件均與第一實(shí)施例中的相同。在第三實(shí)施例中，用在后兩個數(shù)字前面加上前綴3而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的圖33中所示的所有其余元件。
雖然在第一實(shí)施例中使用不同偏振的兩個扇形光束，不過在第三實(shí)施例中使用被調(diào)制成不同頻率的兩個扇形光束。
在第三實(shí)施例中，從旋轉(zhuǎn)的激光裝置351發(fā)射的兩個扇形光束352和353被調(diào)制成頻率不同，使得可以彼此區(qū)別兩個光束。照這樣進(jìn)行改變，可以獲得與使用兩個不同偏振的扇形光束所得到的相同的結(jié)果。
圖35中表示出該旋轉(zhuǎn)的激光裝置351的激光投影器303和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)305。如從圖35中可以看出，激光投影器303具有可發(fā)射調(diào)制成不同頻率的光束的兩個激光照射器332和343。當(dāng)激光照射器332和343為激光二極管時，它們發(fā)出的激光束是線偏振的。在圖35中，用虛線表示激光照射器332發(fā)射的激光的偏振方向，用點(diǎn)劃線表示激光照射器343發(fā)射的激光的偏振方向。對來自激光照射器332和343的激光進(jìn)行投影的光學(xué)系統(tǒng)與第二實(shí)施例相同。
(3.3)光探測器圖36A為正視圖，表示本發(fā)明第三實(shí)施例中的光探測器354，圖36B為沿圖36A中線A-A所取的剖面圖。除了根據(jù)不同頻率來識別光的光接收部分以外，所有元件與第一實(shí)施例中的相同。用在后兩個數(shù)字前面加上前綴3而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的圖36A，36B中所示的所有其余元件。
如圖36A，36B所示，第三實(shí)施例中的光探測器354具有一算術(shù)運(yùn)算單元366，其判斷所接收的光的狀態(tài)，并且用于根據(jù)其各自的頻率，識別和區(qū)分入射在光接收部分355和356上的扇形光束352和353。光接收部分355和356分別具有根據(jù)入射激光束的頻率而透過或反射激光的分束器368和369。光接收部分355c和356c用于透過分束器368和369的光，而光接收部分355b和356b用于從分束器反射的光，從而區(qū)別入射激光的頻率。
(3.4)第三實(shí)施例建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的操作可以不加改變和變型地將根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例中所解釋的測量過程應(yīng)用于本發(fā)明第三實(shí)施例，也就是建筑機(jī)械控制系統(tǒng)300中。
(3.4.1)發(fā)散光束的調(diào)制和被調(diào)制光束的探測將描述兩個發(fā)散或扇形光束352和353的調(diào)制方式。如圖37所示，兩扇形光束被調(diào)制成以彼此不同的頻率出現(xiàn)。圖38表示光接收部分上分別探測的扇形光束352和353的例子。扇形光束的閃爍周期必須彼此具有足夠的不同，以便相互區(qū)別該扇形光束。與扇形光束352和353掃描光探測器354中光接收部分355和356所需的時間周期t0相比，閃爍周期必須足夠短。光接收部分上接收的扇形光束352和353的探測信號被處理成圖38中虛線所表示的擴(kuò)展波，以便獲得扇形光束352和353的探測之間的時間延遲t0。
該光探測器具有一調(diào)制頻率確定電路，并且可分別地探測扇形光束352和353。調(diào)制頻率確定電路計(jì)算在預(yù)定時間周期內(nèi)探測到的每個激光束的脈沖數(shù)，以確定用來識別兩個扇形光束的調(diào)制頻率。根據(jù)探測來區(qū)別兩個扇形光束352和353，使得即使光探測器僅具有一個光接收部分，也能夠通過單次測量來判斷光探測器處于水平參考平面上面還是下面。
或者，如圖39所示，可以將扇形光束352和353調(diào)制成交替照射。用這種方式調(diào)制，如果以較短時間延遲依次探測兩個扇形光束，能如圖40所示進(jìn)行區(qū)別，可以精確地確定該時間延遲t0。
又或，可以應(yīng)用圖37和39中組合調(diào)制特征的調(diào)制。具體來說，如圖41所示，首先將扇形光束352和353調(diào)制成交替照射，然后在扇形光束繼續(xù)照射的部分周期中進(jìn)一步調(diào)制成閃爍。與閃爍范圍周期的一部分重疊的交替照射的周期，在兩個扇形光束352和353之間交替。用這種方式調(diào)制，兩個扇形光束352和353可彼此區(qū)別，能夠確定光探測器處于水平參考平面上面還是下面。而且，如果時間延遲t0較短的話，可以精確確定兩扇形光束探測之間的時間延遲t0。
(4)其它實(shí)施例
(4.1)扇形光束的改變雖然在所有上述實(shí)施例中使用發(fā)射兩個扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，不過可以用同時發(fā)射三或更多個扇形激光束的另外的旋轉(zhuǎn)的激光裝置來實(shí)現(xiàn)建筑機(jī)械控制系統(tǒng)。在這種情況下，適當(dāng)?shù)剡x擇兩個扇形光束用與上述實(shí)施例完全相同的方式進(jìn)行測量。
圖42A到42J舉例表示扇形光束的發(fā)射圖案。圖42A到42J表示從光探測器一側(cè)觀看的扇形光束的橫截面，其中點(diǎn)劃線表示水平參考平面。根據(jù)上述實(shí)施例，圖42C到42J表示三或更多個扇形光束的多種發(fā)射圖案。扇形光束與水平參考平面的交線最好彼此等間距隔開。對于圖42A到42C中的發(fā)射圖案，當(dāng)光探測器處于水平面中時，扇形光束不相重疊，從而，可以精確地確定探測中的時間延遲，不用將扇形光束調(diào)制成彼此不同的偏振。
并且，當(dāng)按圖42C到42G和圖42I以及圖42J的圖案進(jìn)行發(fā)射時，如果考慮在水平面中的話，用彼此相等的時間延遲依次連續(xù)地探測三個扇形光束，這就是尋找水平參考平面很便利的原因。并且，如上所述，可以在所有光束之中適當(dāng)選擇兩個扇形激光束，用與上述實(shí)施例完全相同的方式進(jìn)行測量；也就是，由于兩個時間延遲的比值可能僅與光探測器相對水平面的角位置的一種組合相關(guān)，故找出一個時間延遲與另一個的比值，能立即得出光探測器相對水平面的角度。當(dāng)僅考慮兩個扇形激光束時，需要旋轉(zhuǎn)周期T來獲得角度，不過在使用三個或更多扇形光束時不再需要。這證明，上述實(shí)施例可以獲得精確的測量，不受旋轉(zhuǎn)的激光裝置旋轉(zhuǎn)誤差的影響。
如圖42H所示的圖案，連續(xù)探測四個扇形光束，產(chǎn)生從一次探測到另一次探測的三個時間延遲，并對它們求平均，結(jié)果提高了測量精度。如圖42I和42J所示將光束圖案化，光探測器的靈敏度從探測水平面附近的光到探測其他區(qū)域的光發(fā)生變化。例如，雖然光探測器與水平面的較小偏離導(dǎo)致在水平面附近的探測之間時間延遲的較大改變，但在遠(yuǎn)離水平面的高度上光探測器的垂直位移對延遲的影響不大。這樣，可以根據(jù)光探測器上的探測之間的時間延遲精確地探測水平參考平面。在本說明書中，將擴(kuò)展成彎曲或皺褶平面的激光束(如圖42I和42J中間的激光束)稱作扇形光束。對于彎曲或皺褶的扇形光束，該扇形激光束的傾角是通過該彎曲或皺褶面上任意一點(diǎn)的切線的傾角。
通過重復(fù)上述按照用于圖42C到42H中發(fā)射圖案的任意兩個扇形光束的計(jì)算過程，在所接收的扇形光束的基礎(chǔ)上執(zhí)行找出距離水平參考平面的高程的計(jì)算。對于圖42I和42J中的發(fā)射圖案，適當(dāng)改變該計(jì)算過程，可獲得距離水平參考平面的高程。
如圖6所示，通過在發(fā)射扇形光束的光學(xué)系統(tǒng)中的光路上設(shè)置一適當(dāng)?shù)难苌涔鈻艁韺?shí)現(xiàn)所有這些發(fā)射圖案。沒有衍射光柵，也可以產(chǎn)生上述發(fā)射圖案。圖43表示產(chǎn)生如圖42C所示圖案化的扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置其激光投影器403和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)405的實(shí)施例。在圖43中，用在后兩個數(shù)字前面加上前綴4而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的所有其余元件。激光束在從激光照射器發(fā)射之后，通過準(zhǔn)直透鏡433和四分之一(1/4)波片440和439，然后入射在偏振分束器441上。入射在偏振分束器441上的激光束，其一部分透過它，且透過四分之一波片437并被柱面反射鏡435反射，之后，再次透過四分之一波片437入射在偏振分束器441上。此入射的激光束被分束器441反射，從而，與水平參考平面成β傾角投射出扇形光束453。
另一方面，從四分之一波片439射出并入射在偏振分束器441上的激光束，被分束器441部分反射，然后入射在四分之一波片438上。此入射在四分之一波片438上的激光束，在經(jīng)過它之后透過偏轉(zhuǎn)棱鏡460，然后被柱面反射鏡436反射。該柱面反射鏡436被取向?yàn)?，使它投射出垂直發(fā)散的扇形光束。被柱面反射鏡436反射的激光束再次進(jìn)入偏轉(zhuǎn)棱鏡，并形成兩個垂直發(fā)散的扇形光束。該扇形光束透過四分之一波片438和分束器441，從而投射出扇形光束452a和452b。
參照圖44，現(xiàn)在將討論發(fā)射如圖42C所示圖案化的發(fā)散或扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置其激光照射器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的改變或變型實(shí)施例。本實(shí)施例的激光投影器503包括一激光照射器532和一準(zhǔn)直透鏡533。本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505具有三個等放大率的擴(kuò)束器562a、562b和562c，三個柱面透鏡564a、564b和564c，和三個反射鏡566a、566b和566c。
由激光照射器532發(fā)射的激光被準(zhǔn)直透鏡533準(zhǔn)直。透過準(zhǔn)直透鏡533的激光入射在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505的三個等放大率的擴(kuò)束器562a、562b和562c上。入射在等放大率擴(kuò)束器562上的激光束以預(yù)定比率傾斜。透過等放大率擴(kuò)束器562a、562b和562c的激光束，分別被柱面透鏡564a、564b和564c分束和擴(kuò)展成扇形光束553、552b和552a。從柱面透鏡564a、564b和564c射出的扇形激光束分別被反射鏡566a、566b和566c反射，并且分別沿與旋轉(zhuǎn)的激光裝置的旋轉(zhuǎn)軸正交的方向投射出去。
在這種情況下，由于激光在透過等放大率擴(kuò)束器562之后被反射鏡566反射，則該激光束的偏轉(zhuǎn)角僅依賴于透過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505的偏轉(zhuǎn)角。從而，扇形光束553，552b和552a的發(fā)射方向不受激光照射器503與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505之間失調(diào)的影響。在某些應(yīng)用中，為了屏蔽并非激光投影器503發(fā)射的激光束進(jìn)入等放大率擴(kuò)束器562，可以在等放大率擴(kuò)束器562下設(shè)置一遮光框(未示出)?；蛘?，為了屏蔽并非激光照射器532發(fā)出的激光束進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡533，可以在激光照射器532與準(zhǔn)直透鏡533之間設(shè)置一遮光框(未示出)。
參照圖45和46，下面將描述發(fā)射如圖42C所示圖案化的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置其激光照射器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的另一改變或變型實(shí)施例。本實(shí)施例的激光投影器603包括一激光照射器632和一準(zhǔn)直透鏡633。本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)605具有一有三個孔徑672a、672b和672c的遮光框672，一對通過遮光框672的激光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的五棱鏡674，固定到五棱鏡674上以將光束擴(kuò)展成發(fā)散扇形形狀的柱面透鏡675和676，以及對來自五棱鏡674的激光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和準(zhǔn)直的楔形棱鏡678。
由激光照射器632發(fā)射的激光被準(zhǔn)直透鏡633準(zhǔn)直。透過準(zhǔn)直透鏡633的激光入射在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)605中的遮光框672上。該激光束在通過遮光框672中的孔徑672a以后，入射在五棱鏡674上，并且在其中被偏轉(zhuǎn)。在圖46中，來自孔徑672a的激光束直接入射在五棱鏡674的底部，且由該五棱鏡將光束偏轉(zhuǎn)90°，以從其豎直面射出。激光入射在與五棱鏡674的豎直面相連的柱面透鏡676上，其被擴(kuò)展成與水平面成預(yù)定傾角的扇形光束653。另一方面，穿過孔徑672b和672c的激光，入射在與五棱鏡674的底部相連的柱面透鏡675上，所產(chǎn)生的分離激光束被擴(kuò)展成發(fā)散扇形形狀，然后在五棱鏡674中被偏轉(zhuǎn)90°。激光束被引導(dǎo)到與固定在五棱鏡674的豎直面上的柱面透鏡676的下部相連的楔形棱鏡678上，然后被水平偏轉(zhuǎn)，從而，投射出扇形光束652a和652b。
在這種情況下，激光束在五棱鏡674中分別反射兩次，激光束被偏轉(zhuǎn)的角度僅取決于透過該五棱鏡674時的偏轉(zhuǎn)角。從而，扇形光束653、652b和652a的發(fā)射方向不受激光投影器603與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)605之間失調(diào)的影響。在某些應(yīng)用中，為了阻擋并非激光照射器632所發(fā)射的激光束進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡633，可以在激光照射器632與準(zhǔn)直透鏡633之間設(shè)置一遮光框(未示出)。
(4.2)建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的其他改變和變型已經(jīng)描述了建筑機(jī)械控制系統(tǒng)的多個實(shí)施例，強(qiáng)調(diào)了特殊的例子，如包括分別發(fā)射在水平參考平面內(nèi)和外彼此相交的兩個扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射三或更多個扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射兩個不同偏振的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射分別被調(diào)制成具有不同頻率或波長的激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，具有單個光接收部分的光探測器，具有不止一個垂直或水平設(shè)置的光接收部分的光探測器，能夠區(qū)別不同偏振的扇形光束的光探測器，和能夠區(qū)別被分別調(diào)制成具有不同頻率或波長的扇形光束的光探測器的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)。任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都應(yīng)該想到，在不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的真實(shí)范圍的條件下，可對上述實(shí)施例的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)組合修改。
根據(jù)本發(fā)明，單個旋轉(zhuǎn)的激光裝置能對不止一個建筑機(jī)械進(jìn)行控制，使建筑機(jī)械能同時在不同高度找平地面。另外，還使工人能夠操縱建筑機(jī)械有效地平整傾斜的地面，無論其執(zhí)行這種任務(wù)的專業(yè)技術(shù)水平如何，還允許對不止一個建筑機(jī)械進(jìn)行控制，同時平整或整形不同傾斜的地面。
權(quán)利要求
1.一種建筑機(jī)械控制系統(tǒng)，包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置，它發(fā)射兩或更多個扇形的激光束，同時圍繞一給定軸旋轉(zhuǎn)該激光束，這兩或更多個扇形激光束在并非水平面的平面中發(fā)散(diverging)，其中扇形激光束之一的傾斜角度不同于其余的扇形激光束，一安裝在建筑機(jī)械上的用于接收該扇形激光束的光探測器，一安裝在該建筑機(jī)械上的用于確定該建筑機(jī)械位置的GPS接收器，以及一設(shè)置在該建筑機(jī)械中的算術(shù)運(yùn)算器，該算術(shù)運(yùn)算器從該GPS接收器接收探測到的信號，以確定該建筑機(jī)械的位置，并且該算術(shù)運(yùn)算器根據(jù)光探測器上接收的扇形激光束的探測之間的時間延遲，計(jì)算并產(chǎn)生對該建筑機(jī)械的控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中除了有關(guān)地形數(shù)據(jù)的信號以外，該算術(shù)運(yùn)算器在來自光探測器和GPS接收器的探測信號的基礎(chǔ)上，計(jì)算并產(chǎn)生對該建筑機(jī)械的控制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一致動器機(jī)構(gòu)，其根據(jù)輸入該建筑機(jī)械的控制信號被致動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置被設(shè)置在一已知位置，該算術(shù)運(yùn)算器根據(jù)該已知位置的數(shù)據(jù)計(jì)算控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一用來確定該旋轉(zhuǎn)激光裝置的位置的GPS基地裝置，該算術(shù)運(yùn)算器能夠確定該建筑機(jī)械與該旋轉(zhuǎn)激光裝置的相對位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該兩或更多個扇形激光束在該水平面內(nèi)彼此相交。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射兩或更多個偏振彼此不同的扇形激光束。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射兩或更多個被調(diào)制成彼此不同頻率的扇形激光束。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射兩或更多個彼此不同波長的扇形激光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該光探測器具有兩個光接收部分，分別接收該扇形激光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該光探測器具有三或更多個光接收部分，分別接收該扇形激光束。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射強(qiáng)度從一個部分到另一個部分變化的扇形激光束。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射三或更多個彼此等距離地與該水平面相交的扇形激光束。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射三或更多個在其被光學(xué)接收的范圍內(nèi)彼此不相交的扇形激光束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種解決方案，使單個旋轉(zhuǎn)的激光裝置能控制不止一個建筑機(jī)械，以使該建筑機(jī)械能同時分別將地形向上或向下找平到不同高度。本發(fā)明的建筑機(jī)械控制系統(tǒng)包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置，它發(fā)射至少兩個在非水平面的平面內(nèi)發(fā)散同時圍繞一給定軸旋轉(zhuǎn)的扇形激光束；一安裝在建筑機(jī)械上以接收扇形激光束的光探測器；一安裝在該建筑機(jī)械上的用來確定該建筑機(jī)械位置的GPS接收器；以及一安裝在該建筑機(jī)械上的算術(shù)運(yùn)算單元，其中一扇形激光束以與其它扇形激光束不同的仰角或俯角發(fā)射，該算術(shù)運(yùn)算單元從GPS接收器接收探測到的信號，確定該建筑機(jī)械的位置，并接收當(dāng)光探測器分別接收扇形激光束時時間之間的延遲，計(jì)算并產(chǎn)生對該建筑機(jī)械的控制信號。
文檔編號E02F9/20GK1434177SQ0310175
公開日2003年8月6日 申請日期2003年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月21日
發(fā)明者大有文夫, 林邦広 申請人:拓普康株式會社