專利名稱：用于機器零件控制的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及機器控制方法和系統(tǒng)，所述機器控制方法和系 統(tǒng)用于具有諸如平路機、銑床、鋪路機以及滑動成型機之類的機器零 件的機器。更具體來說，本發(fā)明涉及一種利用固定追蹤站的機器控制 方法和系統(tǒng)，所述固定追蹤站確定所述機器零件的位置和方向，并且 將此信息發(fā)送給所述機器以用于控制所述機器零件的操作。
背景技術(shù)：
期望對各種相對低速移動的機器的位置和移動進(jìn)行監(jiān)測，所述機 器例如包括平路機、鋪路機以及滑動成型機的施工機械，并且期望對 與這種機器有關(guān)的機器零件的位置、取向以及移動進(jìn)行監(jiān)測。隨后將 這種信息用于對所監(jiān)測的機器的操作進(jìn)行控制。雖然過去，機器操作員在操作這種裝備時，依賴于由作業(yè)現(xiàn)場處 的測量員設(shè)置的物理參數(shù)，但已經(jīng)開發(fā)了自動機器控制系統(tǒng)，其提供 諸如激光的基準(zhǔn)光束的光學(xué)參數(shù)來指定高程。在這種系統(tǒng)中，安裝在 平路機上的激光接收機感測所述激光束并且提供高程基準(zhǔn)。由機器操 作員或者通過自動控制來將感測到的基準(zhǔn)激光束的高程與設(shè)置點進(jìn)行 比較。隨后基于此信息通過操作員手動或者通過自動控制自動地控制 所述機器零件的移動。利用以多種方法中的任意一種確定的機器位置，可在施工現(xiàn)場依據(jù)所述機器的x軸位置和y軸位置來對所述設(shè)置點(即 預(yù)期垂直位置)進(jìn)行設(shè)置。已經(jīng)在測量和機器控制這兩方面應(yīng)用了全站儀。在傳統(tǒng)測量應(yīng)用 中，位于已知位置的全站儀將激光束導(dǎo)向由在待測量點處的測量員放 置的覘標(biāo)(target)。所述覘標(biāo)包括將所述激光束反射回所述全站儀 的回射器。通過測量所述激光束的行程時間，來確定所述全站儀與所
述覘標(biāo)之間的距離。還通過測量從所述全站儀到所述覘標(biāo)的所述激光 束的方向，即定義了從所述全站儀到所述覘標(biāo)的矢量的高度和方位角， 來精確地確定所述覘標(biāo)的位置。已經(jīng)開發(fā)了能夠在無操作員參與的情況下對覘標(biāo)進(jìn)行定位和追 蹤的機器人全站儀。利用機器人全站儀，測量員在施工現(xiàn)場周圍移動 所述覘標(biāo)。在所述機器人全站儀中的伺服電機促使所述機器人全站儀 向所述覘標(biāo)轉(zhuǎn)動，隨著測量員向施工現(xiàn)場的各位置移動而提供精確的 角度和距離測量。所述全站儀在遠(yuǎn)程覘標(biāo)移動時自動追蹤所述遠(yuǎn)程覘 標(biāo)，由此提供所述覘標(biāo)的實時位置數(shù)據(jù)。還將機器人全站儀應(yīng)用于機器控制。典型地以一個機器一個覘標(biāo) 的方式，使用機器人全站儀。將位置信息遠(yuǎn)程傳送到機器控制系統(tǒng)， 在所述機器控制系統(tǒng)處，控制軟件針對工作計劃對機器零件位置進(jìn)行 計算。單個機器零件上的多個覘標(biāo)需要多個機器人全站儀。這種配置 有些復(fù)雜。因此存在對利用單個全站儀的簡化系統(tǒng)的需求。發(fā)明內(nèi)容通過根據(jù)本發(fā)明的對機器零件的位置和方向進(jìn)行監(jiān)測的方法來滿足這種需求。所述方法包括以下步驟提供在相對于所述機器零件 的已知位置中的多個覘標(biāo)；在所述機器零件附近的已知位置處提供全 站儀；利用所述全站儀重復(fù)地相繼確定每個覘標(biāo)的位置；并且基于所 述覘標(biāo)的位置來確定所述機器零件的取向。利用所述全站儀重復(fù)地交替確定每個覘標(biāo)的位置的步驟包括以 下步驟將激光束從所述全站儀重復(fù)地相繼導(dǎo)向所述覘標(biāo)，并且測量 從所述全站儀到所述覘標(biāo)中每一個的距離和從所述全站儀到所述覘標(biāo) 中每一個的方向。利用所述全站儀重復(fù)地相繼確定每個覘標(biāo)的位置的步驟包括通' 相繼獲得所述覘標(biāo)的步驟包括以下步驟:'存儲所i覘標(biāo)中每一個 的檢測位置和所述覘標(biāo)中每一個的移動歷史，并且在將所述激光束重 復(fù)地相繼導(dǎo)向所述覘標(biāo)中每一個時，預(yù)測所述一對覘標(biāo)中每一個的位 置，由此便于所述覘標(biāo)的重新獲得。這可在機器人全站儀自身處進(jìn)行， 或者通過機器控制系統(tǒng)進(jìn)行并且將預(yù)測的位置傳送回所述機器人全站 儀。提供在相對于所述機器零件的已知位置中的多個覘標(biāo)的步驟可以包括提供固定在所述機器零件上的已知位置中并且可隨著所述機 器零件移動的一對覘標(biāo)。提供固定在所述機器零件上的已知位置中并且可隨著所述機器 零件移動的一對覘標(biāo)的步驟可以包括提供相對于所述機器零件位置 固定的一對覘標(biāo)。一種控制機器零件的移動的方法，所述方法包括以下步驟提供 在相對于移動機器零件的已知位置中的多個覘標(biāo)；在所述移動機器零 件附近的已知位置處提供全站儀；利用所述全站儀來重復(fù)地相繼確定 每個覘標(biāo)的位置；將由所述全站儀確定的每個覘標(biāo)的位置從所述全站 儀發(fā)送到所述機器；在所述機器處，基于所述覘標(biāo)的位置來確定所述 機器零件的取向；以及在所述機器處，響應(yīng)于所確定的所述覘標(biāo)的位置和所確定的所述機器零件的取向來控制所述機器零件的移動。利用所述全站儀來重復(fù)地相繼確定每個覘標(biāo)的位置的步驟包括以下步驟將激光束從所述全站儀重復(fù)地相繼導(dǎo)向所述多個覘標(biāo)中的每一個，并且測量從所述全站儀到所述多個覘標(biāo)中每一個的距離和從所述全站儀到所述一對覘標(biāo)中每一個的方向的步驟。利用所述全站儀來重復(fù)地相繼確定每個覘標(biāo)的位置的步驟包括標(biāo)。相繼獲得所述覘標(biāo)的步驟包括存儲所述覘標(biāo)中每一個的檢測位 置和所述覘標(biāo)中每一個的移動歷史，并且隨著將所述激光束重復(fù)地相 繼導(dǎo)向所述覘標(biāo)中的每一個來預(yù)測所述覘標(biāo)中每一個的位置，由此便 于所述覘標(biāo)的重新獲得。提供在相對于所述機器零件的已知位置中的多個覘標(biāo)的步驟包
括以下步驟提供固定在所述機器零件上的已知位置中并且可隨所述 機器零件移動的一對覘標(biāo)。提供固定在所述機器零件上的已知位置中并且可隨所述機器零件移動的一對覘標(biāo)的步驟包括提供相對于所述機器零件在固定位置中 的一對覘標(biāo)。一種用于控制機器上的機器零件的移動的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 所述機器上的控制器，用于控制所述機器零件；多個覘標(biāo)，安裝在相 對于移動機器零件的已知位置中；以及全站儀，被放置在所述移動機 器零件附近的已知位置處。所述全站儀包括激光源，用于在所述覘 標(biāo)上提供激光束；覘標(biāo)預(yù)測單元，用于基于所述覘標(biāo)的在先位置和移 動來預(yù)測所述覘標(biāo)中每一個的位置；光束控制器，用于將所述激光束 導(dǎo)向所述覘標(biāo)，并且重復(fù)地相繼確定每個覘標(biāo)的位置；以及發(fā)射器， 用于將所述覘標(biāo)中每一個的位置發(fā)送給所述機器上的控制器?？衫?測得的所述覘標(biāo)的位置來控制所述機器零件的位置、取向以及移動。所述全站儀還可以包括測量單元，所述測量單元用于測量從所述 全站儀到所述覘標(biāo)中每一個的距離和從所述全站儀到所述覘標(biāo)中每一 個的方向。所述多個覘標(biāo)可以包括一對覘標(biāo)。因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的用于控制機器和機器零件 的系統(tǒng)和方法。根據(jù)下面的說明、附圖以及所附權(quán)利要求將明了本發(fā) 明的其它目的和優(yōu)點。


圖1是在根據(jù)本發(fā)明的用于機器零件控制的方法和設(shè)備中使用的 一種類型的機器人全站儀的示圖；圖2是在根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備中使用的 一種類型的覘標(biāo)的示 圖；以及圖3是例示了根據(jù)本發(fā)明的用于機器零件控制的設(shè)備和方法的示圖。參照圖1-3，所述圖1-3例示了本發(fā)明的設(shè)備和方法，所述設(shè)備
和方法用于監(jiān)測機器零件的位置和取向，并且控制機器零件的移動。圖1描繪了機器人全站儀10，所述機器人全站儀10包括基礎(chǔ)部12、 旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)儀部14和電子距離測量部16。旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)儀部14在基礎(chǔ)部12 上以全360度的旋轉(zhuǎn)范圍關(guān)于垂直軸旋轉(zhuǎn)。電子距離測量部16類似地 在旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)儀部14中關(guān)于水平軸旋轉(zhuǎn)。利用這種配置，距離測量部 16能夠?qū)嶋H上在任何方向上朝著覘標(biāo)取向，從而能夠測量從全站儀10 到所述覘標(biāo)的距離。電子距離測量部16經(jīng)由透鏡18將激光束發(fā)向覘標(biāo)20。如圖2 所示，覘標(biāo)20包括圍繞其周圍設(shè)置的多個回射器部件22?；厣淦鞑?件22可以是具有將所接收的光沿其來源方向反射回的特性的回射立 方體或者其它反射器。覘標(biāo)20還包括將閃光向上導(dǎo)向反相圓錐反射器 26上的LED閃光燈24。光線從反射器26全方向地向外反射，并且提 供了輔助機器人全站儀獲得或者重新獲得覘標(biāo)20的手段。可將一覘標(biāo) 的閃光頻率或者其脈動頻率設(shè)置為不同于其它覘標(biāo)的閃光頻率或者其 脈沖頻率，由此使得全站儀能夠區(qū)分這些覘標(biāo)。由圖1的全站儀10向覘標(biāo)20發(fā)射的激光束被覘標(biāo)20反射回來， 并且隨后通過透鏡18由電子距離測量部16接收。然而，在其它全站 儀配置中，激光也可通過分離的透鏡來接收。優(yōu)選的是，激光束是脈 沖激光束，這樣便于測量光從全站儀10到覘標(biāo)20以及返回所需的時 間。如果提供精確的行進(jìn)時間測量，則可直接計算全站儀與覘標(biāo)之間 的距離。于是，方位角、角度以及高度角測量與所計算出的全站儀IO 與覘標(biāo)20之間的距離 一起提供了覘標(biāo)20相對于全站儀10的位置的極 坐標(biāo)。機器人全站儀10包括具有鍵區(qū)30和顯示器32的控制器28。機 器人全站儀10包括伺服機構(gòu)(未示出)，所述伺服機構(gòu)通過控制電子 距離測量部16繞著水平軸的旋轉(zhuǎn)，并且控制照準(zhǔn)儀部分14繞著垂直 軸的旋轉(zhuǎn)來為電子距離測量部16確定方向。機器人全站儀10還包括 允許將位置和測量數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程位置的無線電發(fā)射機(未示出)和 天線34。 參考圖3，圖3以示意性方式例示了用于控制機器38上的機器零 件36的移動的系統(tǒng)。機器零件被示出為通過液壓缸40在機器38上移 動的平伊36。機器38上的控制器42對機器38的操作進(jìn)行控制，該 操作包括通過液壓缸40而移動平伊36。 一對覘標(biāo)44和46借助于桅 桿48和50而安裝在相對于機器零件36的已知位置中。測斜器45提 供機器零件36的傾斜角(angular pitch )的指示。全站儀10被設(shè)置在機器38和機器零件36附近的已知位置處。 全站儀10包括用于從指向覘標(biāo)44或者覘標(biāo)46的透鏡18提供激光束 的激光源。全站儀IO中的控制器28包括覘標(biāo)預(yù)測單元，所述覘標(biāo)預(yù) 測單元用于基于一對覘標(biāo)44和46的在先位置和移動來預(yù)測一對覘標(biāo) 44和46中每一個的位置，或者另選的，通過控制器42來計算預(yù)測位 置信息并且將該預(yù)測位置信息發(fā)送回全站儀10?？刂破?8包括光束 控制器，所述光束控制器將激光束導(dǎo)向覘標(biāo)44和46,并且重復(fù)地交 替確定每個覘標(biāo)的位置。到覘標(biāo)44的激光光路徑被標(biāo)記為52并且到 覘標(biāo)46的激光光路徑被標(biāo)記為52，。全站儀10中的發(fā)射器將覘標(biāo)44 和46中每一個的位置經(jīng)由機器38上的天線34和天線54發(fā)送到機器 38上的控制器42。應(yīng)該理解，可利用覘標(biāo)44和46的測量位置來確定機器零件36 相對于全站儀10的預(yù)期位置、取向以及移動?？刂破?2可利用此信 息來操作機器38。通過全站儀10來監(jiān)測機器零件36的位置和取向，并且將此信息 提供給機器38，以便機器38利用此信息來自動或者人工地控制部件 36。 一對覘標(biāo)44和46被設(shè)置在相對于機器零件的已知位置中。在圖 3中，例示出如下結(jié)構(gòu)，例如在該結(jié)構(gòu)中將覘標(biāo)對稱地安裝在機器零 件36的各端部處的桅桿48和50上。全站儀10被設(shè)置在機器零件36 附近的已知位置處。在本發(fā)明的方法中，利用機器人全站儀10來重復(fù) 地交替確定覘標(biāo)44和46中每一個的位置。隨后通過控制器42基于所 述一對覘標(biāo)44和46的位置來確定機器零件36的位置和取向。應(yīng)該理 解，也可使用諸如三個覘標(biāo)或者四個覘標(biāo)的多個覘標(biāo)，利用全站儀重
復(fù)地相繼確定所述多個覘標(biāo)中每一個的位置。這種配置可提供更高的 精確度并且如果全站儀不能獲得覘標(biāo)之一，也能有助于系統(tǒng)的操作。沿著光路52和52，相對快速地將激光束交替導(dǎo)向所述一對覘標(biāo) 44和46之一，然后導(dǎo)向另一個。在從圓錐鏡56和58全方向地向外 反射的閃控脈沖光的幫助下，通過機器人全站儀10來交替獲取覘標(biāo)。 覘標(biāo)的測量位置被存儲在控制器28中或者另選地存儲在控制器42中。 這樣提供覘標(biāo)中每一個的移動歷史，并且允許通過控制器28中的目標(biāo) 預(yù)測單元來預(yù)測所述覘標(biāo)中每一個的其它位置，或者從控制器42將所 述下一位置發(fā)送回全站儀10。進(jìn)而，這樣在將激光束交替導(dǎo)向一對覘 標(biāo)的之一然后導(dǎo)向另一個時，或者在使用多于兩個覘標(biāo)的情況下相繼 導(dǎo)向所述覘標(biāo)中每一個時，有助于所述覘標(biāo)的獲取。應(yīng)該理解，基于 針對覘標(biāo)44和46的位置測量，也可通過控制器42來確定機器零件 36的取向?？刂破?2也可響應(yīng)于測斜器45,該測斜器45提供了部件 36的從一端到另一端的曲線的取向的指示。全站儀在兩個覘標(biāo)之間進(jìn) 行切換的頻率可基于機器零件36及覘標(biāo)44和46要移動的速度而變 化。雖然并未要求，但如果期望，可將一對覘標(biāo)44和46固定在相對 于機器機構(gòu)36的對稱位置處。所需要的僅是覘標(biāo)具有與部件36的已 知固定關(guān)系。如果覘標(biāo)的位置已知，則機器零件的位置也已知。應(yīng)進(jìn) 一步理解，雖然描述了具有兩個覘標(biāo)的結(jié)構(gòu)，但也可利用采用三個或 者更多個覘標(biāo)的系統(tǒng)。應(yīng)該理解一旦確定了覘標(biāo)的位置，則可隨后利用此信息來控制機 器零件的移動。將位置信息發(fā)送到機器38，并且通過控制器42來確 定機器零件36的取向。例如，將預(yù)期工地輪廓存儲在計算機60中， 并且由控制器42利用該工地輪廓來控制部件36以實現(xiàn)此輪廓。例如 如果正在對鋪路機進(jìn)行控制，則可將待鋪設(shè)的區(qū)域的預(yù)期表面結(jié)構(gòu)存 儲在計算機60中。通過控制器40來自動或者人工控制機器零件36 的移動，以便機器零件36沿著預(yù)期路徑移動。雖然為了例示本發(fā)明的目的而示出了特定代表性實施方式和細(xì)節(jié)，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況 下可對在此公開的本發(fā)明進(jìn)行各種變化，本發(fā)明由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種監(jiān)測機器零件的位置和取向的方法，所述方法包括以下步驟提供在相對于所述機器零件的已知位置中的多個覘標(biāo)，在所述機器零件附近的已知位置處提供全站儀，利用所述全站儀重復(fù)地相繼確定每個覘標(biāo)的位置，并且基于所述多個覘標(biāo)的位置來確定所述機器零件的取向。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用所述全站儀重復(fù)地 相繼確定每個覘標(biāo)的位置的步驟包括以下步驟將激光束從所述全站 儀重復(fù)地相繼導(dǎo)向所述多個覘標(biāo)中的每一個，并且測量從所述全站儀 到所述多個覘標(biāo)中每一個的距離和從所述全站儀到所述多個覘標(biāo)中每 一個的方向。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，利用所述全站儀重復(fù)地束從所述全站儀導(dǎo)向所述覘標(biāo)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，相繼獲得所述覘標(biāo)的步 驟包括以下步驟存儲所述覘標(biāo)中每一個的檢測位置和所述覘標(biāo)中每 一個的移動歷史，并且在將所述激光束重復(fù)地相繼導(dǎo)向所述覘標(biāo)中每 一個時，預(yù)測所述覘標(biāo)中每一個的位置，由此便于所述覘標(biāo)的重新獲 得。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供在相對于所述機器 零件的已知位置中的多個覘標(biāo)的步驟包括以下步驟提供固定在所述 機器零件上的已知位置中并且可隨著所述機器零件移動的一對覘標(biāo)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，提供固定在所述機器零 件上的已知位置中并且可隨著所述機器零件移動的一對覘標(biāo)的步驟包 括以下步驟提供固定在相對于所迷機器零件的對稱位置中的一對覘 標(biāo)。
7、 一種控制機器零件的移動的方法，所述方法包括以下步驟 提供在相對于移動機器零件的已知位置中的多個覘標(biāo)， 在所述移動機器零件附近的已知位置處提供全站儀， 利用所述全站儀來重復(fù)地相繼確定每個覘標(biāo)的位置， 將由所述全站儀確定的每個覘標(biāo)的位置從所述全站儀發(fā)送到所 述機器，在所述機器處，基于所述覘標(biāo)的位置來確定所述機器零件的取 向，以及在所述機器處，響應(yīng)于所確定的所述覘標(biāo)的位置和所確定的所述 機器零件的取向來控制所述機器零件的移動。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，利用所述全站儀來重復(fù) 地相繼確定每個覘標(biāo)的位置的步驟包括以下步驟將激光束從所述全 站儀重復(fù)地相繼導(dǎo)向所述多個覘標(biāo)中的每一個，并且測量從所述全站 儀到所述覘標(biāo)中每一個的距離和從所述全站儀到所述多個覘標(biāo)中每一 個的方向的步驟。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，利用所述全站儀來重復(fù) 地相繼確定每個覘標(biāo)的位置的步驟包括通過相繼獲得所述覘標(biāo)來將 激光束從所述全站儀導(dǎo)向所述覘標(biāo)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，相繼獲得所述覘標(biāo)的步 驟包括以下步驟存儲所述覘標(biāo)中每一個的檢測位置和所述覘標(biāo)中每 一個的移動歷史，并且隨著將所述激光束重復(fù)地相繼導(dǎo)向所述覘標(biāo)中 的每一個來預(yù)測所述覘標(biāo)中每一個的位置，由此便于所述覘標(biāo)的重新獲得。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，提供在相對于所述機器 零件的已知位置中的多個覘標(biāo)的步驟包括以下步驟提供固定在所述 機器零件上的已知位置中并且可隨所述機器零件移動的一對覘標(biāo)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，提供固定在所述機器 零件上的已知位置中并且可隨所述機器零件移動的一對覘標(biāo)的步驟包 括提供固定在相對于所述機器零件的對稱位置中的一對覘標(biāo)。
13、 一種用于控制機器上的機器零件的移動的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包 括所述機器上的控制器，用于控制所述機器零件； 多個覘標(biāo)，安裝在相對于移動機器零件的已知位置中；以及 全站儀，被放置在所述移動機器零件附近的已知位置處，所述全 站儀包括激光源，用于在所述覘標(biāo)上提供激光束，覘標(biāo)預(yù)測單元，用于基于所述覘標(biāo)的在先位置和移動來預(yù)測所 述覘標(biāo)中每一個的位置，光束控制器，用于將所述激光束導(dǎo)向所述覘標(biāo)，并且重復(fù)地相 繼確定每個覘標(biāo)的位置，以及發(fā)射器，用于將所述覘標(biāo)中每一個的位置發(fā)送給所述機器上的 控制器；由此可利用測得的所述覘標(biāo)的位置來確定所述機器零件的位置、 取向以及移動，從而便于控制所述機器零件。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述全站儀還包括測 量單元，所述測量單元用于測量從所述全站儀到所述覘標(biāo)中每一個的 距離和從所述全站儀到所述覘標(biāo)中每一個的方向。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述多個覘標(biāo)包括一 對覘標(biāo)。
全文摘要
一種用于監(jiān)測機器零件的位置和取向的方法，和一種用于監(jiān)測并控制所述機器的操作的設(shè)備，所述機器包括處于相對于所述機器零件(36)的已知位置中的機器人全站儀和多個覘標(biāo)(44，46)。位于所述機器零件附近的已知位置處的全站儀(10)重復(fù)地相繼確定各個覘標(biāo)的位置。通過所存儲的關(guān)于所述覘標(biāo)的在先位置和移動的數(shù)據(jù)來輔助所述覘標(biāo)的獲得和重新獲得。此外，移動的覘標(biāo)可用于促進(jìn)所述重新獲得?；谒鰴C器零件的位置和方向來控制所述機器的操作。
文檔編號E02F3/84GK101133216SQ200580048773
公開日2008年2月27日 申請日期2005年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者理查德·P·皮耶庫托夫斯基 申請人:天寶導(dǎo)航有限公司