專利名稱：用于方位確定系統(tǒng)的方位確定法、激光束探測(cè)器和探測(cè)器反射器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的方位確定法、該方位確
定法的應(yīng)用、根據(jù)權(quán)利要求7前序部分的激光束探測(cè)器以及探測(cè)器反射 器裝置。
背景技術(shù)：
借助于全站儀確定如移動(dòng)式機(jī)器這樣的對(duì)象的方位，也就是確定位 置和/或方向，很久以來(lái)就是已知的。在此例如反射棱鏡以相對(duì)于對(duì)象已 知的位置安裝在所述對(duì)象上，并且借助于全站儀用激光束測(cè)量所述反射 棱鏡。全站儀接收反射射束。借助于發(fā)射和接收的射束的相位差或時(shí)間 差推導(dǎo)出反射器與全站儀的間距，并且根據(jù)射束的出射方向檢測(cè)對(duì)象相 對(duì)于全站儀的立體角(Raumwinkd),從而能夠確定對(duì)象的位置。
接著，從借助這種系統(tǒng)確定的位置出發(fā)執(zhí)行大多數(shù)的其它測(cè)量，這 些測(cè)量要與所述位置結(jié)合，并且通常也需要了解對(duì)象在空間內(nèi)的方向。 在此原則上也可以根據(jù)兩點(diǎn)或者多點(diǎn)的位置確定來(lái)判定方向。對(duì)于測(cè)量 技術(shù)的應(yīng)用而言，為了明確確定在空間內(nèi)的絕對(duì)位置應(yīng)該確定對(duì)象的6 個(gè)自由度，至少確定位置，進(jìn)而確定3個(gè)自由度。因此問(wèn)題在于確定位 置和方向是基本獨(dú)立地解決的兩個(gè)任務(wù)，然而在許多應(yīng)用方面必須組合 執(zhí)行這兩個(gè)任務(wù)。因而在通常情況下不僅需要對(duì)象的位置也需要其方向 或者說(shuō)取向。
為了附加確定對(duì)象的取向，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)例如應(yīng)用彼此位置已知 的并被安裝在機(jī)器上的多個(gè)反射元件。通過(guò)測(cè)量所述多個(gè)反射器并且通 過(guò)反射器彼此已知的相對(duì)位置確定機(jī)器的取向。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于， 對(duì)多個(gè)反射元件的測(cè)量是復(fù)雜的，并且多個(gè)全站儀的豎立和操作也都是
5復(fù)雜的。
在水平面內(nèi)確定對(duì)象取向的另 一 己知可行方案是應(yīng)用指南針。
同樣根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)借助于GPS接收器(Global Positioning System全 球定位系統(tǒng))確定移動(dòng)式機(jī)器的位置也是已知的，GPS接收器例如安裝 在機(jī)器上或者一體結(jié)合至機(jī)器中。為了附加地確定機(jī)器取向通常需要至 少兩個(gè)水平間隔地安裝在機(jī)器上的GPS接收器。在此根據(jù)已知的GPS位 置確定，求出每個(gè)接收器的位置，并且借助于接收器已知的相互相對(duì)位 置確定機(jī)器的取向。然而，通常為了通過(guò)GPS確定位置始終應(yīng)該與至少 三個(gè)優(yōu)選至少四個(gè)衛(wèi)星保持聯(lián)絡(luò)，然而這種情況尤其是在橋下、在狹窄 成排的房子間工作時(shí)或者在其它遮擋下可能無(wú)法做到。此外，與測(cè)地測(cè) 量的準(zhǔn)確性相比，衛(wèi)星定位在機(jī)器位置特別是豎直位置的測(cè)量準(zhǔn)確性方 面是更低的。
因此，在使用高精度光學(xué)測(cè)量方法(其在測(cè)地測(cè)量方面是已知的) 的條件下也帶來(lái)了優(yōu)點(diǎn)。
在提供關(guān)于機(jī)器的方向信息的另一已知可能方案中，追蹤機(jī)器位置 并且根據(jù)位置的變化確定行駛方向。假如該行駛方向與機(jī)器的某個(gè)方向 相符合，那么由此可以推導(dǎo)出關(guān)于機(jī)器方向的信息。在該方法情況下忽 略了機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)的漂移。
WO 2006/070009示出了利用旋轉(zhuǎn)激光器和兩個(gè)探測(cè)器來(lái)確定對(duì)象 的位置和取向的方法。該旋轉(zhuǎn)激光器發(fā)射具有與角度有關(guān)的信息的水平 激光束，所述激光束相應(yīng)地被在已知位置處安裝在機(jī)器上的兩個(gè)探測(cè)器 接收。根據(jù)相應(yīng)接收到的角信息和探測(cè)器已知的相互相對(duì)位置推導(dǎo)出機(jī) 器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)激光器的位置和取向。
用于確定對(duì)象的位置和取向的現(xiàn)^"技術(shù)中的大部分已知方法和系統(tǒng) 始終都要求對(duì)至少兩個(gè)水平間隔的測(cè)量點(diǎn)分開(kāi)地進(jìn)行測(cè)量。這總是非常 費(fèi)事的，并且對(duì)于某些條件而言尤其如測(cè)量水平延伸長(zhǎng)度非常小的對(duì)象 會(huì)是不準(zhǔn)確和不適當(dāng)。如前所述，GPS系統(tǒng)的使用可能性的限制性同樣 是不利的。
WO 2006/097408描述了一種確定單元位置和方向的方位確定法。在此，該可行方案基于例如通過(guò)激光掃描器這樣的掃描系統(tǒng)來(lái)確定該單元 位置。通過(guò)測(cè)量設(shè)置在該單元上的接收器相對(duì)于從掃描單元發(fā)射的射束 的射束軸的位置來(lái)確定該單元的定位。根據(jù)對(duì)接收器相對(duì)于射束軸的位 置的認(rèn)知以及接收器相對(duì)于單元承載組件的位置的認(rèn)知能夠推導(dǎo)出所述 單元的方向。進(jìn)而根據(jù)位置及方向信息知曉空間內(nèi)的位置。
因?yàn)楦鶕?jù)接收器與射束軸的錯(cuò)開(kāi)來(lái)確定所述方向并且接收器的鏡片
僅具有有限的孔徑角(Offiiungswinkd)，所以接收器的取向必須始終差 不多對(duì)應(yīng)于射束軸，或者在該單元運(yùn)動(dòng)時(shí)始終緊隨射束軸。因此，在一 個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)接收器準(zhǔn)備好了，僅在某個(gè)有限的角度范圍內(nèi)進(jìn)行接收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供更簡(jiǎn)化的光學(xué)方法，用以確定對(duì)象的取向和 位置，尤其通過(guò)全站儀在唯一一次測(cè)量過(guò)程中確定對(duì)象的取向和位置。 在此應(yīng)該做好這樣的準(zhǔn)備，即，在對(duì)象的任意瞬時(shí)方向和任意空間位置 均無(wú)需追蹤接收器鏡片就能確定所述對(duì)象的方向及位置。
本發(fā)明的另一任務(wù)是提供改進(jìn)的用于確定激光束入射方向的激光束 探測(cè)器，以及提供改進(jìn)的用于定位系統(tǒng)的探測(cè)器反射器裝置。
根據(jù)本發(fā)明，這些任務(wù)通過(guò)權(quán)利要求1或者7的特征或者通過(guò)從屬 權(quán)利要求的特征來(lái)解決或者說(shuō)進(jìn)一步改進(jìn)這些解決方案。
本發(fā)明方位確定法用于確定檢測(cè)激光束入射點(diǎn)的探測(cè)器的取向，該 方位確定法使用激光源以發(fā)射第一激光束并且在需要時(shí)還使用反射元 件，其中，該反射元件的相對(duì)于探測(cè)器的位置是已知的。
在文中使用了三個(gè)方向。"反射器方向"應(yīng)當(dāng)理解為反射元件的方向 (該方向是從激光源一側(cè)測(cè)量的)。"出射方向"被定義為從激光源一側(cè)測(cè) 量的探測(cè)器方向(第一激光束是按照該方向發(fā)射的)。"入射方向"表示第 一激光束的相對(duì)探測(cè)器的方向(也就是說(shuō)，第一激光束按照該方向入射 在探測(cè)器上)，該方向尤其是投影在水平平面中的方向。
根據(jù)本發(fā)明，所述方法包括朝向探測(cè)器發(fā)射第一激光束，在此出射 方向是預(yù)定的。在一定情況下可以根據(jù)反射器方向推導(dǎo)出出射方向。隨后確定第一激光束在探測(cè)器上的入射點(diǎn)。根據(jù)該入射點(diǎn)推導(dǎo)出入射方向。 現(xiàn)在，通過(guò)將入射方向與出射方向彼此結(jié)合，能夠確定探測(cè)器相對(duì)于激 光源的取向。
優(yōu)選利用全站儀檢測(cè)反射器方向，在該全站儀中除了其他裝置之外 還一體結(jié)合有激光源。在此，可以如現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的那樣，通過(guò)接收第 一激光束的反射回來(lái)的部分或者借助于發(fā)送及接收第二激光束進(jìn)行檢 測(cè)。在這里還能夠額外確定反射元件的距離。當(dāng)然還可以想到的是，借 助于照相機(jī)拍攝在激光源一側(cè)檢測(cè)反射器方向，在此借助于圖像處理來(lái) 分析該反射器方向。
用于定位系統(tǒng)的本發(fā)明激光束探測(cè)器具有檢測(cè)區(qū)域，所述檢測(cè)區(qū)域
特別是圍繞豎直軸線呈弧形設(shè)置，并且覆蓋至少180。，特別是至少270。， 優(yōu)選基本360。的平面角度范圍。探測(cè)器的探測(cè)區(qū)域被構(gòu)造用于探測(cè)激光 束，并且由多個(gè)探測(cè)區(qū)組成，由此該檢測(cè)區(qū)域劃分為多個(gè)部分檢測(cè)區(qū)域。 根據(jù)在一個(gè)探測(cè)區(qū)之內(nèi)接收到的射束能夠確定激光束在探測(cè)器上的入射 點(diǎn)。各個(gè)探測(cè)區(qū)均直接與一個(gè)平面角(特別是圍繞豎直軸線的平面角) 相關(guān)聯(lián)，所述平面角對(duì)應(yīng)于部分檢測(cè)方向。由此能夠確定^:光束的入射 方向，因而也能夠確定探測(cè)器的相對(duì)于入射方向的取向。通過(guò)覆蓋基本 360。的平面接收區(qū)域，在激光束探測(cè)器方面為接收來(lái)自任意方向的激光 束做好了準(zhǔn)備，而無(wú)需粗略地預(yù)先定位該探測(cè)器。
在此各個(gè)探測(cè)區(qū)通過(guò)相應(yīng)分配的各個(gè)部分檢測(cè)區(qū)域覆蓋預(yù)定的方位 角角度范圍，從而能夠根據(jù)激光束在探測(cè)器上的入射點(diǎn)推導(dǎo)出入射方向。 為此，這些探測(cè)區(qū)圍繞軸線(特別是豎直的軸線)以徑向取向的方式例 如并排且前后相接地環(huán)形排列。
用于定位系統(tǒng)的本發(fā)明探測(cè)器反射器裝置具有根據(jù)本發(fā)明的激光束 探測(cè)器和作為反射器的反射元件，所述根據(jù)本發(fā)明的激光束探測(cè)器作為 探測(cè)器用于確定激光束入射點(diǎn)。該反射元件和該激光束探測(cè)器被設(shè)置在 彼此相對(duì)的己知位置處。
探測(cè)區(qū)可以被規(guī)定為，或者具有恰好一個(gè)傳感器元件或者具有多個(gè) 傳感器元件。當(dāng)然，在第二種情況下實(shí)際獲得的角分辨率，低于通過(guò)這
8些數(shù)量的傳感器元件本身所能夠達(dá)到角分辨率。另外在第一種情況下， 探測(cè)區(qū)可以被精確限定為所述一個(gè)傳感器元件的探測(cè)面，然而也可以被 限定為大于所述一個(gè)傳感器元件的探測(cè)面的一個(gè)區(qū)。如果該區(qū)被確定為 大于傳感器元件，那么或許能夠以較少的成本覆蓋較大的檢測(cè)區(qū)域。當(dāng) 然或許還存在這樣的可能性，即，入射到探測(cè)區(qū)中的射束由于橫截面非
常小而根本檢測(cè)不到。在此，例如能夠采用光電二極管、CCD傳感器、 CMOS傳感器或者PSD傳感器。如果激光束具有如此之大的射束橫截面， 以致于其被多個(gè)區(qū)探測(cè)到，那么可以將入射面的表面重心或者強(qiáng)度重心 確定為入射點(diǎn)。如果探測(cè)區(qū)域例如由180個(gè)探測(cè)區(qū)組成，它們并排地圍 繞豎直軸線呈弧形設(shè)置并且分別覆蓋2。的徑向角度范圍，則能夠準(zhǔn)確地 測(cè)量精確至一度的平面角，所述平面角體現(xiàn)了激光束的相對(duì)入射方向。
如現(xiàn)有技術(shù)已知的，反射元件可以被構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)棱鏡、貓眼式反射 器或者反射薄膜，從而入射的激光束至少部分地以入射方向反射返回。 通過(guò)利用全站儀測(cè)量反射元件能夠以已知方式確定反射元件相對(duì)于所述 全站儀的間距信息以及空間方向，從而能夠確定該元件的相對(duì)三維位置。
該探測(cè)器反射器裝置的一種可行實(shí)施方案是將探測(cè)器和反射元件設(shè) 置在同一條豎直軸線上。反射器方向的水平分量相當(dāng)于出射方向的水平 分量。如果借助于全站儀測(cè)量旋轉(zhuǎn)棱鏡，并且與測(cè)量旋轉(zhuǎn)棱鏡一樣，該 全站儀例如在同一水平方向上額外地發(fā)射豎直地扇形張開(kāi)的激光束，那 么根據(jù)本發(fā)明在唯一一個(gè)工作步驟中不僅能夠確定探測(cè)器的取向而且還 能夠確定棱鏡的位置。
探測(cè)器反射器裝置的另一種可行實(shí)施方案是將探測(cè)器一體結(jié)合至反 射元件。在用激光束測(cè)量反射元件時(shí)，同時(shí)可以利用檢測(cè)區(qū)探測(cè)激光束。 確定激光束在該裝置上的入射點(diǎn)，以便由此確定入射方向。隨后根據(jù)該 入射方向能夠推導(dǎo)出該裝置的取向。因而，在唯一一次測(cè)量過(guò)程中不僅 能夠確定探測(cè)器反射器裝置的相對(duì)三維位置和相對(duì)取向。
如果將根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器反射器裝置安裝在如移動(dòng)式機(jī)器這樣的 對(duì)象上(其中，相對(duì)于對(duì)象取向的探測(cè)器取向是已知的)，那么能夠根據(jù) 本發(fā)明確定的探測(cè)器取向額外地推導(dǎo)出該對(duì)象的相對(duì)取向。如果探測(cè)區(qū)域具有基本360。的平面角度范圍，則利用全站儀能夠在任意的空間位置
或者在對(duì)象的任意瞬時(shí)方向的情況下確定該對(duì)象的相對(duì)方向。
"對(duì)象的取向"始終應(yīng)該理解為該對(duì)象投影在參照平面中的取向或者 方向，所述參照平面大體上相對(duì)地表沿切向延伸。
以下結(jié)合附圖中示意性示出的實(shí)施例純粹示例性地進(jìn)一步描述本發(fā)
明的取向確定方法以及激光束探測(cè)器和探測(cè)器反射器裝置。圖中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明方位確定法的本發(fā)明激光束探測(cè)器； 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器反射器裝置的一個(gè)實(shí)施方式； 圖3a示出探測(cè)器反射器裝置的第一一體式實(shí)施方式； 圖3b示出探測(cè)器反射器裝置的第二一體式實(shí)施方式； . 圖3c示出探測(cè)器反射器裝置的第三一體式實(shí)施方式； ' 圖4示出作為取向確定系統(tǒng)的具有探測(cè)器反射器裝置的全站儀； 圖5示出具有探測(cè)器反射器裝置的全站儀，所述探測(cè)器反射器裝置
安裝在移動(dòng)式機(jī)器上；
圖6示出全站儀，其具有第三一體式實(shí)施方式的探測(cè)器反射器裝置，
所述探測(cè)器反射器裝置安裝在移動(dòng)式機(jī)器上；以及
圖7示出借助于兩個(gè)全站儀在曲線隧道內(nèi)進(jìn)行測(cè)量工作，其中，探
測(cè)器反射器裝置安裝在全站儀上。
具體實(shí)施例方式
圖1示出用于確定入射點(diǎn)9的激光束探測(cè)器1，該入射點(diǎn)9用于方 位確定法。在該本發(fā)明的方法中，激光源6將第一激光束7發(fā)射至探測(cè) 器1，在此限定了出射方向。大約在同一時(shí)間探測(cè)器1檢測(cè)到第一激光束 7。
探測(cè)器l具有多個(gè)探測(cè)區(qū)，例如72個(gè)探測(cè)區(qū)，這些探測(cè)區(qū)彼此相鄰 地圍繞垂直軸線地設(shè)置在圓柱面上。探測(cè)器1的探測(cè)區(qū)域2作為^f有探 測(cè)區(qū)3的區(qū)域。每個(gè)探測(cè)區(qū)3例如覆蓋5。角度范圍，由此得到探測(cè)器1的在360。平面角度范圍內(nèi)分段的檢測(cè)區(qū)域，并且所述檢測(cè)區(qū)域具有相應(yīng) 數(shù)量的離散的部分檢測(cè)區(qū)域17。各個(gè)部分檢測(cè)區(qū)域17均固定地分配有預(yù) 定的部分檢測(cè)方向，例如作為從相應(yīng)的探測(cè)區(qū)3至探測(cè)器中點(diǎn)的方向。 因此探測(cè)區(qū)3的部分檢測(cè)方向是在一個(gè)圓盤中徑向取向的，并且是彼此 不同的。在至少一個(gè)部分檢測(cè)區(qū)域17之內(nèi)檢測(cè)到第一激光束7時(shí)，探測(cè) 器1確定第一激光束7的入射點(diǎn)9，并且根據(jù)相應(yīng)的至少一個(gè)部分檢測(cè)方 向推導(dǎo)出入射方向10。
這時(shí)，通過(guò)將出射方向和入射方向IO彼此結(jié)合確定探測(cè)器1的相對(duì) 于激光源6的位置。
探測(cè)器1的探測(cè)區(qū)3例如CCD傳感器、光電二極管或者PSD傳感 器。如果被分配有不同部分檢測(cè)方向的多個(gè)傳感器檢測(cè)到激光束，則可 以將呈點(diǎn)形的入射點(diǎn)例如確定為激光束7的被檢測(cè)到的入射面的表面重 心，并由此確定入射方向10。同樣可以將被檢測(cè)到的射束的強(qiáng)度重心確 定為入射點(diǎn)。例如根據(jù)被檢測(cè)到的射束的非對(duì)稱強(qiáng)度分布確定該射束的 掃描入射，并且觸發(fā)錯(cuò)誤測(cè)量通知。另選地，也可以直接根據(jù)這種非對(duì) 稱的入射強(qiáng)度分布推導(dǎo)出激光束的入射方向。這樣例如能夠確定左入射 面邊界點(diǎn)、右入射面邊界點(diǎn)以及強(qiáng)度重心，并且根據(jù)左右邊界點(diǎn)和強(qiáng)度 重心的距離關(guān)系推導(dǎo)出入射方向。
圖2示出用于方位確定法的根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器反射器裝置的第一 實(shí)施方式。探測(cè)器反^f器裝置具有用于檢測(cè)激光束的圖1所示的探測(cè)器1 以及作為反射元件的旋轉(zhuǎn)棱鏡4a。探測(cè)器1借助于豎直桿與旋轉(zhuǎn)棱鏡4a 連接。因此探測(cè)器1和旋轉(zhuǎn)棱鏡4a在已知位置上彼此相對(duì)地設(shè)置在共同 的豎直軸線上，所述軸線相當(dāng)于探測(cè)器1的主轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。
旋轉(zhuǎn)棱鏡4a被構(gòu)造用于例如借助于激光束從一空間點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行測(cè) 量。在此所獲得的反射器方向用于推導(dǎo)朝向探測(cè)器方向發(fā)射的激光束的 出射方向11。
圖3a、3b和3c示出根據(jù)本發(fā)明的探測(cè)器反射器裝置12a、12b和12c 的三個(gè)一體式實(shí)施方式。
在圖3a和圖3b中，反射元件具有多個(gè)反射區(qū)5，并且探測(cè)區(qū)域具有多個(gè)探測(cè)區(qū)3。反射區(qū)5例如類似于貓眼，或者被構(gòu)造為被粘合的反射薄
膜。在圖3a中，反射區(qū)和探測(cè)區(qū)以棋盤格形式安置在圓柱面上，而在圖 3b中反射區(qū)和探測(cè)區(qū)安置在球表面的一部分上并且沿徑向圍繞豎直軸 線。如果例如借助于全站儀測(cè)量所示的探測(cè)器反射器裝置之一，則可以 同時(shí)結(jié)合探測(cè)區(qū)3探測(cè)測(cè)量激光束。每個(gè)探測(cè)區(qū)3都與一個(gè)角信息相關(guān) 聯(lián)。
如果在探測(cè)區(qū)3之內(nèi)接收到測(cè)量激光束，則由此能夠確定射束入射 方向進(jìn)而確定該裝置相對(duì)于該測(cè)量激光束以及相對(duì)于全站儀的方向。
在圖3c中，圓柱體的柱面被構(gòu)造為對(duì)于激射束而言能夠部分透射的 層4b。入射激光束7絕大部分被該層反射。相應(yīng)地，該射束的較少部分 被透射。在該圓柱體內(nèi)的能夠部分透射的層后方設(shè)有探測(cè)區(qū)域。探測(cè)區(qū) 域用于探測(cè)激光束的所透射的部分，并且用于確定所述激光束的入射段 9。根據(jù)入射段9能夠推導(dǎo)出相對(duì)的平面的激光束入射方向10。如果例如 用全站儀結(jié)合激光束7測(cè)量裝置12c并確定三維位置，則根據(jù)通過(guò)整合 的探測(cè)器推導(dǎo)出的激光束入射方向10同時(shí)可以確定裝置12c的取向。
圖4示出包括探測(cè)器反射器裝置和全站儀8的定位系統(tǒng)。作為反射 元件的旋轉(zhuǎn)棱鏡4a在共同的豎直軸線上設(shè)置在探測(cè)器1上方。全站儀8 用激光束18測(cè)量旋轉(zhuǎn)棱鏡4a，并且根據(jù)反射射束確定旋轉(zhuǎn)棱鏡4a的距 離以及反射器方向。此外，尤其是同時(shí)或者隨后，全站儀8朝向探測(cè)器1 的方向發(fā)射豎直地扇形張開(kāi)的激光束7a，其中，根據(jù)反射器方向(沿該 方向發(fā)送用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)棱鏡4a的激光束18)推導(dǎo)出出射方向或者通過(guò)該 反射器方向預(yù)定出射方向。探測(cè)器1接收豎直地扇形張開(kāi)的激光束7a的 一部分，并且根據(jù)入射在探測(cè)器上的入射點(diǎn)確定扇形激光7a的入射方向。 結(jié)合所述入射方向以及通過(guò)全站儀8確定的反射器方向能夠推導(dǎo)出探測(cè) 器的取向。因此在唯一一個(gè)工作步驟中不僅能夠確定探測(cè)器1的取向還 能夠確定三維位置。
圖5示出圖4所述的定位系統(tǒng)，其中，探測(cè)器l和旋轉(zhuǎn)棱鏡4a借助 于豎直桿安裝在移動(dòng)式工作機(jī)器13a上。機(jī)器13a相對(duì)于探測(cè)器1的取 向是已知的。另外，棱鏡4a和探測(cè)器l相對(duì)工作機(jī)器13a的相對(duì)位置是己知的。 '
現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明，能夠在唯一一個(gè)工作步驟中利用全站儀8如下所 述地確定工作機(jī)器的位置和方向全站儀8以已知方式借助于激光束18
測(cè)量棱鏡4a，此時(shí)確定相對(duì)該棱鏡4a的角度和距離，同時(shí)額外地(例如 同時(shí)或者隨后緊接著)朝向與發(fā)射測(cè)量激光束18 —樣的相同方位角方向 發(fā)射豎直扇形張開(kāi)的激光束7a?，F(xiàn)在，根據(jù)扇形激光7a的按照本發(fā)明通 過(guò)探測(cè)器確定的方位角入射方向，能夠在同一個(gè)工作步驟中確定取向或 者說(shuō)方向作為與工作機(jī)器的位置有關(guān)的其他信息，因此例如得到在參照 系(Bezugssystem)中的移動(dòng)式工作機(jī)器13a的三維位置。如果移動(dòng)式機(jī) 器13a相對(duì)于全站儀8運(yùn)動(dòng)并且旋轉(zhuǎn)棱鏡4a附加地以已知方式借助于該 全站儀8被自動(dòng)地目標(biāo)跟蹤，此時(shí)全站儀8使豎直扇形張開(kāi)的第一激光 束7a的出射方向始終匹配于反射器方向，那么可以連續(xù)地確定機(jī)器13a 的三維位置和取向，并由此能夠視需要而定地推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方向、速度和 側(cè)向漂移(Seitwartsdrift)。
圖6示出對(duì)應(yīng)于圖3b的探測(cè)器反射器裝置12b和全站儀8的一體式 實(shí)施方式，所述探測(cè)器反射器裝置12b借助于豎直桿以相對(duì)于機(jī)器13a 已知的取向安裝在移動(dòng)式工作機(jī)器13a上，并且所述全站儀8根據(jù)激光 束7測(cè)量裝置12b。借助于探測(cè)器反射器裝置12b的探測(cè)區(qū)確定測(cè)量射束 在裝置12b上的入射點(diǎn)，并由此推導(dǎo)出射束入射方向。根據(jù)射束的入射 方向確定機(jī)器13a相對(duì)于該測(cè)量射束出射方向的方向，進(jìn)而確定所述機(jī) 器13a相對(duì)于全站儀8的方向。
圖7示出在具有隧道壁18的隧道內(nèi)測(cè)量例如監(jiān)控照相機(jī)15的對(duì)象， 其中，在第一全站儀8所設(shè)立的預(yù)定測(cè)量原點(diǎn)處與照相機(jī)15沒(méi)有視覺(jué)接 觸。作為輔助，設(shè)置第二全站儀13b和探測(cè)器反射器裝置12a,通過(guò)探測(cè) 器反射器裝置12a實(shí)現(xiàn)間接的視覺(jué)接觸。第一全站儀8和第二全站儀13b 分別測(cè)量相對(duì)空間方向以及到探測(cè)器反射器裝置12a的距離。在此根據(jù) 本發(fā)明，利用探測(cè)器反射器裝置12a能夠同時(shí)檢測(cè)到兩個(gè)入射方向并且 使它們彼此相關(guān)聯(lián)。由此推導(dǎo)出第二全站儀13b相對(duì)于第一全站儀8的 位置和取向。第二全站儀13b隨后以已知方式測(cè)量監(jiān)控照相機(jī)15。根據(jù)所確定的第二全站儀13b相對(duì)于第一全站儀8的取向和位置以及監(jiān)控照相機(jī)15的從第二全站儀13b起算的位置，借助于測(cè)繪導(dǎo)線(Polygonzug)能夠推導(dǎo)出照相機(jī)15的從第一全站儀8起算的位置。當(dāng)然，所示附圖僅為可能的實(shí)施方式的示例。
權(quán)利要求
1.一種方位確定法，其包括通過(guò)定位在參照系中的激光源(6)向探測(cè)器(1)發(fā)射第一激光束(7)，與此同時(shí)通過(guò)所述探測(cè)器(1)檢測(cè)所述第一激光束(7)，從而限定所述激光源(6)的出射方向以及至所述探測(cè)器(1)的入射方向；以及根據(jù)所述出射方向和所述入射方向(10)確定所述探測(cè)器(1)相對(duì)于所述激光源(6)和所述參照系的位置，所述方位確定法的特征在于，所述探測(cè)器(1)具有由多個(gè)離散的部分檢測(cè)區(qū)域(17)組成的分段檢測(cè)區(qū)域，這些部分檢測(cè)區(qū)域(17)分別具有一個(gè)預(yù)定的部分檢測(cè)方向，并且這些部分檢測(cè)方向中的至少兩個(gè)是彼此不同的；并且在檢測(cè)所述第一激光束(7)時(shí)，借助于至少一個(gè)部分檢測(cè)區(qū)域(17)檢測(cè)所述第一激光束(7)的在所述探測(cè)器(1)上的入射點(diǎn)(9)，并且根據(jù)對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)部分檢測(cè)方向推導(dǎo)出所述第一激光束的在所述探測(cè)器(1)上的入射方向(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方位確定法，其特征在于，特別是旋轉(zhuǎn)棱 鏡(4a)這樣的反射元件(4)在空間方面如此與所述探測(cè)器(1)配合， 即，所述反射元件(4)的相對(duì)于所述探測(cè)器(1)的相對(duì)位置是已知的； 并且確定所述反射元件(4)的相對(duì)所述激光源(6)的相對(duì)位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方位確定法，其特征在于，所述反射元件 (4)和所述探測(cè)器(1)定位在同一條軸線上，并且所述第一激光束(7)是扇形地發(fā)射的，其中，所述扇形的擴(kuò)展方向是以基本平行于所述同一 條軸線的方式取向的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方位確定法，其特征在于，在確定所 述相對(duì)位置時(shí)，特別是在發(fā)射所述第一激光束(7)的同時(shí)或者之前，通 過(guò)第二激光束(18)測(cè)量所述反射元件(4)，其中，利用為測(cè)量所述反射元件(4)而發(fā)射的所述第二激光束(18)的方向來(lái)規(guī)定所述第一激光 束(7)的所述出射方向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4之一所述的方位確定法，其特征在于，所述 探測(cè)器(1)被一體結(jié)合至所述反射元件(4)，并且在確定所述相對(duì)位置 時(shí)確定所述出射方向和反射器方向，作為從所述激光源(6)至所述反射 元件(4)的方向。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方位確定法的應(yīng)用，所述方位確 定法被用于確定帶有所述探測(cè)器(1)和所述反射元件(4)的對(duì)象(13) 的取向，所述對(duì)象(13)特別是移動(dòng)式制造機(jī)器(13a)。
7. —種用于根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的方位確定法的激光束探測(cè) 器，所述激光束探測(cè)器具有由多個(gè)離散的探測(cè)區(qū)(3)構(gòu)成的、特別是至 少36個(gè)優(yōu)選至少72個(gè)探測(cè)區(qū)(3)構(gòu)成的檢測(cè)區(qū)域，這些離散的探測(cè)區(qū)(3)分別被指定了一個(gè)預(yù)定的部分檢測(cè)方向，其中，通過(guò)至少一個(gè)探測(cè)區(qū)(3)能夠檢測(cè)到激光束(7)的在所述 探測(cè)器(1)上的入射點(diǎn)(9)，所述激光束探測(cè)器的特征在于，所述檢測(cè)區(qū)域覆蓋至少180°，特別是至少270。，優(yōu)選基本360。的平 面角度范圍；以及所述探測(cè)區(qū)(3)的所述部分檢測(cè)方向被設(shè)置為在一個(gè)圓盤中徑向地 取向。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光束探測(cè)器，其特征在于，每個(gè)探測(cè)區(qū) (3)均配備有自己的傳感器元件。
9. 一種探測(cè)器反射器裝置，其具有反射元件(4)和根據(jù)權(quán)利要求7 或8所述的激光束探測(cè)器，其中，所述反射元件(4)處于相對(duì)所述探測(cè) 器(1)的預(yù)定的相對(duì)位置處。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的探測(cè)器反射器裝置，其特征在于，所述 反射元件(4)和所述探測(cè)器(1)設(shè)置在同一條豎直軸線上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的探測(cè)器反射器裝置，其特征在于， 所述反射元件(4)被構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)棱鏡(4a)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的探測(cè)器反射器裝置，其特征在于，所述 探測(cè)器(1) 一體結(jié)合至所述反射元件(4)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的探測(cè)器反射器裝置，其特征在于，所述 反射元件(4)具有多個(gè)反射區(qū)(5);并且所述探測(cè)區(qū)(3)和所述反射區(qū)(5)是按照棋盤格樣式布置的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的探測(cè)器反射器裝置，其特征在于，所述 探測(cè)區(qū)(3)和所述反射區(qū)(5)設(shè)置在圓柱面或者球表面上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的探測(cè)器反射器裝置，其特征在于，所述 反射元件(4)具有反射層，所述反射層對(duì)于激光束而言是能夠部分透射 的，并且所述探測(cè)區(qū)(3)的至少一部分設(shè)置在所述反射層之后，尤其設(shè) 置在所述反射元件(4)之內(nèi)。
全文摘要
一種方位確定法，其包括通過(guò)定位在參照系中的激光源(6)發(fā)射第一激光束(7)到探測(cè)器(1)，與此同時(shí)通過(guò)探測(cè)器(1)檢測(cè)第一激光束(7)，從而限定激光源(6)出射方向。探測(cè)器(1)具有由多個(gè)離散的部分檢測(cè)區(qū)域(17)組成的分段檢測(cè)區(qū)域，這些部分檢測(cè)區(qū)域(17)分別具有一個(gè)預(yù)定的部分檢測(cè)方向，這些部分檢測(cè)方向中的至少兩個(gè)是彼此不同的。在檢測(cè)第一激光束(7)時(shí)借助于至少一個(gè)部分檢測(cè)區(qū)域(17)檢測(cè)第一激光束(7)的在所述探測(cè)器(1)上的入射點(diǎn)(9)，并且在確定入射方向(10)時(shí)根據(jù)至少一個(gè)部分檢測(cè)方向推導(dǎo)出該入射方向。根據(jù)出射方向和入射方向(10)確定探測(cè)器(1)的相對(duì)于激光源(6)和參照系的位置。
文檔編號(hào)G01S3/784GK101680941SQ200880015547
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者克勞斯·施奈德, 漢斯約里·佩切科 申請(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開(kāi)股份有限公司