用於確定手持測量儀的空間位置的方法和系統的製作方法

2023-10-21 03:55:27

專利名稱：用於確定手持測量儀的空間位置的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1所述的用於確定手持測量儀的空間位置的方法、根據權利要求14所述的該方法的修正基於慣性傳感器的定位和方位測量設備的偏差的應用、一種根據權利要求15的前序特徵部分(clause)所述的手持測量儀、一種根據權利要求27所述的局部位置確定系統以及根據權利要求29所述的方法的應用。
背景技術：
在很多測地應用中，使用用於確定測地設備(geodetic instrument)的位置和/或方位的方法和系統。根據由這種系統確定的位置，通常隨後執行的與該位置相關聯的且通常還需要了解測量儀的空間方位的進一步測量。對於這種應用，必須確定手持測量儀的6個自由度來明確地確定絕對空間位置。因而該問題包括作為可獨立完成的兩個基本任務的對位置和方位的確定，然而，對於很多應用來說，這兩個任務必須聯合執行。因此通常需要手持測量儀的位置和方位兩者。
用於位置確定的系統的示例例如有諸如GPS、GLONASS或者目前在建的歐洲伽利略系統的全球定位系統。這些系統基於對衛星信號的儘可能不受幹擾的接收，然而，衛星信號也可能被障礙物所遮擋並由此限制其使用。在緊鄰障礙物的地方，由於所述障礙物的遮擋效應，對信號的接收可能受限或者完全不可能，使得不再可能利用該系統來確定位置。在建築物的內部房間(其中通常排除了對定位所需的大量衛星的接收)中的測量尤其涉及這些限制。另一個問題是全球定位系統不能始終提供所需精度的位置確定或者需要付出更多的努力，例如通過利用基準站或更長的測量時間。
例如通過採用兩個接收天線，可以利用這種系統來確定測量儀的方位。如果基線或者天線相對於該儀器的軸線的位置是已知的，則可以推導測量儀的方位。為了由此確定尚未確定的繞該儀器的軸線的旋轉，可以採用傾角傳感器。
另一示例是利用經緯儀或準距儀的載有反射器的裝置(reflector-bearing instrument)的位置確定。利用準距儀測量相對於該測地裝置的方向和距離，如果準距儀的位置已知，則也可以確定該裝置的位置。將自動目標檢測和目標跟蹤相結合，可以實現準連續的位置確定。這裡測量的前提是這兩個組件之間的視覺鏈路。如果例如由於視野內的作物(growth)或者建築物使該鏈路被遮斷，則該位置確定方法失效。另外，機動化準距儀每次僅能跟蹤一個裝置，因而，例如在建築工地有很多車輛的情況下，同樣必須使用大量經緯儀。由於設備和人員方面的成本，採用大量經緯儀在可視區域內無間隙地實際覆蓋要測量的全部區域通常是不實際的。另外，這種方案複雜度高並要求持續通信來控制測量過程。
為了在所有情況下以所要求的精度允許實際位置作為裝置的當前位置，已知的方法基於對所述裝置自身相對於作為基準物或基準點的物體(它們的位置是已知的)的位置的確定。這種方法的一個示例是經典的三線測量法。如果想要根據對基準點的了解推導適用於此用途的測地裝置或者定位設備的實際位置，則必須預先建立基準點並以足夠的精度對其進行測量。
隨後通過對基準點的測量(從中可以得到關於裝置本身的位置或實際位置的結論)可以實現對實際位置的確定。在很多情況下，測地裝置僅具有測量距離的能力，或者不能以所要求的精度或速度來執行對角度的測量。在這些情況中，必須僅通過距離測量來進行位置確定。為此，測量距多個已知位置的點的距離，並且可以通過例如也在照相測量法中採用的已知方法來實現對實際位置的確定。相關方法或相關計算就是其一個示例。所需點數取決於其位置和期望的測量精度。然而，除了特別有利的結構，通常至少需要3或4個點。如果另外要將角度計入考慮，則例如另外通過檢測相對於水平的角度，可以將點數降至兩個。
在各種情況下實際所需點數取決於這些已知點的位置和用於降低模糊(ambiguity)的任何可能限制。在對各個基準點進行三次距離測量的情況下，由三個已知位置來定義要被確定的實際位置可以得到反應的平面。會出現作為解的兩個可能位置，然而其中一個位置通常出於似是推理(plausibility reason)(例如，因為其位於地面以下)或者例如基於其他簡單信息(諸如也可以通過簡單的磁羅盤來進行的北南之分)而被排除。如果存在有利的幾何條件，則可能利用三個已知點進行明確的確定。例如如果查找的位置位於兩個已知點之間的連線上就是這種情況。
除了位置以外，理論上也可以利用測地設備通過執行對結構的兩個或三個點的測量來確定該結構的空間方位，但僅對兩個點的測量只能確定5個自由度。然而由於手持器的空間尺寸，這種方案不能實際應用。
儘管基本知道可以確定實際位置，但利用現有技術的測地裝置的過程還是過於複雜了，並且由於所需的測量，該過程總是要求中斷否則會發生的行為。尤其是，不可能連續運動而進行穩定的測量，甚至不能使用根據該原理確定的實際位置來校正其他類型的定位系統的誤差。
US 5,467,273公開了一種在擴展平面上運動的機器人系統，該系統通過參照已知的反射點來確定所述系統自身的位置和方位。為此目的，該機器人系統採用可繞垂直軸移動且具有測距儀(其測量相對基準點的距離和角度，並確定距基準點的實際位置)的掃描儀系統。
然而由於運動被限制在平面上，因而這裡對位置和方向的確定並不非常複雜，並且不能直接應用於三維問題。另外，用於控制這種類型的機器人系統所需的精度顯著低於測地應用中的精度。
此處特別相關的是以指定精度進行測量所需的基準點的數量。所述數量應當儘可能地低，尤其是在初始建立(setup)期間和對這種點進行測量期間。為了使所需基準點的數量最少，因此需要仔細選擇所建立的幾何結構和要測量的變量。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種即使在高度橫斷的地形中或者在內部房間中也能夠確定手持測量儀的實際位置和方位的方法、裝置和系統。
另一個目的是縮短所需測量之間的周期。
另一個目的是提供一種本地定位和方位系統，其中可以與位置待確定的單元一起穩定地承載(carry)確定空間位置所需的電子設備，並且因此在該系統的設計中，其基本上與用戶數無關。
提高對實際位置和實際方位的確定精度是本發明的又一目的。
另一目的是簡化並縮短用於確定實際位置和實際方位的測量。
本發明的又一目的是允許對基準點進行自動識別和測量。
本發明的又一目的是允許對所限定的起點和止點之間的處理點進行自動確定和檢查。
本發明的又一目的是提供一種可以對基於其他工作原理的位置和方位系統的測量進行連續校正的方法、手持測量儀或位置和方位系統，所述校正優選地在背景技術中出現。
根據本發明，分別通過權利要求1、14、15、27和29的特徵或者通過從屬權利要求的特徵來實現這些目的。
特別地，本發明涉及一種與測地裝置聯合使用的用於確定實際位置的方法和定位設備或系統。
為此目的，在該方法的第一步中，建立多個可檢測且可測量的基準點。選擇該基準點的數量，儘可能地使從要使用的區域內的各點可以檢測至少兩個基準點。利用通常已知的測量技術方法(例如，通過總體定位系統或者全球定位系統或者通過天線照相測量法)可以實現對這些基準點的位置的測量。如果基準點出現在封閉房間內，則它們也可以例如採用手持測距儀而被測量，多個已知位置距被記錄的同一基準點的距離，或者可以使用諸如例如來自角度測量中的其他信息。理論上可以將已經測得的三角點選擇為基準點。然而，也可以利用根據本發明的定位設備相對於指定起點(定位設備最初置於其上)來測量基準點。
為了使基準點可被檢測到，通過安裝專門設計的元件來限定它們。例如，諸如三稜鏡、反射箔或在測量技術中常見的其他反射器的協作對象可以用於此用途。採用球形元件提供了精確的基準點確定與從不同方向的良好可檢測性的組合。所述元件例如可以是反射球形式，或者為半球或四分之一球的形式。由於表面的形式和反射率，入射雷射輻射在入射的全部方向上同等地被反射回。由於半徑固定，因此可以準確地計算距限定點的距離。另外，由於反射的重心在球面或球形段表面上，因此還可以以足夠的精度來確定用於角度測量的基準點的位置。
尤其是，與相對長期使用的區域(例如，大型建築工地)相關地，可以通過建立大量的基準點來限定已知的位置的網絡，這些基準點可從大部分區域看到，並表示該本地定位系統的基礎，並且由於相對長期使用的優勢，可以以更多的努力來測量這些位置。
根據本發明的定位設備具有至少一個用於發射雷射輻射的輻射源。發射到表面上並隨後反射之後，在接收機處再次檢測到該雷射輻射並對其進行評估，基於相位測量原理或脈衝渡越時間測量原理來執行距離測量。例如在EP 0 738 899 B1中公開了這種裝置。在WO 2004/074773中說明了根據本發明可以採用的用於距離測量的另一原理。
以掃描運動的形式將雷射束導入至少一個空間段上，這對於空間段，以如下方式來使基準點的數目與檢測到的空間段的方位彼此適應是必需的出於距離測量的目的，將至少兩個基準點置於一個空間段上或者在各種情況下，將一個基準點置於兩個空間段之一上。根據對實施例的特別選擇實現，可以為空間段選擇不同的掃描運動。因此，例如在將反向旋轉稜鏡用作掃描儀的控制元件的情況下，循環掃描或檢測到的空間段的蓮座狀掃描(rosette-like scanning)是可能的。
如果空間段經過一個區域並且進入該空間段或其中存在的基準點被檢測、識別以及測量，則理論上可以檢測這些基準點。另外，利用用於對多個空間段進行獨立掃描的組件，還可以始終跟蹤一個或更多個基準點。這意味著空間段總是與基準點相匹配，使得可以省去對基準點的連續識別或者將其限於驗證。
可以基於基準點的反射率從背景中分辨出這些基準點，從而使得可以根據反射的輻射的強度變化來簡單確定基準點的位置。通過將發射方向和強度最大值相關聯，可以推導出距基準點的距離和方向作為位置信息。
然而有利地，也可以採用圖像記錄和圖像處理方法。在這種情況下，與距離相關地，可以另外地由定位設備來記錄圖像。圖像可以包括檢測到的視覺區域的完整圖像或者例如基準點位於其中的部分或部分圖像，並且根據圖像的位置推導出位置信息。對於CCD和CMOS攝像機，可獲得用於記錄圖像的大量的適合傳感器，其可由適合的光學元件來補充，並可在設備中集成為廣角內窺鏡的形式和小型化的形式。測得的距離與位置信息(例如包括可基於兩個識別出的基準點之間存在的像素數獲得的角度)協調。
根據與各角度相關聯的距離，現在可以獲得實際空間位置，並且利用對輻射的發射軸線相對於測量儀基準軸線的了解，還可以獲得方位。為了獲得該信息，可以採用普遍公知的照相測量法和圖像處理的方法。與對各點進行順序測量相比，將圖像與距離信息相關聯具有很多優點。因為同時檢測或者在短時間內進行檢測以及圖像形式的圖像測量排列，所以可以避免協調問題。另外，對測量的空間排列或者順序的檢測提供了可用於隨後對實際位置或實際方位進行確定的附加信息。
與確定平面上的位置的公知方法相比，在三維問題的情況下會出現數學上更加複雜的描述。
在二維中，以單個角度來描述旋轉位置，而對應的旋轉群SO(2)是可換的且與單位圓S1同形(利用複數相乘作為群操作)。
另一方面，在三維中，由非可換的三維李群SO(3)中的點來描述旋轉位置，並且所述李群SO(3)作為三維形狀(manifold)具有實質上更複雜的拓撲，特別地，其與三維單位球S3不同胚(homeomorphic)。
可以以多種方式來實現對基準點的識別以及此後的由定位設備記錄的位置信息與特定基準點的連結。首先，限定基準點的元件是可分辨的，從而可以無需進一步參照其他基準點而唯一地識別檢測到的基準點。為此，可以附接一種碼(例如類似條形碼，其可以在所記錄的圖像中被檢測並評估)，或者可以特別設計元件的物理特性。這種對物理特性設計的一個示例是衍射結構在反射球上的重疊。然而，也可以是在其鏡面反射率方面的唯一設計。如果由具有兩種波長的雷射束來檢測按照這種方式設計的元件，則可以基於反射的典型強度關係來實現對元件的識別。
然而，另外，通過另外考慮元件相對彼此的排列，精確的圖像處理方法提供了無需單獨設計這些元件就利用這些元件的可能性。由於全部基準點的空間位置都是已知的，因此基準點相對彼此的位置(這可以從檢測到的圖像中獲得)可以用於允許對各點進行識別。為此目的，有利的是僅根據幾個基準點以及它們相對彼此的位置可以明確地實現與位置的協調。為了確保良好的可識別性，即使在僅有少量檢測到的局部量的情況下，也可以將基準點隨機分散或放置為特殊排列(例如諸如數學M序列)的形式。
例如，如果在測量儀中使用用於位置確定的其他組件(諸如慣性傳感器，其登記相對於已知開始位置的變化)，則也可以可選地與方向或傾角測量一起使用該信息，用於對空間段中檢測到的基準點進行識別。
如果僅採用了少量基準點或者如果只在受限區域內能夠或者有利地安裝或建立它們，則可以採用粗搜索用於對基準點進行自動檢測，該搜索為用戶提供了測量儀的對準或者對準適用於檢測空間段的測量儀的組件，從而不需要與用戶進行交互。
為了能夠執行對測量儀的定位或位置確定以外的對準或方位確定，必須在基準點的測量與儀器的可分辨軸線之間進行連結。在這一方面，除了測得的距離之外，還需要矢量形式的相對於基準點的方向。從用於位置確定的傾角測量中可以獲得所述矢量。
然而，另選地或另外地，還可以測量掃描儀系統的組件的位置，從而在對基準點的檢測和測量中，還已知測量光束相對於裝置軸線的方向。此用途所需的量可以減至單個參數。例如如果掃描運動是已知的，則可將其構造為時間的函數，從而可以從測量時間中推斷出發射或之後的接收方向。因此理論上作為位置和方位測量的對空間位置的確定僅需要對另一裝置內的量進行測量。
根據本發明的測量儀通常具有其他的測量功能，這允許將測量儀用作測地裝置或者併入這種裝置。例如，可以設計這種手持測量儀，以通過併入另外的雷射測距儀或者提供用於另外測量的距離測量功能(根據本發明無論如何都是存在的)，而能夠在建築業中進行測量。利用這種實施例，可以在各測量的情況下無需實現單獨的位置確定和位置存儲地測量建築物內的距離。將測得的方向相關距離作為矢量自動地與測量中假定的位置協調，並將其存儲或發送。另外，還可以同時執行其他的測量。
這一實施例還可以用於執行對基準點的初始建立和測量。為此目的，至少在從要使用或測量的區域的部分區域中可以看到並且可由適合的元件檢測到的位置處建立基準點。下面，通過記錄角度和距離，根據已知初始位置來測量基準點的位置。如果不能獲得角度測量功能，則可代之以採用根據多個已知的初始位置的單純距離測量，用於推導基準點的位置。
根據本發明的另一應用存在於與按照不同方式操作的位置和/或方位測量系統的組合中。該另一系統目前具有支持功能或其自身得到支持。因此，慣性傳感器(例如測量轉動和線性加速度的類型)經常具有導致測得的實際位置偏離真實位置的漂移。根據本發明的定位系統提供適當的校正功能，通過根據本發明的實際位置確定以特定的時間間隔來校正偏差。另一方面，根據本發明執行的步驟之間的期間可由利用慣性傳感器的位置確定來支持。另外，可由另一定位系統來過渡(bridge)檢測基準點的臨時損耗，從而可以減少基準點數並且/或者可以簡單擴展可用於測量的區域。因此按照混合形式設計的這種定位設備還可以補償與基準點的視覺連結的簡單損失，使得總體上增大了使用區域的大小並對於其使用可以使得設備更加健壯。同樣的考慮以類似的方式應用於方位測量系統。
基於測地裝置及其組件的尺寸以及小光束截面，高度精確且穩定的定位是嚴格需要的。有利地，因此將輻射源的全部組件、波束制導以及控制和評估組件安裝在公共底板上或者在公共基板上實現。在DE 195 33426 A1和EP 1 127 287 B1中描述了一種光學構件或部件以及整體系統，該光學構件或部件其在安裝要求和安裝所需精度上是尤其適用的，且為組件形式。WO 99/26754和到提交日還未公開的歐洲專利申請第02026648號描述了適用於通過焊料將小型化的構件固定在底板上的方法。例如在提交日還未公開的歐洲專利申請第02026650號中描述了用於將小型化的構件固定在支撐板上的適合方法，特別是用於對光學元件進行精調的方法。
在此上下文中，術語「定位設備」、「方位測量設備」或者「手持測量儀」始終被理解為一般表示與測地測量或例如機器引導(諸如垂杆(plumb staff)或對建築機械的方位或方向確定)聯合使用的裝置或者測量裝置。通常，本發明涉及用於位置和/或方位確定的方法和裝置，用於測量或檢查具有空間基準的數據。尤其是，這裡測地裝置被理解為手持測距儀和經緯儀的意思，而所謂的總站被理解為利用電子角度測量的準距儀和電光測距儀。同樣，本發明適用於具有類似功能的專用裝置中，例如在軍用瞄準環或者在對工業結構或處理或機器定位或引導的監控中。


下面將參照附圖中示意性地示出的工作示例，僅通過示例來詳細描述根據本發明的方法和根據本發明的手持測量儀或者根據本發明的局部位置和方位系統。具體地，圖1示出了根據本發明的用於定位一建築機械的方法的第一步驟的可能實施例的圖；圖2示出了根據本發明的用於定位建築機械的方法的第二和第三步驟的可能實施例的圖；圖3示出了在建築物的內部房間中採用根據本發明的方法的初始狀況；圖4示出了根據本發明的方法的第二和第三步驟的可能實施例的圖，該實施例用於利用對僅一個空間段的檢測來在建築物的內部房間中進行位置確定；圖5示出了在對第一和第二基準點的位置信息進行自動檢測和獲取中的掃描運動的示例的圖；
圖6a-b示出了適用於根據本發明的方法的掃描運動的圖；圖7a-b示出了根據本發明的方法的第二和第三步驟的另一可能實施例的圖，該實施例用於利用對相互獨立的兩個空間段的檢測來在建築物的內部房間中進行位置確定；圖8示出了用於從第一和第二基準點的位置信息和位置中獲得可移動測量儀的實際位置和實際方位的數學條件的圖；圖9示出了將根據本發明的使用方法與另一位置或方位測量設備相組合的圖；圖10a-b示出了根據本發明的測量儀的第一和第二可能實施例的圖；圖11示出了根據本發明的測量儀的第一實施例的組件的圖；圖12示出了利用根據本發明的測量儀的第三實施例將根據本發明的方法用於建立處理位置的圖，以及圖13示出了用於獲取可移動測量儀的空間位置的基本數學關係的圖。
具體實施例方式
圖1以示例的方式示出了根據本發明的用於定位建築機械的方法的第一步驟。通過利用總站1作為測地用測量裝置，測量安置在建築工地上的相鄰建築物上的基準點2a，並確定它們的空間位置。將基準點2a建立在較高位置處使得從建築工地的大部分位置來看有很好的可視性和可檢測性。總站1的位置已知為方法的初始位置。然而理論上，也可以利用其他裝置或方法來實現對基準點2a的位置確定。尤其是，也可以利用位於已知初始位置上的根據本發明的定位設備根據本發明來實現對基準點的位置確定。如果存在在任何情況下其位置都已知的點，則這些點可以作為基準點被檢測並在根據本發明的方法中加以使用。
圖2以示例的方式且僅僅是示意性地，示出了根據本發明的方法的第二和第三步驟，用於定位建築機械3。將檢測空間段5(在通常的角度和距離測量的情況下，其中應存在至少兩個基準點2a′)的定位設備4a安裝在建築機械3上。如果該空間段5包括的基準點2a′少於兩個，則必須改變所檢測到的空間段5的大小或方位。然而，對於僅基於距離測量的本地定位系統而言，必須檢測在空間段5中存在的至少三個基準點2a′，並且必須測量它們距定位設備4a的距離。根據測得值推導實際位置。
圖3以應用於建築物內部房間中的示例的方式示出了根據本發明的方法的另一應用領域的初始狀況。在開始進行測量工作之前將基準點2b安置在房間牆壁上，並針對它們的位置進行測量。這例如可以採用手持測距儀(作為具有傾角計和方向儀的測量儀)來實現。通過利用該測距儀，可以通過對傾角、方向和距離的測量根據已知的初始位置連續推導基準點2b的位置。
圖4示出了根據本發明的方法用於在建築物的內部房間中進行位置確定的後續步驟的圖。根據本發明的測量儀4b檢測空間段5′，在空間段5′中，檢測至少兩個基準點2b′。由測量儀4b來測量在空間段5′中檢測掃描到的兩個基準點2b′的距離和傾角。然而，另選數量的變量也可用於確定實際位置和/或實際方位，諸如例如圖2中示出的且僅基於距離測量的方法(但至少要為其測量三個基準點的距離)。考慮基準點2b′的絕對位置，可以從作為位置信息的距離和傾角中得到定位設備4b的實際位置。在下面情況中也一樣，圖僅僅是示意性的，所示物體的大小關係不應被認為是按比例縮放的。
圖5示出了在對位置信息的自動檢測和推導中的示例掃描運動的圖。通過掃描運動6中的雷射束儘可能充分地檢測空間段5′。為了掃描相對較大的空間段，通常實現繞兩個軸的運動。在本示例中，利用蓮座狀掃描運動6中的圓錐檢測區在具有圓形截面的空間段5′上引導雷射束，檢測用於掃描運動6的設備組件的位置。當雷射束擊中空間段5′上存在的一個基準點2b′時，生成高強度的反射，並被用於例如通過利用取決於閾值的反射的檢測或濾波，來檢測基準點2b′。利用該雷射束，同時實現對距基準點2b′的距離的測量。如果與空間段5′的運動相比掃描運動6迅速發生，則可以根據作為時間函數的接收到的反射的位置來得到基準點2b′相對彼此的位置，這是因為掃描運動6及其路線的參數作為時間的函數是已知的。
圖6a-b示出了適用於根據本發明的方法的掃描運動的圖。圖6a示出了對完全檢測到的圓形空間段具有低覆蓋度的另一蓮座狀掃描運動6′。然而，根據本發明還可以採用其他形式的掃描運動6″。例如，例如與像素矩陣7相對應的矩形空間段可由曲折掃描運動6″來覆蓋。如果掃描運動是已知的，則還可以例如用公用驅動電機(其驅動掃描處理的所有部件運動)的軸的時間或位置一起作為參數來對其進行構造。
圖7a-b示出了在對位置信息進行自動檢測和推導中示例性使用的兩個空間段5″。
在第二實施例中，測量儀4c具有兩個跟蹤器，每個跟蹤器都是為跟蹤基準點2b而形成的。兩個跟蹤器中相互獨立地搜索空間段5″，在空間段5″中，存在可檢測的基準點2b′。在檢測到基準點2b′之後，連續地跟蹤後者並由此持續地保持空間段5″與各協調的基準點2b′對準。儘管圖7a和7b中示出了不同位置的測量儀4c，但是通常能實現對同一基準點2b′的檢測，從而不必對基準點進行改變和新識別。
圖8示出了用於可從第一和第二基準點2b′的位置和位置信息中推導出可移動測量儀的實際位置AP的數學條件。從實際位置AP處存在的定位設備，測量距兩個基準點2b′的第一距離A和相關傾角α以及第二距離B和相關傾角β。除了在通過兩個基準點2b′的垂直平面處的反射之外，根據對這些量的了解，可以明確地推導出實際位置AP。另選地，代替測量第二距離B，還可以測量兩個基準點之間的角度γ或者從記錄圖像中推導出所述角度。根據這些量，也可以明確地推導出實際位置(類似地除了反射之外)。如果此外相對於該儀器的軸線的角度是已知的，則還可以確定測量儀的方位。
圖9示意性地示出了與另一定位或方位測量設備相結合的根據本發明的方法的應用。測量儀從第一位置(對基準點的測量從這裡開始)開始，沿軌跡T移動，該測量儀配備有慣性傳感器作為另一定位或方位測量設備，該傳感器連續執行位置或對準確定。由於漂移效應，因而指出了沿第一插值路徑IP1的對準或視在位置(appearent position)，此外，在一段時間間隔之後，由通過利用根據本發明的方法確定的實際方位或第一實際位置AP1對其進展進行校正。在通過該軌跡期間，在後續的時間間隔中，由根據本發明的方法測量的第二實際位置AP2和第三實際位置AP3或者實際方位來校正視在位置沿第二插值路徑IP2和第三插值路徑IP3的進展。通過組合這兩種方法，可以推導出根據本發明的方法的測量之間存在的位置，可以克服未提供基準點的區域，或者可以實現基於慣性傳感器的設備校正。另外，通過這種組合可以實現對使用領域的擴展以及處理的便利性。
圖10a-b圖示出了根據本發明的測量儀的兩個可能實施例。
圖10a中示出的作為第一實施例的測量儀4b具有殼體8，在殼體8頂部安裝有用於輸入數據和控制命令的按鍵10。在顯示區域11中，顯示測量結果。通過罩9(其位於測量儀4b上並對輻射透明)來實現雷射輻射的發射和對空間段的檢測。由於罩9的曲率，因此還可以檢測位於測量儀4b側的立體角區域(solid angle region)。
圖10b示出了第二實施例的測量儀4c。除了殼體8、用於輸入數據和控制命令的按鍵10以及顯示區域11以外，測量儀4c具有兩個罩9′，這兩個罩9′對輻射透明，並且通過罩9′進行在各情況下的雷射輻射的發射和對空間段的檢測。由允許對基準點進行自動目標跟蹤的跟蹤器來控制發射和檢測。
圖11示出了根據本發明的第一實施例的測量儀4b的組件的圖，該測量儀4b包括殼體8和集成在其中的組件。用於輸入和輸出數據以及控制指令的按鍵10和顯示區域11在殼體8上。由第一輻射源12來發射雷射輻射L，雷射輻射L被偏轉元件13引導到作為控制元件的可旋轉稜鏡對14上。利用可旋轉稜鏡對14，雷射輻射L擊中鏡15的角度周期性變化，從而導致了由測量儀4b通過罩9發射的雷射束L的蓮座狀掃描運動。可以連續檢測用於發射的組件的位置來獲得實際方位。經由同一光束路徑將由目標(尤其是由基準點)反射回的雷射輻射反饋至輻射源12，在這種情況下在輻射源12中，結構上集成有用於距離測量的接收機。
再將由檢測區EB內存在的基準點反射回的輻射經由內窺鏡形式的光學系統16導入作為圖像記錄元件的攝像機17。利用攝像機17，允許在距離測量的同時，由圖像處理方法檢測基準點並對其進行識別。特別地，這裡可以通過計數兩個基準點之間存在的像素來執行角度測量。
為進行控制和數據處理，根據本發明的測量儀4b具有計算單元20，該計算單元20包括測量組件，用於對基準點(其為可檢測的)進行自動檢測並用於推導出基準點和位置組件的位置信息，以從基準點的位置信息中得到測量儀4b的實際位置和實際方位。
可選地，測量儀還可具有慣性傳感器21。
為了同時提供作為測地裝置的功能，測量儀4b可以具有第二輻射源18，第二輻射源18同樣為測距儀形式，並且通過該第二輻射源，可以對要記錄的目標進行距離測量。通過將測量儀4b與常規測距儀相組合，可以建立距離信息與實際位置或實際方位之間的自動連結，由此可以簡化並加速整個測量過程。
當然，示出的這些圖僅僅是裝置和方法的可能實施例的示例。因此，根據本發明，在其他結構和序列中也可以使用圖10中採用的組件。另外，本領域技術人員有能力使用另外的或另選的光學元件(例如，具有衍射效果的光學元件)，以及具有相同或相似效果或功能且在雷射物理或雷射技術中常用的元件。在圖10中，僅出於清晰的原因，未示出所需的電子控制部件、位置測量部件和電源部件以及安裝組件。
圖12說明了根據本發明，用於建立處理位置BP的根據本發明的方法的應用。利用根據本發明第三實施例的測量儀4d作為定位設備，在各情況下，在待處理的工件(這裡其通過示例以擋板22來表示)上建立起始位置SP和終止位置EP。對工件進行處理的示例是將釘子錘入牆內或者鑽孔。通過利用安裝在測量儀4d側且具有標記開口的條板23，可以在擋板22上標記達到的處理位置BP。因此，通過計算可以將測量儀4d上位置確定的標記開口和基準點相互的距離(departure)計入考慮。由測量儀4d中的計算組件將起始位置SP和終止位置EP定義的距離劃分為預定段。這些段可以等距離也可根據更複雜的圖案確定。隨後在擋板22上引導測量儀4d，顯示表示在各情況下預定處理位置BP之一的達到。然後可為其他的處理步驟來進行標記。對於這種應用，測量儀4d可以配備有類似於計算機滑鼠的滾輪或滑動段。
圖13示出了用於推導可移動測量儀的空間位置的基本數學關係。
為了在位置確定中測量位置，理論上，對於要記錄的測得值的選擇，最少可以有三種變型。
1.測量距兩個基準點的距離，並測量基準點之一的仰角。
2.測量距兩個基準點之一的距離和仰角，並測量兩個基準點之間的角度。
在這兩種情況下，不允許兩個基準點一個垂直地在另一個的上方，並且在這兩種情況下，在多數情況(favorable case)下，對於位置存在兩個解，即與包含這兩個基準點的平面對稱且與水平面垂直。
實踐中可以以各種方式來消除這種模糊，例如，通過利用方向儀(例如羅盤，不要求所述羅盤以多麼高的精度設置)或者利用所建立的預先知識。因此，例如基準點位於牆上並且不能透過牆來測量物體，或者開始時知道物體位於對稱面的哪一側上，並然後對其進行跟蹤，並由此還可以通過對稱面。
相對於基準點具有恆定距離和仰角的點由此位於以基準點為中心並以該距離作為半徑的球的緯度圈上。
3.測量兩個基準點的仰角，並測量距基準點之一的距離。
這裡還是不允許兩個基準點一個垂直地位於另一個的頂部，另外測量距其的距離的基準點不允許位於與物體相同的(垂直)高度處，因為否則沒有測量距其的距離的基準點的仰角對緯度圈上的全部點的仰角為零。在多數情況下，對於位置還是存在兩個對稱解。
為了獲得對於測地應用足夠的精度，測量距兩個基準點的距離和仰角是有利的。由於冗餘，該方案會有更高的精度。然而由於需要對中間角的進行測量，測量距兩個基準點之一的距離和仰角和測量兩個基準點之間的角度確實具有更大的硬體複雜度。
下面，將說明在僅確定距兩個基準點(位置矢量x1、x2)的兩個距離ρ1、ρ2和與第一基準點的仰角α1的最低情況下如何推導三維位置d。由矢量d、x1、x2定義的三角形用作起點來考慮位置確定的普通三維情況，圖13示出了位於該三角形平面內的圖形。
根據下式，利用平面幾何來計算三角形的高度h＞0和帶符號的高度部分yy=12-22+||x2-x1||22||x2-x1||2,h=12-y2---(1)]]>在圖13中，y＜0；在高度位於三角形內的情況下，y＞0。
在應用測得的距離之後仍然適用的全部位置d現在位於與x2-x1垂直的平面內以垂直基為中心並且半徑為h的圓上。為了以簡單的方式分析性地描述該圓，引入下面適用於該情況的標準正交三面體e1=x2-x1||x2-x1||,e2=e3e1||e3e1||,e3=e1e2---(2)]]>這裡，x表示矢量積，而e3為測地坐標系統的垂直基矢量。因此矢量e2為水平的。因此可如下來描述依然適用的所述圓上的位置矢量dd＝x1+y·e1+h·(e2cos+e3sin) (3)角度Φ仍然為未知參數。其必須由測得的仰角α1來確定。下式成立1sin1=e3T(x1-d)=x13-d2---(4)]]>矢量的第三個分量寫有上標3。與等式(3)一起，出現了下面的條件 該條件對於Φ通常允許有兩個解。例如可以數值地確定對等式(5)的解。如果將它們代入(3)中，則有兩個可能位置。可以確切地求解等式(5)其具有如下形式Acos+Bsin+C＝0 (6)其中A=he23,B=he33,C=ye13+1sin1---(7)]]>如果
c＝cos，s＝sin (8)則有A·c+B·s+C＝0，c2+s2＝1該等式系統的解給出為 代入c2+s2＝1，表明在(9)中僅允許或者選擇上面兩個符號，或者選擇下面兩個符號，並且因此得到兩個解。
因此，依次利用等式(1)、(2)、(7)、(9)和(3)，來明確計算位置矢量d。
為了並行確定位置和對準，必須確定6個自由度。在下面的等式中，將矢量分量寫作上標，其中vi:=ri||ri||]]>表示對第i個基準點的方向矢量並且由傾角傳感器測量的、由e1和e2定義的平面上的e3的投影，根據下式來指示1:=e1Te3,2:=e2Te3((1)2+(2)21)]]>這裡，{e1，e2，e3}為固定的標準正交三面體，而{e1，e2，e3}是相對於物體固定的標準正交三面體。另外可以應用下面的關係ri=ivi=ij=13vijej=ij=13vijEej]]>E＝[e1e2e3]∈R3×3，vi=[vi1,vi2,vi3]TR3]]>如果通過利用傾角傳感器來測量傾角，則例如可由如下等式來計算位置d∈R3和旋轉位置E∈SO(3)w:=j=13(1v1j-2v2j)ej=:j=13wjej---(10)]]>E=Pe3I(x1-x2)[w-(x13-x23)]T+(e3(x1-x2))(w)T(x11-x21)2+(x12-x22)2+e3T---(11)]]>d=1|I|iI(xi-ij=13vijE(:,j))---(12)]]>這裡，I為索引量，而|I|為用於測量的基準點的數量。
代替等式(11)，還可以採用以下等式
e1=[w1-(x13-x23)1][(x11-x21)e1+(x12-x22)e2]-(2w3-3w2)[(x12-x22)e1-(x11-x21)e2](x11-x21)2+(x12-x22)2+1e3]]>e2=[w2-(x13-x23)2][(x11-x21)e1+(x12-x22)e2]-(3w1-1w3)[(x12-x22)e1-(x11-x21)e2](x11-x21)2+(x12-x22)2+2e3]]>e3=[w3-(x13-x23)3][(x11-x21)e1+(x12-x22)e2]-(1w2-2w1)[(x12-x22)e1-(x11-x21)e2](x11-x21)2+(x12-x22)2+3e3]]>如果無需採用傾角傳感器來執行確定，則可以採用下面的等式wik=j=13(ivij-kvkj)ej---(1ik|I|)]]>E=1||x1-x2||2||x1-x3||2-((x1-x2)T(x1-x3))2{(x1-x2)[||x1-x3||2w12-((x1-x2)T(x1-x3))w13]T]]>+(x1-x3)[||x1-x2||2w13-((x1-x2)T(x1-x3))w12]T+((x1-x2)(x1-x3))(w12w13)T}]]>d=1|I|iI(xi-ij=13vijE(:,j))]]>在方法步驟的圖中，僅示意性地示出所用的建築物和裝置。特別地，從圖中沒有明顯的尺寸關係或者圖像處理或對基準點的測量的詳情。僅以示例的方式示出了作為基準點的點還表示使一點可檢測的更複雜的結構或元件。
權利要求
1.一種用於確定手持測量儀(4a、4b、4c、4d)的空間位置(AP、AP1、AP2、AP3)的方法，包括●多個基準點(2a、2a′、2b、2b′)，這些基準點是可檢測的，所述多個基準點包括至少兩個基準點(2a、2a′、2b、2b′)，和●手持測量儀(4a、4b、4c、4d)，形成為用於利用雷射輻射(L)來檢測並測量所述基準點(2a、2a′、2b、2b′)，所述方法包括以下步驟——推導基準點(2a、2a′、2b、2b′)的位置，尤其通過根據至少一個已知初始位置來測量基準點(2a、2a′、2b、2b′)，——由測量儀(4a、4b、4c、4d)自動檢測並推導出與所述多個基準點中的至少一個第一和一個第二基準點(2a′、2b′)相關的位置信息，○利用雷射輻射(L)和檢測到的第一和第二基準點(2a′、2b′)，在掃描運動(6、6′、6″)中自動掃描至少一個空間段(5、5′、5″)，以及○通過至少測量以下內容而推導至少所述檢測到的第一和第二基準點(2a′、2b′)的位置信息●測量儀(4a、4b、4c、4d)與第一基準點(2a′、2b′)之間的距離(A)；以及●測量儀(4a、4b、4c、4d)與第二基準點(2a′、2b′)之間的距離(B)和/或第一與第二基準點(2a′、2b′)之間的角度(γ)，●以及——與第一或與第二基準點(2a′、2b′)的傾角(α、β)或者——與第三基準點(2a′、2b′)的至少一個距離，——從至少第一和第二基準點(2a′、2b′)的位置信息和位置中推導測量儀(4a、4b、4c、4d)的實際位置(AP、AP1、AP2、AP3)，可以重複單個或多個所述步驟。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述位置信息的自動檢測和推導中，至少間接或直接地確定●測量儀的傾角和/或●雷射輻射的發射方向並推導測量儀的實際方位。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，通過構造限定軌跡來確定所述發射方向。
4.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，基於第一和第二基準點(2a′、2b′)對雷射輻射(L)的反射率，尤其是通過利用用於建立基準點(2a、2a′、2b、2b′)的協作對象，來檢測所述第一和第二基準點(2a′、2b′)。
5.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，在自動檢測中，尤其通過對與各基準點(2a、2a′、2b、2b′)相協調的各碼或各物理性質的識別，優選地基於頻譜選擇性，來將基準點(2a′、2b′)彼此區分開。
6.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，在對位置信息的自動檢測和推導中，實現對圖像的記錄。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，利用圖像處理方法來檢測第一和/或第二基準點(2a′、2b′)。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特徵在於，利用圖像處理方法來推導至少所檢測到的第一和第二基準點(2a′、2b′)的位置信息。
9.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，通過掃描，尤其是按照蓮座狀或曲折方式來實現掃描運動(6、6′、6″)。
10.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，在自動檢測中，實現對基準點(2a、2a′、2b、2b′)中的至少一個的自動目標跟蹤。
11.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，同時推導至少所檢測到的第一和第二基準點(2a′、2b′)的位置信息和/或對準信息。
12.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，通過利用慣性傳感器(21)，尤其是對實際位置(AP、AP1、AP2、AP3)和/或實際方位進行插值，實現對實際位(AP、AP1、AP2、AP3)和/或實際方位的附加推導。
13.根據任意一個前述權利要求所述的方法，其特徵在於，根據以下原理之一來實現對距離的測量●相位測量，●脈衝渡越時間測量，●具有閾值確定的脈衝渡越時間測量，●具有HF採樣的脈衝渡越時間測量。
14.根據任意一個前述權利要求所述的方法的應用，用於校正基於慣性傳感器(21)的位置和/或傾角測量設備的偏差，尤其是漂移效應。
15.用於根據權利要求1到13中的任意一項所述的方法的測量儀(4a、4b、4c、4d)，包括——用於產生雷射輻射(L)的至少一個輻射源(12)，——至少一個測量組件，用於對可檢測到的基準點(2a、2a′、2b、2b′)進行自動檢測，並用於推導基準點(2a、2a′、2b、2b′)的位置信息，所述測量組件包括對雷射輻射(L)的接收機，所述接收機被形成為用於距離測量，並且所述測量組件可選地還適用於推導基準點(2a、2a′、2b、2b′)的位置，所述測量儀的特徵在於，●至少一個控制組件(14)，用於改變雷射輻射(L)的發射方向，所述控制組件(14)被設計為可由雷射輻射(L)自動掃描至少一個空間段(5、5′、5″)，以及●位置組件，用於從基準點(2a、2a′、2b、2b′)的位置信息中推導測量儀(4a、4b、4c、4d)的實際位置(AP、AP1、AP2、AP3)。
16.根據權利要求15所述的手持測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，所述測量組件被形成為用於測量角度(α、β、γ)，特別是●兩個基準點(2a、2a′、2b、2b′)之間的角度●基準點(2a、2a′、2b、2b′)與水平之間的角度和/或●測量儀與水平之間的角度。
17.根據權利要求15或16所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，所述測量組件被形成為用於確定雷射輻射相對於測量儀的軸線的發射方向。
18.根據權利要求15、16或17所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於慣性傳感器(21)。
19.根據權利要求15到18中的任意一項所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，所述控制組件(14)為掃描儀形式，尤其為具有可旋轉稜鏡或鏡的掃描儀形式。
20.根據權利要求15到19中的任意一項所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，所述測量組件具有圖像記錄組件(17)，尤其為CCD或CMOS攝像機，優選地為廣角攝像機形式。
21.根據權利要求15到20中的任意一項所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，所述測量組件具有掃描檢測組件，尤其包括內窺鏡(16)形式的同軸光學系統。
22.根據權利要求15到21中的任意一項所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，包括另外的測距儀(18)。
23.根據權利要求15到22中的任意一個所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，所述控制組件(14)被形成為使得空間段(5、5′、5″)在其範圍內可變。
24.根據權利要求15到23所述的測量儀(4c)，其特徵在於，所述控制組件(14)被形成為使得可以彼此無關地掃描至少兩個空間段(5″)，尤其是通過用於目標跟蹤的兩個跟蹤器。
25.根據權利要求15到24中的任意一項所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於，用於確認所述測量儀(4a、4b、4c、4d)已處於預定位置的顯示裝置。
26.根據權利要求25所述的測量儀(4a、4b、4c、4d)，其特徵在於用於推導預定位置的計算組件，尤其是通過建立起始位置(SP)和終止位置(EP)，可由根據指定方案的計算組件來自動推導在起始位置(SP)和終止位置(EP)之間的處理位置(BP)。
27.本地位置確定系統，包括根據權利要求15到26所述的測量設備(4a、4b、4c、4d)以及用於建立可檢測到的基準點(2a、2a′、2b、2b′)的至少兩個反射器。
28.根據權利要求27所述的本地位置確定系統，其特徵在於，至少一個反射器為以下元件之一的形式，尤其是設置有編碼或頻譜選擇性的元件形式玻璃球，尤其是整球或半球，回射箔，三稜鏡。
29.根據權利要求1到13中的任意一個所述的方法的應用，用於標記處理位置，其中由所述方法來定義第一實際位置作為起始位置，定義第二實際位置作為終止位置，並且根據起始位置與終止位置之間的指定方案自動推導處理位置，從而可以通過該方法來驗證處理位置的假設。
全文摘要
本發明的目的是確定測量儀(4b)的實際位置和/或實際方位。為此，檢測位於由雷射束掃描的空間段(5′)上的至少兩個基準點(2b′)，並測量兩者之間的距離及其傾角。可以從以可檢測的方式排列的所述基準點(2b′)的已知位置以及相關的該基準點的距離和傾角中推導測量儀(4b)的實際位置。由測量儀(4b)以自動的方式來執行對基準點的檢測、監控和測量，所述測量儀(4b)和與基準點(2b′)相關的具體實現的元件形成本地位置和/或方位測量系統。即使在其他測量系統無法到達的區域內，執行本發明方法及對應的設備也可以使測量毫無問題地且以自動的方式進行。
文檔編號G01C15/00GK1856693SQ200480027480
公開日2006年11月1日 申請日期2004年9月21日 優先權日2003年9月22日
發明者伯恩哈德·布勞內克, 伯恩哈德·蓋西爾, 貝亞·埃比舍爾 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司