用於覘標追蹤的方法及相關聯的覘標的製作方法

2023-07-25 15:32:01 1

專利名稱：用於覘標追蹤的方法及相關聯的覘標的製作方法
技術領域：
本公開內容總體涉及覘標追蹤系統。更具體而言，本公開內容涉及
用於追蹤移動對象的包括發射器的有源覘標(active target),例如其 中機器人全站儀使用由所述發射器發射的信號持續地追蹤對象的移動。
背景技術：
在建築業中，對諸如平地機和推土機之類的機械裝置的高精度定位 存在日益增加的要求。在建築工地，物流精度和施工精度都可能要求對 工地上的每個機械裝置或車輛進行單獨的追蹤。
為此，存在基於先進追蹤傳感器和機器人全站儀的系統，其遠程追 蹤和測量動態(kinetic)移動覘標，並持續將測得的數據發送至控制
計算機或類似物。
近來，三維(3D)機械控制操作已變得日益重要。來自設計軟體的
三維數據在工程機械上被使用，以便於全面的場地控制。工程機械的動 態移動由勘測設備持續地監測，所述機械裝置的位置、定向、空間方位 角(attitude)等被發送至機載控制計算機。該機載計算機基於當前位 置和定向與所述三維設計的比較，計算所述工程機械的控制數據。
如果工程機械由操作者手動控制，會向操作者提供關於機械裝置位 置正確性的指示。例如，可向操作者提供關於運土伊的高度和角度的信 息。基於該信息,操作者可以在需要時相應地改變所述鏟的位置。
對於自動機械控制系統，控制計算機通過向例如機械裝置的液壓閥 控制系統提供適合的控制信號，來根據三維設計控制整個系統並自動改 變該工程機械的位置。
各種類型的工程機械可以裝備這一類型的機械控制系統。平地機和 推土機是通過這類系統控制和監測的典型運土機械。更新近地，鋪路機、 壓路機和挖掘機也被以這種方式控制。但是，機械控制系統並不僅限於 工程機械。舉幾個例子，三維控制系統也可以用於，水文海洋應用以及 實時動態鐵路測量。
4的運土妒的位置數據， 通常將一覘標安裝在該機械裝置上或安裝在附接至該機械裝置的伊或
類似物上。例如，該覘標可以包括向後反射稜鏡(retro-reflecting prism)，該向後反射稜鏡用作從全站儀發出的電子測距光束的覘標。適 合地，這些稜鏡被周向地布置在覘標中，從而提供從任何方向測量覘標 位置的可能性。可替代地，代替使用稜鏡，所述覘標可設有其他反射表 面，諸如反射帶。現有技術中已知用於測距的各種適合類型的覘標。
此外，為了便於通過機器人全站儀追蹤覘標，所述覘標可以包括諸 如發光二極體或類似物的發射器。該發射器可以被設計為將編碼信號發 射至機器人全站儀以識別所述覘標。例如，可以賦予一場所的每個工程 機械或覘標唯一的身份，關於這一身份的信息可以通過這些發射器發 出。於是，任何接收全站儀可以將該身份與已知的一組身份相比較，以 確定它當前追蹤的是哪一個唯一的工程機械(或哪一個覘標)。
根據上文所述的具有發射器的有源覘標還便利於機器人追蹤，因為 追蹤功能可以在全站儀中與其測距能力分開實現。
因此，如上文所述，在工地存在用於機械裝置和工具的實時追蹤的 已知系統。如所述，當使用三維設計時，這尤其方便。
但是，雖然這些系統確實是成功的，但仍然存在改進的空間。例如， 當機器人全站儀持續地追蹤例如車輛上的伊時，它可以確定其動態移 動，但是，沒有辦法知道該車輛是在沿前向方向移動還是在倒車。此外， 如果車輛根本不在移動，沒有辦法來確定其前向方向。現有技術需要安 裝在單個機械裝置或車輛上的多個覘標以使得可以確定其旋轉(或定
向)位置。

發明內容
本公開內容提供了可以用於確定單個覘標的旋轉或定向位置的方 法和4見標。
根據本發明，通過探測一覘標處的多個發射器發出的光，在追蹤器 單元例如機器人全站儀中確定該覘標的旋轉位置。所述覘標發射器首先 發射全向同步信號。在該同步信號之後，從預定的發射器開始，順序地 一次一個地或成組地啟用每個發射器。通過在追蹤器單元中探測發出的光，並確定何時探測到來自覘標的最強信號(振幅)，可以確定同步信 號的時間和來自個體發射器的最強信號的時間之間的時間差。根據這一 信息，可以計算覘標相對於為追蹤器單元所知的坐標系的旋轉位置(其
標準方向(reference direction))。
在一個優選實施方案中，源於至少兩個發射器的探測振幅被用於確 定覘標的旋轉位置。在確定相對於所述坐標系的覘標旋轉位置時，使用 不只一個而是兩個或更多個探測振幅提供改進的精度。然後，覘標的改 進的旋轉精度通過在相鄰發射器的探測振幅之間插值而獲得。
適合地，所述同步信號可以被編碼(調製)以指示發出同步信號的 覘標的身份。
用於根據本發明的覘標追蹤系統的有源覘標包括圍繞覘標周向布 置的多個發射器，諸如發光二極體；以及用於以兩個相繼階段啟用所述 發射器的控制電路，其中第一階段包括同步信號的發射，第二階段包括 從參考方向(reference direct ion)(參考發射器)開始的對發射器的 順序啟用。在第二階段中，每個發射器被啟用一段預定的時間。


在下面的詳細描述中將參考附圖，在附圖中
圖1示意性地示出了本發明原理的實現。
圖2-4示意性地示出了覘標結構的不同實施方案。
圖5是示意性地示出了根據本發明的有源覘標的功能部件的框圖。
圖6示意性地示出了覘標發射器的兩個啟用階段。
在所有的附圖中，相同的部件用相同的參考標號表示。
具體實施例方式
在本發明的一個實施方案中，用於追蹤系統的覘標包括多個周向布 置的發射器。該發射器可以適合地是發光二極體，發出例如在電磁光譜 的可見或紅外區域的光。由這些發射器發出的信號是可通過例如機器人 全站儀探測到的。
為了提供對覘標的旋轉位置的測定，存在用於覘標的定義參考方向。為了確定覘標的旋轉位置，首先從所述發射器在所有方向上發射同
步信號(或同步圖形(synchronization pattern ))。例如，可以將所 述發射器中的多個(通常是所有)發射器同時啟用以發送穩定信號。可 替代地，可以將所述發射器啟用以發送指示覘標身份的編碼信號(圖 形)。所述同步信號由全站儀探測，該全站儀可以將對這一同步信號的 探測作為旋轉位置測定的觸發器。
一旦同步信號被發出，就在覘標中開始一過程，其中從參考發射器 開始，以預定的速率圍繞覘標的周圍順序地啟用上述那些發射器。全站 儀持續地探測來自覘標的發射，並確定在哪一時間點探測到最強的發射 (振幅)。如應當理解的，當面對全站儀的發射器在目標處被啟用時， 將探測到最強的發射。通過測定同步信號的時間和最強發射器信號的時 間，全站儀可以確定相對於參考發射器，哪一個周向布置的發射器是面 對全站儀的。由此，可以確定覘標相對於為全站儀所知的坐標系的旋轉 位置。
從參考發射器開始的對發射器的順序啟用可以適合地在同步信號 之後的預定時間點開始。
適合地，覘標以使得參考發射器將處於工程機械或類似物的前向方 向的方式安裝。但是，如應當理解的，參考發射器可以相對於工程機械 具有任何定向，只要參考發射器相對於該機械裝置的相對定向是已知 的。
圖1示意性地示出了本發明原理的一種實現，其中為了清晰起見， 僅示出了發射器以及示意性圖解的機器人全站儀。在這一實施方案中， 覘標10包括四十(40)個周向布置的發光二極體(LED) 12。在該實施 方案中，在順序啟用的過程中，從參考發射器12 (no)開始， 一次一個 地將每個LED點亮約40ms。因此，在所有四十個LED都被啟用了之前， 將耗時約1.6 s。對於這一將40個LED周向布置在覘標上的實施方案， 通常可以將旋轉位置測定至達約+/-5哥恩(gon) ( 400哥恩/40 LED) 的精度。
在圖1中，還示意性地示出了機器人全站儀20，其視線瞄準覘標 10。通過探測LED發出的光，全站儀20可以確定最接近的LED12 (np) 何時被點亮，因為這個LED將在全站儀20處提供最強的信號(探測振幅)。
覘標10的旋轉位置的測定精度可以通過一次啟用不是僅一個發射 器，而是如下所述而得到進一步改進啟用多個例如三個發射器一一其 對於發射信號使用不同的調製頻率一一併且對於每個調製頻率單獨地 測定探測振幅。於是，可以對來自三個被同時啟用的發射器的信號強度 進行插值，並且與基於僅一個發射器可行的覘標旋轉位置測定，更精確 地確定覘標旋轉位置。再次參考圖1, LED 12 (np-l)、 12 (np)以及l2
(np+l)可以被同時啟用(使用不同的調製頻率)，以便以更高精度提 供旋轉位置的測定。例如，LED 12 (np)可以是最接近的發射器(最強 的信號)，但是如果來自LED 12 (np-l)的信號較來自LED 12 ( np+l) 的信號更強，則可以推論出覘標的最接近全站儀的部分在LED 12 (np) 和LED 12 (np-l)之間的某處。以這種方式，覘標的旋轉位置可以比 LED之間的周向間隔更小的步幅為單位來確定。
考慮例如具有最高探測振幅的發射器例如發射器12 (np)已被確定 的情況。 一旦確定了這一發射器的身份，就比較前、後(即，向右和向 左)緊鄰的發射器一一例如發射器12 (np-l)和12 (np+l) —一的振 幅。接著將具有較高振幅的那一個相鄰發射器的振幅與中間的發射器
(即被確定為具有總體最高探測振幅的發射器12 (np))相比較。接著
基於發射器的發射特徵的已知形狀，諸如所發出的輻射波瓣的形狀，通 過對探測振幅進行插值，可以將覘標的旋轉位置確定至達更高的精度。
也可以使用對發射器的一次一個的順序啟用進行上述插值。因此， 代替以不同的調製頻率同時啟用三個發射器，可以使用一個接一個的順 序啟用，並確定每個相應的振幅。
可替代地，可以成對地啟用兩個發射器，同時對於每對的二極體使 用不同的調製頻率。例如，通過首先使用不同的調製頻率啟用兩個發射 器(發射器12 (np-l)以頻率fi,發射器12 (np)以頻率fj，並接著 將這些發射器中的一個與第三發射器一起啟用(發射器12 ( np)以頻率 f2，發射器12 (np+l)以頻率f3),也可以確定每個探測振幅，並進行 插值以得到改進的精度。注意在這一實施例中，因為上述實施例中的發 射器12 (np-l)和發射器12 (np+l)並非同時被啟用，所以它們可以 使用相同的調製頻率，即f產f"例如，作為一非限制性實施例，LED可以發射約780 nm的紅外光。
圖2-4示意性地示出了覘標結構的一些實施方案。在圖2示出的實 施方案中，發射器12以鋸齒形結構圍繞覘標周向布置。包括了發射器 的區域被反射表面18包圍，該反射表面18的目的是反射從全站儀發送 的用於電子測距的光束。圖3示出了類似的覘標，但是此時反射區域 18居中位於發射器12所在的兩個區域之間。圖4中示出了又一實施方 案，其中使用反射稜鏡16，而非反射表面。在圖4中，發射器以圓的 形式圍繞覘標布置，而非如圖2和3中以鋸齒形結構布置。
圖5是示意性地示出了根據本發明的有源覘標10的功能部件的框 圖。該有源覘標包括用於控制發射器12的控制電路21，以及用於向控 制電路21和發射器12供電的電源22。如圖6所示，控制電路可操作 來以兩個相繼階段P1和P2啟用發射器(通常是LED)。在第一階段P1 中，控制電路驅動所述發射器中的多個(優選地所有)發射器同時發射 同步信號。該同步信號在機器人監測全站儀中用作開始旋轉位置測定的 觸發器，並且同步時間被記錄。控制電路可以有利地驅動發射器發射指 示覘標身份的編碼同步信號。在第二階段P2中，控制電路可操作來順 序地啟用發射器。該第二階段通常在同步信號被發射之後一預定時間開 始。如上所述，對發射器的順序啟用用於確定覘標的旋轉位置。在上述 的一些方法實施方案中，控制電路在第二階段也可操作來驅動發射器使 得所述發射器發射調製信號(參閱上文關於改進的精度的描述)。用於 每個個體發射器的調製頻率可以在全站儀中用於識別每個發射器。
雖然通過參考如在附圖中示意性示出的特定實施方案描述了本發 明，但應當理解的是，在不背離如所附權利要求中限定的本發明的範圍 的情況下，可以做出各種變型和改體。
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權利要求
1.用於在覘標追蹤系統中確定覘標的旋轉位置的方法，所述覘標包括圍繞其周向布置的多個發光元件，並且所述覘標追蹤系統還包括能夠探測由所述發光元件發出的光的追蹤器單元，該方法包括從所述發光元件中的多個發射全向同步信號；在追蹤器單元中探測所述同步信號；從參考方向開始，順序地啟用所述發光元件，其中每個發光元件被啟用一段預定時間，並在其被啟用的時間內發光；在追蹤器單元中探測從覘標接收到最大量的光的時間；以及基於探測到同步信號和探測到從覘標接收到的最大量的光之間的時間間隔，計算覘標相對於坐標系的標準方向。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中發光元件被順序地啟用，使 得至少兩個發射器被同時啟用，並且其中來自被啟用的發射器的信號被用於計算標準方向。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中被同時啟用的任意兩個發射 器以不同的調製頻率發射光。
4. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中計算標準方向的步驟 包括基於來自至少兩個相鄰發光元件的探測振幅的插值步驟。
5. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中同步信號被調製為指 示覘標的身份。
6. 用於覘標追蹤系統的有源覘標，所述有源覘標包括 圍繞所述覘標周向布置的多個發光元件；覘標中的耦合到所述發光元件的控制電路，其用於以兩個相繼階段 啟用發光元件，其中第一階段包括同時啟用發光元件中的多個，以發射全向同步信號；並且第二階段包括從參考方向開始，順序地啟用發光元件，其中每個發 光元件被啟用一段預定時間，並在其被啟用的時間內發光。
7. 根據權利要求6所述的有源覘標，其中控制電路在第一階段中 可操作來啟用所述多個發光元件，以發射指示覘標身份的調製信號。
8. 根據權利要求6或7所述的有源覘標，其中控制電路在第二階段中可操作來啟用發光元件，使得任意兩個被同時啟用的發光元件以不 同的調製頻率發射光。
全文摘要
公開了一種用於在覘標追蹤系統中確定覘標的旋轉位置的方法。所述覘標包括圍繞其周向布置的多個發光元件。所述覘標追蹤系統還包括能夠探測由所述發光元件發出的光的追蹤器單元。所述方法包括以下步驟從所述發光元件發射全向同步信號；在追蹤器單元中探測所述同步信號；從參考方向開始，順序地啟用所述發光元件，其中每個發光元件被啟用一段預定時間，並在其被啟用的時間內發光；在追蹤器單元中探測從覘標接收到最大量的光的時間；以及基於探測到同步信號和探測到從覘標接收到的最大量的光之間的時間間隔，計算覘標相對於坐標系的標準方向。還公開了一種用於所述方法的有源覘標。
文檔編號G01B11/00GK101681170SQ200780053164
公開日2010年3月24日 申請日期2007年5月30日 優先權日2007年5月30日
發明者J·凱倫 申請人:特林布爾公司