專(zhuān)利名稱(chēng)：：位置指示與導(dǎo)向控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及位置指示和導(dǎo)向系統(tǒng)，尤其涉及使用單激光發(fā)射器和探測(cè)器陣列向載有在工作地點(diǎn)沿預(yù)定路徑移動(dòng)的工具的機(jī)器提供位置和導(dǎo)向信息的控制系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
：施工在很大程度上依賴(lài)于定位數(shù)據(jù)。施工性能，尤其生產(chǎn)力和工作質(zhì)量，與所使用的定位方法的速度和精度相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)繪技術(shù)相對(duì)較慢，要求高度熟練的操作人員，并且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。在一種現(xiàn)有技術(shù)的激光發(fā)射器中，窄聚焦的、水平旋轉(zhuǎn)的激光能量束被用于提供基準(zhǔn)平面。旋轉(zhuǎn)光束攔截激光接收器中的光電探測(cè)器的垂直延伸陣列，以便標(biāo)記接收器關(guān)于激光束的高度(elevation)。該陣列通常延伸4-8英寸。于是，可用的數(shù)據(jù)被限制到在相當(dāng)小的垂直范圍之上的高度，從而由于平面傾斜和反復(fù)對(duì)準(zhǔn)，使用這種傳統(tǒng)的激光系統(tǒng)確定坡度(grade)較為費(fèi)時(shí)。在另一種現(xiàn)有技術(shù)的激光發(fā)射器中，發(fā)出光的平面，而不只是顯示水平面的光線(xiàn)。光的平面提供使相關(guān)接收器能夠計(jì)算相對(duì)于發(fā)射器的鉛錘對(duì)準(zhǔn)、高度和傾斜的足夠角度信息。不過(guò)，在前、后這兩種系統(tǒng)中，并不確定(establish)關(guān)于從接收器到發(fā)射器的相對(duì)距離和方向(方位)的信息。為了確定距離和方向，機(jī)器操作人員通常遵循預(yù)先測(cè)繪了的在樁上的方向標(biāo)記、繩線(xiàn)、來(lái)自管材激光的激光束，或者通過(guò)利用第二激光發(fā)射器的三角測(cè)量法。而且，在挖掘(excavation)操作中，傳統(tǒng)的深度指示系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)激光平面，該旋轉(zhuǎn)激光平面使用單激光接收器來(lái)指示垂直定向的懸臂和伊斗是高于所需高度、低于所需高度還是在所需高度上，有或沒(méi)有坡度。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)理解，單激光接收器的光電探測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度限制這種深度指示系統(tǒng)的垂直操作范圍分別大約為士2和士4英寸。這些嚴(yán)格的限制常常導(dǎo)致操作人員"搜索光束"，以便重獲深度指示。通常，諸如挖掘機(jī)之類(lèi)的機(jī)器的方向由預(yù)先測(cè)繪的樁上的標(biāo)記、繩線(xiàn)或者另外的激光發(fā)射器(諸如管激光器之類(lèi))提供。不過(guò)，這些方法具有已知的缺陷。由施工地點(diǎn)的活動(dòng)導(dǎo)致的路線(xiàn)損壞可能導(dǎo)致采掘(digging)延遲，而使用另外的激光器比較昂貴。此外，通過(guò)傾斜激光能量平面直到傾斜的平面指向了所需方向，來(lái)構(gòu)建利用激光器的坡度。該建造操作可能要求使用另外的手持式探測(cè)器進(jìn)行若干檢查，以及反復(fù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得所需坡度。因此，使用傳統(tǒng)的激光系統(tǒng)、樁、繩線(xiàn)、管激光器或者第二個(gè)發(fā)射器來(lái)構(gòu)建距離、方向和坡度較為費(fèi)時(shí)，并且增加額外的成本。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述背景，本發(fā)明提供一種位置指示和導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用單激光發(fā)射器和具有探測(cè)器陣列的接收器提供由機(jī)器所載的工具(諸如挖掘機(jī)的伊子或反伊、或裝載機(jī)的伊斗之類(lèi))的至少深度和路線(xiàn)信息。在一個(gè)實(shí)施例中，接收器提供一體化的坡度和路線(xiàn)指示器。通過(guò)在接收器中輸入坡度而簡(jiǎn)單設(shè)置坡度，從而消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)在傾斜和平面對(duì)準(zhǔn)時(shí)要求的時(shí)間耗費(fèi)。在另一實(shí)施例中，還由接收器通過(guò)感測(cè)來(lái)自激光發(fā)射器的基準(zhǔn)扇面提供六階位置信息(x、y、z、傾斜度(pitch)、滾動(dòng)和偏轉(zhuǎn)(yaw))。本發(fā)明還提供下述好處使機(jī)器操作人員通過(guò)觀看提供給接收器的轉(zhuǎn)向(steering)和高度指示器，具備了遵循預(yù)定路徑(例如所需溝壕路徑)和獲得所需挖掘深度(例如所需坡度)的能力。通過(guò)由探測(cè)器陣列對(duì)單激光發(fā)射器生成的信號(hào)進(jìn)行攔截而得到的數(shù)據(jù)來(lái)激活位置指示系統(tǒng)的指示器。應(yīng)當(dāng)理解，因?yàn)槭褂昧颂綔y(cè)器陣列，所以本發(fā)明與傳統(tǒng)激光接收器的典型垂直接收范圍為士2至4英寸相比，還提供了另外的好處使垂直接收范圍增加到米。這樣，本發(fā)明基本上減少或消除了部署樁和繩線(xiàn)、與激光發(fā)射器同步(即光束搜索)所需的時(shí)間以及與使用第二個(gè)激光發(fā)射器相關(guān)的成本。在一個(gè)實(shí)施例中，公開(kāi)了一種用于在工作地點(diǎn)引導(dǎo)載有工具的機(jī)器沿預(yù)定路徑移動(dòng)的方法，所述方法包括把扇型激光發(fā)射器放在遠(yuǎn)離機(jī)器的工作地點(diǎn)。所述激光發(fā)射器具有任意基準(zhǔn)方向并且生成兩個(gè)扇形激光束。該方法還包括借助任意固定在具有三維形狀的探測(cè)器陣列中的已知位置的至少四個(gè)光電探測(cè)器感測(cè)兩個(gè)扇形激光束。所述探測(cè)器陣列被放在機(jī)器上的已知位置。該方法還包括把與所述任意基準(zhǔn)方向的基準(zhǔn)方位角設(shè)置到配備在機(jī)器上的控制單元中，所述基準(zhǔn)方位角指向與預(yù)定路徑平行的方向；使用感測(cè)兩個(gè)扇形激光束的探測(cè)器陣列向控制單元提供的信息計(jì)算測(cè)量的方位角。此外，該方法包括通過(guò)控制單元比較測(cè)量的方位角與基準(zhǔn)方位角，確定機(jī)器相對(duì)于預(yù)定路徑的位置；以及生成用于幫助沿預(yù)定路徑引導(dǎo)機(jī)器的信號(hào)。。在另一實(shí)施例中，公開(kāi)了一種用于在工作地點(diǎn)引導(dǎo)載有工具的機(jī)器沿預(yù)定路徑移動(dòng)的控制系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括扇型激光發(fā)射器，在用于控制系統(tǒng)中時(shí)，被放在遠(yuǎn)離機(jī)器、平行于預(yù)定路徑的控制線(xiàn)上的工作地點(diǎn)處，并且在任意基準(zhǔn)方向上被構(gòu)建；至少四個(gè)光電激光器，任意固定在具有三維形狀的探測(cè)器陣列中的已知位置。所述探測(cè)器陣列放在機(jī)器上的已知位置處并且被配置為在工作時(shí)接收與所述扇型激光發(fā)射器的測(cè)量的方位角。該系統(tǒng)還包括控制單元，配備在機(jī)器上并且被配置為存儲(chǔ)與所述任意基準(zhǔn)方向的基準(zhǔn)方位角。當(dāng)所述基準(zhǔn)方位角被存儲(chǔ)在所述控制單元中時(shí)指向與預(yù)定路徑平行的方向。所述控制單元被配置為在使用中通過(guò)比較所述測(cè)量的方位角與所述基準(zhǔn)方位角來(lái)生成用于至少指示工具相對(duì)于預(yù)定路徑的位置的信號(hào)。根據(jù)下面對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施例以及與附圖一起所作的說(shuō)明，將更充分地理解本發(fā)明的這些以及其它的特征和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)注意，本發(fā)明權(quán)利要求的范圍由權(quán)利要求中的陳述限定，而不被本發(fā)明中所述的對(duì)特征和優(yōu)點(diǎn)的具體討論限定。可通過(guò)參考下面所作的與附圖有關(guān)的說(shuō)明，更加理解本發(fā)明的操作的組織與方式及其進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)。圖1是按照本發(fā)明的包括扇型激光發(fā)射器和具有探測(cè)器陣列的接收器的位置指示系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意框圖。圖2是按照本發(fā)明的其上安裝有探測(cè)器陣列并定向于接收來(lái)自扇型激光發(fā)射器的信號(hào)的傳統(tǒng)挖掘機(jī)的圖解側(cè)視圖。圖3是在本發(fā)明的位置指示系統(tǒng)中使用的控制單元的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。圖4是表示俯視使用按照本發(fā)明的系統(tǒng)的挖掘操作的框圖。具體實(shí)施例方式盡管本發(fā)明可以有不同形式的實(shí)施例(如附圖中所示)，這里參照附圖詳細(xì)說(shuō)明具體實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解本公開(kāi)應(yīng)#^人為是本發(fā)明的原理的例證，而不是將本發(fā)明限制為這里所示例和描述的。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，附圖中的部件被簡(jiǎn)單、清楚地示例，而并不一定按比例繪制。例如，附圖中一些部件的尺寸可能被相對(duì)于其它部件放大，以便有助于加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施例的理解。圖1一般性地示出了按照本發(fā)明的位置指示系統(tǒng)10的一個(gè)示例實(shí)施例。本發(fā)明通過(guò)提供單扇型激光發(fā)射器12、探測(cè)器陣列14和控制單元16，解決了上述
背景技術(shù)：
中提到的所有問(wèn)題。激光發(fā)射器l2是傳統(tǒng)的激光發(fā)生器(例如由Trimble公司所售的型號(hào)為L(zhǎng)S920的激光發(fā)生器)，并且提供LED頻閃(strobe)17以及至少兩個(gè)光平面18a和18b，而不是只顯示水平面的光線(xiàn)。生成的LED頻閃能量17以及光平面18a和18b提供足夠的角度信息，以便控制單元16能夠根據(jù)由探測(cè)器陣列14中的每個(gè)光電探測(cè)器20a、20b、20c、20d、20e提供的探測(cè)信息，計(jì)算相對(duì)于激光發(fā)射器12的方位和仰角。在一個(gè)實(shí)施例中，激光發(fā)射器12可自調(diào)水平(self-levling)，并且能夠通過(guò)三角架被容易地放在工作地點(diǎn)。如所示，光電探測(cè)器20a-20e被幾何地隔開(kāi)。在圖1中所示的示例實(shí)施例中，探測(cè)器陣列14還包括機(jī)械托架22，以便使得陣列支撐架23緊固到機(jī)器上。提供陣列支撐架23，該陣列支撐架23包括例如(但不限于)管24、管接頭和雙管十字接28，以便使光電探測(cè)器緊固和保持在所需幾何形狀。示例實(shí)施例中的探測(cè)器陣列提供5個(gè)光電探測(cè)器，分別標(biāo)為Detl、Det2、Det3、Det4、Det5。在一個(gè)實(shí)施例中，光電探測(cè)器在x、y、z坐標(biāo)上的標(biāo)稱(chēng)位置由表l列出。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)設(shè)計(jì)和構(gòu)造方法，光電探測(cè)器的位置在x、y、z坐標(biāo)中在0.2mm1sigma公差(tolerance)范圍內(nèi),或者具有3巨標(biāo)稱(chēng)位置為0.3mm1sigma公差的位移。使用具有相同精度(位移為0.3mm1sigma公差)或者更好的測(cè)繪儀器來(lái)核對(duì)該公差。如需要，可在位置指示系統(tǒng)建立過(guò)程中將測(cè)繪的位置用作標(biāo)稱(chēng)位置。在示例的實(shí)施例中，陣列支撐架的形狀和探測(cè)器的標(biāo)稱(chēng)位置為在x軸旋轉(zhuǎn)士45。和y軸旋轉(zhuǎn)土45。以及z軸旋轉(zhuǎn)士180。范圍內(nèi)在任意探測(cè)器陣列方向上的不止一個(gè)探測(cè)器的視線(xiàn)(lineofsightview)總是無(wú)遮擋的。應(yīng)當(dāng)理解，被記為Det5的探測(cè)器將在探測(cè)器陣列的所有方向上保持不遮擋。不過(guò)，鑒于當(dāng)陣列經(jīng)歷發(fā)生在挖掘機(jī)器中的典型振動(dòng)時(shí)的陣列振動(dòng)、共振和彎曲，平均每探測(cè)器在1Hz和80Hz之間距標(biāo)稱(chēng)位置的差動(dòng)位移應(yīng)當(dāng)不大于0.3mm1sigma公差。此外，鑒于當(dāng)陣列經(jīng)歷發(fā)生在挖掘機(jī)器中的典型振動(dòng)時(shí)的陣列振動(dòng)、共振和彎曲，探測(cè)器在O.lHz和lHz之間距標(biāo)稱(chēng)位置的共同位移應(yīng)當(dāng)不大于10.0mm1sigma公差。光電探測(cè)器還以士3。的精度在垂直方向被固定到陣列支撐架上。應(yīng)當(dāng)在機(jī)器上安裝陣列支撐架，以便在挖掘機(jī)器的x軸旋轉(zhuǎn)±45。和y軸旋轉(zhuǎn)士45。以及z軸旋轉(zhuǎn)士180。范圍內(nèi)的任意朝向均能夠無(wú)遮擋地看到探測(cè)器陣列。在圖2示例出的一個(gè)特定的實(shí)施例中，探測(cè)器陣列被安裝到載有工作儀器或工具的機(jī)器(例如液力地載有妒斗或反妒的挖掘機(jī)等)上。在示例的實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)理解，如果探測(cè)器陣列被安裝在車(chē)(cab)內(nèi)，那么必須當(dāng)心確保車(chē)的頂板不會(huì)遮擋較低的和后部的探測(cè)器-當(dāng)挖掘機(jī)往激光發(fā)射器的方向傾斜時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，探測(cè)器陣列應(yīng)當(dāng)被安裝在挖掘機(jī)的車(chē)頂板之上至少0.7m,以防止遮擋較低的探測(cè)器?，F(xiàn)參考圖3，控制單元具有一體化的探測(cè)和計(jì)算電子器件以及位置指示處理、硬件和軟件(一般用符號(hào)表示)。控制單元提供脈沖檢測(cè)、方位和仰角處理、位置確定以及顯示處理。用于提供顯示和控制輸入功能的用戶(hù)接口或者與控制單元為一體化的或者為與控制單元遠(yuǎn)程連接的。電源可為一體化電池或機(jī)器電源連接，向控制單元和所有連接的外圍設(shè)備供電。還在一體化顯示器上或在使用遠(yuǎn)程連接的可選遠(yuǎn)程顯示器(未示出)上向控制單元提供路線(xiàn)和坡度指示器。如上所述，由激光發(fā)射器、探測(cè)器陣列和控制單元的組合提供的信息為位置、朝向、方位(移向(heading))和仰角(坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)中心地位于激光發(fā)射器的轉(zhuǎn)子中)。如圖2中所示例，LED生成的頻閃能量和從激光發(fā)射器發(fā)射的每個(gè)激光扇光束隨距離發(fā)散。該發(fā)散使載有工具(例如伊斗)的機(jī)器(例如挖掘機(jī))的懸臂或柄具備以米測(cè)量而不止以幾英寸來(lái)測(cè)量的較寬垂直操作范圍，從而消除了為構(gòu)建位置指示系統(tǒng)而不得不搜索光束的需要。在圖2所示的實(shí)施例中，系統(tǒng)具備0%的坡度設(shè)置，這表示把地面變成所需坡度的典型釆掘操作。應(yīng)當(dāng)理解，本系統(tǒng)中也可使用本領(lǐng)域中典型的其它坡度設(shè)置。挖掘機(jī)的柄垂直朝向在適當(dāng)深度的處于測(cè)量位置中的工具。下面，還參考示出了圖2中示例的挖掘操作的俯視圖的圖4,激光發(fā)射器被任意地(不要求旋轉(zhuǎn)朝向)放置在控制線(xiàn)上，與任意基準(zhǔn)方向之間的基準(zhǔn)方位角被設(shè)置成指向與預(yù)定路徑平行的方向(所需溝壕路徑的所需移向)。一種用于設(shè)置基準(zhǔn)方位角的方法是，把探測(cè)器陣列放在處于所需控制線(xiàn)上的一個(gè)遠(yuǎn)距點(diǎn)之上，并且在控制單元上按下"確定路線(xiàn)(establishline)，，按鈕(圖3)?？刂茊卧鎯?chǔ)當(dāng)前測(cè)量方位作為所需移向的基準(zhǔn)方位角，其被顯示在向用戶(hù)接口提供的顯示器上。至于術(shù)語(yǔ)"測(cè)量方位"，意指由控制單元使用由感測(cè)激光發(fā)射器的兩扇形光束的探測(cè)器陣列而向控制單元提供的信息，計(jì)算出的方位角。然后，控制單元比較隨后測(cè)量的方位角與存儲(chǔ)的基準(zhǔn)方位角，并向路線(xiàn)指示器發(fā)送借助于指示處理硬件和軟件生成的信號(hào)，以便通知操作人員機(jī)器是在控制線(xiàn)左側(cè)、右側(cè)還是在控制線(xiàn)上。在一個(gè)實(shí)施例中，如果機(jī)器不在控制線(xiàn)上，那么操作人員就手動(dòng)轉(zhuǎn)向來(lái)校正機(jī)器的移向。在另一實(shí)施例中，所述信號(hào)也被機(jī)器的轉(zhuǎn)向單元用作機(jī)器轉(zhuǎn)向信號(hào)，以便自動(dòng)地補(bǔ)償機(jī)器與控制線(xiàn)之間的移動(dòng)偏差。因此，本發(fā)明消除了預(yù)先測(cè)繪的樁、繩線(xiàn)以及另外的激光器的需要。要確定所需坡度，用戶(hù)只需使用也提供給用戶(hù)界面的輸入按鈕把所需百分比斜度(坡度)輸入到控制單元中。控制單元把坡度設(shè)置轉(zhuǎn)換成等價(jià)的基準(zhǔn)仰角。等價(jià)的基準(zhǔn)仰角被計(jì)算如下仰角=tan"x(。/o斜度/100)(1)在工作過(guò)程中，控制單元比較測(cè)量仰角和基準(zhǔn)仰角。在懸臂(例如包括可由桿長(zhǎng)度表示的多個(gè)移動(dòng)桿的鏟斗柄)和工具(例如鏟斗)的桿長(zhǎng)度為已知，并且通過(guò)編碼器可知它們彼此間以及相對(duì)于機(jī)器的朝向，提供代表它們之間的角度和/或線(xiàn)性測(cè)量的朝向信號(hào)，并且提供給控制單元(例如通過(guò)遠(yuǎn)程連接)的情況下，計(jì)算工具的垂直位置(例如在對(duì)地面進(jìn)行工作的工具上的一點(diǎn)處)并且通過(guò)從控制單元向顯示器發(fā)送代表工具的垂直位置的另外的信號(hào)，在坡度指示器上顯示處在所需坡度上之上、之下，還是在所需坡度上。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，操作人員根據(jù)需要手動(dòng)地加大或減小該垂直位置(例如釆掘深度)，以便獲得"在坡度上，，的指示。在另一實(shí)施例中，由控制單元向機(jī)器的液壓控制系統(tǒng)(其調(diào)整工具的位置以自動(dòng)保持輸入到控制單元中的百分比斜度(坡度))發(fā)送另外的信號(hào)來(lái)自動(dòng)調(diào)整工具的垂直位置以獲得所需坡度。當(dāng)在控制單元中設(shè)置路線(xiàn)和坡度之后，唯一剩余的步驟是"使系統(tǒng)就位"。該過(guò)程按照坡度仰角指示校準(zhǔn)該機(jī)器，使之真正處于坡度上。把懸臂垂直放在已知的坡度基準(zhǔn)之上，朝向工具以便測(cè)量。例如，可使用升降三角架來(lái)支撐激光發(fā)射器，其中發(fā)射器的仰角被改變以獲得探測(cè)器"處在坡度上"指示。在上述設(shè)置程序之后，現(xiàn)在就準(zhǔn)備使用系統(tǒng)了。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)在下面的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)中示例了實(shí)際使用單激光發(fā)射器來(lái)確定在工作環(huán)境中被載在機(jī)器上以便移動(dòng)的工具的位置。應(yīng)當(dāng)理解，測(cè)試步驟是一個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例性的實(shí)施例。在圖3的示例實(shí)施例中，激光發(fā)射器發(fā)出光扇，而不只是顯示水平面的光線(xiàn)。光扇提供接收器能夠計(jì)算相對(duì)于激光發(fā)射器的方位和仰角足夠的角度信息。對(duì)于測(cè)試和在示例的實(shí)施例中，具有光電探測(cè)器的探測(cè)陣列(圖l)被設(shè)置為所有邊為已知等長(zhǎng)的棱錐的形狀。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)理解，其它實(shí)施例中的光電探測(cè)器可被任意固定在具有任意三維形狀的探測(cè)器陣列中的已知位置。為了減少一個(gè)探測(cè)器對(duì)另一個(gè)探測(cè)器的遮蔽，在底部的兩個(gè)相對(duì)探測(cè)器比另兩個(gè)高0.1m。使用與五個(gè)光電探測(cè)器之間的方位角和仰角，數(shù)學(xué)理論表明與激光發(fā)射器之間的位置被確定為在300英尺之上的6"范圍內(nèi)。每個(gè)光電探測(cè)器的輸出端口通過(guò)USB連接方式與控制單元連接，這使得光電探測(cè)器接收的與激光發(fā)射器之間的角度數(shù)據(jù)能夠被并形地收集，并被發(fā)送給控制單元。所用的激光發(fā)射器為由Trimble，SunnyvilleCA>^司所售的LS920LaserStation3D自調(diào)水平式發(fā)射器。在控制單元中運(yùn)行的程序從光電探測(cè)器收集角度和位置數(shù)據(jù)，以顯示和存儲(chǔ)該據(jù)。測(cè)試在用于確定系統(tǒng)的可行性和精度的測(cè)試中，探測(cè)器陣列被安裝在車(chē)上，并被移至一些測(cè)繪點(diǎn)位置。在下面的表數(shù)據(jù)中被記為ATX2021A的激光發(fā)射器被放在已知位置的第一原點(diǎn)板處。在表2中提供了該激光發(fā)射器的特性。表2:ATX2021A發(fā)射器文件ASDPHII:PHI2:ALPHA1:ALPHA2:THETA偏移量速度-0.53442940.53608611.57046271.56645471.565792140.50000000.00000000.00000000.00000000.00000000.0000000-1.330782在從第一原點(diǎn)板到已知位置的第二原點(diǎn)板的初始步驟中，測(cè)量的位置表明x距測(cè)繪的位置有0.2m的差值。為了吸收該誤差，探測(cè)器陣列的大小被增加1.0044m，其中變換的探測(cè)器位置在表3中提供。表3:變換的探測(cè)器位置D1XD1YD1ZD2XD2YD2ZD3XD3YD3ZD4XD4YD4Z:D5XD5YD5Z-0.0050894970.010946387-0.0038721160.706862597-0.7266711580.0991402371.4342810580.005010147-7.03108E-060.7009263560.7097031530.0981719570.7142502530.0010114711.011894954調(diào)整控制線(xiàn)角度以使在第一點(diǎn)位置的y為O.Om。然后把車(chē)移到各個(gè)測(cè)繪點(diǎn)位置，并且肉眼可視地使探測(cè)器1的位置與車(chē)底板垂直對(duì)XYZRRR準(zhǔn)。然后在每個(gè)測(cè)繪的點(diǎn)位置比較檢測(cè)的輸出與測(cè)繪信息。下面在表4中示出結(jié)果，其中測(cè)繪的點(diǎn)位置被標(biāo)記為pt91、pt41、pt24、ptl15和pt76(以米為單位)。如所示，xy距離上的誤差范圍為2-5cm(1-2")，而z值被確認(rèn)為在幾亳米之內(nèi)。表4inmeU:xbypyraybypyraplaUxplateypl"ezdifxdifypt9132.01".07-0.3431.柳0.03■40.015>1(54pt4735鄰7.CWOJ343(57.咖-D.O"-0.039-O.咖D.047344pt2435鄰3.0436.0033.08(5掘2.0.023.O飾0.O51117pU1523訴19.090.3323.柳819.083.O.咖-0.0170.0070.018317pt767S8311.0710357.柳11.083-0.018-0.016-0.0120,01972然后，把第二激光發(fā)射器ATX2021B放在第二原點(diǎn)板位置，以比較本發(fā)明與傳統(tǒng)且更昂貴的兩發(fā)射器系統(tǒng)的精度。在表5中提供了第二發(fā)射器特性。表5:ATX2021B發(fā)射器文件:ASDPHII:PHI2:ALPHA1:ALPHA2:TH弓T^偏移量速度X:Y:RX:R丫RZ:-0.51936830.51604581.57121551.57154261.574475340.000000036.00898580.0000000-0.09555990.00000000.0000000-0.2971674然后由本發(fā)明的系統(tǒng)(表6中稱(chēng)為"Pyramid")和兩發(fā)射器系統(tǒng)(表6中稱(chēng)為"LS920")的接收器執(zhí)行同步位置測(cè)量。從在三個(gè)不同點(diǎn)收集的每個(gè)系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)中摘取大約200個(gè)采樣。剔除遮擋的和尖峰位置數(shù)據(jù)。尖峰是由用于脈沖追蹤器功能的同一觀察窗中的兩個(gè)不同發(fā)射器的激光脈沖沖突引起的。由于在一個(gè)發(fā)射器的系統(tǒng)中沒(méi)有尖峰，所以將它們移除。對(duì)于這三個(gè)點(diǎn)的比較在表6中示出。16表6:<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>預(yù)測(cè)典型值與預(yù)測(cè)最大值之間的向量長(zhǎng)度誤差被示出。z-誤差似乎超過(guò)了最大值，但猜想LS920配置可能在一夜之間移動(dòng)了，因?yàn)樗诘诙鞗](méi)有重復(fù)。表7中示出了標(biāo)準(zhǔn)偏差的比較。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>應(yīng)當(dāng)注意，pyramid測(cè)量的x和y標(biāo)準(zhǔn)偏差近似地與x和y坐標(biāo)成比例，表明位于徑向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。表7中的標(biāo)準(zhǔn)偏差的比較表明傳統(tǒng)的兩發(fā)射器系統(tǒng)(LS920)比本發(fā)明(Pyramid)好些，從而證明其在各種應(yīng)用中用作基準(zhǔn)儀器是正確的。長(zhǎng)距離測(cè)試進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)試以檢查最壞情況下的誤差。使用放在距探測(cè)器陣列100m處的長(zhǎng)距離激光發(fā)射器，在水平地面上開(kāi)展本測(cè)試。在表8中提供了該發(fā)射器特性。表8:在100米處的激光發(fā)射器特征CharacterizationFixture:1,Phi1=-0.508985radians,Phi2=0.534927radians,ThetaOffset1.5697"radians,Alpha1=1.570061radians,Alpha2=1.5677"radians,計(jì)算的速度39.999952Hz.嘗試了相距100米的測(cè)量，但是光電探測(cè)器不拾取該距離處的來(lái)自激光發(fā)射器的信號(hào)。相信100米的距離已超出范圍，因?yàn)楣怆娞綔y(cè)器中的閾值調(diào)整值設(shè)得過(guò)低，但如果閾值等級(jí)是出廠設(shè)置，則能夠容易達(dá)到該距離。然后激光發(fā)射器被逐漸向pyramid移近，直到pyramid檢測(cè)到激光。該長(zhǎng)距離發(fā)射器獲得的距離為74m。由于測(cè)試時(shí)無(wú)法提供上迷激光發(fā)射器的特征數(shù)據(jù)，因此只記錄了原始數(shù)據(jù)。之后，在提供了正確的發(fā)射器參數(shù)之后，角度數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成位置數(shù)據(jù)。對(duì)192次測(cè)量的theta數(shù)據(jù)運(yùn)行pyramid位置計(jì)算仿真器。計(jì)算xyz位置、距離和角度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，并在下面的表9中示出。表9:在74m處的點(diǎn)xyz距離方位仰角(m)(m)(m)(m)(rad)(rad)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.010.103O細(xì)0.1030.0000310.0000141平均值7.52873.697-0.93274.0871.469001-0.01257用距離乘角度標(biāo)準(zhǔn)偏差，得出橫向上的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，方位上為74mx30.9E-06=2mm，坡度上為74mxl4.1E-06=lmm。這些值比0.103m的徑向標(biāo)準(zhǔn)偏差的小得多。這意味著測(cè)量噪聲幾乎都在徑向上，而角度很緊密和精確。發(fā)射器的測(cè)量的傾斜距離的平均值為74.087m,其中由發(fā)射器所測(cè)的高度z的平均值為-0.932m。這些平均值測(cè)量與傳統(tǒng)的兩發(fā)射器系統(tǒng)的讀數(shù)(74.124m的傾斜距離和-0.974m的z位置)非常吻合，其中兩系統(tǒng)在傾斜距離上的差值為0.037m，在高度z上的差值為0.042m。下面，移動(dòng)激光發(fā)射器以使之與陣列之間具有62米間隔。計(jì)算由系統(tǒng)在62米處探測(cè)的xyz位置、距離和角度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，并在下面的表IO中示出。表10:在62米處的點(diǎn)xyz距離方位仰角(m)(m)(m)(m)(rad)(rad)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.0050050.0672730.0010490.0674460.0000260.000010平均值4.57807162.145910-0.98149062.3220401.4972630.015750測(cè)量的發(fā)射器的傾斜距離的平均值為62.322m，其中由發(fā)射器測(cè)量的高度z的平均值為-0.981m。由傳統(tǒng)兩發(fā)射器系統(tǒng)測(cè)量的傾斜距離為62.377m而高度z為-1.019m，其中兩系統(tǒng)在傾斜距離上的差值為0.055m,在高度z上的差值為0.038m。該數(shù)據(jù)與74m處的數(shù)據(jù)相似，除了距離標(biāo)準(zhǔn)偏差比距離比增加的多。本系統(tǒng)的測(cè)量距離與傳統(tǒng)兩激光發(fā)射器系統(tǒng)的測(cè)量距離比例在74m處為1.0005,在62m處為1.0009。在位置測(cè)量測(cè)試中，重新縮放pyramid的大小以便補(bǔ)償與距離成比例的誤差部分。這僅當(dāng)探測(cè)器陣列總處于同一朝向時(shí)是可接受的。如果在不同方向觀看探測(cè)器陣列，那么應(yīng)當(dāng)在很多視角上測(cè)量探測(cè)器，并且應(yīng)當(dāng)取平均，以使該縮放因子與平均縮放因子的差值最小。在一個(gè)實(shí)施例中，使用用于距離縮放的平均陣列大小，其中在將光電探測(cè)器保持在一個(gè)固定位置的同時(shí)，在陣列的所有方向上完成例如如上所述的位置測(cè)量測(cè)試。理想地是，不管陣列方向如何，測(cè)量位置都保持相同，這表明該陣列被極精確地測(cè)量。由徑向距離誤差公式得出探測(cè)器陣列的簡(jiǎn)單誤差模型emaiI./to,=A2+(2)其中，emax，radia,為最大徑向距離誤差，L為標(biāo)稱(chēng)探測(cè)器陣列大小，ne為以弧度為單位的theta噪聲等級(jí)，narray為探測(cè)器陣列差分位置誤差，R為距離。所有尺寸單位均為米。第一項(xiàng)為由theta噪聲引起的誤差，是距離的2次方，第二項(xiàng)為由于探測(cè)器陣列測(cè)量誤差導(dǎo)致的誤差，與距離成比例。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)pyramid位置取平均，第一項(xiàng)誤差變小，第二項(xiàng)誤差盡管不能被時(shí)間平均，但仍因陣列旋轉(zhuǎn)平均而減小。對(duì)于誤差預(yù)測(cè)，使用下面的值a.L=lmb.n0=lOe-5radc.narray=5.0e-4/sqrt(3)m其它多面體情況為了進(jìn)一步提高探測(cè)器陣列的精度，使theta噪聲盡可能減到最小，現(xiàn)有兩種可選方案增加陣列大小或投進(jìn)更多探測(cè)器。再加一個(gè)探測(cè)器，就提供六面體形狀的陣列。下一個(gè)最佳形狀是需要8個(gè)探測(cè)器的八面體或立方體。lm立方體將能使誤差降低到18cmmax。上述實(shí)施例意在示例本發(fā)明的原理，但不限制其范圍。對(duì)這些優(yōu)見(jiàn)的，并且可在不偏離本發(fā)明的精神和在如下述權(quán)利要求中所限定的范圍的情況下進(jìn)行。例如，任何類(lèi)型的電波能量，如音速、超音速、激光或紅外線(xiàn)等均可用來(lái)提供上述位移、位置和移向的非接觸測(cè)量。權(quán)利要求1、一種用于在工作地點(diǎn)引導(dǎo)載有工具(46)的機(jī)器(44)沿預(yù)定路徑(51)移動(dòng)的方法，所述方法包括把扇型激光發(fā)射器(12)放在遠(yuǎn)離機(jī)器(44)的工作地點(diǎn)，所述激光發(fā)射器(12)具有任意基準(zhǔn)方向(54)并且生成兩個(gè)扇形激光束(18a，18b)；借助任意固定在具有三維形狀的探測(cè)器陣列(14)中的已知位置的至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)感測(cè)兩個(gè)扇形激光束(18a，18b)，所述探測(cè)器陣列(14)被放在機(jī)器(44)上的已知位置；把與所述任意基準(zhǔn)方向(54)的基準(zhǔn)方位角(52)設(shè)置到配備在機(jī)器(44)上的控制單元(16)中，所述基準(zhǔn)方位角(52)指向與預(yù)定路徑(51)平行的方向；使用感測(cè)兩個(gè)扇形激光束(18a，18b)的探測(cè)器陣列(14)向控制單元(16)提供的信息，計(jì)算測(cè)量的方位角(53)；通過(guò)控制單元(16)比較測(cè)量的方位角(53)與基準(zhǔn)方位角(52)，確定機(jī)器(44)相對(duì)于預(yù)定路徑(51)的位置；以及生成用于幫助沿預(yù)定路徑(51)引導(dǎo)機(jī)器(44)的信號(hào)(58)。2、按照權(quán)利要求1的方法，其中生成的所述信號(hào)(58)與用于補(bǔ)償機(jī)器(44)與預(yù)定路徑(51)的移動(dòng)偏差的機(jī)器轉(zhuǎn)向信號(hào)對(duì)應(yīng)。3、按照權(quán)利要求1的方法，還包括向顯示器(39)發(fā)送所述信號(hào)(58)，以便可視地指示機(jī)器(44)是在左側(cè)、右側(cè)還是在預(yù)定路徑(51)上。4、按照權(quán)利要求l的方法，還包括通過(guò)把百分比斜度輸入到所述控制單元(16)中確定工具(46)的所需坡度(48)，所述控制單元(16)把所述百分比斜度轉(zhuǎn)換成等價(jià)的基準(zhǔn)仰角；借助所述探測(cè)器陣列(44)接收與所迷扇型激光發(fā)射器(12)的測(cè)量仰角；比較所述測(cè)量仰角與所述基準(zhǔn)仰角；以及生成用于指示工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方還是在所需坡度(48)上的另外信號(hào)(43)，所述比較和生成由所述控制單元(16)執(zhí)行。5、按照權(quán)利要求l的方法，其中通過(guò)把所述探測(cè)器陣列(14)放在處于限定平行于所需溝槽路徑的所述方向的控制線(xiàn)(50)上的遠(yuǎn)距離點(diǎn)上方并在所述控制單元(16)上按下"確定路線(xiàn)"按鈕，來(lái)執(zhí)行所述設(shè)置所述基準(zhǔn)方位角(52)。6、按照權(quán)利要求1的方法，還包括在顯示器上顯示所述基準(zhǔn)方位角(52)。7、按照權(quán)利要求1的方法，其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b國(guó)20e)是五個(gè)光電探測(cè)器(20a-20e)。8、按照權(quán)利要求l的方法，其中所述三維形狀是棱錐。9、按照權(quán)利要求1的方法，其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)在x、y和z坐標(biāo)中以幾何方式布置并且彼此隔開(kāi)。10、按照權(quán)利要求1的方法，其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)在所有邊均具有已知長(zhǎng)度的棱錐形狀中以幾何方式布置并且彼此隔開(kāi)。11、按照權(quán)利要求1的方法，其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)是以幾何方式布置并且彼此隔開(kāi)以減少一個(gè)探測(cè)器對(duì)另一個(gè)探測(cè)器的遮蔽的五個(gè)光電探測(cè)器(20a-20e)。12、按照權(quán)利要求l的方法，其中所述探測(cè)器陣列(14)的三維形狀為棱錐，其中在所述探測(cè)器陣列(14)的所述棱錐的底部的兩個(gè)相對(duì)探測(cè)器(20a，20c)與在底部的另兩個(gè)探測(cè)器(20b，20d)處于不同的高度上。13、按照權(quán)利要求l的方法，其中所述三維形狀為在x軸旋轉(zhuǎn)±45。、y軸旋轉(zhuǎn)士45。與z軸旋轉(zhuǎn)土180。范圍內(nèi)的所述探測(cè)器陣列(14)的任意朝向上，不止一個(gè)所述光電探測(cè)器(20a-20e)到所述激光發(fā)射器(12)的視線(xiàn)總是無(wú)遮擋的。14、按照權(quán)利要求1的方法，其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)在垂直向上被固定到所述探測(cè)器陣列。15、按照權(quán)利要求1的方法，其中所述控制單元(16)還提供脈沖檢測(cè)、方位和仰角處理、位置確定以及顯示處理。16、按照權(quán)利要求l的方法，其中所述扇型激光發(fā)射器(12)被遠(yuǎn)離機(jī)器(44)放在與預(yù)定路徑(51)偏移一段距離的控制線(xiàn)(50)上。17、按照權(quán)利要求4的方法，其中通過(guò)用戶(hù)界面(34)把所述百分比斜度輸入到所述控制單元(16)中。18、按照權(quán)利要求4的方法，其中所述控制單元(16)通過(guò)計(jì)算tan"x(。/。斜度/100)，把所述百分比斜度轉(zhuǎn)換成等價(jià)的基準(zhǔn)仰角。19、按照權(quán)利要求4的方法，其中機(jī)器(44)在具有桿長(zhǎng)度(a，b，c)的懸臂(42)的末端載有工具(46),并且所述方法還包括通過(guò)控制單元(16)接收指示所述桿長(zhǎng)度(a，b,c)彼此的相對(duì)朝向的朝向信號(hào)(47)，所述控制單元(16)使用所述朝向信號(hào)(47)、所述桿長(zhǎng)度(a，b，c)以及所述測(cè)量仰角(53)與所述基準(zhǔn)仰角(52)之間的比較來(lái)確定工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方，還是在所需坡度(48)上。20、一種用于在工作地點(diǎn)引導(dǎo)載有工具(46)的機(jī)器(44)沿預(yù)定路徑(51)移動(dòng)的控制系統(tǒng)(10)，所述控制系統(tǒng)(10)包括扇型激光發(fā)射器(12)，在用于控制系統(tǒng)(10)中時(shí)，被放在遠(yuǎn)離機(jī)器(44)、平行于預(yù)定路徑(51)的控制線(xiàn)(50)上的工作地點(diǎn)處，并且在任意基準(zhǔn)方向(54)上被構(gòu)建；至少四個(gè)光電激光器(20b-20e)，任意固定在具有三維形狀的探測(cè)器陣列(14)中的已知位置，所述探測(cè)器陣列(14)放在機(jī)器(44)上的已知位置處并且被配置為在工作時(shí)接收與所述扇型激光發(fā)射器(12)的測(cè)量的方位角(53);以及控制單元(16),配備在機(jī)器(44)上并且被配置為存儲(chǔ)與所述任意基準(zhǔn)方向(54)的基準(zhǔn)方位角(52)，當(dāng)所述基準(zhǔn)方位角(52)被存儲(chǔ)在所述控制單元(16)中時(shí)指向與預(yù)定路徑(51)平行的方向，所述控制單元(16)被配置為在使用中通過(guò)比較所述測(cè)量的方位角(53)與所述基準(zhǔn)方位角(52)來(lái)生成用于至少指示工具(46)相對(duì)于預(yù)定路徑(51)的位置的信號(hào)(43或58)。21、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10),其中由所述控制單元(16)生成的所述信號(hào)(43或58)與由所迷探測(cè)器陣列(14)檢測(cè)的機(jī)器(44)與所述預(yù)定路徑(51)的移動(dòng)偏差對(duì)應(yīng)。22、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10),還包括顯示器(39)，所迷顯示器(39)接收所述信號(hào)(58)以便指示工具(46)在左側(cè)、右側(cè)還是在預(yù)定路徑(51)上。23、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10),還包括用于把百分比斜度輸入到所述控制單元(16)中的用戶(hù)界面(34),所述控制單元(16)被配置為把百分比斜度轉(zhuǎn)換為等價(jià)的基準(zhǔn)仰角。24、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述控制單元(16)被配置為生成指示工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方還是在所需坡度(48)上的另外信號(hào)(43)。25、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(IO)，其中所迷控制單元(16)包括用于把所述基準(zhǔn)方位角(52)設(shè)置到所述控制單元(16)中的"確定路線(xiàn)，，按鈕(56)。26、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，還包括用于顯示所述基準(zhǔn)方位角(52)的顯示器(39)。27、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10),其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)是五個(gè)光電探測(cè)器(20a-20e)。28、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述三維形狀是棱錐。29、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)在x、y和z坐標(biāo)中以幾何方式布置并且彼此隔開(kāi)。30、按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10),其中所述三維形狀是各邊具有已知長(zhǎng)度的棱錐。31.按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述三維形狀減少所述光電探測(cè)器(20b-20e)中一個(gè)對(duì)另一個(gè)的遮蔽。32.按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10),其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)被布置為在x軸旋轉(zhuǎn)±45°、y軸旋轉(zhuǎn)士45。與z軸旋轉(zhuǎn)士180。范圍內(nèi)的所述探測(cè)器陣列(14)的任意朝向上，不止一個(gè)所述光電探測(cè)器(20a-20e)到所述激光發(fā)射器(12)的視線(xiàn)總是無(wú)遮擋的。33.按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述至少四個(gè)光電探測(cè)器(20b-20e)布置在垂直方向上。34.按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述控制單元(16)被配置為提供脈沖檢測(cè)、方位和仰角處理、位置確定以及顯示處理。35.按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述機(jī)器(44)在具有桿長(zhǎng)度U，b,c)的懸臂(42)的末端載有工具(46)，所述控制系統(tǒng)(10)還包括被配置為提供指示所述桿長(zhǎng)度(a，b，c)彼此之間的相對(duì)朝向的朝向信號(hào)(47)的編碼器(45)，所述控制單元(16)被配置為使用所述朝向信號(hào)(47)、所述桿長(zhǎng)度(a，b，c)以及所述測(cè)量仰角(53)與所述基準(zhǔn)仰角(52)之間的比較來(lái)確定工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方，還是在所需坡度(48)上。36.按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述三維形狀是六面體。37.按照權(quán)利要求20的控制系統(tǒng)(10)，其中所述三維形狀是八面體。全文摘要本發(fā)明提供了一種位置指示與導(dǎo)向控制系統(tǒng)(10)及其方法，所述系統(tǒng)和方法使用單激光發(fā)射器(12)和帶有探測(cè)器陣列(14)的控制單元(16)，提供機(jī)器所載的工具(46)的至少深度和路線(xiàn)信息。通過(guò)在控制單元(16)中輸入坡度而簡(jiǎn)單地設(shè)置坡度，從而消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)要求的費(fèi)時(shí)的傾斜和平面對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明通過(guò)查看控制單元(16)的路線(xiàn)和坡度指示器(38)，向操作人員提供遵循預(yù)定路徑(51)并獲得所需采掘深度的能力。所述指示器(38)被從由單激光發(fā)射器(12)和安裝在機(jī)器上的探測(cè)器陣列(14)生成的信號(hào)(17，18a，18b)的攔截而得到的數(shù)據(jù)激活。控制單元(16)使用信號(hào)(17，18a，18b)計(jì)算工具(46)的仰角和方位。文檔編號(hào)G01S5/16GK101410573SQ200780010860公開(kāi)日2009年4月15日申請(qǐng)日期2007年1月17日優(yōu)先權(quán)日2006年2月1日發(fā)明者G·L·卡因,M·尼科爾斯,高木廣之申請(qǐng)人:天寶導(dǎo)航有限公司