專利名稱：用于覘標(biāo)追蹤的方法及相關(guān)聯(lián)的覘標(biāo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容總體涉及覘標(biāo)追蹤系統(tǒng)。更具體而言，本公開內(nèi)容涉及
用于追蹤移動對象的包括發(fā)射器的有源覘標(biāo)(active target),例如其 中機(jī)器人全站儀使用由所述發(fā)射器發(fā)射的信號持續(xù)地追蹤對象的移動。
背景技術(shù)：
在建筑業(yè)中，對諸如平地機(jī)和推土機(jī)之類的機(jī)械裝置的高精度定位 存在日益增加的要求。在建筑工地，物流精度和施工精度都可能要求對 工地上的每個機(jī)械裝置或車輛進(jìn)行單獨的追蹤。
為此，存在基于先進(jìn)追蹤傳感器和機(jī)器人全站儀的系統(tǒng)，其遠(yuǎn)程追 蹤和測量動態(tài)(kinetic)移動覘標(biāo)，并持續(xù)將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制
計算機(jī)或類似物。
近來，三維(3D)機(jī)械控制操作已變得日益重要。來自設(shè)計軟件的
三維數(shù)據(jù)在工程機(jī)械上被使用，以便于全面的場地控制。工程機(jī)械的動 態(tài)移動由勘測設(shè)備持續(xù)地監(jiān)測，所述機(jī)械裝置的位置、定向、空間方位 角(attitude)等被發(fā)送至機(jī)載控制計算機(jī)。該機(jī)載計算機(jī)基于當(dāng)前位 置和定向與所述三維設(shè)計的比較，計算所述工程機(jī)械的控制數(shù)據(jù)。
如果工程機(jī)械由操作者手動控制，會向操作者提供關(guān)于機(jī)械裝置位 置正確性的指示。例如，可向操作者提供關(guān)于運(yùn)土伊的高度和角度的信 息?；谠撔畔?操作者可以在需要時相應(yīng)地改變所述鏟的位置。
對于自動機(jī)械控制系統(tǒng)，控制計算機(jī)通過向例如機(jī)械裝置的液壓閥 控制系統(tǒng)提供適合的控制信號，來根據(jù)三維設(shè)計控制整個系統(tǒng)并自動改 變該工程機(jī)械的位置。
各種類型的工程機(jī)械可以裝備這一類型的機(jī)械控制系統(tǒng)。平地機(jī)和 推土機(jī)是通過這類系統(tǒng)控制和監(jiān)測的典型運(yùn)土機(jī)械。更新近地，鋪路機(jī)、 壓路機(jī)和挖掘機(jī)也被以這種方式控制。但是，機(jī)械控制系統(tǒng)并不僅限于 工程機(jī)械。舉幾個例子，三維控制系統(tǒng)也可以用于，水文海洋應(yīng)用以及 實時動態(tài)鐵路測量。
4的運(yùn)土妒的位置數(shù)據(jù)， 通常將一覘標(biāo)安裝在該機(jī)械裝置上或安裝在附接至該機(jī)械裝置的伊或
類似物上。例如，該覘標(biāo)可以包括向后反射棱鏡(retro-reflecting prism)，該向后反射棱鏡用作從全站儀發(fā)出的電子測距光束的覘標(biāo)。適 合地，這些棱鏡被周向地布置在覘標(biāo)中，從而提供從任何方向測量覘標(biāo) 位置的可能性?？商娲?，代替使用棱鏡，所述覘標(biāo)可設(shè)有其他反射表 面，諸如反射帶?，F(xiàn)有技術(shù)中已知用于測距的各種適合類型的覘標(biāo)。
此外，為了便于通過機(jī)器人全站儀追蹤覘標(biāo)，所述覘標(biāo)可以包括諸 如發(fā)光二極管或類似物的發(fā)射器。該發(fā)射器可以被設(shè)計為將編碼信號發(fā) 射至機(jī)器人全站儀以識別所述覘標(biāo)。例如，可以賦予一場所的每個工程 機(jī)械或覘標(biāo)唯一的身份，關(guān)于這一身份的信息可以通過這些發(fā)射器發(fā) 出。于是，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(dāng)前追蹤的是哪一個唯一的工程機(jī)械(或哪一個覘標(biāo))。
根據(jù)上文所述的具有發(fā)射器的有源覘標(biāo)還便利于機(jī)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(xiàn)。
因此，如上文所述，在工地存在用于機(jī)械裝置和工具的實時追蹤的 已知系統(tǒng)。如所述，當(dāng)使用三維設(shè)計時，這尤其方便。
但是，雖然這些系統(tǒng)確實是成功的，但仍然存在改進(jìn)的空間。例如， 當(dāng)機(jī)器人全站儀持續(xù)地追蹤例如車輛上的伊?xí)r，它可以確定其動態(tài)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?，F(xiàn)有技術(shù)需要安 裝在單個機(jī)械裝置或車輛上的多個覘標(biāo)以使得可以確定其旋轉(zhuǎn)(或定
向)位置。

發(fā)明內(nèi)容
本公開內(nèi)容提供了可以用于確定單個覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)或定向位置的方 法和4見標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明，通過探測一覘標(biāo)處的多個發(fā)射器發(fā)出的光，在追蹤器 單元例如機(jī)器人全站儀中確定該覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置。所述覘標(biāo)發(fā)射器首先 發(fā)射全向同步信號。在該同步信號之后，從預(yù)定的發(fā)射器開始，順序地 一次一個地或成組地啟用每個發(fā)射器。通過在追蹤器單元中探測發(fā)出的光，并確定何時探測到來自覘標(biāo)的最強(qiáng)信號(振幅)，可以確定同步信 號的時間和來自個體發(fā)射器的最強(qiáng)信號的時間之間的時間差。根據(jù)這一 信息，可以計算覘標(biāo)相對于為追蹤器單元所知的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)位置(其
標(biāo)準(zhǔn)方向(reference direction))。
在一個優(yōu)選實施方案中，源于至少兩個發(fā)射器的探測振幅被用于確 定覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置。在確定相對于所述坐標(biāo)系的覘標(biāo)旋轉(zhuǎn)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(jìn)的精度。然后，覘標(biāo)的改 進(jìn)的旋轉(zhuǎn)精度通過在相鄰發(fā)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(diào)制)以指示發(fā)出同步信號的 覘標(biāo)的身份。
用于根據(jù)本發(fā)明的覘標(biāo)追蹤系統(tǒng)的有源覘標(biāo)包括圍繞覘標(biāo)周向布 置的多個發(fā)射器，諸如發(fā)光二極管；以及用于以兩個相繼階段啟用所述 發(fā)射器的控制電路，其中第一階段包括同步信號的發(fā)射，第二階段包括 從參考方向(reference direct ion)(參考發(fā)射器)開始的對發(fā)射器的 順序啟用。在第二階段中，每個發(fā)射器被啟用一段預(yù)定的時間。


在下面的詳細(xì)描述中將參考附圖，在附圖中
圖1示意性地示出了本發(fā)明原理的實現(xiàn)。
圖2-4示意性地示出了覘標(biāo)結(jié)構(gòu)的不同實施方案。
圖5是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的有源覘標(biāo)的功能部件的框圖。
圖6示意性地示出了覘標(biāo)發(fā)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(biāo)號表示。
具體實施例方式
在本發(fā)明的一個實施方案中，用于追蹤系統(tǒng)的覘標(biāo)包括多個周向布 置的發(fā)射器。該發(fā)射器可以適合地是發(fā)光二極管，發(fā)出例如在電磁光譜 的可見或紅外區(qū)域的光。由這些發(fā)射器發(fā)出的信號是可通過例如機(jī)器人 全站儀探測到的。
為了提供對覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置的測定，存在用于覘標(biāo)的定義參考方向。為了確定覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置，首先從所述發(fā)射器在所有方向上發(fā)射同
步信號(或同步圖形(synchronization pattern ))。例如，可以將所 述發(fā)射器中的多個(通常是所有)發(fā)射器同時啟用以發(fā)送穩(wěn)定信號?？?替代地，可以將所述發(fā)射器啟用以發(fā)送指示覘標(biāo)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(zhuǎn)位置測定的觸發(fā)器。
一旦同步信號被發(fā)出，就在覘標(biāo)中開始一過程，其中從參考發(fā)射器 開始，以預(yù)定的速率圍繞覘標(biāo)的周圍順序地啟用上述那些發(fā)射器。全站 儀持續(xù)地探測來自覘標(biāo)的發(fā)射，并確定在哪一時間點探測到最強(qiáng)的發(fā)射 (振幅)。如應(yīng)當(dāng)理解的，當(dāng)面對全站儀的發(fā)射器在目標(biāo)處被啟用時， 將探測到最強(qiáng)的發(fā)射。通過測定同步信號的時間和最強(qiáng)發(fā)射器信號的時 間，全站儀可以確定相對于參考發(fā)射器，哪一個周向布置的發(fā)射器是面 對全站儀的。由此，可以確定覘標(biāo)相對于為全站儀所知的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) 位置。
從參考發(fā)射器開始的對發(fā)射器的順序啟用可以適合地在同步信號 之后的預(yù)定時間點開始。
適合地，覘標(biāo)以使得參考發(fā)射器將處于工程機(jī)械或類似物的前向方 向的方式安裝。但是，如應(yīng)當(dāng)理解的，參考發(fā)射器可以相對于工程機(jī)械 具有任何定向，只要參考發(fā)射器相對于該機(jī)械裝置的相對定向是已知 的。
圖1示意性地示出了本發(fā)明原理的一種實現(xiàn)，其中為了清晰起見， 僅示出了發(fā)射器以及示意性圖解的機(jī)器人全站儀。在這一實施方案中， 覘標(biāo)10包括四十(40)個周向布置的發(fā)光二極管(LED) 12。在該實施 方案中，在順序啟用的過程中，從參考發(fā)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。對于這一將40個LED周向布置在覘標(biāo)上的實施方案， 通?？梢詫⑿D(zhuǎn)位置測定至達(dá)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(jī)器人全站儀20，其視線瞄準(zhǔn)覘標(biāo) 10。通過探測LED發(fā)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(qiáng)的信號(探測振幅)。
覘標(biāo)10的旋轉(zhuǎn)位置的測定精度可以通過一次啟用不是僅一個發(fā)射 器，而是如下所述而得到進(jìn)一步改進(jìn)啟用多個例如三個發(fā)射器一一其 對于發(fā)射信號使用不同的調(diào)制頻率一一并且對于每個調(diào)制頻率單獨地 測定探測振幅。于是，可以對來自三個被同時啟用的發(fā)射器的信號強(qiáng)度 進(jìn)行插值，并且與基于僅一個發(fā)射器可行的覘標(biāo)旋轉(zhuǎn)位置測定，更精確 地確定覘標(biāo)旋轉(zhuǎn)位置。再次參考圖1, LED 12 (np-l)、 12 (np)以及l(fā)2
(np+l)可以被同時啟用(使用不同的調(diào)制頻率)，以便以更高精度提 供旋轉(zhuǎn)位置的測定。例如，LED 12 (np)可以是最接近的發(fā)射器(最強(qiáng) 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(qiáng)，則可以推論出覘標(biāo)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(biāo)的旋轉(zhuǎn)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(fā)射器例如發(fā)射器12 (np)已被確定 的情況。 一旦確定了這一發(fā)射器的身份，就比較前、后(即，向右和向 左)緊鄰的發(fā)射器一一例如發(fā)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(fā)射器的振幅與中間的發(fā)射器
(即被確定為具有總體最高探測振幅的發(fā)射器12 (np))相比較。接著
基于發(fā)射器的發(fā)射特征的已知形狀，諸如所發(fā)出的輻射波瓣的形狀，通 過對探測振幅進(jìn)行插值，可以將覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置確定至達(dá)更高的精度。
也可以使用對發(fā)射器的一次一個的順序啟用進(jìn)行上述插值。因此， 代替以不同的調(diào)制頻率同時啟用三個發(fā)射器，可以使用一個接一個的順 序啟用，并確定每個相應(yīng)的振幅。
可替代地，可以成對地啟用兩個發(fā)射器，同時對于每對的二極管使 用不同的調(diào)制頻率。例如，通過首先使用不同的調(diào)制頻率啟用兩個發(fā)射 器(發(fā)射器12 (np-l)以頻率fi,發(fā)射器12 (np)以頻率fj，并接著 將這些發(fā)射器中的一個與第三發(fā)射器一起啟用(發(fā)射器12 ( np)以頻率 f2，發(fā)射器12 (np+l)以頻率f3),也可以確定每個探測振幅，并進(jìn)行 插值以得到改進(jìn)的精度。注意在這一實施例中，因為上述實施例中的發(fā) 射器12 (np-l)和發(fā)射器12 (np+l)并非同時被啟用，所以它們可以 使用相同的調(diào)制頻率，即f產(chǎn)f"例如，作為一非限制性實施例，LED可以發(fā)射約780 nm的紅外光。
圖2-4示意性地示出了覘標(biāo)結(jié)構(gòu)的一些實施方案。在圖2示出的實 施方案中，發(fā)射器12以鋸齒形結(jié)構(gòu)圍繞覘標(biāo)周向布置。包括了發(fā)射器 的區(qū)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(fā)送 的用于電子測距的光束。圖3示出了類似的覘標(biāo)，但是此時反射區(qū)域 18居中位于發(fā)射器12所在的兩個區(qū)域之間。圖4中示出了又一實施方 案，其中使用反射棱鏡16，而非反射表面。在圖4中，發(fā)射器以圓的 形式圍繞覘標(biāo)布置，而非如圖2和3中以鋸齒形結(jié)構(gòu)布置。
圖5是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的有源覘標(biāo)10的功能部件的框 圖。該有源覘標(biāo)包括用于控制發(fā)射器12的控制電路21，以及用于向控 制電路21和發(fā)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(fā)射器(通常是LED)。在第一階段P1 中，控制電路驅(qū)動所述發(fā)射器中的多個(優(yōu)選地所有)發(fā)射器同時發(fā)射 同步信號。該同步信號在機(jī)器人監(jiān)測全站儀中用作開始旋轉(zhuǎn)位置測定的 觸發(fā)器，并且同步時間被記錄。控制電路可以有利地驅(qū)動發(fā)射器發(fā)射指 示覘標(biāo)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(fā)射器。該第二階段通常在同步信號被發(fā)射之后一預(yù)定時間開 始。如上所述，對發(fā)射器的順序啟用用于確定覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)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(qū)動發(fā)射器使 得所述發(fā)射器發(fā)射調(diào)制信號(參閱上文關(guān)于改進(jìn)的精度的描述)。用于 每個個體發(fā)射器的調(diào)制頻率可以在全站儀中用于識別每個發(fā)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(fā) 明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在不背離如所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍 的情況下，可以做出各種變型和改體。
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權(quán)利要求
1.用于在覘標(biāo)追蹤系統(tǒng)中確定覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置的方法，所述覘標(biāo)包括圍繞其周向布置的多個發(fā)光元件，并且所述覘標(biāo)追蹤系統(tǒng)還包括能夠探測由所述發(fā)光元件發(fā)出的光的追蹤器單元，該方法包括從所述發(fā)光元件中的多個發(fā)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(fā)光元件，其中每個發(fā)光元件被啟用一段預(yù)定時間，并在其被啟用的時間內(nèi)發(fā)光；在追蹤器單元中探測從覘標(biāo)接收到最大量的光的時間；以及基于探測到同步信號和探測到從覘標(biāo)接收到的最大量的光之間的時間間隔，計算覘標(biāo)相對于坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)方向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)光元件被順序地啟用，使 得至少兩個發(fā)射器被同時啟用，并且其中來自被啟用的發(fā)射器的信號被用于計算標(biāo)準(zhǔn)方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中被同時啟用的任意兩個發(fā)射 器以不同的調(diào)制頻率發(fā)射光。
4. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中計算標(biāo)準(zhǔn)方向的步驟 包括基于來自至少兩個相鄰發(fā)光元件的探測振幅的插值步驟。
5. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中同步信號被調(diào)制為指 示覘標(biāo)的身份。
6. 用于覘標(biāo)追蹤系統(tǒng)的有源覘標(biāo)，所述有源覘標(biāo)包括 圍繞所述覘標(biāo)周向布置的多個發(fā)光元件；覘標(biāo)中的耦合到所述發(fā)光元件的控制電路，其用于以兩個相繼階段 啟用發(fā)光元件，其中第一階段包括同時啟用發(fā)光元件中的多個，以發(fā)射全向同步信號；并且第二階段包括從參考方向開始，順序地啟用發(fā)光元件，其中每個發(fā) 光元件被啟用一段預(yù)定時間，并在其被啟用的時間內(nèi)發(fā)光。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的有源覘標(biāo)，其中控制電路在第一階段中 可操作來啟用所述多個發(fā)光元件，以發(fā)射指示覘標(biāo)身份的調(diào)制信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的有源覘標(biāo)，其中控制電路在第二階段中可操作來啟用發(fā)光元件，使得任意兩個被同時啟用的發(fā)光元件以不 同的調(diào)制頻率發(fā)射光。
全文摘要
公開了一種用于在覘標(biāo)追蹤系統(tǒng)中確定覘標(biāo)的旋轉(zhuǎn)位置的方法。所述覘標(biāo)包括圍繞其周向布置的多個發(fā)光元件。所述覘標(biāo)追蹤系統(tǒng)還包括能夠探測由所述發(fā)光元件發(fā)出的光的追蹤器單元。所述方法包括以下步驟從所述發(fā)光元件發(fā)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(fā)光元件，其中每個發(fā)光元件被啟用一段預(yù)定時間，并在其被啟用的時間內(nèi)發(fā)光；在追蹤器單元中探測從覘標(biāo)接收到最大量的光的時間；以及基于探測到同步信號和探測到從覘標(biāo)接收到的最大量的光之間的時間間隔，計算覘標(biāo)相對于坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)方向。還公開了一種用于所述方法的有源覘標(biāo)。
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(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者J·凱倫 申請人:特林布爾公司