专利名称：用于觇标追踪的方法及相关联的觇标的制作方法
技术领域：
本公开内容总体涉及觇标追踪系统。更具体而言，本公开内容涉及
用于追踪移动对象的包括发射器的有源觇标(active target),例如其 中机器人全站仪使用由所述发射器发射的信号持续地追踪对象的移动。
背景技术：
在建筑业中，对诸如平地机和推土机之类的机械装置的高精度定位 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对 工地上的每个机械装置或车辆进行单独的追踪。
为此，存在基于先进追踪传感器和机器人全站仪的系统，其远程追 踪和测量动态(kinetic)移动觇标，并持续将测得的数据发送至控制
计算机或类似物。
近来，三维(3D)机械控制操作已变得日益重要。来自设计软件的
三维数据在工程机械上被使用，以便于全面的场地控制。工程机械的动 态移动由勘测设备持续地监测，所述机械装置的位置、定向、空间方位 角(attitude)等被发送至机载控制计算机。该机载计算机基于当前位 置和定向与所述三维设计的比较，计算所述工程机械的控制数据。
如果工程机械由操作者手动控制，会向操作者提供关于机械装置位 置正确性的指示。例如，可向操作者提供关于运土伊的高度和角度的信 息。基于该信息,操作者可以在需要时相应地改变所述铲的位置。
对于自动机械控制系统，控制计算机通过向例如机械装置的液压阀 控制系统提供适合的控制信号，来根据三维设计控制整个系统并自动改 变该工程机械的位置。
各种类型的工程机械可以装备这一类型的机械控制系统。平地机和 推土机是通过这类系统控制和监测的典型运土机械。更新近地，铺路机、 压路机和挖掘机也被以这种方式控制。但是，机械控制系统并不仅限于 工程机械。举几个例子，三维控制系统也可以用于，水文海洋应用以及 实时动态铁路测量。
4的运土妒的位置数据， 通常将一觇标安装在该机械装置上或安装在附接至该机械装置的伊或
类似物上。例如，该觇标可以包括向后反射棱镜(retro-reflecting prism)，该向后反射棱镜用作从全站仪发出的电子测距光束的觇标。适 合地，这些棱镜被周向地布置在觇标中，从而提供从任何方向测量觇标 位置的可能性。可替代地，代替使用棱镜，所述觇标可设有其他反射表 面，诸如反射带。现有技术中已知用于测距的各种适合类型的觇标。
此外，为了便于通过机器人全站仪追踪觇标，所述觇标可以包括诸 如发光二极管或类似物的发射器。该发射器可以被设计为将编码信号发 射至机器人全站仪以识别所述觇标。例如，可以赋予一场所的每个工程 机械或觇标唯一的身份，关于这一身份的信息可以通过这些发射器发 出。于是，任何接收全站仪可以将该身份与已知的一组身份相比较，以 确定它当前追踪的是哪一个唯一的工程机械(或哪一个觇标)。
根据上文所述的具有发射器的有源觇标还便利于机器人追踪，因为 追踪功能可以在全站仪中与其测距能力分开实现。
因此，如上文所述，在工地存在用于机械装置和工具的实时追踪的 已知系统。如所述，当使用三维设计时，这尤其方便。
但是，虽然这些系统确实是成功的，但仍然存在改进的空间。例如， 当机器人全站仪持续地追踪例如车辆上的伊时，它可以确定其动态移 动，但是，没有办法知道该车辆是在沿前向方向移动还是在倒车。此外， 如果车辆根本不在移动，没有办法来确定其前向方向。现有技术需要安 装在单个机械装置或车辆上的多个觇标以使得可以确定其旋转(或定
向)位置。
发明内容
本公开内容提供了可以用于确定单个觇标的旋转或定向位置的方 法和4见标。
根据本发明，通过探测一觇标处的多个发射器发出的光，在追踪器 单元例如机器人全站仪中确定该觇标的旋转位置。所述觇标发射器首先 发射全向同步信号。在该同步信号之后，从预定的发射器开始，顺序地 一次一个地或成组地启用每个发射器。通过在追踪器单元中探测发出的光，并确定何时探测到来自觇标的最强信号(振幅)，可以确定同步信 号的时间和来自个体发射器的最强信号的时间之间的时间差。根据这一 信息，可以计算觇标相对于为追踪器单元所知的坐标系的旋转位置(其
标准方向(reference direction))。
在一个优选实施方案中，源于至少两个发射器的探测振幅被用于确 定觇标的旋转位置。在确定相对于所述坐标系的觇标旋转位置时，使用 不只一个而是两个或更多个探测振幅提供改进的精度。然后，觇标的改 进的旋转精度通过在相邻发射器的探测振幅之间插值而获得。
适合地，所述同步信号可以被编码(调制)以指示发出同步信号的 觇标的身份。
用于根据本发明的觇标追踪系统的有源觇标包括围绕觇标周向布 置的多个发射器，诸如发光二极管；以及用于以两个相继阶段启用所述 发射器的控制电路，其中第一阶段包括同步信号的发射，第二阶段包括 从参考方向(reference direct ion)(参考发射器)开始的对发射器的 顺序启用。在第二阶段中，每个发射器被启用一段预定的时间。
在下面的详细描述中将参考附图，在附图中
图1示意性地示出了本发明原理的实现。
图2-4示意性地示出了觇标结构的不同实施方案。
图5是示意性地示出了根据本发明的有源觇标的功能部件的框图。
图6示意性地示出了觇标发射器的两个启用阶段。
在所有的附图中，相同的部件用相同的参考标号表示。
具体实施例方式
在本发明的一个实施方案中，用于追踪系统的觇标包括多个周向布 置的发射器。该发射器可以适合地是发光二极管，发出例如在电磁光谱 的可见或红外区域的光。由这些发射器发出的信号是可通过例如机器人 全站仪探测到的。
为了提供对觇标的旋转位置的测定，存在用于觇标的定义参考方向。为了确定觇标的旋转位置，首先从所述发射器在所有方向上发射同
步信号(或同步图形(synchronization pattern ))。例如，可以将所 述发射器中的多个(通常是所有)发射器同时启用以发送稳定信号。可 替代地，可以将所述发射器启用以发送指示觇标身份的编码信号(图 形)。所述同步信号由全站仪探测，该全站仪可以将对这一同步信号的 探测作为旋转位置测定的触发器。
一旦同步信号被发出，就在觇标中开始一过程，其中从参考发射器 开始，以预定的速率围绕觇标的周围顺序地启用上述那些发射器。全站 仪持续地探测来自觇标的发射，并确定在哪一时间点探测到最强的发射 (振幅)。如应当理解的，当面对全站仪的发射器在目标处被启用时， 将探测到最强的发射。通过测定同步信号的时间和最强发射器信号的时 间，全站仪可以确定相对于参考发射器，哪一个周向布置的发射器是面 对全站仪的。由此，可以确定觇标相对于为全站仪所知的坐标系的旋转 位置。
从参考发射器开始的对发射器的顺序启用可以适合地在同步信号 之后的预定时间点开始。
适合地，觇标以使得参考发射器将处于工程机械或类似物的前向方 向的方式安装。但是，如应当理解的，参考发射器可以相对于工程机械 具有任何定向，只要参考发射器相对于该机械装置的相对定向是已知 的。
图1示意性地示出了本发明原理的一种实现，其中为了清晰起见， 仅示出了发射器以及示意性图解的机器人全站仪。在这一实施方案中， 觇标10包括四十(40)个周向布置的发光二极管(LED) 12。在该实施 方案中，在顺序启用的过程中，从参考发射器12 (no)开始， 一次一个 地将每个LED点亮约40ms。因此，在所有四十个LED都被启用了之前， 将耗时约1.6 s。对于这一将40个LED周向布置在觇标上的实施方案， 通常可以将旋转位置测定至达约+/-5哥恩(gon) ( 400哥恩/40 LED) 的精度。
在图1中，还示意性地示出了机器人全站仪20，其视线瞄准觇标 10。通过探测LED发出的光，全站仪20可以确定最接近的LED12 (np) 何时被点亮，因为这个LED将在全站仪20处提供最强的信号(探测振幅)。
觇标10的旋转位置的测定精度可以通过一次启用不是仅一个发射 器，而是如下所述而得到进一步改进启用多个例如三个发射器一一其 对于发射信号使用不同的调制频率一一并且对于每个调制频率单独地 测定探测振幅。于是，可以对来自三个被同时启用的发射器的信号强度 进行插值，并且与基于仅一个发射器可行的觇标旋转位置测定，更精确 地确定觇标旋转位置。再次参考图1, LED 12 (np-l)、 12 (np)以及l2
(np+l)可以被同时启用(使用不同的调制频率)，以便以更高精度提 供旋转位置的测定。例如，LED 12 (np)可以是最接近的发射器(最强 的信号)，但是如果来自LED 12 (np-l)的信号较来自LED 12 ( np+l) 的信号更强，则可以推论出觇标的最接近全站仪的部分在LED 12 (np) 和LED 12 (np-l)之间的某处。以这种方式，觇标的旋转位置可以比 LED之间的周向间隔更小的步幅为单位来确定。
考虑例如具有最高探测振幅的发射器例如发射器12 (np)已被确定 的情况。 一旦确定了这一发射器的身份，就比较前、后(即，向右和向 左)紧邻的发射器一一例如发射器12 (np-l)和12 (np+l) —一的振 幅。接着将具有较高振幅的那一个相邻发射器的振幅与中间的发射器
(即被确定为具有总体最高探测振幅的发射器12 (np))相比较。接着
基于发射器的发射特征的已知形状，诸如所发出的辐射波瓣的形状，通 过对探测振幅进行插值，可以将觇标的旋转位置确定至达更高的精度。
也可以使用对发射器的一次一个的顺序启用进行上述插值。因此， 代替以不同的调制频率同时启用三个发射器，可以使用一个接一个的顺 序启用，并确定每个相应的振幅。
可替代地，可以成对地启用两个发射器，同时对于每对的二极管使 用不同的调制频率。例如，通过首先使用不同的调制频率启用两个发射 器(发射器12 (np-l)以频率fi,发射器12 (np)以频率fj，并接着 将这些发射器中的一个与第三发射器一起启用(发射器12 ( np)以频率 f2，发射器12 (np+l)以频率f3),也可以确定每个探测振幅，并进行 插值以得到改进的精度。注意在这一实施例中，因为上述实施例中的发 射器12 (np-l)和发射器12 (np+l)并非同时被启用，所以它们可以 使用相同的调制频率，即f产f"例如，作为一非限制性实施例，LED可以发射约780 nm的红外光。
图2-4示意性地示出了觇标结构的一些实施方案。在图2示出的实 施方案中，发射器12以锯齿形结构围绕觇标周向布置。包括了发射器 的区域被反射表面18包围，该反射表面18的目的是反射从全站仪发送 的用于电子测距的光束。图3示出了类似的觇标，但是此时反射区域 18居中位于发射器12所在的两个区域之间。图4中示出了又一实施方 案，其中使用反射棱镜16，而非反射表面。在图4中，发射器以圆的 形式围绕觇标布置，而非如图2和3中以锯齿形结构布置。
图5是示意性地示出了根据本发明的有源觇标10的功能部件的框 图。该有源觇标包括用于控制发射器12的控制电路21，以及用于向控 制电路21和发射器12供电的电源22。如图6所示，控制电路可操作 来以两个相继阶段P1和P2启用发射器(通常是LED)。在第一阶段P1 中，控制电路驱动所述发射器中的多个(优选地所有)发射器同时发射 同步信号。该同步信号在机器人监测全站仪中用作开始旋转位置测定的 触发器，并且同步时间被记录。控制电路可以有利地驱动发射器发射指 示觇标身份的编码同步信号。在第二阶段P2中，控制电路可操作来顺 序地启用发射器。该第二阶段通常在同步信号被发射之后一预定时间开 始。如上所述，对发射器的顺序启用用于确定觇标的旋转位置。在上述 的一些方法实施方案中，控制电路在第二阶段也可操作来驱动发射器使 得所述发射器发射调制信号(参阅上文关于改进的精度的描述)。用于 每个个体发射器的调制频率可以在全站仪中用于识别每个发射器。
虽然通过参考如在附图中示意性示出的特定实施方案描述了本发 明，但应当理解的是，在不背离如所附权利要求中限定的本发明的范围 的情况下，可以做出各种变型和改体。
9
权利要求
1.用于在觇标追踪系统中确定觇标的旋转位置的方法，所述觇标包括围绕其周向布置的多个发光元件，并且所述觇标追踪系统还包括能够探测由所述发光元件发出的光的追踪器单元，该方法包括从所述发光元件中的多个发射全向同步信号；在追踪器单元中探测所述同步信号；从参考方向开始，顺序地启用所述发光元件，其中每个发光元件被启用一段预定时间，并在其被启用的时间内发光；在追踪器单元中探测从觇标接收到最大量的光的时间；以及基于探测到同步信号和探测到从觇标接收到的最大量的光之间的时间间隔，计算觇标相对于坐标系的标准方向。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中发光元件被顺序地启用，使 得至少两个发射器被同时启用，并且其中来自被启用的发射器的信号被用于计算标准方向。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中被同时启用的任意两个发射 器以不同的调制频率发射光。
4. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中计算标准方向的步骤 包括基于来自至少两个相邻发光元件的探测振幅的插值步骤。
5. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中同步信号被调制为指 示觇标的身份。
6. 用于觇标追踪系统的有源觇标，所述有源觇标包括 围绕所述觇标周向布置的多个发光元件；觇标中的耦合到所述发光元件的控制电路，其用于以两个相继阶段 启用发光元件，其中第一阶段包括同时启用发光元件中的多个，以发射全向同步信号；并且第二阶段包括从参考方向开始，顺序地启用发光元件，其中每个发 光元件被启用一段预定时间，并在其被启用的时间内发光。
7. 根据权利要求6所述的有源觇标，其中控制电路在第一阶段中 可操作来启用所述多个发光元件，以发射指示觇标身份的调制信号。
8. 根据权利要求6或7所述的有源觇标，其中控制电路在第二阶段中可操作来启用发光元件，使得任意两个被同时启用的发光元件以不 同的调制频率发射光。
全文摘要
公开了一种用于在觇标追踪系统中确定觇标的旋转位置的方法。所述觇标包括围绕其周向布置的多个发光元件。所述觇标追踪系统还包括能够探测由所述发光元件发出的光的追踪器单元。所述方法包括以下步骤从所述发光元件发射全向同步信号；在追踪器单元中探测所述同步信号；从参考方向开始，顺序地启用所述发光元件，其中每个发光元件被启用一段预定时间，并在其被启用的时间内发光；在追踪器单元中探测从觇标接收到最大量的光的时间；以及基于探测到同步信号和探测到从觇标接收到的最大量的光之间的时间间隔，计算觇标相对于坐标系的标准方向。还公开了一种用于所述方法的有源觇标。
文档编号G01B11/00GK101681170SQ200780053164
公开日2010年3月24日 申请日期2007年5月30日 优先权日2007年5月30日
发明者J·凯伦 申请人:特林布尔公司