专利名称：能够导航和/或映射任何多维空间的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于多维空间的自动研究(study)、布局和验证的系统和方法，产生了 自主机器人任务执行和建筑导航的新行业。
背景技术：
设计从概念到实施的实现是一个挑战，特别是当其涉及建筑行业的时候。在建 筑行业中，建筑师、规划师、工程师等负责将想法概念化并将概念转换化为例如设计制图 (drawing)的有形形式的任务，然后由该领域的承建者来实施。实施或建造过程可能是一个 艰巨的任务，其成功在很大程度上依赖于承建者准确复制与所接手的具体工程有关的制图 或设计文档中示出的维度和空间关系的能力。承建者在复制该设计文档表示的内容时犯错 是建筑实践中的共同特征并且这种错误通常导致高成本的纠正行动。在某些情况中，错误 是由于缺乏对进行建造的场地的特征的真正了解而造成的。例如，如果对要被改造的空间 的设计要求将一扇门放在特定的位置，而在建筑场地的该位置恰好有一根柱子位于需要该 门的位置处，则可能需要对设计制图进行高成本的重新设计。另一个导致高成本补救措施 的常见情况是建筑场地的不准确布局导致该设计的主要元素建造在错误的地方，当最终发 现该错误时，将导致高成本的改造。一般来说，任何建筑工程的成功在很大程度上都依赖于良好的、可依靠的维度控 制，使得在设计中考虑的空间关系可以在现场准确再现。维度控制通常是建筑师、工匠(例 如，电工、管工、干式墙安装工)或检查员的职责。典型的“竣工研究(as-built studies)” 或检查任务包括测量或检查场地以确定现状以及可用于在承建者实现设计时使其正确定 向的基准(benchmark)、参考点以及其他标志(monument)的布局。当在执行这些任务中发 生错误时，会导致上述类型的错误。有时错误不是由于不准确的测量或“竣工研究”，而是由 于对标志的不良控制，例如当标杆等标志或基准无意中翻倒时或者当铅笔标记在现场被人 员或设备无意中抹去时。工人在这种情况下简单地将铅笔标记或标杆重新置于被认为是其 原位而实际上不是原位的位置处，这也不完全是罕见的。当发生这种事情时，任何随后对该 基准的参考都将导致由于维度控制现在处于错的地方而未被认识到处于错的地方这一事 实而产生的错误。此外，由使用当前不准确的参考点导致的错误可能由于在一段时间没有 被发现这一事实使该错误被进一步增加。测量或检查中的错误，无论它们是与场地研究相关还是与设计布局相关，都只能 通过精确的“竣工验证”和对基准和标志的小心保护以及对它们的频繁再验证来避免。在 实践中，该任务可能是非常耗时费力的，通常需要工作组频繁地重访场地并且手工验证现 有的基准和标志，或者根据需要手工建立新的基准和标志。因此，需要一种快速准确测量或 检查建筑场地的方法以确定其属性、建筑布局或者重新验证如基准或标志的维度控制。
发明内容
本发明提供一种用于自动研究、布局和验证多维空间的系统和方法。多维空间是 具有至少两个维度的空间。通过本发明的系统和方法极大地促进了从空间设计到其建筑的 转换。根据本发明对多维空间(例如，3维空间)的自动研究涉及对从系统设备到多维 空间内的一个或多个选择的参考点的距离的测量以及对从系统设备到多维空间内的各个 现有物体和结构的距离的测量。本发明的系统使用这些测量以生成建筑场地的制图(可以 是数字形式的)或图表表示，并且由此基于系统设备进行的测量自动地实时生成对多维空 间的准确描绘。此外，除了实时创建被研究的多维空间的图形表示以外，本发明的系统还可 以实时地示出进行与所研究的多维空间的被测量的熟悉有关的研究的系统用户的位置。因 此，本发明不仅实时生成对所研究的多维空间的研究，而且还能在进行研究时在多维空间 内引导用户。根据本发明对建筑场地的自动布局涉及在多维空间中建立基准和标志以指出在 多维空间的设计中指定的物体和结构的物理位置、定位、定向和相对布置。典型地，将对多 维空间的开发设计记录为一个或多个制图，该制图精确描述要建造的多维空间的所有物体 和/或结构的空间关系。当通过图解描述时，该设计代表具有特定物理特征的虚拟空间。在 本发明的系统的用户执行多维空间的自动布局期间，该系统参照设计制图确定自己在多维 空间内的定向，然后在制图转换为多维空间时指出该设计制图中包含的选定物体和/或结 构的精确位置。因此，本发明能够在多维空间内将用户引导到一个点(或者面积或者体积 或者其它更高维度的区域)，这使用户能够在多维空间内做出表示要建造的物体和/或结 构在多维空间的边界处或边界内的特定定位的标记。在本发明的一个实施例中，用户能够 控制本发明的系统的设备以自动为设计中指定的结构和/或物体做标记。根据本发明对多维空间的自动验证涉及对从自动研究生成的表示(例如，图形表 示)与由设计者生成的表示(例如，图形表示)_即，虚拟空间的比较。本发明的系统和方 法会告知用户这两种表示之间的任何差异。任何差异都将被本发明指出并显示给用户。本 发明的方法和系统可以使用各种技术中的任何一个和多个向用户通知对多维空间的设计 与实际布局和设计之间差异的存在。本发明的系统包括至少一个可以与一个或多个子站通信的主站模块。该主站模块 耦接到控制器模块。该控制器模块耦接到输入/输出(I/O)接口模块，该输入/输出接口模 块耦接到执行器/用户接口装置(Userlnterface Device, UID)模块和显示模块二者。该 控制器模块还耦接到数据存储模块。主站模块包括至少一个多通道发射器、至少一个多通道接收器和至少一个处理 器。该主站模块还可以包括由控制器基于控制器模块响应于本发明的系统的用户对执行器 /UID的操作产生的命令而控制的一个或多个机械装置和/或机构。每个子站包括发射器、接收器和处理器。处理器耦接到发射器和接收器二者并且 还耦接到由子站使用的一个或多个可控制的机械装置和/或机构以执行从至少一个主站 接收到的命令。子站的发射器可以用于将关于多维空间的信息发送到主站模块并且接收器 可以用于接收来自主站模块的命令。
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本发明的系统用于执行较早描述的多维空间的布局、多维空间的研究或者多维空 间的验证中的一个或多个。在研究、布局和/或验证处理期间，系统可以通过显示多维空间 (例如，3D图形表示)在多维空间内引导用户，包括已知的或者已经研究过的物体和/或结 构以及用户的当前物理位置，同时有效地在该多维空间内引导用户，并且在用户进行布局 时向用户指出哪里要做标记或者在用户进行研究时向用户指出物体或结构或者该多维空 间的物理特征位于哪里。本发明的系统还可以显示虚拟空间作为对多维空间描述的覆盖。 因此，当用户在多维空间内物理移动时，本发明的系统能够跟踪用户的位置并实时地在实 际和/或虚拟空间的图形表示内显示所述位置。作为本发明的系统和方法的结果产生两个新的产业建筑导航和现场自主机器人 任务执行。建筑导航涉及提供用于处理由一个或多个人执行的各种任务的各种服务以促进 从建筑工程的设计阶段到实际建筑的转换。建筑导航还包括对本发明的系统和方法的用户 的培训和/或认证_按照由服务提供者开发的标准。因此，使用本发明的方法和系统的在 多维空间的自动研究、自动布局和/或自动验证中被培训和/或认证了的用户被称为建筑 导航员。除了上述方法以外，建筑导航员还进行用于协调虚拟空间的设计者(例如，建筑 师、工程师)生成的信息与多维空间的建立者(例如，总承建者、现场工程师、检查员)要完 成的特定任务的各种功能。在研究、布局和验证处理期间，建筑导航员操作执行器/UID (例 如，操纵杆、触笔、触摸板、触摸键、陀螺仪、空间或3D鼠标、键盘)以将各种命令发送到主站 来控制主站和子站。主站还接收来自子站的信息并将所述信息提供给控制器以允许系统进 行用于多维空间的自动研究、布局和/或验证的必要处理。现场自主机器人任务执行(Autonomous Robotic Task Execution, ARTE)涉及(a) 使用系统设备将材料加工和/或组装成用于在多维空间的建筑中使用的物体和/或结构的 部件和/或(b)该系统设备自主地执行建筑任务(例如，自动研究、布局和/或验证)或者 在用户的控制下利用这些部件和其它部件执行所述任务。这些自主装置或设备根据程序或指令集执行ARTE建筑。主站模块例如可以被配 置成远程控制安装或附接在其上的工具并且由用户来控制进行ARTE建筑或者由一个或多 个软件包编程来自主进行ARTE建筑。用于制造可以根据本发明的方法执行本发明的系统 的ARTE建筑的装置的任何实体都是该新产业的一部分。此外，用于提供对个人的培训和/ 或认证以根据本发明的方法操作(作为本发明的系统的一部分的)ARTE设备的任何实体也 是该新产业的一部分。用于提供ARTE建筑服务的任何实体是该新产业的一部分，其中该 实体具有被培训和认证以根据合同协议进行ARTE建筑的人员。被培训和/或认证以进行 ARTE工作的人员被称为ARTE工作者。前面已经相当广泛地概述了本发明的优选特征，使得本领域的技术人员可以更好 地理解下面对本发明的详细描述。在下文中将描述形成本发明的权利要求主题的本发明的 附加特征。本领域的技术人员应该理解，它们可以容易地使用所公开的概念和特定实施例 作为用于设计或修改执行本发明的相同目的的其它结构和方法的基础，并且这些其它结构 和方法在其最宽泛的形式上不脱离本发明的精神和范围。
图1示出本发明的系统的框5
图1A示出本发明的系统的具体实施；图1B示出本发明的系统的另一个实施例；图2示出本发明的系统的子站的框图；图3示出本发明的系统的主站模块的框图；图4A-4B示出可以作为本发明的系统的主站的部分的调平通信激光器，图4A是等 角视图，图4B是前端正视图；图5示出具有激光铅直的本发明的系统的主站模块的前端正视图；图6A-6C示出具有相机装备的主站模块，图6A示出该装置的等角视图，图6B示出 左侧正视图，图6C示出主站模块的计算机模块；图7是将激光束十字准线(cross-hair)聚焦在目标上的主站模块的等角视图；图8是将激光束十字准线聚焦在地面或地板上的主站模块的等角视图；图9A示出具有两个水平旋转激光的主站模块的等角视图；图9B是图9A的正视图；图10示出主站-子站系统；图11示出与多个成菊花链状(daisy chained)的子站互连的主站；图12示出移动式子站；图13A-13B示出棱镜子站，图13A是子站的二棱镜实施例的等角视图，图13B是子 站的三棱镜实施例的等角视图；图14A示出其上安装有棱镜的手持计算机站；图14B是内置或附接有激光测距装置的图14A的计算机的等角视图；图14C是附接有棱镜的图14A的计算机的侧面正视图。图15A-15D示出各种移动式子站，图15A示出包括具有轮子的机器人交通工具的 子站，图15B示出具有坦克链运动的子站，图15C示出其中机器人交通工具具有昆虫或蜘蛛 状腿的子站，图15D示出具有水翼式空气悬挂移动的子站；图16示出包括机器人臂和工具的机器人子站；图17A-17B示出机器人主站模块，图17A示出安装在机器人交通工具上的主站模 块，图17B示出能够进行工作的主站模块；图18示出使用计算机网络互连的各种主站和子站；图19示出能够读取固定参考站的外罩(enclosure)内的主站模块(或子站)；图20示出其上打印有条形码的360度直角棱镜。图21A-21C示出各种智能标志(monument)；图22A-22B示出使用主站模块的彩色棱镜的检测；图23A-23B示出使用旋转激光器的主站模块和子站的相互作用；图24A-24C示出照像环境建模器；图25A-25B示出信标靶标及其与接收器柱的相互作用；图26A-26D示出具有非移动部件的角度标志测量装置；图27A-27B示出用于激光或声波测距仪的手持仪器摇摄(pan)和倾斜台架 (gantry)，图27A是前端正视图，图27B是左侧正视图；图28A-28B示出自动调平旋转激光器，图28C是等角视图，图28B是该装置的前端
6正视图；图29示出自调平旋转激光跟踪器；图30A-30B示出自动调平固定激光指示器(pointer)；图31示出机器人建筑安全站；图32A-32C示出360°相机站；图32A是该相机的等角视图；图32B示出安装在伸缩杆顶部的相机，图32C示出从起重机悬挂下来的相机；图33示出扭曲建筑物传感器；图34A-34B示出用于检测移动机器人的运动以确定其精确位置的装置，图34A等 距地示出包括加速计和电子器件的装置的内部；图35是移动式臂站的侧面正视图；图36是移动式站的侧面正视图；图37是车载主站的侧面正视图，该主站具有工作臂、水平和垂直扫描的可见激光 以及电子测距装置。图38示出各种机器人臂工具；图38A示出具有切割工具的机器人臂；图38B示出具有打印或绘图工具的机器人臂；图38C示出具有铅直可见激光指示器的机器人臂；图38D示出具有CMM、激光扫描器或手动指示阅读工具的机器人臂；图38E示出具有钻孔、雕刻和灼烧工具的机器人臂；图39示出被配置成使用本发明的建筑物围栏，本发明的系统作为套件布置在该 图中，所有部件都在该图中示出，尤其示出了固定在永久位置上的固定参考位置；图40是示出固定参考站传感器和发射器阵列的等角视图；图41是图14A-14C的手持计算机的显示器的示意性表示；图42是具有可见激光上下指示器并具有内置电子测距装置的三角架棱镜柱的示 意性表示；图43示出具有多光束测距装置的主站，用于确定其距离地面的高度及其沿面取 向；图44A-44D示出用陀螺稳定的、线缆驱动的、轨道驱动的或者用盘旋器(hover)驱 动的悬挂的计算机化运输系统；图45示出如何使用图44A-44D的用陀螺稳定的、线缆驱动的悬挂的计算机化运输 系统；图46A-46B示出二棱镜柱标记系统的头部；图46A示出具有用弹簧加载的尖钻的头部；图46B示出具有弹簧加载的标记器或涂料棒的头部；图47A-47B示出粘滞阻尼稳定的棱镜柱；图48A-48B示出用陀螺稳定的棱镜柱，该稳定器与用于稳定性维护的模糊逻辑电 子处理器配对；图48A示出整个棱镜柱；
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图48B示出稳定器头部；图49示出主站模块(或者具有无线天线的机器人)，主站模块测量其与检查员的 具有棱镜和无线天线的杆之间的距离，该无线天线又与数据收集手持计算机接口 ；图50示出图49的在可见光谱内发射激光的全站，其基于来自手持计算机的指示 标记目标位置；图51示出图49的主站模块，其指示可移动机器人在表面上产生可见的目标光 斑；图52类似于图51中所示的实施例，除了标记是期望图案的投影矢量覆盖；图53是图49的系统的第四实施例，其中图案是三维图案的二维表示；图54是图49的系统的第五实施例，其中主站模块指示可移动机器人使用涂料在 地面上标记位置；图55是图49的系统的第六实施例，其中主站模块指示可移动机器人进行加工操 作(如钻孔)；图56是图49的系统的第七实施例，其中主站模块指示可移动机器人到一个位置 以利用能够测量和标记地板的机器人臂进行计量；图57类似于图56，其中测量和标记发生在墙上；图58是图49的系统的第八实施例，除了主站模块跟踪多个棱镜，每个棱镜与不同 的手持单元通信，并且该手持单元相互通信；图59A示出两个激光测距仪单元(S卩，A和B)的正视图，每个激光测距仪单元能 够测量其垂直高度以及与另一个测距仪器的水平距离；图59B示出激光测距仪和转动棱镜的放大图；图60示出图59的配置的平面图，其另外示出了用于位置三角测量的目标传感 器；图61示出使用特殊的柱以提供距离和高度测量的测距仪；图62A-62B示出具有惯性测量系统的手持单元，该惯性测量系统包括三个陀螺仪 和加速计；图62A是示出手持单元的内部包括的必要部件的等角视图；图62B是手持单元的外部的等角视图；图63-65示出本发明的方法的流程图。
具体实施例方式现在将详细参照本发明的优选实施例，在附图中示出了优选实施例的例子。如本说明书中将清楚示出的，当本发明的系统设备根据本发明的方法进行完成任 务所需的一些或全部步骤时，该任务被“自动地”执行。这里所讨论的各种任务的最终步骤 的一些或全部是由该系统设备执行的，该系统设备可以由嵌入在这样的设备中的固件和/ 或软件指挥；因此这种任务被自动执行。在本说明书中使用的术语建筑场地被理解为包含具有限定边界的任意多维空间， 在该多维空间内可以进行物体和结构的建造以及它们关于彼此的定位和定向；建筑场地还 包括在其中已经完成部分或全部建筑的任何多维空间。
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虚拟空间是可以基于描述建筑场地的设计中的边界、具体物体和/或结构、该物 体和/或结构关于彼此以及关于多维空间中指定建立的参考点的定位和定向以及所定义 的物体和/或结构的实际物理维度的信息(例如，图形和/或文本)来描述的多维空间的视 觉表示或数学表示。保存该设计的信息被称为虚拟信息。虚拟信息的一个例子是由建筑工 程的建筑师或工程师生成的一组制图(例如，2D或3D CAD (计算机辅助设计)制图)。在 下文中，术语“建筑场地”和“多维空间”将被可互换地使用。在这里使用的术语“研究”是指用户(优选是建筑导航员)使用本发明的系统根 据本发明的方法进行的处理，以在建筑场地中定位参考点和其它指定位置(例如，标志、基 准)，测量这些指定点之间的距离，标识建筑场地内的现有结构和/或物体，测量现有物体 和/或结构的实际物理维度，以及测量位于该建筑场地内的现有物体和/或结构之间的距 离，从而实时地，即在进行研究时，自动生成建筑场地的表示(例如，图形-2D或3DCAD制图 或者其它类型的表示)。参考点是在建筑场地内特别定义的点或位置，它们被指定作为从其 开始进行测量的点。参考点通常由设计者(例如，建筑师或工程师)在虚拟信息中标识，并 通常由多维空间的现场检查员在多维空间中标记出。从研究生成的信息可以成为虚拟信息 的一部分。在这里使用的术语“布局”是指基于从设计和/或研究生成的参考点和虚拟信息 实时地自动识别建筑场地内的特定点的精确位置和/或物体和结构的位置、定向和排列的 处理。该布局处理还可以包括在被布局的多维空间内将系统的用户引导到精确位置。然后 用户可以标记该精确位置，或者本发明的用户可以使用作为本发明的系统的一部分的设备 自动标记建筑场地内的物体和结构的位置。本发明的系统和方法通过在建筑场地(S卩，多维空间)和虚拟空间之间进行映射 使用户能够执行建筑场地的布局。映射是指在一个空间中指定已知的点并计算或确定在另 一个空间中对应的点，这两个空间之间具有适当定义的关系(例如，数学关系)。例如，如在 布局期间所进行的，当本发明的方法将适当定义的关系应用于设计师的制图内的点以确定 或计算在实际多维空间中对应点的位置时，发生从虚拟空间到多维空间的映射。在这里使用的术语“验证”是指比较虚拟空间与研究信息以确定在布局过程期间 是否犯错误的处理。该系统将错误或矛盾的位置以及所发生的错误的类型通知给用户。在使用本发明的方法和系统进行自动研究、布局和/或验证多维空间中受过训练 和认证的用户被称为建筑导航员。除了上述方法以外，建筑导航员还执行用于使虚拟空间 的设计者(例如，建筑师、工程师)生成的信息与多维空间的建造者(例如，总承建者，场地 工程师、检查员)要进行的特定任务协调的各种功能。本发明的系统和方法的设计者/制 造者可以发布用户在被承认是认证的建筑导航员之前需要掌握的特定要求和技能集合。例 如，建筑导航员尽管不是检查员，但是可以从对检查的基本原理的理解中受益。在研究、布 局和验证处理期间，建筑导航员操作执行器(actuator)/UID将各种命令发送到主站以控 制主站和子站。在根据本发明的系统设计和建造的设备的操作和/或编程以及维护中受训和认 证的用户以及根据本发明的方法操作以进行ARTE建筑的用户被称为ARTE工作者。ARTE 工作者在不同的时间与现场的工匠和现场职业人员配合以进行指定给ARTE设备的任务。 ARTE工作者可以与现场总承建者协商以确定某些任务的进度。此外，ARTE工作者可以协同
9建筑导航员在研究建筑场地之前制订和计划全部或部分建筑场地的建筑过程。I.本发明的系统参照图1，示出了本发明的系统的一个实施例的框图。应该注意，可以使用各种方 法和设备来建立和/或实施本发明的系统。因此本发明的系统不局限于图1中所示的具体 实施例。本发明的系统优选地作为可以彼此相互连接以允许用户进行建筑场地的研究、布 局和/或验证的模块的各种组合的组件来实施。与主站模块相关联的模块可以彼此相互连 接和/或耦合以形成主站组件或多个模块，其中一个模块是主站模块。这里使用的术语“主 站”是指主站模块或主站组件。每个模块是可以执行一个或多个任务并且能够耦合到其本 身可能是模决也可能不是模块的一个或多个其它装置的装置。每个子站优选地被配置成模 块的组合。仍然参照图1，例如建筑导航员的用户可以操作执行器(actuator)/UID以经由1/ 0接口模块120和控制器模块116将命令发送到主站模块110。利用传播装置112模块将该 命令传输到位于建筑场地内的任意数量N个子站(142、144、146、148和150)，其中N是等于 或大于1的整数。传播装置模块112还可以用于接收来自子站的信号。传播装置112被示 出为可以在多维空间的布局、研究和/或验证期间发射可见或不可见激光束的激光器。所 示的激光器还可以具有用于接收反射激光束的传感器，从而允许装置112也接收信号。装 置112可以是用于发射和接收电磁信号的任意的一个或多个装置，该电磁信号包括RF(射 频)信号、微波信号和其它类型的信号。如图所示，在通信链路132、134、136、138和140上 传输来自主站模块110的命令。该通信链路可以例如是不同波长的激光信号或者占据不同 频带的RF(射频)通信信道(例如，空气、双绞线、同轴线缆、光纤、微波波导)或者其它类 型的公知传播信号，例如，光学信号、微波信号、雷达信号、红外信号。子站142、144、146、148和150每个具有可以发射和/或接收信号的对应传播装置 (142A、144A、146A、148A和150A)并且战略上定位为遍及建筑场地以允许正确的研究、布局 或验证。显示器126用于图示使用执行器/UID模块130生成的文本信息和/或建筑场地 或虚拟空间的图形表示(即，CAD制图)。在控制器模块116中驻留的软件的控制下，显示 器126可以同时示出建筑场地和虚拟空间二者并且还可以图示通过主站模块110从N个子 站之一接收到的建筑场地信息。显示器126还可以图示从数据存储106或主站模块110获 得的图形信息。该图形是由控制器模块116使用来自数据存储模块106的信息和从N个子 站中的一个或多个接收到的信息从加载在其中的固件或软件产生的。主站模块110经由连接114A和114B耦合到控制器116。控制器模块116经由连 接108A和108B耦合到数据存储模块106。控制器模块116还经由连接118A和118B耦合 到I/O接口模块120。I/O接口模块分别经由连接128和122耦合到执行器/UID 130和显 示器126。显示器126经由连接124耦合到执行器/UID 130。连接124允许将文本或其它 用户发起的信号的结果(即，从鼠标、操纵杆、触笔、触摸板产生的信号)显示在显示器126 上。在本说明书通篇中使用的术语“耦合”可以指机械连接、电连接、光学连接或者磁连接 或者这些类型连接的任何组合；该术语一般是指允许将(电、磁、机械、机电、光、电光)信号 从一个位置传送到另一个位置或者从一个模块传送到另一个模块的确定的路径、信道或布 置。因此，术语“耦合”不一定局限于物理连接；例如，在物理上相互不连接的两个部件之间
10可以实现磁耦合。存储在数据存储模块106中的信息可以是虚拟信息，该虚拟信息可以实现为例如 由建筑工程的建筑师和/或土木工程师生成的蓝图或CAD(计算机辅助设计)制图。在其中存储虚拟信息的数据存储模块106可以实施为包含由多维空间的建筑师 或工程师或其它设计师生成的数字存储的图形或技术信息的存储单元。可以使用软件包以 任意多种公知的方式生成该虚拟信息并且可以在例如通信链路104的通信链路上和/或通 过例如因特网的通信网络102发送这种信息。通信链路104可以是直接的物理连接，例如 同轴线缆、电话线，或者无线链路、光学链路或其任意组合。主站模块110被示出具有信号传播装置112作为互相耦合或通信的多个模块之 一。信号传播装置112可以是用于传播无线信号的天线。简言之，信号传播器112允许电磁 信号的传播，电磁信号包括但不限于UHF(UltraHigh Frequency，超高频)无线电、VHF(Very High Frequency，甚高频)信号以及例如由激光器生成的光信号。传播装置112可拆卸地 附着到主站，使得根据主站发射的信号的具体类型将适当的并且正确的传播装置机械和/ 或电耦合到主站模块。例如，可以将激光器耦合到主站模块110以允许传播由作为主站模 块电路和设备的一部分的激光器生成的光信号(例如，一个或多个激光束)。为了传播无线 电信号(RF或射频信号、UHF、VHF信号)，可以将天线耦合到主站模块。主站模块110可以 由此发射光学和/或无线电信号。主站模块110是能够将命令发射到N个子站中的任意一 个或多个的模块。图1中所示的主站组件(即，多个与主站模块耦合的模块)的一个实施例可以由 称为“经纬仪(theodolite)”或全站仪(total station instrument)的公知测量仪器构 成。这种仪器可以配备激光束以在建筑场地处投射可见光束或测量距离以及水平和垂直角 度。同样地，经纬仪也可以改进成具有计算机(具有显示器、控制器、执行器/UID装置)和 可控制机械机构和装置，其中该计算机根据(作为一个或多个软件程序实施的)本发明的 方法进行操作。主站组件的另一个实施例可以是改进的机器人交通工具，该机器人交通工 具可以经由无线电信号或其它类型的信号远程控制以执行各种任务。图1中所示的主站组 件可以耦合到这种机器人交通工具以允许建筑导航员或受训的本发明的系统和方法的用 户进行多维空间的自动研究、自动布局和自动验证。主站组件的另一个实施例可以由坞站 (dockingstation)来实施，坞站可以用于接收执行控制器116、显示器126、1/0 120、执行 器130和数据存储单元106的功能的任意类型的便携式计算装置(例如，袖珍计算机、个人 数字助理(PDA))。A.主站模块主站模块包括至少一个多通道发射器、至少一个多通道接收器和至少一个处理 器。主站模块还可以包括由控制器(即，图1中的控制器116)控制的一个或多个机械装置 和/或机构。控制器响应于由本发明的系统的用户对执行器/UID的操作而生成命令；这些 命令被用于控制耦合到主站模块的机械装置和/或机构。多通道发射器是能够将一个或多 个可识别的信号经由例如天线或激光发生器的传播装置发射到子站的信号发射装置。图3 中示出主站模块的更详细的图。图3示出主站模块300的框图，主站模块300包括耦合到多通道接收器304和多 通道发射器306的处理器308，处理器308还耦合到可控制的机械结构310 ；主站模块300
11是图1中所示的主站模块110的更详细的框图。可控制的机械结构310可以是一个或多个 机械或机电装置或机构(例如，无线电控制的交通工具、机器人系统)，其可以由处理器308 基于由主站模块300接收到的命令来控制。信号传播装置302可以实施为天线，也可以是 用于将激光束投射到一个或多个子站或表面的激光发生器。信号传播装置302除了用作信 号发射设备的一部分以外还用于接收信号。在激光的例子中，传感器可以安装在装置112 的信号接收部分上以允许接收信号。在天线的情况中，在不同的时间使用天线以接收从子 站和/或其它主站发射来的信号。主站模块300可以包括一种类型以上的信号传播装置 (例如，一个天线和耦合到同一主站模块的一个棱镜)。处理器308可以实施为微处理器， 该微处理器能够处理接收到的信号内容以使主站模块300利用可控制的机械结构310执行 任务。处理器308还可以生成用于发送到N个子站中的一个或多个和/或控制器116的响 应和/或命令(见图1)。由主站模块300执行的一个任务是在建筑场地内设置其位置并将该位置与虚拟 空间中它的对应位置相关联；该处理通常被称为三角测量(triangulation)，其中物体与 两个已知点的距离被用于准确设置该物体的位置。为了更准确的位置设置可以使用两个以 上的已知点。在本发明中，主站模块300还可以设置在虚拟空间中定义并且在多维空间中 (通常由检查员)识别的参考点。主站模块300被定位成使得具有到两个参考点的适当的 直接视线。主站300可以具有作为其发射器的激光-棱镜装置，该激光-棱镜装置可以将激 光束引导到第一参考点并测量到该参考点的距离。然后将该激光束引导到第二参考点并测 量到第二参考点的距离。在建筑场地处使用激光束(典型地是不可见光束)来测量距离是 公知的技术。可替换地，可以将具有可反射激光束的棱镜的子站正确地定位在每个参考点 位置处并且主站可以确定它和两个子站之间的距离。同时，可以将光学反射材料或装置和/ 或电磁信号反射材料或装置放置在多维空间内的参考点和其它点处，以允许在多维空间内 进行距离和物体和结构的测量。主站模块300然后可以将两个参考点的距离信息传送到用 于执行三角测量处理的控制器116 (见图1)以确定在多维空间内和虚拟空间内主站300关 于可识别的参考、物体和/或结构的当前位置。除了将信号发射到子站并接收来自子站的信号以外，主站模块300的各部件或整 个模块还可以由控制器116控制以在布局多维空间或进行建筑场地研究的过程期间执行 各种任务。例如，耦合到主站模块300的信号传播装置(例如，激光器、天线)可以被转动 或重新定位，或者在交通工具或可移动主站的情况下，可以使整个主站移动到新的位置并 进行新的测量。该系统的用户例如可以通过操作执行器/UID 130控制主站模块300。应该注意，可以利用例如图1中所示的主站组件执行包括进行研究、布局和验证 的本发明的方法。该主站组件包括主站模块110、信号传播主站112、控制器模块116、I/O 接口模块120、执行器/接口模块130和显示器模块126。数据存储模块106可以是主站组 件的一部分，也可以不是。B.控制器模块回到图1，控制器模块116是可以由一个或多个微处理器或微控制器实施的处理 装置。控制器模块116可以是孤立的膝上型、桌上型计算机、大型计算机或相互连接的计算 机的网络。控制器模块116可以与主站模块110放置在一起，也可以放置在与主站模块110 相对远的距离。控制器模块116可以访问在其中存储虚拟信息的数据存储模块106。控制
12器模块116能够在建筑场地的布局、研究或验证期间或之前访问一些或全部虚拟信息。可以由用于控制一个或多个控制器的一个或多个软件程序实施的本发明的方法 被存储在控制器模块116的存储器部分中。控制器模块116可以由此执行本发明的方法的 任意一个或多个步骤以及控制主站、子站所需的所有步骤，并且实时地生成多维空间和虚 拟空间的图形表示。更重要地，控制器模块116可以执行本发明的方法的一个或多个步骤， 以对建筑场地进行自动研究、自动布局和自动验证。控制器模块116可以控制一个或多个 主站以执行三角测量技术。此外，控制器模块116可以使一个或多个主站模块控制一个或 多个子站以在多维空间中进行三角测量、距离测量以及物体和结构的测量。控制器模块116 由此直接控制主站模块并间接控制子站(经由主站模块)以测量距离、水平和垂直角度以 及可识别的物体和/或结构的维数。此外，控制器模块116可以生成虚拟空间和/或多维 空间的图形表示并在显示器126上以2D或3D显示这些空间。当同时示出虚拟空间和多维 空间时，其中一个可以被显示为覆盖在另一个上。应该注意，控制器模块116可以进行各种 映射操作以允许本发明的系统在按照本发明的方法进行研究和/或布局期间实时地自动 生成多维空间的图形表示。控制器模块116基于驻留在其中的系统软件指导各种任务的执 行。系统软件该系统软件是计算机辅助设计(CAD)软件系统，为了易于在建造和建筑市场内使 用，而建立图形用户界面(GUI)。该软件适合于迅速进行特殊的定位、导航、读取和写入建筑 任务。该系统软件模仿在汽车或其它交通工具导航中用于导航的GPS(全球定位系统)系 统的样式和感觉。例如在代表在建的建筑物的工地制图内引导用户。结合主站模块、子站 使用该软件以实时地以适当的格式(例如，2D或3D CAD制图)创建维数上正确的现有建筑 条件的竣工研究(as-built study)。该系统软件可以位于手持计算机、膝上型计算机、平板计算机或桌上型计算机内 或者位于能够与主站模块和/或子站通信(发送命令或接收遥测)的其它计算机内。该系 统软件由此可以起到距离测量、导航和文档控制软件的作用。该系统软件将命令发送到主 站模块并且接收从主站模块返回的遥测。该系统软件将命令发送到主站模块固件，告诉它 按命令执行特定的任务(例如，转动到指定的方向上或者向上或向下移动到特定的角度位 置，打开或关闭可见激光指示器、测量距离或角度等等)。主站模块通过执行所请求的功能 并且然后将实行或测量遥测发送回系统软件来作出响应。参见下面列出的功能。控制器116中的软件能够使控制器模块控制主站组件的各种机构以进行与执行 研究、布局和/或验证有关的任务。该系统软件的一些特征如下-位置控制和缩放控制被“幻像化(ghosted)”(在制图上并且有点透明或半透明 地显示)。-在所显示的制图内通过图形选择位置。-在计算机显示器(例如，显示器126)上显示测量点的视觉参考和将激光束发射 到目标的棱镜的位置。-通过软件跟踪例如棱镜的发射器；当棱镜移动时，在显示器上示出其新位置。-关于多维空间和虚拟空间的图形表示显示目标棱镜(在参考点处使用的子站) 位置。
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_在布局处理期间通过一系列选定的点路由用户。-可以按英尺和英寸显示测量。-多棱镜偏移功能-自动标志识别(标志是多维空间内特别标识出的结构或物体)。-用户的定位；在屏幕上显示“你在这里”。_(使用不可见的激光束)连续监视主站和一个或多个子站的位置的跟踪模式；以 xyz坐标表示位置。在布局期间使用可见激光束；以xyz坐标显示位置。-通过激光在空间中跟踪执行器/UID装置(例如，鼠标、键盘、3D鼠标、操纵杆、触 摸板、触笔、数字转换器、陀螺仪)的位置并且允许用户使激光指向期望的位置；这被称为 主动激光指示模式。-一旦选择了空间中的目标(例如，参考点)或点时，在屏幕显示器126上显示从 当前位置“到目标的距离”。-在无反射镜(reflectorless)模式和棱镜跟踪模式之间无缝转换-在棱镜跟踪模式下发射可见激光_可以访问备用制图或制图层。-电力(power)搜索功能主站遵循程序主动搜索棱镜位置。-子站的自动检测和定位。_完整制图全貌被“幻像化”(在另一个制图上并且有点透明或半透明地显示)；这 代表主站、子站、棱镜(在不同点处)关于整个多维空间的位置。-基于控制点和固定的参考站将CAD工程制图给建筑场地参考。该行为可以手动 完成，也可以通过软件自动完成。-当你接近目标时，图形放大以提供更多细节和更高精度。-在从一个位置改变到另一个位置时该软件提供精确的xyz坐标。-创建文档，该文档代表什么工作已经完成，什么已经被布局，记录或者改变，具有 用于质量控制和归档目的的时间、日期和用户戳记。该文件是可交付使用的。-记录包括控制点位置的图像的控制坐标测量信息，或者将其与每个文档内的特 定文件和层相关联。-记录建筑空间的图像或视频并将其与特定坐标相关联的能力。-使用从任意主站、子站、车载站、车载主站、固定参考站或移动式站接收到的视频 输入将装置准确地对准到目标上而不必站在该装置处的能力。对可以在主站模块中使用的任意一个或多个发动机进行主站模块马达移动的精 确控制。C. I/O 接 口模块输入/输出接口模块120是典型地连接到用户接口装置(UID)以接收来自该装置 的信号并适当地转换该信号用于处理然后将该转换后的信号传送到例如微处理器或微控 制器的处理单元的装置。反过来，由I/O接口模块120接收从微处理器到一个或多个UID 的信号并转换该信号用于UID使用。例如，由发送要由显示器126显示的信号的控制器116 处理图形表示。该信号在到达显示器126之前由I/O接口模块120进行适当转换，使得它
14们可以被显示器126适当地处理。I/O接口模块120典型地作为用于允许计算机或计算系 统的处理部分与人或用户操作的装置适当地相互作用的装置。D.执行器/UID樽块执行器/UID (用户接口装置)130代表一个或多个用户可操作的装置，该装置用于 与计算机或计算系统的核心处理器通信以发送命令、响应和其他以操作计算机系统或计算 机。执行器的例子包括但不限于键盘、鼠标、空间或3D鼠标、触笔、触摸板、滚动球和操纵 杆。E.显示樽块显示器模块126可以是任意的一个或多个公知的显示装置，如CRT(阴极射线管) 监视器、液晶显示器(LCD显示器)、等离子体显示器或者用于显示视频、图形、文本以及可 被视觉上显示的任何其它类型信息的显示器的类型。F.数据存储樽块数据存储模块106可以是使用任意类型的公知存储介质以任意公知的格式存储 数字、模拟形式信息的任意存储空间。该模块可以使用磁介质、光学介质、半导体介质或者 它们的任意组合存储信息。G.主站组件(1)图 1A图1A中所示的主站组件是可以根据本发明的方法操作的本发明的系统的一个特 定实施例。该主站组件包括主站模块30、膝上型计算机18和这里被分别示出为操纵杆(26) 和键盘(30)的执行器/UID 26和30。天线22被示出为无线调制解调器(未示出)的部 分，其可用于例如经由因特网访问存储在位于远程的数据存储模块(未示出)中的虚拟信 息(例如，多维空间的建筑师制图)。可替换地，该数据存储模块可以是膝上型计算机的存 储器(未示出)的部分。仍然参照图1A，该主站组件可以执行本发明的方法的任意的和全部的步骤，以实 现对建筑场地的自动研究、布局和验证。主站模块30具有转动和/或旋转的激光器2，用于 将可见或不可见的激光束引向物体、参考点、基准、标志或多维空间中其它限定的点。优选 地，在布局处理期间生成可见光束，并且在研究处理期间引导不可见光束。传感器8被适当 定位在模块壳(housing) 4上，以接收和/或检测从多维空间内的物体或结构反射的光束。 观测仪器(scope)6用于测量多维空间内的垂直和/或水平角度。自调平机构10用于适当 地调平该模块；激光器14被示出为引导激光束16，用于调平该模块或使该模块垂直。模块 壳4安装在三角架12上。模块壳4内是可以通过操纵杆26的操作结合驻留在膝上型计算 机18的控制器中的软件进行控制的各种可控机械机构和装置(未示出)。膝上型计算机18包括I/O接口模块、控制器模块和数据存储模块，它们在图1A中 都没有示出。因此，利用存储在数据存储模块中的虚拟信息和安装在膝上型计算机18的控 制器模块中的、根据本发明的方法的软件，图1A中所示的主站组件可以进行建筑场地的自 动研究、布局和验证。根据建筑场地的具体物理特征，可以使用例如子站的附加部件以进行 建筑场地的自动研究、布局和验证。(2)图 1B图1B中所示的主站组件是下文中关于图37讨论的主站组件(车载主站)，其中该
15主站模块可以由本发明的用户(即，ARTE工作者或建筑导航员或者在这两个行业中熟练的 人员)直接控制。图1B中所示的主站组件还可以自主操作。该主站组件可以进行在建筑 场地(即，多维空间)处使用的部件的制造和/或组装并且还使用制造和组装的部件和其 它部件进行在该场地的建设。ARTE工作者可以将程序从膝上型计算机无线下载到主站处理 器以允许主站组件自主操作(根据下载的程序中的指令)而没有ARTE工作者和/或建筑 导航员的任何直接控制。自主操作是指系统设备的一个或多个部分不在用户的控制下操作 和进行一个或多个任务；该设备可以根据下载在其中的软件程序进行操作。如图所示，该主 站具有天线382和相关电子器件(未示出)以接收来自膝上型计算机18的信号，从而允许 膝上计算机将程序下载到主站模块。该膝上计算机具有键盘30、显示器28和天线22，天线 22可以耦合到内部通信设备(未示出)以经由通信链路20A生成信号。主站模块包括工具 箱380、主站壳378，在主站壳378的顶部上安装有水平旋转激光器376和水平旋转激光器 375。柱(pole) 375从主站壳378的顶部伸出，其中所述柱375附着到其末端的棱镜372和 激光指示器370。主站模块384还包括机器人臂386，在机器人臂386的末端是激光指示器 390和棱镜388。除了膝上计算机及其部件以外，所有上述部件都安装在交通工具384的顶 部上，该交通工具也可以由操作膝上计算机18的用户进行控制或者通过膝上计算机18执 行与本发明的方法一致的程序来自主控制。H.子站参照图2，示出了可以成为本发明的系统的一部分以执行本发明的方法的子站的 框图。子站200包括接收器204、发射器206、处理器208、可控制的机械结构210和信号传 播装置202。传播装置202耦合到发射器206和接收器204 二者，发射器206和接收器204 二者耦合到处理器208，处理器208耦合到机械结构210。信号传播装置202接收来自主站 的信号(例如，无线电信号、激光束)，并且所述信号被传送到处理器208进行处理。传播装 置202还可以将信号发送到主站或其它子站。该信号可以包含一个或多个命令，该命令由 处理器208处理以控制机械机构210执行任务。子站200可以由不同的模块构成以创建不 同类型的子站。例如，可以是没有处理器和发射器的子站，该子站用于在研究或布局程序期 间简单地反射来自一个或多个主站的激光束。I.主站模块、主站组件、子站以及它们的部件的各种例子1.调平通信激光器调平通信激光器包括可以安装在主站模块顶上的脉冲调制旋转激光器机构(见 图4A和图4B)。该装置提供可见的水平和垂直参考激光线。该装置能够读取打印在其视线 内的物体上的条形码信息。此外，这些激光器是脉冲调制的并且能够将数据发送到可以接 收所发送的信息的装置。传感器也在适当的位置，因此能够读取或接收从脉冲调制的发射器发送的信息。 该调平通信激光器可以与其它类似装配的主站、子站、车载或固定参考站通信。此外，该调 平通信激光器被机械化用于自调平。图4(A)是该装置的等角视图。示出了旋转激光器的覆盖(blanketing)效应。图 4(B)是该装置的前平面图。示出了水平和垂直旋转激光器21在机器人主站11上的定位。 覆盖效应是产生从主站11的顶部发出的激光的水平水平面和垂直面。2.仪器高度测距计(distance meter)
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参照图5，仪器高度测距计是提供经由激光距离测量装置测量从该装置到地面的 距离的方法的装置。基于手持激光器的距离测量装置具有紧凑的形式因素并且可以作为现 有技术获得。该装置将用于激光距离测量的类似紧凑电子器件合并到现有的主站壳35的 底座上，用于从地板或地面获取准确的仪器高度测量。所述电子器件包括自动调平设备45 和激光器55以及距离测量电子器件。该激光器沿着垂直轴发射可见激光束65，用于测量到 地板或地面的距离。因为图5中所示的该装置是主站，所以壳35还包括垂直和水平旋转激 光器75。激光器75可以使得能够关于它置于其中的空间(或者CAD或数字化制图)自动、 自主地确定主站的方位；这通过搜索和测量到任意数量的固定参考站或到其它主站或子站 的距离来完成。该主站安装在三角架85上。3.安装有用干远蔣瞄准(targeting)的照相机的系统该装置合并安装在主站62内、与该主站的光学器件耦合的照相机60以提供目标 的反射视图。图6A示出该装置的等角视图，而图6B示出左侧正视图。该装置允许用户通 过观看图6C中所示的计算机屏幕64上的弹出窗口远程瞄准主站。因此，用户可以与该装 置间隔非常远的距离，并且使用无线通信能够瞄准他所接近的点，然后观看屏幕64上聚焦 在他的目标上的十字准线(Cross-Hair)。4.可见激光十字准线光学器件参照图7，将激光束十字准线聚焦到目标上的光学器件被合并到主站70的光学器 件中。这帮助用户在视觉上定位目标。5. nr WMm^m (plummet) +字 t线光学器件参照图8，在主站80的底座上安装十字准线光学器件提供了从其测量主站的高度 的地面或地板上的点的更大的可见性(见图5)。用户经常希望物理上定位可能与主站间隔 很大距离的点。6.多调平激光器站图4A示出具有用于建立在调平主站中使用的水平面的单个水平旋转激光器的主 站，图9A-B示出具有两个水平旋转激光器84和86的主站81。图9A是等角视图，而图9B 是前端正视图。使用多个旋转激光器(即，一个以上)是为了自动调平。为此目的可以使 用任意期望数量的旋转激光器。具有该特征的主站将向用户发出地板或建筑场地的任何移 位的警告，并且自动校正测量偏差。7.子站在下文中将主站和棱镜之间的关系定义为“主站_子站”关系。8.主站-子站系统主站-子站系统包括主站和安装有棱镜的子站模块(典型地安装在子站顶上)。 棱镜(见图20)是与图13A、图13B和图20中所示的棱镜基本类似的多直角反射系统。该 棱镜能够根据并入该棱镜中的棱角的数量和它们在棱镜内的相对安装角度沿着若干条视 线反射回图像(或光束)。图10提供这种系统的例子。主站72观测子站的棱镜76，测量 两个装置之间的距离和角度，并自动地三角测量子站74关于工地、工地制图和主站位置的 位置。子站是为了易于搬运和在工地上移动，并且是用于查明不在主站视线内的坐标的解 决方案。每次在工地上移动子站时，重复三角测量子站位置的处理。子站位置的三角测量 处理可以是自动的主站功能(即，在没有直接命令的情况下进行)。一旦主站确定子站的位
17置，可以将命令发送到子站以执行各种工作功能。功能的例子 在CAD显示上选择位置。 选择的位置在主站的视线之外。 主站命令子站将可见激光瞄准到所选择的位置上或者将棱镜导航到该位置。因此，该系统主动监视子站的位置或者相对于子站提供给主站的坐标主动监视主 站的位置(对于不在主站的视线内的目标)。参照图11，多个子站(97、94、96、98、91、93)可以是“菊花链状”或“星形链状”。单 个主站90可以独立地使用单个或多个子站，或者许多个子站与主站协同使用。9.移动式子站参照图12，移动式子站包括简化的机动模块920，其能够测量距离和角度，并且能 够将可见激光瞄准到特定位置。伸缩杆1200安装到该装置，棱镜1120按照无线通信的方 法安装在伸缩杆1200的顶部。该移动式子站是为了易于搬运和在工地附近移动，并且是用 于查明不在主站视线内的位置的解决方案。该移动式子站一旦被重新定位就被机械化用于 自调平。该移动式子站安装在三角架上。10.移动式工具平台从站移动式工具平台子站包括多轴计算机控制的工具臂1300，在该工具臂的端部安装 有两个棱镜1302、1304。这在图13A中以等角视图示出。固定到该工具臂端部的这两个棱 镜用于帮助该工具的定向和所选工具作业的对准。该移动式工具平台子站是为了易于搬运 和在工地周围移动，并且是用于查明不在主站视线内的位置的解决方案。该移动式工具平 台子站一旦被重新定位就被机械化用于自调平。具有两个棱镜的杆用于确定该杆指向的方 向。图13B以等角视图示出在三角平台1306上安装有的三个棱镜1308、1310、1312的 类似工具。这三个棱镜优选不是共线的。他们例如可以形成三角形。移动式工具平台子站的关键部件是先前描述的调平通信激光系统并且包括安装 在子站外罩(enclosure)顶部的脉冲调制旋转激光器。该装置是为了提供可见的水平和垂 直参考激光线。该装置能够读取打印在其视线内的物体上的条形码信息。另外，这些激光 器是脉冲调制的，并且能够将数据发送到可以接收所发送的信息的装置。传感器也在适当的位置，因此能够读取或接收从脉冲调制发射器发送的信息。该 调平通信激光器与其它类似装配的主站、子站、车载或固定参考站通信。最后，该调平通信 激光器被机械化用于自调平。该移动式工具平台子站的主要工具是固定在该工具臂的端部的可见激光测距计， 该装置用于指向或测量到选定位置的距离。11.具有附接棱镜的手持计算机图14A是在显示器上方安装有棱镜1400 (例如，360°直角棱镜)的手持计算机站 1402的顶部平面示意图。图14B示出具有内置或附接的激光测距装置1404的手持计算机 1402的等角视图。映射信息显示在计算机屏幕上。该计算机典型地由用户持有。该棱镜的 功能是作为定位装置。图14C是图14A的手持装置的侧正视图。在图14C中，该计算机利 用内置的支架1406站立；图14A的视图示出前正视图。主站(或子站)按照以上所述对棱镜进行定位。一旦被定位，整个系统就获知持有计算机1402的用户(在XYZ空间中)的位 置。同时，该用户获知他自己相对于主站、子站和固定参考点的位置。现在，当用户在场地 上移动时，系统就会知道他的移动。该手持计算机可以用作导航工具，其方式与在汽车中使 用GPS系统相同。12.车载站参照图15至图18。除了存在主站模块、计算机显示器、软件和工地制图以外，本发 明的系统可以附加地包括其上安装有至少一个棱镜1502的车载机器人1500。该车载机器 人可以安装有两个棱镜，或者安装有三个或更多个不共线的棱镜。车载机器人1500是自供电的，或者是硬连线的或者插入电源的。该车载机器人的 移动和行为可以由系统软件控制，或者可以经由控制装置手动地、有线或无线控制，例如通 过鼠标、3D鼠标或空间鼠标、操纵杆、触笔、触摸板、触摸键、数字转换器、陀螺或惯性测量单 元来控制。车载机器人1500可以具有机载控制计算机和软件。该车载机器人可以具有车 轮、轨道、腿或者能够在工地的表面上盘旋，并且不必由人在物理上搬运。该车载机器人可 以由人移动。若干个电子罗盘、倾斜仪、加速计和惯性测量单元在适当的位置处以帮助导航 处理并提供方位遥测。车载机器人1500能够无线通信以接收命令并发送遥测信息。该车 载机器人装配有传感器以跟踪和遵循激光线或者指向特定的位置以进行工作并且/或者 沿着这一方向进行工作。车载机器人1500由主站在工地附进导航并且是用于执行特定工作功能的各种工 具和装置的平台。该车载机器人被主站观测并且由主站三角测量其位置。主站从工地制图 直接导航该车载站。图15A-D示出四种不同类型的车载站。这些仅仅是例子，并且可以有许多其它配 置。图15A示出具有三个或四个轮子的车载站。图15B示出使用类似坦克移动的车载机器人 1500B(具有棱镜1504)。图15C示出具有用于移动的昆虫或蜘蛛腿的车载机器人1500C(具 有棱镜1506)。这种类型的站将在工地周围行走到指定的位置。图15D示出盘旋的车载机 器人1500D(具有棱镜1508)，其在非常类似水翼的表面上移动。13.除了存在主站模块、计算机显示器和工地制图以外，本发明还包括具有棱镜和多 轴计算机控制的机器人工具臂的车载机器人；(见图35、图37和图38)。特别是在图38中， 示出了各种工具 具有切割工具3802的机器人臂； 具有打印和绘图工具3804的机器人臂； 具有铅垂可见激光指示器3806的机器人臂； 具有CMM、激光扫描器或手动指点阅读工具3808的机器人臂；以及 具有钻孔、雕刻或灼烧工具3810的机器人臂。本发明的系统的图16示出主体装置1600，主体装置1600包括定位棱镜1602并且 还包括附加到机器人臂1604的端部的双棱镜装置1606 (如图16中所示)。该图中所示的 装置还包括包含各种工具的自动工具箱1608 (见图35、图37、图38和图46A-B)，其中机器 人臂可以根据命令自安装和拆卸。图15-图18中所示的主站模块或组件适合于执行与现场机器人作业相关联的各
19种任务。14.车载主站樽块参照图17A，主站1700模块可以安装在计算机控制的可移动电子机器人交通工具 1702上。现在，该主站模块不处于固定的位置，而是移动到工地的已知位置。参照图17B， 车载主站组件1710包括计算机显示器(未示出)、存储在容器/工具箱1708中的软件和工 地制图，并且还包括车载机器人，该车载机器人具有主站模块1700、棱镜1720以及安装在 其上的配备有工具1714 (例如，双棱镜和激光指示器)的多轴计算机控制的工具臂1712。 该车载主站可以经由计算机显示器由系统软件指挥以执行特定的功能，或者它可以自主执 行工作功能，例如位置的测量和三角测量、导航和通信。车载主站的好处在于它可以被手动或远程控制，或者它可以关于它所处的空间和 工地制图执行自主的交通工具定向和导航。该车载主站系统使用主站模块的能力以观测和 跟踪棱镜的移动。该车载主站组件可以通过观测、通信、测量和三角测量固定参考站、子站和/或任 何其它主站或车载主站的位置，在移动的同时根据工地制图自主地在工地周围导航。该装 置可以被指挥或者自主地选择从它当前的位置移动到不同位置，并且一旦到那里它就可以 使用多轴计算机控制的工具臂执行各种工作功能。该多轴计算机控制器的工具臂能够自动改变工作工具以按照要求进行建造活动 或操作。工具可以从附加到车载站的多工具架或工具箱(例如，1708)直接自动交换。图18示出利用通信网络一起工作的多个装置。各种装置与机器人交通工具一起 工作以在给定的工地进行工作和导航。装置1814可以作为主站操作，而所有剩余的装置 (1800、1802、1804、1806、1808、1810和1812)作为子站操作，执行各种建设任务，例如关于 图38A至图38描述的那些任务。15.固定参考站系统固定参考站可以从提供可读取的固定参考的多个装置当中选择。固定参考站可以 是被动装置。然而，它们也可以是能够将信息发送到接收器的智能装置，或者它们可以光学 响应特定的消息。-它们被固定或安置在混凝土板中或者固定到永久的位置处。-它们被安装在可寻址并且可识别的已知位置处的标志中。-标志允许自动和自主装置关于这些装置所处的空间或者关于CAD制图定向。主站模块或组件可以用来识别参考站(即，子站的类型)的方法尤其是电磁(例 如，光、色光、红外线、RFID、X射线、条形码等)、超声波、数字罗盘、控制论信息理论和编码 fn息o固定参考子站系统的目的是为关于自动、自主装置所处的空间或根据CAD或数字 化制图为自动、自主装置定向和导航提供固定参考点。这些装置通过连续搜索、测量和重新 测量与位于同一空间中的任意数量的其它固定参考子站的距离来完成。最终目的是实现更 高的测量精度并且根据CAD制图自主地或通过远程控制的交通工具、类人型机器人、机器 人或者其它机器人或机器人交通工具、工具或者室内或室外的系统进行导航。固定参考站系统包括至少一个主站和至少2个“标志”。最简单形式的标志(另一 类型的子站)本质上由作为永久或临时安装在工地中的被动反射器或棱镜的装置组成。标
20志的目的在于提供理想的参考，主站模块或组件、子站或其它装置可以根据该理想参考从 视线内的任何地方测量和三角测量其位置。标志为在其所处的空间内并且关于CAD制图或 数字化制图的自动或自主主站定向提供机会。主站模块或组件放置在工地内；两个标志安装在该空间内。这些标志的位置是已 知的并且还在CAD或数字化制图中标识出。主站观测该标志，并且能够基于角度和距离测 量来三角测量其自己相对于该标志和工地制图的位置。位置的自三角测量的处理可以是自 动的主站功能；即，当处于具有固定参考站的场地内时在没有直接命令的情况下进行。固定 参考站系统可以使交通工具、类人型机器人、机器人或者其它可移动机器人交通工具、工具 或者室内或室外系统能够根据制图自主导航。主站、子站或者车载站也可以起到标志的作 用。标志可以是可寻址的，每个具有唯一的标识。图19示出包含在具有固定参考站(标志)1904的外罩1900内的主站1902。这是
固定参考站系统的最小配置。标志可以是被动的或智能的。被动标志可以包括棱镜或反射器、打印的条形码或 图形、十字准线目标或者甚至是钉子。被动标志的例子在图20中作为棱镜2000示出，其具 有可由主站例如通过RFID(RadioFrequency Identification，射频识别)技术读取的刻印 条形码2002。参照图21A-C，智能标志具有与它们相关联的电子器件。它们还可以具有被动标志 拥有的视觉记号，图21A中示出了它们的顶视图。图21A中的标志可以代表具有可在RFID 系统中使用的特定图案(2100中的十字准线、2101中的点图案、2104中的波形图案以及 2106中的条形码图案)的被动子站，例如将信息反射(或被动传达)到主站。所述电子器 件可以嵌入在如图21B和图21C中所示的标志内。图21B和图21C中分别示出了标志2100 和2102的顶部透视图。作为关于其它类似装置或者通过与主站或子站(车载或非车载)的通信获知它们 位置的智能标志，这些装置可以相互联网，接收和发送信息或者重定向数据、光和超声波信 号。智能标志典型地包括各种电子传感器、发射器和接收器，并且在适当的位置处具有反射 器或视觉图形以便于距离测量和通信。一些预期的模式是射频、声波通信和测距、可操纵的 激光或被动激光通信。这些装置能够发送、接收和重定向任何电磁信号、数据、光或超声波 信号。16.彩饩多棱镜识别系统参照图22A-B，示出了多棱镜组件和识别系统，其中每个棱镜可以起到单独标志的 作用。这通过使用红外光以及颜色识别来完成。在图22B中，有多个棱镜，其中每个棱镜起 到单独标志的作用。每个棱镜返回不同颜色的光。在图22A中，红外频闪观测器2204安装 在主站2200的顶部上。彩色(XD(电荷耦合装置)芯片2206安装在该主站的接收器中。在 图22B中，红外频闪观测器闪烁，并且红外光从各种彩色棱镜2208、2210、2212、2214、2216 和2218反射回来。光束2202A和2202B朝向多个棱镜散开，使得可以同时识别视野中的多 个棱镜。该彩色棱镜识别系统能够提供快速的多棱镜识别和单独的棱镜识别。当与现有主 站-棱镜关系相比较时，该彩色多棱镜识别系统包括三个独特的功能特征 每个单独棱镜由不同颜色的二色性玻璃构成。
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目前在主站模块中的适当位置处的黑白(XD照相机芯片使用展宽光束红外激 光器作为利用彩色CCD芯片2206快速搜索主站模块视野内的棱镜的方法。用彩色CCD芯 片替代黑白照相机芯片将使得主站模块能够区分颜色，从而使得每个棱镜可单独识别或寻 址。目前在扇形通过中使用红外激光以搜索主站模块的视野内的棱镜；该方法每次仅可以 识别一个棱镜。 可以使用红外频闪观测器2204或闪光灯作为同时识别主站视野内的多个棱镜 的数量和位置的手段。参照图22B，在主站的视野内有六个棱镜。该主站发射红外频闪光。基于棱镜的唯 一颜色立即获知每个棱镜的位置。17.旋转主站-旋转子站图23A-B示出组合的具有旋转激光的主站2302和具有旋转激光的子站2304的使 用。下面描述这种组合的优点和功能。该系统是为了作为测量距离和在工地附近导航的手 段独立于主站模块使用或者代替主站模块使用。旋转主站可以将XYZ坐标测量和位置三角 测量数据提供给无线计算机主站，用于根据CAD制图或数字化制图在工地上导航和测量。参照图23A，旋转主站2302是读取器和测量装置，包括两个测距激光器2302A、 2302B和两个棱镜观测激光器2302C、2303D (见顶视图2300)，所有这些都安装在装置外罩 的上部内。装置的该元件能够读取打印在其视线内的物体上的条形码信息。四个脉冲调 制的激光发射器2302E、2302F、2302G、2302H和四个激光数据接收器传感器2302I、2303J、 2303K、2302L的布置安装在该装置的底部内(见底视图2350)。这些激光器能够将数据发 送到可以接收所发送的信息的装置。该传感器能够读取或接收从脉冲调制的发射器发送的 信息。旋转主站2302可以与其它类似装配的主站或子站或固定参考通信。该旋转主站机 构可以适用于自调平。旋转子站2304具有安装在设备外罩的上部中的360度直角棱镜2306。四个脉冲调 制的激光发射器和四个激光数据接收器传感器的布置安装在该装置的底部内(未示出)。 该旋转子站的机构可以适用于自调平。旋转主站2302和旋转子站2304通过它们的脉冲调制激光器和接收器传感器相互 通信。它们交换识别信息、遥测信息和命令。图23A示出具有棱镜发射器和接收器阵列的连续旋转主站的结构。该系统代替 机器人主站模块。通过调整目前可获得的旋转激光器水平，该装置可以将X、Y、Z坐标测 量和位置三角测量提供给无线计算机装置，用于根据CAD制图在建筑场地上进行导航和测 量。读取器、测量器包括在顶部排列的两个棱镜观测激光束2302A、2302B和两个测距激光 束2302C、2302D。读取器、写入器包括在每个装置的底部上的四个数据传送激光器2302E、 2302F、2302G、2302H，四个激光数据接收传感器2302I、2302J、2302K、2302L。该站具有以下 特征a.自调平可见激光器；b.能够通过激光束发送数据；c.能够通过激光束接收数据；d.能够测量到多个棱镜的距离；e.能够基于返回的信号区分棱镜；以及，
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f.能够无线发送信息。图23B示出旋转主站的基本功能。假定在设置期间建立每个装置的高度，并且由此获知a.主站2302观测棱镜2306 ；b.主站2302测量到棱镜2306的距离；c.主站2302从子站2304请求单元ID ；d.子站2304用单元ID响应；以及e.主站2302将子站2304的X、Y、Z坐标提供给子站。18.照像环境津樽器(modeler)参照图24A-C，照像环境建模器2450包括四个测距激光器2452、2454、2456、2458， 四个数字照相机芯片2460、2462、2464、2466，四个频闪观测器2466、2468、2470、2472以及 中央目镜2474，所有这些都安装在同一壳2476内。图24A是用于该装置的四镜头照相机的 等角视图。每个镜头同时曝光全部四个照片，并且提供由四个单独的图像2478、2480、2482、 2484构成的文件(见图24B和图24C)，每个图像与四个距离测量相关联(见图24B)。该 文件包含来自四个激光器的遥测数据以及四个图像(例如，JPEG、TIFF或者其它方便的格 式)。该系统的目的是利用准确的测量数据和相关联的图像非常快速地生成内部空间的三 维模型。目前存在可以商业上获得的软件，人们可以通过该软件拍摄两个或更多个照片，并 通过识别三个或更多个公共参考点，计算机可以光学上将这些照片合并或拼合在一起，同 时修正光学失真。这种软件通常用于从多个图像创建全景图像。目前还具有可获得的用于 3D图形产生的程序，其中在项目上放置标记点以用于建模。这些程序有助于三维模型的建 立。本发明使用与装置具有已知距离的四个已知“点”。这些点出现在所拍摄的所有照 片上，并且通过结合这两种图像处理软件方法，可以生成空间的三维模型。19.信标靶标(beacon drone)三角测量系统参照图25A-B。信标靶标三角测量系统包括三个信标靶标站和至少一个位置感测 接收器杆2504(见图25B)。注意，图25A中仅示出两个信标靶标站。信标靶标站(例如， 2500,2502)包括脉冲调制的水平旋转可见自调平激光器(例如，2518，2520)，它被分配唯 一的电子标识。该装置在其激光束内、在分配给它发送的每个递增角度处发送激光角度数 据和装置标识数据。每个信标靶标站安装在可垂直调节的伸缩三角架上。图25A示出相互 通信的两个信标标靶站。接收器杆(见图25B)是具有多个光电传感器(例如，2522、2524、2526、2528)围 绕杆2504定位的装置，所述多个光学传感器由机械遮蔽百叶窗板2506、2508、2510、2512、 2514、2516分开。这些传感器在信标靶标发送它们的角度和标识数据的同一平面上接收光。 图25B是接收器杆的传感器端的等角视图。该装置还包括导航计算机(未示出)，该导航计算机从每个传感器区接收遥测 并使用该数据三角测量位置。该导航计算机可以附接到接收器杆，也可以独立于接收器 杆。该接收器杆可以具有有限导航计算机和内置的或者在独立于手持导航计算机的在板 (on-board)按钮控制。为了实现三角测量，用户需要从至少两个信标靶标捕获遥测。为了 解决任何视线问题，至少两个信标靶标必须从用户的位置是可见的。为了实现三角测量可
23以遵循以下程序。20.设置稈序 在工地内放置靶标。 接通第一靶标，并上升到最小障碍物的高度。 在新的场地以类似的方式设置下一个信标靶标。固定在与第一靶标相同的高度 (通过视觉机械标记或者通过定位传感器)。要求对准。 按照上述步骤的程序设置附加的信标靶标。 为了操作需要总共至少两个信标靶标。21.接收器杆系统的校准 为了相对于它们自己校准信标靶标需要距离已知的两个点 需要在工地的相关联的制图中示出的两个在工地建立的点，确定多个平面信标 靶标的方向并将它们映射到工地制图。22.方向定向为了在工地附近导航，在使用接收器杆之前需要绘出用户想要的目标和路径。该 信息被下载到接收器杆并存储在接收器杆内。接收器杆还包括用于由靶标站启动测量的测 量命令按钮(未示出)和用于在用户准备前进到下一个位置时按下的复位按钮(未示出)。23.使用目标点的三角测量系统的使用 在工地制图内选择需要的位置。 如果导航计算机独立于接收器杆，则将路径下载到接收器杆。 在工地内移动接收器杆并按下测量命令按钮以获取接收器杆的当前位置。 一旦用户成功到达并标记第一目标，则按下复位按钮以开始过渡到下一个目 标。24. H有非移云力部件的云力量测W■装I1参照图26A-D，示出了用于利用非移动部件测量行进的距离和方向的系统。该装 置的最终目标是测量行进的距离和行进的速率并确定位置。使用加速计2602、2604(公知 的用于测量物体速度的装置)，在任意给定的方向上具有最大加速度的加速计表示行进的 方向和行进速率。两个可变电容加速计2602、2604被放置在具有中心枢轴点2606的结构 2600的每个端。图26A-D示出该系统的使用。装置2600是距离测量和位置三角测量设备，其独立于其它现场解决方案运行。构 成该技术的电子器件可以安装于或固定到任何手持计算机、PC、移动电话或通信系统、任何 现有的导航系统或装置以及任何已知类型的陆海空交通工具。这两个加速计必须相互平行并且以已知的距离附接到结构2600 (例如，杆、棍)。 加速计可以只读取向前和向后移动，并且它们只在单个平面中运行。通过将两个这样的加 速计固定到结构上并且将它们定向为平行于该结构的切线，好像该结构是圆的直径，如果 设备在这两个加速计能够测量的平面上向前移动，则人们可以比较每个加速计的加速度差 动并推断转动交换的部分。为了测量其它平面，需要每个上面安装两个加速计的多个棍。每 个加速计定向在不同平面(轴)上的成对加速计单元的集合包括能够提供X、Y、Z转动和线 性加速度测量的加速计组。25.手持仪器摇摄(Dan)和倾斜台架(gantry)激光器或声波测距计
图27A代表装置2700的前端正视图，而图27B代表该装置的左侧正视图。这是用 于电子测距装置的机动的和远程控制的平转和倾斜底座。台架的移动可以由系统软件控制 或者由计算机的操纵杆、鼠标、触摸板、键、触笔、数字转换器、陀螺议或惯性测量单元的输 入来控制。所示出的照相机底座是机动化的并且远程控制的平转和倾斜底座。它还可以起 到非机动化的手动夹具(jig)的作用。它提供精确读取距离、条形码或图形的能力和精确 指向特定位置的能力。装置2700可以是主站或子站。
26.自动调平旋转激光器图28A是该装置的等角视图，而图28B是该装置的前端正视图。自动调平是基于 固定参考站。当水平仪(level) 2800旋转时，它读取固定参考站，并且主站相对于固定参考 站自动调平。图28B中所示的装置2800可以是具有两个直角棱镜(见图20) 2806和2808、 垂直转动激光器2804和水平转动激光器2802的主站。27.自调平旋转激光跟踪器图29示出具有安装在其下部的转动激光器2910的主站2900。该转动激光器读 取条形码或者任何电子或机械信号。该旋转激光器可以确定到目标的距离，并且如果检测 到变化，该系统可以启动警报。激光束2902投射到转动镜2904上，转动镜2904与垂直和 水平平面都成45度。因此，该装置发射水平转动激光束。转动速度由步进电机2906决定。 三个玻璃支柱2908A、2908B、2908C用于在主站模块和步进电机组件之间提供透明间隙。28.具有固定激光指示器的站图30B是图30A中所示的、安装在站2900上的平台2910的顶部平面图，其具有四 个固定激光指示器2912、2914、2916、2918。四个激光束(未示出)可以对准或瞄准固定参 考站或控制点。当参考点移动到控制测量参数之外时，该装置可以启动警报。该激光器可 以是测距装置中的部件。它们不仅瞄准控制点而且它们连续测量控制点，如果当测量超过 允许限度时报警。这样确保了所进行的所有布局和测量的准确性。每个激光器可以被独立 转向或者与目标精确对准。29.机器人建筑安全站图31中所示的该站在工地周围驱动，将进行中的工作归档并且尽可能地收集个 人数据。该系统能够使用生物特征或钥匙卡ID验证个人身份。生物特征识别可以包括现有 技术的装置，尤其是ID读取器、视频监视、手纹或指纹读取器以及眼睛或面部识别。此外， 该站可以点名以明了特定工人工作的时间。该系统包括具有包括棱镜3104的测量装置3106的车载机器人3100和车上的集 成智能基于事件的监视系统3102。该装置能够访问远程数据库以将所采集的数据与建筑场 地记录进行比较。该站在站点附近自主导航，或者它可以受主站指挥。30. 360° 照相机站图32A是360°照相机站3200的等角视图。这是用于在计划的办公楼或公寓楼 的建设完成时为了观看人们从特殊的有利位置看到的景物而提供来自精确高度的视频和 静态图片的系统。单元3200包括附接到照相机(视频或静态)3206的抛物面镜3202和镜 头3204。该单元还包括GPS、稳定用的陀螺仪(未示出)和确定高度用的具有加速计的陀 螺仪(未示出)。图32B示出安装在伸缩杆3208顶上的照相机站3200，而图32C示出从起重机3210
25悬挂下来的照相机站3200。31.扭曲津筑物传感器高建筑物处于不停的运动中。它们在风中摇摆并且扭曲。因此，建筑场地处于持 续的变形状态。如果主站将激光束瞄准不是固定的并且可以随时间移动的特定点，则得到 的测量将是不准确的。当前系统形成非常准确和精确的布置。为了保持准确度和精确度， 主站和子站获知每个参考在三维空间中的精确位置是很重要的。通过安装用于测量建筑物或结构的姿态和运动的传感器系统(其中一个传感器 被标识为传感器3300)解决该问题。图33中示出这种运动。然后使用该运动数据以在建设 过程中保持系统软件内的准确度。该传感器系统包括加速计、陀螺仪和连同软件一起的微 分GPS测量以使用遥测并且基于预设的容限启动报警，从而允许或防止主站进行测量。当 建筑物改变控制点距离测量使得只是由于建筑物的变形而进行不准确测量时，该系统防止 主站进行测量。该系统监视建筑物姿态并将该随时间的运动归档，从而产生独立交付。32.加谏计图34A和图34B示出具有加速计组3400和电子器件3404的电子测距装置。图 34A中所示的装置可以安装在运动交通工具上。作为这里公开的系统的优选实施例，该装 置安装在远程或计算机控制的机器人漫游器(rover)(未示出)上。该漫游器被远程控制， 或者自动驾驶，或者完全自主。该装置的目的是测量行进距离和行进速率以确定位置。图 34A示出特定加速计的方位，图34B示出该装置的外观。加速计组3400包括耦合到包含用 于该加速计组的适当的支持电路和机械结构的壳3404的多个圆柱形加速计3402。图34B 中所示的外壳3406可以配置成安装在该加速计组上，结果得到球形装置，圆柱形加速计从 该球形装置伸出。由此通过从每个加速计测量加速度值并计算所有加速计的结果而确定行 进距离和行进速率。图34A示出各个加速计的方位，图34B示出该装置的外观。33.移动式臂站图35示出移动式子站3500，移动式子站3500包括机械外罩或壳3514，还包括激 光器。该移动式臂站是子站而不是主站。垂直和水平光学旋转激光器3510、3512安装在壳 3514顶上。杆3518从该站的顶部伸出，在杆3518上安装有360°直角棱镜3506。从任意 方向上投射到棱镜3506上的任意光都沿着其来的相同视线反射。该站安装在三角架3518 上，三角架3518将该站保持在空间中的固定位置。可移动的机器人臂3520从站的壳3514 的侧面伸出。在该机器人臂的端部是其上安装有棱镜3524的杆。可用于测量距离并以反 射或发射的光信号的形式读取和写入信息的激光指示器3522和3528也在机器人臂3520 的端部。与激光指示器3522和3528的操作类似的激光指示器3504位于杆3508的端部。 子站3500可以从不同的激光指示器在各方向上发射激光束3502、3526、3530 a.在实际垂直方向上向下发送铅垂光束3516以确定高度；b.向上发送垂直光束3502以通过该杆被重定向，以作为可见激光指示器和电子 测距读取和写入装置。c.向上发送的垂直光束通过垂直和水平光学旋转单元被重定向；以及d.通过机器人臂将光束3526发送到机器人臂杆，以作为可见激光指示器和电子 测距读取和写入装置。主站总是知道移动式臂站在空间中的X、Y、Z位置以及机器人臂的位置和定向。主
26站可以独立地使用单个或多个子站，或者多个子站可以菊花链状相互连接在一起。34.移动式子站35. B 36示Ml移动式子站3600。i亥装置是简仆,的申,子测丨距子站，并曰节能够^■身寸 囊散疏細舰■寸珊靴胃卜.。铜P擔/丨、、■■曰.删介地維。
売3610的顶卜.安装有旋转垂首和水平激光器机构3606、3608，站的売3610安装在三角M 3612卜.。i亥■■龍■身寸終禾口■瓶i亥
送、耐釓这诵过_禾口泖_随觀_赫勒占、械、雕 距融就桃頓口i首X、Y、Z#W。i線靜力TM〒■云_工地屈_ 云力〒.日月占视』-力白如卞本示白句命军&力#。M■，地‘ h^nTPI _至"工■ (I-beam)卜.。瞧也，材占而籼立地侧料龄 ■麵，赫钟 子站可以菊花链状相互连接在一fe。就是说，子站3600可以测丨量到某㈣参考点的距离， 辭这胜诚雜■这胜綱立雜送j合械。1；聽捕■ 3602白句 杆3604安装在旋转激光器3606,3608和站的売3610卜.并H.从1；延伸。车载主站图37示出主站或子站放置在机器人漫游器的顶上，使得它是便携式的并且不需 要由人在物理上连同三角架一起搬运。在图中示出主站3700。装置3700可以操作作为与 图35中的子站基本类似的子站。除了安装在交通工具3714上的工具箱3712以外，安装 在该交通工具上的设备还包括机器人测量设备，如具有机器人臂3716的经纬仪3710，棱镜 3718和激光指示器3720和3726在该机器人臂3716的端部。可以用存储在工具箱3712中 的任何一个工具代替激光指示器3720、3726。水平激光器3708、垂直激光器3706、杆3722、 棱镜3704和激光指示器3702安装在主站(或子站)的顶上。主站(或子站)的顶部3724 可以被替换，以允许该装置作为子站或主站来操作。车载主站装置3700是全机器人主动棱 镜3718和跟踪激光器测距主站模块的组合，该跟踪激光器测距主站模块固定或加固到可 手动、远程控制的，或者可以在指定的环境内自己自主导航的车载机器人3714。这两个装置 与多轴的由计算机指挥的机器人工具臂3716结合，该多轴的由计算机指挥的机器人工具 臂371能够自动改变工作工具以实时进行建设活动。该主站的最终目的是关于它所处的空 间或者关于CAD制图对该装置进行导航和空间定向。这是通过自动搜索并连续测量和重测 量到任意数量的固定参考点、子站或任何其它固定或可移动主站的距离来完成的。该装置 可以自己移动到选定的位置，并且一旦到那里，它就可以使用各种指定的工具以执行各种 工作功能。它可以根据本身包含的计算机指令进行导航，或者可以使得成由其它固定或可 移动的主站进行导航。该主站可以标记，涂颜料，指示，灼烧，切割，焊接，钻孔，雕刻，测量或 者读取或写入，并且可以实时发送和接收遥测。为此，机器人臂上的工具是可以互换的，并 且可以从也安装在车载机器人顶上的工具箱3712获取。当然，也可以将子站(与图36中 所示的非常像)而不是主站安装在车载机器人3714的顶上。360°直角棱镜3702安装在 从主站模块头部伸出的杆3722的顶上。类似的棱镜3718也可以安装在机器人臂3716的 端部，但是这不是优选实施例所必须的。36.机器人臂工具图38A-E示出可以放置在图37的装置的机器人臂上的各种可互换的工具。在此 示出了完整的工具方案，其中该机器人具有可互换的工具并且甚至具有整个机器人臂。图
2738A示出具有切割工具的机器人臂。图38B示出具有打印或绘图工具的机器人臂。图38C 示出具有铅垂可见激光指示器的机器人臂。图38D示出具有CMM、激光扫描器或者手动点阅 读工具的机器人臂。图38E示出具有钻孔、雕刻和灼烧工具的机器人臂。37.主站/子站套件图39示出被配置成使用本发明的方法和系统的建筑物围栏。提供了本发明的系 统的套件。图39中示出该套件的所有部件。固定参考站3902、3904、3906、3908、3910、3912 和3914在图中被示出为360°直角棱镜，但是它们可以从提供可读取的固定参考的许多装 置当中选择。该固定参考站可以是被动装置。然而，它们也可以是能够将信息发送到接收 器的智能装置，或者它们可以对特定的消息进行光学响应。该固定参考可以位于各种位置 以允许主站识别多维空间内的特定点。例如，固定参考站可以固定或安置在混凝土板上或 者固定到永久位置，或者安装在已知位置处的可寻址和可识别的标志中。标志允许自动和 自主装置关于这些装置所处的空间或者CAD制图定向。主站可以用来识别参考站的方法尤 其是电磁(例如，光、色光、红外线、RFID、X射线、条形码等)、超声波、数字罗盘、控制论信息 理论和编码信息。图39示出安装在墙上的五个固定参考站(3902、3904、3906、3908和3910)、安装在 地板上的一个参考站(3914)、安装在标志3924上的一个参考站(3912)。该套件还包括根 据获得的关于固定站的信息行动的装置。这些装置是主站3926、移动式站3928、具有臂的 移动式站3922、车载站3916、具有内置电子测距的手持计算机3918和平板或膝上型计算机 3920。主站3926可以通过本身或者利用子站3916、3922和3928定位参考站。手持计算机 3918本身或者与装置3926结合也可以作为主站操作。该固定参考站系统的目的是为自动、自主装置关于它们所放置的空间、根据CAD 或数字化制图定向和导航提供固定参考点。这些装置通过连续搜索、测量和重新测量到位 于同一空间内的任意数量的固定参考站的距离对自己定向并且在该空间导航。最终目的是 实现更高的测量准确度并且根据CAD制图自主地或通过远程控制的交通工具、类人型机器 人、机器人或其它机器人或机器人交通工具、室内或室外的工具或系统进行导航。38.站传感器和发射器阵列图40是智能固定参考站和发射器阵列4000的等角视图。作为知道其位置的智能 标志，该装置能够与其它类似装置或工具联网，并且可以发送，接收并且重定向任意的电磁 信号、数据、光或超声波信号。图40中的智能固定参考站包括可用作观测和读取装置或者 条形码或图形读取器的水平旋转激光器4002。此外，图40中的固定参考站还包括动态反射 器4004、直角棱镜(未示出)、可移动棱镜(未示出)、全息光学元件或者图形装置(未示 出)以及另外的传感器接收器4006和无线通信接收器和发射器4008。最后，该智能固定参 考站包括壳4010以包含电子器件并将该装置保持在一起。39.手持计算机显示器图41是图14A、图14B和图14C的手持计算机的显示器4100的图示。CAD制图 (或地图)4102被示出用户位置的标记4104覆盖。在该标记旁边，用户当前位置的坐标(例 如，X、Y、Z坐标)在文字“你在这里”的紧下面被示出。此外，用户可以选择也出现在该屏 幕上的目标位置4106。根据来自用户的命令，该手持计算机将用户引导到目标位置(例如， 通过与汽车GPS类似的方式发出语音命令)。当用户向该目标移动或者远离该目标移动时，
28该CAD地图也移动，并且“你在这里”指示符总是示出用户在地图上的当前位置。具有屏幕 上缩放控制4108。此外，允许用户(使用层选择4110)选择地图的各层(例如，示出管道或 电力工作的4116)。该显示器还示出到所选目标的当前距离(距离选择4112)。标明参考 站的位置。还显示日期和时间4114。所有这些都是使用作为本发明的组成的软件完成的。机器人激光测距主站控制软件位于具有与主站、子站和本发明的系统的其它设备 通信(发送命令和/或接收命令)的能力的手持、膝上型、平板或桌上型计算机中。该软件 可操作地发送命令并接收从主站返回的遥测。该软件将命令发送到主站的固件，告诉主站 执行特定任务(例如，转到指定方向，上下移动到特定的角度位置，接通或断开可见激光指 示器，测量距离或角度等)。主站通过执行所请求的功能进行响应，然后将执行或遥测测量 发送回该软件。该软件具有为了在建造和建筑市场使用而建立的图形用户界面。该软件适合于快 速执行特定读取和写入建设任务。该软件模仿在汽车或其它交通工具中使用的用于导航的 GPS系统的外观和感觉。用户在代表在建的建筑物的CAD制图内导航。结合主站使用该软 件以实时地以2D或3DCAD制图创建对现有建筑的竣工研究。该软件被用于实时导航并根 据2D或3D制图布局建设工作。该软件的特征包括a.在屏幕上显示“你在这里”。b.在棱镜跟踪模式或可见激光指示模式中在屏幕上显示XYZ坐标。c.在“主动激光指示模式”或“空间3D鼠标模式”中，激光跟随或跟踪该鼠标在空 间中移动到的任何地方。d. 一旦在空间中选择了目标或点时，在屏幕上显示从当前位置“到目标的距离”。e.在无反射镜模式和棱镜跟踪模式之间无缝转换。f.在棱镜跟踪模式中发射可见激光。g.使位置控制和缩放控制“幻像化”(在制图上显示并且有点透明或半透明)。h.可以访问交替的制图或制图层。i.存在功率搜索或呼叫主站功能(主站遵循程序以主动搜索棱镜位置)。40.三角架棱镜杆图42是具有垂直指向上和下(见激光束4208、4210)的可见激光指示器4202的 安装在三角架上的棱镜杆4200的示意图。该棱镜杆还包括也可以用作激光指示器并且安 装在三角架4206上的内置电子测距装置4204。从图42明显看到，装置4200正在测量到另 一棱镜杆4212的距离。该装置4200发射铅垂激光束4210以确定其离地面的高度。装置 4200具有棱镜4205并且杆4212具有安装在其上的棱镜4207和激光指示器4214。两个棱 镜4205、4207被对准，并且测量这两个棱镜之间的距离。41.机器人主站图43示出机器人主站模块装置4300如何能够从粗糙的并且不平的地面确定其定 向和位置。为了做到这一点，该仪器使四个激光束4302、4304、4307、4308指向地面。其中 三个激光束4302、4306、4308指向三个三角架腿的底部。第四激光束4304是垂直指向下的 铅垂光束。指向三角架腿底部的三个光束确定该装置的平面方位。铅垂光束4304确定该 仪器到该平面的垂直距离。从平面上的该点知道该仪器相对于地面的精确定向和位置。
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42.线缆驱动或轨道驱动的系统图44A-D示出站如何可以悬挂在地面上方并且可以在从上面测量到固定参考或 其它装置的距离的同时穿越建筑场地。图44A和图44B示出轨道驱动系统。图44A是具有 陀螺稳定单元4402的主站模块4400，陀螺稳定单元4402与轨道底座4404 —起通过计算机 控制驱动的台架4406附接到主站模块4400 ；还参见图45。图44B示出通过轨道4416和轨 道槽4414安装主站4418的轨道。图44C和图44D分别示出线缆驱动和盘旋器驱动的用于 主站的底座4420和4422。主站4422具有稳定器4412。主站4420附接到线缆4421、4423、 4425和4427。图45示出适合于使用线缆4408和4410的线缆驱动系统的装置4400。43.棱镜杆标记系统头图46示出安装到机器人车载站的底部或者安装到机器人臂的工具，例如弹簧加 载的尖钻4600和弹簧加载的标记器或涂料棒4602。图46A示出布置在壳4600的腔内并且 通过弹簧4610接合的尖钻4604。图46B示出布置在壳4602的腔内并且通过弹簧4606接 合的标记器或涂料棒4608。这些装置将用于根据预定的指令标记表面。正常来说，棱镜杆是被手持的，因此当持有人的手晃动时，棱镜杆受到运动。已经 关于图44讨论了棱镜杆的陀螺稳定。44.粘件阻尼稳定的棱镜杆图47A-B示出图44和图45中所示的稳定装置4706的可替换的稳定装置4706。 图47A中所示的整个杆4702具有安装在杆顶部的棱镜4708，并且附接或机械耦合到图47B 中示出的用作稳定装置的隔间(compartment)4700。如图所示，杆和稳定装置安装在三角 架4710上。如图所示，在具有臂或把手4704的稳定装置4700内具有帮助悬挂杆4702的 弹簧4714、4711和4713，也可以利用类似于用于减慢门的移动而使用的粘性液阻尼棒(未 示出)来悬挂杆4702。为了有效，该阻尼棒必须被临界阻尼。在底部用重物4712来加重该 杆，使它指向地心。因此，重物4712起到铅锤的作用。45.陀螺稳定的棱镜杆图48A-B示出用于杆4800的可替换稳定机构4802，其具有稳定头4806和安装在 头4806下面的棱镜4804，它是改进的陀螺机构。图48A示出整个杆4800，而图48B示出稳 定头4806的示意图。在头4806内具有X和Y方向的陀螺仪4808和4810，并且模糊逻辑电 子处理器4812代替Z方向的陀螺仪。该装置解决了由持有该杆的用户引起的振动和不准 确。该陀螺稳定器杆是为了为棱镜生成更一致和更稳定的平台。该电子器件实时地控制陀 螺的转动速度以增加杆的稳定性。46.使用无线通信准确和精确定位和标记空间中的位置的方法(图49-图62)图49示出包括全站4902 (它是固定的机器人装置)的系统的第一实施例，该全站 4902包括三角架4904、激光测距仪(range finder) 4906、位于顶部的无线通信装置4908以 及壳4910，其包含计算机和用户接口电路和其他事物。机器人装置4902使激光器4906移 动以连续地跟踪位于杆4914上的棱镜4912，杆4914类似于检查员的杆，除了在它的顶部也 具有无线通信装置4916。全站4902获知棱镜4912的位置，并且通过杆4914和全站4902 将该位置通知给手持装置4918 (例如，膝上型计算机或其它处理器)。如果棱镜4916的位 置通信中断，则全站4902设立搜索模式程序以找到棱镜4916。一旦确认了杆4916的位置， 手持装置4918就可以使用无线技术三角测量其相对于全站和该杆的位置。全站和该杆都
30是现有技术的装置。该手持装置尽管在机械上是现有技术的，但是它加载有执行本发明的 方法的至少一些步骤并显示场地的改进了的CAD制图(平面图和正视图)以形成建筑场地 的虚拟地图的特殊软件。因此，该手持装置现在可以将其位置覆盖在虚拟地图上。通信装 置4916和4908可以是能够根据协议相互交换信息的任何类型的无线通信装置。协议是表 明如何将信息格式化、发送、接收以及由发送和/或接收信息的装置进行解释的规则集合。 该协议可以是公知的协议，或者是由本发明的系统的制造商设计的协议。处理器4914被示 出为执行AutoCAD 和与AutoCAD 相结合的TheoCAD(SM)软件、或能够执行本发 明的方法的至少一些步骤的其它图形软件的便携式处理装置。图50示出第二实施例，其中全站5000(基本上与图49中的全站4902类似)使其 由激光测距仪5004生成的激光束5002指向目标5006，通过用户5008将坐标输入到手持装 置5010来确定该目标的位置，并且将该坐标无线传送给全站5000。用户告诉手持装置它想 让激光照射到该位置，并且全站的激光束被引导到该位置。图51示出第三实施例，其中全站5100(基本上与图49中的全站4908类似)包括 激光测距仪5126、三角架5128和配套的电子器件和装置，全站5100使用具有光束5130的 激光测距仪5126定位物理上位于可移动机器人5104上的棱镜5102。该全站包括执行本 发明的方法的软件，并且该软件可以通过无线通信(即，使用通信装置5106和5108)指挥 可移动机器人5104到特定位置。可移动机器人5104是“盲的”，但是全站5100导航机器人 5104以允许该可移动机器人5104进行被指示的移动。可移动机器人5104还包括无线通信 装置5108和激光器5110。可移动机器人的激光器5110然后可以利用激光束5112照亮由 全站5100请求的任何点位置。这是有用的，因为全站是固定的，并且一些位置是全站的视 线不能到达的。图52示出第四实施例，其与图51的实施例类似，但是其中可移动机器人5104按 照本发明的方法、根据期望的图案5114通过快速移动其激光束5112在表面上投射图形覆 盖以进行自动布局。在期望向建筑工人指示哪里要放置建筑材料的情况下这是有用的。例 如，如果期望垂直放置12英寸的管，则可移动机器人激光器将在地板或水平表面上投射12 英寸直径的圆。图53还示出了第四实施例，其类似于上述图51中的实施例，其中所显示的图案 5118是三维覆盖的二维投影。图54示出第五实施例(基本上类似于图51的实施例)，其中装配有涂料工具布置 5105的可移动机器人5104被指挥到特定的位置坐标，并且它被指挥利用涂料或染料5120 标记地板。例如，可以用这种方式在地板上绘出CAD制图的整个平面图。图55示出第六实施例(基本类似于图51的实施例)，其中可移动机器人5104被 指挥到特定的位置坐标，并且它被指挥进行某些工具操作，例如用钻孔工具5122在地板中 钻孔。图56示出第七实施例，其中可移动机器人被指挥到特定的位置坐标，以进行计量 测量。该可移动机器人具有机械臂5124，该机械臂附接有计算机化的测量、指示或标记装置 5130。该图示出正在进行这种计量。图57示出如上所述的第七实施例，只是正在墙5132上进行计量。图58示出第八实施例，其中全站5800具有激光测距仪5826、无线通信装置5806
31和安装在三角架5828上的配套的其它设备和电子器件，全站5800与多个杆通信(例如， 分别具有棱镜5804、5822并分别具有无线通信装置5802、5820的5810、5824)。手持单元 5808、5816和5818在局域网(LAN)中相互通信。该图中还示出了具有手持单元5816的主 管人5814，手持单元5816不与任何杆通信，只与分别由用户5812和5826使用的其它手持 单元5808、5818通信。LAN可以具有客户-服务器协议，或者对等协议。在任何情况下，任 何手持单元的位置坐标对于每个其它手持单元都是已知的。图59-图61示出第九实施例。在该实施例中，在图59A中，不采用全站。改为连 接到计算机的两个固定激光测距仪单元5902A和5902B分别使用激光束5904和5906测量 它们离地面的垂直距离并且使用光束5914测量它们分开的距离。如图61中所示，测距仪 5902A能够与用户6104操作的处理器6102通信。图59B中示出了测距仪单元的细节。每 个测距仪具有光传感器5908、转动棱镜5910、激光器5912和通信设备(未示出)。如图60 中所示，测距仪单元编码它们自己的位置，并且它们将遥测数据发送到目标传感器6000。目 标传感器6000可以读取到每个测距仪单元5902A、5902B的距离用于三角测量以及所形成 的三角形的角度6004、6002和6006。图61示出使用具有激光器6106的杆准确测量测距仪 单元5902A的高度的替换方法，激光器6106沿着其高度安装在具有传感器6108的可移动 单元6104上，并且镜6110和6112固定在可移动单元6104的每个端。一旦传感器6108检 测到测距仪的激光束6114，就可以使用杆上的传感器阵列的已知位置测量参考以上的真实 高度。该可移动单元还可以具有通信装置(未示出)以将信息发送到由用户6104操作的 处理器6102。图62示出便携式处理器6200 (图62B示出外观)手持单元，其使用三个陀螺仪 6202,6204,6206测量其位置，每个陀螺仪具有传感器6208、6210、6212，并且该单元还使用 加速计6214。图62A示出处理器6200内的各种装置。利用RFID (射频识别)标签6216装 置、使用射频信号进行该手持单元与其它装置的通信。该便携式处理器可以用作与惯性测 量硬件和/或电子器件和/或软件结合的、使用多平台无线手持计算机、PAD、膝上型计算 机、平板计算机等的惯性导航系统的一部分，惯性导航系统包括一个或多个陀螺仪、补偿陀 螺仪偏移用的共振环和至少一个高度准确的可变电容加速计。为了初始化该单元，操作员 必须首先参考空间中的控制点。II.本发明的方法本发明的方法使得与创建基准、目标和/或提供的参考有关的处理以及与所设计 的多维空间的建设有关的其它维度控制自动化，以进行自动研究、自动布局或自动空间验 证或者这三种处理的任意组合。典型地，在建筑场地开始之前，检查员提供参考线和基准。 这些提供的参考通常是形成代表由检查员建立的x-y坐标系统的2维平面的相互垂直的2 条线(一条是χ轴另一条是y轴的垂直线)作为工匠(例如，木工、管工、电工)在建筑场 地为了定位和/或定向物体和结构而从其进行测量的线。此外，检查员还可以提供作为从 所提供的参考线测量的建筑场地内的特定点的“基准(benchmark)，，以进一步使工人能够 确定建筑场地内的物体和/或结构的定向。基准通常是从沿参考线的任何地方偏移并且被 标识在建筑场地内的现有结构(例如，柱子)上的点。因此，例如，如果2维空间的参考线 是在建筑场地的地板上描画的，那么该基准可以是从沿着这两条参考线中任一条的任何地 方测量的点，其中这样的点可以位于由沿着垂直于χ轴和y轴的ζ轴，即三维空间中的第三
32维、由参考线形成的x-y平面内。因此，基准是存在于N维空间中的参考点，其中N是等于 或大于2的整数。下面给出本发明的方法的不同处理的简要说明。在该简要说明之后给出 本发明的整个方法的更详细的说明。A.自动空间布局在本发明中为了准确布局建筑场地，可以参考设计数据(即，虚拟信息)。因此， 在本发明中，优选地，在进行自动布局之前，将虚拟信息(例如，设计制图)加载到主站中 (即，控制器模块中)；图63中的步骤6302描述了该步骤。接下来，可以在建筑场地中关于 该虚拟信息对主站定向；也就是说，主站要基于建筑场地的虚拟信息确定它在建筑场地内 的位置。为了对主站定向，主站测量至少两个分开的已知点(在建筑场地和虚拟空间中标 识出的)以三角测量它在建筑场地内的精确位置。在上面讨论的图19中描述了该三角测 量步骤。暂时参照图19，主站模块1902放置在建筑场地1900中。为了三角测量和计算它 在场地1900内的精确位置，主站模块1902相对于参考点1904测量它在建筑场地中的位 置。参考点1904关于所存储的设计制图的位置是已知的。因此，一旦确定了主站模块1902 与该参考点的距离，就将该距离与参考站1904在虚拟信息中的已知位置进行比较，并且三 角测量主站模块的位置以确定它在建筑场地中的位置；图63中的步骤6304描述了该步骤。 一旦确定了主站在建筑场地中的位置，就可以例如通过由安装在主站模块上的激光器在建 筑场地内包含的表面上投射从虚拟信息(例如，制图)定位、标记或指出所希望的基准(例 如，物体、结构或参考点的精确位置)。该步骤如图63中的步骤6306所描述。然后可以生 成代表所研究的多维空间的虚拟空间，并且在期望时可以显示该空间。B.自动空间研究在空间研究期间，本发明的方法包括以下步骤1.在要被研究的空间中对主站定向；2.测量正在被研究的空间中的基准；以及3.创建正在被研究的空间的数字呈现。在自动场地研究期间对主站定向是通过选择该建筑场地内的至少两个点作为基 准并测量它们与主站的距离来完成的；该步骤如图64中的步骤6402所示。一旦建立了该 基准并且对主站定向，就可以由主站上的激光器记录主站与关注的位置的距离；该步骤如 图64中的步骤6404所示。然后主站使用所记录的距离结合可能存在于建筑场地中的各种 物体和/或结构的测量，基于在多维空间中进行的测量实时地自动创建代表该多维空间的 虚拟空间(例如，图形表示；例如，制图或者其它类型的多维空间表示)；该步骤如图64中 的步骤6406所示。C.自动空间验证在验证空间期间，本发明的方法包括以下步骤1.确定主站在要被验证的空间中的方位；2.测量正在被验证的空间中的基准；3.比较测量的基准数据与存储的设计数据；以及4.确定测量的基准数据和存储的设计数据之间的对应程度。在自动空间验证期间，获取虚拟信息(例如，设计制图)并且如关于自动布局步骤
33所概述的，在建筑场地内对主站模块定向；这些步骤如图65中的步骤6502和6504所述。一 旦主站模块在建筑场地内被定向，就将主站和建筑场地中的选定位置之间的距离与到所存 储的主站的设计制图中的相同位置的距离进行比较。图65中的步骤6506描述了该步骤， 该步骤还可以包括多维空间(建筑场地)中的点到虚拟空间中的点的映射。在步骤6506 之后，测量的距离和从虚拟信息得到的距离之间的任何差异都被指出并且由主站显示；该 步骤如图65中的步骤6508所述。这样，主站可以验证相对于可以由设计制图代表的虚拟 空间，建筑场地被如何准确地建造。P.本发明的方法的总体描沭本发明提供一种用于自动生成多维空间的N维图形表示的系统和方法，其中N是 等于或大于2的整数。为了解释的方便和描述的清楚，将在建筑工程的语境下描述本发明 的系统和方法，在建筑工程中，结构和/或物体在多维空间中被建造、排列、定位和关于彼 此定向，在由建筑师和/或工程师或其它建筑专业人员生成的例如CAD(计算机辅助设计) 制图的制图中表示多维空间的特定物理特征。将会理解，本发明的方法和系统不局限于建 筑工程的自动研究和/或布局，还包含使用空间中已经存在的或者引入到空间中的物体和 /或结构重新排列任意多维空间。使用本发明的系统进行多维空间(例如，3D空间)的自动研究的方法包括在多维 空间内测量从系统设备到一个或多个选定的参考点的距离并且在多维空间内测量从系统 设备到各种现有物体和结构的距离。本发明的系统使用这些测量以基于由至少一部分位于 该多维空间内的系统设备进行的测量实时地自动生成该多维空间的制图(可以是数字格 式)或图形表示。一般来说，可以在多维空间中的任意两个被标识的点之间进行该测量。另外，除了实时地创建正在被研究的多维空间的图形表示以外，本发明的系统还 可以相对于正在被研究的多维空间的测量的位置实时地示出其部件之一(例如，一个目 标)的位置。当该部件固定到用户或者由该系统的用户持有时，该方法和系统因此能够显 示用户在正在被研究的空间内的位置或者在覆盖在该正在被研究的空间上的虚拟空间内 的位置以弓丨导用户通过该空间。根据本发明的方法和系统自动布局多维空间(例如，建筑场地)包括使用参考点， 例如基准和目标，以建立被指定要布置在该多维空间内的一个或多个结构和/或物体的定 位、位置和定向。典型地，用于开发多维空间的设计被保存为精确描述要建造的多维空间的 物体和/或结构之间的空间关系的一个或多个制图(例如，CAD或计算机辅助设计制图)。 当用图形描述时，该设计代表具有特定物理特征的虚拟空间。在本发明的系统的用户执行 多维空间的自动布局期间，该系统参考设计制图确定它自己在该多维空间内的定向，然后 在将设计制图中所包含的选定的物体和/或结构转换到多维空间时，指出它们的精确位 置。因此，本发明能够在多维空间内将用户引导到单个点(或者面积或者体积或者其它更 高维度的区域)，使用户能够在多维空间内进行标记，以表示要在该多维空间的边界处或边 界内建造的物体和/或结构的特定定位、定向和/或排列。在本发明的一个实施例中，用户 能够控制本发明的系统的设备，从而为设计中指定的结构和/或物体自动进行标记。本发明的系统包括多个组件，这些组件包括至少一个主站、处理器以及一个或多 个目标。本发明的系统的组件相互通信以允许该系统进行自动研究和布局多维空间。在 研究和/或布局多维空间期间，该系统可以通过显示多维空间(例如，3D图形表示)，包括
34已知的或者已经研究的物体和/或结构以及用户的当前物理位置，同时有效地在多维空间 内引导用户并且在用户进行多维空间的布局时有效地向用户表明哪里要进行标记，从而在 多维空间内引导用户。此外，本发明的系统可以显示作为对多维空间描述的覆盖的虚拟空 间。因此，当用户在多维空间内物理移动时，本发明的系统能够跟踪用户的位置并在实际和 /或虚拟空间的图形表示内实时地显示所述位置。如本说明书中将要清楚示出的，当本发明的系统设备根据本发明的方法执行完成 任务所需的一些或全部步骤时，该任务被“自动”完成。这里所讨论的各种任务的最终步骤 的一些或全部可以由该系统设备在嵌入该系统设备中的固件和/或软件的指挥下执行；由 此这些任务被自动进行。虚拟空间是可以基于描述建筑场地的设计中的边界、具体物体和/或结构、该物 体和/或结构关于彼此以及关于多维空间中指定建立的参考点的定位和定向以及所定义 的物体和/或结构的实际物理维度的信息(例如，图形和/或文本)来描述的多维空间的视 觉表示或数学表示。保存该设计的信息被称为虚拟信息。虚拟信息的一个例子是由建筑工 程的建筑师或工程师生成的一组制图(例如，2D或3D CAD (计算机辅助设计)制图)。在 下文中，术语“建筑场地”和“多维空间”将被可互换地使用。在这里使用的术语“研究”是指用户(优选为建筑导航员)使用本发明的系统根 据本发明的方法进行的处理，以在建筑场地中定位参考点和其它指定的位置(例如，标志、 基准)，测量这些指定点之间的距离，标识建筑场地内现有的结构和/或物体，测量现有的 物体和/或结构的实际物理维度并测量位于建筑场地内的现有的物体和/或结构之间的距 离，以实时地，即在进行研究时，自动生成建筑场地的表示(例如，图形-2D或3DCAD制图或 其它类型的表示)。参考点是在建筑场地内特别定义的点或位置，它们被指定作为从其开始 进行测量的点。参考点通常由设计者(例如，建筑师、工程师)在虚拟信息中标识并且通常 由多维空间的现场检查员在多维空间标记出。从研究生成的信息可以成为虚拟信息的一部 分。在这里使用的术语“布局”是指基于从设计和/或研究生成的参考点和虚拟信息 实时地自动识别建筑场地内的特定点的精确位置和/或物体和结构的位置、定向和排列的 处理。该布局处理还可以包括在被布局的多维空间内将系统的用户引导到精确位置。然后 用户可以标记该精确位置，或者本发明的用户可以使用作为本发明的系统的一部分的设备 自动标记建筑场地内的物体和结构的位置。本发明的系统和方法通过在建筑场地(S卩，多维空间)和虚拟空间之间进行映射 使用户能够执行建筑场地的研究和/或布局。映射是指在一个空间中指定已知的点并且计 算或确定在另一个空间中对应的点，其中在这两个空间之间具有适当定义的关系(例如， 数学关系)。例如，如布局期间所进行的，当本发明的方法将适当定义的关系应用于设计者 的制图内的点以确定或计算多维空间中对应点的位置时发生从虚拟空间到多维空间的映 射。如本说明书中较早讨论的并且为了便于阅读而在此重复的，在本说明书中使用的 术语“建筑场地”被理解为包含具有限定的边界的任何多维空间，在该多维空间内可以进行 物体和结构的建造以及它们关于彼此的定位和定向；建筑场地还包括在其中已经完成部分 或全部建筑的任何多维空间。因此，术语“建筑场地”和“多维空间”在下文中将被可互换
35地使用。本发明的方法使与使用例如基准、目标和/或提供的参考的参考点有关的处理自 动化以进行多维空间的自动研究或自动布局或二者。典型地，在建筑场地开时建造之前，由 检查员提供参考线和基准。这些提供的参考通常是形成代表检查员建立的χ-y坐标系统的 2维平面的相互垂直的2条线(一条是χ轴另一条是y轴的垂直线)作为工匠(例如，木 工、管工、电工)在建筑场地为了定位和/或定向物体和结构而从其进行测量的线。此外，检 查员还可以提供作为从所提供的参考线测量的建筑场地内的特定点的“基准”以进一步使 工人能够确定建筑场地内的物体和/或结构的方位。基准通常是从沿参考线的任何地方偏 移并且被标识在建筑场地内的现有结构上(例如，柱子)上的点。因此，例如，如果2维空 间的参考线是在建筑场地的地板上描画的，那么该基准可以是从沿着这两条参考线中任一 条的任何地方测量的点，该点可以位于由参考线形成的x-y平面内，可以位于沿着垂直于χ 轴和y轴的ζ轴的三维空间的第三维中。因此，基准是存在于N维空间内的参考点，其中N 是等于或大于2的整数。E.本发明的方法的具体步骤本发明的方法允许用户在多维空间内引入目标，其是在多维空间的研究和/或布 局期间要使用的附加参考点。该目标与基准不同在于它们是在遍及多维空间任意定位的装 置，该装置可以(主动或被动地)接收和发送信息到本发明的系统以建立附加参考点。例 如，目标可以是相对小的、正方形形状的、具有反射表面的扁平材料，它可以反射红外或其 它电磁信号(光、无线电信号、激光束)以允许在多维空间内建立参考点并由本发明的系统 归档。这种目标可以由本发明的系统的用户固定到多维空间内的各种表面上，以允许自动 研究和/或布局多维空间。目标的另一个例子是定位在建筑空间内的杆上的棱镜。目标可 以是固定的或移动的。主动目标可以生成并发送信号到本发明的系统的其它设备，以表明 它在多维空间内的位置。被动目标反射它从本发明的系统的其它部件或设备接收到的能 量，以表明它在多维空间内的位置。图1、图1A、图1B、图2和图3中示出了本发明的系统的各种实施例。在所示出的 系统实施例中，本发明的方法可以作为驻留在处理器装置(例如，膝上型计算机)中的软件 程序来实现。该处理器装置是软件在其上执行本发明的方法的步骤作为对该系统的各种其 它部件的命令以执行自动研究和/或布局多维空间的任何装置。在下文中被称为Theocad(SM)的系统软件可以作为允许用户生成多维空间的 图形表示的例如AutoCAD 软件的计算机辅助设计(cad)软件的一部分来实施。该 软件还具有为了便于在建造和建筑市场内使用而建立的图形用户界面(⑶I)。这样， Theocad(SM)无缝地集成到AutoCAD 内以利用这种软件的图形生成能力。应该注意， Theocad(SM)可以作为可以生成它自己的图形的单独的软件包来实施。Theocad(SM)适合 于快速执行具体的定位、导航、读取和写入建筑任务。Theocad(SM)可以位于手持计算机、膝上型计算机、平板计算机或桌上型计算机 内，或者位于具有与主站模块通信(发送信息或接收信息)能力的其它处理器中。信息可 以是由主站模块或处理器生成的命令和/或响应。该处理器可以是任何微处理器、微控制 器、微型计算机、大型计算机、桌上型计算机或者可以执行软件程序形式的指令并且具有用 于显示图形的显示器的其它处理装置。主站模块可以是可以测量布置在多维空间内的参考
36线、基准和目标的距离、角度或者位置等的任何公知装置。例如，图IA中所示的主站模块可 以是通常称为全站的装置，并且一个具体的可应用的全站例如可以是莱卡测量系统(Leica Geosystems)的1200系列型号3。莱卡1200全站能够在3秒周期内以1英寸的士3/16的 精度辨析1000英尺距离处的位置。莱卡1200系列型号3全站能够跟踪移动的棱镜并且由 此跟踪任何可移动的装置，以测量到例如棱镜的目标和其它反射目标的距离。因此该系统 软件可以起到距离测量、导航和归档控制软件的作用。该系统软件将命令发送到主站并接 收从主站返回的遥测。该系统软件发送命令到主站固件，告诉它按照命令执行指定的任务 (例如，转到指定的方向或上下移动到具体的角度位置，开启或关闭可见激光指示器，测量 距离或角度等)。该主站通过执行所请求的功能并且然后将执行或遥测测量发送回该系统 软件进行响应。应该注意，所有软件(例如，TheoCAD和AutoCAD)都可以位于处理器中，主 站中或者部分软件可以驻留在处理器和主站二者中。暂时参照图49，其示出了本发明的系统的实施例，包括主站模块4902 (被示出 为具有三角架4904的固定机器人装置)、激光测距仪4906、位于顶部的无线通信装置 4908(包括天线)以及计算机和用户接口 4910。该系统还包括处理器4918和至少一个 目标，例如棱镜4912。作为全站实施的主站模块是机器人装置，该机器人装置移动激光器 4906以连续跟踪位于杆4914上的棱镜4912，杆4914类似于检查员的杆，除了它还具有如 示出的位于其一端的无线通信装置4916。全站获知该棱镜的位置，并且主站模块4910通过 通信装置4916将该位置传送给处理器4918。通信装置4916耦合到处理器4918并且被处 理器4918使用以接收和/或发送信息到主站模块4902，主站模块4902具有它自己的通信 装置4908，通信装置4908和4916可以是能够根据协议相互交换信息的任何类型的无线通 信装置。协议是表明由发送和/或接收信息的装置如何将信息格式化、发送、接收以及解释 的规则集合。该协议可以是公知的协议，或者是由本发明的系统的制造商设计的协议。如果 棱镜的位置的通信被中断，则主站模块4902设立搜索模式程序以找到该棱镜。因为处理器 4918附接到杆4914，所以主站模块4902可以确定处理器4918在建筑场地内的位置。更具 体来说，主站模块4902能够使用公知的三角测量程序确定它在建筑场地内的位置。因此， 由于主站模块4902知道它的位置以及处理器4918的相对位置，所以主站模块4902也可以 确定处理器4918在建筑场地内的位置。因此处理器4918被示出为执行Auto CAD 和 TheoCAD(SM)软件的便携式处理装置，该装置加载有显示场地的改进CAD制图(平面图和正 视图二者)的特殊软件，以形成建筑场地的虚拟地图。所以该手持装置现在可以在虚拟地 图上覆盖其位置。在本发明的方法的第一步骤中，通信装置(主站模块子站，如目标、子站以及其它 装置)建立相互通信。以计算机程序的形式执行本发明的方法的主站模块、目标和处理器 还可以具有与它们有关的通信装置。当本发明的系统最初启动时(即，系统第一次接通)， 建立不同通信装置之间的各种通信链路。任何两个装置之间的通信链路的建立要求确认装 置处于接通并且装置可以相互通信。此外，装置之间的通信是使得它们可以正确地解释彼 此的信息。典型地，在两个装置之间使用握手程序以建立这两个装置之间的链接。因此该 链路能够根据该系统所遵循的协议有效地通信。在本发明的方法的第二步骤中，标识并定位各参考点。检查员典型地提供参考线 和基准。另外，还定位并标识在建筑场地的战略性位置定位的目标。此外，在建筑场地内关
37于参考线或基准或目标定位主站。可能存在在建筑场地没有参考线可以获得的情况。在这 种情况下，将目标用作参考点，关于该参考点定位主站。可以在多维空间的CAD制图中表示 基准和参考线，其中所述制图存储在该系统的处理器中(例如，图IA或图49中所示的作为 膝上型计算机或手持单元的一部分的处理器)，或者可以下载到该系统的处理器中。目标由 用户安装或固定到建筑场地内的各点，由此推测用户知道它们的位置。当使用莱卡1200型 号的全站作为主站时，它可以自动定位某些类型的目标，如棱镜。在本发明的方法的第三步骤中，使用莱卡1200型号的全站(例如，图49中的主 站4902)测量各参考点。具体来说，从参考点到主站的距离和参考点关于主站的(垂直 和水平)角度被测量并存储在全站中。全站将该信息发送到处理器(例如，图49中的处 理器504)。该处理器(例如，图49中的处理器504)在使用AutoCAD 作为平台的 TheoCAD(SM)的控制下能够处理所述信息，以生成至少两种特殊类型的信息，导致本发明的 方法的第四和第五步骤。应该注意，TheoCAD(SM)可以作为单独的软件使用并且使用它自 己的指令集以生成在本发明的方法的第四和第五步骤中讨论的信息。在本发明的方法的第四步骤中，TheoCAD(SM)软件通过公知的三角测量处理计算 主站在被研究的多维空间中的位置。使用至少两个参考点来确定主站的位置。驻留在该处 理器中的TheoCAD和AutoCAD软件使用至少两个参考点位置来确定主站的实际位置并在该 处理器的显示器中显示所述位置。在可以访问卫星信号的建筑场地中，本发明的方法可以 使用公知的GPS(全球定位系统)来确定主站的位置并由此确定处理器的位置。在本发明的方法的第五步骤中，当参考点被如上所述定位、标识、测量、存储和处 理时，TheoCAD和AutoCAD软件能够生成建筑场地的3维图形表示。另外，可以使用该空间 中的不是目标而是非反射表面的其它参考点来帮助生成3维图形。存储的由(不使用本发 明的系统的)工程师或建筑师单独生成的建筑场地的CAD制图可以下载到处理器，然后通 过映射操作与本发明的系统生成的建筑场地的3维图形表示对准。映射操作是指定一个空 间中的已知点并计算或确定另一个空间中的对应点，其中这两个空间之间具有适当定义的 关系(例如，数学关系)。通过将这两个空间对准，用户可以容易地看到研究的空间和由建 筑场地的建筑师单独地生成的空间之间的差别。当生成每个点时，也生成点之间的连接，这 允许本发明的系统实时地生成建筑场地的3维图形表示的。此外，可以由用户持有的并且 可以由主站跟踪的处理器的位置也可以与所生成的空间和例如由建筑师使用AutoCAD单 独生成的覆盖空间同时显示。这样，本发明的系统的使用可以使用本发明的方法操作所述 系统以导航虚拟空间并且还在实际空间中做代表虚拟空间的物体和/或结构的位置的标 记。也就是说，所述系统实时地引导该系统的用户以进行建筑场地的布局。因此本发明的方法可以按照上述步骤进行多维空间的自动研究、布局和/或自动 验证。与本发明的方法的这些各种处理有关的一些具体功能和特征，特别是与距离测量、目 标定位、目标角度测量、基准、参考点、用于建筑行业专门的测量的标准方法和技术有关的 一些具体功能和特征如下1.坐标系统-增加的对英国(0SGB-格阿36)、澳大利亚(GDA-MGA，A⑶84-AMG， AGD84-ISG, A⑶66-AMG，A⑶66-ISG)、新西兰(NZGD2000，NZGD49)、波多黎各国家平面 83 和 法国(NTF-GR3DF97A)支持。还有新的用户定义的基准面(datum)和投影方法。该基准面 定义由具有椭球和基准面移位值的查找表的赫尔默特(Helmert) 7参数基准面移位组成。
38椭球也可以由用户定义。用户定义的投影支持横向墨卡托、兰勃特正形圆锥1SP/2SP、双赤 平、斜墨卡托和斜赤平。2.大地水准面(geoid)支持-增加的对英国(0SGM02)、澳大利亚(GD A94)和加 拿大(CGG2000, HT 2.0，HT 1. 01)的大地水准面支持。3.坐标顺序_是否以北_东顺序还是以东_北顺序报告坐标的增加的选项。4.对准本地坐标_针对两点对准，增加只转动的选项，其中第一控制点用于平移 而第二控制点只用于转动。增加报告功能以报告本地化控制和GPS参考坐标。5.多重测量-可以多次测量相同的点数并且程序将对点的坐标进行平均。在接受 新的测量之前，程序报告关于该新测量如何影响平均数的统计。6.间距调节-对于GPS，具有基于GPS位置的路径计算间距的新选项。然后使用 该间距修正间隔的汽车点中低于天线的位置，存储点、车辙(Track)位置、中心线位置和高 度(elevation)差。当安装在ATV那样的交通工具上时应用该选项。7.存储点-增加针对“无高度(No Elevation) ”的转换(toggle)，以在零高度产 生点。对于GPS，具有在连续读取模式中自动开始该例程的新选项。8.监视-屏幕挑选点选项被改进以允许您在挑选点之前从不同的按钮(snap)中 选择。9. Field to Finish-增加对用户定义的特殊代码例如开始/停止和PC/PT的支 持。还增加对线路业务的分开的多个代码的支持。在存储点中，具有将线路业务加入到先 前的点的新的转换。10.中心线位置-增加使用剖面(profile)来报告切割/填充的选项。还增加使 用发光杆基于左/右偏移引导箭头的选项。11.高度差-增加使用道路设计和截面文件来定义表面的选项。这些文件包括中 心线、剖面、模板、截面、超高和模板转换。该程序从道路和截面文件计算您当前位置的设计 高度并报告切割/填充和位置/偏移。12.机器人进行的点检查-这是对已知坐标自动进行一系列的正向-反向拍摄 (shot)并生成已知坐标和通过测量计算出的坐标之间的差的报告的新命令。13. GPS设备设置-可以使用文本文件将多个命令发送到接收器。ALTUS GPS&伙 伴关系。14. Ashtech-增加用于复位RTK解决方案的功能。增加是否使接收器能够告警的 配置选项。15.内部空间(InnerSpace)-增加对内部空间技术测深仪的支持。16.莱卡GPS-增加对使用蜂窝电话进行RTK接发消息的支持。17.索佳(Sokkia)激光器-增加对索佳轮廓激光器的支持。真正的 Field-to-Finish ！18.在现场直接创建新的制图或者更新现有的制图。19.按照点的数量定点或者简单地挑选实体的端点或交叉点以监视。20.切割和填充(Cut & Fill)利用高度或沿着任意TIN或栅格地形模型自动显示 固定的点(staked point)。21.位置和偏移，立即报告沿着在卡尔森测量(Carlson Survey)中创建并加载的
39任意中心线的GPS或全站存储的点。22.无限制的第六现场GIS，大大促进了对MDB数据库表、表格或报告的直接存储。23.卡尔森菲尔德(Carlson Field) 2007，与卡尔森2007GIS模块耦合，快速成为 规划和GIS专业人员需要和要求的真正数据链。24.使用GIS Plus软件从SurvStar到AutoCAD MAP的数据捕获例程完全自动下 载，检查/编辑采集到的信息并创建或更新MDB GIS数据库表。25.全部GIS点数据被自动取出，利用特殊的角符号分层，使用卡尔森软件的 Field-to-Finish例程利用线路业务确定大小。在一个步骤中将GIS点数据都链接到数据库。26.卡尔森菲尔德2007，以AutoCAD 2007 DffG格式直接采集并存储点。尽管已经关于本发明的特定实施例详细描述了本发明，但是在不脱离本发明的精 神和范围的情况下可以在其中进行各种变化和修改，这对于本领域的技术人员来说是明显 的。因此，本发明意图覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的本发明的所有修改和变化。
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权利要求
一种系统，包括主站组件，其位于多维空间内以进行对所述多维空间的自动研究、自动布局或自动验证中的一个或多个。
2.一种对多维空间进行自动布局的方法，包括以下步骤 自动指定所述多维空间内的基准的位置。
3.一种对多维空间进行自动研究的方法，包括以下步骤基于在所述多维空间内进行的一个或多个测量自动创建所述多维空间的虚拟空间。
4.一种对多维空间进行自动验证的方法，包括以下步骤自动将所述多维空间的一个或多个基准与代表所述多维空间的对应虚拟信息进行比较。
5.一种用于提供建筑导航服务的方法，包括以下步骤培训并认证一个或多个个人以使用可以根据一个或多个指定的处理进行自动布局、自 动研究或自动认证的系统。
6.一种用于提供自主机器人任务执行服务的方法，包括以下步骤由实体培训和认证一个或多个个人以使用自主机器人任务执行设备，其中所述实体能 够设计、制造和/或提供所述设备。
全文摘要
允许用户实时进行多维空间的自动研究、布局和验证的方法和系统，其中可以经由手持单元、例如以三维、图形化显示研究，在进行自动研究和/或布局时手持单元允许系统在整个多维空间上引导和/或导航用户。
文档编号G01C22/00GK101984765SQ200880016612
公开日2011年3月9日 申请日期2008年4月8日 优先权日2007年4月9日
发明者萨姆·斯塔西斯 申请人:萨姆·斯塔西斯