形成限定第一相对参考系的网格的方法
【专利摘要】本发明涉及形成限定第一相对参考系的网格的方法。具体而言，本发明提供了一种从第一物体将多个调制线投射到空间中以形成限定第一相对参考系网格的方法(100)，方法(100)包括从第一物体将水平网格线投射空间中，该水平网格线包括具有第一定向的偏振光(102)，并从第一物体将竖直网格线投射到空间中，该竖直网格线包括具有与第一定向不同的第二定向的偏振光(104)，并调制水平网格线和竖直网格线，以分别携带第一和第二网格字(106和108)。
【专利说明】形成限定第一相对参考系的网格的方法
【背景技术】
[0001]相对导航系统对于诸如仓库或工厂环境、空中加油和空间对接中的各种应用(诸如自主车辆导航)是很有用的。在某些应用中，只需要两个物体之间的距离。在其他应用中，需要两个物体之间的距离和相对姿势(俯仰(pitch)、偏转(yaw)和侧倾(roll))两者。在这种应用中，高可靠性、低重量和低成本可为合乎需要的。
【发明内容】
[0002]在一个实施例中，本发明涉及一种从第一物体将多个调制线投射到空间中以形成限定第一相对参考系的网格的方法，该方法包括投射具有第一定向的偏振光以形成从第一物体投射到空间中的水平网格线，投射具有与第一定向不同的第二定向的偏振光以形成从第一物体投射到空间中的竖直网格线，调制水平网格线以携带由多个调制位组成的第一网格字(grid word)，以通过调制的第一网格字来识别网格内的水平网格线，并调制竖直网格线以携带与第一网格字不同的由多个调制位组成的第二网格字，以通过调制的第二网格字来识别网格内的水平网格线。
[0003]一种从第一物体将多个调制线投射到空间中以形成限定第一相对参考系的网格的方法，方法包括:投射具有第一定向的偏振光，以形成从第一物体投射到空间中的水平网格线；投射具有与第一定向不同的第二定向的偏振光，以形成从第一物体投射到空间中的竖直网格线；调制水平网格线以携带由多个调制位组成的第一网格字，以通过该调制的第一网格字来识别网格内的水平网格线；和调制竖直网格线以携带由多个调制位组成的第二网格字，以通过该调制的第二网格字来识别网格内的水平网格线。
[0004]优选地，水平网格线和竖直网格线交叉，以形成网格的一部分。
[0005]优选地，该方法还包括将额外的交叉水平和竖直网格线投射到空间中，以形成网格的额外部分。
[0006]优选地，额外的交叉水平和竖直网格线在空间中彼此物理地间隔开。
[0007]优选地，投射水平网格线和竖直网格线包括从发射单个光束的照明源投射。
[0008]优选地，该方法还包括使单个光束行进穿过射束成形器。
[0009]优选地，照明源是激光器。
[0010]优选地，投射该线还包括利用检流计来扫描光束，以形成水平和竖直网格线中的至少一个。
[0011]优选地，使单个光束偏振以利用偏振光形成水平和竖直网格线中的至少一个。
[0012]优选地,投射具有第一定向的偏振光包括投射具有第一定向的偏振光束。
[0013]优选地，具有第一定向的偏振光束从偏振射束分裂器的对角线界面反射，以形成水平网格线。
[0014]优选地,投射具有第二定向的偏振光包括投射具有第二定向的偏振光束。
[0015]优选地，具有第二定向的偏振光束行进穿过偏振射束分裂器，以形成竖直网格线。
[0016]优选地，第二字与第一字不同。
[0017]优选地，水平网格线和竖直网格线包括具有相同定向的偏振光。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]在图中:
图1是根据本发明的实施例的第一和第二物体的示意图，第一和第二物体各自具有它们自己的相对参考系，并且能够导航。
[0019]图2是流程图，其示出根据本发明的实施例的将网格投射到空间中的方法。
[0020]图3是根据本发明的实施例的网格发生器的示意图，网格发生器能够投射水平网格线和竖直网格线。
[0021]部件列表
10网格发生器
12透射场
14第一网格
16第二网格
18第一竖直线
20第二竖直线
22第一水平线
24第二水平线
26点
28第一竖直线
30第二竖直线
32第一水平线
34第二水平线
36点
38检测器模块
100方法
102投射
104投射
106调制
108调制
200网格发生器
202射束发生器
204激光器
206射束成形器(beam shaper)
208检流计(galvanometer)
210反射镜
212检流计驱动器
214偏振转子
216同步器 220偏振射束分裂器
222第一反射镜
224第二反射镜。
【具体实施方式】
[0022]图1示出第一物体或网格发生器10，其在透射场12中将网格(诸如多个交叉线)投射到空间中。如图所示，投射的网格包括交叉线。在远离网格发生器10的某距离处，这些交叉线观察为空间中的网格，其中网格的尺寸远离网格发生器10而增大。
[0023]出于描述目的，网格发生器10可被认为是基本上在所示坐标系统的y方向上投射交叉线。如果一个人将在X-Z平面中在远离网格发生器10的某距离R1处观察交叉线的投射，那么他将观察到第一网格14。如果一个人将在距离R2(其在x-z平面中大于第一距离R1)处观察相同的交叉线投射，那么他将观察到第二网格16，其显得相对大于第一网格14。
[0024]远离网格发生器10的距离R1处的第一网格14在水平方向上由第一竖直线18和第二竖直线20空间地约束。存在在第一竖直线18与第二竖直线20中间空间和时间地生成的多个竖直线。远离网格发生器10的距离R1处的第一网格14在竖直方向上由第一水平线22和第二水平线24空间地约束。在第一水平线22与第二水平线24之间空间和时间地存在多个水平线。距离R1可为第一网格14与网格发生器10之间的任何距离。出于方便起见，如图所示，该距离确定在第一网格14上的点26与网格发生器10之间。
[0025]远离网格发生器10的距离R2处的第二网格16出于全面实用目的而与第一网格14相同，但与第一网格14相比处于离网格发生器10更远距离处。第二网格16在水平方向上由第二网格16的第一竖直线28和第二网格16的第二竖直线30空间地约束。存在在第二网格16的第一竖直线28与第二网格16的第二竖直线30中间空间和时间地生成的多个竖直线。远离网格发生器10的距离R2处的第二网格16在竖直方向上由第二网格16的第一水平线32和第二网格16的第二水平线34空间地约束。在第二网格的第一水平线32与第二网格16的第二水平线34之间空间和时间地存在多个水平线。示出了第二网格16上的点36。
[0026]在投射网格线的情况下，网格14和16的相似性变得明显，其中第二网格16由形成第一网格14的相同的线形成，只是在离网格发生器10更远距离处观察到第二网格16，从而使得第二网格16显得大于第一网格14。从该意义上来说，第二网格16是由网格发生器10在距离R2处生成的网格线的外观，而第一网格14是距离Rl处的网格线的外观。
[0027]网格14和16可具有任何数量的线。如图所示，它们由十个竖直线挨着十个水平线组成。对于固定的透射场12和离网格发生器10的距离而言，与由更少数量的交叉线组成的网格相比，由更大数量的交叉线组成的网格可产生改进的检测角度分辨率。网格14和16被描绘为方形形状，但这不是本发明的方法和装置的要求。网格可以是任何形状，包括矩形、椭圆形或圆形。此外，网格14和16的交叉线被描绘为正交的；然而，这不是本发明的方法和装置的要求。在网格的不同部分中，交叉线之间的角度可为直角、锐角或钝角。
[0028]虽然所示的示例使用笛卡尔坐标，但是对于网格生成和网格检测两者，可使用任何合适的坐标系统，包括极坐标、圆柱坐标或球面坐标系统。例如，为了形成遵从极坐标表示法的网格，一系列同心圆和从那些圆的中心辐射出的线可由网格发生器投射到空间中。
[0029]第二物体或检测器模块38可位于网格发生器10的透射场12内，从而使检测器模块38能够“看见”网格。检测器模块38可以任何合适的方式构造以“看见”网格。
[0030]本发明的实施例包括从第一物体或网格发生器将多个调制线投射到空间中，以形成限定第一相对参考系的网格。根据本发明的实施例，图2示出可用于将网格投射到空间中的方法100。将懂得的是，用语“空间”并不局限于外部空间，且网格可投射到包括室内和室外的任何合适的空间中。该方法100在102处始于投射具有第一定向的偏振光以形成从第一物体投射的水平网格线。在步骤104处，具有与第一定向不同的第二定向的偏振光可投射，以形成从第一物体投射的竖直网格线。水平网格线和竖直网格线可交叉，以形成网格的一部分。
[0031 ] 当在本说明书中使用用语偏振时，它的意思是指在光波传播时由光的电场的定向限定的光偏振状态。光偏振状态可在两个定向上变化任何所需的变化度。然而，出于使用的简易性起见，可选择两个不同的定向作为正交的一对，使得可利用恰当地设计的偏振滤光器或偏振器阻挡一种偏振且仍然容许对应的正交偏振透射。
[0032]例如，线性偏振光可具有其竖直或水平地偏振的电场。因而，第一定向可为水平的且第二定向可为竖直的。因为这两个电场矢量是垂直或正交的，所以它们不可彼此干涉，并且可取决于偏振轴线的对准而由线性偏振器阻挡或透射。
[0033]在106处，水平网格线可调制成携带由多个调制位组成的第一网格字，以通过调制的网格字来识别网格内的水平网格线，并且在108处将竖直网格线调制成携带由多个调制位组成的第二网格字，以通过调制的网格字来识别网格内的水平网格线。第二网格字可与第一网格字不同。例如，通过网格字，其意味着网格的结构或特征提供可由检测器模块读取或检测的数据或信息。另外，网格字可由多个位组成，包括任意数量的起始位或停止位、数据位或误差校验位、校正位或奇偶校验位。数据位可利用唯一的位序对竖直和水平线进行编码。当由检测器模块检测这些位和由处理器、微型控制器或其他电路处理这些位时，可确定网格内的位置。任意数量的已知调制方法可用于将网格字编码至水平网格线和竖直网格线上，包括但不限于调幅(AM)、调频(FM)、正交调幅(QAM)或其组合。网格字的一种编码方式是通过调制用于形成线的射束。调制可通过以一定周期改变射束的强度和/或阻挡射束来实现。
[0034]应该懂得，形成网格的方法是灵活的，而且所示的方法100仅仅用于说明目的。例如，所描绘的步骤顺序只用于说明目的，且不意味着以任何方式限制方法100，因为应该懂得，在不脱离本发明的实施例的情况下，可以以不同的逻辑顺序来进行这些步骤，或可包含额外的或居间的步骤。例如，方法100可包括将额外的交叉水平和竖直网格线投射到空间中，以形成额外的网格部分。额外的交叉水平和竖直网格线可在空间中彼此物理地间隔开。此种额外的线也可被调制。更具体而言，当这些线中的各个跨空间扫描时，在竖直和水平扫描中的各个的期间，可利用与光位置同步的唯一的代码对光进行调制。这描述了点的二维网格，其中各个点由因顺序的水平和竖直扫描而产生的水平和竖直分量唯一地表示。交叉投射线中的各个可被不同地编码，或者一组交叉线可被相似地编码。
[0035]图3示出能够根据方法100的实施例操作的网格发生器200。可包含射束发生器202以及检流计208、检流计驱动器212、旋转偏振器或偏振转子214、同步器216、偏振射束分裂器220、第一反射镜222和第二反射镜224，射束发生器202包括激光器204和射束成形器206，检流计208具有反射镜210。虽然射束发生器202已经示为包括激光器204和射束成形器206，但是射束发生器202可包括任何合适的照明源。在所示的示例中，水平网格线和竖直网格线可从发射单个光束的照明源(诸如激光器204)投射。备选地，水平网格线和竖直网格线可从两个照明源或投射两个光束的照明源中投射。
[0036]具有反射镜210的检流计208可用于扫描来自射束发生器202的单个光束，以形成水平和竖直网格线中的至少一个。更具体而言，检流计驱动器212可移动检流计208，使得检流计208可沿着射束分裂器220的一部分扫描射束。偏振转子214是光学器件，其使线性偏振光束的偏振轴线旋转选定的角度。偏振转子214可被电子地控制，并且可插入检流计208之前或检流计208紧后的激光束路径中。偏振转子214在检流计208之前的位置可为优选的，以便在扫描时保持对偏振转子214的零度入射角，以用于最佳偏振性能。在所示的示例中，可利用同步器216控制调制、检流计扫描角、偏振控制、和用于网格发生器200的电子同步。
[0037]射束分裂器220可为偏振立方体射束分裂器，诸如渥拉斯顿棱镜(Wollastonprism)。这种射束分裂器220具有下列特性，即，直通立方体透射一个线性偏振状态，并从立方体对角线界面以90度偏转角反射正交的线性偏振状态。第一和第二反射镜222和224可用于在相同方向和相同平面中引导偏振的水平网格线和偏振的竖直网格线。
[0038]在操作期间，激光器204产生光束，其透射穿过射束成形器206，并从反射镜210反射，反射镜210由检流计208旋转。检流计208实现空间射束扫描功能。从射束发生器202发生的光可被偏振至大角度。备选地，偏振器可插入激光器204与偏振转子214之间的某处，使得光束在行进穿过偏振器时可偏振。偏振转子214通过在电子驱动信号的控制下将到偏振射束分裂器220的输入偏振沿偏振射束分裂器220的两个偏振轴线交替地对准来操作，电子驱动信号通过同步器216与检流计驱动器212和激光调制同步。
[0039]偏振射束分裂器220在从旋转的检流计208反射且穿过偏振转子214的射束的路径中。取决于来自偏振转子214的光的偏振，偏振射束分裂器220将使射束透射穿过偏振射束分裂器220，或者射束将在偏振射束分裂器220对角线界面处反射。因而，通过使光束行进穿过偏振转子214，光束可由偏振射束分裂器220交替地透射或反射，偏振转子214交替地使从检流计208至偏振射束分裂器220的光的偏振旋转，并因而形成从偏振射束分裂器220产生的交替的水平网格线和竖直网格线。
[0040]应该懂得,投射具有第一定向的偏振光可包括投射具有第一定向的偏振光束，并且投射具有第二定向的偏振光可包括投射具有第二定向的偏振光束。具有第一定向的偏振光束可从偏振射束分裂器220的对角线界面反射，以形成水平网格线，并且具有第二定向的偏振光束可行进穿过偏振射束分裂器，以形成竖直网格线。以此方式，具有第一定向的偏振光可投射，以形成从网格发生器投射到空间中的水平网格线，并且具有与第一定向不同的第二定向的偏振光可投射，以形成从网格发生器投射到空间中的竖直网格线。
[0041]取决于从偏振转子214至偏振射束分裂器220的输入对准情况，光或者透射至第一反射镜222，或者透射至第二反射镜224。第一反射镜222放置在透射穿过偏振射束分裂器220的射束路径中。所示示例中的第一反射镜222可定向成使得扫描射束从图纸页面朝观察者透射出来。从观察者的观点看，扫描运动将为竖直的。第二反射镜224放置在从偏振射束分裂器220反射的射束路径中，并且除顺时针旋转90度之外，与第一反射镜222相似地定向。第二反射镜224可定向成使得扫描射束也从图纸页面向外反射。射束具有水平的扫描运动，且射束形状也从竖直扫描射束旋转90度。因而，两个平行射束交替地产生，其中各自分别在不同方向上扫描:竖直和水平方向。对应的射束形状也彼此旋转90度。在从第一和第二反射镜222和224反射之后，形成水平网格线和竖直网格线的两个平行射束可包括具有相同定向的偏振光。
[0042]上述实施例提供各种好处，包括实施例容许在水平和竖直网格线包括具有不同定向的偏振光的情况下投射水平和竖直网格线。这可容许利用极小且紧凑的网格发生器透射这种网格线，这可容许可唯一地装配在小的空间内的更低成本的网格发生器。
[0043]本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种从第一物体(10、200)将多个调制线投射到空间中以形成限定第一相对参考系的网格(14、16)的方法(100)，所述方法包括: 投射具有第一定向的偏振光，以形成从所述第一物体投射到空间中的水平网格线(102)； 投射具有与所述第一定向不同的第二定向的偏振光，以形成从所述第一物体投射到空间中的竖直网格线(104)； 调制所述水平网格线以携带由多个调制位组成的第一网格字，以通过该调制的第一网格字来识别所述网格内的所述水平网格线(106);和 调制所述竖直网格线以携带由多个调制位组成的第二网格字，以通过该调制的第二网格字来识别所述网格内的所述水平网格线(108)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水平网格线和所述竖直网格线(22、24、32、34和18、20、28、30)交叉，以形成所述网格(14,16)的一部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将额外的交叉水平和竖直网格线(22、24、32、34和18、20、28、30)投射到空间中，以形成所述网格(14,16)的额外部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述额外的交叉水平和竖直网格线(22、24、32、34和18、20、28、30)在空间中彼此物理地间隔开。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，投射所述水平网格线和所述竖直网格线(22、24、32、34和18、20、28、30)包括从发射单个光束的照明源(204)投射。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括使所述单个光束行进穿过射束成形器(206)。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述照明源(204)是激光器。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，投射该线还包括利用检流计(208)来扫描所述光束，以形成所述水平和竖直网格线(22、24、32、34和18、20、28、30)中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使所述单个光束偏振以利用偏振光形成所述水平和竖直网格线(22、24、32、34和18、20、28、30)中的所述至少一个。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，投射具有所述第一定向的所述偏振光包括投射具有第一定向的偏振光束。
【文档编号】G01C15/00GK104048653SQ201410089437
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】J.G.罗佩斯, J.L.佩奇 申请人:通用电气航空系统有限责任公司