专利名称：用于确定工作空间中的位置的系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及便于空间定位的系统，包括工作空间或工作场地例如建筑工地或其它 地点的空间定位。例如，当建筑物内部被润饰时，需要确定各种内部特征的位置，如墙壁、窗 户以及门的适当的位置。存在必须被适当地设置的大量电的、管道和HVAC组件。进一步地， 横梁、托梁、天花板、瓷砖、架子、橱柜以及其他类似的组件必须被准确地安置。在建筑物内 部的建造开始后，各种组件相对于周围的墙壁、天花板及地板的定位必须被快速和稍微精 确地完成，如它们被草拟的。一般，需要相当数量的劳动力在建筑工地布置建筑点。已需要 几组工人来测量并标记不同的位置。将认识到，该过程易遭受来自测量错误和来自所积累 的误差的误差，当从一个中间点到另一个进行测量时，这些误差增加。大量工具已被开发以 促进该过程，尽管这些工具中的许多使用起来稍微复杂，并且需要谨慎的注意来达到期望 精确度。
背景技术：
测距无线电装置提供对用于定位应用的GPS接收机的极好的备选方案，在这些定 位应用中，GPS接收例如在建筑物内部是不可用的，或GPS接收机的使用是不可靠的。例如， 为了适当地运行，GPS接收机需要对多个卫星的视线访问。这在一些操作设置中可能是不 可能的，如当在室内、地下或在混乱的环境中进行工作时。在超宽带(UWB)频率处工作的测距无线电装置使用飞行时间分析提供对在无线 电装置之间的距离的非常准确的测量。当从多个固定位置无线电装置到目标无线电装置实 现测距时，目标无线电装置的相对三维位置通过三边测量来实现。为了进行距离测量，发端 测距无线电装置发送由前同步码和头部组成的包。头部包含被请求以响应于包的带有目的 无线电装置的地址的测距命令。发端无线电装置在这次发送时重置它的主计数器，建立本 地时间零基准。当目的测距无线电装置接收呈送给它的测距请求时，它记录接收时间，并用 它自己的包回复，包括在头部中的接收时间和响应发送时间。发端无线电装置接收从目的 无线电装置返回的测距包，记录它的接收时间并锁住它的主计数器。然后使用时间信息以 补偿在两个无线电装置上的计时时钟的差异来计算并记录距离值。使用测距无线电装置提供改进的系统以确定在工作场地上的不同位置是所期望 的。然而，困难出现，因为测距无线电装置可能并不在整个工作场地适当地工作，特别是如 果被安置成靠近金属表面或横梁，或完全或部分地从固定的基准测距无线电装置屏蔽。此 外，能够确定不容易到达的点的位置有时是合乎需要的。
发明内容
用于确定在工作空间中的所关注的点的维度坐标的系统包括位于在工作空间中 的已知位置处的多个固定位置测距无线电装置，以及配置为指示所关注的点的具有第一末 端的棒。一对测距无线电装置安装在棒上。安装在棒上的第一测距无线电装置与棒的第一 末端隔开第一距离，并且安装在棒上的第二测距无线电装置与第一测距无线电装置隔开第 二距离。响应于这对测距无线电装置的测量电路确定这对测距无线电装置中的每个相对于 多个固定位置测距无线电装置的位置。测量电路确定棒的第一末端相对于多个固定位置测 距无线电装置的位置。第一和第二距离可以是实质上相等的。棒可包括手柄部分以便于用户使用棒。多 个固定位置测距无线电装置可包括至少四个测距无线电装置。棒还可包括在第一末端的标 记元件，其用于在表面上做标记。显示器响应于测量电路，用于向用户指示棒的第一末端的 位置。测量电路可响应于用户输入以允许用户指定棒的第一末端的期望位置。系统还可包 括显示器，其响应于测量电路，用于指示将棒的第一末端移动到期望位置所需的棒的移动。用于确定在工作空间中的所关注的点的维度坐标的系统包括用于测量在工作空 间中的基准元件的位置的装置，以及配置为指示所关注的点的具有第一末端的棒。一对基 准元件安装在棒上。第一基准元件与棒的第一末端隔开第一距离，并且第二基准元件与第 一基准元件隔开第二距离。测量电路根据在工作场所中的这对基准元件的位置确定在工作 空间中的棒的第一末端的位置。第一和第二距离可以是实质上相等的。棒可包括手柄部分以便于用户使用棒。用 于测量基准元件的位置的装置可包括智能型全站仪。基准元件可包括自动反射元件。棒还 可包括在第一末端的标记元件，其用于在表面上做标记。系统还可包括显示器，其响应于测 量电路，用于向用户指示棒的第一末端的位置。测量电路响应于用户输入以允许用户指定 棒的第一末端的期望位置。系统还包括显示器，其响应于测量电路，用于指示将棒的第一末 端移动到期望位置所需的棒的移动。智能型全站仪可在两个自动反射元件之间高频振动， 以便确定两个自动反射元件的位置。
图1示出棒和安装在棒上的一对测距无线电装置的第一实施方式；图2是与四个固定位置测距无线电装置一起使用的图1的棒的简图；图3是用在系统中的电路的示意图；以及图4示出与智能型全站仪一起使用的具有回射元件的棒的第二实施方式。
具体实施例方式图1-3共同说明用于确定在工作空间中的所关注的点的三维坐标的系统的第一 实施方式。系统包括配置成指示所关注的点的具有第一末端12的棒10。第一末端12可具 有从棒10延伸的指示元件14，如在图1中所示的。棒10可进一步包括手柄部分16以便于 用户使用棒10。如将被更充分地解释的，在下面，用户通过手柄部分16握住棒10并用手安 置棒的第一末端12，以使指示元件14位于所关注的点。例如，指示元件14可接触到在地 板、墙壁或天花板上的点，以使该点的三维坐标可以被确定。
系统进一步包括多个固定位置测距无线电装置18、20、22及M(图2)，其位于在 工作空间的已知位置。这些位置可以通过任何已知的勘测或测量技术被确定。由于遍及工 作空间的所关注的点的位置相对于固定位置测距无线电装置从三边测量计算被确定，这些 固定位置测距无线电装置被广泛地散布在工作空间上以最优化精确性是优选的。给定四个 球体的中心位置和长度，三边测量是用于确定四个球面的交叉线的方法。在当前情况中，固 定位置测距无线电装置的位置限定四个球体的中心，并且从每个测距无线电装置到可移动 的测距无线电装置的距离限定每个球体的半径。当从固定的测距无线电装置到所关注的点 的距离已知时，所关注的点将必然位于在球面上的某处，该球面具有在测距无线电装置处 的中心且具有与该距离相等的半径。如果这样的距离相对于全部四个测距无线电装置被确 定，被限定的球面将在所关注的点处交叉。因此对于固定位置测距无线电装置18、20、22及 M中的每个的精确的位置确定对于系统的精确操作是重要的。一对测距无线电装置被安装在棒10上。第一测距无线电装置30与第一末端12 隔开第一距离L1，且第二测距无线电装置32与第一测距无线电30隔开第二距离L2。对图2进行参考，其中测距无线电装置30的坐标为Xp Y1及Z1，测距无线电装置 32的坐标为X2、&及Z2，且在棒10的末端12上的指示元件14的坐标为XP、Yp和测距 无线电装置30和32位于与指示元件14的公共线上，如在图1中的虚线所指示的。从对图 2的回顾来看这将是显然的，其中(X2-X1) /L2 = (X1-Xp) /L1,以及 Xp = X^(L1A2) (X1-X2)。类似地，Yp = Y1+ (IVL2) (Y1-Y2)，以及Zp = Z1+ (VL2) (Z1-Z2)。如果L1 = L2，那么这些关系甚至进一步简化为Xp = 2 - ,Yp = 2YrY2,以及Zp = H因此，如果两个测距无线电装置30和32的三维坐标被确定，指示元件14的三维 坐标也是已知的。测距无线电装置30和32的坐标通过使用固定位置测距无线电装置18、 20、22及对被确定，如下面所描述的。系统进一步包括响应于这对测距无线电装置30和32的测量电路40(图3)。电 路40使用三边测量分析确定每个测距无线电装置30和32相对于多个固定位置测距无线 电装置18、20、22及对的位置。然后电路40确定相对于多个固定位置测距无线电装置18、 20,22及M的第一末端12的三维坐标，更具体地，指示元件14的三维坐标。测量电路40 通过在42的手工输入或通过任何其它恰当的手段接收测距无线电装置18、20、22及M的 坐标。如也将在图3中提到的，输入44还被设置为输入期望位置。操作员显示器46响应 于测量电路40。图3的组件可与棒10是整体的，或可被单独地封装，且被系统的用户单独 地携带。此外，测距无线电装置30和32如在图3中所示的被直接连接到测量电路40，但可 选地可经由无线电链路或其他无线链路被连接。在使用中，固定的测距无线电装置18、20、22及M被安置在工作空间，并且它们的 三维坐标被记下并经由42提供给电路40。如所知道的，为了确保消除不定性，固定的测距无线电装置被定位成使得它们不都在同一平面中。棒10接着被操作员移动，以使指示元件 12接触所关注的点，这个点的坐标将被确定。当棒20被适当地安置时，这通过操作员即刻 关闭开关48来发信号，开关48可以是在棒10上的开关，或位于与测量电路不同的地方的 开关。在这个时刻，指示元件14的坐标-XP、Yp和&被确定并存储。附加的点的位置可以 相同的方式被获得并存储。使用系统以定位点是可能的，该点的三维坐标以前被确定。为 了完成此，期望位置在44被输入。然后当棒10移动时，操作员监控显示器46，显示器提供 指示元件14必须在哪个方向上移动和移动多少距离的指示，以便使它到达期望位置。如果 需要，指示元件14可被配置为小的线环，毡尖标记器或其他标记装置可固定到该线环。通 过该布置，棒可被移动到预定位置，且在该预定位置处的表面上标记被做出。将认识到，使用在已知位置处的但不位于公共平面中的四个固定位置测距无线电 装置允许以三边测量计算明确地确定遍及工作空间的所关注的点的位置。还将认识到，如 果只使用在已知位置处的三个固定位置测距无线电装置，产生的不定性是，所关注的点可 以在两个可能的位置的任一个处。两个可能的位置将位于平面之上和之下，该平面对于三 个固定位置测距无线电装置是公共的。如果两个可能的位置中的一个可以用某种方式消 除，那么不定性被消除且对于系统的操作只需要三个固定位置测距无线电装置。作为例子， 不定性可以通过使三个固定位置测距无线电装置位于工作场地内部的地板上来消除。所关 注的点将总是在地板水平之上，并且将因此总是在公共平面的水平之上。带有较高Z维坐 标的可能的三个三维坐标将因此总是被选择为所关注的点的位置。如果需要，系统可被配置成确定在二维空间内的所关注的点的坐标。例如，这样的 二维系统可被用于布置在建筑物的地板上的设备或结构的位置。为了实现二维布局，只需 要使用两个固定位置测距无线电装置。如上面所讨论的，带有三个固定位置测距无线电装 置的系统将提供对位置计算的不定性解决方案，因为所关注的点可以为两个位置中的任一 个，一个位置在固定位置测距无线电装置的平面下面，而另一个位置在固定位置测距无线 电装置的平面上面。由于只有两个固定位置测距无线电装置，不定性增加，所关注的位置被 发现位于圆上的某处。圆将被定向成使得它是离第一无线电装置的第一一致的距离和离第 二无线电装置的第二一致的距离，第一和第二一致的距离不一定相等。如果固定位置测距 无线电装置位于工作场地的地板上，且如果所关注的点被限制成位于地板上的某处，那么 不定性减少到在地板上的两个可能的点中的一个。此外，如果两个测距无线电装置被放置 在房间的一侧的地板上，以使两个点中的一个可以被消除，如在房间外的一样，那么不定性 被消除，并且可以实现在工作场地的地板上的二维布局。图4说明本发明的另一实施方式，其包括用于测量在棒10上的基准元件52和M 的位置的装置，如智能型全站仪50。智能型全站仪是可从Trimble Navigation Limited得 到的类型的装置，其跟踪一个或多个自动反射元件并在这样的元件的位置上提供持续的数 据流。在该实施方式中的基准元件52和M由回射反光带的小条组成，在第一实施方式中 该回射反光带的小条在如上所述相对于测距无线电装置30和32的相同的相对位置上缠绕 在棒10周围。智能型全站仪重复地将细的激光束指引到每个基准元件52和M，在元件之 间高频振动。全站仪接收反射光，并测量光束的飞行时间。从该数据中，在智能型全站仪50 内的测量电路40能够计算元件52和M的三维坐标，并且因此尖端12的位置被精确地指 定。将认识到，可使用回射立方体或其他装置来代替带条52和M。
虽然为了说明的目的已经在上面描述了特定的实施方式，但本领域的技术人员将 认识到，在这些实施方式中的许多变化可被做出。
权利要求
1.一种用于确定在工作空间中的所关注的点的维度坐标的系统，包括多个固定位置测距无线电装置，其位于在所述工作空间中的已知位置处，棒，其具有第一末端，配置为指示所关注的点，一对测距无线电装置，其安装在所述棒上，第一测距无线电装置与所述第一末端隔开 第一距离，并且第二测距无线电装置与所述第一测距无线电装置隔开第二距离，以及测量电路，其响应于所述一对测距无线电装置，用于确定所述一对测距无线电装置的 每一个相对于所述多个固定位置测距无线电装置的位置，并且用于确定所述棒的所述第一 末端相对于所述多个固定位置测距无线电装置的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一距离和第二距离是实质上相等的。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述棒还包括手柄部分以便于用户使用所述棒。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述多个固定位置测距无线电装置包括至少四个测 距无线电装置。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述棒还包括在所述第一末端处用于在表面上做标 记的标记元件。
6.如权利要求1所述的系统，还包括响应于所述测量电路用于向用户指示所述棒的所 述第一末端的位置的显示器。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述测量电路响应于用户输入以允许用户指定所述 棒的所述第一末端的期望位置，并且还包括响应于所述测量电路用于指示将所述棒的所述 第一末端移动到所述期望位置所需的所述棒的移动的显示器。
8. 一种用于确定在工作空间中的所关注的点的维度坐标的系统，包括用于测量在所述工作空间中的基准元件的位置的装置，棒，其具有第一末端，配置为指示所关注的点，一对基准元件，其安装在所述棒上，第一基准元件与所述第一末端隔开第一距离，并且 第二基准元件与所述第一基准元件隔开第二距离，以及测量电路，其响应于所述一对基准元件的所述位置，用于确定在所述工作空间中的所 述棒的所述第一末端的位置。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第一距离和第二距离是实质上相等的。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述棒还包括手柄部分以便于用户使用所述棒。
11.如权利要求8所述的系统，其中用于测量所述基准元件的位置的所述装置包括智 能型全站仪。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述基准元件包括自动反射元件。
13.如权利要求8所述的系统，其中所述棒还包括在所述第一末端处用于在表面上做 标记的标记元件。
14.如权利要求8所述的系统，还包括响应于所述测量电路用于向用户指示所述棒的 所述第一末端的位置的显示器。
15.如权利要求8所述的系统，其中所述测量电路响应于用户输入以允许用户指定所 述棒的所述第一末端的期望位置，并且还包括响应于所述测量电路用于指示将所述棒的所 述第一末端移动到所述期望位置所需的所述棒的移动的显示器。
16.如权利要求12所述的系统，其中所述智能型全站仪在所述两个自动反射元件之间高频振动，以便确定所述两个自动反射元件的位置。
全文摘要
一种用于确定在工作空间中的所关注的点的维度坐标的系统包括位于工作空间中的已知位置处的多个固定位置测距无线电装置，以及配置为指示所关注的点的具有第一末端的棒。一对测距无线电装置安装在棒上。测量电路响应于这对测距无线电装置确定这对测距无线电装置的每一个相对于多个固定位置测距无线电装置的位置，并且确定棒的第一末端相对于多个固定位置测距无线电装置的位置。可使用智能型全站仪来代替固定位置测距无线电装置，以监控在棒上的回射元件的位置。
文档编号G01S5/04GK102096062SQ20101058609
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月9日
发明者K·卡勒 申请人:天宝导航有限公司