CN101095061A - 用于确定至少一个对象的姿态信息项的方法和旋转激光器 - Google Patents

用于确定至少一个对象的姿态信息项的方法和旋转激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于确定至少一个对象的姿态信息项的方法和旋转激光器。本发明涉及一种使用至少一个旋转激光器(2)用于确定待朝向高度基准面以高精度方式定向的对象(1)，特别是移动工作机的水平位置的方法，以及旋转激光器(2)本身。该旋转激光器(2)包括旋转单元(3)、用于沿旋转水平发射方向(α)发射激光辐射(5)的激光源(4)，以及用于影响所述激光辐射(5)的至少一个辐射参数的部件，所述激光辐射带有角度相关信息项，从该角度相关信息项可导出发射方向(α)，从而使所述发射方向(α)与从所述旋转激光器(2)朝向接收所述激光辐射(5)的所述对象(1)的方向相关联。

Description

用于确定至少一个对象的姿态信息项的方法和旋转激光器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、利用至少一个旋转激光器用于确定至少一个对象的水平姿态信息项的方法，以及一种根据权利要求12的前序部分所述的、用于沿旋转发射方向发射激光辐射的旋转激光器。
背景技术
通过引入为最高性能设计的高度有效的运土机和平整机，近几十年来道路建设和土木工程、土地开发和露天采矿领域中的工作速度取得了显著的进步。借助于现代定位技术，在工作时结合高度自动化和少许人员部署，还可以实现非常高的精度。借助于自动化方法，移动工作机通过一程序而遵循计算机生成的理论周线，在该程序中将移动工作机的相应的实际位置与从计算机中生成的理论模型的理论位置相比较，并触发适当的交互。因此除了水平表面之外，还可以产生任何期望的不平周线。这里重要的组成部分是对个体工作机的定位技术。
用于移动工作机的相对精确的定位的可行现代技术包括卫星定位系统，例如GPS系统。为此，在移动工作机上安装GPS接收单元，从而能以几米的精度确定工作机的绝对位置。因为该精度通常不够，所以长期以来公知从GPS技术的一些方法用于提高位置精度，例如差分GPS、RTK或RTCM。在这些方法中，例如从基站直接或间接发送校正值，该校正值复制了卫星信号中的一些误差，这些误差具体是由于电离层和对流层的折射而产生的，并且对于接收站是特定的。通过由安装在移动工作机上的GPS接收单元同时接收包含误差的卫星信号以及由附近基站发送的校正值，可以进行厘米精度的定位。
然而，GPS技术的系统相关问题在于，垂直方向上的测量精度低于水平方向上的测量精度。然而由于通常特别是在道路建设领域中，因为在任何情况下都需要避免不期望的不平和波度，所以关于垂直方向处理精度的需求比关于水平方向处理精度的需求大，因此仅仅使用GPS定位系统常常是不够的。而且，必须总是被至少三个、优选至少四个用于通过GPS进行定位的卫星可视接触，然而情况并不总是这样，特别是当在桥下或者狭窄的屋列中工作或者受到其它遮蔽时。
GPS技术的另一个问题具体在于，虽然可借助于GPS确定位置，但当分别只使用单个GPS接收器时，工作机的定向，尤其是方位定向只能来源于位置的改变。因此，必须使用或者位于工作机上水平隔开的点处的多个GPS接收器，或者附加的定向传感器，例如陀螺系统或磁罗经系统，然而它们容易受到杂散磁场的影响。
因此，虽然存在现代卫星定位系统，但在对精度有对应需求的情况下，不可以免去对高精度光学测量方法的使用，如从测地学所公知的那样。
已经在相对较长的时间内使用产生大致在水平面中旋转的激光束的旋转激光器系统，用于精确地调整移动工作机的工作高度。这些系统产生对至少一个移动工作机限定理论平面的扁平拟激光盘。旋转的激光束由安装在工作机上的接收器(例如多个垂直分布的检测器)接收，并且可以任选地调节高度，从而可以以高精度方式获得高度信息项。如果还需要位置，那么通常借助于GPS系统另外确定。
US4,807,131公开了一种地面平整系统，其中在移动平整机上布置用于接收通过由位于距该平整机一定距离定位的旋转激光器发射的激光辐射的检测器，以及用于确定平整机相对于至少一个基准点的水平定位的距离测量装置。因此，可以通过使用两个不同的测量系统以足够的精度垂直和水平地确定平整机的实际位置。借助于陀螺仪，可以检测方向和位置的改变。待平整的理论周线存储在存储介质上。将实际的测量值与从存储的理论周线获得的理论值进行比较。偏差具体通过理论周线和实际周线的图形表示在显示器上示出，并且用于调整平整机的驱动。该系统的缺点在于必须使用至少两个测量系统，以能够以足够的精度水平和垂直地控制车辆。
DE 197 55 324 A1描述了一种用于测量行驶车辆相对于地固坐标系的位置和姿态的方法和装置。该车辆具有至少两个无线距离测量装置和/或角度测量装置，它们隔开一定距离并且可相对于邻近地形中基准路径的可预选的基准点定向，所述基准点隔开一定距离并在地固坐标系中测量。通过三角学进行位置确定。通过将确定的实际位置与从存储的理论三维曲线获得的理论位置进行比较，计算车辆的控制命令。借助于该方法不能进行高度信息项的足够精确的确定。
EP 0 744 494 A1描述了一种道路修整系统，该系统配备有用于通过机械地感测表面来确定道路的铺路材料相对于基准平面的波度的轮廓测量装置，以及用于确定水平位置分量的GPS单元。基准平面通过细长的支架产生，使得这样产生的基准平面对应于感测表面的低通过滤。然而，对于所需的精度，这样允许的高度控制同样是不够的。另外，该方法仅适用于在可感测的大致水平的基材处的高度调整。由于需要细长支架，所以该感测方法例如可适用于在建筑工地上的斗轮式挖掘机的高度控制。
DE 199 40 404 C2公开了一种利用GPS信号和位置固定的可调节的旋转激光器对建筑机器进行三维控制的方法。通过接收GPS信号，确定运动的建筑机器的水平位置坐标，并使建筑机器的作业工具的理论高度与所述位置坐标对应。为了产生指示作业工具的理论高度的高度信号，根据对应的理论高度例如通过倾斜来调节旋转激光器。这使得可以精确控制建筑机器的作业工具作为高度信号的函数。然而为了执行该方法，必须使用光学测量方法和卫星辅助测量方法。在不被卫星覆盖的区域，例如在坑道中、桥下和具有狭窄屋列的城镇中，该方法由于受到遮蔽而不能执行。必须使用多个测量方法来确定工作机的定向。
US 2003/0137658 A1描述了一种用于控制建筑机器的系统。旋转激光器发射至少两个扇形激光束，激光束围绕一轴线旋转并在不由水平面形成的平面中发散。至少两个扇形激光束的倾斜是不同的。安装在建筑机器上的光学传感器用于接收扇形激光束。通过同样布置在建筑机器上的GPS接收器进行水平定位。借助于算法计算单元，从至少两个扇形的垂直发散的激光束到达光学传感器的时滞获得高度信号。为了执行该方法，也必须使用光学测量方法和卫星辅助测量方法，从而以足够的精度确定垂直和水平位置。在该方法中，也总是需要卫星覆盖。必须使用其它测量方法来确定定向。
US3,687,566描述了一种特别是用于船、飞行器等等的定位的定位方法和对应的装置。这里，精密集中在水平面上并在垂直面中强力发散的扇形光束(特别是激光束)围绕垂直轴线旋转，使该光束可接收在较大的垂直区域内。在光束上叠加复制旋转角度的信息项。水平位置待确定的对象具有两个隔开一定距离的接收器，借助于所述接收器可接收光束并检测旋转角度。通过获知相应的接收到的旋转角，确定两个接收器之间的距离和旋转速度、以及对象的水平位置。借助于所述方法，只能确定水平位置而不能获得精确的高度信息。DE 35 26 564 A1中描述了类似方法。
DE 31 07 674 A1描述了一种方法，该方法借助于旋转调制的激光束控制对象的运动，所述激光束由位于固定基准点或对象上的一个或多个发送器发射。与激光束一起发送瞬时入射角和期望的对象轨迹。这些信息项由位于对象上的接收器记录，用以确定对象的姿态并计算路线修正。如果对象只在一平面上运动，那么激光束只需要在该平面中旋转。在三维引导该对象的情况下，发射旋转的三维光束场，并且发送器围绕两个轴线旋转。在这两个情况下，发送器逐级运动，并在各个静止位置发射根据信息项进行调制的短时间激光束。由此激光束用作发送信息项，特别是位置数据的介质。上述方法的缺点在于信息发送的较大间隔，因为必须三维扫描激光束的较大区域，用以使对象沿水平方向和垂直方向定向。
US5,600,436公开了一种包括基站的定位系统，该基站具有用于使一个激光束或两个激光束在围绕旋转轴线的平面中旋转的旋转激光器装置。其描述了在可行实施方式中，激光束包含与激光束的发射角相关的数据信号。例如，数据信号的振幅或频率被对应地调制。定位装置配备有用于接收旋转激光束和检测发射角的检测器。通过使用多个基站，可通过三角学确定定位装置的水平位置。而且为了能够确定高度或z坐标，描述了配备有多个相对于高度平移的检测器并接收第三基站的信号的定位装置。所述系统需要多个基站。借助于所述系统，不可能确定配备有定位装置的对象的定向，例如移动工作机的定向，从而必须依赖其它传感系统，特别是磁罗经系统。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种尽可能只使用单个测量系统来精确确定和/或控制相对于高度基准表面(特别是水平基准面)高精度定向的对象(例如移动工作机)的水平位置(特别是水平定向)的有效、经济的方法和装置。
本发明的另一目的在于提供一种用于确定或用于提高移动工作机的姿态信息项的精度的附加测量方法和附加测量系统。
这些目的通过实现独立权利要求的特征部分特征而实现。从从属权利要求中可以清楚以替代或有利方式进一步发展本发明的特征。
根据本发明，在用于确定至少一个对象的姿态信息项的方法中，使用一种包括旋转单元和用于沿旋转发射方向发射激光辐射的激光源的旋转激光器。所述激光辐射具有在其沿垂直方向(即，沿高度方向)的路线中仅略微发散或者根本不发散，从而精密集中并沿垂直方向基本平行的激光束的形式。因此，如现有技术中公开的那样，可以通过产生拟激光表面针对所述对象沿垂直方向限定高度精确的基准表面或高度基准表面。该拟激光表面可由平面的拟激光盘形成，或通过适当控制旋转激光器经过任何期望的锥形表面而形成。由所述旋转激光器沿旋转水平发射方向发射的所述激光辐射携带角度相关信息项，从该角度相关信息项可导出发射方向，从而使发射方向与从所述旋转激光器到接收所述激光辐射的所述对象的方向相关。所述激光辐射可以以在下面更加详细地描述的不同方式包含所述角度相关信息。从而，一方面可以将一信号模化在所述激光辐射的载波频率上，从所述信号可导出在发射所述激光辐射时的实际发射方向。而且，可影响所述激光辐射的另一辐射参数，从而可通过在接收时适当评估所述激光辐射来确定所述发射方向。这可以例如通过滤光、偏光或者进行间歇而作为发射角的函数来实现。
由所述旋转激光器发射并包含所述角度相关信息的所述激光辐射被所述对象的检测器接收。根据接收的激光辐射，从所述角度相关信息导出所述发射方向，从而可确定从所述旋转激光器到所述对象的方向。借助于该方向信息，任选地通过进行其它测量(例如附加地光学测量距所述旋转激光器的距离或者确定所述检测方向)，或者通过接收由第二旋转激光器发射的第二激光辐射，可精确确定所述对象相对于所述至少一个旋转激光器的姿态(即，定向和/或位置)，或者可相对于所述至少一个旋转激光器控制所述对象。除了接收所述至少一个激光辐射，或者使用除所述旋转激光器系统之外的其它测量系统之外，在所述对象和与所述至少一个旋转激光器对应的系统之间不是绝对必需地进行通信。因此，可以仅通过接收由一个或多个旋转激光器发射的所述激光辐射(特别是通过三角测量)来确定在接收地点相对于所述至少一个旋转激光器的位置的水平位置以及定向(特别是方位定向)。然而，当然可以将所述方法连同卫星定位方法一起使用，例如用于获得其它姿态信息项以及通过数据冗余任选地提高姿态确定的精度和可靠性。上述方法适用于确定例如用于道路建设、平整作业、土地开发、露天采矿、地下开采、农业或其它领域的移动工作机的位置，并且适用于在修整领域、建筑领域中确定道路车辆、运输系统或移动处理系统的位置，或者用于其中待确定对象相对于基准位置的位置的其它应用。根据本发明的方法的另一优点在于基准平面的生成与姿态信息的同时传输相结合。这是因为根据本发明，不仅如现有技术中公开的那样生成基准平面(特别是利用旋转激光器技术)，利用该基准平面可以进行相对该基准平面的高精度的垂直定向，而且同时还可以通过所述激光辐射本身传输呈所述激光辐射的所述发射方向的形式的姿态信息相，从而可以在该平面中定向。因此，根据本发明的方法特别适用于平整机或道路建设机器的定位，因为在这些使用领域中，高度信息精度特别重要，常常必须小于两厘米。对于根据本发明的方法，可以将在多个领域中均发生的相对于由旋转激光器生成的基准平面的定向与在接收所述激光辐射的地点处的姿态(特别是定向和/或位置)的同时确定相结合。从而可以省去其它测量系统，例如GPS、磁罗经系统或陀螺系统。当然，还可以沿旋转发射方向发射例如具有锥形或扁平形状的发散激光束，从而不产生拟表面厚度恒定的扁平的拟基准表面。这在例如如果可以将在与所述旋转激光器的旋转轴线平行的较大区域内接收发射的激光辐射从而接收所述发射方向的时候是很方便的。
在本发明的范围内，垂直方向或高度应理解为表示垂直于由所述旋转激光器限定的所述表面(特别是平面)或旋转轴线的方向，因此水平位置应理解成表示在该表面或平面内的二维位置。相比之下，水平和垂直不会不可避免地与重力定向、绝对地球坐标系系统相关，即使在实践中通常是这样。
用于沿旋转发射方向发射激光辐射的所述旋转激光器具有用于产生所述激光辐射的激光源和用于产生旋转运动的旋转单元。所述旋转单元以这样的方式操作地连接到所述激光源，使得沿所述旋转发射方向发射辐射，从而导致生成可能呈平面拟激光盘形式，或者通过适当控制所述旋转激光器而呈任何期望的锥形表面形式的拟激光表面。这里，发射连续经过360°或者限制在至少一扇形部分。从而可以例如借助于一孔，通过在某个发射角范围内切断激光源或者通过对准目标来致动所述旋转单元，例如通过使所述激光辐射在一角度范围内成扇形展开，从而将发射限制在扇形部分中。具体是在将接收对象的自由运动限制在可能的拟激光表面的部分扇形中时实现将发射限制在扇形中。因此在本发明的上下文中，旋转应理解为表示不是必须围绕轴线的连续旋转，而是也可以任选为激光辐射在发射角范围内的扇形旋转。根据本发明的旋转激光器包括用于将所述发射辐射的至少一个辐射参数与角度相关信息项相关联的部件，从该角度相关信息项可导出所述发射方向。在可行实施方式中，可在整个发射角范围内从所述角度相关信息明确导出所述发射方向。在替代实施方式中，该明确导出性仅限于整个发射角范围的多个扇形部分，例如从0°到180°和从180°到360°，从而在这些范围内均可明确指定发射方向，但范围本身不必直接确定。这在所述对象仅在多个扇形部分之一中运动的应用中不是特别关键的。通过划分为多个发射角范围，例如可以提高确定所述发射方向的精度。根据本发明，用于关联所述至少一个辐射参数的部件例如可由围绕所述旋转激光辐射的环形滤光器或偏光器、位于光路中的光学元件或与所述激光源和发射方向检测部件对应的电路形成。在后一情况下，所述发射方向经由所述发射方向检测部件检测，该发射方向检测部件例如呈具有与所述旋转单元操作连接的角度检测器的形式，并且在由所述激光源生成所述激光辐射时至少一个辐射参数经由所述电路与所述角度相关信息相关联。这例如通过将一信号调制到所述激光辐射的载波频率上而实现。或者，所述信息关联仅在生成所述激光辐射之后例如借助于有源调制器(例如电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)进行。适当的电光调制器例如为鲍尔克盒。现有技术中公开了其它的EOM和AOM。
附图说明
下面参照附图中示意性示出的具体工作实施例，仅以实施例的方式更加详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的装置，而且讨论了本发明的其它优点。具体地：
图1以示意图示出了建筑机器，该建筑机器通过经由第一检测器进行的接收而接收由旋转激光器发射的激光辐射的姿态信息项；
图2表示一简图，示出了通过导出激光辐射的第一发射方向来导出旋转激光器相对于建筑机器的方向的原理；
图3表示一简图，示出了通过另外确定距离来导出建筑机器的位置的原理；
图4表示一简图，示出了通过另外确定第一检测方向来导出建筑机器的定向的原理；
图5表示一简图，示出了通过借助于第二检测器另外导出第二发射方向来导出建筑机器的距离或位置的原理；
图6表示一简图，示出了通过限定第一检测器的位置改变并另外导出第二发射方向来导出建筑机器的距离或位置的原理；
图7表示一简图，示出了通过限定第一检测器由于其旋转而引起的位置改变来导出建筑机器的距离或位置的原理；
图8以示意图表示具有两个径向相对的检测区域的旋转检测器的结构；
图9表示一简图，示出了通过导出第二旋转激光器的激光辐射的第二发射方向来导出建筑机器的距离或位置的原理；
图10表示具有用于将辐射参数与角度相关信息项相关联的电路的旋转激光器的示意图；
图11表示具有光学特性沿其环状周边持续不同的环状滤光器或偏光器的旋转激光器的平面图；并且
图12表示用于使激光辐射进行间歇而作为发射方向的函数的环状条形码载体的倾斜视图。
具体实施方式
图1表示建筑工地20，在建筑工地20上，用于产生旋转激光辐射5的旋转激光器2直立在基准点处，并相对于高级坐标系精确定向。通过激光辐射5的旋转，生成用作建筑工地20的高度基准的拟激光平面21。呈建筑工地20上的建筑机器1的形式的对象借助于检测器6a在一旦所述辐射经过检测器6a时就简短地接收激光辐射5，只要检测器6a位于由旋转激光辐射5形成的拟激光平面21内。因为在所示实施例中，激光辐射5沿垂直方向具有可以忽略的较小发散，即，沿垂直方向的光路基本平行，所以可以借助于激光辐射5将建筑机器1(特别是建筑机器1的工具，例如铲斗)相对于基准高度精确定向，呈建筑机器1的至少一个部件的高精度高度定向的形式。该方法在现有技术中公开。在一个可行实施方式中，检测器6a具有沿着垂直于拟激光平面21的方向延伸的检测区域，在该区域内可检测激光辐射5与检测器6a的接触，从而可精确检测与基准高度的偏差。任选的是，检测器6a可沿垂直方向自动调节高度，从而避免即使在高度差相对较大的情况下也必须离开拟激光平面，并且避免失去高度基准。
在图2示出原理的简图中说明了该方法的可行实施方式。定位在位置PI的旋转激光器2沿旋转的发射方向α1发射激光辐射5。在图中，旋转激光器2的旋转轴线指向天顶。发射在水平面中进行。在平面图中，发射方向α1沿逆时针方向旋转，从而在0°与360°之间旋转。激光辐射5携带角度相关信息项，可从角度相关信息项导出相应的发射方向α1，例如通过将信号模化到激光辐射的载波频率上，实现激光辐射的信息关联。在激光辐射5的接收区域中，呈建筑机器1的形式的对象位于位置POb。旋转激光器2发射的激光辐射5由布置在建筑机器1上的检测器6a接收。检测器6a以接收来自激光辐射5的角度相关信息的方式设计，并以从角度相关信息导出第一发射方向α1的方式进行处理。由此通过获知旋转激光器2相对于高级坐标系的定向，可以在位置POb中确定旋转激光器2相对于建筑机器1的方向，而不用在除了激光辐射5的纯接收之外在PI与POb之间进行通信。
为了能够确定建筑机器1相对于旋转激光器2的位置PT的位置POb，进一步在图2说明的方法中继续确定检测器6a与旋转激光器2之间的距离d1，如图3所示。在所述实施例中，通过靠近检测器6a布置并位于建筑机器1上的激光测距仪7进行距离测量。激光测距仪7自动测量到位于旋转旋转激光器2上的点，从而确定距离d1。通过获知发射方向α1以及检测器6a与旋转激光器2之间的距离d1，现在可以导出建筑机器1相对于旋转激光器2的位置PI的位置POb，具体通过将极坐标α和d1转化为笛卡尔坐标而导出。当然，可以仅确定建筑机器相对于旋转激光器2的位置并且通过获知这些建筑机器1的相对位置和旋转激光器2的绝对位置PT来导出建筑机器的绝对位置POb。这同样应用于建筑机器1的定向。
图4以示出原理的简图说明了建筑机器1的定向的导出。如图2所示，位于位置PI的旋转激光器2沿旋转的发射方向α1发射激光辐射5，激光辐射5由布置在建筑机器1上的检测器6aa接收。然而，与图2的检测器6a相比，检测器6aa具有扩展的功能性，其除了导出发射方向α1之外，还可以确定相对于建筑机器1的定向的检测方向β1，激光辐射5从检测方向β1到达检测器6aa。在现有技术中公开了用于利用0°至360°的接收范围接收激光辐射并且接收角度检测的所有全方位检测器。通过获知发射方向α1和检测方向β1，可通过减法导出建筑机器1相对于旋转激光器2的定向的定向Φ1。因此，可以在不使用磁罗经或陀螺系统的情况下通过旋转激光器2确定建筑机器1的方位定向。
虽然在图3所示的方法中，除了接收由旋转激光器2发射的激光辐射5之外，还通过单独的激光测距仪7进行距离测量，但图5、6和7示出了这样的方法，借助于所述方法，仅通过接收由旋转激光器2发射并包含角度相关信息的激光辐射5，通过在不同位置多次接收激光辐射的三角法程序就导出建筑机器1相对于旋转激光器2的位置PT的位置POb和/或距离。
根据本发明，这里在相对于激光辐射5的一次接收的位置隔开限定的水平距离的对象1、1’处进行激光辐射5’的二次接收。从角度相关信息导出在一次接收期间由第一检测器6a接收的激光辐射5的第一发射方向α1以及/或者在二次接收期间接收的激光辐射5’的第二发射方向α2。通过获知第一发射方向α1和第二发射方向α2以及一次接收相对于二次接收的位置差或相对位置差，可获得对象1、1’相对于旋转激光器2的位置PI的距离d1或水平位置POb、POb’。下面在图5至7中更加详细地描述该方法。
图5示出了旋转激光器2，该旋转激光器放置于位置PI并以旋转速度ω沿旋转发射方向α1、α2发射激光辐射5、5’。激光辐射5、5’携带角度相关信息，可从角度相关信息导出发射时的实际发射方向α1、α2。如上所述，激光辐射5、5’围绕指向天顶方向的旋转轴线，沿从上方看时的顺时针方向旋转。第一检测器6a和第二检测器6b布置在位于激光辐射5、5’的接收范围内的位置POb处的建筑机器1上。检测器6a和6b相对彼此的检测器间距已知。两个检测器6a和6b的高度使得两个检测器位于激光辐射5、5’的接收范围内。检测器6a和6b优选位于相同高度，然而这在激光辐射5、5’垂直发散的情况下不是绝对必需的。同样公知相对于旋转激光器2的检测器定向γ，其与建筑机器1的定向1相关。定向1例如通过如图4所示检测接收角而获得，或者通过借助于磁罗经系统或陀螺系统的测量获得。从而，第一检测器6a与第二检测器6b之间的位置差或相对位置差已知。在所示实施例中，激光辐射5、5’首先经过第一检测器6a，之后不久在旋转激光器2的一转之内经过第二检测器6b。首先，第一检测器6a接收由旋转激光器2发射的激光辐射5，根据激光辐射5可从角度相关信息导出第一发射方向α1。之后不久，在旋转作用下继续前进的激光辐射5’照射到第二检测器6b上，从而可从角度相关信息导出第二发射方向α2。通过获知建筑机器1的定向1从而获知相对于旋转激光器2的检测器定向γ、以及检测器间距a、检测器间距a相对于旋转激光器2的垂直投影，并且利用第一发射方向α1与第二发射方向α2之间的差，可以借助于基础三角学关系导出建筑机器1与旋转激光器2的位置PI之间的距离d1。通过获知距离d1以及第一发射方向α1和第二发射方向α2的平均值，同样可以确定建筑机器1相对于旋转激光器2的位置PT的位置POb。
在图5所示的实施例中，第一发射方向α1和第二发射方向α2都从激光辐射5、5’的角度相关信息导出。然而，还可以从角度相关信息只获得第一发射方向α1，通过确定由第一检测器6a接收激光辐射5与由第二检测器6b接收激光辐射5’之间的时间差Δt，并通过获知激光辐射的旋转速度ω和第一发射方向α1来导出第二发射方向α2，反之亦然。因为在该方法中，两个检测器6a或6b中只有一个需要配备用于导出发射方向α1或α2的部件，所以可降低成本。
在图5所示的方法中，使用两个隔开一定距离的检测器6a、6b。然而可替代的是，根据该方法的上述原理，可以仅使用单个检测器来代替两个隔开一定距离的检测器，所述单个检测器的位置在两个接收时间之间按限定方式改变。图6和图7中示出了两种这样的方法。在这两种方法中，在激光辐射的一次接收和第一发射方向α1的导出之后，建筑机器1的检测器6a的位置相对于其在激光辐射5的一次接收期间的位置限定地改变至改变后位置。之后，激光辐射5’被相同的检测器6a’第二次接收，从而可能在二次接收期间由检测器6a’接收激光辐射5’的第二发射方向α2，特别是来自于角度相关信息。从而，通过获知第一发射方向α1和第二发射方向α2以及一次接收与二次接收之间的检测器位置的限定的改变，可以导出建筑机器1相对于旋转激光器2的位置PI的距离d1或位置POb。
在图6中，与图5的工作实施例一样，通过放置于位置PI的旋转激光器2沿旋转发射方向发射激光辐射5、5’。在具有单个检测器6a的建筑机器1的位置POb中，进行激光辐射5的一次接收和第一发射方向α1的第一导出。之后，通过使整个建筑机器1、1’向相对于旋转激光器2的已知方向2运动通过已知距离x，并使检测器6a、6a’相对于建筑机器1、1’的位置固定，使建筑机器1的检测器6a的位置相对于其在激光辐射5的一次接收期间的位置发生改变。在图6中，处于初始位置POb的建筑机器1及其检测器6a以阴影示出，处于改变后位置POb’的建筑机器1’及其检测器6a’以黑色示出。在建筑机器1’的改变后位置POb’中，激光辐射5’被第二次接收，并且从角度相关信息确定第二发射方向α2。通过获知距离x及其方向2，可通过三角学确定距离x相对于旋转激光器2的方向的垂直投影，并且同样使用基础三角学关系，可从中导出建筑机器1’相对于旋转激光器2的位置PT的距离d1或位置POb’。
图5和图6所述的方法的缺点在于，不能在建筑机器1的每个定向中确定位置。如果在图5的工作实施例中，建筑机器1横向于激光辐射5、5’的接收方向，则传感器6a和6b都同时检测激光辐射的到达，从而不能从三角学导出距离d1或位置POb。当建筑机器1沿着激光辐射5、5’的方向或相反方向定向时，所述问题也发生在图6的工作实施例中。而且，图6的方法不能用于在车辆静止时确定距离或位置。
图7中示出的工作实施例在建筑机器1的位置POb基本固定的情况下，通过单个检测器6a、6a’的限定的运动而解决了这些问题。图8以图7的详视图示出了建筑机器1的旋转检测器6a的布置。检测器6a围绕与旋转激光器2的旋转轴线基本平行的轴线沿着圆周轨迹10环行。环行的检测器6a具有两个径向相对的检测区域14a、14b，它们基本上只允许接收与圆周轨迹10相切的激光辐射5、5’。例如可通过在检测器处将检测区域限制在精确为0°和180°的入射角而实现这种检测器。在检测器6a的整转中，检测器6a首先在圆周轨迹10的位置ρ1中的位置Pa(如图8中实线所示)处在两个径向相对的检测区域14a和14b中的检测区域14a内接收以发射角α1发射的激光辐射5。在检测器6a、6a’进一步近似转过半圈之后，其到达与第一位置Pa基本径向相对的位置Pb，位于位置ρ2中(如图8中虚线所示)，用于在两个径向相对的检测区域14a’和14b’中的检测区域14b’内二次接收以发射角α2发射的激光辐射5’。两个基本径向相对的位置Pa、Pb之间的连接线11在这里垂直于位于平行轴线上的旋转激光器2与圆周轨迹的中心1 3之间的连接线12。可通过获知第一发射方向α1、第二发射方向α2、圆周轨迹10的直径φ、特别是检测次数和/或在一次接收和二次接收期间检测器6a、6a’的位置ρ1、ρ2，利用三角学方法导出建筑机器相对于旋转激光器2的距离d1或位置POb，任选地建筑机器1相对于旋转激光器2的定向2。例如可通过角度检测器确定检测器6a、6a’的位置ρ1、ρ2。或者在等速旋转下，可以按已知的方式从相应的检测次数确定检测器6a、6a’的位置ρ1、ρ2。
为了避免在车辆的某些位置处不能通过三角学确定位置，还可以使用布置在车辆上的三个检测器，特别是布置在固定水平等边三角形的角上的检测器。由于三角布置，至少两个不齐平的检测器总是位于旋转激光器的视野范围内。
虽然在上述工作实施例中一直使用单个旋转激光器，但图9中描述了一种包括隔开一定距离的两个旋转激光器的方法。位于位置PI的第一旋转激光器2和位于位置PTT的另一旋转激光器2TT都分别沿旋转发射方向α1和α2分别发射激光辐射5和5II。在所示实施例中，激光辐射5和5II都携带角度相关信息项，从角度相关信息项可分别导出发射方向α1和α2，从而发射方向α1和α2分别与旋转激光器2和2II分别相对于接收激光辐射5和5II的对象、建筑机器1的两个方向相关。位于位置POb的建筑机器1具有分别用于接收激光辐射5和5II并且导出发射方向α1和αTT的检测器6a。例如通过将信号模化到载波频率(例如两个旋转激光器2和2II的两个载波频率或者模化信号)上，实现激光辐射与角度相关信息的关联，其不同在于，两个激光辐射5和5II可通过检测器6a而分别与相应的旋转激光器2和2II相关联。通过获知第一发射方向α1、另一发射方向αTT以及两个旋转激光器2和2II的位置PT和PTT、可通过三角学方法导出建筑机器相对于两个旋转激光器2和2II的位置POb。这两个旋转激光器2和2II以这样的方式形成和定向，使得可通过一个检测器6a接收相应的激光辐射5和5II。优选的是，这两个旋转的激光辐射5和5II形成作为高度基准的公共拟激光平面。或者，通过省去高度基准，可以使用不同定向的旋转激光器2和2TT，它们的垂直强力发散的激光辐射5和5TT分别由检测器6a接收。当然，可以将上述的方法变型与使用两个旋转激光器的该方法变型组合，从而避免由于遮蔽引起的接收失败，并提高定位的精度。
图10以示意图示出了一旋转激光器，该旋转激光器包括用于将辐射参数与角度相关信息项相关联的电路。该旋转激光器用于沿旋转发射方向发射激光辐射，包括用于生成激光辐射5a的激光源4。在现有技术中公开了激光源的不同实施方式，特别是二级管激光器。在所示实施例中，激光辐射5a在其光路中照射到将激光束5a偏转90°的激光辐射偏转单元15上。激光辐射偏转单元15例如呈相对于激光辐射5a倾斜45°的镜的形式，优选是总是将激光辐射5a偏转90°而与入射角无关的五面镜。激光辐射偏转单元15以这样的方式操作连接到旋转单元3，使得激光辐射偏转单元15可在马达驱动下围绕旋转轴线8旋转。旋转单元3例如呈安装在滚珠轴承上的轴套形式，围绕激光辐射5a的光路并借助于带驱动而由电马达驱动。从而，沿旋转发射方向α发射激光辐射5、5a，从而产生图1所示的拟激光平面21。该拟激光平面21与旋转轴线8的交点定义为旋转中心19。旋转中心19被透明的出射窗18围绕，从而激光辐射5a穿过出射窗18到达外部而基本完全不受影响，产生的激光辐射5a与已经穿过出射窗18的激光辐射5基本相同。在旋转单元3上间接布置呈角度检测器16形式的发射方向检测部件，该发射方向检测部件可以检测激光辐射偏转单元15的角度定向，从而检测激光辐射5的相应的发射方向α。一电路与激光源4和角度检测器16对应，该电路连接成使得当激光源4产生激光辐射5a时，激光辐射5a的至少一个辐射参数与角度相关信息相关联，从该角度相关信息可导出发射方向α。例如，根据借助于角度检测器16确定的激光辐射偏转单元15的位置，将一信号模化到激光辐射5a的载波频率上，从该信号可明确导出发射方向α。该信号例如通过两个正弦波平移π/2或斜坡而形成。优选的是，在从0°到360°的范围中可明确导出发射方向α。然而对于一些应用，只从0°到180°和从180°到360°明确指定发射方向就足够了，例如在90°的激光辐射与在270°的激光辐射相等。然而，为了在移动工作机的姿态确定领域中使用，通常必须能够至少在旋转发射方向的象限内从角度相关信息明确导出发射方向α。现有技术中公开了用于将独特信号模化到激光辐射的载波频率上的方法，特别是光学数据传输方法。可替换或附加的是，当然可以将电路17以这样的方式连接，使得当激光源4产生激光辐射5a时，通过进行间歇使激光辐射5a与角度相关信息相关联。当然在本发明的范围内还可以实现其它用于将激光辐射5a的至少一个辐射参数在其产生期间与角度相关信息项相关联(从该角度相关信息项可导出发射方向α)的其它方法。
图11以平面图示出旋转激光器的另一实施方式。图11的旋转激光器在旋转单元3和激光辐射偏转单元15方面与图10中的旋转激光器对应。然而，图11的旋转激光器没有用于检测发射方向α的角度检测器16，导致激光源产生连续的未携带任何角度相关信息的激光辐射5a。取而代之的是，使用环形的滤光器或偏光器18a代替图10的出射窗18，该滤光器或偏光器以这样的方式围绕旋转发射方向α的旋转中心19，使得激光辐射5a在穿过滤光器或偏光器18a时至少一个辐射参数受到影响，并到达外部而呈激光辐射5的形式。滤光器或偏光器18a至少在沿其环形周边的一扇形部分中具有连续不同的光学特性，从而可根据对至少一个辐射参数的影响，从激光辐射5导出发射方向α。这种滤光器例如可实现为沿其环形周边具有连续不同的透射特性的滤色器。从而根据穿过滤色器的激光辐射5的光谱辐射分布，可以确定发射方向α。偏光器例如可呈沿其环形周边具有不同的偏光特性的线性偏光器的形式，从而根据穿过偏光器的激光辐射5的偏光方向，可以导出发射方向α。
然而，如图12所示，还可使用环状条形码载体18b代替滤光器或偏光器18a或附加于其上，这也可以用于使激光辐射5间歇而作为发射方向α的函数，该条形码载体以这样的方式围绕旋转发射方向的旋转中心19，使得激光辐射5a在部分区域中穿过条形码载体，从而可从激光辐射5的间歇导出发射方向α。然而在这种情况下，激光辐射5的检测必须在允许在接收时读出条形码的某个角度范围内进行。这例如需要大面积检测器或多个串联布置的检测器，例如检测器阵列，以用于接收激光辐射5。

Claims (14)

1.一种用于确定待相对于高度基准表面高精度定向的至少一个对象(1；1’)的水平姿态信息项的方法，上述对象特别是移动工作机，该方法使用至少一个旋转激光器(2)，该旋转激光器包括：
旋转单元(3)和激光源(4)，该激光源(4)用于沿旋转的水平发射方向发射激光辐射(5)，该激光辐射(5)沿垂直方向基本平行，从而所述激光辐射(5)限定用于所述对象(1；1’)的高精度的高度基准表面，所述激光辐射(5)携带角度相关信息项，从该角度相关信息项可导出发射方向，从而使所述发射方向与从所述旋转激光器(2)到接收所述激光辐射(5)的所述对象(1；1’)的方向相关，所述方法包括以下步骤：
●由所述旋转激光器(2)发射所述激光辐射(5)，
●由所述对象(1)的第一检测器(6a)一次接收所述激光辐射(5)，
●在所述对象(1；1’)处二次接收所述激光辐射(5’)，该对象(1；1’)位于限定的水平位置，该水平位置处于远离所述激光辐射(5)的在所述一次接收期间的位置，
●利用所述激光辐射(5；5’)将所述对象(1；1’)的至少一个构件高精度地进行高度定向，
●导出在所述一次接收期间由所述第一检测器(6a)接收的所述激光辐射(5)的第一发射方向(α1)，并且导出在所述二次接收期间接收的所述激光辐射(5’)的第二发射方向(α2)，由所述角度相关信息至少进行一次所述导出，
●通过获知所述第一发射方向(α1)、所述第二发射方向(α2)以及在所述二次接收期间相对于所述一次接收的位置差，导出所述对象(1；1’)相对于所述旋转激光器(2)的位置(PI)的距离(d1)或水平位置(POb；POb’)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
●由所述对象(1)的第二检测器(6b)进行所述激光辐射(5’)的所述二次接收，该第二检测器(6b)与所述第一检测器(6a)隔开已知的检测器间距(a)，并且
●通过获知所述第一发射方向(α1)、所述第二发射方向(α2)、所述检测器间距(a)以及相对于所述旋转激光器(2)的检测器定向(γ)，导出所述对象(1)相对于所述旋转激光器(2)的位置(PI)的距离(d1)或水平位置(POb)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
根据所述角度相关信息：
●导出在所述一次接收期间由所述第一检测器(6a)接收的所述激光辐射(5)的所述第一发射方向(α1)，并且
●导出在所述二次接收期间由所述第二检测器(6b)接收的所述激光辐射(5’)的所述第二发射方向(α2)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
●在从所述角度相关信息导出在所述一次接收期间由所述第一检测器(6a)接收的所述激光辐射(5)的所述第一发射方向(α1)，并且
●通过以下方式导出由所述第二检测器(6b)接收的所述激光辐射的所述第二发射方向(α2)：
□通过确定由所述第一检测器(6a)进行的对所述激光辐射(5)的所述一次接收与由所述第二检测器(6b)进行的对所述激光辐射(5’)的所述接收之间的时间差(Δt)，以及
□通过获知所述激光辐射的旋转速度(ω)和所述第一发射方向(α1)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
●由所述第一检测器(6a)进行对所述激光辐射(5’)的所述二次接收，
●在前述步骤中，所述对象(1)的所述第一检测器(6a)的位置相对于其在所述激光辐射(5)的所述第一接收期间的位置发生限定的改变，以改变至隔开限定水平距离的改变后位置，并且
●通过获知所述第一发射方向(α1)、所述第二发射方向(α2)以及
所述一次接收与所述二次接收之间的所述检测器(6a)的位置的限定的改变，导出所述对象(1’)相对于所述旋转激光器(2)的位置(PT)的距离(d1)或水平位置(POb’)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过使所述对象(1，1’)沿相对于所述旋转激光器(2)的已知方向(2)运动通过已知距离(x)，并使所述第一检测器(6a，6a’)相对于所述对象(1，1’)的位置固定，使所述对象(1)的所述第一检测器(6a)的位置相对于其在所述激光辐射(5)的所述一次接收期间的位置限定地改变至改变后位置。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述第一检测器(6a，6a’)的限定的运动并使所述对象(1)的位置(POb)基本固定，使所述对象(1)的所述第一检测器(6a)的位置相对于其在所述激光辐射(5)的所述一次接收期间的位置限定地改变至改变后位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过使所述对象(1)的所述第一检测器(6a)沿着围绕与所述旋转激光器(2)的旋转轴线(8)基本平行的轴线的圆周轨迹(10)环行，而在所述对象(1)的位置(POb)固定的情况下实现所述第一检测器(6a，6a’)的限定的运动。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述激光辐射(5)的所述一次接收期间，所述第一检测器(6a)在所述圆周轨迹(10)上的位置(Pa)与在所述二次接收期间所述第一检测器(6a’)的位置(Pb)基本径向相对，这两个基本径向相对的位置(Pa，Pb)之间的连接线(11)垂直于所述旋转激光器(2)与位于所述平行轴线上的所述圆周轨迹的中心(13)之间的连接线(12)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
●环行的所述第一检测器(6a，6a’)具有两个径向相对的检测区域(14a，14b)，它们基本上只允许接收与所述圆周轨迹(10)相切的所述激光辐射(5，5’)，并且
●通过获知所述第一发射方向(α1)、所述第二发射方向(α2)、所述圆周轨迹(10)的直径(φ)、特别是检测次数或在所述一次接收和所述二次接收期间所述第一检测器(6a，6a’)的位置(ρ1，ρ2)，导出所述对象(1)相对于所述旋转激光器(2)的距离(d1)或水平位置(POb)，特别是定向(2)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
●经由所述对象(1)的所述第一检测器(6a)接收与所述旋转激光器(2)隔开一定距离的另一旋转激光器(2II)的所述激光辐射(5II)，
●导出由所述第一检测器(6a)接收的所述另一旋转激光器(2TT)的所述激光辐射(5II)的另一发射方向(αII)，并且
●通过获知所述第一发射方向(α1)、所述另一发射方向(αII)以及所述两个旋转激光器(2，2II)的位置(PI，PII)，导出所述对象(1)相对于所述两个旋转激光器(2，2II)的水平位置(POb)。
12.用于根据权利要求1至11中任一项所述的方法、沿旋转发射方向发射激光辐射的旋转激光器，该旋转激光器包括：
●激光源(4)，该激光源用于产生所述激光辐射(5a)，
●旋转单元(3)，该旋转单元(3)用于产生旋转运动，该旋转单元(3)操作连接到所述激光源(4)，使得沿所述旋转发射方向(α)发射所述激光辐射(5)，以及
●用于将所述激光辐射(5)的至少一个辐射参数与角度相关信息项相关联的部件，从该角度相关信息项可导出所述发射方向(α)。
所述旋转激光器的特征在于，用于关联至少一个辐射参数的部件呈至少一个环形滤光器或偏光器(18a)的形式，该滤光器或偏光器围绕所述旋转发射方向的旋转中心(19)，使得所述激光辐射(5a)穿过所述滤光器或偏光器(18a)，并影响至少一个辐射参数，所述滤光器或偏光器(18a)至少在沿其环形周边的一扇形部分中具有连续不同的光学特性，从而可根据对所述至少一个辐射参数的影响，导出所述发射方向(α)。
13.根据权利要求12所述的旋转激光器，其特征在于，用于关联至少一个辐射参数的部件呈至少一个环形光学滤色器(18a)的形式，该光学滤色器至少在沿其环形周边的一个扇形部分中具有连续不同的透射特性，从而根据穿过该滤色器的所述激光辐射(5)的光谱辐射分布，可以导出所述发射方向(α)。
14.根据权利要求12所述的旋转激光器，其特征在于，用于关联至少一个辐射参数的部件呈至少一个环形偏光器(18a)的形式，该环形偏光器至少在沿其环形周边的一个扇形部分中具有连续不同的偏光特性，从而根据穿过该偏光器的所述激光辐射(5)的偏光方向，可以导出所述发射方向(α)。
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