CN101410573A - 位置指示与导向控制系统及其方法 - Google Patents

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CN101410573A CNA2007800108601A CN200780010860A CN101410573A CN 101410573 A CN101410573 A CN 101410573A CN A2007800108601 A CNA2007800108601 A CN A2007800108601A CN 200780010860 A CN200780010860 A CN 200780010860A CN 101410573 A CN101410573 A CN 101410573A
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Abstract

本发明提供了一种位置指示与导向控制系统(10)及其方法，所述系统和方法使用单激光发射器(12)和带有探测器阵列(14)的控制单元(16)，提供机器所载的工具(46)的至少深度和路线信息。通过在控制单元(16)中输入坡度而简单地设置坡度，从而消除了传统系统要求的费时的倾斜和平面对准。本发明通过查看控制单元(16)的路线和坡度指示器(38)，向操作人员提供遵循预定路径(51)并获得所需采掘深度的能力。所述指示器(38)被从由单激光发射器(12)和安装在机器上的探测器阵列(14)生成的信号(17，18a，18b)的拦截而得到的数据激活。控制单元(16)使用信号(17，18a，18b)计算工具(46)的仰角和方位。

Description

位置指示与导向控制系统及其方法
技术领域
本发明一般涉及位置指示和导向系统，尤其涉及使用单激光发射器和探测器阵列向载有在工作地点沿预定路径移动的工具的机器提供位置和导向信息的控制系统和方法。
背景技术
施工在很大程度上依赖于定位数据。施工性能，尤其生产力和工作质量，与所使用的定位方法的速度和精度相关。标准测绘技术相对较慢，要求高度熟练的操作人员，并且容易出现人为错误。
在一种现有技术的激光发射器中，窄聚焦的、水平旋转的激光能量束被用于提供基准平面。旋转光束拦截激光接收器中的光电探测器的垂直延伸阵列，以便标记接收器关于激光束的高度(elevation)。该阵列通常延伸4-8英寸。于是，可用的数据被限制到在相当小的垂直范围之上的高度，从而由于平面倾斜和反复对准，使用这种传统的激光系统确定坡度(grade)较为费时。
在另一种现有技术的激光发射器中，发出光的平面，而不只是显示水平面的光线。光的平面提供使相关接收器能够计算相对于发射器的铅锤对准、高度和倾斜的足够角度信息。不过，在前、后这两种系统中，并不确定(establish)关于从接收器到发射器的相对距离和方向(方位)的信息。
为了确定距离和方向，机器操作人员通常遵循预先测绘了的在桩上的方向标记、绳线、来自管材激光的激光束，或者通过利用第二激光发射器的三角测量法。而且，在挖掘(excavation)操作中，传统的深度指示系统是旋转激光平面，该旋转激光平面使用单激光接收器来指示垂直定向的悬臂和铲斗是高于所需高度、低于所需高度还是在所需高度上，有或没有坡度。不过，应当理解，单激光接收器的光电探测区域的长度限制这种深度指示系统的垂直操作范围分别大约为±2和±4英寸。这些严格的限制常常导致操作人员“搜索光束”，以便重获深度指示。
通常，诸如挖掘机之类的机器的方向由预先测绘的桩上的标记、绳线或者另外的激光发射器(诸如管激光器之类)提供。不过，这些方法具有已知的缺陷。由施工地点的活动导致的路线损坏可能导致采掘(digging)延迟，而使用另外的激光器比较昂贵。此外，通过倾斜激光能量平面直到倾斜的平面指向了所需方向，来构建利用激光器的坡度。该建造操作可能要求使用另外的手持式探测器进行若干检查，以及反复进行旋转来获得所需坡度。因此，使用传统的激光系统、桩、绳线、管激光器或者第二个发射器来构建距离、方向和坡度较为费时，并且增加额外的成本。
发明内容
针对上述背景，本发明提供一种位置指示和导向系统，该系统使用单激光发射器和具有探测器阵列的接收器提供由机器所载的工具(诸如挖掘机的铲子或反铲、或装载机的铲斗之类)的至少深度和路线信息。在一个实施例中，接收器提供一体化的坡度和路线指示器。通过在接收器中输入坡度而简单设置坡度，从而消除了传统系统在倾斜和平面对准时要求的时间耗费。
在另一实施例中，还由接收器通过感测来自激光发射器的基准扇面提供六阶位置信息(x、y、z、倾斜度(pitch)、滚动和偏转(yaw))。本发明还提供下述好处：使机器操作人员通过观看提供给接收器的转向(steering)和高度指示器，具备了遵循预定路径(例如所需沟壕路径)和获得所需挖掘深度(例如所需坡度)的能力。通过由探测器阵列对单激光发射器生成的信号进行拦截而得到的数据来激活位置指示系统的指示器。应当理解，因为使用了探测器阵列，所以本发明与传统激光接收器的典型垂直接收范围为±2至4英寸相比，还提供了另外的好处：使垂直接收范围增加到米。这样，本发明基本上减少或消除了部署桩和绳线、与激光发射器同步(即光束搜索)所需的时间以及与使用第二个激光发射器相关的成本。
在一个实施例中，公开了一种用于在工作地点引导载有工具的机器沿预定路径移动的方法，所述方法包括把扇型激光发射器放在远离机器的工作地点。所述激光发射器具有任意基准方向并且生成两个扇形激光束。该方法还包括借助任意固定在具有三维形状的探测器阵列中的已知位置的至少四个光电探测器感测两个扇形激光束。所述探测器阵列被放在机器上的已知位置。该方法还包括把与所述任意基准方向的基准方位角设置到配备在机器上的控制单元中，所述基准方位角指向与预定路径平行的方向；使用感测两个扇形激光束的探测器阵列向控制单元提供的信息计算测量的方位角。此外，该方法包括通过控制单元比较测量的方位角与基准方位角，确定机器相对于预定路径的位置；以及生成用于帮助沿预定路径引导机器的信号。。
在另一实施例中，公开了一种用于在工作地点引导载有工具的机器沿预定路径移动的控制系统。所述控制系统包括扇型激光发射器，在用于控制系统中时，被放在远离机器、平行于预定路径的控制线上的工作地点处，并且在任意基准方向上被构建；至少四个光电激光器，任意固定在具有三维形状的探测器阵列中的已知位置。所述探测器阵列放在机器上的已知位置处并且被配置为在工作时接收与所述扇型激光发射器的测量的方位角。该系统还包括控制单元，配备在机器上并且被配置为存储与所述任意基准方向的基准方位角。当所述基准方位角被存储在所述控制单元中时指向与预定路径平行的方向。所述控制单元被配置为在使用中通过比较所述测量的方位角与所述基准方位角来生成用于至少指示工具相对于预定路径的位置的信号。
根据下面对本发明的各实施例以及与附图一起所作的说明，将更充分地理解本发明的这些以及其它的特征和优点。应注意，本发明权利要求的范围由权利要求中的陈述限定，而不被本发明中所述的对特征和优点的具体讨论限定。
可通过参考下面所作的与附图有关的说明，更加理解本发明的操作的组织与方式及其进一步的目的和优点。
附图说明
图1是按照本发明的包括扇型激光发射器和具有探测器阵列的接收器的位置指示系统的一个实施例的示意框图。
图2是按照本发明的其上安装有探测器阵列并定向于接收来自扇型激光发射器的信号的传统挖掘机的图解侧视图。
图3是在本发明的位置指示系统中使用的控制单元的一个实施例的示意图。
图4是表示俯视使用按照本发明的系统的挖掘操作的框图。
具体实施方式
尽管本发明可以有不同形式的实施例(如附图中所示)，这里参照附图详细说明具体实施例，应当理解本公开应被认为是本发明的原理的例证，而不是将本发明限制为这里所示例和描述的。
本领域技术人员理解，附图中的部件被简单、清楚地示例，而并不一定按比例绘制。例如，附图中一些部件的尺寸可能被相对于其它部件放大，以便有助于加强对本发明的各实施例的理解。
图1一般性地示出了按照本发明的位置指示系统10的一个示例实施例。本发明通过提供单扇型激光发射器12、探测器阵列14和控制单元16，解决了上述背景技术中提到的所有问题。激光发射器12是传统的激光发生器(例如由Trimble公司所售的型号为LS920的激光发生器)，并且提供LED频闪(strobe)17以及至少两个光平面18a和18b，而不是只显示水平面的光线。生成的LED频闪能量17以及光平面18a和18b提供足够的角度信息，以便控制单元16能够根据由探测器阵列14中的每个光电探测器20a、20b、20c、20d、20e提供的探测信息，计算相对于激光发射器12的方位和仰角。在一个实施例中，激光发射器12可自调水平(self-levling)，并且能够通过三角架被容易地放在工作地点。
如所示，光电探测器20a-20e被几何地隔开。在图1中所示的示例实施例中，探测器阵列14还包括机械托架22，以便使得阵列支撑架23紧固到机器上。提供阵列支撑架23，该阵列支撑架23包括例如(但不限于)管24、管接头和双管十字接28，以便使光电探测器紧固和保持在所需几何形状。示例实施例中的探测器阵列提供5个光电探测器，分别标为Det1、Det2、Det3、Det4、Det5。在一个实施例中，光电探测器在x、y、z坐标上的标称位置由表1列出。
表1
探测器    x        y        z
Det1      -0.5m    -0.5m    0.0m
Det2      0.5m     -0.5m    0.1m
Det3      0.5m     0.5m     0.0m
Det4      -0.5m    0.5m     0.1m
Det5      0.0m     0.0m     1.0m
应当理解，根据设计和构造方法，光电探测器的位置在x、y、z坐标中在0.2mm 1 sigma公差(tolerance)范围内，或者具有距标称位置为0.3mm 1 sigma公差的位移。使用具有相同精度(位移为0.3mm1 sigma公差)或者更好的测绘仪器来核对该公差。如需要，可在位置指示系统建立过程中将测绘的位置用作标称位置。
在示例的实施例中，阵列支撑架的形状和探测器的标称位置为：在x轴旋转±45°和y轴旋转±45°以及z轴旋转±180°范围内在任意探测器阵列方向上的不止一个探测器的视线(line of sight view)总是无遮挡的。应当理解，被记为Det5的探测器将在探测器阵列的所有方向上保持不遮挡。不过，鉴于当阵列经历发生在挖掘机器中的典型振动时的阵列振动、共振和弯曲，平均每探测器在1Hz和80Hz之间距标称位置的差动位移应当不大于0.3mm 1 sigma公差。此外，鉴于当阵列经历发生在挖掘机器中的典型振动时的阵列振动、共振和弯曲，探测器在0.1Hz和1Hz之间距标称位置的共同位移应当不大于10.0mm1 sigma公差。光电探测器还以±3°的精度在垂直方向被固定到阵列支撑架上。
应当在机器上安装阵列支撑架，以便在挖掘机器的x轴旋转±45°和y轴旋转±45°以及z轴旋转±180°范围内的任意朝向均能够无遮挡地看到探测器阵列。在图2示例出的一个特定的实施例中，探测器阵列被安装到载有工作仪器或工具的机器(例如液力地载有铲斗或反铲的挖掘机等)上。在示例的实施例中，应当理解，如果探测器阵列被安装在车(cab)内，那么必须当心确保车的顶板不会遮挡较低的和后部的探测器-当挖掘机往激光发射器的方向倾斜时。在一个实施例中，探测器阵列应当被安装在挖掘机的车顶板之上至少0.7m，以防止遮挡较低的探测器。
现参考图3，控制单元具有一体化的探测和计算电子器件以及位置指示处理、硬件和软件(一般用符号表示)。控制单元提供脉冲检测、方位和仰角处理、位置确定以及显示处理。用于提供显示和控制输入功能的用户接口或者与控制单元为一体化的或者为与控制单元远程连接的。电源可为一体化电池或机器电源连接，向控制单元和所有连接的外围设备供电。还在一体化显示器上或在使用远程连接的可选远程显示器(未示出)上向控制单元提供路线和坡度指示器。
如上所述，由激光发射器、探测器阵列和控制单元的组合提供的信息为位置、朝向、方位(移向(heading))和仰角(坐标系统的原点中心地位于激光发射器的转子中)。如图2中所示例，LED生成的频闪能量和从激光发射器发射的每个激光扇光束随距离发散。该发散使载有工具(例如铲斗)的机器(例如挖掘机)的悬臂或柄具备以米测量而不止以几英寸来测量的较宽垂直操作范围，从而消除了为构建位置指示系统而不得不搜索光束的需要。
在图2所示的实施例中，系统具备0％的坡度设置，这表示把地面变成所需坡度的典型采掘操作。应当理解，本系统中也可使用本领域中典型的其它坡度设置。挖掘机的柄垂直朝向在适当深度的处于测量位置中的工具。下面，还参考示出了图2中示例的挖掘操作的俯视图的图4，激光发射器被任意地(不要求旋转朝向)放置在控制线上，与任意基准方向之间的基准方位角被设置成指向与预定路径平行的方向(所需沟壕路径的所需移向)。一种用于设置基准方位角的方法是，把探测器阵列放在处于所需控制线上的一个远距点之上，并且在控制单元上按下“确定路线(establish line)”按钮(图3)。控制单元存储当前测量方位作为所需移向的基准方位角，其被显示在向用户接口提供的显示器上。至于术语“测量方位”，意指由控制单元使用由感测激光发射器的两扇形光束的探测器阵列而向控制单元提供的信息，计算出的方位角。然后，控制单元比较随后测量的方位角与存储的基准方位角，并向路线指示器发送借助于指示处理硬件和软件生成的信号，以便通知操作人员机器是在控制线左侧、右侧还是在控制线上。在一个实施例中，如果机器不在控制线上，那么操作人员就手动转向来校正机器的移向。在另一实施例中，所述信号也被机器的转向单元用作机器转向信号，以便自动地补偿机器与控制线之间的移动偏差。因此，本发明消除了预先测绘的桩、绳线以及另外的激光器的需要。
要确定所需坡度，用户只需使用也提供给用户界面的输入按钮把所需百分比斜度(坡度)输入到控制单元中。控制单元把坡度设置转换成等价的基准仰角。等价的基准仰角被计算如下：
仰角＝tan-1×(％斜度/100)    (1)
在工作过程中，控制单元比较测量仰角和基准仰角。在悬臂(例如包括可由杆长度表示的多个移动杆的铲斗柄)和工具(例如铲斗)的杆长度为已知，并且通过编码器可知它们彼此间以及相对于机器的朝向，提供代表它们之间的角度和/或线性测量的朝向信号，并且提供给控制单元(例如通过远程连接)的情况下，计算工具的垂直位置(例如在对地面进行工作的工具上的一点处)并且通过从控制单元向显示器发送代表工具的垂直位置的另外的信号，在坡度指示器上显示处在所需坡度上之上、之下，还是在所需坡度上。因此，在一个实施例中，操作人员根据需要手动地加大或减小该垂直位置(例如采掘深度)，以便获得“在坡度上”的指示。在另一实施例中，由控制单元向机器的液压控制系统(其调整工具的位置以自动保持输入到控制单元中的百分比斜度(坡度))发送另外的信号来自动调整工具的垂直位置以获得所需坡度。
当在控制单元中设置路线和坡度之后，唯一剩余的步骤是“使系统就位”。该过程按照坡度仰角指示校准该机器，使之真正处于坡度上。把悬臂垂直放在已知的坡度基准之上，朝向工具以便测量。例如，可使用升降三角架来支撑激光发射器，其中发射器的仰角被改变以获得探测器“处在坡度上”指示。在上述设置程序之后，现在就准备使用系统了。
试验测试数据
在下面的试验测试数据中示例了实际使用单激光发射器来确定在工作环境中被载在机器上以便移动的工具的位置。应当理解，测试步骤是一个实现本发明的示例性的实施例。在图3的示例实施例中，激光发射器发出光扇，而不只是显示水平面的光线。光扇提供接收器能够计算相对于激光发射器的方位和仰角足够的角度信息。对于测试和在示例的实施例中，具有光电探测器的探测阵列(图1)被设置为所有边为已知等长的棱锥的形状。不过，应当理解，其它实施例中的光电探测器可被任意固定在具有任意三维形状的探测器阵列中的已知位置。为了减少一个探测器对另一个探测器的遮蔽，在底部的两个相对探测器比另两个高0.1m。使用与五个光电探测器之间的方位角和仰角，数学理论表明与激光发射器之间的位置被确定为在300英尺之上的6”范围内。
每个光电探测器的输出端口通过USB连接方式与控制单元连接，这使得光电探测器接收的与激光发射器之间的角度数据能够被并形地收集，并被发送给控制单元。
所用的激光发射器为由Trimble，Sunnyville CA公司所售的LS920 LaserStation3D自调水平式发射器。在控制单元中运行的程序从光电探测器收集角度和位置数据，以显示和存储该据。
测试
在用于确定系统的可行性和精度的测试中，探测器阵列被安装在车上，并被移至一些测绘点位置。在下面的表数据中被记为ATX2021A的激光发射器被放在已知位置的第一原点板处。在表2中提供了该激光发射器的特性。
表2：ATX2021A发射器文件：
ASD
PHI 1：        -0.5344294
PHI 2：        0.5360861
ALPHA 1：      1.5704627
ALPHA 2：      1.5664547
THETA偏移量：  1.5657921
速度：         40.5000000
X：            0.0000000
Y：            0.0000000
Z：            0.0000000
RX：           0.0000000
RY：           0.0000000
RZ：           -1.330782
在从第一原点板到已知位置的第二原点板的初始步骤中，测量的位置表明x距测绘的位置有0.2m的差值。为了吸收该误差，探测器阵列的大小被增加1.0044m，其中变换的探测器位置在表3中提供。
表3：变换的探测器位置
D1X：          -0.005089497
D1Y：          0.010946387
D1Z：          -0.003872116
D2X：          0.706862597
D2Y：          -0.726671158
D2Z：          0.099140237
D3X：          1.434281058
D3Y：          0.005010147
D3Z：          -7.03108E-06
D4X：          0.700926356
D4Y：          0.709703153
D4Z：          0.098171957
D5X：          0.714250253
D5Y：          0.001011471
D5Z：          1.011894954
调整控制线角度以使在第一点位置的y为0.0m。然后把车移到各个测绘点位置，并且肉眼可视地使探测器1的位置与车底板垂直对准。然后在每个测绘的点位置比较检测的输出与测绘信息。下面在表4中示出结果，其中测绘的点位置被标记为pt91、pt41、pt24、pt115和pt76(以米为单位)。如所示，xy距离上的误差范围为2-5cm(1-2”)，而z值被确认为在几毫米之内。
表4
in meter x by pyra y by pyra zby pyra plate x plate y plate z  difx    dify    xy dist
pt91       32.01     15.07    -0.34   31.997  15.084  -0.016   0.013   -0.014  0.019164
pt47       35.96     7.06     -0.34   36      7.086   -0.014   -0.039  -0.026  0.047344
pt24       35.98     3.04     -0.34   36.003  3.086   -0.012   -0.023  -0.046  0.051117
pt115      23.98     19.09    -0.33   23.9968 19.083  -0.006   -0.017  0.007   0.018317
pt76       7.983     11.071   -035    7.999   11.083  -0.018   -0.016  -0.012  0.01972
然后，把第二激光发射器ATX2021B放在第二原点板位置，以比较本发明与传统且更昂贵的两发射器系统的精度。在表5中提供了第二发射器特性。
表5：ATX2021B发射器文件：
ASD
PHI 1：       -0.5193683
PHI 2：       0.5160458
ALPHA 1：     1.5712155
ALPHA 2：     1.5715426
THETA偏移量： 1.5744753
速度：        40.0000000
X：           36.0089858
Y：           0.0000000
Z：           -0.0955599
RX：          0.0000000
RY：          0.0000000
RZ：          -0.2971674
然后由本发明的系统(表6中称为“Pyramid”)和两发射器系统(表6中称为“LS920”)的接收器执行同步位置测量。从在三个不同点收集的每个系统的记录数据中摘取大约200个采样。剔除遮挡的和尖峰位置数据。尖峰是由用于脉冲追踪器功能的同一观察窗中的两个不同发射器的激光脉冲冲突引起的。由于在一个发射器的系统中没有尖峰，所以将它们移除。对于这三个点的比较在表6中示出。
表6：
                     x(m)     y(m)     z(m)
point 106  Pyramid   17.948   17.058   -0.334
           LS920     17.956   17.07    -0.337
           Diff      -0.008   -0.012   0.003
point 91   Pyramid   32.018   15.125   -0.343
           LS920     32.004   15.093   -0.347
           Diff      0.014    0.032    0.004
Point 47   Pyramid   36.01    7.086    -0.342
           LS920     35.978   7.06     -0.349
           Diff      0.032    0.026    0.007
预测典型值与预测最大值之间的向量长度误差被示出。z-误差似乎超过了最大值，但猜想LS920配置可能在一夜之间移动了，因为它在第二天没有重复。表7中示出了标准偏差的比较。
表7
stddev     pyra x  pyra y  pyra z  LS x    LS y    LS z
point 106  0.013   0.013   0.000   0.003   0.001   0.000
point 91   0.014   0.010   0.002   0.001   0.006   0.000
point 47   0.032   0.006   0.001   0.000   0.001   0.000
应当注意，pyramid测量的x和y标准偏差近似地与x和y坐标成比例，表明位于径向上的标准偏差。表7中的标准偏差的比较表明传统的两发射器系统(LS920)比本发明(Pyramid)好些，从而证明其在各种应用中用作基准仪器是正确的。
长距离测试
进行长距离测试以检查最坏情况下的误差。使用放在距探测器阵列100m处的长距离激光发射器，在水平地面上开展本测试。在表8中提供了该发射器特性。
表8：在100米处的激光发射器特征
Characterization  Fixture：1，
Phi 1＝-0.508985 radians，
Phi 2＝0.534927 radians，
Theta Offset 1.569711 radians，
Alpha 1＝1.570061 radians，
Alpha 2＝1.567711 radians，
计算的速度  39.999952Hz.
尝试了相距100米的测量，但是光电探测器不拾取该距离处的来自激光发射器的信号。相信100米的距离已超出范围，因为光电探测器中的阈值调整值设得过低，但如果阈值等级是出厂设置，则能够容易达到该距离。然后激光发射器被逐渐向pyramid移近，直到pyramid检测到激光。该长距离发射器获得的距离为74m。
由于测试时无法提供上述激光发射器的特征数据，因此只记录了原始数据。之后，在提供了正确的发射器参数之后，角度数据被转换成位置数据。对192次测量的theta数据运行pyramid位置计算仿真器。计算xyz位置、距离和角度的平均值和标准偏差，并在下面的表9中示出。
表9：在74m处的点
           x       y       z       距离    方位      仰角
           (m)     (m)     (m)     (m)     (rad)     (rad)
标准偏差   0.01    0.103   0.001   0.103   0.000031  0.0000141
平均值     7.5287  3.697   -0.932  74.087  1.469001  -0.01257
用距离乘角度标准偏差，得出横向上的测量标准偏差。因此，方位上为74m×30.9E-06＝2mm，坡度上为74m×14.1E-06＝1mm。这些值比0.103m的径向标准偏差的小得多。这意味着测量噪声几乎都在径向上，而角度很紧密和精确。发射器的测量的倾斜距离的平均值为74.087m，其中由发射器所测的高度z的平均值为-0.932m。这些平均值测量与传统的两发射器系统的读数(74.124m的倾斜距离和-0.974m的z位置)非常吻合，其中两系统在倾斜距离上的差值为0.037m，在高度z上的差值为0.042m。
下面，移动激光发射器以使之与阵列之间具有62米间隔。计算由系统在62米处探测的xyz位置、距离和角度的平均值和标准偏差，并在下面的表10中示出。
表10：在62米处的点
          x           y           z           距离        方位        仰角
          (m)         (m)         (m)         (m)         (rad)       (rad)
标准偏差  0.005005    0.067273    0.001049    0.067446    0.000026    0.000010
平均值    4.578071    62.145910   -0.9814906  2.322040    1.497263    0.015750
测量的发射器的倾斜距离的平均值为62.322m，其中由发射器测量的高度z的平均值为-0.981m。由传统两发射器系统测量的倾斜距离为62.377m而高度z为-1.019m，其中两系统在倾斜距离上的差值为0.055m，在高度z上的差值为0.038m。该数据与74m处的数据相似，除了距离标准偏差比距离比增加的多。本系统的测量距离与传统两激光发射器系统的测量距离比例在74m处为1.0005，在62m处为1.0009。
在位置测量测试中，重新缩放pyramid的大小以便补偿与距离成比例的误差部分。这仅当探测器阵列总处于同一朝向时是可接受的。如果在不同方向观看探测器阵列，那么应当在很多视角上测量探测器，并且应当取平均，以使该缩放因子与平均缩放因子的差值最小。在一个实施例中，使用用于距离缩放的平均阵列大小，其中在将光电探测器保持在一个固定位置的同时，在阵列的所有方向上完成例如如上所述的位置测量测试。理想地是，不管阵列方向如何，测量位置都保持相同，这表明该阵列被极精确地测量。
由径向距离误差公式得出探测器阵列的简单误差模型：
e max , radial = 2 L ( n θ R 2 + n array R ) - - - ( 2 )
其中，emax，radial为最大径向距离误差，L为标称探测器阵列大小，nθ为以弧度为单位的theta噪声等级，narray为探测器阵列差分位置误差，R为距离。所有尺寸单位均为米。第一项为由theta噪声引起的误差，是距离的2次方，第二项为由于探测器阵列测量误差导致的误差，与距离成比例。通过长时间对pyramid位置取平均，第一项误差变小，第二项误差尽管不能被时间平均，但仍因阵列旋转平均而减小。对于误差预测，使用下面的值：
a.L＝1m
b.nθ＝10e-5rad
c.narray＝5.0e-4/sqrt(3)m
其它多面体情况：
为了进一步提高探测器阵列的精度，使theta噪声尽可能减到最小，现有两种可选方案：增加阵列大小或投进更多探测器。再加一个探测器，就提供六面体形状的阵列。下一个最佳形状是需要8个探测器的八面体或立方体。1m立方体将能使误差降低到18cm max。
上述实施例意在示例本发明的原理，但不限制其范围。对这些优选实施例进行变化的其它实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可在不偏离本发明的精神和在如下述权利要求中所限定的范围的情况下进行。例如，任何类型的电波能量，如音速、超音速、激光或红外线等均可用来提供上述位移、位置和移向的非接触测量。

Claims (37)

1、一种用于在工作地点引导载有工具(46)的机器(44)沿预定路径(51)移动的方法，所述方法包括：
把扇型激光发射器(12)放在远离机器(44)的工作地点，所述激光发射器(12)具有任意基准方向(54)并且生成两个扇形激光束(18a，18b)；
借助任意固定在具有三维形状的探测器阵列(14)中的已知位置的至少四个光电探测器(20b-20e)感测两个扇形激光束(18a，18b)，所述探测器阵列(14)被放在机器(44)上的已知位置；
把与所述任意基准方向(54)的基准方位角(52)设置到配备在机器(44)上的控制单元(16)中，所述基准方位角(52)指向与预定路径(51)平行的方向；
使用感测两个扇形激光束(18a，18b)的探测器阵列(14)向控制单元(16)提供的信息，计算测量的方位角(53)；
通过控制单元(16)比较测量的方位角(53)与基准方位角(52)，确定机器(44)相对于预定路径(51)的位置；以及
生成用于帮助沿预定路径(51)引导机器(44)的信号(58)。
2、按照权利要求1的方法，其中生成的所述信号(58)与用于补偿机器(44)与预定路径(51)的移动偏差的机器转向信号对应。
3、按照权利要求1的方法，还包括向显示器(39)发送所述信号(58)，以便可视地指示机器(44)是在左侧、右侧还是在预定路径(51)上。
4、按照权利要求1的方法，还包括：
通过把百分比斜度输入到所述控制单元(16)中确定工具(46)的所需坡度(48)，所述控制单元(16)把所述百分比斜度转换成等价的基准仰角；
借助所述探测器阵列(44)接收与所述扇型激光发射器(12)的测量仰角；
比较所述测量仰角与所述基准仰角；以及
生成用于指示工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方还是在所需坡度(48)上的另外信号(43)，所述比较和生成由所述控制单元(16)执行。
5、按照权利要求1的方法，其中通过把所述探测器阵列(14)放在处于限定平行于所需沟槽路径的所述方向的控制线(50)上的远距离点上方并在所述控制单元(16)上按下“确定路线”按钮，来执行所述设置所述基准方位角(52)。
6、按照权利要求1的方法，还包括在显示器上显示所述基准方位角(52)。
7、按照权利要求1的方法，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)是五个光电探测器(20a-20e)。
8、按照权利要求1的方法，其中所述三维形状是棱锥。
9、按照权利要求1的方法，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)在x、y和z坐标中以几何方式布置并且彼此隔开。
10、按照权利要求1的方法，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)在所有边均具有已知长度的棱锥形状中以几何方式布置并且彼此隔开。
11、按照权利要求1的方法，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)是以几何方式布置并且彼此隔开以减少一个探测器对另一个探测器的遮蔽的五个光电探测器(20a-20e)。
12、按照权利要求1的方法，其中所述探测器阵列(14)的三维形状为棱锥，其中在所述探测器阵列(14)的所述棱锥的底部的两个相对探测器(20a，20c)与在底部的另两个探测器(20b，20d)处于不同的高度上。
13、按照权利要求1的方法，其中所述三维形状为：在x轴旋转±45°、y轴旋转±45°与z轴旋转±180°范围内的所述探测器阵列(14)的任意朝向上，不止一个所述光电探测器(20a-20e)到所述激光发射器(12)的视线总是无遮挡的。
14、按照权利要求1的方法，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)在垂直向上被固定到所述探测器阵列。
15、按照权利要求1的方法，其中所述控制单元(16)还提供脉冲检测、方位和仰角处理、位置确定以及显示处理。
16、按照权利要求1的方法，其中所述扇型激光发射器(12)被远离机器(44)放在与预定路径(51)偏移一段距离的控制线(50)上。
17、按照权利要求4的方法，其中通过用户界面(34)把所述百分比斜度输入到所述控制单元(16)中。
18、按照权利要求4的方法，其中所述控制单元(16)通过计算tan-1×(％斜度/100)，把所述百分比斜度转换成等价的基准仰角。
19、按照权利要求4的方法，其中机器(44)在具有杆长度(a，b，c)的悬臂(42)的末端载有工具(46)，并且所述方法还包括通过控制单元(16)接收指示所述杆长度(a，b，c)彼此的相对朝向的朝向信号(47)，所述控制单元(16)使用所述朝向信号(47)、所述杆长度(a，b，c)以及所述测量仰角(53)与所述基准仰角(52)之间的比较来确定工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方，还是在所需坡度(48)上。
20、一种用于在工作地点引导载有工具(46)的机器(44)沿预定路径(51)移动的控制系统(10)，所述控制系统(10)包括：
扇型激光发射器(12)，在用于控制系统(10)中时，被放在远离机器(44)、平行于预定路径(51)的控制线(50)上的工作地点处，并且在任意基准方向(54)上被构建；
至少四个光电激光器(20b-20e)，任意固定在具有三维形状的探测器阵列(14)中的已知位置，所述探测器阵列(14)放在机器(44)上的已知位置处并且被配置为在工作时接收与所述扇型激光发射器(12)的测量的方位角(53)；以及
控制单元(16)，配备在机器(44)上并且被配置为存储与所述任意基准方向(54)的基准方位角(52)，当所述基准方位角(52)被存储在所述控制单元(16)中时指向与预定路径(51)平行的方向，所述控制单元(16)被配置为在使用中通过比较所述测量的方位角(53)与所述基准方位角(52)来生成用于至少指示工具(46)相对于预定路径(51)的位置的信号(43或58)。
21、按照权利要求20的控制系统(10)，其中由所述控制单元(16)生成的所述信号(43或58)与由所述探测器阵列(14)检测的机器(44)与所述预定路径(51)的移动偏差对应。
22、按照权利要求20的控制系统(10)，还包括显示器(39)，所述显示器(39)接收所述信号(58)以便指示工具(46)在左侧、右侧还是在预定路径(51)上。
23、按照权利要求20的控制系统(10)，还包括用于把百分比斜度输入到所述控制单元(16)中的用户界面(34)，所述控制单元(16)被配置为把百分比斜度转换为等价的基准仰角。
24、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述控制单元(16)被配置为生成指示工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方还是在所需坡度(48)上的另外信号(43)。
25、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述控制单元(16)包括用于把所述基准方位角(52)设置到所述控制单元(16)中的“确定路线”按钮(56)。
26、按照权利要求20的控制系统(10)，还包括用于显示所述基准方位角(52)的显示器(39)。
27、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)是五个光电探测器(20a-20e)。
28、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述三维形状是棱锥。
29、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)在x、y和z坐标中以几何方式布置并且彼此隔开。
30、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述三维形状是这各边具有已知长度的棱锥。
31、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述三维形状减少所述光电探测器(20b-20e)中一个对另一个的遮蔽。
32、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)被布置为：在x轴旋转±45°、y轴旋转±45°与z轴旋转±180°范围内的所述探测器阵列(14)的任意朝向上，不止一个所述光电探测器(20a-20e)到所述激光发射器(12)的视线总是无遮挡的。
33、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述至少四个光电探测器(20b-20e)布置在垂直方向上。
34、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述控制单元(16)被配置为提供脉冲检测、方位和仰角处理、位置确定以及显示处理。
35、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述机器(44)在具有杆长度(a，b，c)的悬臂(42)的末端载有工具(46)，所述控制系统(10)还包括被配置为提供指示所述杆长度(a，b，c)彼此之间的相对朝向的朝向信号(47)的编码器(45)，所述控制单元(16)被配置为使用所述朝向信号(47)、所述杆长度(a，b，c)以及所述测量仰角(53)与所述基准仰角(52)之间的比较来确定工具(46)是在所需坡度(48)上方、下方，还是在所需坡度(48)上。
36、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述三维形状是六面体。
37、按照权利要求20的控制系统(10)，其中所述三维形状是八面体。
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