CN101535573B - 挖掘机3d综合式激光和无线电定位引导系统 - Google Patents

Abstract

一种挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)，其包括：配置成获得挖掘机的2D横坐标的移动无线电定位系统接收器；配置成获得挖掘机的吊臂、操纵杆以及铲斗的坐标的铲斗-机械-本体定位系统；配置成接收至少一个激光束且还配置成以相当高的精度提供局部纵坐标的激光探测器；以及机载导航系统，该机载导航系统被配置成接收由移动无线电定位系统接收器获得的挖掘机的2D横坐标、由铲斗-机械-本体定位系统获得的挖掘机的吊臂、操纵杆以及铲斗的坐标、以及由激光探测器获得的局部纵坐标并将这些坐标综合起来，还被配置成以相当高的垂直精度来引导挖掘机的铲斗的切削刀刃。

Description

挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统

技术领域

本发明涉及位置跟踪和机械控制系统，更特别的是，涉及激光系统和无线电定位系统的组合，这些系统被配置成彼此互补以使现有技术系统的跟踪和机械控制能力达到最佳。

背景技术

最近，在无线电测距或伪卫星机械控制系统的领域内有许多进展。然而，无线电测距或伪卫星机械控制系统有局限，只能达到厘米精度。

例如，Trimble提出的一系列机械控制系统包括：具有单标高(elevation)控制的GCS300，具有双标高控制的GCS400，具有横坡控制的GCS500，具有横坡和标高控制的GCS600，以及提供达到厘米精度的全3D控制的GCS900。在另一例子中，Trimble还提出SiteVision HEX机械控制系统。Trimble的版本5.0Site Vision System包括用在推土机、铲土机、平地机、压土机以及挖掘机上的3D机械引导及控制系统。该SiteVision HEX机械控制系统使用GPS技术。安装在推土机或铲土机上的GPS接收器连续地计算在机械刀刃的每一端上所安装的GPS天线的准确位置。机载计算机确定每一个刀刃尖端的准确位置，并将这些位置与设计标高进行比较。然后计算切削或填充量以减缓坡度(grade)。该信息被显示在驾驶室内的屏幕上，并将该切削/填充数据传送到Site Vision灯条，这些灯条引导操作者向上或向下以减缓坡度并且向右或向左一个限定好的对准量。

最近，在包括平面激光及扇形激光系统的旋转激光系统方面也有许多进展。平面激光提供参考光平面。扇形激光提供一或多个绕轴旋转的光平面，可从该光平面推导出标高差。推导出标高差的普通技术是确定探测到两个或多个扇形波束之间的时差。这些系统，诸如Trimble激光站和Topcon激光区系统，提供了精度达到毫米的标高差。对于挖掘机而言，在挖掘操作期间关键的精度是垂直精度。

所需要的是将无线电测距系统和基于激光的系统组合起来，以为挖掘机提供达到毫米的垂直精度。

发明内容

本发明提供了挖掘机3D综合式激光和无线电定位及引导的系统和方法。该挖掘机包括：包括绕行走构件(tread member)水平转动的驾驶室的机座；通过第一枢转件可转动地安装在驾驶室近端处的吊臂；通过第二枢转件可转动地安装在吊臂远端的近端处的操纵杆(stick)；以及通过第三枢转件可转动地安装在操纵杆远端的近端处的铲斗。铲斗的远端限定了用于响应所述铲斗朝向所述机座的运动来挖掘泥土的切削刀刃。

本发明的一个方面涉及一种挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)。

在一实施方式中，本发明的挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)包括：移动无线电定位系统接收器，其被配置成获得挖掘机的2D横坐标；铲斗-机械-本体(bucket-to-machine-body)定位系统，其被配置成确定挖掘机的吊臂、操纵杆以及铲斗相对于机械本体的位置坐标；激光探测器，其被配置成接收至少一个激光束以及配置成以相当高的精度提供局部纵坐标；以及机载导航系统，其被配置成接收由移动无线电定位系统接收器所获得的挖掘机的2D横坐标、由铲斗-机械-本体定位系统所获得的挖掘机的吊臂、操纵杆以及铲斗的位置坐标以及由激光探测器所获得的局部纵坐标并将它们综合起来，其还被配置成以相当高的垂直精度来引导挖掘机的铲斗的切削刀刃。

在本发明一实施方式中，移动无线电定位系统接收器选自由以下项组成的组：{独立的卫星接收器；基于虚拟参考站(VRS)的差分(differential)卫星定位系统接收器；基于广域增强服务(WASS)的差分卫星定位系统接收器；基于实时动态(RTK)的卫星定位系统接收器；基于全向STAR-高性能(HP)的差分卫星定位系统接收器；以及伪卫星接收器}。

在本发明一实施方式中，卫星接收器选自由以下项组成的组：{全球定位系统(GPS)接收器，GLONASS接收器，全球导航卫星系统(GNSS)接收器，以及组合的GPS-GLONASS接收器}。

在本发明一实施方式中，铲斗-机械-本体定位系统选自由以下项组成的组：{角度(倾度)传感器；缸内测量传感器；电位计传感器；以及电缆编码器}。

在本发明一实施方式中，激光探测器还包括：配置成自单斜面平面激光发射器接收单斜面平面激光束的单斜面平面激光探测器。

在本发明一实施方式中，激光探测器还包括：配置成自双斜面平面激光发射器接收双斜面平面激光束的双斜面平面激光探测器。

在本发明一实施方式中，激光探测器还包括：配置成自单斜面扇形激光发射器接收单斜面扇形激光束的单斜面扇形激光探测器。

在本发明又一实施方式中，激光探测器还包括：配置成自扇形激光发射器接收至少两束扇形激光束的扇形激光探测器。在本发明该实施方式中，机载导航系统被配置成计算扇形激光发射器与扇形激光探测器之间的高度差，以提高Ex_3D_ILRPGS系统的垂直精度。

在本发明一实施方式中，机载导航系统还包括：机载计算机，其被配置成计算铲斗的切削刀刃的实际位置与设计表面之间的差值，其还被配置成通过控制那些被配置成操作铲斗的切削刀刃的液压阀来控制所述铲斗的切削刀刃的位置。

在一实施方式中，本发明的挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)还包括：配置成显示挖掘机的铲斗的运动的机载显示系统，其中，以大致类似于激光束的垂直精度的精度来显示铲斗的切削刀刃的纵坐标。

在一实施方式中，本发明的挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)还包括：配置成远程操作挖掘机的遥控站，以及配置成链接着遥控站和Ex_3D_ILRPGS系统的机载导航系统的通信链路。在本发明的该实施方式中，机载导航系统被配置成将挖掘机实时定位数据经由通信链路发送到遥控站，并且机载导航系统被配置成经由通信链路自遥控站接收至少一个控制信号。无线通信链路选自由以下项组成的组：{蜂窝链路；无线电；专用无线电波段；SiteNet 900专用无线电网络；无线互联网；卫星无线通信链路；以及光学无线链路}。

在本发明一实施方式中，遥控站还包括：配置成显示受遥控的挖掘机的铲斗的运动的显示器。

本发明的另一个方面涉及一种利用Ex_3D_ILRPGS系统以相当高的垂直精度来操作挖掘机的方法。

在一实施方式中，本发明的方法包括以下步骤：(A)利用移动无线电定位系统接收器来获得挖掘机的2D横坐标；(B)利用铲斗-机械-本体定位系统来确定挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标；(C)利用配置成自激光发射器接收至少一个激光束的激光探测器，以相当高的精度来获得局部纵坐标；(D)利用机载导航系统，接收由移动无线电定位系统接收器获得的挖掘机的2D横坐标、由铲斗-机械-本体定位系统获得的挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标以及由激光探测器获得的局部纵坐标并将它们综合起来；以及(E)利用机载导航系统，以相当高的垂直精度来引导挖掘机的铲斗的切削刀刃。

在本发明一实施方式中，步骤(A)进一步包括：(A1)从包含以下项的组中选择移动无线电定位系统接收器：{独立的卫星接收器；基于虚拟参考站(VRS)的差分卫星定位系统接收器；基于广域增强服务(WASS)的差分卫星定位系统接收器；基于实时动态(RTK)的卫星定位系统接收器；基于全向STAR-高性能(HP)的差分卫星定位系统接收器；以及伪卫星接收器}。在本发明的该实施方式中，步骤(A)还包括：(A2)从包含以下项的组中选择卫星接收器：{全球定位系统(GPS)接收器，GLONASS接收器，全球导航卫星系统(GNSS)接收器，以及组合的GPS-GLONASS接收器}。

在本发明一实施方式中，其中，移动无线电定位系统接收器进一步包括卫星接收器和伪卫星接收器；步骤(A)还包括：利用卫星接收器获得挖掘机的第一横坐标，以及利用伪卫星接收器获得挖掘机的第二横坐标。

在本发明一实施方式中，步骤(B)进一步包括：(B1)从包含以下项的组中选择至少一个位置传感器：{倾度传感器；缸内测量传感器；电位计；以及电缆编码器}。

在本发明一实施方式中，步骤(C)进一步包括：(C1)利用单斜面平面激光探测器自单斜面平面激光发射器接收单斜面平面激光束。在本发明另一实施方式中，步骤(C)进一步包括：(C2)利用双斜面平面激光探测器自双斜面平面激光发射器接收双斜面平面激光束。在本发明又一实施方式中，步骤(C)进一步包括：(C3)利用单斜面扇形激光探测器自单斜面扇形激光发射器接收单斜面扇形激光束。在本发明再一实施方式中，步骤(C)进一步包括：(C4)利用扇形激光探测器自扇形激光发射器接收至少两束扇形激光束，其中，将机载导航系统配置成计算扇形激光发射器与扇形激光探测器之间的高度差，以提高Ex_3D_ILRPGS系统的垂直精度。

在本发明一实施方式中，步骤(D)进一步包括：(D1)利用机载计算机来计算铲斗的切削刀刃的实际位置与设计表面之间的差值。

在本发明一实施方式中，步骤(E)进一步包括：(E1)利用机载导航系统，通过控制那些被配置成操作铲斗的切削刀刃的液压阀来控制所述铲斗的切削刀刃的位置。在本发明另一实施方式中，步骤(E)进一步包括：(E2)利用遥控站来远程操作挖掘机。在本发明又一实施方式中，步骤(E)进一步包括：(E3)利用通信链路来连接遥控站和Ex_3D_ILRPGS系统的机载导航系统；(E4)将挖掘机实时定位数据经由通信链路发送到遥控站；以及(E5)经由通信链路自遥控站接收至少一个控制信号。在本发明该实施方式中，步骤(E3)进一步包括：(E3，1)从包含以下项的组中选择无线通信链路：{蜂窝链路；无线电；专用无线电波段；SiteNet 900专用无线电网络；无线互联网；卫星无线通信链路；以及光学无线链路}。

在一实施方式中，其中，挖掘机进一步包括机载显示系统，本发明方法还包括：(F)利用机载显示系统显示挖掘机的铲斗的运动，其中，以大致类似于激光束的垂直精度的精度来显示铲斗的切削刀刃的纵坐标。

在一实施方式中，其中，遥控站进一步包括显示系统，本发明的方法还包括：(H)利用控制站的显示系统显示挖掘机的铲斗的运动，其中，以大致类似于激光束的垂直精度的精度来显示所述铲斗的切削刀刃的纵坐标。

本发明的又一个方面涉及一种利用Ex_3D_ILRPGS系统以改进的垂直精度操作挖掘机的方法，其中，利用移动无线电定位系统接收器来获得挖掘机的3D坐标；以及其中，利用配置成自激光发射器接收至少一个激光束的激光探测器以相当高的精度来获得局部纵坐标。

在一实施方式中，本发明的方法进一步包括：(A)利用移动无线电定位系统接收器来获得挖掘机的3D坐标；(B)利用铲斗-机械-本体定位系统来确定挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标；(C)利用配置成自激光发射器接收至少一个激光束的激光探测器以相当高的精度来获得局部纵坐标；(D)利用机载导航系统，接收由移动无线电定位系统接收器获得的挖掘机的3D坐标、由铲斗-机械-本体定位系统获得的挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标以及由激光探测器获得的局部纵坐标并将它们综合起来，目的是改进移动无线电定位系统接收器的垂直精度；以及(E)利用机载导航系统，以改进的垂直精度来引导挖掘机的铲斗的切削刀刃。

本发明的又一个方面涉及一种通过利用Ex_3D_ILRPGS系统并对不同的测量分配(assigning)权重函数从而以改进的垂直精度来操作挖掘机的方法。

在本发明一实施方式中，所述方法包括：(A)利用移动无线电定位系统接收器，通过多次测量来获得挖掘机的一组3D坐标测量结果；(B)利用铲斗-机械-本体定位系统来获得挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标；(C)利用配置成自激光发射器接收至少一个激光束的激光探测器，通过多次测量以相当高的精度来获得一组局部纵坐标测量结果；(D)选择权重函数，该权重函数被配置成将3D权重函数分配给通过利用移动无线电定位系统接收器而获得的那组3D测量结果，还被配置成将纵(vertical)权重函数分配给通过利用激光探测器而获得的那组局部纵坐标测量结果；(E)利用机载导航系统，将具有3D权重函数的挖掘机的那组3D坐标测量结果与具有纵权重函数的那组局部纵坐标测量结果综合起来，目的是改进移动无线电定位系统接收器的垂直精度；以及(F)利用机载导航系统，以改进的垂直精度来引导挖掘机的铲斗的切削刀刃。

附图说明

在此加入并构成说明书的一部份的附图示出本发明的实施方式，并与说明书一道用来解释本发明的原理。

图1所示为本发明目的利用平面激光发射器的挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)的示意图。

图2所示为本发明目的利用扇形激光发射器的挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)的示意图。

具体实施方式

下面将详细提及本发明以及附图所示的较佳实施方式。虽然下文将连同较佳实施方式叙述本发明，但应该明白并不是打算将本发明限于该些实施方式。相反，本发明旨在覆盖可包含在如所附权利要求限定的本发明的精神和保护范围之内的替选方案、变型及等同物。此外，在以下对本发明的详细叙述中提出了很多特定细节，是为了可彻底地理解本发明。但是很明显，对于本领域的普通技术人员而言，无需该些特定细节也可实施本发明。在其它的情况下，对众所周知的方法、过程、部件和电路未作详细叙述，以免不必要地模糊本发明的特征。

以下将详细描述的某些部分用术语表达：移动无线电定位系统接收器，基于激光的定位系统以及机载导航系统。这些描述和表达是导航系统领域的普通技术人员所使用的手段，以最有效地将他们的工作主旨传达给本领域其他技术人员。

在本发明一实施方式中，图1所示为一种挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)10。典型的挖掘机14(图1)包括：机座33，机座33包括绕行走构件34水平转动的驾驶室32；通过第一枢转件42可转动地安装在驾驶室32的近端处的吊臂36；通过第二枢转件44可转动地安装在吊臂36远端的近端处的操纵杆38；以及通过第三枢转件46可转动地安装在操纵杆38远端的近端处的铲斗40。铲斗40的远端限定了切削刀刃30，切削刀刃30被用于响应铲斗40朝向机座33的运动来挖掘泥土。

在本发明的一实施方式中，挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)10还包括：配置成获得挖掘机14的2D横坐标的移动无线电定位系统接收器12；以及配置成确定铲斗切削刀刃相对于机械本体33的位置的铲斗-机械-本体定位系统16。

仍然参见图1，在本发明的一实施方式中，挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)10还包括：激光探测器24，配置成接收至少一个激光束26以及配置成以相当高的精度提供局部纵坐标；以及机载导航系统28，该机载导航系统被配置成接收由移动无线电定位系统接收器12获得的挖掘机的2D横坐标、由铲斗-机械-本体定位系统16获得的挖掘机14的吊臂36、操纵杆38以及铲斗40的坐标、以及由激光探测器24获得的局部纵坐标并将这些坐标综合起来，还被配置成以足够高的垂直精度来引导挖掘机14的铲斗切削刀刃30。

在本发明的一实施方式中，从包含以下项的组中选择卫星接收器(图中未示)：{全球定位系统(GPS)接收器，GLONASS接收器，全球导航卫星系统(GNSS)接收器，以及组合的GPS-GLONASS接收器}。

全球定位系统(GPS)是一种用于发送信息的卫星信号发射器系统，通过该系统可确定观测者的当前位置和/或观测时间。在文献“ICD-GPS-200：GPSInterface Control Document，ARINC Research，1997，GPS Joint Program Office”中对GPS系统作了全面的描述，将此文献全文引述到本文中。

另一种基于卫星的导航系统被称为全球导航卫星系统(GLONASS)，其可作为备选或补充系统。该GLONASS系统是由前苏联设置在轨道中，而现由俄罗斯共和国进行维护。

如欧盟委员会在“欧洲运输政策2010年白皮书”中所述，欧盟将开发一种独立的卫星导航系统GALILEO作为全球导航卫星基础设施(GNSS)的一部分。

本文提及的无线电定位系统(RADPS)是指全球定位系统(GPS)；指全球导航卫星系统(GLONASS)；指GALILEO系统；以及指任何其它提供信息的可兼容的基于卫星系统的全球导航卫星系统(GNSS)，通过该系统可确定观测者的位置和观测时间，所有这些系统均满足本发明的要求；以及指基于地面的无线电定位系统，诸如包含一或多个伪卫星发射器的系统。

当RADPS接收器通过对所发送的星历参数进行解调从而确定第i个卫星的坐标后，RADPS接收器可获得其未知坐标(x0，y0，z0)以及未知时间的偏移误差(cb)的联立方程式组的解。RADPS接收器还可确定移动平台的速度。

仍参见图1，在本发明的一实施方式中，从包含以下项的组中选择移动无线电定位系统接收器12：{独立的卫星接收器；基于虚拟参考站(VRS)的差分(differential)卫星定位系统接收器；基于广域增强服务(WASS)的差分卫星定位系统接收器；基于实时动态(RTK)的卫星定位系统接收器；基于全向STAR-高性能(HP)的差分卫星定位系统接收器；以及伪卫星接收器}。

在一实施方式中，移动无线电定位系统接收器12(图1)包括差分GPS接收器。在确定差分定位时，对于多个靠得很近的站而言，RADPS信号中有损绝对定位精度的很多误差具有相似的大小。因此，通过部分误差消除法，来大体上减小这些误差对差分定位精度的影响。因此，差分定位法比绝对定位法要精确得多，只要这些站之间的距离比这些站与卫星之间的距离小很多即可，这是惯常的情况。差分定位可用于提供定位坐标和距离，可精确到几个厘米。差分GPS接收器可包括：(a)实时代码差分GPS；(b)后处理差分GPS；(c)包含代码和载波RTK差分GPS接收器的实时动态(RTK)差分GPS。

差分GPS接收器可自不同的来源获得差分修正。仍参见图1，在本发明的一实施方式中，差分GPS接收器12可自基站(图中未示)获得差分修正。

位于已知位置的固定基站(BS)确定每一个接收到的GPS信号中的距离及距离变化率测定误差，并将这些测定误差作为本地使用者所应用的修正而加以传送。基站(BS)具有其自己的不精确的时钟，即时钟biasCBBASE。结果，本地使用者能够得到相对于基站位置和基站时钟更精确的导航结果。在具有适当设备的情况下，离基站几百公里远处，5米的相对精度应该是可能的。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，利用TRIMBLE Ag GPS-132接收器可以实现移动无线电定位系统接收器12，该接收器通过使用无线通信装置(图中未示)以及无线通信链路(图中未示)自U.S.Cost Guard服务免费得到以300kHz波段播送的差分修正。在该实施方式中，移动无线电定位系统接收器12应被置于距离U.S.Cost Guard基站(2-300)英里的范围内。该差分GPS方法的精度大约为50cm。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，自广域增强系统(WASS)可获得差分修正。WASS系统包括基站网络，该网络使用卫星(初始同步卫星-GEOs)向GPS用户播送GPS完整性及修正数据。WASS提供用于扩大GPS的测距信号，该WASS测距信号被设计成使标准GPS接收器硬件修正最小化。该WASS测距信号利用GPS频率和GPS型调制，只包括粗/采集(C/A)PRN码。另外，码相位定时(code phase timing)与GPS时间同步，以提供测距能力。为了获得位置解决方案，WASS卫星可用作为卫星选择算法中的任何其它GPS卫星。WASS对可兼容WASS的使用者提供免费的差分修正。该方法的精度比1米更好。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，包括实时动态(RTK)差分GPS接收器的移动无线电定位系统接收器12可用于获得小于2cm精度的定位。RTK是一种方法，其中，从已知位置处的参考接收器实时地发送GPS信号修正到一或多个远程漫游的接收器。能够进行RTK的GPS系统的用户可以补偿大气延迟、轨道误差以及GPS几何结构中的其它变量，从而使定位精度提高至厘米范围内。经工程技术人员、地形学者、测量员以及其他专家所使用，RTK属应用方面的技术，其中精度是极为重要的。在诸如土木工程和挖掘的应用方面，RTK不仅用作为精度定位仪，而且还用作导航系统或自动机器引导的核心。其优点超越传统的定位和跟踪方法，提高了生产力和精度。通过利用用于输送最精确GPS信息的GPS信号的码相位以及载波相位，RTK提供差分修正来产生最精确的GPS定位。RTK方法始于初步模糊度消解。这是任何动态系统的至关重要的方面，尤其是在实时操作的情况下，其中漫游接收器的速度应不会降低可实现的性能或系统的整体可靠性。请参见专利号为5,602,741的美国专利。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，包括差分GPS接收器的移动无线电定位系统接收器12可以通过利用无线通信装置(图中未示)以及无线通信链路(图中未示)，自虚拟基站(VBS)(图中未示)获得差分修正。

实际上，将虚拟基站(VBS)配置成这样一种形式：通过单个网络连接组成的并置通信链路以及无线电发送或播送系统，将网络产生的修正数据输送到多个漫游者。无线电发射系统可与被指定为本地虚拟参考站的位置的GPS基站共同定位。该GPS基站利用GPS来确定其位置，并经由本地GPS基站和VRS基站之间的蜂窝链路将其位置发送到VRS基站。它能够使VRS基站产生差分修正，就如同这种差分修正是在真实的GPS基站位置实际产生的那样。由UlrichVollath，Alois Deking，Herbert Landau和Christian Pagels撰写的更详细描述VRS的文章″Long-Range RTK Positioning Using Virtual Reference Stations″在此全文引述作为参考，并可从以下URL访问该文：

http://trl.trimble.com/dscgi/ds.py/Get/File-93152/iaS2001-Paper-LongRange.pdf。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，利用Trimble

AgGPS

EZ-Guide

252系统可实现上述移动无线电定位系统接收器12，所述系统将EZ-Guide Plus灯条引导系统和AgGPS 252多功能接收器组合起来。EZ-Guide 252灯条引导系统能够让挖掘机操作者选择所需级别的GPS精度来手动操控挖掘机。为了能达到比2英寸更佳的精度，可使用全向STAR高性能(HP)卫星服务。

全向STAR-HP(高性能)解决方案是双频GPS增强服务，该服务提供稳定及可靠的高性能GPS定位。通过利用双频GPS观测，全向STAR-HP可测量参考站和用户位置处的真实电离层误差，大体上消除这种在定位精度方面的影响。利用这些无电离层影响的测量法与其它包含在GPS接收器载波相位数据中的信息，全向STAR-HP解决方案能够在选择的区域中产生精度和性能不相配的广域定位解决方案。所公布的精度为：横向0.2米(Hz)，纵向0.3米(Z)。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，可利用伪卫星来实现移动无线电定位系统接收器12。该伪卫星包括：以任何无线电频率工作的地面基无线电定位系统，所述频率包括但不限于：GPS频率以及包括900MHZ，2.4GHz，或5.8GHz波段的ISM频带的ISM(工业、科学和医学)免执照工作频带，或者以无线电定位频带诸如(9.5-10)GHz波段运行。通过增加精度、完整性以及可用性，伪卫星可用于增强GPS。有关GPS频带的伪卫星发射器的完整描述可在以下文章中找到：由Bradford W.Parkinson和James J.Spilker Jr.编辑的、由美国航空航天学会于1966年公布在″PROGRESS IN ASTRONAUTICS ANDAERONAUTICS″第164卷中的  “Global Positioning System：Theory andApplications；Volume II″。为了本发明的目的，可以使用由Locata公司(澳大利亚堪培拉)和Novariant公司(美国加州门洛帕克市)制造的伪卫星。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，可以实现移动无线电定位系统接收器12，其利用配置成自多个可视卫星接收卫星信号的卫星接收器(图中未示)与配置成自多个可用的伪卫星接收伪卫星信号的伪卫星接收器(图中未示)的组合，以获得挖掘机14的位置坐标。作为无线电定位系统的伪卫星可被配置成在ISM频带中工作。因此，在此实施方式中，使用者可拥有包括900MHZ，2.4GHz，或5.8GHz波段的ISM通信系统两终端。ISM技术是由美国加州桑尼维尔市和加州洛斯卡图(Los Gatos)的Trimble Navigation Limited公司以及由加州圣塔芭芭拉市的Utilicom公司制作的。

以下的论述焦点在GPS接收器，尽管同样的方法可用于GLONASS接收器、GPS/GLONASS组合接收器、GALILEO接收器、或任何其它RADPS接收器。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，铲斗-机械-本体定位系统16配置成相对于机械本体33确定铲斗切削刀刃30的位置。这可利用多种不同的方法做到。

在本发明一实施方式中，铲斗-机械-本体定位系统16被配置成通过利用附着在吊臂36上的倾度(角度)传感器18、附着在操纵杆38上的倾度(角度)传感器20以及附着在铲斗40上的倾度(角度)传感器22，来确定铲斗切削刀刃30相对于机械本体33的位置。

由SignalQuest公司(位于美国新罕不什尔州03766黎巴嫩市)制造的倾度传感器可用于本发明的目的。SignalQuest公司制造嵌入式微传感器。例如，SQ-SEN-001P系列传感器在动态时产生连续的开-关触点闭合。当静止时，它将处于开启或关闭状态。它对倾斜(静态加速)和振动(动态加速)两者都很敏感。通过利用单个电阻器来限制电流，可易于使用该传感器来产生一系列CMOS或TTL级逻辑脉冲。可用该信号来中断(唤醒)微控制器，或者可以计算该信号以估算活动量及活动持续时间。该传感器是完全被动的，不需要信号调节，而且可易于用在吸取0.25uA连续电流的微控制器中断电路中。由SignalQuest公司制造的另一种传感器为SQ-SI-360DA固态MEMS倾角计。SQ-SI-360DA固态MEMS倾角计提供模拟电压输出以及数字串联输出(digital serial output)，这直接对应于满量程(full-scale range)360ε的节锥角(pitch angle)或±80ε的节锥角及倾侧角。

在本发明一实施方式中，铲斗-机械-本体定位系统16被配置成通过利用用于测量液压缸扩展的电缆编码器(图中未示)，来确定铲斗切削刀刃30相对于机械本体33的位置。Trimble Navigation LTD公司制造使用电缆编码器的CE21。

可以利用光学增量式编码器来实现用于本发明目的的电缆编码器。光学增量式编码器是一种线性/角度定位传感器，其使用光和光学器件来感测运动。光学编码器可以高速地提供定位信息。大部分旋转式光学编码器由以下部分组成：带等距间隔标记的玻璃盘，安装在玻璃盘一侧上的光源，以及安装在玻璃盘另一侧上的光探测器。旋转式光学编码器的组件通常被包装在耐用封闭壳体内，以保护光路和电子设备并隔离不良工业环境中经常出现的尘埃及其它物质。当玻璃盘转动时，盘上的标记暂时地遮掩光通路，从而导致编码器输出一脉冲。由编码器每一转产生的脉冲的数目表示该编码器的分辨率。该编码器的分辨率(它们的PPR，即每转脉冲数)，典型范围由几PPR至几十万PPR。因为盘上的标记均匀地分布，所以编码器总是响应于已知增量的位置移动来产生脉冲。随后，通过将编码器的输出连接到每次编码器产生脉冲时增量或减量的计数器来测量物体的位置。计数器的值指出该量化至编码器分辨率的物体的位置。也就是说，如果编码器每转产生10个脉冲的话，则位置测量的分辨率可能不会比1/10th的分辨率更好。

为了探测运动的方向并且增大编码器的有效分辨率，加入第二光探测器并在玻璃盘和光探测器(图中未示)之间插入掩模(mask)。将这两个光探测器和掩模设置成当转动编码器轴时生成两个正弦波(它们异相90°)。这些所谓的正交信号要么作为模拟正弦波信号被直接发送到编码器之外，要么利用比较器使这些所谓的正交信号自乘(squared)以产生数字输出。为了提高编码器的分辨率，将一种称为内插的方法应用到正弦波和/或方波输出。内插法通常使编码器分辨率提高到玻璃盘的基本分辨率的2至25倍。通过简单地查看来自编码器的正交信号的定时，来获得指引。

标准旋转式编码器的变型是空心轴式编码器。空心轴式编码器是不带轴的独立的编码器。取代耦合到轴以测量位置的方式，而是将空心轴式编码器简单地装在待测量的轴上。随后，空心轴式编码器消除与耦合相关联的谐振，并简化对准的困难。线性光学编码器感测线性运动。线性编码器取代具有以等距间隔标记的固定刻度的旋转盘。线性编码器的刻度可由玻璃、金属或带状物(金属，塑料…)构成。用包含光源和光探测器的移动头组件来读取刻度上的标记。用距离单位来规定线性编码器的分辨率，且由标记之间的距离来规定该分辨率。线性编码器的可用长度为几厘米至数百米且分辨率低至微米(或更小)。

激光光学编码器是另一种运动传感器。虽然这些装置使用不同的内部测量方法，但它们具有与标准编码器相同的功能。对于该类型的可用运动传感器，编码器以合理的价钱提供最佳精度和速度，而且很容易从众多制造商处买到。

在本发明的一实施方式中，铲斗-机械-本体定位系统16被配置成通过使用位置感测汽缸(缸内测量)，来确定铲斗切削刀刃30相对于机械本体33的位置，其中通过利用像飞行时间法(time of flight)或测量汽缸一端至另一端之间距离的其它方法来确定汽缸的长度。

在本发明的一实施方式中，铲斗-机械-本体定位系统16被配置成通过使用一种测量电压的桥接电路的电位计，来确定铲斗切削刀刃30相对于机械本体33的位置。原电位计衍生出四种主要的种类：定阻电位计，恒流电位计，微伏电位计以及热电偶电位计。

也有一些开发之中的系统使用组合方案，例如：吊臂上的电位计，操纵杆上的倾度传感器(与激光器组合)以及铲斗上的位置感测汽缸。“铲斗至机械本体”子系统的制造商包括有：Mikrofyn，Prolec，Axiomatic和Trimble。

仍参见图1，在本发明一实施方式中，激光探测器24还包括：单斜面平面激光探测器，其配置成自单斜面平面激光发射器50接收单斜面平面激光束26。一种产生诸如GL700的类似单斜面平面激光发射器是由Trimble制造的。

更特别的是，根据美国专利号6,433,866，激光发射器50(图1)包括旋转式激光系统(图中未示)。在旋转式激光系统中，激光源在水平面(或Z-平面)中旋转(机械式，或光学式)。旋转激光器发射激光束，提供毫米精度的精确参考平面。但是，为了探测和得到有益的旋转激光束，潜在用户必须位于垂直范围内，而且配备能够接收旋转激光束的激光探测器(或激光接收器)。在机械式实施方式中，发动机使激光以及相应的激光束物理地旋转。在光学式实施方式中，发动机以这样一种方式旋转：非物理旋转的激光器发射出旋转的激光束。

在本发明的另一实施方式中，仍参见图1，激光探测器24还包括：配置成自双斜面平面激光发射器50接收双斜面平面激光束(图中未示)的双斜面平面激光探测器。

在本发明一实施方式中，图2示出了挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)70，该系统70利用了扇形激光发射器72。在本发明的该实施方式中，激光探测器78还包括配置成自单斜面扇形激光发射器72接收单斜面扇形激光束76(或74)的单斜面扇形激光探测器。尚处于申请过程中己公开的发明名称为“激光系统和全球导航卫星系统”的美国专利申请US-2006-0012777对这种扇形激光发射器72作了详细描述，在此引入该美国申请全文作为参考。该美国专利申请US-2006-0012777已转让给本专利申请的受让人。

仍参见图2，在本发明的一实施方式中，激光探测器78还包括配置成自扇形激光发射器72接收至少两束扇形激光束(74和76)的扇形激光探测器。在本发明的该实施方式中，机载导航系统28配置成计算扇形激光发射器72与扇形激光探测器78之间的高度差，以提高Ex 3D ILRPGS系统的垂直精度。TrimbleNavigation公司制造3D激光站72，该激光站产生两束旋转扇形激光束74和76(图2)。

在本发明一实施方式中，机载导航系统(图1的28，或图2的80)还包括机载计算机(图中未示)，该计算机配置成计算铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)的实际位置与设计表面(图中未示)之间的差值，并配置成通过控制那些被配置成操作铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)的液压阀(图1的47，或图2的84)来控制铲斗的切削刀刃的位置。

在一实施方式中，本发明的3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)的挖掘机还包括：配置成显示挖掘机的铲斗(图1的40，或图2的83)的运动的机载显示系统(图1的29，或图2的86)。以大致类似于激光束((图1的26，或图2的74，76)的垂直精度的精度来显示铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)的纵坐标。

在一实施方式中，本发明的挖掘机3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex_3D_ILRPGS)还包括：配置成远程操作挖掘机的遥控站(图1的60，或图2的88)，以及配置成链接遥控站和Ex_3D_ILRPGS系统的机载导航系统的通信链路(图1的62，或图2的90)。在本发明该实施方式中，将机载导航系统配置成经由通信链路将挖掘机实时定位数据发送到遥控站，以及将机载导航系统配置成经由通信链路自遥控站接收至少一个控制信号。无线通信链路(图1的62，或图2的90)选自由以下项组成的组：{蜂窝链路；无线电；专用无线电波段；SiteNet 900专用无线电网络；无线互联网；卫星无线通信链路；以及光学无线链路}。

在本发明的一实施方式中，仍参见图1，遥控站60还包括配置成显示受遥控的挖掘机的铲斗40的运动的显示器64。同样，如图2所示，遥控站88还包括配置成显示受遥控的挖掘机的铲斗83的运动的显示器92。

在本发明的一实施方式中，利用Trimble SiteNet(TM)900的专用无线电网络可以实现无线通信链路(图1的62，或图2的90)。Trimble SiteNet(TM)900的专用无线电网络是一种特别为建筑业和采矿业设计的、耐用的、多网络的、以900MHz运行的无线电调制解调器。用它来为实时、高精度GPS的应用而建立坚固的、无线数据播送网络。这种多用途的Trimble无线电以902-928MHz范围的工作频率进行操作、播放、转发，以及接收由Trimble GPS接收器使用的实时数据。在最佳条件下，SiteNet 900无线电播放数据达到10km(6.2英里)视线且利用多转发器网络可提高覆盖率。利用SiteNet 900无线电作为转发器，使得能够覆盖以前达不到的或受阻的位置。SiteNet 900无线电是多用途的，以致于人们能够轻易地改变其工作模式以适合任何网络形态。因此降低了成本并使正常运行时间最大化。另外，SiteNet 900在美国和加拿大无许可限制，因此使得它极为方便(portable)。人们可将之在项目间转移而不会出现许可争议及限制。SiteNet 900无线电被设计成在苛求的RF环境中可靠地工作，在这些苛求的RF环境中很多其它产品和技术是做不到的。对于敏感性及抗扰度增强的最佳的GPS而言，SiteNet 900无线电还具有误差修正以及高数据速率，确保最高性能。SiteNet 900无线电特别适合与Trimble的Site VisionTM GPS级别的控制系统一同使用，而且对要求可靠性的所有GPS机械控制应用是理想的。人们已特别为苟刻的建筑和采矿环境设计和打造出耐用的机械设备。由于完全密封防尘、雨、溅湿和喷雾，SiteNet 900无线电在所有天气环境下保持可靠性。该无线电的耐用性和可靠性将停机时间减至最小，降低了持有成本。Trimble的SiteNet 900无线电可与任何Trimble GPS接收器(包括MS750，MS 850，MS860，和5700接收器)一同使用。

在本发明的一实施方式中，利用支持个人通信业务(PCS)的1.8GHz波段可以实现无线通信链路(图1的62，或图2的90)。PCS使用国际标准DCS-1800。在又一实施方式中，无线通信链路可以包含无线通信链路切换的实时电路。例如，具有无线通信链路切换的实时电路的无线通信链路可包括由Motorola，Schaumburg I11制造的铱卫星系统。

在一实施方式中，通过利用可用来储存和转发数字分组数据的低轨道地球卫星(LEOS)系统、中地球轨道卫星(MEOS)系统、或对地静止轨道卫星(GEOS)系统，可以实现无线通信链路(图1的62，或图2的90)。例如，(20-30)GHz范围内运行的LEOS系统由位于华盛顿州雷德蒙德市的Cellular Communications公司制造，而在(1.6-2.5)GHz范围内运行的LEOS系统则由加州圣地亚哥市的Loral/Qualcomm公司制造。

通过利用蜂窝电话通信装置、寻呼信号接收装置、无线信息服务、无线应用服务、无线WAN/LAN站、或使用至少一个卫星来中继无线电波信号的地球-卫星-地球通信模块，就可以实现为本发明目的的无线通信链路(图1的62，或图2的90)。无线通信链路还可包含蜂窝电话通信装置，该装置可包含带调制解调器的高级移动电话系统(AMPS)。该调制解调器可包括在800MHZ范围内运行的DSP(数字信号处理器)调制解调器，或在800MHZ范围内运行的蜂窝数字分组数据(CDPD)调制解调器。蜂窝数字通信装置包括一种在无线电链路上使用具有IS-54格式的时分多址(TDMA)系统、具有IS-95格式的码分多址(CDMA)系统、或频分多址(FDMA)系统来调制数字数据的装置。在欧洲使用的TDMA系统在法国被称为移动特别工作组(GSM)。

在本发明一实施方式中，可用蜂窝电话通信装置来无线接入到互联网，是为了例如在专用网站上播送自测量(self-surveying)激光发射器位置的实时坐标。

利用可配置成提供：{蜂窝链路；无线电链路；专用无线电波段链路；SiteNet 900专用无线电网络链路；链接至无线互联网的链路；以及卫星无线通信链路}的任何装置可以实现为本发明目的的无线通信装置(图1的63，或图2的94)。本领域的普通技术人员可轻易地识别所有这些技术。请见上面的论述。

在本发明的一实施方式中，将无线通信装置(图1的63，或图2的94)配置成响应在无线通信链路(图1的62，或图2的90)上发射的来自移动设备(图中未示)的特定要求。

本发明的另一方面涉及以相当高的垂直精度来操作挖掘机的方法。本发明的方法利用图1所示的配置成自平面激光器50接收激光束的3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex 3D ILRPGS)10的挖掘机来实现，或是利用图2所示的配置成自扇形激光器72接收至少一个扇形激光束的3D综合式激光和无线电定位引导系统(Ex 3D ILRPGS)70的挖掘机来实现。

在一实施方式中，本发明的方法包括以下步骤(图中未示)：(A)利用移动无线电定位系统接收器(图1的12，或图2的96)来获得挖掘机的2D横坐标；(B)利用铲斗-机械-本体定位系统(图1的16，或图2的98)来获得挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标；(C)利用配置成自激光发射器(图1的50，或图2的72)接收至少一个激光束的激光探测器(图1的24，或图2的78)以相当高的精度来获得局部纵坐标；(D)利用机载导航系统(图1的28，或图2的80)，接收和组合由移动无线电定位系统接收器获得的挖掘机的2D横坐标，由铲斗-机械-本体定位系统获得的挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标，以及由激光探测器获得的局部纵坐标；以及(E)利用机载导航系统(图1的28，或图2的80)，以相当高的垂直精度引导挖掘机的铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)。

在本发明一实施方式中，步骤(A)进一步包括(图中未示，请见上面的论述)：(A1)从包含以下项的组中选择移动无线电定位系统接收器(图1的12，或图2的96)：{独立的卫星接收器；基于虚拟参考站(VRS)的差分卫星定位系统接收器；基于广域增强服务(WASS)的差分卫星定位系统接收器，基于实时动态(RTK)的卫星定位系统接收器，基于全向STAR-高性能(HP)的差分卫星定位系统接收器，以及伪卫星接收器}。在该实施方式中，步骤(A)进一步包括(图中未示，请见上面的论述)：(A2)从包含以下项的组中选择卫星接收器(图1的12，或图2的96)：{全球定位系统(GPS)接收器，GLONASS接收器，全球导航卫星系统(GNSS)接收器，以及组合的GPS-GLONASS接收器}。

在本发明一实施方式中，其中，移动无线电定位系统接收器(图1的12，或图2的96)进一步包括卫星接收器和伪卫星接收器；步骤(A)进一步包括：利用卫星接收器获得挖掘机的第一横坐标；以及利用伪卫星接收器获得挖掘机的第二横坐标。

在本发明一实施方式中，步骤(B)进一步包括：(B1)从包含以下项的组中选择铲斗-机械-本体定位系统(图1的16，或图2的98)：{倾度传感器；缸内测量传感器；以及电缆编码器}。请见上面论述。

在本发明一实施方式中，更特别的是，以相当高的精度获得局部纵坐标的步骤(C)进一步包括：(C1)利用单斜面平面激光探测器(图1的24)自单斜面平面激光发射器(图1的50)接收单斜面平面激光束(图1的26)。

在本发明一实施方式中，更特别的是，以相当高的精度获得局部纵坐标的步骤(C)进一步包括：(C2)利用双斜面平面激光探测器(图1的24)自双斜面平面激光发射器(图1的50)接收双斜面平面激光束(图中未示)。

在本发明一实施方式中，更特别的是，以相当高的精度获得局部纵坐标的步骤(C)进一步包括：(C3)利用单斜面扇形激光探测器(图2的78)自单斜面扇形激光发射器(图2的72)接收单斜面扇形激光束(图2的76)。

在本发明一实施方式中，更特别的是，以相当高的精度获得局部纵坐标的步骤(C)进一步包括：(C4)利用单斜面扇形激光探测器(图2的78)自单斜面扇形激光发射器(图2的72)接收至少两束扇形激光束(图2的74和76)，其中，机载导航系统(图2的80)配置成计算扇形激光发射器(图2的72)与扇形激光探测器(图2的78)之间的高度差，以增加Ex_3D_ILRPGS系统的垂直精度。

在本发明一实施方式中，接收由移动无线电定位系统接收器获得的挖掘机的2D横坐标、由铲斗-机械-本体定位系统获得的挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标以及由激光探测器获得的局部纵坐标并且使这些坐标综合起来的步骤(D)进一步包括：(D1)利用机载计算机(图中未示)来计算铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)的实际位置与设计表面(图中未示)之间的差值。

在本发明一实施方式中，以相当高的垂直精度引导挖掘机的铲斗的切削刀刃的步骤(E)进一步包括：(E1)利用机载导航系统(图1的28，或图2的80)，通过控制配置成操作铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)的液压阀来控制铲斗的切削刀刃的位置。

在本发明一实施方式中，以相当高的垂直精度引导挖掘机的铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)的步骤(E)进一步包括：(E2)利用遥控站(图1的60，或图2的88)来远程操作挖掘机。在本发明的该实施方式中，步骤(E)进一步包括：(E3)利用通信链路(图1的62，或图2的90)来链接遥控站(图1的60，或图2的88)和Ex_3D_ILRPGS系统的机载导航系统(图1的28，或图2的80)；(E4)将挖掘机的实时定位数据经通信链路发送到遥控站；以及(E5)经由通信链路自遥控站接收至少一个控制信号。在本发明该实施方式中，步骤(E3)还包括：(E3，1)从包含以下项的组中选择无线通信链路：{蜂窝链路；无线电；专用无线电波段；SiteNet 900专用无线电网络；无线互联网；卫星无线通信链路；以及光学无线链路}。请见上面的论述。

在一实施方式中，其中，挖掘机还包括机载显示系统(图1的29，或图2的86)，本发明的方法包括：(F)利用机载显示系统(图1的29，或图2的86)显示铲斗的切削刀刃(图1的30，或图2的82)的运动，其中，以大致类似于激光束的垂直精度的精度来显示铲斗的切削刀刃的纵坐标。

在一实施方式中，其中，遥控站(图1的60，或图2的88)还包括显示系统(图1的64，或图2的92)，本发明的方法包括：(H)利用控制站的显示系统显示挖掘机的铲斗的运动，其中，以大致类似于激光束的垂直精度的精度来显示铲斗的切削刀刃的纵坐标。

本发明的又一个方面涉及利用Ex_3D_ILRPGS系统以改进的垂直精度来操作挖掘机的方法，其中，该挖掘机的3D坐标是利用移动无线电定位系统接收器获得的；以及其中，局部纵坐标是利用配置成自激光发射器接收至少一个激光束的激光探测器以相当高的精度获得的。

在本发明一实施方式中，方法包括(图中未示)：(A)利用移动无线电定位系统接收器来获得挖掘机的3D坐标；(B)利用铲斗-机械-本体定位系统来获得挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标；(C)利用配置成自激光发射器接收至少一个激光束的激光探测器以相当高的精度来获得局部纵坐标；(D)利用机载导航系统，接收和组合由移动无线电定位系统接收器获得的挖掘机的3D坐标，由铲斗-机械-本体定位系统获得的挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的坐标，以及由激光探测器获得的局部纵坐标，目的是改进移动无线电定位系统接收器的垂直精度；以及(E)利用机载导航系统，以足够垂直精度引导挖掘机的铲斗的切削刀刃。

本发明的再一个方面涉及通过利用Ex_3D_ILRPGS系统并且对不同的测量分配权重函数从而以改进的垂直精度来操作挖掘机的方法。

权重函数是在执行求和、积分、或平均时所使用的一种数学方法，目的是给出一些比其它更“权重(weight)”的元素。它们在统计和分析中经常出现，而且与测量概念密切相关。可在离散和连续的设置中建构权重函数。

在离散设置中，权重函数是在离散组A上规定的正函数，其通常是有限的或可数的。权重函数W(a)：＝1相应于非加权状态，其中所有的元素都具有相等的权重。因而人们可将该权重应用到各种概念中。

如果

是实值函数，则f在A上的非加权之和是

$\underset{a\∈A}{\mathrm{\Σ}}f\left(a\right);$

但对于权重函数

而言，加权和为

$\underset{a\∈A}{\mathrm{\Σ}}f\left(a\right)w\left(a\right).$

一种加权和的普通应用出现在数值积分中。

如果B是A的有限子集，人们可用加权基数(cardinality)

$\underset{a\∈B}{\mathrm{\Σ}}w\left(a\right)$

取代B的非加权基数|B|。

如果A是有限非空集，则可由加权均值或加权平均值

$\frac{{\mathrm{\Σ}}_{a\∈A}f\left(a\right)w\left(a\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{a\∈A}w\left(a\right)}$

取代非加权均值或平均值

$\frac{1}{\left|A\right|}\underset{a\∈A}{\mathrm{\Σ}}f\left(a\right).$

在此情况下只有相对权值是相关的。统计学中通常用加权均值来补偿存在的偏离(presence ofbias)。

术语权重函数源自力学：如果人们在杠杆(lever)上具有n个目标集，其权重为

w₁，...，w_n

(其中，现在在物理意义上解释权重)以及位置为

x₁，...，x_n，

如果该杠杆的支点位于质心

$\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{w}_i{x}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{w}_i},$

则该杠杆将会平衡，所述质量中心也是位置xi的加权平均值。

在一实施方式中，本发明的方法包括以下步骤：(A)利用移动无线电定位系统接收器，通过多次测量来获得挖掘机的3D坐标测量；(B)利用铲斗-机械-本体定位系统来获得挖掘机的吊臂、操纵杆和铲斗的位置坐标；(C)利用配置成自激光发射器接收至少一个激光束的激光探测器，通过多次测量以相当高的精度来获得一组局部纵坐标测量；(D)选择权重函数，该权重函数配置成分配3D权重函数到利用移动无线电定位系统接收器获得的一组3D测量中；并配置成分配纵(vertical)权重函数到利用激光探测器获得的一组局部纵坐标测量中；(E)利用机载导航系统，组合具有3D权重函数的挖掘机的3D坐标测量组，以及具有纵权重函数的局部纵坐标测量组，目的是改进移动无线电定位系统接收器的垂直精度；以及(F)利用机载导航系统，以改进的垂直精度来引导挖掘机的铲斗的切削刀刃。

例子

1)在已知高度点上形成台地(benching)，然后捕捉射束，以得到平表面和斜表面两者的已知射束高度。

2)停止射束并使许多GPS位置相对于该射束达到平均，以得到射束的标高(elevation)(或斜射束的标高和方位)。

为了说明和叙述的目的，上文已示出本发明的特定实施方式。它们并不打算用作为穷举或将本发明限于所示的确定形式，很明显，按照上述的启示，可以作出很多改型和变型。选择和叙述实施方式是为了可最佳地说明本发明的原理及其实际的应用，从而使本领域的其他技术人员可通过各种各样的适于预期的特定用途的改进来最佳地利用本发明和不同的实施方式。本发明的保护范围应该由所附的权利要求以及它们的等同物来限定。

Claims (17)

1.一种通过使用EX_3D_ILRPGS系统并通过对不同的测量结果分配权重函数来以改进的垂直精度操作挖掘机的方法;其中，所述挖掘机进一步包括:带有围绕行走构件水平转动的驾驶室的机座;通过第一枢转件可转动地安装在所述驾驶室的近端处的吊臂;通过第二枢转件可转动地安装在所述吊臂远端的近端处的操纵杆;以及通过第三枢转件可转动地安装在所述操纵杆远端的近端处的铲斗;其中，所述铲斗的远端限定用于响应所述铲斗朝向所述机座的运动来挖掘泥土的切削刀刃;所述EX_3D_ILRPGS系统包括:移动无线电定位系统接收器，铲斗-机械-本体定位系统，激光探测器，以及机载导航系统;所述方法包括:

(A)利用所述移动无线电定位系统接收器，通过多次测量来获得所述挖掘机的一组3D水平坐标测量结果;

(B)利用所述铲斗-机械-本体定位系统来获得所述挖掘机的所述吊臂、所述操纵杆和所述铲斗的一组位置坐标;

(C)利用配置成接收来自激光发射器的至少一个激光束的所述激光探测器，通过多次测量来以相当高的精度获得一组局部纵坐标测量结果;

(D)将一组3D权重函数分配给利用所述移动无线电定位系统接收器而获得的所述一组3D水平坐标测量结果;

(E)将垂直权重函数分配给利用所述激光探测器而获得的所述一组局部纵坐标测量结果;

(F)将所述挖掘机的一组加权3D水平坐标测量结果与一组加权局部纵坐标测量结果结合，以便改进所述移动无线电定位系统接收器的垂直精度;

以及

(G)利用所述机载导航系统以改进的垂直精度来导引所述挖掘机的所述铲斗的所述切削刀刃。

2.如权利要求1所述的方法，其中利用所述移动无线电定位系统接收器来获得所述挖掘机的3D水平坐标的步骤(A)进一步包括:

(Al)从包含以下项的组中选择所述移动无线电定位系统接收器:独立的卫星接收器;基于虚拟参考站的差分卫星定位系统接收器;基于广域增强服务的差分卫星定位系统接收器;基于实时动态的卫星定位系统接收器;基于全向STAR-高性能的差分卫星定位系统接收器;以及伪卫星接收器。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述步骤(A1)进一步包括:

(Al，1)从包含以下项的组中选择所述独立的卫星接收器:全球定位系统接收器，GLONASS接收器，全球导航卫星系统接收器，以及组合的GPS-GLONASS接收器。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(B)进一步包括:

(Bl)从包含以下项的组中选择所述铲斗-机械-本体定位系统:{倾度传感器;缸内测量传感器;电位计;以及电缆编码器}。

5.如权利要求1所述的方法，其中以所述相当高的精度获得所述局部纵坐标的所述步骤(C)进一步包括:

(Cl)利用单斜面平面激光探测器自单斜面平面激光发射器接收单斜面平面激光束。

6.如权利要求1所述的方法，其中以所述相当高的精度获得所述局部纵坐标的所述步骤(C)进一步包括:

(C2)利用双斜面平面激光探测器自双斜面平面激光发射器接收双斜面平面激光束。

7.如权利要求1所述的方法，其中以所述相当高的精度获得所述局部纵坐标的所述步骤(C)进一步包括:

(C3)利用单斜面扇形激光探测器自单斜面扇形激光发射器接收单斜面扇形激光束。

8.如权利要求1所述的方法，其中以所述相当高的精度获得所述局部纵坐标的所述步骤(C)进一步包括:

(C4)利用扇形激光探测器自扇形激光发射器接收至少两束扇形激光束，其中，将所述机载导航系统配置成计算所述扇形激光发射器与所述扇形激光探测器之间的高度差，以提高所述EX_3D_ILRPGS系统的垂直精度。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(D)进一步包括

(Dl)选择一组3D权重函数。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(E)进一步包括

(El)选择垂直权重函数。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(F)进一步包括:

(Fl)利用机载计算机计算所述铲斗的所述切削刀刃的实际位置与设计表面之间的差值。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(G)进一步包括:

(Gl)利用所述机载导航系统，通过控制配置成操作所述铲斗的所述切削刀刃的液压阀来控制所述铲斗的所述切削刀刃的位置。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(G)进一步包括

(G2)利用遥控站来远程操作所述挖掘机。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述步骤(G)进一步包括:

(G3)利用通信链路来链接所述遥控站和所述Ex_3D_ILRPGS系统的所述机载导航系统;

(G4)将挖掘机的实时定位数据经由所述通信链路发送到所述遥控站;

以及

(G5)经由所述通信链路自所述遥控站接收至少一控制信号。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述步骤(G3)进一步包括:

(G3，1)从包含以下项的组中选择所述通信链路{蜂窝链路;无线电;专用无线电波段;SiteNet900专用无线电网络;无线互联网;卫星无线通信链路;以及光学无线链路}。

16.如权利要求1所述的方法，进一步包括:

(H)利用机载显示系统显示所述挖掘机的所述铲斗的运动，其中，以精度大致上类似于所述激光束的垂直精度来显示所述铲斗的切削刀刃的纵坐标。

17.一种通过使用Ex_3D_ILRPGS系统并通过对不同的测量结果分配权重函数来以改进的垂直精度操作挖掘机的方法;其中，所述挖掘机进一步包括:带有围绕行走构件水平转动的驾驶室的机座;通过第一枢转件可转动地安装在所述驾驶室的近端处的吊臂;通过第二枢转件可转动地安装在所述吊臂远端的近端处的操纵杆;以及通过第三枢转件可转动地安装在所述操纵杆远端的近端处的铲斗;其中，所述铲斗的远端限定用于响应所述铲斗朝向所述机座的运动来挖掘泥土的切削刀刃;所述Ex_3D_ILRPGS系统包括:移动无线电定位系统接收器，铲斗-机械-本体定位系统，激光探测器，以及机载导航系统;所述方法包括:

(A)利用所述移动无线电定位系统接收器，通过多次测量来获得所述挖掘机的一组2D水平坐标测量结果;

(B)利用所述铲斗-机械-本体定位系统来获得所述挖掘机的所述吊臂，所述操纵杆和所述铲斗的一组位置坐标;

(C)利用配置成接收来自激光发射器的至少一个激光束的所述激光探测器，通过多次测量来以相当高的精度获得一组局部纵坐标测量结果;

(D)将一组2D权重函数分配给利用所述移动无线电定位系统接收器而获得的所述一组2D水平坐标测量结果;

(E)将垂直权重函数分配给利用所述激光探测器而获得的所述一组局部纵坐标测量结果;

(F)将所述挖掘机的一组加权2D水平坐标测量结果与一组加权局部纵坐标测量结果结合，以便改进所述移动无线电定位系统接收器的垂直精度;

以及

(G)利用所述机载导航系统以改进的垂直精度来导引所述挖掘机的所述铲斗的所述切削刀刃。

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