CN102607536B - 激光基准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了操作激光基准系统的方法，所述方法对由发射器产生的激光的基准平面进行取向，从而对发射器的第一和第二轴线以及第一和第二非正交对准轴线之间的倾角进行补偿。发射器包括：光学系统，其被设置为产生激光束，所述光学系统沿着围绕中央旋转轴线限定的旋转弧径向地投射所述激光束，从而实质上限定激光的基准平面；以及定位布置，其与所述光学系统耦合，用于调节所述光学系统相对于第一发射器轴线以及相对于第二发射器轴线的角度取向。检测器被设置为检测激光束的接收。检测器和发射器限定对准方向。检测器进一步包括发射器，所述发射器用于发送由检测器检测到的关于激光束的位置的信息。所述系统进一步包括处理器，所述处理器适于接收来自所述检测器的关于激光束的位置的发送信息。处理器计算倾角。

Description

激光基准系统

相关申请的交叉引用

无

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用

背景技术

本发明总体涉及激光发射器，并且更特别地涉及激光基准系统和对由激光发射器产生的激光的基准平面进行取向的方法。激光发射器被有效地对准以使激光发射器限定沿期望对准方向具有期望坡度的平面。对准方向不需要为正交的。

激光系统已经用于多种现有技术勘测和建造应用中。在一种类型的系统中，激光发射装置提供旋转激光束，旋转激光束在工作场所建立基准平面。通常，基准平面形成了水平仰角基准平面或大致倾斜的基准平面。激光由一个或多个激光束检测器检测。激光束检测器安装到支架上或在工作场所运行的建造装备上，所述支架放置到距发射装置的相当远的距离处。

在工作之前，需要将发射装置按与工作场所的正确取向安设到工作场所处。作为实施例，假设结构已经提前确定工作场所按一定梯度沿一定方向倾斜。进一步假设工作场所为矩形的，并且工作场所的角选为坐标系的原点，使得矩形的一个边为x轴，而矩形的另一个边为y轴。期望的瀑布线可沿x轴和y轴之间的方向延伸。结构将具有为工作场所指定的x轴坡度和y轴坡度，x轴坡度和y轴坡度一起沿着瀑布线产生期望坡度。

发射器放置于工作场所的构成原点的角处。发射器具有其自身的内x轴和y轴，并且这些轴标记在发射器的顶部上。操作员利用这些标记物或利用可安装到发射器的顶部上的望远镜手动地将发射器x轴和y轴与工作场所x轴和y轴对准。用于对准发射器的这些布置中没有一个可得到大的精度。

如果发射器完美地对准使得其x轴和y轴分别与工作场所的x轴和y轴平行，那么当操作员输入x轴梯度和y轴梯度时发射器将产生沿着瀑布线具有正确俯仰角的基准光平面。然而，当发射器的x轴和y轴不对准时，即，从上方看时，相对于工作场所的x轴和y轴稍顺时针或稍逆时针枢转，产生了问题。如果发射器不对准并且如果操作员输入期望的工作场所轴线坡度，则发射器将产生具有正确俯仰角的基准光平面，而基准平面的最大俯仰角不与期望瀑布线对准。但是，基准平面将从期望的取向绕着垂直轴线稍微旋转。

用于将发射器与工作场所对准的一种系统显示在授予Cain的于2000年4月25日发布的美国专利No.6,055,046中。所述系统具有包括角度编码器的发射器。角度编码器连续地指示旋转光束的角度取向。发射器和回射目标沿着工作场所的侧边定位，在要对准激光发射器的方向上间隔开。然后，目标的角度取向由当光从目标反射回发射器时输出的角度编码器确定。可选择地，光电检测器可用作检测器，当光束被检测到时，光电检测器经由无线电或其它发射器将信号发回发射器上的接收器。在任一情形下，发射器的轴线旋转以通过电子方式对准。该布置需要精确的角度编码器，从而增加了建造装置时的花费和复杂度。

在授予Kahle的于2004年2月17日发布的美国专利No.6,693,706中示出的用于对准发射器的另一种系统确定发射器围绕垂直轴线的不重合量(称为“倾角”)，然后对不重合量进行补偿。换言之，梯度倾角为发射器的x轴和y轴分别与工作场所的x轴和y轴的角不重合度(从上方看)。该系统确定该倾角并且改变发射器的操作以使得生成正确取向的基准平面。

这些现有技术系统限制于确定并补偿正交的对准方向，以使也发射器的也正交的x轴和y轴将以相同的倾角偏离对准方向。然而，并不总是这样。此外，有时可能期望匹配由发射器和两个光束检测器限定的梯度，然后确定匹配梯度沿两个对准方向的倾斜度。因此，可以看出，需要改进和简化用于将激光发射器与工作场所对准的系统，以使得从激光发射器投射的激光的平面以正确取向的坡度精确地限定基准平面。

发明内容

一种对由发射器产生的激光的基准平面进行取向的方法，所述发射器包括定位布置，所述定位布置调节基准平面相对于第一发射器轴线以及相对于与所述第一发射器轴线垂直的第二发射器轴线的角度取向，激光由第一检测器和第二检测器检测，所述方法包括如下步骤：通过沿第一对准方向定位第一检测器来限定来自发射器的第一对准方向以便由激光的平面照射；以及通过沿第二对准方向定位第二检测器来限定来自发射器的第二对准方向以便由激光的平面照射。所述方法进一步包括如下步骤：确定第一对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向；确定第二对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向；以及指定基准平面沿第一对准方向和第二对准方向的期望取向。最后，所述方法包括如下步骤：确定将基准平面定位在期望取向上所需的基准平面相对于第一发射器轴线以及相对于第二发射器轴线的角度取向；以及相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线取向基准平面以使得获得基准平面沿第一对准方向和第二对准方向的期望取向。

确定第一对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向的步骤可以包括如下步骤：确定沿着由第一检测器检测到的第一平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度；以及确定沿着由第一检测器检测到的第二平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度。确定第二对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向的步骤可以包括如下步骤：确定沿着由第二检测器检测到的第一平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度；以及确定沿着由第二检测器检测到的第二平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度。

确定将基准平面定位在期望取向上所需的基准平面相对于第一发射器轴线以及相对于第二发射器轴线的角度取向的步骤可以包括使用等式的步骤：

$\tan \left(\mathrm{\αy}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}{\tan \left(\mathrm{\δx}\right)-\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}$

以及

$\tan \left(\mathrm{\αx}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)}{\cos \left(\mathrm{\δy}\right)}-\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)$

其中，αx'和αy'为基准平面沿着第一对准方向和第二对准方向的取向，δx和δy为第一对准方向和第二对准方向相对于第一发射器轴线的倾角，并且αx和αy为基准平面沿着第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向。

一种对由发射器产生的激光的基准平面进行取向的方法，所述发射器包括定位布置，所述定位布置调节所述基准平面相对于第一发射器轴线以及相对于与所述第一发射器轴线垂直的第二发射器轴线的角度取向，激光由第一检测器和第二检测器检测，所述方法可以包括如下步骤：通过沿第一对准方向定位第一检测器来限定来自发射器的第一对准方向以便于由激光的平面照射，所述第一检测器通过其相对于发射器的垂直位置进一步限定激光的基准平面的梯度；以及通过沿第二对准方向定位第二检测器来限定来自发射器的第二对准方向以便于由激光的平面照射，所述第二检测器通过其相对于发射器的垂直位置进一步限定激光的基准平面的梯度。所述方法进一步包括如下步骤：确定第一对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向；确定第二对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向；以及沿第一对准方向取向基准平面以使得第一检测器被照射。最后，所述方法可进一步包括如下步骤：沿第二对准方向取向基准平面以使得第二检测器被照射；确定基准平面相对于第一发射器轴线以及相对于第二发射器轴线的角度取向，当第一检测器和第二检测器二者被同时照射时得到所述角度取向；以及确定所述基准平面相对于第一对准方向和第二对准方向这两个方向的最终取向。

确定第一对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向的步骤可以包括如下步骤：确定沿着由第一检测器检测到的第一平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度；以及确定沿着由第一检测器检测到的第二平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度。确定第二对准方向相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向的步骤可以包括如下步骤：确定沿着由第二检测器检测到的第一平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度；以及确定沿着由第二检测器检测到的第二平面的第一发射器轴线和第二发射器轴线的方向的倾斜度。

确定基准平面沿着第一对准方向和第二对准方向这两个方向的最终取向的步骤可以包括使用等式的步骤：

$\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}$

以及

$\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δx}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}}$

其中，αx'和αy'为基准平面沿着第一对准方向和第二对准方向的取向，δx和δy为第一对准轴线和第二对准方向相对于第一发射器方向的倾角，并且αx和αy为基准平面沿着第一发射器轴线和第二发射器轴线的取向。附图说明

图1为美国专利No.6,693,706中公开的类型的现有技术激光基准系统的侧视图；

图2为从上方看到的图1的激光基准系统的图；

图3A为图示安设有图1的激光基准系统的工作场所的示意正交视图；

图3B图示了图3A的发射器的x轴和y轴的取向；

图4为图1的激光基准系统中的发射器和检测器的示意性平面图，图示了发射器的梯度倾角θ；以及

图5-13为示出发射器和一个或两个检测器或接收器的示意正交视图，用于说明方法的改进的实施方案。

具体实施方式

现在参照附图中的图1-4，图中示出了在授予Kahle等人的于2004年2月17日发布的美国专利No.6,693,706中公开的类型的激光基准系统，该专利的全部内容通过引用并入本文中。示出了检测器10，检测器10包括激光接收器或检测器11和发射器12。安装到三角支撑件13上的发射器12包括设置为产生激光束的光学系统，由附图标记14表示。光学系统沿着围绕中央旋转轴线限定的旋转弧径向地投射激光束，从而实质上限定激光的基准平面。光学系统优选地包括旋转五棱镜机构，所述旋转五棱镜机构确保径向指向的激光束精确地保持在期望平面内。这种类型的普通布置示于例如授予Monnin的于1998年12月22日发布的美国专利No.5,852,493中。Monnin专利通过引用并入本文。

发射器12包括定位布置，所述定位布置与所述光学系统耦合，用于调节光学系统相对于第一发射器轴线16以及相对于第二发射器轴线18的角度取向。发射器轴线16与发射器轴线18垂直。安装到三角支撑件19上的检测器10进一步包括手持式远程控制发射器20，手持式远程控制发射器20经由天线21和22将指令和信息从其远程位置发射到发射器12中的适当接收器。发射器20图示为无线电发射器。然而，可以使用任何适当形式的发射。标记物24和26包括在遮光罩28的顶部上以使得发射器12进行初始粗略对准。

检测器10被设置为检测激光束14的接收。检测器10包括大致垂直布置的检测器元件排(例如，示于授予Yost的于1999年3月23日发布的美国专利No.5,886,776)或其它布置(例如，授予Ake的于1990年12月11日发布的美国专利No.4,976,538中示出的三角形光检测器对。Yost专利和Ake专利通过引用并入本文。检测器10可被设置为沿着大致垂直的检测器线检测激光16的所述平面的接收，所述检测器线大致沿着检测器的边缘30延伸。然后，检测器将关于激光束14的位置的信息发送给发射器12中的处理器32。通常，在检测器的中心处检测激光的平面被称作检测“梯度上”状态。

从图3A和图3B中看出，发射器12和检测器10沿着可称为对准方向33的线位于工作场所31处。对准方向相对于特定工作场所是固定的。每个发射器相对于在图3B中分别由轴线x和y表示的第一发射器轴线和第二发射器轴线投射光束。当发射器12的操作员输入提前确定的俯仰角或坡度角时，这些角度对于对准方向以及与对准方向垂直的方向是给定的。对准方向和发射器的轴线之间的角度差θ被称为梯度斜度或倾角，如图2和图4所示。

处理器32为适于接收发送的信息并且设置为确定发射器12和检测器10之间沿对准方向的距离的处理器。处理器32确定沿着与对准方向大致垂直的方向从所述检测器10到第一发射器轴线16的距离，并且计算所述第一发射器轴线16和从发射器12大致延伸到检测器10的对准方向之间的倾角θ。应当理解的是，如果开始完好地安设发射器12，则倾角θ将为零并且激光平面沿对准方向的任何期望俯仰角和激光平面沿着与对准方向垂直的方向的任何期望俯仰角将分别等于激光平面沿第一发射器轴线和第二发射器轴线的俯仰角。结果是，操作员可以将对于两个发射器轴线的俯仰角直接输入处理器中获得对于激光平面的期望取向。

通过Kahle专利中公开的方法，倾角θ可以被确定，然后对于第一发射器轴线和第二发射器轴线分别与对准方向和与对准方向垂直的方向之间的该偏差进行适当的调节。发射器12包括输入34，输入34用于输入激光的基准平面沿对准方向的第一期望坡度以及沿着与对准方向垂直的方向的第二期望坡度。处理器32基于计算出的倾角来计算第一计算坡度和第二计算坡度，以使得激光束投射通过的平面具有沿对准方向的第一期望坡度和沿与对准方向垂直的方向的第二期望坡度。将理解的是，如果期望，处理器32还可以位于检测器10处，或者如果期望，处理器32可以位于发射器12处，如图所示，但是期望坡度通过发射器20被输入到检测器10处并且发送给发射器13。

处理器32通过引导光束14相继示出沿着排30垂直间隔开的两个检测器元件来确定从发射器12到检测器10的沿对准方向的距离。优选地，光束将示出在排30的顶部处以及在排30的底部处的检测器。当从示出两个检测器元件中的一个转移到示出两个检测器元件中的另一个时，处理器32随后确定基准平面的包含垂直角。然后基于两个检测器元件之间的已知高度差并且基于包含垂直角来计算发射器和检测器之间的距离。该距离计算为已知高度差与包含垂直角的正切的比值。

接下来，通过用在第二发射器轴线的方向上水平的基准平面图示一排元件的中心并且沿第二发射器轴线的方向倾斜基准平面直到示出从一排元件的中心垂直移位的检测器元件，处理器32确定沿着与对准方向大致垂直的方向从检测器10到第一发射器轴线16的距离。优选地，垂直移位的元件为排32的顶部元件或底部元件。然后，确定基准平面沿第二发射器轴线的方向倾斜的角度。最后，处理器32基于一排元件的中心和从一排元件的中心垂直移位的检测器元件之间的高度差以及基准平面倾斜的角度来计算从检测器10到第一检测器轴线16沿与对准方向大致垂直的方向的距离。从检测器10到第一发射器轴线16的距离等于一排元件的中心与从一排元件的中心垂直移位的检测器元件之间的高度差除以基准平面倾斜的角度的正切。然后，倾角θ计算为沿着与对准方向大致垂直的方向从检测器到第一发射器轴线的距离“a”与从发射器12到检测器10沿对准方向的距离“D”的比值的反正切。

将理解的是，依据多个离散的检测器元件定位在大致垂直的排中并且激光束指向排30中的检测器元件呈现了上述描述。然而，还可理解的是，任何已知类型的激光束检测布置可用于检测作为一排检测器元件的替代的光束的位置。

Kahle专利提出取向由发射器产生的激光的基准平面的可选方法。在该方法中，通过沿对准方向定位检测器10并且用激光平面照射检测器，对准方向由发射器12限定。通过旋转激光束限定的基准平面随后沿第一发射器轴线16的方向倾斜，同时沿第二发射器轴线的方向保持基准平面大致水平。然后有效地旋转激光的基准平面以使得检测器线上的预定点照射到平面的旋转的两个有效角位置处。然后，将两个有效角位置之间的中点确定为第一发射器轴线。与第一发射器轴线成九十度的角位置被确定为第二发射器轴线。对准方向和第一发射器轴线之间的角度差被确定为倾角。最后，考虑到倾角，基准平面相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线取向，从而获得相对于对准方向和与所述对准方向垂直的方向的期望取向。

Kahle专利提出取向由发射器12产生的激光的基准平面的另一可选方法。与之前描述的方法相同，最初通过沿对准方向定位检测器10来限定来自发射器的对准方向以便于由激光的平面照射。基准平面倾斜，沿第一发射器轴线16的方向确定梯度x₁，并且沿第二发射器轴线18确定梯度y₁。所选的梯度x₁和y₁使得由基准平面照射大致垂直的检测器线30上的点。接下来，基准平面倾斜，在第一发射器轴线16的方向上确定梯度x₂，并且在第二发射器轴线18的方向上确定梯度y₂，这样使得照射大致垂直的检测器线30上的相同点。然后，基于梯度x₁、x₂、y₁、y₂来计算第一发射器轴线16和对准方向14之间的倾角θ。最后，基准平面相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线取向，从而获得相对于对准方向和与所述对准方向垂直的方向的期望取向。

计算第一发射器轴线和对准方向之间的倾角θ的步骤包括根据如下等式计算倾角的步骤：

θ＝arctan((y₁-y₂)/(x₁-x₂)。

相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线取向基准平面从而获得相对于对准方向和与所述对准方向垂直的方向的期望取向的步骤包括根据如下等式相对于第一发射器轴线和第二发射器轴线取向基准平面的步骤：

x＝x’cos(θ)-y’sin(θ)；以及

y＝x’sin(θ)+y’cos(θ)；

其中，x’和y’为沿对准方向和与所述对准方向垂直的方向的期望梯度，并且x和y为沿第一发射器轴线和第二发射器轴线的梯度，如图4所示。图4为发射器12和检测器10的示意性平面图，图示了梯度倾角θ，梯度倾角θ为发射器轴线(+x轴和+y轴)和工作场所的轴线之间的角不重合度，对于发射器轴线和工作场所轴线已经提前确定了期望梯度。

将理解的是，这些等式为描述平面中轴线旋转的等式。这里，x和y为机械系统的实际正交梯度，并且x’和y’为沿着由θ表示的旋转角所示的方向的期望梯度。

求解梯度倾角θ的等式如下。系统的对准具有这样的特性：主轴线的旋转坐标对于不同的交叉梯度保持恒定。例如，假设我们旋转轴线，为θ选择值，使x’与某方向对准。然后，对于沿着该方向的特定点，对于y’的不同值，x’将保持恒定。如果我们现在使用上述等式挑选两个测量点，则有：

x₁＝x’*cos(θ)–y₁’*sin(θ)

y₁＝x’*sin(θ)+y₁’*cos(θ)

x₂＝x’*cos(θ)–y₂’*sin(θ)

y₂＝x’*sin(θ)+y₂’*cos(θ)

对于x’求解这些等式，得到：

(x₁+y₁’*sin(θ))/cos(θ)＝x’

(y₁-y₁’*cos(θ))/sin(θ)＝x’

(x₂+y₂’*sin(θ))/cos(θ)＝x’

(y₂-y₂’*cos(θ))/sin(θ)＝x’

接下来，使除以cos(θ)和sin(θ)的两个等式相等，得到：

(x₁+y₁’*sin(θ))＝(x₂+y₂’*sin(θ))

(y₁-y₁’*cos(θ))＝(y₂-y₂’*cos(θ))

或者变换形式，得到：

-(x₁-x₂)＝(y₁’-y₂’)*sin(θ)

(y₁-y₂)＝(y₁’-y₂’)*cos(θ)

如果期望消除y₁’和y₂’：

θ＝arctan(-(x₁-x₂)/(y₁-y₂))

y’轴的轴线对准的求解与x’相似，但是不相同。使用与之前相同的方法，我们可得到：

θ＝arctan((y₁–y₂)/(x₁–x₂)).

因此，如之前所述，仍找到梯度(x₁,y₁)和(x₂,y₂)的两个不同组合，两个不同组合将反映沿着所关注方向的相同梯度x’。梯度的更多组合可使得使用最小平方拟合或一些其它估计技术对反正切的值进行更好地近似。

上文的描述将处理器32阐释为存在于发射器中。处理器32控制发射器12的操作以实现确定并校正倾角θ所需的步骤。处理器32经由无线电传输接收来自检测器的数据。然而，将理解的是，如果期望，处理器可位于检测器10中，并且将控制指令发送给发射器12，而不是发送检测数据，如所述实施方案中的情况。在该方面，处理器32的位置不是系统的显著特征。还可理解的是，检测器、处理器和发射器之间的通信的精确方式也不是至关重要的。

还可理解的是，所述方法可结合如下类型的激光系统使用：激光束指向回射目标，回射目标将光束反射回到发射器，携带关于光束在目标上的相对位置的信息。这种系统示于授予Detweiler等人的于1998年12月1日发布的美国专利No.5,844,679中。这种系统提供了沿着目标线大致垂直延伸的目标。来自目标的反射光被调制，并且在发射器处感应调制以确定光束的位置。Detweiler等人的公开通过引用并入本文。

参照图5-13，这些图有利于解释沿多个非正交对准方向限定基准平面取向的实施方案。图5示出了激光发射器与激光接收器结合的典型应用。通常，操作员选择沿期望方向的梯度(ay°)，并且激光发射器基于内部梯度传感器来调整空间中的平面。该特定实施例示出了沿Y方向的梯度(ay°)。因为所选梯度角仅在该方向上有效，用户难以在空间中找到发射器y轴。如之前说明，为了支持现场的用户，发射器通常在顶部壳体上具有对准标记或范围，但是具有有限的精度。如果操作员未对准接收器，则这最终将得到发射器和接收器之间的错误梯度(ay’)(参见图6)。在该实施例中沿ay’方向的梯度与ay比较是不同的，a是由用户选择的。作为实施例，如果用户选择ay＝15°，不重合度为10°(δy＝80°)，则ay’将为14,78°。

如之前讨论，并且如图7所示，Kahle专利描述了解决该问题的一种方法。如果发射器处理器获知倾角δy，则单元可执行坐标变换计算以达到沿y’轴方向的期望ay梯度角。操作员得知所选梯度角沿y’轴方向有效，用户轴线由接收器位置限定。然而，Kahle专利中公开的方法的局限性在于，第二对准方向总是与第一对准方向正交。

图8示出了两个检测器或接收器用于限定第一对准方向和第二对准方向的情形，使得第一对准方向和第二对准方向非正交。通过使用两个接收器，可以进行梯度调整，而不考虑轴线的方向。用户能够选择沿着由这些接收器限定的两个对准方向的期望梯度角。

可实施下列步骤来完成该操作。

1.)执行到接收器1的“梯度上“的调整。

2.)存储沿X方向和Y方向的对应角(αx1,αy1)。

3.)使用不同的角度(αx2,αy2)执行到接收器1的“梯度上“的第二次调整。

4.)使用Kahle专利中描述的公式来计算倾角δx：

$\tan \left(\mathrm{\δx}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}2\right)-\tan \left(\mathrm{\αx}1\right)}{\tan \left(\mathrm{\αy}1\right)-\tan \left(\mathrm{\αy}2\right)}---\left(F5\right)$

5.)执行到接收器2的“梯度上“的调整。

6.)存储沿X方向和Y方向的对应角(αx3,αy3)。

7.)使用不同的角度(αx4,αy4)执行到接收器2的“梯度上“的第二次调整。

8.)使用Kahle专利中描述的公式来计算倾角δy：

$\tan \left(\mathrm{\δy}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}4\right)-\tan \left(\mathrm{\αx}3\right)}{\tan \left(\mathrm{\αy}3\right)-\tan \left(\mathrm{\αy}4\right)}$

9.)使用 $\tan \left(\mathrm{\αy}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}{\tan \left(\mathrm{\δx}\right)-\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}---\left(F2\right)$

(F1μC)

得到发射器轴线的对应角。

操作员将看到在由接收器的位置限定的对准方向上的期望梯度角。发射器将设置如上文计算的内坡度(αx,αy)。

获得所需公式：

$P1=(X1/X1\·\tan \left(\mathrm{\δx}\right)/\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\sqrt{{X1}^2+{X1}^2\·{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)})$

$P2=(X2/X2\·\tan \left(\mathrm{\δx}\right)/\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{{X2}^2+{X2}^2\·{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)})$

3D坐标平面由f(x,y)＝ax+by+z(因为发射器限定坐标系并且位于系统的原点处，z总是为0)限定。

f(x,y)＝ax+by＝tan(αx)·x+tan(αy)·y

--＞

$f\left(P1\right)=\mathrm{Plz}=\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\sqrt{{X1}^2+{X1}^2\·{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right))}=\tan \left(\mathrm{\αx}\right)\·X1+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·X1\·\tan \left(\mathrm{\δx}\right)$

$f\left(P2\right)=P2z=\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{{X2}^2+{X2}^2\·{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right))}=\tan \left(\mathrm{\αx}\right)\·X2+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·X2\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)$

对于梯度倾角：

变换f(P2)得到：

$\tan \left(\mathrm{\αx}\right)=\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}-\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)---\left(F1\right)$

插入f(P1)得到：

$\tan \left(\mathrm{\αy}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}{\tan \left(\mathrm{\δx}\right)-\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}---\left(F2\right)$

为了更好地用于μC系统中，公式(F1)&(F2)应当进行变换：

通常使用：

$\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δ}\right)}=\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\δ}\right)}$

得到(F1μC)：

$\tan \left(\mathrm{\αx}\right)=\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}-\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)$

$\tan \left(\mathrm{\αx}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)}{\cos \left(\mathrm{\δy}\right)}-\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)---\left(F1\mathrm{\μC}\right)$

并且得到(F2μC)：

$\begin{array}{c}\tan \left(\mathrm{\αy}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}{\tan \left(\mathrm{\δx}\right)-\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}\\ =\frac{\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\δx}\right)}-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\δy}\right)}}{\frac{\sin \left(\mathrm{\δx}\right)}{\cos \left(\mathrm{\δx}\right)}-\frac{\sin \left(\mathrm{\δy}\right)}{\cos \left(\mathrm{\δy}\right)}}\\ =\frac{\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\cos \left(\mathrm{\δy}\right)-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\cos \left(\mathrm{\δx}\right)}{\sin \left(\mathrm{\δx}\right)\·\cos \left(\mathrm{\δy}\right)-\sin \left(\mathrm{\δy}\right)\·\cos \left(\mathrm{\δx}\right)}\\ =\frac{\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\cos \left(\mathrm{\δy}\right)-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\cos \left(\mathrm{\δx}\right)}{\sin (\mathrm{\δx}-\mathrm{\δy})}\end{array}---\left(F2\mathrm{\μC}\right)$

为了梯度匹配：

变换f(P1)得到：

$\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δx}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}}---\left(F3\right)$

变换f(P2)得到：

$\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}---\left(F4\right)$

为了更好地用于μC系统中，公式(F3)&(F4)应当进行变换：通常使用：

$\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δ}\right)}=\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\δ}\right)}$

得到(F3μC)：

$\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δx}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}}$

tan(αx')＝tan(αx)·cos(δx)+tan(αy)·sin(δx)          (F3μC)

并且得到(F4μC)：

$\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}$

tan(αy')＝tan(αx)·cos(δy)+tan(αy)·sin(δy)              (F4μC)

使用给了测量值可以计算δ。

获得δ：

图9示出了空间中的两个平面。两个平面均与坐标系统的原点和接收器相交。

f1(x,y)＝a1·x+b1·y＝tan(αx1)·x+tan(αy1)·y

f2(x,y)＝a2·x+b2·y＝tan(αx2)·x+tan(αy2)·y

相交线则为：

f1(x,y)＝f2(x,y)

→

tan(αx1)·x+tan(αy1)·y＝tan(αx2)·x+tan(αy2)·y

$\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}1\right)-\tan \left(\mathrm{\αx}2\right)}{\tan \left(\mathrm{\αy}2\right)-\tan \left(\mathrm{\αy}1\right)}\·x=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}}\·x=\tan \left(\mathrm{\δ}\right)$

→ $\tan \left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}2\right)-\tan \left(\mathrm{\αx}1\right)}{\tan \left(\mathrm{\αy}1\right)-\tan \left(\mathrm{\αy}2\right)}$

梯度倾角单轴线(实施例)

现在参照图10。对于该特征，需要一个接收器。用户沿Y+方向定位接收器。发射器将找到接收器的位置并且调整为期望值。所选的X’轴梯度值与Y’轴成垂直角。

给定：

-定位发射器：P0＝(0/0/0)

-定位接收器1：P1＝(4/20/2)→以得到αy’轴的方向

为了验证可以计算角度δ

发射器通过进行两次不同的测量来确定角度δ的程序如下。

1.测量：

αx1＝0

2.测量：

αy2＝0

在激光接收器接收到“梯度上”信号之后，发射器得知这些值。→用(F5)计算δ：

用户选择：

αx’＝1°

αy’＝4°

在该特定情况下(梯度倾角单轴线)δx＝δy-90°。

使用(F1)和(F2)：

以及

结论是，如果接收器位于78,69°倾角并且用户选择αx’＝1°,αy’＝4°，则发射器必须将X轴调整为αx＝1,767°，将Y轴调整为αy＝3,727°。

现在，转向梯度倾角双轴线的情况，使用两个接收器，如图11所示。用户设置围绕y+轴定位接收器2并且围绕X+轴定位接收器1。另外，不需要将两个接收器定位为彼此成垂直角度。发射器扫描两个接收器位置并且调整为期望的梯度值。坡度在发射器和接收器之间(不在发射器轴线上)对准。

给定：

-定位发射器：P0＝(0/0/0)

-定位接收器1：P1＝(20/3/1)

-定位接收器2：P2＝(4/20/2)

3D坐标平面由f(x,y)＝ax+by+z限定(3个未知值和3个给定点→3个公式)。

这里：f(x,y)＝0,0361x+0,0928y

因此，为了验证可计算下面的角度：

αx＝arctan(a)＝arctan(0,0361)＝2,067°

αy＝arctan(b)＝arctan(0,0928)＝5,3°

下列程序可用于获得期望值αx’和αy’：

首先，使用接收器1进行两次测量：

1.测量：

αy1＝0

2.测量：

αx2＝0

→使用δ(F5)的公式

接下来对于接收器2应用相同的程序

δy＝78,69°

用户选择：

αx’＝2,831°

αy’＝5,6°

使用(F2)：

使用(F1)

$\tan \left(\mathrm{\αx}\right)=\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}-\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)$

结论是，发射器将调整为αx＝2,067°和αy＝5,3°，并且这使得αx’＝2,831°和αy’＝5,6°，这是所期望的值。

现在参照图12，图12图示了具有单轴线的梯度匹配。发射器扫描接收器的位置并且调整为“梯度上”。发射器和接收器之间的坡度在对应轴线显示中示出。另一轴线为0°。

给定：

-定位发射器：P0＝(0/0/0)

-定位接收器1：P1＝(4/20/2)→得到αy’轴的方向

为了验证可以计算角度δ：

通过进行两次不同的测量得到角度δ的程序如下：

1.测量：

αx1＝0

在激光接收器接收到“梯度上”信号之后，发射器可得知该值。

2.测量：

αy2＝0

在激光接收器接收到“梯度上”信号之后，发射器可得知该值。

使用(F5)计算δ：

使得x轴＝0°，发射器调整到“梯度上”。

αx1＝0

在激光接收器接收到“梯度上”信号之后，发射器可得知该值。

使用(F4)

发射器将在显示器中显示5,6°→(对准发射器&接收器)。

真正的αy(发射器轴线)为5,711°。

参照图13，图13示出了使用两个轴线的梯度匹配。接收器R1和R2由用户定位。在完成该功能之后，发射器将显示角度αx’和αy’。

给定：

-定位发射器：P0＝(0/0/0)

-定位接收器1：P1＝(20/3/1)

-定位接收器2：P2＝(4/20/2)

3D坐标平面由f(x,y)＝ax+by+z限定(3个未知值和3个给定点→3个公式)

这里：f(x,y)＝0,0361x+0,0928y

因此，为了验证可以计算下列角度：

αx＝arctan(a)＝arctan(0,0361)＝2,067°

αy＝arctan(b)＝arctan(0,0928)＝5,301°

获得期望值αx’和αy’的程序如下。

首先，将R1接通，并且进行两次测量：

1.测量：

αy1＝0

2.测量：

αx2＝0

使用δ(F5)的公式

接下来，对于接收器2使用相同的程序来获得：

δy＝78,69°

最后，使用两个接收器调整为“梯度上”。

然后，进行αx’和αy’的计算。

值αx和αy由发射器给定。

→使用公式(F3)&F(4)：

尽管为了示例的目的在上文中已经描述了特定实施方案，本领域技术人员将理解到，可以进行多种变型，并且这些变型将由所附的权利要求包含。

Claims (8)

1.一种对由发射器产生的激光的基准平面进行取向的方法，所述发射器包括定位布置，所述定位布置调节所述基准平面相对于第一发射器轴线以及相对于与所述第一发射器轴线垂直的第二发射器轴线的角度取向，激光由第一检测器和第二检测器检测，所述方法包括如下步骤：

通过沿第一对准方向定位所述第一检测器来限定来自所述发射器的所述第一对准方向以便于由激光平面照射；

通过沿第二对准方向定位所述第二检测器来限定来自所述发射器的所述第二对准方向以便于由激光平面照射；

通过处理器确定所述第一对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向；

通过处理器确定所述第二对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向；

指定所述基准平面沿所述第一对准方向和所述第二对准方向的期望取向；

通过处理器确定将所述基准平面定位在所述期望取向上所需的所述基准平面相对于所述第一发射器轴线以及相对于所述第二发射器轴线的角度取向；以及

相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线取向所述基准平面，从而获得所述基准平面沿所述第一对准方向和所述第二对准方向的所述期望取向。

2.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向的所述步骤包括如下步骤：

确定沿着由所述第一检测器检测到的第一平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，并且

确定沿着由所述第一检测器检测到的第二平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，

其中所述第一平面和所述第二平面是通过倾斜基准平面获得的，且在所述第一平面和所述第二平面时所述基准平面照射所述第一检测器的垂直的检测器线上的同一点。

3.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述第二对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向的所述步骤包括如下步骤：

确定沿着由所述第二检测器检测到的第一平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，并且

确定沿着由所述第二检测器检测到的第二平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，

其中所述第一平面和所述第二平面是通过倾斜基准平面获得的，且在所述第一平面和所述第二平面时所述基准平面照射所述第二检测器的垂直的检测器线上的同一点。

4.如权利要求1所述的方法，其中，确定将所述基准平面定位在所述期望取向上所需的所述基准平面相对于所述第一发射器轴线以及相对于所述第二发射器轴线的角度取向的步骤包括使用如下等式的步骤：

$\tan \left(\mathrm{\αy}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}-\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)\·\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}{\tan \left(\mathrm{\δx}\right)-\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}$

以及

$\tan \left(\mathrm{\αx}\right)=\frac{\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)}{\cos \left(\mathrm{\δy}\right)}-\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)$

其中，αx'和αy'为所述基准平面沿着所述第一对准方向和所述第二对准方向的所述取向，δx和δy为第一对准方向和第二对准方向相对于所述第一发射器轴线的倾角，并且αx和αy为所述基准平面沿着所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的所述取向。

5.一种对由发射器产生的激光的基准平面进行取向的方法，所述发射器包括定位布置，所述定位布置调节所述基准平面相对于第一发射器轴线以及相对于与所述第一发射器轴线垂直的第二发射器轴线的角度取向，激光由第一检测器和第二检测器检测，所述方法包括如下步骤：

通过沿第一对准方向定位所述第一检测器来限定来自所述发射器的所述第一对准方向以便由所述激光平面照射，所述第一检测器通过其相对于所述发射器的垂直位置来进一步限定激光的所述基准平面的梯度；

通过沿第二对准方向定位所述第二检测器来限定来自所述发射器的所述第二对准方向以便由所述激光平面照射，所述第二检测器通过其相对于所述发射器的垂直位置来进一步限定激光的所述基准平面的梯度；

通过处理器确定所述第一对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向；

通过处理器确定所述第二对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向；

沿所述第一对准方向取向所述基准平面以使得所述第一检测器被照射；

沿所述第二对准方向取向所述基准平面以使得所述第二检测器被照射；

通过处理器确定所述基准平面相对于所述第一发射器轴线以及相对于所述第二发射器轴线的角度取向，所述角度取向是当所述第一检测器和所述第二检测器二者被同时照射时得到的；以及

通过处理器确定所述基准平面沿所述第一对准方向和所述第二对准方向这两个方向的最终取向。

6.如权利要求5所述的方法，其中，确定所述第一对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向的所述步骤包括如下步骤：

确定沿着由所述第一检测器检测到的第一平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，并且

确定沿着由所述第一检测器检测到的第二平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，

其中所述第一平面和所述第二平面是通过倾斜基准平面获得的，且在所述第一平面和所述第二平面时所述基准平面照射所述第一检测器的垂直的检测器线上的同一点。

7.如权利要求5所述的方法，其中，确定所述第二对准方向相对于所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的取向的所述步骤包括如下步骤：

确定沿着由所述第二检测器检测到的第一平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，并且

确定沿着由所述第二检测器检测到的第二平面的所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的方向的倾斜度，

其中所述第一平面和所述第二平面是通过倾斜基准平面获得的，且在所述第一平面和所述第二平面时所述基准平面照射所述第二检测器的垂直的检测器线上的同一点。

8.如权利要求5所述的方法，其中，确定所述基准平面沿所述第一对准方向和所述第二对准方向这两个方向的最终取向的步骤包括使用如下等式的步骤：

$\tan \left({\mathrm{\αy}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δy}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δy}\right)}}$

以及

$\tan \left({\mathrm{\αx}}^{\′}\right)=\frac{\tan \left(\mathrm{\αx}\right)+\tan \left(\mathrm{\αy}\right)\·\tan \left(\mathrm{\δx}\right)}{\sqrt{1+{\tan }^2\left(\mathrm{\δx}\right)}}$

其中，αx'和αy'为所述基准平面沿着所述第一对准方向和所述第二对准方向的所述取向，δx和δy为第一对准方向和第二对准方向相对于所述第一发射器轴线的倾角，并且αx和αy为所述基准平面沿着所述第一发射器轴线和所述第二发射器轴线的所述取向。