CN103592943B - 用于机器零件控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于监测机器零件的位置和取向的方法，和一种用于监测并控制所述机器的操作的设备，所述机器包括处于相对于所述机器零件（36）的已知位置中的机器人全站仪和多个觇标（44，46）。位于所述机器零件附近的已知位置处的全站仪（10）重复地相继确定各个觇标的位置。通过所存储的关于所述觇标的在先位置和移动的数据来辅助所述觇标的获得和重新获得。此外，移动的觇标可用于促进所述重新获得。基于所述机器零件的位置和方向来控制所述机器的操作。

Description

用于机器零件控制的方法和设备

本申请是申请日为2005年3月14日、申请号为200580048773.6，发明名称为“用于机器零件控制的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及机器控制方法和系统，所述机器控制方法和系统用于具有诸如平路机、铣床、铺路机以及滑动成型机之类的机器零件的机器。更具体来说，本发明涉及一种利用固定追踪站的机器控制方法和系统，所述固定追踪站确定所述机器零件的位置和方向，并且将此信息发送给所述机器以用于控制所述机器零件的操作。

背景技术

期望对各种相对低速移动的机器的位置和移动进行监测，所述机器例如包括平路机、铺路机以及滑动成型机的施工机械，并且期望对与这种机器有关的机器零件的位置、取向以及移动进行监测。随后将这种信息用于对所监测的机器的操作进行控制。

虽然过去，机器操作员在操作这种装备时，依赖于由作业现场处的测量员设置的物理参数，但已经开发了自动机器控制系统，其提供诸如激光的基准光束的光学参数来指定高程。在这种系统中，安装在平路机上的激光接收机感测所述激光束并且提供高程基准。由机器操作员或者通过自动控制来将感测到的基准激光束的高程与设置点进行比较。随后基于此信息通过操作员手动或者通过自动控制自动地控制所述机器零件的移动。利用以多种方法中的任意一种确定的机器位置，可在施工现场依据所述机器的x轴位置和y轴位置来对所述设置点(即预期垂直位置)进行设置。

已经在测量和机器控制这两方面应用了全站仪。在传统测量应用中，位于已知位置的全站仪将激光束导向由在待测量点处的测量员放置的觇标(target)。所述觇标包括将所述激光束反射回所述全站仪的回射器。通过测量所述激光束的行程时间，来确定所述全站仪与所述觇标之间的距离。还通过测量从所述全站仪到所述觇标的所述激光束的方向，即定义了从所述全站仪到所述觇标的矢量的高度和方位角，来精确地确定所述觇标的位置。

已经开发了能够在无操作员参与的情况下对觇标进行定位和追踪的机器人全站仪。利用机器人全站仪，测量员在施工现场周围移动所述觇标。在所述机器人全站仪中的伺服电机促使所述机器人全站仪向所述觇标转动，随着测量员向施工现场的各位置移动而提供精确的角度和距离测量。所述全站仪在远程觇标移动时自动追踪所述远程觇标，由此提供所述觇标的实时位置数据。

还将机器人全站仪应用于机器控制。典型地以一个机器一个觇标的方式，使用机器人全站仪。将位置信息远程传送到机器控制系统，在所述机器控制系统处，控制软件针对工作计划对机器零件位置进行计算。单个机器零件上的多个觇标需要多个机器人全站仪。这种配置有些复杂。因此存在对利用单个全站仪的简化系统的需求。

发明内容

通过根据本发明的对机器零件的位置和方向进行监测的方法来满足这种需求。所述方法包括以下步骤：提供在相对于所述机器零件的已知位置中的多个觇标；在所述机器零件附近的已知位置处提供全站仪；利用所述全站仪重复地相继确定每个觇标的位置；并且基于所述觇标的位置来确定所述机器零件的取向。

利用所述全站仪重复地交替确定每个觇标的位置的步骤包括以下步骤：将激光束从所述全站仪重复地相继导向所述觇标，并且测量从所述全站仪到所述觇标中每一个的距离和从所述全站仪到所述觇标中每一个的方向。

利用所述全站仪重复地相继确定每个觇标的位置的步骤包括通过相继获得所述觇标来将激光束从所述全站仪相继导向所述觇标。

相继获得所述觇标的步骤包括以下步骤：存储所述觇标中每一个的检测位置和所述觇标中每一个的移动历史，并且在将所述激光束重复地相继导向所述觇标中每一个时，预测所述一对觇标中每一个的位置，由此便于所述觇标的重新获得。这可在机器人全站仪自身处进行，或者通过机器控制系统进行并且将预测的位置传送回所述机器人全站仪。

提供在相对于所述机器零件的已知位置中的多个觇标的步骤可以包括：提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且可随着所述机器零件移动的一对觇标。

提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且可随着所述机器零件移动的一对觇标的步骤可以包括：提供相对于所述机器零件位置固定的一对觇标。

一种控制机器零件的移动的方法，所述方法包括以下步骤：提供在相对于移动机器零件的已知位置中的多个觇标；在所述移动机器零件附近的已知位置处提供全站仪；利用所述全站仪来重复地相继确定每个觇标的位置；将由所述全站仪确定的每个觇标的位置从所述全站仪发送到所述机器；在所述机器处，基于所述觇标的位置来确定所述机器零件的取向；以及在所述机器处，响应于所确定的所述觇标的位置和所确定的所述机器零件的取向来控制所述机器零件的移动。

利用所述全站仪来重复地相继确定每个觇标的位置的步骤包括以下步骤：将激光束从所述全站仪重复地相继导向所述多个觇标中的每一个，并且测量从所述全站仪到所述多个觇标中每一个的距离和从所述全站仪到所述一对觇标中每一个的方向的步骤。

利用所述全站仪来重复地相继确定每个觇标的位置的步骤包括：通过交替地相继获得所述觇标来将激光束从所述全站仪导向所述觇标。

相继获得所述觇标的步骤包括：存储所述觇标中每一个的检测位置和所述觇标中每一个的移动历史，并且随着将所述激光束重复地相继导向所述觇标中的每一个来预测所述觇标中每一个的位置，由此便于所述觇标的重新获得。

提供在相对于所述机器零件的已知位置中的多个觇标的步骤包括以下步骤：提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且可随所述机器零件移动的一对觇标。

提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且可随所述机器零件移动的一对觇标的步骤包括提供相对于所述机器零件在固定位置中的一对觇标。

一种用于控制机器上的机器零件的移动的系统，所述系统包括：所述机器上的控制器，用于控制所述机器零件；多个觇标，安装在相对于移动机器零件的已知位置中；以及全站仪，被放置在所述移动机器零件附近的已知位置处。所述全站仪包括：激光源，用于在所述觇标上提供激光束；觇标预测单元，用于基于所述觇标的在先位置和移动来预测所述觇标中每一个的位置；光束控制器，用于将所述激光束导向所述觇标，并且重复地相继确定每个觇标的位置；以及发射器，用于将所述觇标中每一个的位置发送给所述机器上的控制器。可利用测得的所述觇标的位置来控制所述机器零件的位置、取向以及移动。

所述全站仪还可以包括测量单元，所述测量单元用于测量从所述全站仪到所述觇标中每一个的距离和从所述全站仪到所述觇标中每一个的方向。所述多个觇标可以包括一对觇标。

因此，本发明的目的是提供一种改进的用于控制机器和机器零件的系统和方法。根据下面的说明、附图以及所附权利要求将明了本发明的其它目的和优点。

附图说明

图1是在根据本发明的用于机器零件控制的方法和设备中使用的一种类型的机器人全站仪的示图；

图2是在根据本发明的方法和设备中使用的一种类型的觇标的示图；以及

图3是例示了根据本发明的用于机器零件控制的设备和方法的示图。

参照图1-3，所述图1-3例示了本发明的设备和方法，所述设备和方法用于监测机器零件的位置和取向，并且控制机器零件的移动。图1描绘了机器人全站仪10，所述机器人全站仪10包括：基础部12、旋转照准仪部14和电子距离测量部16。旋转照准仪部14在基础部12上以全360度的旋转范围关于垂直轴旋转。电子距离测量部16类似地在旋转照准仪部14中关于水平轴旋转。利用这种配置，距离测量部16能够实际上在任何方向上朝着觇标取向，从而能够测量从全站仪10到所述觇标的距离。

电子距离测量部16经由透镜18将激光束发向觇标20。如图2所示，觇标20包括围绕其周围设置的多个回射器部件22。回射器部件22可以是具有将所接收的光沿其来源方向反射回的特性的回射立方体或者其它反射器。觇标20还包括将闪光向上导向反相圆锥反射器26上的LED闪光灯24。光线从反射器26全方向地向外反射，并且提供了辅助机器人全站仪获得或者重新获得觇标20的手段。可将一觇标的闪光频率或者其脉动频率设置为不同于其它觇标的闪光频率或者其脉冲频率，由此使得全站仪能够区分这些觇标。

由图1的全站仪10向觇标20发射的激光束被觇标20反射回来，并且随后通过透镜18由电子距离测量部16接收。然而，在其它全站仪配置中，激光也可通过分离的透镜来接收。优选的是，激光束是脉冲激光束，这样便于测量光从全站仪10到觇标20以及返回所需的时间。如果提供精确的行进时间测量，则可直接计算全站仪与觇标之间的距离。于是，方位角、角度以及高度角测量与所计算出的全站仪10与觇标20之间的距离一起提供了觇标20相对于全站仪10的位置的极坐标。

机器人全站仪10包括具有键区30和显示器32的控制器28。机器人全站仪10包括伺服机构(未示出)，所述伺服机构通过控制电子距离测量部16绕着水平轴的旋转，并且控制照准仪部分14绕着垂直轴的旋转来为电子距离测量部16确定方向。机器人全站仪10还包括允许将位置和测量数据传送到远程位置的无线电发射机(未示出)和天线34。

参考图3，图3以示意性方式例示了用于控制机器38上的机器零件36的移动的系统。机器零件被示出为通过液压缸40在机器38上移动的平铲36。机器38上的控制器42对机器38的操作进行控制，该操作包括通过液压缸40而移动平铲36。一对觇标44和46借助于桅杆48和50而安装在相对于机器零件36的已知位置中。测斜器45提供机器零件36的倾斜角(angular pitch)的指示。

全站仪10被设置在机器38和机器零件36附近的已知位置处。全站仪10包括用于从指向觇标44或者觇标46的透镜18提供激光束的激光源。全站仪10中的控制器28包括觇标预测单元，所述觇标预测单元用于基于一对觇标44和46的在先位置和移动来预测一对觇标44和46中每一个的位置，或者另选的，通过控制器42来计算预测位置信息并且将该预测位置信息发送回全站仪10。控制器28包括光束控制器，所述光束控制器将激光束导向觇标44和46，并且重复地交替确定每个觇标的位置。到觇标44的激光光路径被标记为52并且到觇标46的激光光路径被标记为52’。全站仪10中的发射器将觇标44和46中每一个的位置经由机器38上的天线34和天线54发送到机器38上的控制器42。

应该理解，可利用觇标44和46的测量位置来确定机器零件36相对于全站仪10的预期位置、取向以及移动。控制器42可利用此信息来操作机器38。

通过全站仪10来监测机器零件36的位置和取向，并且将此信息提供给机器38，以便机器38利用此信息来自动或者人工地控制部件36。一对觇标44和46被设置在相对于机器零件的已知位置中。在图3中，例示出如下结构，例如在该结构中将觇标对称地安装在机器零件36的各端部处的桅杆48和50上。全站仪10被设置在机器零件36附近的已知位置处。在本发明的方法中，利用机器人全站仪10来重复地交替确定觇标44和46中每一个的位置。随后通过控制器42基于所述一对觇标44和46的位置来确定机器零件36的位置和取向。应该理解，也可使用诸如三个觇标或者四个觇标的多个觇标，利用全站仪重复地相继确定所述多个觇标中每一个的位置。这种配置可提供更高的精确度并且如果全站仪不能获得觇标之一，也能有助于系统的操作。

沿着光路52和52’相对快速地将激光束交替导向所述一对觇标44和46之一，然后导向另一个。在从圆锥镜56和58全方向地向外反射的闪控脉冲光的帮助下，通过机器人全站仪10来交替获取觇标。觇标的测量位置被存储在控制器28中或者另选地存储在控制器42中。这样提供觇标中每一个的移动历史，并且允许通过控制器28中的目标预测单元来预测所述觇标中每一个的其它位置，或者从控制器42将所述下一位置发送回全站仪10。进而，在将激光束交替导向一对觇标的之一然后导向另一个时，或者在使用多于两个觇标的情况下相继导向所述觇标中每一个时，这有助于所述觇标的获取。应该理解，基于针对觇标44和46的位置测量，也可通过控制器42来确定机器零件36的取向。控制器42也可响应于测斜器45，该测斜器45提供了部件36的从一端到另一端的曲线的取向的指示。全站仪在两个觇标之间进行切换的频率可基于机器零件36及觇标44和46要移动的速度而变化。

虽然并未要求，但如果期望，可将一对觇标44和46固定在相对于机器机构36的对称位置处。所需要的仅是觇标具有与部件36的已知固定关系。如果觇标的位置已知，则机器零件的位置也已知。应进一步理解，虽然描述了具有两个觇标的结构，但也可利用采用三个或者更多个觇标的系统。

应该理解一旦确定了觇标的位置，则可随后利用此信息来控制机器零件的移动。将位置信息发送到机器38，并且通过控制器42来确定机器零件36的取向。例如，将预期工地轮廓存储在计算机60中，并且由控制器42利用该工地轮廓来控制部件36以实现此轮廓。例如如果正在对铺路机进行控制，则可将待铺设的区域的预期表面结构存储在计算机60中。通过控制器40来自动或者人工控制机器零件36的移动，以便机器零件36沿着预期路径移动。

虽然为了例示本发明的目的而示出了特定代表性实施方式和细节，但本领域的技术人员应该明了，可在不脱离本发明的范围的情况下可对在此公开的本发明进行各种变化，本发明由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种监测机器零件的位置和取向的方法，所述方法包括以下步骤：

提供在相对于所述机器零件的已知位置中的多个觇标，

在所述机器零件附近的已知位置处提供全站仪，

利用所述全站仪重复地相继确定每个觇标的测得位置，

基于所述多个觇标的测得位置来确定所述机器零件的取向和移动，

利用所述全站仪的觇标预测单元基于所述多个觇标的测得位置和移动来确定所述多个觇标的预测的进一步位置，并且

经由所述全站仪基于所述预测的进一步位置重新获得所述多个觇标中的每一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述全站仪重复地相继确定每个觇标的测得位置的步骤包括：将激光束从所述全站仪重复地相继导向所述多个觇标中的每一个，并且测量从所述全站仪到所述多个觇标中每一个的距离和从所述全站仪到所述多个觇标中每一个的方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述全站仪重复地相继确定每个觇标的测得位置的步骤包括通过相继获得所述多个觇标来将激光束从所述全站仪导向所述多个觇标。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，提供在相对于所述机器零件的已知位置中的多个觇标的步骤包括以下步骤：提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且能够随着所述机器零件移动的一对觇标。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且能够随着所述机器零件移动的一对觇标的步骤包括以下步骤：提供固定在相对于所述机器零件的对称位置中的一对觇标。

6.根据权利要求1所述的方法，在基于所述多个觇标的测得位置来确定所述机器零件的取向之后，所述方法还包括：

通过机器的控制器来计算所述多个觇标的测得位置并将所述测得位置发送回全站仪；以及

经由所述全站仪基于所述预测的进一步位置重新获得所述多个觇标中的每一个。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括存储所述多个觇标中每一个的检测位置和所述多个觇标中每一个的移动历史。

8.根据权利要求1所述的方法，其中经由所述全站仪基于所述预测的进一步位置重新获得所述多个觇标中的每一个包括：将激光束导向所述预测的进一步位置以重新获得所述多个觇标中的每一个。

9.一种控制机器零件的移动的方法，所述方法包括以下步骤：

提供在相对于移动机器零件的已知位置中的多个觇标，

在所述移动机器零件附近的已知位置处提供全站仪，

利用所述全站仪来重复地相继确定每个觇标的测得位置，

将由所述全站仪确定的每个觇标的测得位置从所述全站仪发送到所述机器，

在所述机器处，基于所述多个觇标的测得位置来确定所述机器零件的取向，

在所述机器处，响应于所确定的所述多个觇标的测得位置和所确定的所述机器零件的取向来控制所述机器零件的移动，

在所述全站仪处，基于所述多个觇标的测得位置和所述多个觇标的移动来确定所述多个觇标的预测的进一步位置，并且

经由所述全站仪基于所述预测的进一步位置重新获得所述多个觇标的每一个。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，利用所述全站仪来重复地相继确定每个觇标的测得位置的步骤包括：将激光束从所述全站仪重复地相继导向所述多个觇标中的每一个，并且测量从所述全站仪到所述多个觇标中每一个的距离和从所述全站仪到所述多个觇标中每一个的方向的步骤。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，利用所述全站仪来重复地相继确定每个觇标的测得位置的步骤包括：通过相继获得所述多个觇标来将激光束从所述全站仪导向所述多个觇标。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，提供在相对于所述机器零件的已知位置中的多个觇标的步骤包括以下步骤：提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且能够随所述机器零件移动的一对觇标。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，提供固定在所述机器零件上的已知位置中并且能够随所述机器零件移动的一对觇标的步骤包括提供固定在相对于所述机器零件的对称位置中的一对觇标。

14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括存储所述多个觇标中每一个的检测位置和所述多个觇标中每一个的移动历史。

15.根据权利要求9所述的方法，基于所述预测的进一步位置重新获得所述多个觇标的每一个包括：

将激光束导向所述预测的进一步位置以重新获得所述多个觇标中的每一个。

16.一种控制机器上的机器零件的移动的系统，所述系统包括：

所述机器上的控制器，控制所述机器零件；

多个觇标，安装在相对于移动机器零件的已知位置中；以及

全站仪，被放置在所述移动机器零件附近的已知位置处，所述全站仪包括：

激光源，在所述多个觇标上提供激光束，

觇标预测单元，基于所述多个觇标的在先位置和移动来预测所述多个觇标中每一个的进一步位置，

光束控制器，将所述激光束导向所述多个觇标，并且基于所述预测的进一步位置重复地相继确定机器零件的预期位置，

发射器，将所述多个觇标中每一个的测得位置发送给所述机器上的控制器，所述控制器利用测得的所述多个觇标的位置来确定所述机器零件的位置、取向以及移动，

其中所述全站仪基于所述多个觇标的预测的进一步位置重新获得所述多个觇标中的每一个。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述全站仪还包括测量单元，所述测量单元用于测量从所述全站仪到所述多个觇标中每一个的距离和从所述全站仪到所述多个觇标中每一个的方向。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个觇标包括一对觇标。

19.一种控制机器上的机器零件的移动的系统，所述系统包括：

所述机器上的控制器，控制所述机器零件；

多个觇标，安装在相对于移动机器零件的已知位置中；以及

全站仪，被放置在所述移动机器零件附近的已知位置处，所述全站仪包括：

激光源，在所述多个觇标上提供激光束，

光束控制器，将所述激光束导向所述多个觇标，

发射器，将所述多个觇标中每一个的测得位置发送给所述机器上的控制器，所述控制器利用测得的所述多个觇标的位置来确定所述机器零件的位置、取向以及移动，

其中所述控制器基于所述多个觇标中每一个的测得位置和所述多个觇标的移动来计算所述多个觇标中的每一个的预测位置，并将所述预测位置发送回到所述全站仪，以及

所述全站仪的光束控制器基于所述预测位置重复地相继重新获得所述多个觇标中的每一个。

20.根据权利要求19所述的系统，所述全站仪的光束控制器进一步被配置为将所述激光束导向所述预测位置以重新获得所述多个觇标中的每一个。