CN111693030A - 用于改善施工现场机械的机器操作的自动控制的系统 - Google Patents

用于改善施工现场机械的机器操作的自动控制的系统 Download PDF

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Abstract

用于改善施工现场机械的机器操作的自动控制的系统。本发明涉及一种被配置为确认全站仪或经纬仪正在自动跟踪和测量的移动协作目标以自动控制施工现场机器的机器操作的系统，系统包括至少一个全站仪或经纬仪，其具有带有锚定ID的UWBST锚定模块；协作目标，其与具有标签ID的UWBST标签模块相关联并用于自动控制施工现场机器的机器操作；机器控制单元；以及超宽带(UWB)测距仪。将具有分配的标签ID和锚定ID的测量的UWB距离提供给机器控制单元，其中，机器控制单元被配置为将测量的光学距离和测量的UWB距离进行匹配，并用匹配作为对正在被全站仪或经纬仪跟踪和连续测量的协作目标是用于自动控制机器操作的协作目标的确认。

Description

用于改善施工现场机械的机器操作的自动控制的系统
技术领域
本发明涉及一种用于改善施工现场机械(machinery)的机器操作的自动控制的系统。
背景技术
自古以来，出于测量协作目标的目的，已知多种大地测量方法和大地测量设备。视距仪、全站仪或经纬仪提供了这种测量设备和/或大地测量设备的一般已知示例。这种设备具有角度测量功能和距离测量功能，该角度测量功能和距离测量功能允许确定到所选协作目标的方向和距离以及距所选协作目标的方向和距离。在这种情况下，角度和距离变量是在设备的内部参考系中确定的，并且如果合适，还必须链接到外部参考系(例如，用于绝对位置确定的坐标系)。
现代全站仪或经纬仪具有微处理器，以用于进一步数字处理和存储所获取的测量数据。一般来说，这些设备以紧凑且集成的设计生产，同轴距离和角度测量元件以及算术逻辑、控制和存储单元大多被集成在一个设备中。取决于全站仪的升级水平，集成了用于驱动瞄准光学器件以及相应地其视场用于对准、用于无反射器距离测量、用于自动目标寻找和跟踪以及用于整个设备的远程控制的装置。现有技术中已知的全站仪还具有无线电数据接口，所述无线电数据接口用于与外部外围部件建立无线电链路，诸如，例如与数据获取设备建立无线电链路，该数据获取设备尤其是可以被设计为手持式数据记录仪、现场计算机、笔记本电脑、微型计算机或PDA。在更具体的情况下，外围部件例如可以是机器控制单元，该机器控制单元与机器相关联，特别是与施工现场机器相关联，并且用于控制相关联的机器的机器操作的目的。通过数据接口，可以输出全站仪获取和存储的测量数据，以例如通过机器控制单元进行外部进一步处理，可以将外部获取的测量数据读入全站仪中以用于存储和/或进一步处理的目的，可以输入和/或输出远程控制信号以用于全站仪的远程控制(例如，用于使全站仪或经纬仪与其视场对准协作目标或其他外部部件(特别是在现场移动使用时))，以及可以将控制软件转录到全站仪中。
在测量操作中可获得的测量精度根据要测量的协作目标的设计而变化。然而，如果协作目标由专门为测量而设计的目标反射器(诸如，例如后向反射目标)表示，则因此与无反射器测量相比，例如相对于房屋墙壁上的待测点，可以获得大体上更准确的测量结果。
协作目标通常与系统中的全站仪或经纬仪一起使用，所述系统被配置为自动控制施工现场机器(例如，摊铺机，挖掘机等)的机器操作。因此，协作目标通常各自相对于机器的特定参考点安装在相应的机器上。因此，各个协作目标的位置都以机器为参考，并且协作目标可以由全站仪或经纬仪在相应坐标系内进行跟踪和连续测量。基于所测量的协作目标的位置，机器控制单元可以监视机器的操作并得到用于自动控制机器的机器操作的控制信息。根据协作目标在机器上的安装位置以及全站仪或经纬仪的位置，在自动跟踪和测量协作目标时可能会出现问题。一个问题例如可以与将正在被跟踪和连续测量的协作目标可靠地分配给机器的特定参考点以自动且可靠地控制机器操作有关。另一个问题例如可以与以下情况有关：全站仪或经纬仪与协作目标之间的视线接触由于障碍物而丢失，并且必须将然后被跟踪和连续测量的“重新找到”的协作目标分配给机器的特定参考点。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于通过使协作目标的自动跟踪和测量更加可靠来改善基于全站仪或经纬仪的施工现场机器的机器操作的自动控制的系统。
本发明涉及一种被配置为确认正在被自动跟踪和测量的移动协作目标以自动控制施工现场机器的机器操作的系统，该系统包括：至少一个全站仪或经纬仪，所述至少一个全站仪或经纬仪具有被配置为在跟踪视场内对协作目标进行跟踪和连续测量的跟踪单元，其中，测量涉及在坐标系内对到该协作目标的距离以及到该协作目标的水平角和垂直角的确定；光学测距仪，该光学测距仪用于测量到协作目标的光学距离；超宽带信号收发器(UWBST)锚定模块(参考所述坐标系)，该UWBST锚定模块具有锚定标识符(锚定ID)，以及协作目标，该协作目标与具有标签标识符(标签ID)的UWBST标签模块相关联，并且所述协作目标用于自动控制所述施工现场机器的机器操作；机器控制单元，该机器控制单元与施工现场机器相关联，该机器控制单元被配置为基于跟踪和连续测量协作目标来控制机器操作，其中，跟踪和连续测量由全站仪或经纬仪执行；超宽带(UWB)测距仪，该UWB测距仪与UWBST锚定模块相关联，该UWB测距仪被配置为测量UWBST锚定模块与UWBST标签模块之间的距离(UWB距离)，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给所述机器控制单元，其中，所述机器控制单元被配置为将测量的光学距离和测量的UWB距离进行匹配，并使用该匹配作为对正在被全站仪或经纬仪跟踪和连续测量的协作目标是用于自动控制机器操作的协作目标的确认。
根据本发明的实施方式，可以基于在UWBST锚定模块与UWBST标签模块之间传输的UWB信号的飞行时间测量来测量UWB距离。
根据特定实施方式，将测量的光学距离与测量的UWB距离进行匹配可以包括：如果所测量的到协作目标的光学距离与所测量的UWB距离相差不超过公差值，则将分配给所测量的UWB距离的标签ID分配给协作目标。
根据另一特定实施方式，该系统可以包括：另一UWBST锚定模块，该另一UWBST锚定模块参考该坐标系并且具有锚定标识符(锚定ID)；另一UWB测距仪，该另一UWB测距仪与所述另一UWBST锚定模块相关联，该另一UWB测距仪被配置为测量在另一UWBST锚定模块与UWBST标签模块之间的UWB距离，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给机器控制单元，其中，机器控制单元还被配置为确定水平角(UWB角)并将所述水平角(UWB角)分配给所测量的UWB距离，考虑到(in view of)全站仪或经纬仪并且相对于另一UWBST锚定模块在该UWB角下定位UWBST标签模块，并且将在其下测量所述光学距离并由所述跟踪单元确定的所述水平角与所述UWB角进行匹配。
根据本发明的特定实施方式，将测量的光学距离与测量的UWB距离进行匹配包括：如果所测量的到协作目标的光学距离与UWB距离相差不超过公差值，并且如果在其下测量光学距离的水平角与UWB角相差不超过公差值，则将分配给所测量的UWB距离的标签ID分配给协作目标。
根据另一实施方式，该系统包括：另一UWBST锚定模块，该另一UWBST锚定模块参考该坐标系并且具有锚定标识符(锚定ID)；另一UWB测距仪，该另一UWB测距仪与所述另一UWBST锚定模块相关联，该另一UWB测距仪被配置为测量在另一UWBST锚定模块与UWBST标签模块之间的UWB距离，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给机器控制单元，其中，所述机器控制单元还被配置为基于所测量的UWB距离来确定所述协作目标的大致位置(UWB位置)，并将与所确定的所述协作目标的UWB位置有关的控制信息提供给全站仪或经纬仪，以使所述跟踪视场与所述协作目标对准，以能够由所述跟踪单元进行跟踪和测量。
根据特定实施方式，基于多点定位、三角测量和到达角测量的技术中的至少一种来确定协作目标的UWB位置。
本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在机器可读介质上的程序代码，当该程序代码在根据本发明的机器控制单元上执行时指示该机器控制单元使用具有UWBST锚定模块、与UWBST标签模块相关联的协作目标以及与UWBST锚定模块相关联的UWB测距仪的全站仪或经纬仪来确认根据本发明的全站仪或经纬仪正在跟踪和测量的移动协作目标，和/或确定这种协作目标的大致位置，并将相关的控制信息提供给根据本发明的全站仪或经纬仪。
另外，本发明涉及一种用于升级到被配置为确认正在被自动跟踪和测量的移动协作目标以自动控制施工现场机器的机器操作的系统的升级套件，该系统包括：至少一个全站仪或经纬仪，所述至少一个全站仪或经纬仪具有：被配置为在跟踪视场内对协作目标进行跟踪和连续测量的跟踪单元，其中，测量涉及在坐标系内对到该协作目标的距离以及到该协作目标的水平角和垂直角的确定；光学测距仪，该光学测距仪用于测量到协作目标的光学距离；超宽带信号收发器(UWBST)锚定模块(参考所述坐标系)，该UWBST锚定模块具有锚定标识符(锚定ID)；以及协作目标，所述协作目标与具有标签标识符(标签ID)的UWBST标签模块相关联，并且所述协作目标用于自动控制所述施工现场机器的机器操作；机器控制单元，该机器控制单元与施工现场机器相关联，该机器控制单元被配置为基于跟踪和连续测量协作目标来控制机器操作，其中，跟踪和连续测量由全站仪或经纬仪执行；超宽带(UWB)测距仪，该UWB测距仪与UWBST锚定模块相关联，该UWB测距仪被配置为测量UWBST锚定模块与UWBST标签模块之间的距离(UWB距离)，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给机器控制单元，其中，升级套件包括UWBST标签模块、与UWB测距仪相关联的UWBST锚定模块以及根据本发明的计算机程序。
附图说明
下面借助于在附图中示意性地例示的具体示例性实施方式仅通过示例的方式来更详细地描述本发明的系统，还检查了本发明的其他优点。具体地：
图1示出了根据现有技术的全站仪或经纬仪；
图2示出了根据本发明的系统的图示，该系统包括具有UWBST锚定模块的全站仪和具有协作目标的施工现场机器，每个协作目标均与UWBST标签模块相关联；
图3示出了根据本发明的系统的图示，该系统包括具有UWBST锚定模块的全站仪、具有协作目标的施工现场机器以及另一UWBST锚定模块，每个协作目标均与UWBST标签模块相关联；以及
图4例示出了根据本发明的实施方式的系统用于确认测量的协作目标的情况。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的全站仪或经纬仪51，在这种情况下，全站仪51包括跟踪单元55，该跟踪单元55具有图像获取单元(在此示例性地是全景相机)，其中，该图像获取单元的获取方向在很大程度上平行于同样布置在全站仪或经纬仪中的测量装置的测量方向。因此，集成图像获取单元的光获取轴至少与由可以发射的测量辐射限定的测量轴平行地延伸，特别是同轴地延伸。图像获取集单元的视场由安装在跟踪单元55中的光学单元和跟踪单元55的设计来限定，其中，测量辐射同样通过光学单元射出并由此限定测量辐射的方向。
此外，全站仪或经纬仪51设置有输出单元52，特别是包括显示器，在该输出单元上可以描绘由全景相机获取的图像。此外，用于将测量辐射或获取方向与对象(例如，协作目标)对准的设备包括彼此垂直的两个枢转轴53、54(垂直轴53和倾斜轴54)。全站仪或经纬仪3或可以发射的测量辐射由此可以通过绕一个或两个轴53、54旋转跟踪单元55来与待测量的点(例如，协作目标)对准。特别地，这可以以马达驱动的方式实现。为此，跟踪单元55以可绕倾斜轴54旋转的方式安装在支撑件56中，因此，支撑件56以可绕垂直轴53旋转的方式布置在基座57上。
图2例示了根据本发明的系统，该系统包括具有UWBST锚定模块2的全站仪或经纬仪1、施工现场机器3和协作目标4、4'、4”，每个协作目标4、4'、4”与UWBST标签模块5、5'、5”相关联。协作目标相对于机器的特定参考点被安装在施工现场机器上。在图示中并且仅作为示例，机器的特定参考点是机器的四个最外角点中的三个。协作目标附接到具有已知长度的棍或杆的一端，该棍或杆的另一端固定到机器的角点中的一个。全站仪位于距操作机器的安全距离处，以能够自动跟踪和连续测量协作目标，而不会有碰撞的风险。机器控制单元未在附图中明确地示出，但也包含在系统中。在如图2中示意性地例示的典型情况下，全站仪自动跟踪和连续测量协作目标4、4'、4”。通过测量协作目标，协作目标在全站仪或经纬仪的坐标系中的位置通过确定到协作目标的水平角/方位角、垂直角/仰角(elevation)和距离来确定。到协作目标的距离由光学测距仪测量作为光学距离6。全站仪或经纬仪将与所测量的位置有关的信息提供给机器控制单元，其中，机器控制单元基于所述信息来控制机器的相应机器操作。根据施工规范，所测量的协作目标4及由此该协作目标4的相关联的机器的特定参考点需要相对于其他协作目标4'、4”及所述其他协作目标的相关联的机器的参考点具有特定的位置。为了监视和控制协作目标之间的这些位置关系，机器控制单元需要将相应的位置信息分配给相应的协作目标。为了将位置信息分配给“正确的”协作目标，机器控制单元执行光学距离6与所测量的UWB距离7的匹配，以确认“正确的”协作目标被测量。在全站仪或经纬仪的UWBST锚定模块2和与协作目标相关联的UWBST标签模块5之间测量UWB距离。如果所测量的光学距离6与所测量的UWB距离7匹配，则确认协作目标，并且将相应的UWBST标签模块的标签ID分配给协作目标。根据特定的实施方式，匹配可以涉及检查到协作目标的所测量的光学距离6与所测量的UWB距离7是否相差不超过公差值。
图3例示了根据本发明的特定实施方式的系统，该系统具有参考所述坐标系的另一UWBST锚定模块8。根据该特定实施方式，机器控制单元另外基于所测量的UWB距离7、7'和另一UWBST锚定模块8的参考位置来确定UWB角9，考虑到全站仪或经纬仪并且相对于另一UWBST锚定模块8在该UWB角下定位与协作目标相关联的UWBST标签模块。机器控制单元还将所确定的UWB角9分配给所测量的UWB距离7。根据该实施方式，机器控制单元将UWB距离7与光学距离6进行匹配，并且还将UWB角9与水平角/方位角10进行匹配，在该水平角/方位角10下测量光学距离并且由全站仪或经纬仪的跟踪单元确定该水平角/方位角10。然后，如果所测量的光学距离6与所测量的UWB距离7相匹配并且UWB角与水平角/方位角10相匹配，则与协作目标相关联的UWBST标签模块的标签ID被分配给该协作目标。根据本发明的另一特定实施方式，在这种情况下的匹配可以涉及检查到协作目标的所测量的光学距离6与UWB距离7是否相差不超过公差值以及在其下测量光学距离的水平角/方位角10与UWB角9是否相差不超过公差值。
图4示意性地例示出了仅将相应的所测量的光学距离与UWB距离进行匹配可能是不明确的情况。在这种情况下，另外将相应的水平角/方位角10'、10”与UWB角9'、9”进行匹配使得能够明确地确认所测量的协作目标。
根据本发明的另一有利实施方式，例如在图3中示意性地例示的系统可以用于使用所测量的UWB距离7、7'来确定UWBST标签模块和相关联的协作目标的大致位置。因此，需要至少两个UWBST锚定模块。机器控制单元然后可以将与所确定的大致位置有关的控制信息提供给全站仪或经纬仪，以使跟踪单元的视场与协作目标对准，以可以由跟踪单元对该协作目标进行跟踪和测量。因此，可以使用以下技术中的一种来确定UWBST标签模块和相关联的协作目标的大致位置：多点定位、三角测量(如果有足够的UWBST锚定模块是可用的)或到达角测量。
本发明还涉及一种可以安装在现有技术测量设备上的升级套件，该现有技术测量设备至少包括全站仪或经纬仪、机器控制单元、协作目标和施工现场机器。然后，升级套件包括至少一个UWBST锚定模块和UWBST标签模块以及计算机程序产品，该计算机程序产品包括可以被安装在现有技术机器控制单元上的软件，以向该控制单元提供根据本发明的任何实施方式的功能。因此，现有技术测量设备或系统可以利用升级套件进行改造，以升级到根据本发明的用于在施工现场机器的机器操作的自动控制期间确认测量的协作目标的系统。
不用说，这些例示的附图仅仅是可能的示例性实施方式的示意图。

Claims (9)

1.一种被配置为确认正在被自动跟踪和测量的移动协作目标以自动控制施工现场机器的机器操作的系统，所述系统包括：
ο至少一个全站仪或经纬仪，所述至少一个全站仪或经纬仪具有：
·跟踪单元，所述跟踪单元被配置为在跟踪视场内对协作目标进行跟踪和连续测量，其中，测量涉及在坐标系内对到所述协作目标的距离以及到所述协作目标的水平角和垂直角的确定，
·光学测距仪，所述光学测距仪用于测量到协作目标的光学距离，
·超宽带信号收发器UWBST锚定模块，特别是该UWBST锚定模块参考所述坐标系，并且具有锚定标识符，即锚定ID，以及
ο协作目标，所述协作目标与具有标签标识符的UWBST标签模块相关联，该标签标识符即标签ID，并且所述协作目标用于自动控制所述施工现场机器的机器操作，
ο机器控制单元，所述机器控制单元与所述施工现场机器相关联，所述机器控制单元被配置为基于跟踪和连续测量协作目标来控制机器操作，其中，跟踪和连续测量由所述全站仪或所述经纬仪执行，
ο超宽带UWB测距仪，该UWB测距仪与所述UWBST锚定模块相关联，所述UWB测距仪被配置为测量所述UWBST锚定模块与所述UWBST标签模块之间的距离，即UWB距离，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给所述机器控制单元，
其特征在于，所述机器控制单元被配置为将测量的光学距离和测量的UWB距离进行匹配，并使用该匹配作为对正在被所述全站仪或所述经纬仪跟踪和连续测量的所述协作目标是用于自动控制所述机器操作的所述协作目标的确认。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，基于在所述UWBST锚定模块与所述UWBST标签模块之间传输的UWB信号的飞行时间测量来测量所述UWB距离。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，将测量的光学距离与测量的UWB距离进行匹配包括：如果所测量的到所述协作目标的光学距离与所测量的UWB距离相差不超过公差值，则将分配给所测量的UWB距离的所述标签ID分配给所述协作目标。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述系统包括：
ο另一UWBST锚定模块，所述另一UWBST锚定模块参考所述坐标系，并且具有锚定标识符，即锚定ID，
ο另一UWB测距仪，所述另一UWB测距仪与所述另一UWBST锚定模块相关联，所述另一UWB测距仪被配置为测量在所述另一UWBST锚定模块与所述UWBST标签模块之间的UWB距离，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给所述机器控制单元，
其特征在于，所述机器控制单元还被配置为
ο确定水平角，即UWB角，并将该UWB角分配给所测量的UWB距离，考虑到所述全站仪或所述经纬仪并且相对于所述另一UWBST锚定模块在所述UWB角下定位所述UWBST标签模块，并且
ο将在其下测量所述光学距离并由所述跟踪单元确定的所述水平角与所述UWB角进行匹配。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，将测量的光学距离与测量的UWB距离进行匹配包括：如果所测量的到所述协作目标的光学距离与所述UWB距离相差不超过公差值，并且如果在其下测量所述光学距离的所述水平角与所述UWB角相差不超过公差值，则将分配给所测量的UWB距离的所述标签ID分配给所述协作目标。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述系统包括：
ο另一UWBST锚定模块，所述另一UWBST锚定模块参考所述坐标系，并且具有锚定标识符，即锚定ID，
ο另一UWB测距仪，所述另一UWB测距仪与所述另一UWBST锚定模块相关联，所述另一UWB测距仪被配置为测量所述另一UWBST锚定模块与所述UWBST标签模块之间的UWB距离，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给所述机器控制单元，
其特征在于，所述机器控制单元还被配置为
ο基于所测量的UWB距离确定所述协作目标的大致位置，即UWB位置，并且
ο将与所确定的所述协作目标的UWB位置有关的控制信息提供给所述全站仪或所述经纬仪，以使所述跟踪视场与所述协作目标对准，以能够由所述跟踪单元对该协作目标进行跟踪和测量。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，基于多点定位、三角测量和到达角测量的技术中的至少一种来确定所述协作目标的所述UWB位置。
8.一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在机器可读介质上的程序代码，当所述程序代码在根据前述权利要求中任一项的机器控制单元上执行时，所述程序代码指示所述机器控制单元使用根据权利要求1所述的具有UWBST锚定模块、与UWBST标签模块相关联的协作目标以及与所述UWBST锚定模块相关联的UWB测距仪的全站仪或经纬仪执行以下操作：
ο确认根据前述权利要求中的任一项所述的全站仪或经纬仪正在跟踪和测量的移动协作目标，和/或
ο确定这种协作目标的大致位置，并将相关的控制信息提供给根据前述权利要求中任一项所述的全站仪或经纬仪。
9.一种用于升级到被配置为确认正在被自动跟踪和测量的移动协作目标以自动控制施工现场机器的机器操作的系统的升级套件，所述系统包括：
ο至少一个全站仪或经纬仪，所述至少一个全站仪或经纬仪具有：
·跟踪单元，所述跟踪单元被配置为在跟踪视场内对协作目标进行跟踪和连续测量，其中，测量涉及在坐标系内对到所述协作目标的距离以及到所述协作目标的水平角和垂直角的确定，
·光学测距仪，所述光学测距仪用于测量到协作目标的光学距离，
·超宽带信号收发器UWBST锚定模块，特别是该UWBST锚定模块参考所述坐标系，并且具有锚定标识符，即锚定ID，以及
ο协作目标，所述协作目标与具有标签标识符的UWBST标签模块相关联，该标签标识符即标签ID，并且所述协作目标用于自动控制所述施工现场机器的机器操作，
ο机器控制单元，所述机器控制单元与所述施工现场机器相关联，所述机器控制单元被配置为基于跟踪和连续测量协作目标来控制机器操作，其中，跟踪和连续测量由所述全站仪或所述经纬仪执行，
ο超宽带UWB测距仪，所述UWB测距仪与所述UWBST锚定模块相关联，所述UWB测距仪被配置为测量所述UWBST锚定模块与所述UWBST标签模块之间的距离，即UWB距离，并将具有所分配的标签ID和锚定ID的所测量的UWB距离提供给所述机器控制单元，
其特征在于，所述升级套件包括
ο所述UWBST标签模块，
ο与所述UWB测距仪相关联的所述UWBST锚定模块，以及
ο计算机程序产品，特别是根据权利要求8所述的计算机程序产品。
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