CN1221715C

CN1221715C - 建筑机械控制系统

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Publication number: CN1221715C
Application number: CNB031017517A
Authority: CN
Inventors: 大有文夫; 林邦広
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: US20030137658A1; CN1434177A; JP3816806B2; US6947820B2; JP2003214850A

Abstract

本发明提供一种解决方案，使单个旋转的激光装置能控制不止一个建筑机械，以使该建筑机械能同时分别将地形向上或向下找平到不同高度。本发明的建筑机械控制系统包括一旋转的激光装置，它发射至少两个在非水平面的平面内发散同时围绕一给定轴旋转的扇形激光束；一安装在建筑机械上以接收扇形激光束的光探测器；一安装在该建筑机械上的用来确定该建筑机械位置的GPS接收器；以及一安装在该建筑机械上的算术运算单元，其中一扇形激光束以与其它扇形激光束不同的仰角或俯角发射，该算术运算单元从GPS接收器接收探测到的信号，确定该建筑机械的位置，并接收当光探测器分别接收扇形激光束时时间之间的延迟，计算并产生对该建筑机械的控制信号。

Description

建筑机械控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于建筑工地中所使用的多种机械的控制系统，更具体地说，涉及一种用于建筑机械的控制系统，它包含一具有结合在一起的一旋转的激光装置和一光探测器的高度测量装置，并且还具有一与GPS接收器配合使用的水平二维位置测量装置。

背景技术

为了使用平地机和推土机找平或者修整用于布置住宅区和铺路的地面，需要一能够确定该机械在水平面中的位置，以及所需找平的地面高度的系统。近年来，已经研制了一种建筑机械控制系统，其中GPS系统确定建筑机械在水平面中的位置，而旋转的激光装置确定建筑物下面地形的高度，以便控制该建筑机械。在这种系统中，该旋转的激光装置预先确定一参考高度，在此之上操纵该建筑机械。

参照图47，现在将描述现有技术的建筑机械系统。在图47中，表示出将该系统应用于推土机中。建筑机械控制系统900包括一旋转的激光装置951和一其中安装有一激光探测器907的推土机902。该旋转的激光装置951处于设置在适当位置上的三角架903的顶端。该旋转的激光装置951水平发射激光束904，使激光束904进行圆扫描，以限定一激光束的参考平面。

用于找平和整形地面的推土机902，具有一与之固定并可垂直移动的推土铲905。高度探测器907固定到与推土铲905相连的杆906上。该水平探测器907接收旋转的激光装置905发射的激光束904，然后检测高度探测器907的当前高度。推土机902包括一控制装置(未示出)。该控制装置(未示出)从高度探测器907得到所探测的高度，然后在所获得的高度的基础上计算推土铲905的高度，将推土铲905向上或向下调节到所需的高度。

正如已经描述的，激光束904限定了水平参考平面，从而，控制该水平参考平面与推土铲905的边缘905a之间的距离，使其保持不变，能将该地面推平。改变水平参考平面与推土铲边缘905a之间的距离，还可能将地面找平成台阶地形。

参照图48，将描述推土机在水平面中位置的确定。为了确定推土机902在水平面中的位置，使用GPS。首先将GPS基地天线908放置在一已知位置。将另一GPS天线909安装在推土机902上。GPS基地天线908从人造卫星910接收无线电波，探测该GPS基地天线908自身的位置。同样，GPS天线909从人造卫星910接收无线电波，探测GPS天线909自身的位置。比较探测结果，计算GPS基地天线908与GPS天线909的相对位置。使用GPS基地天线908的已知位置和计算出的相对位置，进一步计算该推土机902的位置。在所得到的推土机902的位置的基础上，在所需的范围内完成找平任务。

一般，使用不止一个建筑机械来找平同一区域，除非该建筑工地的尺寸相当小。正如通常的情形，建筑机械同时向上或向下找平地面，产生了处于不同高度的部分。在这种情形中，建筑机械应该分别操作其各自的旋转的激光装置，来检测高度。不止一个旋转的激光装置的同时启动导致安装在一个建筑机械上的高度探测器识别一应该由另一建筑机械接收的错误的激光束，导致建筑机械的并非想要的操作或者故障。

为了同时控制不止一个建筑机械，使之没有不需要的操作或者故障，需要使用单个旋转的激光装置来调整高度设置。不过，使用单个旋转的激光装置对不止一个高度进行高度设置，该旋转的激光装置必须在单个圆扫描中向各个建筑机械接收器发射可变高度的激光束。在现有技术的旋转的激光装置中，以每分钟几百转的旋转速度旋转的照射器发射激光束，限定一参考平面和一参考线。几乎不可能调节该照射器的垂直位置，使它在这种高速操作过程中以各个不同的高度沿不止一个方向发射激光束。因此，这依然不是简单地用单个旋转的激光装置使不止一个建筑机械受到控制，并且在彼此不同的高度分别找平地面的建筑机械控制系统。

在实际的找平任务中，地面可以初步找平，有时，要求将最初倾斜的地面平整到某种程度。另外，常常想要产生人为的倾斜，以对地面排水，并且在铺路时，故意将地面的最初几何形状开掘成合理的坡度或者整形成对地面排水所需的斜面。在传统的找平工作中，在由建筑机械控制系统产生经过找平的地面之后，进行地形测量，将地面整形成所需的斜面。

在将地面初步找平时，上述建筑机械控制系统的使用，使未经训练的工人能够没有困难的找平地面，而按照需要将地面形成台阶或者产生倾斜地面依然是专家的任务。所完成斜面的测定也极大的取决于工人的专业水平。因此，工人的专业技术是获得所需结果的一个主要因素，并且还是决定要花费多长时间完成该任务的一个因素。在这点上，现有技术控制系统的缺点在于，对完成任务时精度的控制以及对任务进度的控制不容易。

在某种情况下，将一个建筑工地找平，以产生处于不同高度的多于两个部位的台阶形地形。为此，还引起了在使用旋转的激光装置找平一部分地面之后，必须改变该旋转的激光装置的设置，以便找平剩余部分地面的问题，这是一项复杂而烦人的工作。

提出本发明是为克服上述缺点和问题。因此，本发明的一个目的在于提供一种解决方案，使单个旋转的激光装置能够控制不止一个建筑机械，以使该建筑机械能同时分别向上或者向下将地面找平成不同高度的部分。本发明的另一个目的在于提供一种解决方案，使任何工人都能高效地平整斜面或者将地面按照需要整形成倾斜地形，而不管该工人的专业技术水平如何，并且使不止一个建筑机械能同时分别地平整不同斜度的斜面，而且分别将地面平整成不同斜度。

发明内容

现有技术中上述问题的一种解决方案，或者也就是，根据本发明的一种改进的建筑机械控制系统，包括旋转的激光装置，它发射两或更多个扇形的激光束，同时围绕一给定轴旋转该激光束，这两或更多个扇形激光束在并非水平面的平面中发散，其中扇形激光束之一的相对于水平面的倾斜角度不同于其余的扇形激光束；一安装在一建筑机械上的光探测器，以接收该扇形激光束；一安装在该建筑机械上的GPS接收器，以确定该建筑机械的位置；以及一安装在该建筑机械上的算术运算单元，其中一个扇形激光束以不同于其余的扇形激光束的仰角或俯角发射，并且该算术运算单元从该GPS接收器接收探测到的信号，以确定该建筑机械的位置，还接收当该光探测器分别接收扇形激光束时的时间之间的延迟，以便计算并产生对该建筑机械的控制信号。

根据本发明如上所述配置，该旋转的激光装置发射扇形激光束，同时旋转该激光束。安装在建筑机械上的光探测器接收该扇形激光束。GPS接收器和算术运算单元也安装在该建筑机械上，并且前者将所探测的信号发送给后者，后者从中确定该建筑机械的位置。另外，该算术运算单元接收当该光探测器上接收扇形激光束时的时间之间的延迟，然后计算产生对该建筑机械的控制信号。

除了来自光探测器和GPS接收器的探得信号以外，该建筑机械控制系统中的算术运算单元可以获得载有几何数据的信号，然后计算产生对建筑机械的控制信号。

根据本发明按这种方式配置，可以依照特定的几何数据实现对建筑机械的控制。

此外，一驱动控制器可以为安装在该建筑机械内的致动器提供动力。

根据本发明按这种方式配置，该驱动控制器允许该建筑机械被自动驱动。

该旋转的激光装置可以放置在已知的位置，该位置作为数据传输给算术运算单元，用于算术运算，以产生控制信号。

根据本发明的建筑机械控制系统还可以包括一GPS基地装置，用于确定旋转的激光装置的位置，以使算术运算单元确定建筑机械对于旋转的激光装置的相对位置。

最好，该旋转的激光装置发射的至少两个扇形激光束的交线(anintersection)处于水平面之内。

并且最好该旋转的激光装置发射至少两个不同偏振的扇形激光束，或者至少两个被调制成不同频率的扇形激光束，或者至少两个不同波长的扇形激光束。

根据本发明的建筑机械控制系统中的光探测器，可以具有两或更多个光接收部分，分别接收扇形激光束。

可以改变旋转的激光装置发射的扇形激光束从一个部分到另一个部分的强度。

该旋转的激光装置可以发射三个或者更多的、与水平面的交线彼此等距离间隔的扇形激光束。

最好，该旋转的激光装置可以发射至少三个在其被光学接收的范围内彼此不相交的扇形激光束。

附图说明

图1为示意图，表示根据本发明的一种建筑机械控制系统；

图2为表示在根据本发明的建筑机械控制系统中，旋转的激光装置与光探测器的位置关系图；

图3为三重分解图，表示旋转的激光装置发射的扇形光束的发散度；

图4为剖面图，表示旋转的激光装置；

图5描绘旋转的激光装置的另一个实施例；

图6描绘旋转的激光装置的又一个实施例；

图7表示在旋转的激光装置中使激光束透过并扩展成发散的扇形光束的衍射光栅；

图8为示意性透视图，表示根据本发明的建筑机械控制系统，其中发射两个不同偏振的扇形光束；

图9为剖面图，表示发射不同偏振的扇形光束的旋转的激光装置；

图10为该旋转的激光装置中激光投影器与旋转机构的分解图；

图11表示发射两个扇形光束的旋转的激光装置的另一实施例；

图12A，12B表示发射两个扇形光束的旋转的激光装置的又一实施例；

图13A，13B表示在旋转的激光装置中产生两个扇形光束的柱面透镜的一个实施例；

图14为正视图，表示根据本发明的建筑机械控制系统中所包含的光探测器；

图15为根据本发明的建筑机械控制系统中所包含的光探测器的剖面模拟图；

图16A，16B为根据本发明的建筑机械控制系统中光探测器所探测的信号的曲线图；

图17为透视图，说明发射两个在水平面内彼此相交的扇形激光束的旋转的激光装置；

图18为表示在根据本发明的建筑机械控制系统中，两个光接收部分与两个扇形光束的位置关系图；

图19为处于图18的位置关系时探测到的信号的曲线图；

图20说明在根据本发明的建筑机械控制系统中，在倾斜光探测器时，两个光接收部分与两个扇形光束的位置关系；

图21说明在根据本发明的建筑机械控制系统中，在光接收部分保持水平时，两个光接收部分与两个扇形光束的位置关系；

图22为处于图21中的位置关系条件时探测到的信号的曲线；

图23A到23C为在旋转的激光装置中，以较短的延迟分别依次接收两个扇形激光束时，在光接收部分上探测的信号的曲线；

图24A，24B表示在根据本发明的建筑机械控制系统中接收两个不同偏振的扇形激光束的光探测器的结构；

图25A到25F说明在根据本发明的建筑机械控制系统中，全向光探测器的一个实施例；

图26为方块图，表示在根据本发明的建筑机械控制系统中确定高度的逐步过程；

图27为方块图，表示在根据本发明的建筑机械控制系统中，用具有单个光接收器部分的光探测器确定高度的逐步过程；

图28为方块图，表示根据本发明的建筑机械控制系统的操作；

图29说明了在根据本发明第二最佳实施例的建筑机械控制系统中旋转的激光装置与光探测器的位置关系；

图30为剖面图，表示本发明第二最佳实施例中的旋转的激光装置；

图31为本发明第二最佳实施例中发射两个不同波长的激光束的旋转的激光装置的分解图；

图32A，32B描绘本发明第二最佳实施例中光探测器的光接收部分的结构；

图33说明在根据本发明第三最佳实施例的建筑机械控制系统中，旋转的激光装置与光探测器的位置关系；

图34为本发明第三最佳实施例中旋转的激光装置的剖面图；

图35为本发明第三最佳实施例中发射两个被调制成不同频率的激光束的旋转的激光装置的分解图；

图36A，36B描绘本发明第三最佳实施例中光探测器的光接收部分的结构；

图37描绘两个被调制成不同频率的激光束的例子；

图38描绘光接收部分上探测的被调制成不同频率的两个扇形激光束的例子；

图39描绘被调制成交替发生的两个激光束的例子；

图40描绘光接收部分接收被调制成交替发生的两个激光束时所产生的信号的例子；

图41描绘被调制成交替发生，并且被调制成不同频率的两个激光束的例子；

图42A到42J举例说明扇形激光束的发射图案；

图43为分解透视图，表示结合在一起的可旋转发射三个扇形激光束的激光投影器和旋转机构；

图44为旋转发射三个扇形激光束的激光投影器与旋转机构另一实施例的分解透视图；

图45为旋转发射三个扇形激光束的激光投影器与旋转机构又一实施例的分解透视图；

图46为侧视图，表示五棱镜中的光路；

图47为示意图，表示现有技术的建筑机械控制系统；以及

图48为示意图，表示现有技术的建筑机械控制系统以及旋转的激光装置和GPS。

具体实施方式

将参照附图详细描述根据本发明的建筑机械控制系统。

(1)实施例1

(1.1)建筑机械控制系统的总体结构

首先将描述本发明建筑机械控制系统的结构外形。如图1所示，本发明的建筑机械控制系统100具有一旋转的激光装置151，一GPS基地装置501，和一安装在诸如推土机502的建筑机械上的光探测器154。在该建筑机械控制系统100中，使用激光束来确定建筑机械502的高度，同时安装在建筑机械502上的GPS接收器510确定其在水平面中的位置。获悉建筑机械决定的高度和位置，使用建筑机械502的诸如推土铲505的附属装置来找平地形。

如图2所示，旋转的激光装置151发射两个扇形光束152和153，同时围绕点C旋转光束。

如图3所示，与水平面成角度α发射扇形光束152，与水平面成角度β发射扇形光束153。扇形光束152与水平面的交线(intersection)和扇形光束153与水平面的交线成δ角度。保持倾斜的两个扇形光束152和153分别旋转，然后以一定的时间延迟分别扫过光探测器154。本发明的建筑机械控制系统被设计成利用该延迟来确定光探测器154距离水平面的高度。

(1.2)旋转的激光装置

(1.2.1)发射两个扇形激光束的旋转的激光装置

现在将讨论发射两个与水平面倾斜成一定角度的扇形激光束，同时围绕垂直轴旋转该激光束的旋转的激光装置。

如图4所示，根据本发明的旋转的激光装置151包括一外壳101和一激光投影器103。在外壳101顶部的中心形成一限定为截锥形的凹状面102。激光投影器103通过凹状面102的中心垂直延伸。激光投影器103具有一安置并悬挂在凹状面102上的球形支架104，使投影器103能自己倾斜。该激光投影器103包括一能够旋转并安装一五棱镜109的旋转机构105。通过由马达106致动的驱动齿轮107和扫描齿轮108旋转该旋转机构105。

旋转的激光装置151具有围绕该激光投影器103设置的两组倾斜机构(仅表示出一组)。其中一组倾斜机构110具有一马达111，一螺杆112和一螺套113，使用所有这些来实现倾斜特征。该马达111能够通过驱动齿轮114和倾斜齿轮115来转动螺杆112。螺杆112的转动使螺套113上下运动。螺套113的这种垂直运动使激光投影器103倾斜。另一组倾斜机构使用同样的机械元件使投影器103沿与倾斜机构110倾斜的方向正交的方向倾斜。

平行于臂116设置的固定探测器118和垂直于臂116设置的固定探测器119处于该激光投影器103的中间。臂116通过倾斜机构110来调节其斜度，使得固定探测器118总采取水平状态。同时，使用另一组倾斜机构进行调节，使固定探测器119总采取水平状态。

现在将描述激光投影器103和与之相连的旋转机构105。如图5所示，激光投影器103具有一投影器光学系统，包括诸如激光照射器132和对来自激光照射器132的入射激光束进行准直的准直透镜133等元件。通过旋转机构105的衍射光栅(BOE)134，使来自投影器光学系统的激光束被扩展成两个发散或扇形光束152和153。扇形光束152和153被五棱镜109水平偏转，然后射出投影器窗口131。

如图6所示，衍射光栅(BOE)134a可以处于激光束被五棱镜109偏转之后传输的光路上。除了衍射光栅134a的位置以外，图6中激光投影器的结构与图5几乎相同。

图7表示在透过衍射光栅(BOE)之后被扩展成两个扇形光束152和153的激光束。

如已经描述的，激光投影器103发射最初由激光照射器132照射，然后被衍射光栅(BOE)134扩展成两个扇形光束152和153的激光束。在被五棱镜109水平偏转之后，该激光束随着旋转机构105的旋转而进行圆扫描，从而限定一参考平面。

(1.2.2)发射偏振彼此不同的两个发散激光束的旋转的激光装置。

下面将描述发射两个不同偏振的扇形激光束的旋转的激光装置。

如后面所述，为了获得高精度测量，使用发射两个不同偏振的扇形激光束的旋转的激光装置是有利的。如从图8中可以看出，旋转的激光装置151a发射两个发散或扇形激光束152a和153a。由于两个光束152a和153a被彼此不同地偏振，故光探测器154a的光接收部分能区别两个扇形光束152a和153a。

如图9所示，除了设置在旋转的激光装置151a中的激光束投影器103和与之相连的旋转机构105a以外，使激光投影器倾斜的装置与图4中的几乎相同。因此，在下面的讨论中，仅说明激光投影器103a和旋转机构105。

如从图10中可以看出，发射不同偏振的扇形激光束152a和153a的旋转的激光装置151a，包括激光投影器103a和旋转机构105a。用箭头和实线表示透过光学装置的激光束的轨迹，而用箭头和虚线表示激光束的偏振方向。

当激光投影器103a中包含的激光照射器132a为激光二极管时，所产生的激光束呈线偏振。在下文中，假设该激光束沿X-方向偏转，该激光束沿Z-方向发射，并且与X-Z平面垂直的方向为Y-方向。由激光照射器132a发射的激光束被准直透镜133a准直，入射在四分之一(1/4)波片140上。该四分之一波片140的取向为，使来自激光照射器132a的激光束在沿X-方向被线偏振之后，变成圆偏振光。在通过该四分之一波片140以后，该激光束又通过另一个四分之一波片139，然后，沿与X-方向的轴成45°角的方向被线偏振，如图9所示。由于旋转机构105a被旋转支撑，故可改变四分之一波片140与四分之一波片139的相对位置。不过，激光束在穿过四分之一波片140之后呈现圆偏振，从而，在穿过四分之一波片139之后，线偏振光的偏转方向不受波片相对位置改变的影响，而由四分之一波片139决定。该激光束通过偏振分束器141。该偏振分束器141反射Y-方向的偏振分量，同时透过X-方向的偏振分量。因此，被四分之一波片139沿与X-方向的轴成45°角方向线偏振的激光束的Y-方向分量被偏振分束器141反射，并偏转90°。该激光束的X-方向分量则通过偏振分束器141。

被偏振分束器141反射的激光束入射在四分之一波片138上，转变成圆偏振光，然后被柱面反射镜136反射。柱面反射镜136被取向为，使激光束从旋转机构105a射出时与水平面成α角前进。由于被柱面反射镜136反射的激光束再次透过四分之一波片138，从而被沿Z-方向线偏振，然后该激光束可透过偏振分束器141，尔后从旋转机构105a出射。

另一方面，透过偏振分束器141的激光束入射在四分之一波片137上转变成圆偏振光，然后被柱面反射镜135反射。该柱面反射镜135被取向为，使得激光束从旋转机构105a射出时与水平面成β角。由于被柱面反射镜135反射的激光束再次通过四分之一波片137，故被沿Y-方向线偏振，从而该激光束被前一阶段透过它的偏振分束器141反射，并从旋转机构105a出射。

除了柱面反射镜135和136以外，可以用任何具有相同效果的衍射光栅来取代它们。当用衍射光栅来替代时，可以按照需要改变扇形光束的强度分布。水平面附近的扇形光束的光，即使在传播相当远以后，也必然有被光探测器154a接收的足够高的光能。偏离水平面非常远的光，当传播较远时，与地面相接触，或者扩展到一不再能被光探测器154a接收的高度。因此，发散太远的光不必具有高发光能量，因为它处于光探测器154a的灵敏度覆盖的近似范围之外。

该光学系统的特征如下。任一个扇形激光束，在从激光投影器103a发射之后，被偏振分束器141和柱面反射镜135或136两次反射。因此，出射激光束的偏转角取决于透过旋转机构105a的偏转角度，不论旋转机构105a的旋转角度如何。这就获得与将典型的五棱镜用于该光学系统的情形同样的效果。

图11和13表示产生两个发散或扇形光束的方法。

图11表示旋转机构105的另一实施例。如从图11中可以看出，入射在四分之一波片139上的圆偏振激光束透过偏振分束器141。透过偏振分束器141的光透过四分之一波片138。所透过的激光束的一部分被柱面半反射镜147反射，之后再次透过四分之一波片138。然后该透过四分之一波片138的激光束被分束器141反射，从而，发射出所产生的光束或扇形光束152。柱面半反射镜147被取向为，使扇形光束152以倾角α传播。

透过半反射镜147的光束透过偏振分束器141a，然后入射在四分之一波片137上。在透过四分之一波片137之后，该光束被射到柱面反射镜135上。入射在柱面反射镜135上的光束被反射镜135反射，然后再次透过该四分之一波片。然后，该光束被分束器141a反射，从而，发射出所产生的光束或扇形光束153。反射镜135被取向为，使扇形光束153以倾角β传播。

图12A，12B表示旋转机构105的又一实施例。如从图12A，12B中可以看出，被导入旋转机构105的光束入射在五棱镜109上。入射在五棱镜109上的光束的一部分被五棱镜109上侧的半反射镜146反射，然后被五棱镜109偏转。柱面透镜145a将所偏转的光束整形成发散光束，从而发射出扇形光束152。柱面透镜145a被取向为，使扇形光束152以倾角α传播。

透过五棱镜109中半反射镜146的光束入射在五棱镜109a上，并且被偏转。柱面透镜145b将五棱镜109a中所偏转的光束整形成发散光束，从而发射出扇形光束153。柱面透镜145b被取向为，使扇形光束153以倾角β传播。

图13A，13B表示产生两个扇形光束152和153的再一实施例。如图13A所示，一柱面棒形透镜144被切成片，将片144a和144b结合在一起(参见图13B)。当光入射到该柱面透镜上时，出射光被扩展成两个发散光束或扇形光束152和153(参见图13C)。

(1.3)光探测器

(1.3.1)发射两个发散激光束的旋转的激光装置用的光探测器

现在将描述用来接收从旋转的激光装置151分别发射的两个发散或扇形光束152和153的光探测器154。如图14和15所示，将用来检测扇形光束152和153的光接收部分155和156安装到光探测器154的外壳164上。外壳164包括一显示器157，一报警器161如蜂鸣器，输入键162，和一指针163。另外，该外壳164包含一存储器165，一用来确定所接收的光的状态的算术运算单元166，和一固定到具有刻度160的杆506上的刻度读取器167。该显示器157给出从水平参考平面到光探测器154的高度，以及旋转的激光装置151与光探测器154之间的距离。

(1.3.1.1)利用光探测器测量角度的原理

如上所述，旋转的激光装置151发射发散或扇形光束152和153，同时围绕中心C旋转。如图3所示，与水平面成角度β发射出扇形光束152。扇形光束152与水平面的交线，和扇形光束153与水平面的交线成角度δ。在这样一种条件下旋转这两个扇形光束152和153，从而这些发散光束以某一时间延迟相继扫过光探测器154的光接收部分。

当光探测器154中的光接收部分处于水平面中的位置A时，可以将光探测器154所探测的光表示如图16A中所示。另外，当光接收部分156处于从位置A垂直向上平移的位置B时，结果可以如图16B所示探测扇形光束。如图16A所示，现在假设当光接收部分处于点A，并且旋转的激光装置151以周期T旋转时，用延迟时间t₀相继探测扇形光束，则下式(1)给出两个光束的探测之间的时间延迟：

t_{0} = T \frac{δ}{2 π} - - - (1)

当光接收部分156处于任意高度的位置B时，从一个探测到另一个探测的时间延迟t正比于∠BCA＝γ，γ是通过光接收单元156的位置B和激光束发射点C的直线与水平面所成的角度，从而，当γ取较大的值时，时间延迟t较大。因此，确定位置B处的时间延迟t，可以由下面的公式(2)和(3)表示由通过位置B和点C的直线与水平面限定的角度γ：

γ = \frac{{t - t}_{0}}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})} - - - (2)

γ = \frac{({t - t}_{0}) π \tan (α)}{T}

(其中，特别是，π-β＝α) (3)

可以由算术运算单元166计算γ的值，其中从两个扇形光束152与153依次扫过光接收部分时两时间之间的延迟和旋转的激光装置151的旋转周期T通过算术运算得到角度γ，并且由显示器157显示出计算结果。

下面将讨论旋转的激光装置151发射两个在水平面内彼此相交的扇形光束的情形，或者图2中的角度δ等于0°条件下的情形。在图17中进行说明。

当光探测器的光接收部分处于水平面中的位置A时，两个旋转扇形光束152和153同时扫过光探测器154，表示成t₀＝0。因此，∠BCA＝γ，γ是通过任意高度的位置B和点C或旋转的激光装置的中心的直线与水平面所成的角度，可通过将t₀＝0代入公式(2)和(3)中而得到，如下面的公式(4)和(5)所示：

γ = \frac{t}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})} - - - (4)

γ = \frac{tπ \tan (α)}{T}

(其中，特别是，π-β＝α) (5)

如从公式(4)和(5)看出，α和β为常数，从而，角度γ被表示成旋转的激光装置151的旋转周期T和两个扇形激光束的探测之间的时间延迟的函数。如果旋转激光器151的旋转有些不规律，这导致预定旋转周期T的误差，或者如果在单次旋转中发生某种不规律性，而不存在预定旋转周期T的误差，则探测之间的时间延迟t也具有误差，这导致计算出具有误差的γ。在两个扇形光束152和153在水平面中彼此相交的水平面的测量中，如图17所示，对于给定的γ＝0，满足t＝0，并且不规律旋转所导致的误差将不影响测量。

在实际的建筑工地中，常常将水平面用作参考平面，图17中与水平参考平面中测量有关的误差被最小化的结构，比图2中扇形光束152和153在水平面中彼此不相交的结构更好。

可以将上述通过光探测器154测量角度的原理应用于被设计来接收不同偏振的扇形光束152a和153a的光探测器154a中。

(1.3.1.2)利用光探测器中的两个光接收部分测量角度的原理

下面将讨论通过光探测器154的两个光接收部分测量角度的原理。用两个光接收部分，可得到光探测器154与旋转的激光装置151的相对高度，以及它们之间的距离。如图18所示，在光探测器154中垂直地顺序设置光接收部分。

发射两个发散或扇形光束152和153，使它们在水平面中彼此相交，并且光束152与水平面成角度α进行圆扫描，光束153以与水平面成角度β进行圆扫描。光接收部分155和156以垂直间隔D相互间隔。在上述条件下旋转两个扇形光束152和153，因此，光探测器154中的光接收部分155和156探测扇形光束152和153分别扫过光探测器154时的时间之间的延迟，如图19中所示。

根据用这种方法探测出的时间延迟t₁，t₂，t₃和T，以及常数α，β和D，由下面的公式(6)给出光接收部分155距离水平参考平面的高度d₁，而由下面的公式(7)得到光接收部分156的高度d₂：

d_{1} = \frac{D (t_{2} - t_{1})}{(t_{3} - t_{2} + t_{1})} - - - (6)

d_{2} = \frac{D (t_{2} - t_{1})}{(t_{3} - t_{2} + t_{1})} + D - - - (7)

现在假设，γ₂为通过光接收部分155和扇形激光束的发射点C的直线与水平面所成的角度，而γ₁为通过光接收部分156和点C的直线与水平面所成的角度，从公式(4)得出γ₂和γ₁，如下面的公式(8)所示：

γ_{1} = \frac{t_{2} - t_{1}}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})} - - - (8)

γ_{2} = \frac{t_{3}}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})} - - - (9)

另一方面，如下面的公式(10)和(11)所示，利用项γ₂，γ₁，d₁和d₂表示从旋转的激光装置151到光探测器154的距离L：

L = \frac{d_{1}}{\tan (γ_{1})} - - - (10)

L = \frac{d_{2}}{\tan (γ_{2})} - - - (11)

将公式(6)到(9)代入公式(10)和(11)，得到下面的公式(12)和(13)：

L = \frac{{\frac{D (t_{2} - t_{1})}{(t_{3} - t_{2} + t_{1})}}}{\tan [\frac{t_{2} - t_{1}}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})}]} - - - (12)

L = \frac{{\frac{D (t_{2} - t_{1})}{(t_{3} - t_{2} + t_{1})} + D}}{\tan [\frac{t_{3}}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})}]} - - - (13)

虽然公式(12)或者公式(13)均能给出从旋转的激光装置151到光探测器154的距离，不过对于给定的t₂-t₁＝0，在公式(12)中存在除以零的运算，对于给定的t₃＝0，在公式(13)中存在另一个除以零的运算，在任一种情况下，可以使用不包括这种运算的公式。

然后，参见图20，将模拟光探测器154仅以ε角倾斜的情形。在这种情形中，利用时间延迟t₁，t₂和t₃以及旋转周期T来校正倾斜，由此，可以得到光探测器154与旋转的激光装置151的相对高度，以及它们之间的距离。

在α+ε＜90°的条件下，按照与图19中所示相同的过程，在光探测器154的光接收部分155和156处探测扇形光束。根据给定的时间延迟t₁，t₂和t₃，旋转周期T，常数α和β，以及两个光接收部分155和156之间的距离D，通过下面的公式(14)和(15)可以得到从水平参考平面到光接收部分155和156的垂直距离d₁和d₂：

d_{1} = \cos (ϵ) \cdot \frac{D (t_{2} - t_{1})}{(t_{3} - t_{2} + t_{1})} - - - (14)

d_{2} = \cos (ϵ) \cdot \frac{D (t_{2} - t_{1})}{(t_{3} - t_{2} + t_{1})} + D - - - (15)

通过下面的公式(16)得到光探测器154的倾角ε：

ϵ = \tan^{- 1} (\frac{(t_{3} - t_{2}) \tan (π - β) - t_{1} \tan (α)}{(t_{3} + t_{1} - t_{2}) \tan (α) \tan (π - β)}) - - - (16)

通过将公式(14)，(15)，(8)和(9)中给出的d₁，d₂，γ₁和γ₂代入公式(10)和(11)，得到距离L。

参照图21和22，下面将讨论光接收部分155和156被相继水平设置，以探测扇形光束的情形。

发射两个扇形光束152和153，使得它们在水平面内彼此相交，并且光束152以与水平面成角度α进行圆扫描，光束153以与水平面成角度β进行圆扫描。光探测器154包括两个以间隔D彼此水平间隔设置的光接收部分155和156，以探测扇形光束。

在上述条件下旋转的扇形光束，当它们扫过光探测器154中的光接收部分155和156时被探测，如图22所示。根据用这种方法探测到的时间延迟t₁，t₂，t₃和T，和常数α，β和D，可由下面的公式(17)给出从旋转的激光装置151的旋转中心C到光探测器154的光接收部分155和156的水平距离：

L = \frac{DT}{π (t_{3} - t_{2} - t_{1})} - - - (17)

其中，t₁＝t₃-t₂。

通过将公式(10)和(11)变形成下面的公式(18)和(19)，分别给出从水平参考平面到光接收部分155和156的距离d₁和d₂：

d₁＝Ltan(γ₁) (18)

d₂＝Ltan(γ₂) (19)

将公式(8)，(9)和(17)代入公式(18)和(19)，得出下面的公式(20)和(21)：

d_{1} = \frac{DT}{π (t_{3} - t_{2} - t_{1})} \tan (\frac{t_{2} - t_{1}}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})}) - - - (20)

d_{2} = \frac{DT}{π (t_{3} - t_{2} - t_{1})} \tan (\frac{t_{3}}{T (\frac{1}{2 π \tan (π - β)} + \frac{1}{2 π \tan (α)})}) - - - (21)

对于给定的γ₂＝0和γ₁＝0，满足tan(γ)＝γ，从而，下面的公式(22)和(23)正确：

d_{1} = \frac{2 D (t_{2} - t_{1}) \tan (α) \tan (π - β)}{(t_{3} - t_{2} - t_{1}) {\tan (α) + \tan (π - β)}} - - - (22)

d_{2} = \frac{2 D t_{3} \tan (α) \tan (π - β)}{(t_{3} - t_{2} - t_{1}) {\tan (α) + \tan (π - β)}} - - - (23)

在获得d₁，d₂和ε的公式(14)，(15)，(16)，(22)和(23)中，没有一个项的运算元素包含旋转周期T。这表明即使旋转的激光装置151的旋转是不规律的，并且预定旋转周期T包括误差，测量结果也不受这种误差的影响。从而，当在两个扇形光束152和153扫过光探测器154中的光接收部分155和156的短时间内不产生可能影响时间延迟t₁，t₂和t₃的旋转不规律性时，可以实现无误差测量。

可以将这种测量角度的原理应用于光探测器154a接收的不同偏振的扇形光束152a和153a。

(1.3.1.3)测量光探测器位置的原理

当光探测器154具有单个光接收部分或者两个彼此水平间隔设置的光接收部分，并且两个扇形光束在水平参考平面中彼此相交时，时间延迟的探测不足以识别两个垂直对准且与水平参考平面等间距的位置。在这种情况下，为了获悉光探测器154位于水平参考平面上面或下面哪一侧，必须上下移动光探测器154以检查接收光的状态。具体来说，如果向上移动光探测器引起时间延迟增大，则光探测器154在水平参考平面之上，而如果向下移动光探测器引起时间延迟减小，则光探测器154在水平参考平面之下。当有两个或更多分别在不同高度彼此间隔设置的光接收部分时，有可能不通过上述过程而判断出该光探测器处于水平参考平面的上面还是下面。当使用诸如偏振方向和频率的特征来识别两个扇形光束152和153时，取决于哪个扇形光束首先被探测，单个光接收部分或两个水平间隔设置的光接收部分均能识别光探测器处于水平参考平面上面还是下面。

(1.3.1.4)发散光束的探测之间为短延迟时的测量原理

如上所述，根据测量结果和对两个扇形光束扫过光探测器154时的时间之间的延迟t的算术运算，可计算出光探测器与旋转的激光装置151的相对高度、其间的距离和光探测器的倾角。当光接收部分用较长时间延迟接收两个扇形光束152和153时，如图23A所示，延迟t的测量结果更加精确。相反，当两个扇形光束152和153的探测之间的时间延迟很短时，并且另外，当接收光所产生的信号彼此干扰时，不可能精确地确定延迟。从而，根据各自的偏振来区别两个扇形光束所产生的信号，并且识别它们，如果时间延迟较短的话有可能获得精确的时间延迟。

(1.3.2)发射两个不同偏振的发散激光束的旋转的激光装置用的光探测器

现在将讨论用于接收两个不同偏振的发散或扇形激光束152a和153a的光探测器154a。将详述根据其各自不同的偏振来识别激光束的装置的结构。其他元件，以及确定光探测器与旋转的激光装置的相对高度和确定它们之间的距离的原理，与上述光探测器154相同。

图24A为光探测器154a的正视图，而图24B为沿图24A中线A-A所取该光探测器的剖面图。如图24A，24B所示，光探测器154a的光接收部分155a包括光接收元件155b和155c，和一设置在它们前面的偏振分束器168，而光接收部分156a包括光接收元件156b和156c，以及一设置在它们前面的偏振分束器169。取决于入射光的偏振方向，偏振分束器168和169透过或反射激光束。光接收元件155b和156b用于所反射的光，而光接收元件155c和156c用于所透过的光，从而，可以确定该入射光的偏振方向。这样，如果两个扇形激光束152a和153a以较短的时间延迟相继入射在光接收元件155a和156a上，则光接收元件155b和156b探测扇形光束152a，光接收元件155c和156c探测扇形光束153a，从而，可以精确地确定时间延迟。

另外，可以将一四分之一(1/4)波片(未示出)加到旋转的激光装置151a光路轨迹的端部，以发射圆偏振激光束，同时可以将另一个四分之一波片(未示出)设置在光接收部分155和156中偏振分束器168和169前面，使得如果倾斜光探测器154，则分束器168和169能精确地分束两个扇形光束。

(1.3.3)具有单个光接收部分的光探测器

可以省略光探测器154或154a中任一个光接收部分。在这种情形中，在用具有单个光接收部分的光探测器进行单次测量之后，向上或向下移动光探测器，以进行下一次测量。例如，当向上移动光探测器时，光接收部分上接收的扇形光束的探测之间时间延迟的增大，证明该光探测器在水平参考平面之上，而延迟的减小证明该光探测器在水平参考平面下面。在确定光探测器关于水平参考平面的相对位置之后，利用第一次或第二次测量来确定水平参考平面与光探测器之间的距离，从而能得出光探测器的高度。

在使用确定无疑地使其光探测器总位于水平参考平面上面或下面的建筑机械控制系统时，可以省略上述过程。在这种情形中，除了使用单个光接收部分以外，几乎光探测器的所有元件都与上述实施例相同。

(1.3.4)具有三或更多个光接收部分的光探测器

或者，在光探测器154或154a中具有三或更多个光接收部分。除了光接收部分的数量以外，该实施例构被造成与上述的光探测器相同。在这种情况下，如果如结合图23A到23C所说明的，在一个光接收部分中发生两个扇形光束引起的信号的干扰，那么在其余的两或更多个光接收部分中不会同时发生信号干扰。因此，放弃在引起干扰的光接收部分处进行的测量，如果不能根据其各自的偏振来识别两个扇形光束，则改为使用其余光接收部分处的测量来实现精确的判断。

图25A到25F表示全方向光探测器154b的一个实施例。如从图25A中可以看出，全方向光探测器154b包括一个杆180，三个光接收部分155d、155e和155f，以及一光探测器控制器177。三个光接收部分155d、155e和155f彼此等距离的分别固定到杆180上，并且光探测控制器177固定到杆的下部。如图25B到25D所示，每个光接收部分155d、155e和155f具有一环形菲涅耳透镜176，一环形光纤板(anannular fiber sheet)175，和一环形链接的光接收元件173，并且这些元件均同心设置。在环形链接的光接收元件173内，为一光接收元件控制器174。如图25E和25F所示，该光探测器控制器177具有一显示器157，一诸如蜂鸣器的报警器161，输入键162，一存储器165，一用来确定所接收的光的状态的算术运算单元166，和一用于外部通信的发射器178。

当扇形激光束扫过任一光接收部分时，圆柱形菲涅耳透镜通过光纤板175将入射光聚焦在光接收元件173上。一接收到光，光接收元件173就将光产生的信号发送给光接收元件控制器174。安装在光接收部分155d、155e和155f任一个中的光接收元件控制器174将该信号传送给光探测器控制器177。当光探测器154工作时，光探测器控制器177处理该信号。

(1.4)建筑机械控制系统的操作

(1.4.1)用光探测器进行高度测量

(1.4.1.1)用具有两个光接收部分的光探测器进行测量

将描述光探测器与旋转的激光装置151的相对高度的确定过程。按图26所示的过程确定光探测器154的高度。由旋转的激光装置151发射的扇形光束152和153被接收在光接收部分155和156上。一接收到光束，光接收部分155和156就产生图19中所示的信号。该信号被传送给算术运算单元，确定光探测器154中所接收的光的状态，以便计算时间延迟t₁，t₂和t₃。

在确定所接收光状态的算术运算单元166中，根据扇形光束152和153的仰角或俯角α和β，以及时间延迟t₁，t₂和t₃，求解公式(16)得到倾角ε。算术运算单元166还使用公式(14)和(15)，从保存在存储器165中的光接收部分155和156之间的距离D、时间延迟t₁，t₂和t₃以及前面计算出的倾角ε，得出水平参考平面与光接收部分155和156之间的垂直距离d₁和d₂。

该计算结果d₁和d₂被传送给显示器157用于显示，从而实现光探测器154与旋转的激光装置151的相对高度的测量。

(1.4.1.2)利用具有单个光接收部分的光探测器进行高度测量

参照图27，现在将讨论仅具有单个光接收部分的光探测器确定高度的过程。当该光接收部分上接收扇形光束152和153时，产生图16A，16B所示的信号。该信号被传送给算术运算单元166，以计算光束探测之间的时间延迟t。将时间延迟t、扇形激光束152和153的旋转周期T，以及它们的仰角或俯角α和β代入公式(4)中，得出角度γ。如上所述，该角度γ是通过光接收部分的点B和扇形激光束的旋转中心C的直线与水平面所成的角度。将角度γ的结果传送给显示器157进行显示。通过公式(18)计算光接收部分与水平面之间的垂直距离或高度，和通过后面描述的GPS获得的距离L(从光接收部分到旋转中心C的水平距离)。

(1.4.1.3)利用具有三或更多个光接收部分的光探测器进行高度测量

在另一具有三或更多个光接收部分的实施例中，它们中的三个同时接收扇形光束。然后，在所接收光的数据之中，选择两组其特征在于没有由于所探测的扇形光束之间不够长的时间延迟所导致的信号干扰的数据。在选择两组所接收光的数据之后，与图26中所说明的过程相同进行计算。不过在这种情形中，利用两个所选择的光接收部分之间的距离D。

另一旋转的激光装置151a发射两个不同偏振的激光束，另一光探测器154a能区别彼此不同偏振的扇形激光束。从而，在激光束的探测之间的时间延迟较短时，可以高精度地实现测量。并且在这种情况下，测量过程与上述实施例中相同。

(1.4.2)利用GPS进行位置测量

参照图28，将描述利用GPS确定位置的方法。诸如推土机502的建筑机械具有一光探测器154，一GPS接收器510，一控制器650，一显示器655，一控制面板656，一推土铲致动器671，一液压缸573和一用于找平的附属装置如推土铲505。GPS接收器510具有一GPS天线509，一接收器553和一信号处理器654。控制器650包括一算术运算单元651和一存储器652。推土铲致动器671包括一电子液压电路672和一电磁阀(未示出)。GPS基地装置501具有一GPS基地天线508和一无线发射机557，并且靠近旋转的激光装置151设置。

从人造卫星接收无线电波的GPS天线509，被固定到诸如推土机顶部的可无屏蔽地暴露于无线电波的位置。另一方面，安装在GPS基地装置501上的GPS基地天线508也从人造卫星接收无线电波。GPS基地天线508接收的无线电波被转换，然后通过无线发射机557发射给安装在建筑机械502上的接收器553。GPS天线509和接收器553上分别接收的无线电波被传送给信号处理器654，在其中被放大，然后转换成预定格式的信号。信号处理器654处理GPS天线509和GPS基地天线508上接收的无线电波，计算这些天线在水平面中的位置，以及天线之间的距离。根据该位置和距离的计算结果，通过算术运算得出到旋转的激光装置151和安装在建筑机械502上的光探测器154的距离。

利用GPS进行的位置测量涉及运动学，以及实时探测运动点的任何其他方法。

(1.4.3)建筑机械的控制

参照图28，将描述建筑机械的控制。

控制器650中所包含的存储器652保存多种数据，如基于建筑物设计图的地形，地面相对二维坐标的高度，旋转的激光装置151在水平面中的位置，旋转的激光装置151的高度，以及从所附推土铲的边缘505a到光探测器154的参考位置的高度。存储器652还保存相对建筑机械502在水平面内的位置、其高程以及从设计图得出的地形的数据来控制推土铲505的程序。如果想要在控制器650的某一部分中执行上述算术运算，以根据扇形光束的探测之间的时间延迟获得光探测器154的高程，就应该将该算术运算保存在存储器652中。该控制器650可以是由个人计算机代表的任何装置。

建筑机械102的位置数据(X1，Y1)和高程数据H1被输入控制器650中的算术运算单元651，前一个数据是从信号处理器654发送来的，而后一数据是从光探测器接收来的。推土铲505的控制程序获得输入位置数据(X1，Y1)和预先保存在存储器中的地面相对二维坐标的高程数据，然后计算在位置(X1，Y1)处所需的地面高度H2。光探测器154被固定到杆506上，光探测器154和杆506一起随着推土铲505上下移动。从光探测器154到推土铲边缘505a的距离H3被预先保存在存储器652中。从高度数据H1中减去距离H3，得出推土铲边缘505a的当前高度H4。然后，比较所需的地面高度H2和推土铲边缘505a的高度H4，计算推土铲505的移动量。

由控制器650计算出的推土铲505的移动量被传送给推土铲致动器671。推土铲致动器671根据移动量的输入值，打开和关闭电气液压回路(an electrical hydraulic circuit)672的电磁阀。具体来说，算术运算单元651按照所要求的顺序，将打开或关闭电磁阀的控制指令发送给电气液压回路672。打开和关闭电磁阀，能够将加压油供给液压缸573或从液压缸573抽出，或者可调节加压油的流速，以所需的速度沿所需方向移动液压缸573，从而以任何所需的速度沿任何所需方向上下移动推土铲505。推土铲505的位置或挖掘状态被显示在显示器655上。

可以用某种直接方式手工地执行推土铲505的致动。例如，建筑机械502的位置数据(X1，Y1)，推土铲边缘505a的高度H4，或所需的地面高度H2与边缘的当前高度的差，显示在显示器655上。该建筑机械的操作员操纵控制面板656，同时观察显示器655，从而，他或她能操纵推土铲505从高度H4到高度H2。根据控制面板656上的输入，将输入信号传送给算术运算单元651，促使电气液压回路672和液压缸573移动推土铲505。不借助算术运算单元651，操作员自己也可以操纵推土铲致动器。

在上面的实施例中，光探测器154固定到与推土铲505相连的杆506上，或者，光探测器154可以安装在建筑机械的机身上。在这种情况下，改变光探测器154与推土铲505之间的距离H3，从而，在确定液压缸573的伸缩或者测量支撑推土铲505的臂的旋转角度之后，必须再次计算光探测器到推土铲505的距离H3。在算术运算单元651的算术运算中使用修改过的距离H3来更新高度H4。

虽然已经描述了推土机的推土铲控制，不过可以使用任何其他的附属装置，如滚子来整形地面。

在没有改变设计成接收两个不同偏振的扇形激光束的光探测器154a，和具有三或更多个光接收部分的光探测器的应用时，上述控制过程可能是有效的。

正如已经描述的，利用根据本发明的建筑机械控制系统，按照设计图数据所需自动进行找平地面的任务，并且使用显示器655上所显示的数据控制找平地面的操作。这使得任何专业技术贫乏的工人均能很容易地在建筑工地上操纵找平机械。

(1.4.4)在本发明的上述实施例中，通过GPS确定在水平面中的位置，是在建筑机械502和GPS接收器510上进行的。不过，在平常使用中，旋转激光器151处于固定位置而不频繁地移动，从而，一旦确定了旋转的激光装置151的位置，并且作为输入数据输入建筑机械502中的信号处理器654或算术运算单元651，GPS501就不在需要，或者甚至可以省略。

(1.4.5)对不止一个建筑机械进行控制

下面将讨论同时使用不止一个推土机来找平地面。如图1所示，旋转的激光装置151仅发射扇形激光束152和153，而GPS501仅发送GPS天线508所接收的位置数据，并且设置另一个具有同样装置的建筑机械502b，能够以同样的方法对建筑机械502b进行控制。具体来说，安装在建筑机械502b上的光探测器154b接收扇形激光束152和153，接收器553b接收来自无线发射机557的无线电波，GPS天线509b从人造卫星接收无线电波，等等，从而，获得完全相同的控制。同样，可以同时控制操纵数量进一步增加的建筑机械。

(1.4.6)旋转的激光装置的操作

旋转的激光装置151不必发射遍及整个旋转圆周轨迹的扇形激光束。在上面的讨论中，旋转的激光装置151发射遍及圆周轨迹的激光束，不过激光发射可以局限于接收该光束的建筑机械502的工作区域所限定的范围。在这种情形中，激光照射器132(参见图5)应该不时地连续辐射，不过它可以仅在激光束必须指向建筑机械的有限时间内辐射，这导致旋转的激光装置能耗减小。

为了实现上述的系统结构，必须将一通信装置安装在该建筑机械502上，以将该建筑机械的位置信息发送给旋转的激光装置151。该旋转的激光装置151应该具有一用于接收该位置信息的装置，被用来计算所使用的建筑机械502的方向。应该在投影器103(参见图4)的旋转机构105转而面对覆盖上述方向的范围的有限时间周期内发射激光束，因此，设置一控制器来控制马达106的旋转以及照射器132的照射。由编码器117(参见图4)给出旋转机构105的激光发射范围。

通过同样的系统结构，可以致动旋转的激光装置151的马达106，使扇形激光束152和153仅在所用建筑机械502的工作区域中进行往复扫描。

(1.5)本发明建筑机械控制系统的其他优点

在采用现有技术的旋转的激光装置的建筑机械控制系统中，仅确定光接收部分是位于激光束指向的水平面中还是处于倾斜的平面中，从而，单个激光投影器不足以同时找平两个或更多不同平面区域。相反，根据本发明的建筑机械控制系统中所使用的旋转的激光装置，能够相对于扇形激光束来确定高程，因此，它能够在激光束的一次圆扫描中，使均具有光探测器154的不止一个建筑机械同时在多个位置将地面找平成所需的任何高程。

而且，使用根据本发明的建筑机械控制系统，不仅水平表面的地面，而且可以很容易并且可靠地找平斜面(slope)或等高线(contour)，无需工人的专门技能。另外，由于同一旋转的激光装置控制不止一个建筑机械，故可以有利地避免其他激光装置的干扰导致的建筑机械的所不需要的操作或者故障。

(2)实施例2

在下面的讨论中，将强调本发明第二最佳实施例相对第一实施例的改变或更改点。因此，此处所省略的任何特点和细节均已在第一实施例中进行了讨论。

(2.1)建筑机械控制系统的总体结构

在根据本发明的第二最佳实施例中，如图29所示，用发射两个不同波长的发散或扇形激光束252和253的旋转的激光装置251代替第一最佳实施例中使用的旋转的激光装置151，并且用能够识别两个不同波长的扇形激光束的光探测器254来代替第一实施例中的光探测器154。其他元件几乎与第一最佳实施例中相同。

(2.2)图30表示发射不同波长的扇形激光束的旋转的激光装置251的第二最佳实施例。在本发明的第二最佳实施例中，除激光投影器203和其旋转机构205以外的元件与第一实施例中的相同。用在后两个数字前面加上前缀2而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的图30中所示的所有其余元件。

虽然在第一实施例中使用两个不同偏振的扇形光束，但在第二实施例中使用不同波长的两个扇形光束。

在第二实施例中，在从该旋转的激光装置发射之前，将两个扇形光束252和253调制成波长彼此不同，使得它们可以相互区别。通过这种结构，可以获得与使用两个不同偏振的扇形激光束所得到的相同的效果。

图31表示根据本发明的旋转的激光装置251中的激光投影器203和旋转机构205。如图31所示，激光投影器203采用两个激光照射器232和243，发射不同波长的光。当激光照射器232和243为激光二极管时，所发射的激光束是线偏振的。在图31中，用虚线表示激光照射器232发出的激光束的偏振方向，用点划线表示激光照射器243发出的激光束的偏振方向。两激光束被引导到偏振分束器242中。偏振分束器242透过激光照射器232发出的沿X-方向偏振的激光，并反射激光照射器243发出的沿垂直于X-方向的Y-方向偏振的激光。从偏振分束器242透过或反射的激光束，在由共享的准直透镜233准直之后，入射在四分之一(1/4)波片240上。该四分之一波片240被取向为，使来自激光投影器203的激光束为彼此反向的圆偏振。透过该四分之一波片240的激光束，在入射在四分之一波片239上之后被线偏振。

虽然旋转机构205被旋转支撑，不过这不影响从中发射的激光束，因为它们是圆偏振的，并且透过另一四分之一波片239的光束呈线偏振，其方向由四分之一波片239决定。透过四分之一波片239的激光束入射在偏振分束器241上。偏振分束器241反射来自激光照射器232的激光束，并透过来自激光照射器243的激光束。

被反射的激光入射在四分之一波片238上，被圆偏振，然后被柱面反射镜236反射。该柱面反射镜236被取向为，使旋转机构205发出的激光束与水平面成角度α。从柱面反射镜236反射的激光束再次通过四分之一波片238，射出时，所产生的光沿与入射在该波片上的光旋转90°的方向偏振。因此，在透过四分之一波片238以后，该激光透过偏振分束器241，然后被从旋转机构205投射出去。

透过偏振分束器241的激光，在入射在四分之一波片237上之后被圆偏振，然后从柱面反射镜235反射。该柱面反射镜235被取向为，使从旋转机构205投射出的激光束与水平面成角度β。从柱面反射镜235反射的激光束，再次通过四分之一波片237，射出时，所产生的光沿与入射在该波片上的激光束旋转90°的方向偏振。这样，该激光在透过四分之一波片237之后，被偏振分束器241反射，然后被从旋转机构205投射出去。

该偏振分束器242可以是二向色反射镜(die clock mirror)。

(2.3)光探测器

图32A为正视图，表示本发明第二实施例中的光探测器254，图32B为沿图32A中线A-A所取的剖面图。除了根据不同波长识别光的光接收部分以外，所有元件与第一实施例中的相同。用在后两个数字前面加上前缀2而不是1的附图标记来表示相当于第一实施例中对应物的图32A，32B中所示的所有其余元件。

如图32A，32B所示，第二实施例中的光探测器254根据各自的波长来识别和区分入射在光接收部分255和256上的扇形光束252和253。光接收部分255和256分别具有二向色反射镜268和269，它们取决于入射激光束的波长而透射或反射激光。光接收部分255c和256c用于透过二向色反射镜268和269的光，而光接收部分255b和256b用于从该反射镜反射的光，从而区别入射激光的波长。

(2.4)第二实施例建筑机械控制系统的操作

可以不加改变和变型地将根据本发明第一实施例中所解释的测量过程应用于本发明第二实施例，也就是建筑机械控制系统200中。

(3)实施例3

在下面的讨论中，将强调本发明第三最佳实施例相对第一实施例的改变或变更点。因此，此处所省略的任何特点和细节已经在第一实施例中进行了讨论。

(3.1)建筑机械控制系统的总体结构

将概述根据本发明的建筑机械控制系统的第三实施例。如图33所示，第三最佳实施例，即建筑机械控制系统300，包括旋转的激光装置351和光探测器354。旋转的激光装置351围绕点C旋转，同时发射发散或扇形光束352和353，且光探测器354接收该扇形光束352和353。诸如扇形光束的发射角的细节均与第一实施例中相同。

(3.2)发射两个被调制成不同频率的扇形激光束的旋转的激光装置

图34中表示出第三最佳实施例，即旋转的激光装置351。除了激光投影器303和旋转机构305以外，其他所有元件均与第一实施例中的相同。在第三实施例中，用在后两个数字前面加上前缀3而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的图33中所示的所有其余元件。

虽然在第一实施例中使用不同偏振的两个扇形光束，不过在第三实施例中使用被调制成不同频率的两个扇形光束。

在第三实施例中，从旋转的激光装置351发射的两个扇形光束352和353被调制成频率不同，使得可以彼此区别两个光束。照这样进行改变，可以获得与使用两个不同偏振的扇形光束所得到的相同的结果。

图35中表示出该旋转的激光装置351的激光投影器303和旋转机构305。如从图35中可以看出，激光投影器303具有可发射调制成不同频率的光束的两个激光照射器332和343。当激光照射器332和343为激光二极管时，它们发出的激光束是线偏振的。在图35中，用虚线表示激光照射器332发射的激光的偏振方向，用点划线表示激光照射器343发射的激光的偏振方向。对来自激光照射器332和343的激光进行投影的光学系统与第二实施例相同。

(3.3)光探测器

图36A为正视图，表示本发明第三实施例中的光探测器354，图36B为沿图36A中线A-A所取的剖面图。除了根据不同频率来识别光的光接收部分以外，所有元件与第一实施例中的相同。用在后两个数字前面加上前缀3而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的图36A，36B中所示的所有其余元件。

如图36A，36B所示，第三实施例中的光探测器354具有一算术运算单元366，其判断所接收的光的状态，并且用于根据其各自的频率，识别和区分入射在光接收部分355和356上的扇形光束352和353。光接收部分355和356分别具有根据入射激光束的频率而透过或反射激光的分束器368和369。光接收部分355c和356c用于透过分束器368和369的光，而光接收部分355b和356b用于从分束器反射的光，从而区别入射激光的频率。

(3.4)第三实施例建筑机械控制系统的操作

可以不加改变和变型地将根据本发明第一实施例中所解释的测量过程应用于本发明第三实施例，也就是建筑机械控制系统300中。

(3.4.1)发散光束的调制和被调制光束的探测

将描述两个发散或扇形光束352和353的调制方式。如图37所示，两扇形光束被调制成以彼此不同的频率出现。图38表示光接收部分上分别探测的扇形光束352和353的例子。扇形光束的闪烁周期必须彼此具有足够的不同，以便相互区别该扇形光束。与扇形光束352和353扫描光探测器354中光接收部分355和356所需的时间周期t₀相比，闪烁周期必须足够短。光接收部分上接收的扇形光束352和353的探测信号被处理成图38中虚线所表示的扩展波，以便获得扇形光束352和353的探测之间的时间延迟t₀。

该光探测器具有一调制频率确定电路，并且可分别地探测扇形光束352和353。调制频率确定电路计算在预定时间周期内探测到的每个激光束的脉冲数，以确定用来识别两个扇形光束的调制频率。根据探测来区别两个扇形光束352和353，使得即使光探测器仅具有一个光接收部分，也能够通过单次测量来判断光探测器处于水平参考平面上面还是下面。

或者，如图39所示，可以将扇形光束352和353调制成交替照射。用这种方式调制，如果以较短时间延迟依次探测两个扇形光束，能如图40所示进行区别，可以精确地确定该时间延迟t₀。

又或，可以应用图37和39中组合调制特征的调制。具体来说，如图41所示，首先将扇形光束352和353调制成交替照射，然后在扇形光束继续照射的部分周期中进一步调制成闪烁。与闪烁范围周期的一部分重叠的交替照射的周期，在两个扇形光束352和353之间交替。用这种方式调制，两个扇形光束352和353可彼此区别，能够确定光探测器处于水平参考平面上面还是下面。而且，如果时间延迟t₀较短的话，可以精确确定两扇形光束探测之间的时间延迟t₀。

(4)其它实施例

(4.1)扇形光束的改变

虽然在所有上述实施例中使用发射两个扇形光束的旋转的激光装置，不过可以用同时发射三或更多个扇形激光束的另外的旋转的激光装置来实现建筑机械控制系统。在这种情况下，适当地选择两个扇形光束用与上述实施例完全相同的方式进行测量。

图42A到42J举例表示扇形光束的发射图案。图42A到42J表示从光探测器一侧观看的扇形光束的横截面，其中点划线表示水平参考平面。根据上述实施例，图42C到42J表示三或更多个扇形光束的多种发射图案。扇形光束与水平参考平面的交线最好彼此等间距隔开。对于图42A到42C中的发射图案，当光探测器处于水平面中时，扇形光束不相重叠，从而，可以精确地确定探测中的时间延迟，不用将扇形光束调制成彼此不同的偏振。

并且，当按图42C到42G和图42I以及图42J的图案进行发射时，如果考虑在水平面中的话，用彼此相等的时间延迟依次连续地探测三个扇形光束，这就是寻找水平参考平面很便利的原因。并且，如上所述，可以在所有光束之中适当选择两个扇形激光束，用与上述实施例完全相同的方式进行测量；也就是，由于两个时间延迟的比值可能仅与光探测器相对水平面的角位置的一种组合相关，故找出一个时间延迟与另一个的比值，能立即得出光探测器相对水平面的角度。当仅考虑两个扇形激光束时，需要旋转周期T来获得角度，不过在使用三个或更多扇形光束时不再需要。这证明，上述实施例可以获得精确的测量，不受旋转的激光装置旋转误差的影响。

如图42H所示的图案，连续探测四个扇形光束，产生从一次探测到另一次探测的三个时间延迟，并对它们求平均，结果提高了测量精度。如图42I和42J所示将光束图案化，光探测器的灵敏度从探测水平面附近的光到探测其他区域的光发生变化。例如，虽然光探测器与水平面的较小偏离导致在水平面附近的探测之间时间延迟的较大改变，但在远离水平面的高度上光探测器的垂直位移对延迟的影响不大。这样，可以根据光探测器上的探测之间的时间延迟精确地探测水平参考平面。在本说明书中，将扩展成弯曲或皱褶平面的激光束(如图42I和42J中间的激光束)称作扇形光束。对于弯曲或皱褶的扇形光束，该扇形激光束的倾角是通过该弯曲或皱褶面上任意一点的切线的倾角。

通过重复上述按照用于图42C到42H中发射图案的任意两个扇形光束的计算过程，在所接收的扇形光束的基础上执行找出距离水平参考平面的高程的计算。对于图42I和42J中的发射图案，适当改变该计算过程，可获得距离水平参考平面的高程。

如图6所示，通过在发射扇形光束的光学系统中的光路上设置一适当的衍射光栅来实现所有这些发射图案。没有衍射光栅，也可以产生上述发射图案。图43表示产生如图42C所示图案化的扇形光束的旋转的激光装置其激光投影器403和旋转机构405的实施例。在图43中，用在后两个数字前面加上前缀4而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的所有其余元件。激光束在从激光照射器发射之后，通过准直透镜433和四分之一(1/4)波片440和439，然后入射在偏振分束器441上。入射在偏振分束器441上的激光束，其一部分透过它，且透过四分之一波片437并被柱面反射镜435反射，之后，再次透过四分之一波片437入射在偏振分束器441上。此入射的激光束被分束器441反射，从而，与水平参考平面成β倾角投射出扇形光束453。

另一方面，从四分之一波片439射出并入射在偏振分束器441上的激光束，被分束器441部分反射，然后入射在四分之一波片438上。此入射在四分之一波片438上的激光束，在经过它之后透过偏转棱镜460，然后被柱面反射镜436反射。该柱面反射镜436被取向为，使它投射出垂直发散的扇形光束。被柱面反射镜436反射的激光束再次进入偏转棱镜，并形成两个垂直发散的扇形光束。该扇形光束透过四分之一波片438和分束器441，从而投射出扇形光束452a和452b。

参照图44，现在将讨论发射如图42C所示图案化的发散或扇形光束的旋转的激光装置其激光照射器和旋转机构的改变或变型实施例。本实施例的激光投影器503包括一激光照射器532和一准直透镜533。本实施例的旋转机构505具有三个等放大率的扩束器562a、562b和562c，三个柱面透镜564a、564b和564c，和三个反射镜566a、566b和566c。

由激光照射器532发射的激光被准直透镜533准直。透过准直透镜533的激光入射在旋转机构505的三个等放大率的扩束器562a、562b和562c上。入射在等放大率扩束器562上的激光束以预定比率倾斜。透过等放大率扩束器562a、562b和562c的激光束，分别被柱面透镜564a、564b和564c分束和扩展成扇形光束553、552b和552a。从柱面透镜564a、564b和564c射出的扇形激光束分别被反射镜566a、566b和566c反射，并且分别沿与旋转的激光装置的旋转轴正交的方向投射出去。

在这种情况下，由于激光在透过等放大率扩束器562之后被反射镜566反射，则该激光束的偏转角仅依赖于透过旋转机构505的偏转角。从而，扇形光束553，552b和552a的发射方向不受激光照射器503与旋转机构505之间失调的影响。在某些应用中，为了屏蔽并非激光投影器503发射的激光束进入等放大率扩束器562，可以在等放大率扩束器562下设置一遮光框(未示出)。或者，为了屏蔽并非激光照射器532发出的激光束进入准直透镜533，可以在激光照射器532与准直透镜533之间设置一遮光框(未示出)。

参照图45和46，下面将描述发射如图42C所示图案化的扇形激光束的旋转的激光装置其激光照射器和旋转机构的另一改变或变型实施例。本实施例的激光投影器603包括一激光照射器632和一准直透镜633。本实施例的旋转机构605具有一有三个孔径672a、672b和672c的遮光框672，一对通过遮光框672的激光进行偏转的五棱镜674，固定到五棱镜674上以将光束扩展成发散扇形形状的柱面透镜675和676，以及对来自五棱镜674的激光束进行偏转和准直的楔形棱镜678。

由激光照射器632发射的激光被准直透镜633准直。透过准直透镜633的激光入射在旋转机构605中的遮光框672上。该激光束在通过遮光框672中的孔径672a以后，入射在五棱镜674上，并且在其中被偏转。在图46中，来自孔径672a的激光束直接入射在五棱镜674的底部，且由该五棱镜将光束偏转90°，以从其竖直面射出。激光入射在与五棱镜674的竖直面相连的柱面透镜676上，其被扩展成与水平面成预定倾角的扇形光束653。另一方面，穿过孔径672b和672c的激光，入射在与五棱镜674的底部相连的柱面透镜675上，所产生的分离激光束被扩展成发散扇形形状，然后在五棱镜674中被偏转90°。激光束被引导到与固定在五棱镜674的竖直面上的柱面透镜676的下部相连的楔形棱镜678上，然后被水平偏转，从而，投射出扇形光束652a和652b。

在这种情况下，激光束在五棱镜674中分别反射两次，激光束被偏转的角度仅取决于透过该五棱镜674时的偏转角。从而，扇形光束653、652b和652a的发射方向不受激光投影器603与旋转机构605之间失调的影响。在某些应用中，为了阻挡并非激光照射器632所发射的激光束进入准直透镜633，可以在激光照射器632与准直透镜633之间设置一遮光框(未示出)。

(4.2)建筑机械控制系统的其他改变和变型

已经描述了建筑机械控制系统的多个实施例，强调了特殊的例子，如包括分别发射在水平参考平面内和外彼此相交的两个扇形激光束的旋转的激光装置，发射三或更多个扇形激光束的旋转的激光装置，发射两个不同偏振的扇形激光束的旋转的激光装置，发射分别被调制成具有不同频率或波长的激光束的旋转的激光装置，具有单个光接收部分的光探测器，具有不止一个垂直或水平设置的光接收部分的光探测器，能够区别不同偏振的扇形光束的光探测器，和能够区别被分别调制成具有不同频率或波长的扇形光束的光探测器的建筑机械控制系统。任何本领域普通技术人员都应该想到，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的真实范围的条件下，可对上述实施例的建筑机械控制系统进行适当组合修改。

根据本发明，单个旋转的激光装置能对不止一个建筑机械进行控制，使建筑机械能同时在不同高度找平地面。另外，还使工人能够操纵建筑机械有效地平整倾斜的地面，无论其执行这种任务的专业技术水平如何，还允许对不止一个建筑机械进行控制，同时平整或整形不同倾斜的地面。

Claims

1.一种建筑机械控制系统，包括：

一旋转的激光装置，它发射两或更多个扇形的激光束，同时围绕一给定轴旋转该激光束，这两或更多个扇形激光束在并非水平面的平面中发散，其中扇形激光束之一的相对于水平面的倾斜角度不同于其余的扇形激光束，

一安装在建筑机械上的用于接收该扇形激光束的光探测器，

一安装在该建筑机械上的用于确定该建筑机械位置的GPS接收器，以及

一设置在该建筑机械中的算术运算器，

该算术运算器从该GPS接收器接收探测信号，以确定该建筑机械的位置，并且

该算术运算器根据光探测器所接收的扇形激光束的探测间的时间延迟，计算并产生对该建筑机械的控制信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中除了有关地形数据的信号以外，该算术运算器还在来自光探测器和GPS接收器的探测信号的基础上，计算并产生对该建筑机械的控制信号。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括一致动器机构，其根据输入该建筑机械的控制信号被致动。

4.根据权利要求1所述的系统，其中该旋转的激光装置被设置在一已知位置，该算术运算器根据该已知位置的数据计算控制信号。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括一用来确定该旋转激光装置的位置的GPS基地装置，该算术运算器能够确定该建筑机械与该旋转激光装置的相对位置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中该两或更多个扇形激光束在该水平面内彼此相交。

7.根据权利要求1所述的系统，其中该旋转的激光装置发射两或更多个偏振彼此不同的扇形激光束。

8.根据权利要求1所述的系统，其中该旋转的激光装置发射两或更多个被调制成彼此不同频率的扇形激光束。

9.根据权利要求1所述的系统，其中该旋转的激光装置发射两或更多个彼此不同波长的扇形激光束。

10.根据权利要求1所述的系统，其中该光探测器具有两个光接收部分，分别接收该扇形激光束。

11.根据权利要求1所述的系统，其中该光探测器具有三或更多个光接收部分，分别接收该扇形激光束。

12.根据权利要求1所述的系统，其中该旋转的激光装置发射强度从一个部分到另一个部分变化的扇形激光束。

13.根据权利要求1所述的系统，其中该旋转的激光装置发射三或更多个彼此等距离地与该水平面相交的扇形激光束。

14.根据权利要求13所述的系统，其中该旋转的激光装置发射三或更多个在其被光学接收的范围内彼此不相交的扇形激光束。