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KREUZVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung nimmt die Priorität mit Bezug auf
die vorläufige Patentanmeldung Nr. 60/830,282, unter dem
Titel „HANDHELD LASER LIGHT DETECTOR WITH HEIGHT CORRECTION", eingereicht
am 12. Juli 2006, in Anspruch; und nimmt die Priorität
mit Bezug auf die vorläufige Patentanmeldung Nr. 60/906,362,
unter dem Titel „HANDHELD LASER LIGHT DETECTOR WITH HEIGHT CORRECTION,
USING A GPS RECEIVER TO PROVIDE TWO-DIMENSIONAL POSITION DATA",
eingereicht am 12. März 2007, in Anspruch.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Laserempfänger
und betrifft insbesondere Laserempfänger von der Art, die
auf Baustellen zum Messen der relativen Erhebung verwendet werden. Die
Erfindung wird insbesondere als ein Laserempfänger offenbart,
der eine automatische Höhenkorrekturfähigkeit
umfasst, die durch eine Kombination aus einer Laserentfernungsmessvorrichtung
und einem Schwerkraftsensor bzw. einer Pegelerfassungsvorrichtung
erfasst werden kann. Die Erfindung wird auch als ein Laserempfänger
mit einer automatischen Höhenkorrekturfähigkeit
offenbart und wird ferner mit einem GPS-(globales Positionsbestimmungssystem)Empfänger
kombiniert, um zweidimensionale Positionsdaten für die
waagerechte Ebene zu erlangen und somit zusammen eine genauere dreidimensionale „feste"
Standortbestimmung bereitzustellen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
Messung der relativen Erhebung ist ein wichtiges Element in nahezu
allen Phasen eines Bauprojekts. Im Laufe der letzten Jahrzehnte
hat sich die Verwendung von Laserbezugsebenen als eine Möglichkeit
entwickelt, dieser Nachfrage nach genauen Erhebungsinformationen
gerecht zu werden. Die Laserebene wird von einem Lasersender erstellt. Dazu
werden diverse Verfahren verwendet, eins der geläufigsten
ist jedoch ein rotierender Lichtstrahl. Der Lasersender wird typischerweise
auf eine bekannte Erhebung gestellt. Die Lichtebene wird häufig
eingerichtet, um mit Bezug auf die Schwerkraft auf gleicher Höhe
zu sein, so dass sich alle Punkte auf der Laserebene auf derselben
Erhebung befinden.
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Um
diese Laserebene zu verwenden, um die Erhebung eines Punktes zu
messen, baut ein Arbeiter einen Laserempfänger auf einem
Stab oder einem Griff auf. Der untere Teil des Stabs/Griffs liegt
auf dem Punkt auf, dessen Erhebung gemessen wird. Der Stab/Griff
muss jedoch mit Bezug auf die Schwerkraft lotrecht gehalten werden.
Der Laserempfänger wird in der Ebene des Laserlichts angeordnet,
so dass er eine bodengleiche Position angibt. Die relative Erhebung
kann dann als die Länge des Stabs/Griffs zwischen dem gemessenen
Punkt und der bodengleichen Position des Empfängers abgelesen
werden. Es gibt viele verschiedene Modelle von Stäben/Griffen,
um diese Aufgabe zu erleichtern. Meistens stellen sie eine einfache
Höhenverstellung und eine Skala bereit, die auf einer für
den Arbeiter praktischen Höhe ablesbar ist.
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Obwohl
diese Verfahren weit verbreitet sind, sind Verbesserungen durchaus
möglich. Der Stab/Griff selber kann kostspielig und weniger
robust sein als es die Benutzer wünschen. Um genaue Messungen
vorzunehmen, ist große Sorgfalt notwendig. Einige Punkte
auf einer Baustelle sind für eine Messung mit diesem Verfahren
unzugänglich, so dass diese Methodik offensichtlich ihre
Grenzen hat.
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Zusätzlich
zu dem zuvor Genannten ist die Verwendung von GPS-Empfängern
für das Vermessungswesen und die Maschinensteuerung im
Baubereich wohl bekannt. Wegen der technischen Grenzen bei GPS-Empfängern
ist die senkrechte Genauigkeit jedoch mindestens doppelt (2x) so
schlecht wie die Genauigkeit in der zur Erdoberfläche parallelen
Ebene. Oft ist die senkrechte Dimension die wichtigste, so dass
ein gewisser Anreiz besteht, dies zu verbessern.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Entsprechend
ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Laserempfängereinheit
bereitzustellen, die eine Laserentfernungsmessvorrichtung zum Messen
der Entfernung von einer Laserebene einer erwünschten Erhebung
bis zu einem erwünschten physikalischen Zielpunkt, der
an einer Baustelle zu messen ist, umfasst.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserempfängereinheit
bereitzustellen, die mit einer Schwerkraftbezugsvorrichtung kombiniert
ist, so dass die Laserempfängereinheit nicht unbedingt
lotrecht zu einem erwünschten Zielpunkt gehalten werden
muss, wenn die relative Erhebung des Laserempfängers zwischen
einem rotierenden Laserlichtstrahl und dem Zielpunkt bestimmt wird.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Laserempfängereinheit
bereitzustellen, die sowohl die Laserentfernungsmessvorrichtung
als auch eine Schwerkraftbezugsvorrichtung umfasst, und auch in
der Lage ist, automatisch Positionsproben des Laserempfängers
mit Bezug auf einen rotierenden Laserlichtstrahl und mit Bezug auf
einen erwünschten Zielpunkt auf einer Baustelle zu erlangen,
und die automatisch eine senkrechte Messung vornehmen und das Ergebnis
zum späteren Ablesen für einen menschlichen Benutzer
speichern kann.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Laserempfängereinheit
bereitzustellen, die mit einer Höhenkorrekturvorrichtung
und mit einem GPS-Empfänger kombiniert ist; der Laserempfänger
kann genau die relative Erhebung zwischen einem rotierenden Laserlichtstrahl
und dem Zielpunkt bestimmen, und die senkrechte Genauigkeit des
Laserempfängers mit Höhenkorrektur ist größer
als diejenige, die von einem GPS-Empfänger alleine erreicht
werden kann, so dass das Ergebnis ein Instrument ist, das eine genauere
dreidimensionale feste Standortbestimmung bereitstellt.
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Weitere
Vorteile und andere neuartige Merkmale der Erfindung sollen zum
Teil in der nachstehenden Beschreibung dargelegt werden und werden zum
Teil für den Fachmann nach dem Durchlesen des folgenden
Textes ersichtlich werden oder können durch Umsetzen der
Erfindung in die Praxis erlernt werden.
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Um
die vorherigen und andere Vorteile zu erzielen, und nach einem Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung, wird ein Laserlichtempfänger
bereitgestellt, der folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen ersten
Laserlichtphotosensor, der ein erstes Signal erzeugt, wenn er einen
Strahl von Laserlichtenergie von einer externen Laserlichtquelle
empfängt; eine Sichtanzeige, um anzugeben, ob der Laserlichtempfänger
im Wesentlichen mit Bezug auf den Strahl von Laserlichtenergie bodengleich
ist; einen sichtbaren Lichtmarker; eine Entfernungsmessvorrichtung,
die eine zweite Laserlichtquelle und einen zweiten Laserlichtphotosensor
verwendet, wobei die Entfernungsmessvorrichtung verwendet wird,
um im Wesentlichen eine erste Entfernung zwischen dem zweiten Laserlichtphotosensor
und einer vorherbestimmten externen Position zu bestimmen, wie sie
von einem Benutzer des Laserlichtempfängergeräts
ausgewählt wird, während er mit dem sichtbaren
Lichtmarker zielt, wobei der zweite Laserlichtphotosensor ein zweites
Signal erzeugt, wenn er reflektierte Laserlichtenergie von der zweiten
Laserlichtquelle empfängt; eine Wasserwaage; und einen
Verarbeitungsschaltkreis, der das erste Signal und das zweite Signal
empfängt; wobei das Gehäuse, der erste Laserlichtphotosensor,
die Entfernungsmessvorrichtung, die Wasserwaage, die Sichtanzeige
und der Verarbeitungsschaltkreis als einheitliches Handgerät
zusammengefügt sind.
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Nach
einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein
Laserlichtempfänger bereitgestellt, der folgendes umfasst:
ein Gehäuse; einen ersten Laserlichtphotosensor, der ein
erstes Signal erzeugt, wenn er einen Strahl von Laserlichtenergie
von einer externen Laserlichtquelle empfängt; eine Sichtanzeige,
um anzugeben, ob der Laserlichtempfänger im Wesentlichen
mit Bezug auf den Strahl von Laserlichtenergie bodengleich ist;
einen sichtbaren Lichtmarker; eine Entfernungsmessvorrichtung, die
eine zweite Laserlichtquelle und einen zweiten Laserlichtphotosensor
verwendet, wobei die Entfernungsmessvorrichtung verwendet wird,
um im Wesentlichen eine erste Entfernung zwischen dem zweiten Laserlichtphotosensor
und einer vorherbestimmten externen Position zu bestimmen, wie sie
von einem Benutzer des Laserlichtempfängergeräts
ausgewählt wird, während er mit dem sichtbaren
Lichtmarker zielt, wobei der zweite Laserlichtphotosensor ein zweites
Signal erzeugt, wenn er reflektierte Laserlichtenergie von der zweiten
Laserlichtquelle empfängt; einen Schwerkraftsensor, der
ein drittes Signal erzeugt, das im Wesentlichen eine Winkelausrichtung
des Gehäuses mit Bezug auf die Schwerkraft angibt; und
einen Verarbeitungsschaltkreis, der das erste Signal, das zweite
Signal und das dritte Signal empfängt; wobei das Gehäuse,
der erste Laserlichtphotosensor, die Entfernungsmessvorrichtung,
der Schwerkraftsensor, die Sichtanzeige und der Verarbeitungsschaltkreis
als einheitliches Handgerät zusammengefügt sind.
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Nach
noch einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird
ein Laserlichtempfänger bereitgestellt, der folgendes umfasst:
ein Gehäuse; einen ersten Laserlichtphotosensor, der ein erstes
Signal erzeugt, wenn er einen Strahl von Laserlichtenergie von einer
externen Laserlichtquelle empfängt, wobei das erste Signal
eine zweite Entfernung zwischen dem Strahl von Laserlichtenergie
und einer bodengleichen Position des Laserlichtempfängers
angibt; einen sichtbaren Lichtmarker; eine Entfernungsmessvorrichtung,
die eine zweite Laserlichtquelle und einen zweiten Laserlichtphotosensor
verwendet, wobei die Entfernungsmessvorrichtung verwendet wird,
um im Wesentlichen eine erste Entfernung zwischen dem zweiten Laserlichtphotosensor und
einer vorherbestimmten externen Position zu bestimmen, wie sie von
einem Benutzer des Laserlichtempfängergeräts ausgewählt
wird, während er mit dem sichtbaren Lichtmarker zielt,
wobei der zweite Laserlichtphotosensor ein zweites Signal erzeugt, wenn
er reflektierte Laserlichtenergie von der zweiten Laserlichtquelle
empfängt; einen Schwerkraftsensor, der ein drittes Signal
erzeugt, das im Wesentlichen eine Winkelausrichtung des Gehäuses
mit Bezug auf die Schwerkraft angibt; eine Sichtanzeige, um eine
relative Erhebung anzugeben; und einen Verarbeitungsschaltkreis,
der das erste Signal, das zweite Signal und das dritte Signal empfängt;
wobei das Gehäuse, der erste Laserlichtphotosensor, die Entfernungsmessvorrichtung,
der Schwerkraftsensor, die Sichtanzeige und der Verarbeitungsschaltkreis
als einheitliches Handgerät zusammengefügt sind.
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Nach
noch einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird
ein Laserlichtempfänger bereitgestellt, der folgendes umfasst:
ein Gehäuse; einen ersten Laserlichtphotosensor, der ein erstes
Signal erzeugt, wenn er einen Strahl von Laserlichtenergie von einer
externen Laserlichtquelle empfängt, wobei das erste Signal
eine zweite Entfernung zwischen dem Strahl von Laserlichtenergie
und einer bodengleichen Position des Laserlichtempfängers
angibt; einen sichtbaren Lichtmarker; eine Entfernungsmessvorrichtung,
die eine zweite Laserlichtquelle und einen zweiten Laserlichtphotosensor
verwendet, wobei die Entfernungsmessvorrichtung verwendet wird,
um im Wesentlichen eine erste Entfernung zwischen dem zweiten Laserlichtphotosensor und
einer vorherbestimmten externen Position zu bestimmen, wie sie von
einem Benutzer des Laserlichtempfängergeräts ausgewählt
wird, während er mit dem sichtbaren Lichtmarker zielt,
wobei der zweite Laserlichtphotosensor ein zweites Signal erzeugt, wenn
er reflektierte Laserlichtenergie von der zweiten Laserlichtquelle
empfängt; einen GPS-(globales Positionsbestimmungssystem)Empfänger,
der ein drittes Signal erzeugt, das eine Position mit Bezug auf
die Erdoberfläche angibt; eine Neigungsangabevorrichtung;
eine Sichtanzeige, um eine relative Erhebung zwischen der vorherbestimmten
externen Position und dem Strahl von Laserlichtenergie anzugeben;
und einen Verarbeitungsschaltkreis, der das erste Signal, das zweite
Signal und das dritte Signal empfängt; wobei (a) das Gehäuse,
der erste Laserlichtphotosensor, die Entfernungsmessvorrichtung, die
Neigungsangabevorrichtung, die Sichtanzeige, der GPS-Empfänger
und der Verarbeitungsschaltkreis als einheitliches Handgerät
zusammengefügt sind; und (b) der Verarbeitungsschaltkreis
für folgendes konfiguriert ist: (i) Verwendung des dritten
Signals, um im Wesentlichen eine Position in der waagerechten Ebene
mit Bezug auf die Erdoberfläche zu bestimmen; und (ii)
Verwendung der ersten und zweiten Signale, um im Wesentlichen die
relative Erhebung zu bestimmen, basierend auf der ersten Entfernung
und der zweiten Entfernung.
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Nach
noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zum Bestimmen einer Erhebung bereitgestellt, wobei
das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Laserlichtempfängers,
umfassend: ein Gehäuse, einen ersten Laserlichtphotosensor,
der ein erstes Signal erzeugt, wenn er einen Strahl von Laserlichtenergie
von einer externen Laserlichtquelle empfängt, eine Sichtanzeige,
einen sichtbaren Lichtmarker, eine Entfernungsmessvorrichtung, die
eine zweite Laserlichtquelle und einen zweiten Laserlichtphotosensor
verwendet, eine Wasserwaage und einen Verarbeitungsschaltkreis;
Zielen mit dem sichtbaren Lichtmarker auf eine vorherbestimmte externe
Position, während das Gehäuse auf einer im Wesentlichen ebenen
Ausrichtung gehalten wird, wie durch die Wasserwaage angegeben;
Bestimmen im Wesentlichen einer ersten Entfernung zwischen dem zweiten Laserlichtphotosensor
und der vorherbestimmten externen Position, durch die Verwendung
der Entfernungsmessvorrichtung; Bestimmen im Wesentlichen einer
zweiten Entfernung des Laserlichtempfängers mit Bezug auf
den Strahl von Laserlichtenergie; und Bestimmen im Wesentlichen
einer relativen Erhebung zwischen der vorherbestimmten externen
Position und dem Strahl von Laserlichtenergie, basierend auf der
ersten Entfernung und der zweiten Entfernung.
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Nach
noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zum Bestimmen einer Erhebung bereitgestellt, wobei
das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines
Laserlichtempfängers, umfassend: ein Gehäuse,
einen ersten Laserlichtphotosensor, der ein erstes Signal erzeugt,
wenn er einen Strahl von Laserlichtenergie von einer externen Laserlichtquelle empfängt,
eine Sichtanzeige, einen sichtbaren Lichtmarker, eine Entfernungsmessvorrichtung,
die eine zweite Laserlichtquelle und einen zweiten Laserlichtphotosensor
verwendet, einen Schwerkraftsensor, der ein Neigungswinkelsignal
erzeugt, das im Wesentlichen eine Winkelausrichtung des Gehäuses
mit Bezug auf die Schwerkraft angibt, und einen Verarbeitungsschaltkreis;
Zielen mit dem sichtbaren Lichtmarker auf eine vorherbestimmte externe
Position, während das Gehäuse in einer vom Benutzer
erwünschten Ausrichtung gehalten wird; Bestimmen im Wesentlichen
einer ersten Entfernung zwischen dem zweiten Laserlichtphotosensor
und der vorherbestimmten externen Position, durch die Verwendung der
Entfernungsmessvorrichtung; Bestimmen im Wesentlichen einer zweiten
Entfernung des Laserlichtempfängers mit Bezug auf den Strahl
von Laserlichtenergie; und Bestimmen im Wesentlichen einer relativen
Erhebung, basierend auf der ersten Entfernung und der zweiten Entfernung.
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Noch
andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den
Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen
ersichtlich werden, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einer der besten Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und gezeigt wird. Es versteht sich, dass
die Erfindung verschiedene andere Ausführungsformen umfassen kann
und dass ihre diversen Einzelheiten in verschiedenen offensichtlichen
Gesichtspunkten geändert werden können, ohne die
Erfindung zu verlassen. Entsprechend werden die Zeichnungen und
die Beschreibungen als beispielhaft und nicht einschränkend
angesehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beiliegenden Zeichnungen, die in die Beschreibung integriert und
Teil davon sind, veranschaulichen verschiedene Gesichtspunkte der
vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung
und den Ansprüchen dazu, die Grundlagen der Erfindung zu
erläutern. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Laserempfängereinheit, wie sie
nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, die
von einem menschlichen Benutzer gehalten wird und einen rotierenden
Strahl von Laserlicht auffängt, um eine senkrechte Entfernung
bis zu einem vorherbestimmten Ziel zu bestimmen.
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2 eine
schematische Ansicht einer Laserempfängereinheit, wie sie
nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, die
von einem menschlichen Benutzer gehalten wird und einen rotierenden
Strahl von Laserlicht auffängt, um eine senkrechte Entfernung
bis zu einem vorherbestimmten Ziel zu bestimmen, wobei der Photodetektor
der Laserempfängereinheit derart ausgestaltet ist, dass er
nicht mit dem Laserlichtstrahl bodengleich sein muss, sondern diesen
Laserlichtstrahl nur irgendwo im Empfangsbereich des Photosensors
auffangen muss.
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3 eine
schematische Ansicht einer Laserempfängereinheit, wie sie
nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, die
von einem menschlichen Benutzer gehalten wird und einen rotierenden
Strahl von Laserlicht auffängt, um eine senkrechte Entfernung
bis zu einem vorherbestimmten Ziel zu bestimmen, wobei der Photodetektor
der Laserempfängereinheit derart ausgestaltet ist, dass er
nicht mit dem Laserlichtstrahl bodengleich sein muss, sondern diesen
Laserlichtstrahl nur irgendwo im Empfangsbereich des Photosensors
auffangen muss, und ferner eine Schwerkraftbezugsvorrichtung in
der Laserempfängereinheit enthalten ist, damit die Empfängereinheit
in einem Winkel angeordnet werden kann, der mit Bezug auf das erwünschte
Ziel nicht lotrecht ist.
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4 eine
schematische Ansicht einer Laserempfängereinheit, wie sie
nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, die
von einem menschlichen Benutzer gehalten wird und einen rotierenden
Strahl von Laserlicht auffängt, um eine senkrechte Entfernung
bis zu einem vorherbestimmten Ziel zu bestimmen, wobei der Photodetektor
der Laserempfängereinheit derart ausgestaltet ist, dass er
nicht mit dem Laserlichtstrahl bodengleich sein muss, sondern diesen
Laserlichtstrahl nur irgendwo im Empfangsbereich des Photosensors
auffangen muss, und ferner eine Schwerkraftbezugsvorrichtung in
der Laserempfängereinheit enthalten ist, damit die Empfängereinheit
in einem Winkel angeordnet werden kann, der mit Bezug auf das erwünschte
Ziel nicht lotrecht ist, und weiterhin die Empfängereinheit einen
automatischen Messmodus aufweist, der es erlaubt, die Laserempfängereinheit
in Positionen aufzustellen, in denen der menschliche Benutzer nicht unbedingt
das Display der Empfängereinheit sehen kann.
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5 eine
schematische Ansicht einer Laserempfängereinheit, wie sie
nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, die
von einem menschlichen Benutzer gehalten wird und einen rotierenden
Strahl von Laserlicht auffängt, um eine senkrechte Entfernung
bis zu einem vorherbestimmten Ziel zu bestimmen, wobei der Photodetektor
der Laserempfängereinheit derart ausgestaltet ist, dass er
nicht mit dem Laserlichtstrahl bodengleich sein muss, sondern diesen
Laserlichtstrahl nur irgendwo im Empfangsbereich des Photosensors
auffangen muss, und ferner eine Schwerkraftbezugsvorrichtung in
der Laserempfängereinheit enthalten ist, damit die Empfängereinheit
in einem Winkel angeordnet werden kann, der mit Bezug auf das erwünschte
Ziel nicht lotrecht ist, und weiterhin die Empfängereinheit einen
automatischen Messmodus aufweist, der es erlaubt, die Laserempfängereinheit
in Positionen aufzustellen, in denen der menschliche Benutzer nicht unbedingt
das Display der Empfängereinheit sehen kann; ferner ist
ein GPS-(globales Positionsbestimmungssystem)Empfänger
enthalten, um eine Position in der Ebene zu erfassen, die parallel
zur Erdoberfläche ist, und diese Informationen werden mit
den senkrechten (Erhebungs-) Informationen von dem Laserempfängerschaltkreis
kombiniert, um eine genauere dreidimensionale feste Standortbestimmung zu
erlangen.
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6 ein
Funktionsschema der Hauptausstattungsteile einer Laserempfängereinheit,
wie sie nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist und bei der in 1 abgebildeten Entfernungsmessungsanwendung
verwendet werden kann.
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7 ein
Funktionsschema der Hauptausstattungsteile einer Laserempfängereinheit,
wie sie nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist und bei der in 2 abgebildeten Entfernungsmessungsanwendung
verwendet werden kann.
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8 ein
Funktionsschema der Hauptausstattungsteile einer Laserempfängereinheit,
wie sie nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist und bei der in 3 abgebildeten Entfernungsmessungsanwendung
verwendet werden kann.
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9 ein
Funktionsschema der Hauptausstattungsteile einer Laserempfängereinheit,
wie sie nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist und die bei der in 4 abgebildeten Entfernungsmessungsanwendung
verwendet werden kann.
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10 ein
Funktionsschema der Hauptausstattungsteile einer Laserempfängereinheit,
wie sie nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist und bei der in 5 abgebildeten dreidimensionalen
Positionsmessungsanwendung verwendet werden kann.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
soll nun ausführlich Bezug genommen werden auf die derzeit
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, von der ein Beispiel
in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht ist, wobei die gleichen
Zahlen in allen Ansichten die gleichen Elemente angeben.
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Die
vorliegende Erfindung wurde erdacht, um gewisse Mängel
des nach dem obigen Allgemeinen Stand der Technik beschriebenen
Verfahrens zu beheben. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Laserentfernungsmesser
(einen „LDM") als Teil einer Vorrichtung, welche die Entfernung
von der Laserebene bis zu dem zu messenden Punkt misst. Nachstehend
werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung besprochen
und diese umfassen Verbesserungen, die einige der strengen Bedingungen der
herkömmlichen Verfahren auflockern. Durch die Verwendung
einer Empfängertechnologie, die eine genaue Messung der
Position des Lasertreffers über einen großen Empfangsbereich
ermöglicht, kann der Benutzer von der Notwendigkeit befreit
werden, den Empfänger genau in der bodengleichen Position
zu halten. Durch die Verwendung einer internen Schwerkraftreferenz
kann der Benutzer von der Notwendigkeit befreit werden, den Stab
und den Empfänger genau lotrecht mit Bezug auf die Schwerkraft zu
halten. Durch den Einsatz eines Algorithmus zum Durchführen
und Behalten von Messungen kann der Benutzer von der Auflage befreit
werden, das Display sehen zu müssen, während die
Messung vorgenommen wird. Jeder dieser einzelnen Gesichtspunkte
der vorliegenden Erfindung kann alleine oder zusammen verwendet
werden, um eine verbesserte Laserempfängervorrichtung bereitzustellen.
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Es
ist zu beachten, dass LDMs (Laserentfernungsmesser) bei mehreren
Herstellern verfügbar gewesen sind. Es gibt z. B. das Modell
HD150 von Trimble. Obwohl einige handelsübliche Systeme
mit einer direkten Messung der Laufzeit arbeiten, modulieren die
meisten Systeme einen Strahl von Laserlicht elektronisch und messen
die relative Phase des reflektierten Lichts. Typischerweise werden
Lawinen-Photodioden als Lichtsensoren verwendet, die es dem System
ermöglichen, entfernte oder dunkle Objekte mühelos
zu messen, ohne ein besonderes reflektierendes Ziel zu benötigen.
LDM-Produkte verfügen üblicherweise über
einen sichtbaren Lasermarker, um es dem Benutzer zu ermöglichen,
genau zu sehen, welcher Punkt von dem System gemessen wird. (Der
sichtbare Lasermarker strahlt einen farbigen Lichtstrahl aus, der
vom Benutzer direkt auf das zu messende Objekt gerichtet werden
kann.)
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Eine
erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft
einen Laserempfänger, der mit einem Laserentfernungsmesser
in ein einzelnes Gehäuse als einheitliche Vorrichtung integriert
ist. Eine Wasserwaage ist in der Einheit enthalten, damit der Benutzer
den LDM-Messstrahl mit Bezug auf die Schwerkraft einloten kann.
Der Laserempfänger ist von einer herkömmlichen
Art, welche die Position der Laserebene in nur einem Punkt, nämlich
dem bodengleichen Punkt, genau bestimmen kann.
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Eine
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ähnlich
wie die erste Einheit, außer dass der Laserdetektor von
der Art ist, die in der US-Patentanmeldung Nr. 10/343,538 offenbart
wird, welche die veröffentlichte Anmeldung US 2003/0174305
A1, jetzt
US-Patent Nr. 7,110,092 ist; siehe
ebenfalls z. B. einen in der PCT-Veröffentlichung
WO 2006/048007 A1 offenbarten
Laserdetektor. Die Laserlichtabtastvorrichtung wird von den Erfindern
manchmal als „Stabsensor" bezeichnet, wobei ein stabförmiger
Kunststoff- oder Glaslichtleiter verwendet wird und Photosensoren
an den Stabenden bereitgestellt werden. Diese Art von Empfänger ermöglicht
eine genaue Messung an einem beliebigen Punkt in dessen effektiven
Photozellenbereich, der ein Bereich von 12,7 cm (fünf Zoll)
oder mehr sein kann.
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Eine
dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ähnlich
wie die zweite Einheit, außer dass sie eine sichtbare Wasserwaage
durch eine elektronische Schwerkraftreferenz ersetzt. Diese Schwerkraftreferenz
wird an den Hauptpositionsprozessor angeschlossen, damit er die
Außerlotbedingungen rechnerisch ausgleichen kann.
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Eine
vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ähnlich
wie die dritte Einheit, außer dass sie einen Schalter integriert
und einen Software-Algorithmus umfasst, der es dem Benutzer erlaubt,
die Einheit in einen Modus zu versetzen, in dem sie weiter Messungen
vornimmt (als periodische Proben), solange bestimmte Bedingungen
erfüllt sind. Zu diesen Bedingungen können folgende
gehören: (1) die Schwerkraftreferenz ist innerhalb einer vorherbestimmten
Toleranz stabil; und (2) der Laserempfänger empfängt
Lasertreffer in Zeitabständen, die innerhalb einer vorherbestimmten „Zeitfenster"-Toleranz
liegen. Wenn die Bedingungen nicht mehr erfüllt sind, wird
die letzte gültige Ablesung behalten und kann vom Benutzer
verwendet werden, um eine relative Erhebung zu bestimmen.
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Eine
fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist ähnlich wie die vierte Einheit, außer dass
sie einen GPS-Empfänger integriert, der an sich eine dreidimensionale
feste Standortbestimmung bereitstellen kann. Bei GPS-Empfängern
ist die senkrechte Dimension (Erhebung bzw. Höhe) jedoch
viel ungenauer als die Dimensionen der waagerechten Ebene (Länge
und Breite), und der Laserempfängerschaltkreis stellt eine
viel genauere senkrechte Position bereit als es mit dem GPS-Empfänger
alleine möglich ist. Daher stellt die fünfte Ausführungsform dreidimensionale
Positionsinformationen bereit, die in allen Richtungen relativ genau
sind, unter Verwendung eines Positionssteuergeräts und
einer Steuersoftware, welche die Längen- und Breitendaten
vom GPS-Empfänger erlangt, die Erhebungs-/Höhendaten
jedoch von der Laserempfängerschaltung (statt vom GPS-Empfänger)
erlangt.
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen zeigt 1 schematisch
eine mögliche Verwendung der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein Benutzer 5 hält
eine Laserempfängereinheit 10 in der Senderlaserebene 22 in
der bodengleichen Position (angegeben durch eine Sichtanzeige 16)
und beobachtet auch die Blase einer Wasserwaage 12, um sicherzustellen,
dass das Gehäuse 10 der Einheit lotrecht ist.
Schließlich beobachtet der Benutzer auch einen „Marker-"
Laserstrahl 18 auf dem Boden, um sicher zu sein, dass er
auf das gewünschte gemessene Objekt 30 (bzw. „Ziel")
abzielt. Die Messung erfolgt per Knopfdruck (z. B. unter Verwendung
eines kleinen Druckknopfschalters 32). Noch typischer würde der
Benutzer den Laserempfänger an einem Stab anbringen, damit
er leichter gerade zu halten ist. Bezugsnummer 20 stellt
einen Lasersender dar, der die Lichtebene erzeugt. Die rotierende
Laserlichtebene 22 trifft auf ein Array von Photosensoren 14,
die typischerweise Photodioden sind.
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2 zeigt
schematisch einen Benutzer 5, der die zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betätigt. Diese Anordnung ist
der in 1 dargestellten recht ähnlich, außer
dass die Laserlichtebene 22 (von einem rotierenden Lasersender 20 ausgegeben)
die Laserempfängereinheit 100 nicht an der bodengleichen
Position kreuzt. Mit dieser Art von Laserempfänger braucht
der Benutzer nur den Sensorabschnitt der Laserempfängereinheit
an einer beliebigen Stelle in dem rotierenden Laserstrahl zu erreichen.
Der Empfänger 100 kann eine andere Art von Photosensor 114 verwenden,
die nachstehend ausführlicher beschrieben werden soll. Das
Gehäuse der Laserempfängereinheit wird jedoch
immer noch lotrecht gehalten (unter Verwendung einer Wasserwaage 12),
und der Markierungslaser 18 muss auf das Ziel 30 fallen.
Die Messung erfolgt per Knopfdruck (z. B. unter Verwendung eines kleinen
Druckknopfschalters 32).
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3 zeigt
schematisch einen Benutzer, der die dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betätigt. Bei dieser Ausführungsform
gibt es keine sichtbare Wasserwaage auf dem Gehäuse. Deren
Aufgabe wird von einer internen Schwerkraftbezugsvorrichtung 246 übernommen.
Deshalb kann der Benutzer 5 die Laserempfängereinheit 200 im Verhältnis
zum Lot in einem Winkel „A" halten und dennoch genaue Ergebnisse
für die relative Erhebung erhalten. Die Messung erfolgt
per Knopfdruck (z. B. unter Verwendung eines kleinen Druckknopfschalters 32).
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Im
Gebrauch drückt der Benutzer 5 auf eine Bedienungstaste 32 (oder
einen kleinen Druckknopfschalter 32), wenn der Markierungslaserstrahl 18 richtig
auf das gewünschte Ziel 30 gerichtet ist. Dann erfasst
der Schwerkraftbezugssensor 246 den Winkel A im Verhältnis
zur Senkrechten (d. h. den Lotwinkel), und die senkrechte Entfernung „L"
kann automatisch durch das Signal der Laserentfernungsmessvorrichtung 50 an
den Positionsprozessor 240 (wenn der Winkel A bekannt ist)
bestimmt werden.
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Im
Laserempfänger 200 kann der Photodetektor 114 entweder
beispielsweise ein Array von Photozellen sein oder besonders bevorzugt
einer der Stabsensoren, was nachstehend ausführlicher beschrieben
werden soll. Dies ermöglicht es dem Benutzer, die Laserempfängervorrichtung 200 in
einer Position zu halten, die nicht unbedingt in der bodengleichen
Position ist, sondern stattdessen muss der rotierende Laserlichtstrahl 22 nur
den Photodetektor 114 an einer beliebigen Stelle innerhalb
seiner Sensorpositionsmöglichkeiten kreuzen.
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4 zeigt
schematisch den Benutzer, der die vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betätigt. Bei dieser Ausführungsform
kann die Laserempfängereinheit 300 über
dem Kopf des Benutzers gehalten werden, eventuell außer
Reichweite und außer Sichtweite. Die Einheit nimmt automatisch wiederholte
Messungen vor, während der Benutzer den Markierungslaser 18 auf
das zu messende Objekt 30 richtet. Es ist zu beachten,
dass der Benutzer 5 bei diesem Beispiel ein Objekt messen
könnte, das über herkömmliche Techniken
unzugänglich wäre, wobei der Blickzugang zum Laserempfänger
z. B. durch einen Vorsprung blockiert ist. Der Benutzer 5 hört
auf eine akustische Rückmeldung, die über eine piezoelektrische
Vorrichtung 60 auf dem Gehäuse der Laserempfängereinheit 300 abgegeben
wird, während die Messungen durchgeführt werden,
und während der Benutzer den Markierungslaserstrahl 18 auf
das gewünschte Ziel 30 richtet. Sobald der Benutzer 5 eine „richtige"
Messung erzielt hat, kann die Laserempfängereinheit 300 aus
der Laserlichtebene 22 entfernt werden, und der Benutzer 5 kann
dann die relative Erhebungsmessung ablesen, die nun auf einem Digitalanzeiger 316 angezeigt
wird.
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Wenn
die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, die im Allgemeinen mit der Bezugsnummer 300 bezeichnet
ist, muss der Benutzer 5 nicht unbedingt den wirklichen
Empfänger 300 oder einen bestimmten Abschnitt
des Displays 316 sehen können. Zudem kann ein
Spezialgriff 350 am Gehäuse der Empfängereinheit 300 angebracht
sein, um es dem Benutzer 5 zu erlauben, die Empfängereinheit 300 auf
eine noch größere Erhebung über seinem
Kopf zu verlängern, oder um es dem Benutzer zu erlauben,
die Empfängereinheit 300 an einem Ort aufzustellen,
an dem sie ansonsten wegen anderer Behinderungen schwer zu erreichen wäre.
Da eine Schwerkraftbezugsvorrichtung 246 und eine Laserentfernungmessvorrichtung 50 in
der Empfängereinheit 300 enthalten sind, kann
der Benutzer auf jeden Fall automatisch die senkrechte Entfernung „K"
der Empfängereinheit 300 bestimmen, wenn diese
die Laserlichtebene 22 kreuzt, die von dem rotierenden
Lasersender 20 erzeugt wird. Dieser Messmodus kann „vollautomatisch"
erfolgen, was nachstehend ausführlicher besprochen werden
soll.
-
5 basiert
im Allgemeinen auf dem in 4 veranschaulichten
Schaltkreismodell. Es wird jedoch ein GPS-(globales Positionsbestimmungssystem)Schaltkreis
zum Bereitstellen von Breiten- und Längeninformationen
hinzugefügt. Die GPS-Schaltkreise sind natürlich
in der Lage, auch Informationen über die dritte Dimension,
also Erhebung/Meereshöhe, bereitzustellen, und im Baubereich
ist die Verwendung von GPS-Fähigkeiten für Vermessungswesen
und Maschinensteuerung wohl bekannt. Wegen der technischen Grenzen
bei GPS-Empfängern ist die senkrechte Genauigkeit jedoch
mindestens doppelt (2x) so schlecht wie die Genauigkeit in der zur Erdoberfläche
parallelen Ebene. Bei Bauarbeiten ist die senkrechte Dimension oft
die wichtigste.
-
In 4 wurde
ein spezieller Prozessorschaltkreis 340 (siehe 9)
für die Laserempfängerposition verwendet, um die
Position auf einem Laserempfänger 300, der eine
Laserebene kreuzt, genau zu messen. Indem auch der Winkel des Stabs/Griffs 350 mit
Bezug auf die Schwerkraft gemessen wird, kann die Höhe
eines beliebigen Punktes mit Millimetergenauigkeit festgestellt
werden. In 5 wird diese Fähigkeit
mit einem GPS-Empfänger 460 kombiniert (siehe 10),
um die Laserempfängereinheit 400 der fünften
Ausführungsform zu schaffen, und unter Verwendung der GPS-Ausgangsdaten
kann ein Punkt im Raum in einer beliebigen waagerechten Dimension
bis auf einige Zentimeter und in der senkrechten Richtung bis auf
einige Millimeter genau lokalisiert werden. Der Positionsprozessorschaltkreis 440 des
Laserempfängers (siehe 10) verwendet
die berichtigten Erhebungsdaten, die durch die Kombination aus Photodetektor 114,
Schwerkraftbezugsvorrichtung 246 und Laserentfernungsmessvorrichtung 50 bereitgestellt
werden; und er verwendet auch die Informationen der „waagerechten
Ebene", die vom GPS- Empfänger 460 bereitgestellt
werden, so dass er nun in der Lage ist, seine Position in allen
drei Dimensionen zu bestimmen.
-
Eine
Vermessungsanwendung kann z. B. die dreidimensionalen Positionsinformationen
direkt verwenden, um Koordinaten zu speichern, die dem Standort
diverser Objekte entsprechen. Eine Bauanwendung kann diese Informationen
vorteilhaft verwenden, um Nutzobjekte, wie etwa einen Parkplatz, hervorzubringen
oder zu konstruieren. Die meisten Benutzer sehen stagnierendes Wasser
auf Parkplätzen als Ärgernis an, so dass der Entwurf
eines Parkplatzes versuchen sollte, dieses Problem zu minimieren.
Eine Strategie besteht darin, Ableitungskanäle in Abständen
bereitzustellen. In der Nähe des Ableitungskanals neigen
sich alle Seiten des Parkplatzes über eine bestimmte Entfernung
hinweg diesem Ableitungskanal zu, bis der Mittelpunkt zum nächsten Ableitungskanal
erreicht ist. Wenn nämlich herkömmliche Mittel
verwendet werden, wird ein sehr erfahrener Bediener benötigt,
um ein solches Profil hervorzubringen, und viele Parkplätze
erreichen dieses Ideal nicht. Wenn es jedoch möglich wäre,
die Erdbaumaschine, welche die Grundlage für einen derartigen Parkplatz
vorbereitet, im dreidimensionalen Raum zu steuern, wäre
es leicht, einen derartigen Parkplatz hervorzubringen. Der Bediener
wäre in der Lage, einfach über das betreffende
Baugebiet zu fahren und die Schaufel könnte gesteuert werden,
um sich automatisch derart zu bewegen, dass das erwünschte
Ergebnis hervorgebracht wird.
-
Der
Laserempfänger 400 könnte beispielsweise
als „Wandler" verwendet werden, um die dreidimensionalen
Informationen dem Steuersystem bereitzustellen, um die Schaufel
automatisch zu positionieren. Ist der Parkplatz um einen Zentimeter
größer oder kleiner, so spielt das kaum eine Rolle.
Die Wasserableitung hängt jedoch oft in kritischer Art
und Weise davon ab, dass die senkrechte Dimension bis auf eine millimetergenaue
erwünschte Toleranz gesteuert wird. Und da die Neigung
für die Ableitung so gering ist (d. h. der Winkel der geneigten
Oberfläche ist im Vergleich zu der waagerechten Ebene klein), führt
ein geringfügiger Fehler der waagerechten Position nur
zu sehr kleinen senkrechten Fehlern. Somit sollten die Messeigenschaften
des Laserempfängers 400 den praktischen Anforderungen
für einen dreidimensionalen Positionswandler, der bei dieser
Art von Bauanwendungen zu verwenden ist, recht gut gerecht werden.
-
6 stellt
die Hauptbestandteile der elektronischen Ausstattung als Funktionsschema
für die erste Ausführungsform 10 der vorliegenden
Erfindung dar. Das Photodiodenarray 14 bringt ein oder mehrere
Signale hervor, die verstärkt und an einen Positionsprozessor 40 (z.
B. einen Mikroprozessor oder eine andere Art von Rechenvorrichtung)
geliefert werden. Eine Laserentfernungsmess-(LDM)Vorrichtung 50 mit
ihrem zugeordneten sichtbaren Markierungslaser 52 ist ebenfalls
an den Positionsprozessor 40 angeschlossen.
-
Es
ist zu beachten, dass die Verstärker 42 und 44 verwendet
werden, um zwei verschiedene „Kanäle" von elektrischen
Signalen zu erstellen, die von dem Photodetektorarray 14 empfangen
werden. Die von dem Photodetektorarray 14 hervorgebrachten
Signale können auf viele verschiedene Arten aufbereitet
und verstärkt werden, um diverse vorteilhafte Effekte bei
einem Laserempfängerprodukt zu erzielen. In der Vergangenheit
wurden viele verschiedene Arten von Verstärkerschaltkreisen
für Laserempfänger verwendet, um Signale zu erstellen,
die an eine Positionsprozessorvorrichtung gerichtet werden können,
wie etwa an den Positionsprozessor 40 in der vorliegenden
Erfindung. Es gibt zahlreiche Beispiele von verschiedenen Arten
von Verstärkerschaltkreisen, zu denen diejenigen gehören,
die von Apache Technologies, Inc. aus Dayton, Ohio, patentiert wurden.
Eine Liste dieser Patenteigenschaften ist nachstehend enthalten,
und diese Patenteigenschaften sind hiermit zur Information inbegriffen.
-
Der
Positionsprozessor 40 empfängt auch Eingaben von
einer Bedienertastatur 32. Unter Verwendung dieser Informationen
steuert der Positionsprozessor eine akustische Ausgabevorrichtung 60 (z. B.
einen piezoelektrischen Lautsprecher) und ein Display an. Die akustische
Ausgabevorrichtung teilt dem Bediener mit, ob der Detektor über
dem Boden, unter dem Boden oder bodengleich ist. Die akustische
Ausgabevorrichtung macht auch ein bestimmtes Geräusch,
wenn eine Laserentfernungsmessung richtig ausgeführt wird,
und die Erhebungsanzeige 16 zeigt die gemessene Entfernung.
Es ist auch eine Wasserwaage 12 enthalten, um dem Bediener
als Sichtanzeige zu dienen, ob die Vorrichtung lotrecht ist.
-
Die
Wasserwaage 12 ist eine sichtbare Ausstattungsvorrichtung
und hat keine elektrischen Ein- oder Ausgänge. Deshalb
ist sie im Funktionsschema von 6 abgebildet,
aber es gibt keine Signalanschlüsse zu oder von der Wasserwaage.
-
7 stellt
die Hauptbestandteile der elektronischen Ausstattung als Funktionsschema
für die zweite Ausführungsform
100 der
vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform
könnte ein speziell angeschlossenes Photodiodenarray
114 vorhanden
sein, oder es könnte kein Photodioden-„Array” als
solches aber stattdessen ein „Stabsensor"
114 bereitgestellt
werden. Ein bevorzugter Laserlicht-„Stabsensor” ist
eine besondere Art von Laserlichtsensor, die in der Lage ist, die
Position des Strahlauftreffens genau zu messen, und zwar an einer
beliebigen Stelle in einem effektiven Erfassungsbereich des Sensors,
der typischerweise mehr als 10 cm (4 Zoll) in der senkrechten Entfernung
beträgt. Ein Beispiel dieser Art von Stabsensor-Laserlichtsensor wird
in der veröffentlichten Anmeldung US 2003/0174305 A1 (jetzt
US-Patent Nr. 7,110,092 )
offenbart; siehe ebenfalls
PCT-Veröffentlichung 2006/048007 A1 .
Der Stabsensor
114 bringt ein oder mehrere Signale hervor,
die (von Verstärkern
42 und
44) verstärkt
und an einen Positionsprozessor
140 geliefert werden. Eine
Laserentfernungsmess-(LDM)Vorrichtung
50 mit ihrem zugeordneten sichtbaren
Markierungslaser
52 ist ebenfalls an den Positionsprozessor
140 angeschlossen.
-
Der
Positionsprozessor 140 kombiniert Daten von der Stabsensorvorrichtung 114 und
dem Laserentfernungsmesser 50, um die Erhebung des Zielpunkts
zu berechnen. Der Positionsprozessor empfängt auch Eingaben
von einer Bedienertastatur 32. Unter Verwendung dieser
Informationen steuert der Positionsprozessor eine akustische Ausgabevorrichtung 60 (z.
B. einen piezoelektrischen Lautsprecher) und ein Erhebungsdisplay 116 an.
Die akustische Ausgabevorrichtung 60 informiert den Bediener,
ob der Detektor über dem Boden, unter dem Boden oder bodengleich
ist. Sie macht auch ein bestimmtes Geräusch, wenn eine
Laserentfernungsmessung richtig ausgeführt wird, und das
Display 116 zeigt die gemessene Entfernung. Es ist auch
eine Wasserwaage 12 enthalten, um dem Bediener als Sichtanzeige
zu dienen, ob die Vorrichtung lotrecht ist.
-
8 stellt
die Hauptbestandteile der elektronischen Ausstattung als Funktionsschema
für die dritte Ausführungsform
200 der
vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform
kann wieder der oben besprochene „Stabsensor"
114 bereitgestellt
werden, der eine besondere Art von Laserlichtsensor ist, der in
der Lage ist, die Position des Strahls an einer beliebigen Stelle
in seinem effektiven Bereich, der typischerweise mehr als 10 cm
(4 Zoll) in der senkrechten Entfernung beträgt, genau zu
messen. (Siehe die veröffentliche Anmeldung US 2003/0174305
A1 (jetzt
US-Patent Nr. 7,110,092 )
sowie die PCT-Veröffentlichung
WO 2006/048007 A1 .) Der
Stabsensor
114 bringt ein oder mehrere Signale hervor,
die (von Verstärkern
42 und
44) verstärkt
und an einen Positionsprozessor
240 geliefert werden.
-
Eine
Laserentfernungsmess-(LDM)Vorrichtung 50 mit ihrem zugeordneten
sichtbaren Markierungslaser 52 ist ebenfalls an den Positionsprozessor 240 angeschlossen.
-
Ein
Schwerkraftbezugssensor 246 nimmt Messungen vor, die verwendet
werden können, um den Winkel der Vorrichtung mit Bezug
auf die Schwerkraft automatisch zu berechnen – Anmerkung:
es handelt sich um den Winkel „A" in 3. Der
Positionsprozessor 240 kombiniert Daten aus dem Photodiodenarray 114 (bzw.
dem Stabsensor), dem Laserentfernungsmesser 50 und dem
Schwerkraftbezugssensor 246, um die Erhebung des Zielpunkts
zu berechnen, eine Entfernung „L" in 3. Der
Positionsprozessor 240 empfängt auch Eingaben
von einer Bedienertastatur 32. Unter Verwendung dieser
Informationen steuert der Positionsprozessor 240 eine akustische
Ausgabevorrichtung 60 (z. B. einen piezoelektrischen Lautsprecher)
und ein Display 216 an. Die akustische Ausgabevorrichtung 60 teilt
dem Bediener mit, ob der Detektor über dem Boden, unter
dem Boden oder bodengleich ist. Die akustische Ausgabevorrichtung
macht auch ein bestimmtes Geräusch, wenn eine Laserentfernungsmessung
richtig ausgeführt wird, und das Erhebungsdisplay 216 zeigt
die gemessene Entfernung (L).
-
9 stellt
die Hauptbestandteile der elektronischen Ausstattung als Funktionsschema
für die vierte Ausführungsform
300 der
vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform
kann wieder der oben besprochene „Stabsensor"
114 bereitgestellt
werden, der eine besondere Art von Laserlichtsensor ist, der in
der Lage ist, die Position des Strahls an einer beliebigen Stelle
in seinem effektiven Bereich genau zu messen, der typischerweise
mehr als 10 cm (4 Zoll) in der senkrechten Entfernung beträgt. (Siehe
die veröffentliche Anmeldung US 2003/0174305 A1 (jetzt
US-Patent Nr. 7,110,092 )
sowie die PCT-Veröffentlichung
WO 2006/048007 A1 .) Der
Stabsensor
114 bringt ein oder mehrere Signale hervor,
die (von Verstärkern
42 und
44) verstärkt
und an einen Positionsprozessor
340 geliefert werden.
-
Eine
Laserentfernungsmess-(LDM)Vorrichtung 50 mit ihrem zugeordneten
sichtbaren Markierungslaser 52 ist ebenfalls an den Positionsprozessor 340 angeschlossen.
Ein Schwerkraftbezugssensor 246 nimmt Messungen vor, die
verwendet werden können, um den Winkel der Vorrichtung
(nämlich den Winkel „B" in 4) mit Bezug
auf die Schwerkraft zu berechnen. Der Positionsprozessor 340 kombiniert Daten
aus der Stabsensorvorrichtung 114 (bzw. einem Photodiodenarray),
dem Laserentfernungsmesser 50 und dem Schwerkraftbezugssensor 246,
um die Erhebung des Zielpunkts zu berechnen. Der Positionsprozessor
empfängt auch Eingaben von einer Bedienertastatur 32.
Unter Verwendung dieser Informationen steuert der Positionsprozessor
eine akustische Ausgabevorrichtung 60 (z. B. einen piezoelektrischen
Lautsprecher) und ein Display an. Die akustische Ausgabevorrichtung 60 teilt
dem Bediener 5 mit, ob der Detektor über dem Boden,
unter dem Boden oder bodengleich ist. Sie macht auch ein bestimmtes Geräusch,
wenn eine Laserentfernungsmessung richtig ausgeführt wird,
und das Erhebungsdisplay 316 zeigt die gemessene Entfernung
(nämlich die Entfernung „K" in 4).
-
Zusätzlich
zu dem zuvor Genannten kann bei dieser vierten Ausführungsform
eine Spezialtaste 332 (bzw. eine Tastenfolge unter Verwendung
der Tastatur 32) verwendet werden, um die Empfängereinheit 300 in
einen automatischen Messmodus zu versetzen, so dass wiederholte
Messungen in vorgegebenen Abständen vorgenommen (bzw. „abgetastet")
werden, jedes Mal wenn bestimmte vorherbestimmte Bedingungen erfüllt
sind. Bei diesen Bedingungen kann es sich z. B. darum handeln, dass
der Schwerkraftbezugssensor 246 stabil ist und der Empfänger
sich in der Laserpegelebene 22 des Senders befindet. Sobald
der Benutzer das oben erwähnte „bestimmte Geräusch"
hört, weiß er, dass „eine richtige Abtastung"
von der Empfängereinheit 300 vorgenommen wurde,
und er kann dann den Empfänger 300 aus der Laserebene 22 wegbewegen.
Dadurch wird der vorherige Zustand, der darin bestand, sich unter „bestimmten
vorherbestimmten Bedingungen" zu befinden, beendet, und die Laserempfängereinheit 300 hört
automatisch auf, neue Abtastungen vorzunehmen, und wird nun die
letzte Abtastung „speichern" und diesen Wert auf der Digitalanzeige 316 für
den Benutzer 5 anzeigen.
-
10 bildet
die gleiche Art von Laserempfängerschaltkreis ab, wie sie
in 9 beschrieben wurde, unter Hinzufügung
eines GPS-Empfängerschaltkreises 460, der eine
fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
darstellt, die allgemein mit der Bezugsnummer 400 bezeichnet
wird. Der Laserempfängerschaltkreis 340 aus 9 kann
eine betreffende Erhebung millimetergenau bestimmen, während
ein GPS-Empfänger in der senkrechten Dimension (d. h. senkrecht
zur Erdoberfläche) bei weitem nicht so genau ist. Andererseits
ist ein GPS-Empfänger typischerweise mindestens zweimal so
genau bei der Bestimmung einer waagerechten Position (nämlich
einem Punkt in der Ebene, der zur Erdoberfläche parallel
ist) als bei der Bestimmung der senkrechten Position. Daher wird
eine Kombination aus dem Laserempfängerschaltkreis 340 aus 9 und
einem GPS-Empfänger ein genaueres Instrument zum Bestimmen
dreidimensionaler Positionen bereitstellen.
-
Bei
einer Ausführungsform der Erfindung könnte der
GPS-Empfänger 460 aus 10 eine selbstständige
Einheit sein, die ein elektronisches Ausgangssignal aufweist, das Positionsinformationen
für drei Dimensionen (3D) umfasst und die 3D-Daten an ein
anderes Instrument ausgibt; oder weiter bevorzugt könnte
es sich um ein Modul handeln, das ausgelegt ist, um eine unmittelbare
Schnittstelle mit dem integrierten Schaltkreischip eines Mikroprozessors
bzw. eines Mikrocontrollers zu bilden, wobei das dreidimensionale
Positionsdatensignal von dem GPS-Empfängermodul 460 an
einem Schaltkreispfad 462 entlang geleitet wird. Der Positionsprozessor 440 verwendet
die waagerechten Positionsinformationen (z. B. Breite und Länge),
die er von dem Schaltkreispfad 462 empfangen hat, ignoriert
jedoch die vom GPS-Empfänger 460 gesendeten Höhen-(Erhebung/Meereshöhe)
Informationen. Stattdessen funktioniert der Positionsprozessor 440, indem
er eine Software ablaufen lässt, welche die Erhebungsinformationen
verwendet, die von dem Photodetektor 114, der Laserentfernungsmessvorrichtung 50 und
der Schwerkraftbezugsvorrichtung 246 bestimmt wurden. Das
Ergebnis ist eine genauere senkrechte Position, und diese Kombination
von Informationen erstellt eine dreidimensionale feste Standortbestimmung,
die auf einer Baustelle wie oben besprochen zu verschiedenen Zwecken
verwendet werden kann.
-
Es
ist zu beachten, dass der in 10 dargestellte
GPS-Empfänger auch zusammen mit den anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, z. B. mit den
in 6, 7 oder 8 dargestellten
Ausführungsformen. Derartige alternative Ausführungsformen
würden natürlich im Vergleich mit der Ausführungsform
aus 10 gewisse Einschränkungen aufweisen,
es wäre jedoch möglich, eine dreidimensionale
feste Standortbestimmung zu erlangen, die eine genauere senkrechte
Komponente aufweist als diejenige, die man von einem GPS-Empfänger
alleine erhalten kann.
-
Die
in den Ansprüchen verwendete Terminologie umfasst die folgenden
Ausdrücke, welche die folgenden Bedeutungen haben, ohne
darauf eingeschränkt zu sein:
- (a)
Die „erste Entfernung" bezieht sich auf die Entfernung,
die von der LDM-Einheit bestimmt wird (unter Verwendung ihres sichtbaren
Lichtmarkers/Laserpunktstrahlers), wie etwa die Entfernung 18 in 1 oder 3.
Diese erste Entfernung geht bevorzugt nur in die senkrechte Richtung,
unter Verwendung einer Neigungsvorrichtung, um eine Winkelneigung
anzugeben oder zu korrigieren. Die „Neigungsvorrichtung"
könnte eine mechanische Vorrichtung, wie etwa eine Wasserwaage,
sein, oder es könnte sich um eine automatische Sensorvorrichtung,
wie etwa einen Schwerkraftsensor, handeln. Bei den Ausführungsformen,
die einen Schwerkraftsensor verwenden und somit einen automatischen
Ausgleich für eine Winkelneigung haben können,
wird die erste Entfernung typischerweise durch ein anderes (Winkel-)
Signal „korrigiert", das vom Schwerkraftsensor abgeleitet
wird, so dass die korrigierte erste Entfernung nur die senkrechte Komponente
der wirklichen Entfernung darstellt, die von der LDM gemessen wird
(wie etwa die Entfernung „L" in 3). Es ist
jedoch zu beachten, dass es eine inhärente zusätzliche
kleine Entfernung gäbe, die in den ersten Entfernungswert „integriert"
ist, um die senkrechte Entfernung zwischen dem Boden des Gehäuses
(wo sich die LDM typischerweise befinden würde) und der „bodengleichen
Position" der Photodetektoren, welche die Laserlichtstrahlen auffangen,
darzustellen. Diese zusätzliche, integrierte, kleine Entfernung
könnte von dem Ausgangssignal des Schwerkraftsensors (falls
ein Schwerkraftsensor Teil des Laserempfängers ist) automatisch
korrigiert (ausgeglichen) werden, so dass nur die senkrechte Komponente
der zusätzlichen, integrierten, kleinen Entfernung für
diese erste Entfernungsberechnung verwendet wird.
- (b) Die „zweite Entfernung" bezieht sich auf die wirkliche
(senkrechte) Entfernung zwischen der „bodengleichen Position"
des Laserempfängers (angenommen der Laserempfänger
befindet sich derzeit nicht in der „bodengleichen Position")
und der Ebene des rotierenden Laserlichts. Wenn sich der Laserempfänger
z. B. derzeit in der bodengleichen Position befindet, dann wäre
die zweite Entfernung gleich Null. Bei einem wirklichen Laserempfänger
wäre die zweite Entfernung typischerweise eine relativ
kurze Entfernung, die nicht größer ist als die
wirkliche Länge (oder Höhe) des in den Laserempfänger
eingebauten Photodetektors. Diese zweite Entfernung könnte
auch für eine nicht senkrechte Ausrichtung des Gehäuses automatisch
korrigiert (ausgeglichen) werden, wenn eine Ablesung erfolgt, falls
das Gehäuse auch einen Schwerkraftsensor enthält.
- (c) Der „relative Standort" bezieht sich auf die derzeitige
Position des Laserempfängers mit Bezug auf die Ebene des
rotierenden Laserlichts. Typischerweise werden diese Informationen
als „bodengleich", „über dem Boden" oder „unter
dem Boden" angeführt. Begriffsmäßig handelt
es sich um den gleichen physikalischen Parameter wie die oben erwähnte „zweite
Entfernung", der relative Standort stellt jedoch z. B. nicht unbedingt
die wirkliche Entfernung zwischen einer Position über dem
Boden und der Laserebene bereit (oder versucht, diese zu bestimmen).
Stattdessen wird dieser Parameter manchmal (oder häufig)
auf dem Display zahlreicher handelsüblicher Laserempfänger
nur als ein Zustand über oder unter dem Boden dargestellt,
aber das Ausmaß (d. h. die wirkliche Entfernung) von „über"
bzw. „unter" ist nicht unbedingt bekannt.
- (d) Die „relative Erhebung" kann sich auf mehr als einen
Parameter beziehen. Im Allgemeinen ist die relative Erhebung die
senkrechte Entfernung zwischen der externen Position (der Stelle,
wo der sichtbare Lichtmarker der LDM „gemalt" ist) und der
Ebene des rotierenden Laserlichts. Diese relative Erhebung könnte
jedoch andere Bedeutungen haben, falls erwünscht, wie z.
B. die Erhebung der externen Position mit Bezug auf den Meeresspiegel,
oder die Erhebung über dem Meeresspiegel des Gehäuses
des Laserempfängers, oder die differentielle Erhebung des
Gehäuses des Laserempfängers mit Bezug auf die
oben angegebene „externe Position", oder die differentielle
Erhebung des Gehäuses des Laserempfängers mit
Bezug auf die oben angegebene Ebene des rotierenden Laserlichts.
Wenn die relative Erhebung mit Bezug auf den Meeresspiegel angezeigt
werden soll, dann muss die Meeresspiegelerhebung der externen Laserlichtquelle
(z. B. eines rotierenden Laserstrahls, der eine Laserlichtebene
erstellt) bekannt sein, und diese Informationen müssten
auch an die Laserempfängereinheit übertragen werden
bzw. darin programmiert sein. Eventuell könnten diese Informationen
bezüglich der Meeresspiegelerhebung stattdessen unter Verwendung
eines GPS-Empfängers bestimmt werden, der in die Laserempfängereinheit eingebaut
ist, aber diese Informationen zur senkrechten Position (bzw. Meereshöhe)
des GPS wären jedoch weniger genau als die Fähigkeiten
zur Erhebungsbestimmung des „normalen" Laserempfängers.
-
Es
versteht sich, dass ein Array aus Photodioden und Verstärkereinheiten
zusammen mit einem entsprechenden „speziellen" Positionsprozessor
anstatt des Stabsensors 114, der mit Bezug auf die obigen
zweiten, dritten und vierten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung besprochen wurde, verwendet werden kann, ohne die Grundlagen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Diese „speziellen" Vorrichtungen
würden es den Laserempfängereinheiten 100, 200 oder 300 ermöglichen,
den rotierenden Laserlichtstrahl 22 an anderen Bodenpositionen als
bodengleich aufzufangen und dennoch erfolgreich zu funktionieren.
-
Es
versteht sich ebenfalls, dass die logischen Operationen, die in
Verbindung mit den Verarbeitungsschaltkreisen der vorliegenden Erfindung beschrieben
wurden, unter Verwendung einer sequentiellen Logik durchgeführt
werden können, wie etwa unter Verwendung einer Mikroprozessortechnologie
oder unter Verwendung einer logischen Zustandsmaschine oder vielleicht über
eine diskrete Logik; sie könnten sogar unter Verwendung
paralleler Prozessoren durchgeführt werden. Eine Ausführungsform
kann einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller verwenden, um Softwareanweisungen auszuführen,
die in Speicherzellen innerhalb eines ASICs gespeichert sind. In
der Tat könnte bei einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung der ganze Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller, zusammen
mit einem RAM oder einem Anwendungs-ROM, eventuell in einem einzigen
ASIC enthalten sein. Es könnten natürlich andere
Schaltkreisarten verwendet werden, um diese logischen Operationen,
die in den Zeichnungen abgebildet sind, auszuführen, ohne
die Grundlagen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Es
könnten diverse Arten von Schaltkreisen für Laserempfängerverstärker
und Empfindlichkeit in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, von denen viele bereits patentiert sind, und von
denen einige jetzt anhängige Patentanmeldungen haben. Beispiele
derartiger Patente und Anmeldungen umfassen die an Apache Technologies,
Inc. aus Dayton, Ohio, übertragenen US-Patente, umfassenend
das
US-Patent Nr. 7,012,237 ,
für „Modulated Laser Light Detector"; das
US-Patent Nr. 6,133,991 ,
für „Multi-segment Composite Photocell Device";
das
US-Patent Nr. 5,486,690 ,
für „Method and Apparatus for Detecting Laser
Light"; das
US-Patent Nr. 5,471,049 für „Light
Detecting Apparatus Having Low Noise Automatic Gain Control Circuit";
und das
US-Patent Nr. 5,343,033 ,
für „Method and Apparatus for Detecting Laser
Light Having a Plurality of Pulse Integrator and Automatic Gain
Control Circuits". Hinzu kommen die an Apache Technologies, Inc.
aus Dayton, Ohio, übertragenen US-Patentanmeldungen, umfassend
die US-Patentanmeldung Nr. 11/082,041, eingereicht am 16. März
2005; unter dem Titel „Modulated Laser Light Detector With Improved
Range"; die US-Patentanmeldung Nr. 11/303,488, eingereicht am 16.
Dezember 2005; unter dem Titel „Modulated Laser Light Detector
With More Efficient Beam Detection Algorithm"; die US-Patentanmeldung
Nr. 10/343,538, eingereicht am 31. Januar 2003; unter dem Titel „Measuring
Device And Measuring Method For Determining Distance And/Or Position";
und die US-Patentanmeldung Nr. 11/414,383, eingereicht am 28. April
2006; unter dem Titel „Modulated Laser Light Detector With
Discrete Fourier Transform Algorithm".
-
Alle
unter dem allgemeinen Stand der Technik und der ausführlichen
Beschreibung der Erfindung erwähnten Druckschriften sind
hiermit zur Informationen mit den betreffenden Teilen integriert;
die Tatsache, dass eine Druckschrift erwähnt wird, ist nicht
als ein Zugeständnis zu verstehen, dass es sich dabei um
den vorveröffentlichten Stand der Technik mit Bezug auf
die vorliegende Erfindung handelt.
-
Die
obige Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung
dargelegt. Sie ist nicht dazu gedacht, vollständig zu sein,
oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form zu beschränken.
Alle hier beschriebenen oder veranschaulichten Beispiele sind als
nicht einschränkende Beispiele gedacht, und zahlreiche Änderungen
oder Variationen der Beispiele oder des bzw. der bevorzugten Ausführungsform(en)
sind im Hinblick auf die obigen Lehren möglich, ohne Geist
und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Ausführungsform(en)
wurde(n) gewählt und beschrieben, um die Grundlagen der
Erfindung und ihre praktische Anwendung zu veranschaulichen, um
es somit dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in
verschiedenen Ausführungsformen und mit diversen Änderungen
zu verwenden, wie sie sich für besondere in Betracht gezogene
Nutzungen eignen. Es wird beabsichtigt, mit den beiliegenden Ansprüchen
alle Änderungen und Modifikationen, die zum Umfang der
vorliegenden Erfindung gehören, abzudecken.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Es
wird ein Laserlichtempfänger mit einer integrierten Vorrichtung
zur Laserentfernungsmessung (LDM) bereitgestellt, um die Entfernung
von einer Laserebene einer erwünschten Erhebung zu einem
erwünschten physikalischen Zielpunkt, der an einer Baustelle
gemessen werden soll, zu messen. Der Laserempfänger kann
mit einer Schwerkraftbezugsvorrichtung kombiniert werden, so dass
der Laserempfänger nicht unbedingt lotrecht zu einem erwünschten
Zielpunkt gehalten werden muss, wenn die relative Erhebung des Laserempfängers
zwischen einem rotierenden Laserlichtstrahl und dem Zielpunkt bestimmt
wird; er kann auch mehrere Positionsabtastungen erfassen und automatisch
eine senkrechte Messung vornehmen und das Ergebnis zum späteren
Auslesen speichern. Der Laserempfänger kann ferner mit
einem GPS-Empfänger kombiniert werden, um Breiten- und
Längendaten zu erlangen, und dann damit zusammen als dreidimensionaler
Wandler wirken, der in der senkrechten Richtung genauer ist als es
ein GPS-Empfänger alleine sein kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 7110092 [0034, 0053, 0055, 0058]
- - WO 2006/048007 A1 [0034, 0053, 0055, 0058]
- - US 7012237 [0067]
- - US 6133991 [0067]
- - US 5486690 [0067]
- - US 5471049 [0067]
- - US 5343033 [0067]