DE112007002393T5

DE112007002393T5 - Navigationssystem mit GPS und Laserreferenz

Info

Publication number: DE112007002393T5
Application number: DE112007002393T
Authority: DE
Inventors: Arthur Boulder Taylor; Nicholas C. Ashburton Talbot
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: DE112007002393B4; WO2008048759A2; CN101529203A; WO2008048759A3; US8705022B2; US20070052950A1

Abstract

System zur Positionsbestimmung, umfassend
einen Lasersender, der mindestens einen Laserstrahl projiziert, der um eine im Allgemeinen senkrechte Achse rotiert,
einen GNSS-Empfänger zur Positionsbestimmung, wobei der GNSS-Empfänger über eine GNSS-Antenne verfügt,
einen optischen Sensor zum Empfangen des Laserstrahls, wobei sich der optische Sensor mit Bezug auf das Phasenzentrum der GNSS-Antenne in einer festen Position befindet, und
eine Vorrichtung, die Signale aus dem GNSS-Empfänger und Signale aus dem optischen Sensor empfängt, um die Position des Senders aus den Signalen zu bestimmen und zu speichern, wobei die Vorrichtung anschließend Signale verwendet, die aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger empfangen werden, um die Position des GNSS-Empfängers zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme zur Positionsverfolgung und Maschinensteuerung und insbesondere eine Kombination aus einem Lasersystem und einem globalen Navigations-Satellitensystem, um die Position einer Maschine zu verfolgen und um auf den Verfolgungsinformationen basierend eine genaue Steuerung der Maschine bereitzustellen.
Globale Navigations-Satellitensysteme (nachstehend insgesamt als GNSS bezeichnet), wie etwa GPS und GLONASS, sind weitgehend verwendet worden, um Positionskoordinaten zu bestimmen. Derartige Positionskoordinaten können bei Vermessungsarbeiten und zur automatisierten Steuerung mobiler Einheiten verwendet werden. In Zukunft wird das europäische System GALILEO über ähnliche Fähigkeiten verfügen. Ein autonomes Navigationssystem, das einen Satellitenempfänger und einen Navigationscomputer umfasst, kann unter alleiniger Verwendung der Satellitensignale einen Genauigkeitsgrad von 10 Metern bei der Bestimmung der Position einer Mobileinheit erzielen. Differentialnavigationssysteme, die zusätzlich zu den Satellitensignalen Differentialkorrekturen verwenden, können die Positionsinformation bis auf einen Meter genau bestimmen. Echtzeit-kinematische (RTK) Navigationssysteme, die in der Lage sind, sowohl Code- als auch Trägerinformationen zu verwenden, die von solchen Satelliten übertragen werden, können eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erzielen.
Obwohl derartige GNSS-Systeme in der Lage sind, die Bewegung einer mobilen Ausrüstung zu überwachen und als Teil eines System zu funktionieren, das den Betrieb einer derartigen Ausrüstung, wie etwa von Planiermaschinen oder anderen Erdbauausrüstungsarten, steuert, können globale Navigations-Satellitensysteme nicht wirksam funktionieren, wenn die Satelliten nicht oder teilweise nicht sichtbar sind. Im Idealfall empfangen derartige globale Navigations-Satellitensysteme Daten von allen sichtbaren Satelliten und berechnen die Position des Empfängers auf allen Satelliten basierend. Derartige Systeme können funktionieren, wenn sie Übertragungen von nur vier Satelliten empfangen, oder wenn die Satellitengeometrie schwach ist (hohe geometrische Präzisionsverwässerung), aber die Positionierungsgenauigkeit und -leistung des Systems verschlechtern sich. Es ist klar, dass wenn weniger als vier Satelliten empfangen werden, oder wenn mehr als vier Satelliten verfolgt werden, aber die Satellitengeometrie schwach ist, die Steuerung des Systems auf eine andere Art und Weise erzielt werden muss. Zudem ist in manchen Fällen, selbst wenn Übertragungen von fünf Satelliten empfangen werden, die erzielbare Genauigkeit nicht so gut wie erwünscht.
Um mit Situationen umzugehen, in denen Signale von Satelliten blockiert sind, oder in denen die Satellitenpositionen eine genaue Positionsbestimmung verhindern, kann ein auf einem Laser basierendes Positionierungssystem angeordnet werden, um zusätzliche Informationen bezüglich der Maschinenposition bereitzustellen. Wenn z. B. eine Motorplaniermaschine im Begriff ist, sich unter eine Überführung zu begeben, kann man davon ausgehen, dass das System der Motorplaniermaschine die Sicht auf einige der Satelliten verliert. Da die globalen Navigations-Satellitensysteme so funktionieren, dass der Empfänger auf Sichtlinienbasis empfängt, sollte man davon ausgehen, dass es zu einem bedeutenden Verlust des Satellitenempfangs kommen wird. Um einen derartigen Verlust und den Verlust der Positionsdaten auszugleichen, wirkt eine zusätzliche Positionsinformationsquelle, wie etwa ein ortsfester Lasersender, mit einem Laserempfänger auf der Maschine zusammen, um die Maschinenposition zu bestimmen. Der ortsfeste Lasersender nimmt erfolgreich den Platz eines blockierten Satelliten ein, wodurch die Steuerung der Motorplaniermaschine ungehindert weitergehen kann, während die Maschine sich unter der Überführung bewegt und wieder in eine Position, wo sie freie Sicht auf alle Satelliten hat.
Da die Position der Maschine zum Teil mit Bezug auf den Lasersender bestimmt wird, ist es wichtig, dass das Positionierungssystem die Position des Lasersenders in dem gleichen Koordinatensystem bestimmt wie dasjenige, in dem das Positionierungssystem funktioniert, wenn es sich unter der Kontrolle des globalen Navigations-Satellitensystems befindet. Obwohl es unter Verwendung manueller Vermessungstechniken möglich ist, die Position des Lasersenders im Voraus zu bestimmen, versteht es sich, dass dies den Betrieb des Positionierungssystems verlangsamen kann und auch Fehlerrisiken birgt.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Kombination aus einem Lasersystem und einem globalen Navigations-Satelliten-Positionierungssystem vor, die es einem Benutzer ermöglicht, eine sehr präzise Steuerung von mobilen Einheiten durchzuführen, wozu eine sehr präzise Maschinensteuerung gehört, und zwar ohne die Notwendigkeit einer umfassenden Einrichtungsprozedur. Das Positionierungssystem umfasst einen Lasersender, einen optischen Sensor, einen GPS-Empfänger und eine Vorrichtung zum Empfangen und Verwenden der Signale aus dem optischen Sensor und dem GPS-Empfänger. Der Lasersender projiziert mindestens einen Laserstrahl, der um eine im Allgemeinen senkrechte Achse rotiert. Der GPS-Empfänger, zu dem eine GPS-Antenne gehört, bestimmt die Position der Antenne. Der optische Sensor kann zum Phasenmittelpunkt der GPS-Antenne koaxial oder um einen geringen Abstand davon versetzt sein. Alternativ kann der optische Sensor einfach im Verhältnis zum Phasenmittelpunkt der GPS-Antenne in einer festen Position angebracht werden. Der optische Sensor empfängt den Laserstrahl. Die Vorrichtung empfängt Signale von dem GPS-Empfänger und Signale von dem optischen Sensor, um die Position des Senders zu bestimmen. Danach verwendet die Vorrichtung Signale, die von dem optischen Sensor empfangen werden, um die Positionsschätzung basierend auf den Signalen von dem GPS-Empfänger zu verbessern. Dieses Positionierungssystem kann die Position einer Maschine bestimmen und dann verwendet werden, um die Maschine zu steuern, indem es ein Steuersignal bereitstellt. Die GPS-Daten und die Daten des optischen Sensors können vorteilhaft in einem Kalman-Filter kombiniert werden.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Bestimmen der Position einer Maschine und zum Steuern der Maschine bereitzustellen, wobei der Betrieb des Systems erleichtert wird.
Die zuvor genannten Vorteile der vorliegenden Erfindung, sowie zusätzliche Vorteile davon, werden nachstehend besser als Ergebnis einer ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verständlich, wenn sie in Zu sammenhang mit den nachstehenden Zeichnung gesehen wird, in denen die gleichen Elemente mit den gleichen Zahlen angegeben werden.
Es zeigen:
1 ein System zur Positionsverfolgung und -steuereng (PTC) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das PTC-System ein Lasersystem, eine oder mehrere mobile Einheiten, die jeweils eine kombinierte Laserdetektor- und globale Navigationssatelliten-Antenne (CLDGNS) und ein dazugehöriges Steuersystem aufweisen, und eine Nachrichtenverbindung umfasst.
2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen von kombinierten Laserdetektor- und globalen Navigationssatelliten-Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 bis 7 schematische Darstellungen, die nützlich sind, um die Art und Weise zu erklären, in der Daten von dem Lasersystem und Daten von dem globalen Navigations-Satellitensystem kombiniert werden.
8 eine schematisches Darstellung, welche die Art und Weise abbildet, auf der die GPS-basierenden Daten und die laserbasierenden Daten kombinierbar sind.
9 ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Positionsverfolgungs- und Steuersystems der vorliegenden Erfindung im Gebrauch auf einer Motorplaniermaschine abbildet.
Die vorliegende Erfindung wird am besten mit Bezug auf 1 verständlich, die ein Positionsverfolgungs- und Steuersystem (PTC) 10 darstellt. Das PTC-System 10 umfasst ein Lasersendersystem 12, eine oder mehrere mobile oder Erkundungselemente 14, die jeweils eine kombinierte Laserdetektor- und globale Navigationssatelliten-Antenne (CLDGNS) 16 und ein dazugehöriges Steuersystem 18 aufweisen und über einen Sender zum Herstellen einer Nachrichtenverbindung 20, bevorzugt einer Funkverbindung, verfügen. Signale 21 von einer Vielzahl von globalen Navigationssatelliten 22, welche die Erde umkreisen, wie etwa GPS, GLONASS, GALILEO, und Kombinatio nen davon, werden von der CLDGNS-Antenne 16 empfangen, so dass die Koordinaten von dynamischen Punkten in einer Parzelle 17, wie etwa die angegebene Punkte DP₁ und DP₂, mit Zentimetergenauigkeit von dem Steuersystem 18 bestimmt werden können. Das Steuersystem 18 umfasst einen Mikroprozessor oder andere Computer-Hardware, der bzw. die konfiguriert ist, um Daten von der Antenne 16 zu verarbeiten, um eine Schätzung der Position der Antenne 16 bereitzustellen.
Eine Millimetergenauigkeit bei der Bestimmung der Position der dynamischen Punkte DP₁ und DP₂ mit Bezug auf jede CLDGNS-Antenne 16 wird von dem Steuersystem 18 bereitgestellt, das Informationen benutzt, die von dem Lasersender 12 bei seiner Berechnung der Koordinatenposition (x, y, z) zusätzlich zu Signalen, die von den Satelliten 22 empfangen werden, bereitgestellt werden. Bei einer Ausführungsform stellt der Lasersender 12 mindestens zwei divergierende oder fächerförmige Strahlen 23 und 23' bereit, die sich kontinuierlich um eine senkrechte Achse Z₀ drehen, und zwar mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit oberhalb eines ortsfesten Punktes SP in der Parzelle 17. Die fächerförmigen Strahlen 23 und 23' werden von dem Lasersystem 12 in nicht senkrechten Ebenen projiziert, so dass der erste Fächerstrahl 23 eine willkürliche waagerechte Bezugsebene 24 in einem Winkel α schneidet, und der zweite fächerförmige Strahl 23' die waagerechte Bezugsebene in einem Winkel β schneidet. Der dynamische Punkt DP₁ kann ein Funktionselement auf einer Maschine sein, wie etwa ein Planierschild, während der dynamische Punkt DP₂ ein Punkt unten an einem manuell aufgestelltem Mast sein, der von einem Landmesser umher bewegt wird.
Es versteht sich, dass die fächerförmigen Strahlen 23 und 23', wenn sie mit einer konstanten Geschwindigkeit um eine senkrechte Achse gedreht werden, nacheinander (mit einer gewissen Verzögerung dazwischen) mindestens einen optischen Sensor 44 (2 und 3) jeder CLDGNS-Antenne 16 aktivieren. Ferner versteht es sich, dass bei der Ausführungsform aus 1 die Verzögerung zwischen der Aktivierung des optischen Sensors 44 durch die fächerförmigen Strahlen 23 und 23' mehr oder weniger groß ist, je nachdem wie sich die relative Position einer CLDGNS-Antenne 16 jeweils oberhalb oder unterhalb der waagerechten Bezugsebene 24 bewegt. Es versteht sich, dass die CLDGNS-Antenne 16 für eine beliebige waagerechte Bezugsebene 24 initialisiert wer den kann, indem einfach eine Erfassungsverzögerung gewählt und in das Steuersystem 18 eingegeben wird. Zudem versteht es sich, dass jegliche erfasste Veränderung durch die CLDGNS-Antenne 16 in der Erfassungsverzögerung sich auf einen Winkel γ bezieht, welcher der Winkel ist, in dem eine Gerade durch den optischen Sensor 44 (2 bis 4) der CLDGNS-Antenne 16 geht und der Ausstrahlungspunkt der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' auf die gewählte willkürliche waagerechte Bezugsebene 24 trifft.
Wie zuvor erwähnt, sind die Winkel α und β Konstanten. Der Winkel γ wird bestimmt, indem der Zeitraum zwischen dem Beleuchten des Sensors 44 durch die Strahlen 23 und 23' erfasst wird. Je höher der Sensor 44 liegt, desto größer ist die Verzögerung. Es ist ersichtlich, dass eine Schwankung in der Drehgeschwindigkeit der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' kurzfristige Einschwingfehler einbringt. Um derartige Fehler zu minimieren, kann der Steuerprozessor 18 über die Nachrichtenverbindung 20 mit der Drehgeschwindigkeit des Lasersystems 12 versorgt werden. Die Drehgeschwindigkeit kann jedoch an die Phase eines Quarzschwingers, der eine genügende Genauigkeit bereitstellt, angepasst werden. Wenn entsprechend die Drehgeschwindigkeit bekannt ist, kann das Steuersystem 18 den Wert des Winkels γ arithmetisch aus der erfassten Verzögerung zwischen dem Beleuchten durch die Strahlen 23 und 23' errechnen, und somit wird der Erhebungswinkel des optischen Sensors in der CLDGNS-Antenne 16 oberhalb der waagerechten Bezugsebene 24 bestimmt.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der Lasersender 12 ferner mit einer Vielzahl von Lichtquellen versehen, die zum selben Zeitpunkt während jeder Drehung der Strahlen 23 und 23' eingetaktet werden. Die Bake 26 gibt ein gleichzeitiges 360°-Blinklicht 38 auf einer anderen Wellenlänge als die der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' ab. Indem man den Lasersender 12 derart orientiert, dass die Bake 26 blinkt, wenn der Mittelpunkt zwischen den fächerförmigen Strahlen 23 und 23' durch ein bekanntes rechtweisendes Ziel A₀ geht, kann das Steuersystem 18 auch einen relativen Peilwinkel zum Lasersender 12 aus der Verzögerung zwischen der Erfassung des Signals 38 der Bake und der Erfassung der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' berechnen.
Bei noch einer anderen Ausführungsform wird das Lasersystem 12 mit einem Empfänger 30 eines globalen Navigations-Satellitensystem (GNSS) versehen. Der GNSS-Empfänger 30 kann seine Position aus den Signalen 21 empfangen und berechnen, die von den globalen Navigationssatelliten 22 bereitgestellt werden. Eine ausführliche Erläuterung darüber, wie man einen Standort aus derartigen Signalen bestimmt, offenbart das US-Patent Nr. 6,433,866 , ebenfalls übertragen an Trimble Navigation, LTD, dessen Offenbarung hiermit vollständig zum Zwecke der Bezugnahme übernommen wird.
Zusätzlich zur Berechnung seiner eigenen Position (die aus den erfassten Satellitensignalen berechnet wird, die von der CLDGNS-Antenne 16 empfangen und bereitgestellt werden) kann dem Steuersystem 18 auch die bekannte feste Position des Lasersystems 12 bereitgestellt werden. Unter Verwendung der durch den Lasersender 12 bereitgestellten Informationen für Korrelation und Fehlerkorrektur kann das Steuersystem 18 dann die Koordinatenposition (x, y, z) eines beliebigen dynamischen Punktes im Verhältnis zur CLDGNS-Antenne 16 mit hoher Genauigkeit berechnen. Eine ausführlichere Erläuterung der von dem Steuersystem 18 vorgenommenen Berechnungen wird nachstehend offenbart.
Es versteht sich, dass das PTC-System 10 eine Reihe von Vorteilen für einen möglichen mobilen Benutzer bereitstellt, indem ein Laserdetektor und eine globale Navigations-Satellitenantenne integriert werden. Beispielsweise kostet die CLDGNS-Antenne 16 weniger als separate Laserdetektoren und globale Navigations-Satellitenantennen, weil die integrierte CLDGNS-Antenne nur einen Montagesatz benötigt und gemeinsame Schaltkreise und Verkabelung, Computerspeicher und Verarbeitung sowie eine gemeinsame Stromversorgung verwenden kann. Weitere Vorteile werden mit Bezug auf 2 bis 4 offenbart, die verschiedene Ausführungsformen der kombinierten Laserdetektor- und globalen Navigations-Satellitenantenne gemäß der vorliegenden Erfindung abbilden.
2 bildet schematisch eine Ausführungsform einer CLDGNS-Antenne 16 ab, die ein Antennenelement 32 bereitstellt, das an einem elektronischen Gehäuse 34 ange bracht ist, das wiederum an einem Ende eines länglichen Trägers 36, wie etwa einem Mast, angebracht ist. In dem Gehäuse 34 ist das Antennenelement 32 mit einem rauscharmen Verstärker (LNA) 38 gekoppelt, und ein Laserdetektor 40 ist mit einem Lasersignalprozessor 42 gekoppelt. Der Laserdetektor 40 kann eine Reihe von optischen Sensoren 44 umfassen, die um den Umfang des Gehäuses 34 herum angeordnet sind. Die optischen Sensoren 44 sind im Allgemeinen nach unten und nach außen gerichtet. In dieser Orientierung erfasst mindestens einer der optischen Sensoren 44 die fächerförmigen Strahlen 23 und 23' aus dem Lasersystem 12, und zwei oder mehrere optische Sensoren 44 erfassen den fächerförmigen Strahl zeitweise. Jeder optische Sensor 44 kann unabhängig abgelesen werden, und seine Position kann von dem Steuersystem 18 berechnet werden.
Bei der abgebildeten Ausführungsform von 2 werden drei optische Sensoren 44 bereitgestellt, und bei anderen Ausführungsformen können mehrere enthalten sein, um gegebenenfalls die Lasererfassung zu verbessern. Wenn die relativen Positionen X₀, Y₀, und Z₀ jedes optischen Sensors 44 zum nominalen Phasenzentrum x seines jeweiligen Antennenelements 32 bekannt sind, ist bei solchen Ausführungsformen die Umstellung der erfassten Laserposition jedes optischen Sensors 44 auf das nominale Phasenzentrum x des Antennenelements 32 vom Steuersystem 18 leicht arithmetisch zu berechnen.
Der Unterschied der erfassten Erhebung an den drei optischen Sensoren 44 liefert einen Hinweis auf die Neigung, die wiederum vom Steuersystem 18 verwendet werden kann, um Fehler auszugleichen, die sich sonst aus der berechneten Position von DP₁ und DP₂ ergeben würden. Obwohl der Antennenneigungswinkel zum Einstellen der erfassten Laserhöhen jedes optischen Sensors 44 zum nominalen Phasenzentrum x des dazugehörigen Antennenelements 32 wichtig ist, können zudem diese Änderungen der erfassten Laserhöhen auch verwendet werden, um dazu beizutragen, die Orientierung der Vorrichtung (wie etwa eine Planier-/Bulldozerschild) zu bestimmen, an welche die CLDGNS-Antenne 16 angeschlossen werden kann. Gegebenenfalls kann jedoch ferner ein Neigungs-/Ziel-Sensor 46 in der Montage der CLDGNS-Antenne 16 enthalten sein, um den Neigungsausgleich, die Fehlerkorrektur und die Bestimmung der Vorrichtungsorientierung weiter zu vereinfachen.
Bei einer anderen Ausführungsform der CLDGNS-Antenne 16, abgebildet in 3, schützt ein Radom 46 das elektronische Gehäuse 34 und das Antennenelement 32. Ein faseroptischer Messfühler 48 des Laserdetektors ist oben auf dem Radom 46 angeordnet. Der faseroptische Messfühler 48 ist klein, mit einem Durchmesser von ungefähr 6 mm (0,25 Zoll), da er nur genug Energie aufnehmen muss, um den optischen Sensor 44 zu aktivieren. Der nicht metallische faseroptische Messfühler 48 ist entlang der Z-Achse orientiert, senkrecht auf das nominale Phasenzentrum x des Antennenelements 32 ausgerichtet. Der Laserdetektor umfasst auch die Lichtleitfaser 50, die den faseroptischen Messfühler 48 mit dem optischen Sensor 44 koppelt. Bei dieser Ausführungsform ist der optische Sensor 44 unterhalb des Antennenelements 32 angeordnet. Ein Filter 52 kann wahlweise bereitgestellt werden, um Lichtstörungen auszufiltern, die von dem faseroptischen Messfühler 48 empfangen werden. Dies verbessert die Empfindlichkeit des optischen Sensors 44 für die Energie der fächerförmigen Strahlen 23 und 23' (1). Gegebenenfalls kann der optische Sensor 44 angehoben werden und im Wesentlichen unmittelbar unterhalb des faseroptischen Messfühlers 48 angeordnet werden, oberhalb des Antennenelements 32.
Bei einer Ausführungsform umfasst der faseroptische Messfühler 48 eine rotationssymmetrische hyperbolische Spiegelfläche 54 (3a), die Licht aus 360 Grad auffängt und es über die Lichtleitfasern 50 zum optischen Sensor 44 reflektiert. Bei einer anderen Ausführungsform kann der faseroptische Messfühler 48 ein TIR-Prisma 56 (3b) umfassen, das die Laserenergie über die Lichtleitfaser 50 an den optischen Sensor 44 zurückleitet. Die Verwendung eines Prismas 56 mit interner Totalreflexion (TIR) benötigt keine Metallbeschichtungen, um das Reflexionsvermögen sicherzustellen, so dass jegliches Metall oberhalb des Antennenelements 32 entfernt wird. Da die metallischen und halbmetallischen Teile des optischen Sensors 44 sich unterhalb des Antennenelements 32 befinden, haben sie keine negative Auswirkung auf die Fähigkeit der Antenne 16, die relativ schwachen Satellitensignale 21 aufzunehmen. Die Verkabe lung 58 wird durch den Träger 36 bereitgestellt, um den Ausgang der CLDGNS-Antenne 16 an das Steuersystem 18 (1) anzuschließen.
Bei noch einer anderen Ausführungsform, die in 4 abgebildet ist, befinden sich ein oder mehrere Sensoren 60 unterhalb des elektronischen Gehäuses 34, am Träger 36 entlang beabstandet. Diese Anordnung für die Sensoren 60 hat den Vorteil, den Empfang nicht zu stören und auch den Standort des nominalen Phasenzentrums x des Antennenelements 32 nicht zu beeinflussen. Jeder Sensor 60 kann eine rotationssymmetrische hyperbolische Spiegelfläche oder ein Prisma umfassen. Da jeder Sensor 60 sich unterhalb des Antennenelements 32 befindet, ist eine Faseroptik eventuell nicht notwendig, da die Sensoren mit den Detektoren eng zusammen integriert werden können. Ein Filter 52 kann bereitgestellt werden, um Fremdenergie auszufiltern, um die Empfindlichkeit für Laserlicht zu verbessern. Die Ausgangssignale aus den Detektoren bei allen oben offenbarten Ausführungsformen werden mit dazugehörigen Prozessoren 42 gekoppelt. Der Ausgang des Prozessors 42 ist in dem Ausgang der CLDGNS-Antenne 16 enthalten und wird dem Steuersystem 18 zur weiteren Verwendung und Auswertung bereitgestellt. Es versteht sich, dass die Steuervorrichtung 18 in 1 als außerhalb und entfernt von der Antenne 16 befindlich gezeigt wird. In manchen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, die Steuervorrichtung 18 neben oder in der Antenne 16 anzuordnen.
Bei der Ausführungsform aus 4 können die Sensoren 60 an bekannten Positionen am Träger 36 entlang angeordnet sein. Die von den Sensoren 60 bereitgestellten Informationen können vom Steuersystem 18 verwendet werden, um den Abstand vom Sender 12 zu den Sensoren 60 und den Höhenunterschied der Sensoren gegenüber der Senderhöhenreferenz 24 zu bestimmen. Da die Berechnung dem Fachmann wohl bekannt ist, wird dazu keine weitere Erläuterung bereitgestellt. Diese koaxiale Ausrichtung vereinfacht die Durchführung, obwohl auch nicht koaxiale Ausführungen möglich sind.
Bei den oben offenbarten Ausführungsformen der CLDGNS-Antenne 16 (1 bis 4) ist jeder der Laserdetektoren und das nominale Phasenzentrum x des Antennen elements um einen bekannten festen Abstand getrennt, und sie sind im Allgemeinen koaxial ausgerichtet. Insbesondere wird der Z₀-Abstand (und falls notwendig die Abstände X₀, Y₀) jedes optischen Sensors 44 gegenüber dem nominalen Phasenzentrum x des Antennenelements 32 werkseitig eingestellt. Entsprechend verbessert die CLDGNS-Antenne 16 die Genauigkeit des PTC-Systems 10, indem sie eine Bedienperson daran hindert, wegen einer falsch berechneten Messung zwischen den optischen Sensoren des Laserdetektors und dem nominalen Phasenzentrum x des Antennenelements manuell einen Positionsfehler in das Steuersystem 18 einzugeben.
Bei den obigen Ausführungsformen wird die CLDGNS-Antenne 16 mit einer geodätischen Form oder einer allgemein flachen Scheibenform abgebildet. Es versteht sich jedoch, dass andere Satellitenantennen ebenfalls vorteilhaft mit den Konzepten der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Es wird Bezug genommen auf 5, die ein GNSS und Lasersystem abbildet. Ein Basis-GNSS-Empfänger 70 befindet sich an einer bekannten Markierung und verfolgt die sichtbaren Satelliten. Entfernungs- und/oder Trägerphasen-Messungen werden von dem Basisempfänger 70 vorgenommen und an den mobilen oder Erkundungs-GNSS-Empfänger 72 übertragen. Der mobile GNSS-Empfänger 72 verfolgt zwei oder mehrere GNSS-Satelliten, die ebenfalls von dem Basisempfänger 70 verfolgt werden. Alternativ kann ein Netzwerk von Basis-GNSS-Empfängern verwendet werden, um einen Datenstrom zu erzeugen, der weitgehend für atmosphärische und Satelliten-Fehlerquellen korrigiert ist. Dieser Lösungsansatz wird als vernetzte Echtzeit-kinematische Positionierung bezeichnet und hat gegenüber Systemen, die einen einzelnen Basisempfänger verwenden, Vorteile bei der Positionsgenauigkeit.
Ein Lasersender 74 befindet sich vor Ort und sorgt für eine geeignete Abdeckung für den Laserdetektor 76. Die Erhebung des Lasersenders 70 im Verhältnis zu demselben Datum wie GNSS ist bekannt. Bei GPS ist das Bezugssphäroid das World Geodetic System 1984. Der Laserdetektor 76 tastet die von dem Sender 74 gesendeten Signale ab und bestimmt den Erhebungsunterschied gegenüber dem Sender 74. Der Lasersender richtet sich nach der momentanen Schwerkraftrichtung und stellt sich im Allgemeinen nicht auf die Richtung einer Normalen zu dem Sphäroid an demselben Punkt ein. Zum Glück kommt das Bezugssphäroid der wirklichen Erde nahe genug (Seehöhe), insbesondere angesichts der Tatsache, dass der Betriebsbereich des Lasers weniger als 500 Meter beträgt. Daraus ergibt sich, dass der Höhenunterschied, der von dem Lasersystem erzielt wird, mit den Höhenänderungen, die von GNSS bestimmt werden, kompatibel ist.
Es seien r₁, r₂, ... r_s die Entfernungsbeobachtungen von der mobilen GNSS-Antenne zu den Satelliten 1, 2, ... s. Die Beobachtungen des Basis-GNSS-Systems werden verwendet, um die mobilen Beobachtungen zu korrigieren. Die Entfernungsbeobachtungen können entweder als Code oder als Phase angesehen werden. Bei der Phase geht man davon aus, dass die Zweideutigkeiten der Trägerphase beseitigt wurden.
Die Satellitenkoordinaten sind bekannt und werden über eine Ephemeride erzielt, die typischerweise von jedem Satellit ausgesendet werden. Die Satellitenkoordinaten werden in kartesischer Form als WGS84 XYZ angegeben (d. h., X_i, Y_i, Z_i, wobei i = 1, 2 ... s).
Laserhöhenablesungen, die an dem mobilen Detektor 76 vorgenommen werden, stellen den Erhebungsunterschied (ΔH) zum Lasersender bereit. Dieser Höhenunterschied muss dann auf die Höhe des Lasersenders oberhalb des Bezugssphäroids (H_T) angewendet werden, um die Höhe des Laserdetektors 76 oberhalb des Sphäroids (H_D) zu erzielen. Der Abstand vom Mittelpunkt des Sphäroids zum Laserdetektor 76 wird berechnet, indem H_T zum Krümmungsradius des Sphäroids an der Mobileinheit hinzugefügt wird. Schließlich wird der Abstand vom Mittelpunkt des Sphäroids zur GNSS-Antenne erzeugt, indem ein beliebiger Höhenversatz zwischen Laserdetektor 76 und Antenne für den Empfänger 72 angewendet wird – die endgültige Entfernungs-Messung (r_L) ist kompatibel mit denjenigen, die von GNSS erzielt werden. Daher kann die Laserhöheneingabe als eine zusätzliche Satellitenbeobachtung angesehen werden, wobei der Satellit sich im Mittelpunkt der Erde befindet.
Anschließend wird die kleinste Fehlerquadratschätzung angewendet, um die Koordinaten X, Y und Z der Mobileinheit zu schätzen (plus dem Fehlerterm T des Empfängertaktgebers). Die für den Prozess notwendigen Beobachtungsgleichungen sind für GNSS und Laserdaten gleich und können in linearisierter Form wie folgt dargestellt werden: li + vi = Ax (1)wobei:

l_i: ein Beobachtungsvektor minus den für jeden Satelliten (i = 1, 2 ... s) und den Laserdetektor (i = L) berechneten Termen ist. Die angenäherten Koordinaten des Erkundungsgeräts (X₀, Y₀, Z₀) werden verwendet, um die berechneten (theoretischen) Entfernungswerte, R_i zu bilden;
v_i: ein Vektor von Beobachtungsabweichungen ist, die anerkennen, dass die Beobachtungen nicht perfekt sind, sondern durch geringfügige Fehler beeinträchtigt werden;
A: eine Entwurfsmatrix ist, welche die Beobachtungen mit den Unbekannten verbindet; und
x: ein Vektor von Korrekturen für die angenäherten Koordinaten der Erkundungsantenne und den angenäherten Fehlerterm (T₀) des Taktgebers des GNSS-Empfängers ist.

Die Komponenten der Gleichung (1) werden nachstehend in voller Matrixform dargestellt:
Die Entwurfsmatrixterme a_i, b_i, c_i sind die Richtungskosinuse für die Entfernungsbeobachtungen von der Erkundungsantenne 72 zu den Satelliten (für GNSS-Beobachtungen) und von der Erkundungsantenne 72 zum Mittelpunkt des Sphäroids (für Laserbeobachtungen). Die Richtungskosinuse werden berechnet unter Verwendung von:
Jede in Gleichung (1) dargestellte Beobachtung hat eine damit verbundene Unsicherheit. Im Falle der GNSS-Phasenbeobachtungen liegt diese normalerweise im Bereich von einem Zentimeter. Im Falle von Laserhöhenablesungen liegt sie im Bereich von einigen Millimetern. Daher wird eine Beobachtungswichtungsmatrix eingeführt, die durch den Kehrwert der einzelnen Beobachtungsvarianzen gebildet wird:
Auf dem Prinzip des kleinsten Fehlerquadrats beruhend wird der wahrscheinlichste Wert der Korrekturen für die Unbekannten durch Minimieren der Summe der Quadrate der gewichteten Beobachtungsabweichungen folgendermaßen erzielt: x = (ATPA)–1(ATPl) (5)
Schließlich werden die berichtigten Koordinaten und der Taktgeberfehlerterm (mit Hochstellung ^ bezeichnet) des Erkundungselements durch Anwenden des Ergebnisses der Gleichung (5) auf die jeweiligen angenäherten Werte, die als Linearisierungspunkt für die Einstellung verwendet werden, erzielt:
Das Lasersystem kann die Möglichkeit umfassen, Messungen von waagerechten Winkeln zu bilden, die sich auf eine bestimmte Richtung, wie etwa Norden, beziehen. Es wird Bezug genommen auf 6. Jedes Mal, wenn der rotierende Laser an einer Bezugsmarkierung vorbeikommt, wird eine eindimensionale LED-Gruppe am Lasersender 80 beleuchtet. Am Laserdetektor 82 stellt die Zeit zwischen dem nächsten Lasertreffer und der LED-Beleuchtung ein Maß für die Winkelverlagerung des Detektors von der Bezugslinie bereit, da die Drehgeschwindigkeit des Lasersenders 80 gemessen und folglich bekannt ist.
In 6 wird der Lasersender 80 willkürlich ausgerichtet, so dass es eine Winkelverlagerung der Vorrichtung von B Grad mit Bezug auf die geographische Nordrichtung gibt. Ablesungen des Winkels zwischen der Senderbezugslinie 84 und dem Detektor 82 sind bei jeder Abtastung des Lasers verfügbar und werden mit a_i bezeichnet. Der Standort des Senders 80 wird als dreidimensionale kartesische Koordinaten X_T, Y_T, und Z_T angegeben, während die Detektorkoordinaten wie zuvor X, Y und Z sind.
Die Winkelablesungen können als Positionsbeobachtungen in das Gesamtschätzungssystem eingegeben werden, das in einem kombinierten Laser/GNSS-System verwendet wird. Der Lösungsansatz des kleinsten Fehlerquadrats kann hier noch einmal angewendet werden. Der Einfachheit halber werden die unbekannten Koordinaten des Detektors als eine waagerechte Ebene angesehen, die auf dem Sender 80 zentriert ist. Es seien E_T, N_T die ebenen Koordinaten des Senders und E, N, die Koordinaten des Detektors. Die Beobachtungsgleichung, welche die Winkelbeobachtungen mit den Detektorkoordinaten verbindet, wird nachstehend angegeben:
Jede Winkelbeobachtung unterliegt einem geringfügigen Zufallsfehler w_i. Es ist möglich, dass der Lasersender vor Ort manuell auf die Nordrichtung ausgerichtet wird, wobei B dann gleich Null ist. Zum Zweck der nachstehenden Erläuterung lohnt es sich, B als einen unbekannten Parameter anzusehen, der über die Integration von GPS- und Laservorrichtungen bestimmt werden kann.
Die drei unbekannten Parameter in Gleichung (7) sind E, N und B: αi = f(E, N, B) (8)
Um die Theorie des kleinsten Fehlerquadrats anzuwenden, muss die Beobachtungsgleichung linearisiert werden:
wobei E₀, N₀ und B₀, Anfangsvermutungen für die Werte jeweils von E, N und B sind; df/dE, df/dN, und df/dB die partiellen Ableitungen der Funktion mit Bezug auf jeden unbekannten Parameter sind; und ΔE, ΔN und ΔB Korrekturen sind für die Anfangsschätzungen E₀, N₀ und B₀, die zu den wahrscheinlichsten Werten der Unbekannten führen. In Matrixform geschrieben sieht Gleichung (9) dann folgendermaßen aus:
wobei α_o der berechnete Winkel ist, basierend auf den genäherten Koordinaten des Detektors. Das heißt, dass man durch Einsetzen von E₀ für E, N₀ für N und B₀ für B in Gleichung (7) α_o erhält.
Wenn die Anfangsvermutung für E, N und B sehr gut ist, dann ist α_o sehr nahe an dem tatsächlich beobachteten Winkel α_i.
Die partiellen Ableitungen der Beobachtungsgleichung mit Bezug auf die Unbekannten sind folgendermaßen gegeben:
Eine einzelne Winkelbeobachtung von einem einzelnen Sender reicht nicht aus, um den Standort des Detektors zu bestimmen. Bei mehreren Sendern reicht der Schnittpunkt der beiden Winkelbeobachtungen.
Gleichung (2) zeigt die Matrixform der GNSS- und Laserbeobachtungen, die verwendet werden, um die unbekannten Koordinaten der Detektorantenne zu schätzen. Nun sollen die Winkelbeobachtungen in die kombinierte Lösung für die Koordinaten des Detektors integriert werden, und daher muss die Winkelbeobachtungsabwicklung aus dem Ebenensystem E, N in die kartesischen Koordinaten X, Y und Z umgesetzt werden. Die beiden Koordinatensysteme hängen über folgende Drehmatrix zusammen:
Die Drehmatrix enthält trigonometrische Werte, die mit der Breite (ϕ) und Länge (λ) des Senders zusammenhängen. Gleichung (14) kann in Gleichung (7) verwendet werden, um eine neue Winkelbeobachtungsgleichung zu ergeben, die mit demselben Koordinatensystem zusammenhängt, wie dasjenige, das für die GNSS-Daten verwendet wird:
In Gleichung (15) wird angenommen, dass die Koordinaten X_T, Y_T, Z_T und ϕ, λ des Senders bekannt und eine Funktion von: X, Y, Z und B sind: αi + wi = g(X, Y, Z, B) (16)
Ein Linearisierungsvorgang wird verwendet, um eine Beobachtungsgleichung hervorzubringen, die in einem Schätzungssystem des kleinsten Fehlerquadrats angewendet werden kann:
Die partiellen Ableitungen in Gleichung (17), die trigonometrische Funktionen beinhalten, sind einfach zu berechnen und werden daher hier ausgelassen.
Nun verfügt man über alle notwendigen Komponenten, um die Matrixform der Beobachtungsgleichungen für kombinierte GNSS-, Laserhöhen- und Laserrichtungsdaten vorzubringen:
wobei die partiellen Ableitungen der waagerechten Richtung mit Bezug auf X, Y und Z jeweils durch h, j und k gegeben sind.
Der in Gleichung (18) gezeigten Winkelmessung muss eine Beobachtungswichtung zugeordnet werden. Dann werden die besten Schätzungen der Korrekturen für die Koordinaten, den Taktgeber des GNSS-Empfängers und die Lasersenderorientierung unter Verwendung des Matrixausdrucks (5) erzielt. Schließlich werden die besten Schätzungen der Parameter berechnet, indem die Korrekturen auf ihre Annäherungswerte angewendet werden:
Der zuvor erwähnte Vorgang basiert auf der Annahme, dass die Position des Lasersenders, d. h. seine Höhe und sein Standort, bekannt ist. Ein Vorteil eines kombinierten Laser- und GNSS-Systems ist, dass es selbstkalibrierend sein kann. Statt nur für die Position der Detektorantenne aufzulösen (plus Taktgeber- und Orientierungs-Störparameter), ist es möglich, die dreidimensionale Position des Lasersenders ebenfalls als Unbekannte einzuschließen. Wie in 7 gezeigt, müssen Laser- und GNSS-Positionsablesungen an mehr als zwei nicht kollinearen Punkten 90, 92 (d. h. zwei Punkte, die nicht ausgerichtet sind) im Umfeld des Senders 94 vorgenommen werden, um den Senderstandort berechnen zu können. Bevorzugt können zahlreiche Ablesungen in einem Bereich von Punkten, die den Sender umgeben, vorgenommen werden, um den Durchschnitt von GNSS-Zufallsfehlern und geringfügigen systemischen Fehlerquellen auszurechnen. Wenn möglich sollte der Detektor an Punkten platziert werden, die am Sender ungefähr einen Winkel von 90 Grad bilden. Dies ergibt eine gute feste Position am Senderstandort.
Man nehme z. B. die Situation, in der eine Motorplaniermaschine unter der Kontrolle eines GNSS-Systems arbeitet und sich einem Abschnitt eines Unterbaus nähert, wo sie unter einer Überführung oder einem anderen Durchfahrtshindernis durchfährt. Bei der vorliegenden Erfindung stellt die Bedienperson der Motorplaniermaschine oder ihre Arbeitskollegen einen Lasersender, oder vielleicht mehr als einen derartigen Sender, an geeigneten Punkten neben der Überführung auf, so dass das Laserlicht den Laserdetektor auf der Motorplaniermaschine über einen gewissen Abstand beleuchtet, bevor die Motorplaniermaschine die Überführung erreicht. Die Position für den Sender wird derart ausgewählt, dass der Laserstrahldetektor den Strahl vom Sender empfängt, wenn die Motorplaniermaschine ebenfalls unter die Überführung fährt.
Das GNSS-System wird dann verwendet, um die Position jedes Lasersenders zu berechnen. Dies erfolgt durch wiederholtes Berechnen der Position der Motorplaniermaschine unter Verwendung von Signalen aus dem GNSS-System, und dann durch Bestimmen des Richtungsvektors von der Motorplaniermaschine zum Sender basierend auf dem Lasersystem. Die multiplen Vektoren schneiden sich an der Position des Senders. Dies Informationen werden dann vom System gespeichert, so dass, wenn die Motorplaniermaschine unter die Überführung fährt und einige der Satelliten für den Empfänger nicht sichtbar sind, die Position des Systems aus den Signalen berechnet werden kann, die von den wenigen Satelliten geliefert werden, die zu einem beliebigen Zeitpunkt eventuell sichtbar sind, zusammen mit den Signalen aus dem Laserdetektor.
Es versteht sich, dass um die Position eines Lasersenders festzulegen, Laser- und GNSS-Positionsablesungen an einer gewissen Anzahl von nicht kollinearen Positionen, d. h. an Positionen, die nicht auf dieselbe Gerade vom Sender aus fallen, vorgenommen werden. Wie in 7 angegeben, wird die Genauigkeit dieser Einschätzung teilweise durch den Winkel zwischen den konvergierenden Vektoren bestimmt. Ferner kann das Vornehmen von mehr als zwei Richtungsablesungen die Genauigkeit verbessern.
Die gemessene Position jedes Senders wird gespeichert zur Verwendung, wenn die Motorplaniermaschine unter die Überführung fährt, und die Sicht der Positionierungs- und Steuersysteme auf die GNSS-Satelliten in einem gewissen Maß verdeckt ist.
Wie in 8 gezeigt, können diese Informationen im Speicher 100 gespeichert werden. Die GNSS-Beobachtungen und Präzisionsgrade können bei 102 der Schätzungsvorrichtung 104 zugeführt werden, zusammen mit den Beobachtungen und Präzisionsgraden des Lasersystems bei 106. Die Vorrichtung 104 verwendet dann die Signale, die vom Laserdetektor bei 106 empfangen wurden, um die Schätzung der Position der Maschine basierend auf den Signalen aus dem GNSS-Empfänger zu verbessern. Es versteht sich, dass andere Positionsdaten ebenfalls von der Schätzungsvorrichtung 104 mit Daten aus dem GNSS-Empfänger kombiniert werden können, um die Positionsschätzung zu verbessern. 8 gibt an, dass bei einer wahlweisen Variante der Ausführungsform, der Schätzungsvorrichtung 104 für das Trägheitssystem 108 auch Trägheitssensorablesungen und Präzisionsgrade bereitgestellt werden können. Die Schätzungsvorrichtung 104 wird bevorzugt als programmierbarer Computer, der wie ein Kalman-Filter funktioniert, durchgeführt. Ein Kalman-Filter ist ein rekursiver digitaler Algorithmus, der verwendet werden kann, um Schätzungsdaten mit unterschiedlichen Ungewissheitsgraden zu kombinieren. Der Kalman-Filter kombiniert einfach die Positionsdaten, die verfügbar sind, und stellt basierend auf den vorweggenommenen Fehlerstufen Positionsschätzungen bereit.
GNSS-Beobachtungen werden normalerweise in regelmäßigen Zeitabständen oder Epochen vorgenommen. Laserablesungen werden durch die Drehgeschwindigkeit des Senders bestimmt und stimmen daher nicht unbedingt genau mit den GNSS-Beobachtungen überein. Es gibt mehrere Möglichkeiten, mit dieser Situation fertig zu werden, in der Annahme, dass die Bewegung des Empfängers schnell genug ist, so dass sich ein Fehler wegen mangelnder Synchronisation ergeben kann. Zunächst kann die Drehgeschwindigkeit des Lasersenders erhöht werden, so dass eine Ablesung erfolgen kann, die nahe genug an einer GNSS-Epoche liegt, so dass sich ein unwesentlicher Positionsfehler ergibt. Zweitens kann die Bewegung des Erkundungselements in einem Kalman-Filter modelliert werden, und die GNSS- und Laserdetektor-Beobachtungen können in den Filter eingespeist werden, wann immer sie auftreten. Drittens kann die Änderungsgeschwindigkeit der GNSS- oder Laserbeobachtungen derart modelliert werden, dass die Beobachtungen zu einer gemeinsamen Epoche hin beeinflusst werden. Auf jeden Fall können die GNSS- und Laserbeobachtungen leicht zusammen auf logische Art und Weise verarbeitet werden.
Es versteht sich, dass andere Varianten des Positionsbestimmungssystems verwendet werden können. Es werden z. B. Systeme in Betracht gezogen, bei denen die Schätzfunktion 104 auf einen GNSS-Empfänger 102 und auf ein Trägheitssensorsystem 108 anspricht, wobei kein Lasersender und Empfänger verwendet wird. Alternativ kann ein System einen GNSS-Empfänger und einen Lasersender und Empfänger 106 ohne Trägheitssystem umfassen. Schließlich kann ein Positionsbestimmungssystem von einem Laser erzeugte Positionsdaten in Kombination mit Daten eines Trägheitssensors ohne GNSS-Beobachtungen verwenden. Bei jeder Variante werden Positionsdaten von zwei oder drei verschiedenen Quellen in einem Kalman-Filter kombiniert, um eine Positionsschätzung bereitzustellen, die nicht so schlecht ist, wie diejenige, die vorkommen könnte, wenn eine einzelne Quelle für die Positionsdaten verwendet würde, wobei die Betriebsbedingungen die Genauigkeit dieser einzelnen Quelle beeinträchtigen würden. Wie zuvor erklärt, trägt die Verwendung eines Laserempfängers zum Erfassen der Position für eine Motorplaniermaschine zusammen mit einem GNSS-Empfänger dazu bei, eine genaue Positionsbestimmung in Situationen aufrechtzuerhalten, in denen sich die Motorplaniermaschine in einen Bereich begibt, in dem einige der GNSS-Satelliten nicht von dem GNSS-Empfänger empfangen werden können. Ebenso kann ein Trägheitssensor anstelle oder zusammen mit dem Laserempfänger verwendet werden, um die Genauigkeit der bestimmten Position aufrechtzuerhalten. Ferner kann auf Grund der Strukturen, in deren Umfeld die Motorplaniermaschine arbeitet, der Laserempfänger zeitweise daran gehindert werden, den übertragenen Laserstrahl bzw. die Strahlen zu empfangen. Die Ausgabe des GNSS-Empfängers und die Ausgabe des Trägheitssensors können kombiniert werden, um in solchen Fällen die Position zu bestimmen.
Der Lasersender ist abgebildet worden als ein Sender von der Art, die ein Paar abgewinkelter Fächerlichtstrahlen und ein periodisches 360°-Blinklicht bereitstellen, um einem Empfänger eine Angabe der relativen Position gegenüber dem Sender zu geben. Die vorliegende Erfindung zieht auch andere Arten von Lasersendern und Empfängern in Betracht, zu denen Sender gehören, die mit einem dünnen Laserlichtstrahl eine im Allgemeinen waagerechte Ebene abtasten, und Empfänger, die über mehrere Detektoren zum Erfassen der relativen Position der Laserlichtebene verfügen. Andere Varianten umfassen die Verwendung eines Senders, der einen einzelnen fächerförmigen Strahl von Laserlicht, bevorzugt abgewinkelt, und ein periodisches 360°-Blinklicht projiziert, um die relative Position anzugeben. Der Laserempfänger und die GNSS-Antenne wurden als auf einem einzigen Mast dicht aneinander befindlich abgebildet. Es versteht sich jedoch, dass dies nicht der Fall sein muss, solange der Abstand zwischen dem Laserempfänger und der GNSS-Antenne um einen bekannten konstanten Abstand beabstandet sind, und diese Verlagerung bei den Berechnungen der Positionsbestimmung berücksichtigt wird.
Es wird nun Bezug genommen auf 9, ein Flussdiagramm, das schematisch die Art und Weise abbildet, in der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung funktionieren kann, um zwischen einem Betrieb nur unter der Kontrolle des GNSS-Empfängers auf einen Betrieb unter der Kontrolle des GNSS-Empfängers und des Laserstrahlempfängers überzugehen. Bei dieser Ausführungsform verwendet das Steuersystem einen Lasersender, der an einem bekannten Standort angeordnet ist, ein GNSS-Satellitensystem, einen Laserstrahlempfänger, der auf der Maschine angebracht ist, und einen GNSS-Empfänger, der auf der Maschine angebracht ist.
Der GNSS-Empfänger und der Laserstrahlempfänger können z. B. beide auf einer Motorplaniermaschine angebracht sein, die sich auf eine Überführung zu begibt, oder im Begriff ist, unter dieser hindurch zu fahren. Ein oder mehrere Lasersender sind in der Nähe des Überführungsbereichs angeordnet und projizieren einen oder mehrere Strahlen, um mindestens einen Teil des Bereichs unter der Überführung zu beleuchten. Wie bei 200 angegeben, kann das Steuersystem im Wesentlichen unter der Kontrolle des GNSS-Empfängers funktionieren, wobei es die gemessene Position der Motorplaniermaschine und seines Planierwerkzeugs vergleicht, um die gewünschte Stufe der planierten Oberfläche zu realisieren. Wenn die Motorplaniermaschine einen Punkt erreicht, an dem die Satelliten teilweise nicht sichtbar sind, wird die Positionsberechnung sowohl auf Laserdaten als auch auf GNSS-Daten basiert, wie bei 202 angegeben. Das System muss natürlich die Position des Lasersenders bzw. der Lasersender kennen, so dass die relative Position der Motorplaniermaschine in eine absolute Positionsberechnung umgesetzt werden kann. Gegebenenfalls können die Positionen der Lasersender auf herkömmliche Art und Weise vermessen und die Positionsdaten gespeichert werden. Alternativ können die relativen Lasersenderpositionen wie bei 204 angegeben durch das System selber bestimmt werden, während die GNSS-Daten vollständig sind. Das System stellt ein Bezugskoordinatensystem bereit, das sowohl dem Lasersender als auch dem Laserempfänger und dem GNSS-Satellitensystem und dem GNSS-Empfänger gemein ist.
Die Maschine kann sich zu einem Punkt begeben, an dem der GNSS-Empfänger keine brauchbaren Daten mehr von den GNSS-Satelliten empfängt. An diesem Punkt wird die Berechnung der Position der Maschine einzig durch den Laserempfänger und die Lasersender bestimmt, wie bei 206 angegeben. Nachdem die Motorplaniermaschine unter die Überführung gefahren ist, erfasst der GNSS-Empfänger wieder Signale von den GNSS-Satelliten, und das System funktioniert mit den kombinierten Signalen, wie bei 208 angegeben. Schließlich verlässt die Motorplaniermaschine die Reichweite der Lasersender, und der GNSS-Empfänger stellt Positionsinformationen ohne Beihilfe bereit. Es versteht sich, dass die Informationen aus dem GNSS-Empfänger und dem Laserempfänger kombiniert werden, wie etwa mit einem Kalman-Filter, um die Schätzung der Maschinenposition hervorzubringen. Dann wird die Motorplaniermaschine der geschätzten tatsächlichen Maschinenposition und der erwünschten Maschinenposition basierend betrieben und gesteuert.
Obwohl die vorliegende Erfindung in den derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Offenbarung als nicht einschränkend auszulegen ist. Z. B. werden der optische Sensor und die GNSS-Antenne bei einer Ausführungsform als auf der Maschine angebracht beschrieben, und dazu soll das Anbringen dieser Bauteile auf dem Körper der Maschine oder auf dem Maschinenarbeitsgerät zur Bewegung mit derselben gehören. Dem Fachmann werden nach dem Durchlesen der obigen Offenbarung zweifellos diverse Änderungen und Modifikationen ersichtlich werden. Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die beiliegenden Ansprüche derart aus gelegt werden, dass sie alle Änderungen und Modifikationen, die zum wahren Geist und Umfang der Erfindung gehören, abdecken.
Zusammenfassung
Ein Maschinensteuersystem verwendet ein Lasersystem und ein globales Navigations-Satellitensystem, um die Position der Maschine zu bestimmen. Das Lasersystem verfügt über einen Laserdetektor, der in einem bekannten und festen Verhältnis zum nominalen Phasenzentrum einer globalen Navigations-Satellitenantenne steht. Der Laserdetektor empfängt Laserlicht, das von einem Lasersender übertragen wird. Die Ausgaben des Lasersystems und des globalen Navigations-Satellitensystems werden zusammen verwendet, um die Position des Senders zu bestimmen, ehe sie verwendet werden, um die Position der Maschine zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6433866 [0020]

Claims

System zur Positionsbestimmung, umfassend einen Lasersender, der mindestens einen Laserstrahl projiziert, der um eine im Allgemeinen senkrechte Achse rotiert, einen GNSS-Empfänger zur Positionsbestimmung, wobei der GNSS-Empfänger über eine GNSS-Antenne verfügt, einen optischen Sensor zum Empfangen des Laserstrahls, wobei sich der optische Sensor mit Bezug auf das Phasenzentrum der GNSS-Antenne in einer festen Position befindet, und eine Vorrichtung, die Signale aus dem GNSS-Empfänger und Signale aus dem optischen Sensor empfängt, um die Position des Senders aus den Signalen zu bestimmen und zu speichern, wobei die Vorrichtung anschließend Signale verwendet, die aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger empfangen werden, um die Position des GNSS-Empfängers zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei der Lasersender einen oder mehrere gerichtete Laserlichtstrahlen projiziert, auf den bzw. die der optische Sensor anspricht.
System nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung die Ausgaben aus dem Sensor und dem Empfänger unter Verwendung einer Mittelwertbildung der kleinsten Fehlerquadrate kombiniert.
System nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung einen Kalman-Filter umfasst, um basierend auf den Erfassungssignalen aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger die wahrscheinlichste Position zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei die Position des Senders aus dem Erhalt des Laserstrahls bestimmt wird, wozu der Drehwinkel des Strahls, wenn er von dem Sensor empfangen wird, und der Abstand zwischen dem Sender und dem GNSS-Empfänger gehören.
System nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung Signale verwendet, die aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger empfangen werden, um die senkrechte Position des GNSS-Empfängers zu bestimmen.
System zum Bestimmen der Position einer Maschine und zum Steuern der Maschine, umfassend einen Lasersender, der in einer Bezugsposition positioniert ist und zwei oder mehrere fächerförmige Laserstrahlen projiziert und die Laserstrahlen um eine im Allgemeinen senkrechte Achse dreht, wobei die zwei oder mehreren fächerförmigen Laserstrahlen in nicht parallelen, nicht waagerechten Ebenen divergieren, wobei die Schnittlinie dieser nicht parallelen, nicht waagerechten Ebenen nicht senkrecht ist, einen GNSS-Empfänger auf der Maschine zum Bestimmen der Position der Maschine, wobei der GNSS-Empfänger über eine GNSS-Antenne verfügt, die auf der Maschine angebracht ist, einen optischen Sensor, der auf einer Maschine angebracht ist, um die fächerförmigen Laserstrahlen zu empfangen, wobei der optische Sensor koaxial zum Pha senzentrum der GNSS-Antenne, an diesem oder um einen geringfügigen Abstand davon verlagert liegt, eine Vorrichtung auf der Maschine, die Signale aus dem GNSS-Empfänger und Signale aus dem optischen Sensor empfängt, um die Position des Senders zu bestimmen, wobei die Vorrichtung anschließend Signale, die aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger empfangen werden, verwendet, um die Position der Maschine aus diesen Signalen zu bestimmen, und um ein Steuersignal bereitzustellen.
System nach Anspruch 7, wobei die GNSS-Antenne und der optische Sensor sich in unmittelbarer Nähe auf demselben Mast befinden.
System nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung einen Kalman-Filter umfasst, um basierend auf den Erfassungssignalen aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger die wahrscheinlichste Position zu bestimmen.
System zum Bestimmen der Position einer Maschine, umfassend: einen Lasersender, der mindestens einen Laserstrahl projiziert und den mindestens einen Laserstrahl um eine im Allgemeinen senkrechte Achse rotiert, einen GNSS-Empfänger auf der Maschine zum Bestimmen der Position der Maschine, wobei der GNSS-Empfänger über eine GNSS-Antenne verfügt, die auf der Maschine angebracht ist, einen optischen Sensor, der auf der Maschine angebracht ist zum Empfangen des mindestens einen Laserstrahls, wobei sich der optische Sensor in einem bekannten Positionsverhältnis zum Phasenzentrum der GNSS-Antenne befindet, und eine Vorrichtung auf der Maschine, die Signale aus dem GNSS-Empfänger und Signale aus dem optischen Sensor empfängt, um die Position der Maschine zu bestimmen, wobei die Vorrichtung einen Kalman-Filter umfasst, um die wahrscheinlichste Position der Maschine aus diesen Signalen zu bestimmen.
System nach Anspruch 10, wobei die Position of des Lasersenders aus dem Drehwinkel des Strahls, wenn er von dem Sensor empfangen wird, und dem Abstand zwischen dem Sender und dem GNSS-Empfänger bestimmt wird.
System nach Anspruch 10, wobei die GNSS-Antenne und der optische Sensor sich in unmittelbarer Nähe auf demselben Mast befinden.
System nach Anspruch 10, wobei eine Annäherung der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird, um die wahrscheinlichste Position basierend auf den Signalen aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger zu bestimmen.
System nach Anspruch 10, wobei die GNSS-Antenne und der optische Sensor auf der Maschine in unmittelbarer fester Nähe zueinander angebracht sind, und wobei die GNSS-Antenne und der optische Sensor für eine Bewegung mit einem Arbeitsgerät der Maschine angebracht sind.
System nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung auf der Maschine die Steuerung der Position des Arbeitsgeräts basierend auf einer geschätzten Position, die von dem Kalman-Filter bereitgestellt wird, und basierend auf einer erwünschten Position ausführt.
System zum Bestimmen der Position einer Maschine und zum Steuern der Maschine, umfassend: einen Lasersender, der in einer Bezugsposition positioniert ist und einen oder mehrere Laserstrahlen projiziert, einen GNSS-Empfänger auf der Maschine zum Bestimmen der Position der Maschine, wobei der GNSS-Empfänger über eine GNSS-Antenne verfügt, die auf der Maschine angebracht ist, einen optischen Sensor, der auf der Maschine angebracht ist, um den einen oder die mehreren Laserstrahlen zu empfangen, wobei der optische Sensor zum Phasenzentrum der GNSS-Antenne koaxial oder davon um einen geringfügigen Abstand verlagert ist, einen Trägheitssensor auf der Maschine zum Bereitstellen einer Ausgabe, die Bewegung und Position der Maschine angibt, und eine Vorrichtung auf der Maschine, die ein Signal aus dem GNSS-Empfänger, ein Signal aus dem optischen Sensor, und eine Ausgabe von dem Trägheitssensor empfängt, um die wahrscheinlichste Position der Maschine aus den Signalen und der Ausgabe zu bestimmen und um ein Steuersignal bereitzustellen, um den Betrieb der Maschine zu steuern.
System nach Anspruch 16, wobei der Lasersender ein Paar fächerförmiger Laserlichtstrahlen projiziert, und wobei der optische Sensor auf die beiden Strahlen anspricht, um die Position zu bestimmen.
System nach Anspruch 16, wobei die GNSS-Antenne und der optische Sensor sich in unmittelbarer Nähe auf demselben Mast befinden.
System nach Anspruch 16, wobei eine Annäherung der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird, um die wahrscheinlichste Position basierend auf den Erfassungssignalen aus dem optischen Sensor und dem GNSS-Empfänger zu bestimmen.
System nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung einen Kalman-Filter umfasst zum Bestimmen der wahrscheinlichsten Position der Maschine, basierend auf den Erfassungssignalen aus dem optischen Sensor und aus dem GNSS-Empfänger.
System nach Anspruch 16, wobei die Position des Lasersenders aus dem Drehwinkel des Strahls, wenn er von dem optischen Sensor empfangen wird, und dem Abstand zwischen dem Sender und dem GNSS-Empfänger bestimmt wird.
In einem Maschinensteuersystem, das einen Lasersender in Festposition, ein GNSS-Satellitensystem, einen Laserstrahlempfänger, der auf der Maschine angebracht ist, und einen GNSS-Empfänger, der auf der Maschine angebracht ist, zur Positionsbestimmung und zur Führungssteuerung der Maschine verwendet, ein Verfahren zum Übergang von einem Betrieb nur unter der Kontrolle des GNSS-Empfängers auf einen Betrieb unter der Kontrolle sowohl des GNSS-Empfängers als auch des Laserstrahlempfängers, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Bezugskoordinatensystems, das dem Lasersender und dem Laserempfänger und dem GNSS-Satellitensystem und dem GNSS-Empfänger gemein ist; und Bereitstellen eines Prozessorsystems auf der Maschine, das konfiguriert ist, um Positionsinformationen von dem Laserempfänger zu empfangen, und um Positionsinformationen von dem GNSS-Empfänger zu empfangen, und Anwenden von Informationen aus dem Laserempfänger und Informationen aus dem GNSS-Empfänger auf einen Kalman-Filter, um eine Schätzung der Maschinenposition hervorzubringen, und Steuern des Betriebs der Maschine, basierend auf der tatsächlichen Maschinenposition und einer erwünschten Maschinenposition.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend den Schritt des Anwendens von Informationen aus einem Trägheitssensor an Bord der Maschine auf das Prozessorsystem.