DE112008003912B4

DE112008003912B4 - Positionsierungsgerät und Verfahren zum Detektieren eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE112008003912B4
Application number: DE112008003912.7T
Authority: DE
Inventors: Lars Schumacher; Robert G. Conner
Original assignee: Trimble Navigation Ltd
Current assignee: Spectra Precision USA LLC
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: US20110141488A1; DE112008003912B8; US8743376B2; CN102057248A; DE112008003912T5; US8526014B2; US20130308141A1; WO2009154625A1; CN102057248B

Abstract

Positionierungsgerät (100), umfassend:
einen Detektor (120) zum Detektieren von Licht eines fächerartigen Laserstrahls (210), der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert und mindestens zwei Detektorelemente (A, B) aufweist, die in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, zum Ausgeben eines Detektionssignals, wenn eines durch den fächerartigen Laserstrahl (210) eines Laseremitters (140) bestrahlt wird; und
eine Positionsbestimmungseinheit (130) zum
Erhalten eines ersten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen (A, B),
Bestimmen von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes, und
Bestimmen einer Positionsbeziehung zwischen dem Detektor (120) und der Ausbreitungsachse auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung,
und
einen Transceiver (1140) zum drahtlosen Kommunizieren mit einem Instrument, das den Laseremitter (140) umfasst, um die Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls (210) zu ändern oder einen öffnungswinkel eines Lichtkegels zu erhöhen oder zu verringern, der erzeugt wird durch den sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl (210).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positionierungsgerät und ein Positionierungsverfahren zum Detektieren von Licht eines fächerartigen bzw. aufgefächerten Laserstrahls, sowie ein Positionierungssystem, das das Positionierungsgerät umfasst, und ein Lichtemittiergerät, das den fächerartigen Laserstrahl emittiert.
Verschiedene Arten von Vermessungsinstrumenten werden verwendet zum Messen von Abständen und Winkeln zwischen Objekten. Hierbei verwenden mehrere herkömmliche Vermessungsinstrumente eine Laserquelle zum Messen des Abstands zu oder der Position eines Objekts durch Ausführen einer elektrooptischen Messung.
Wenn der Abstand oder die Position gemessen werden, muss der Benutzer verifizieren, dass der Laserstrahl der Laserquelle tatsächlich auf das Objekt an einer gewünschten Position auftrifft. Jedoch ist ein Laserpunkt, der beispielsweise auf einer Wand auftritt, gewöhnlich sehr klein, und in einem Z-Modus bei einem weiten Abstand kann ein Benutzer Schwierigkeiten haben, den Laserpunkt mit dem bloßen Auge oder einem herkömmlichen Photodetektor zu finden. Zusätzlich verringert sich die Intensität des Laserstrahls über den Abstand, so dass die Intensität von von der Wand zurückgestreutem Licht weiter abnimmt.
Deshalb kann es sehr aufwendig und manchmal selbst unmöglich sein, aufgrund der kleinen Größe des Laserpunkts und des Abstands von der Laserquelle, den Laserpunkt mit dem Auge oder durch Bewegen eines Photodetektors in einem Zielbereich zu finden.
Ferner wird ein Finden eines kleinen Laserpunkts sogar komplizierter unter Bedingungen im Gelände, wie zum Beispiel Schnee, Regen und Wind, wo eine schnelle und sichere Detektion gewünscht ist.
EP 0 653 601 A1 betrifft ein System zum Messen des Rollwinkels von bewegten Objekten. Dieses System umfasst ein Aussenden eines Strahls, bevorzugt ein flacher Laserstrahl, der um eine Achse rotiert, die parallel zu einer Strahlausbreitungslinie ist und in Richtung eines Ziels gerichtet ist, das ein bewegtes Objekt, zum Beispiel eine Rakete, treffen soll. Auf dem Objekt sind mindestens drei Strahlungsdetektoren mit festen Abständen von einer Rollachse angebracht. Durch Messen der Zeiten, bei denen der Strahl die Detektoren trifft, kann ein Winkel zwischen einer zwei Detektoren verbindenden Linie und einer Ebene, die fest zum rotierenden Strahl ist und durch die Rotationsachse geht, bestimmt werden.
US 2005/0077454 A1 betrifft ein Photodetektorgerät für ein Rotations-Lasersystem. Ein Photodetektorgerät eines Rotations-Lasersystems zum Projizieren von mindestens zwei aufgefächerten Strahlen, die in einem bekannten Winkel geneigt sind mit Bezug auf eine horizontale Ebene, umfasst mindestens drei Photodetektoren, die in einer bekannten Beziehung angeordnet sind. Speziell soll eine Neigung und eine Neigungsrichtung detektiert werden, wenn das Photodetektorgerät sich neigt, und eine akkurate Referenzposition soll selbst bei Neigung detektiert werden. Durch Modulation des Laserstrahls des Rotations-Lasersystems können ferner Informationen an das Photodetektorgerät übertragen werden.
Deshalb gibt es einen Bedarf von einem Positionierungsgerät und Positionierungsverfahren, das es ermöglicht, einen Punkt eines Laserstrahls schneller und leichter zu finden.
Dies wird durch die unabhängigen Ansprüche erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Positionierungsgerät einen Detektor zum Detektieren von Licht eines fächerartigen bzw. aufgefächerten Laserstrahls, der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsgeschwindigkeit rotiert, und mindestens zwei Detektorelemente aufweist, die mit einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind zum Ausgeben eines Detektionssignals, wenn sie durch den fächerartigen Laserstrahl bestrahlt werden, und eine Positionsbestimmungseinheit zum Erhalten eines ersten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen zum Bestimmen von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes und zum Bestimmen einer Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung. Demgemäß kann eine Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse erhalten werden, so dass der Detektor in Richtung der Ausbreitungsachse bewegt werden kann, das heißt, in Richtung der Zentralenachse der Rotation des Lichtkegels, der erzeugt wird durch den rotierenden fächerartigen Laserstrahl. Alternativ kann die Ausbreitungsachse oder Richtung der Laseraussendung auf den Detektor bewegt werden, falls die Position des Detektors gewünscht ist. Die Verwendung solch eines Detektors erlaubt, dass der Laserstrahl, das heißt, sein Zentrum in dem Fall eines fächerartigen Laserstrahls, automatisch durch die Detektorausgabe geführt werden kann. Ferner ist es auch möglich, neben sichtbarem Laserlicht, Infrarot oder Naheinfrarot-Laserlicht zu verwenden, für das mehrere kleine und günstige Laserquellen existieren. Beispielsweise kann gemäß der Positionsbeziehung bestimmt werden, ob der Detektor links oder rechts von dem Zentrum des fächerartigen Laserstrahls positioniert ist, das heißt, von der Ausbreitungsachse, oder oben oder unten von dem Zentrum des fächerartigen Laserstrahls.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel wird der erste Satz von Detektionssignalen erhalten von Detektorelementen, die angeordnet sind entlang einer ersten Linie, und die Positionsbestimmungseinheit ist ausgebildet zum Erhalten eines zweiten Satzes von Detektionssignalen von Detektorelementen, die angeordnet sind entlang einer zweiten Linie. Ferner sind die erste und zweite Linie nicht parallel mit Bezug zueinander und die Positionsbestimmungseinheit bestimmt mindestens eine zweite Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes. Demgemäß kann, zusätzlich zu der ersten Zeitbeziehung auf Grundlage der Detektorelemente, die angeordnet sind entlang einer ersten Linie, eine zweite Zeitbeziehung auf Grundlage der Detektorelemente, die angeordnet sind entlang einer zweiten Linie, erhalten werden, so dass mit jedem Satz ein Bereich definiert werden kann, in dem der Detektor mit Bezug auf die Ausbreitungsachse platziert wird, wodurch die Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse konkreter durch die zwei Bereiche spezifiziert werden kann. Bevorzugt sind die erste Linie und die zweite Linie rechtwinklig mit Bezug aufeinander zum Definieren eines Quadranten in einer Ebene, in der der Detektor sich befindet.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die erste Zeitbeziehung eine erste Zeitsequenz der Detektionssignale des ersten Satzes und die Positionsbestimmungseinheit ist ausgebildet zum Bestimmen von einem von mindestens zwei Segmenten einer Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, in der sich der Detektor befindet. Demgemäß können Segmente einer Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet bzw. kreuzt, definiert werden. Beispielsweise kann es bestimmt werden, ob der Detektor in einem rechten oder linken Halbkreissegment der Basis des Lichtkegels vorhanden ist, der erzeugt wird durch den sich drehenden bzw. rotierenden fächerartigen Laserstrahl unter Verwendung der bekannten Richtung der Rotation und des Wissens darüber, welches Detektorelement Licht zuerst detektiert.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die zweite Zeitbeziehung eine zweite Zeitsequenz der Detektionssignale des zweiten Satzes und die Positionsbestimmungseinheit ist ausgebildet zum Bestimmen von einem von mindestens vier Segmenten der Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, in der der Detektor sich befindet auf Grundlage der ersten Zeitsequenz und der zweiten Zeitsequenz. Demgemäß kann zusätzlich zu der ersten Zeitsequenz, die beispielsweise ein linkes oder rechtes Halbkreissegment bestimmt, die zweite Zeitsequenz ein oberes oder unteres Halbkreissegment der Ebene bestimmen. Deshalb ist es möglich, durch Bestimmen einer Überlappung der zwei Halbkreissegmente, die erhalten werden von der ersten Zeitsequenz und der zweiten Zeitsequenz, eines von vier Segmenten zu bestimmen, beispielsweise ein Viertelkreissegment, von der Basis des Lichtkegels, der erzeugt wird durch den sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel enthält der Detektor mindestens drei Detektorelemente, eine erste Verbindungslinie zwischen einem ersten der Detektorelemente und einem zweiten der Detektorelemente mit einer ersten vorbestimmten Länge, die nicht parallel ist zu einer zweiten Verbindungslinie zwischen einem dritten der Detektorelemente und dem zweiten Detektorelement mit einer zweiten vorbestimmten Länge, und der erste Satz von Detektionssignalen wird erhalten von dem ersten und dem zweiten Detektorelement und der zweite Satz von Detektionssignalen wird erhalten von dem zweiten und dritten Detektorelement. Demgemäß können durch Verwenden der drei Detektorelemente die oben beschriebenen Vorteile erreicht werden, nämlich es kann mit einer Messung bestimmt werden, in welchem der vier Segmente der Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet bzw. kreuzt, sich ein Detektor befindet.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Positionsbestimmungseinheit ausgebildet zum Erhalten des ersten Satzes von Detektionssignalen mit dem Detektor, der eine erste Orientierung aufweist, und zum Erhalten des zweiten Satzes der Detektionssignale mit dem Detektor, der eine zweite Orientierung aufweist, gedreht mit Bezug auf die erste Orientierung. Demgemäß können die gleichen Vorteile, wie oben beschrieben erreicht werden mit nur zwei Detektorelementen, die Licht messen von dem sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl zweimal mit zwei Messungen bei unterschiedlichen Orientierungen. Ähnlich zu dem Obigen sind die zwei Orientierungen bevorzugt rechtwinklig zueinander.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Positionsbestimmungseinheit ausgebildet zum Bestimmen eines Wiederholungszeitintervalls zwischen zwei Detektionssignalen von dem gleichen Detektorelement und zum Bestimmen einer Winkelfrequenz des fächerartigen Laserstrahls basierend darauf. Demgemäß kann durch einfaches Messen der Zeit zwischen zwei Detektionssignalen von dem gleichen Detektorelement, beispielsweise nach einer 180-Grad-Rotation des fächerartigen Laserstrahls, die Winkelgeschwindigkeit abgeleitet werden.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Positionsbestimmungseinheit ausgebildet zum Bestimmen eines ersten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes und des zweiten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes, um auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls und des ersten und zweiten Zeitintervalls einer Vielzahl von Detektorelementen mindestens zwei Winkel zu bestimmen zwischen den Detektorelementen, und um auf Grundlage der zwei Detektorelementwinkel und der räumlichen der Detektorelemente einen Abstand des Detektors zu der Ausbreitungsachse zu bestimmen. Demgemäß kann durch Bestimmen der zwei Winkel zwischen den Detektoren des ersten Satzes und der Detektoren des zweiten Satzes der Abstand des Detektors zu der Ausbreitungsachse bestimmt werden mit Erkenntnis über die räumliche Beziehung zwischen den Detektorelementen. Deshalb kann der Detektor bewegt werden um diesen Abstand in die Richtung der Ausbreitungsachse oder die Ausbreitungsachse kann auf den Detektor gerichtet werden, was auch immer erwünscht ist, um eine Überlappung des Zentrums des Lichtkegels, der erzeugt wird durch den sich rotierenden Laserstrahl, mit dem Detektor zu erreichen. Deshalb ist es auch möglich, die Richtung der Ausbreitungsachse automatisch auf den Detektor einzustellen, da der Abstand zu dem Detektor und die Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse, das heißt, das Segment, in dem der Detektor platziert wird, bekannt sind, und übermittelt werden kann von dem Positionierungsgerät an einen Laseremitter, der den fächerartigen Laserstrahl emittiert.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Positionsbestimmungseinheit ausgebildet zum Erhalten eines dritten und vierten Satzes von Detektionssignalen mit der Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls eines Laseremitters, geneigt um einen Winkel mit Bezug auf die Orientierung der Ausbreitungsachse zum Erhalten des ersten Satzes und zweiten Satzes von Detektionssignalen; zum Bestimmen eines dritten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des dritten Satzes und eines vierten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des vierten Satzes; zum Bestimmen auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls und des dritten und vierten Zeitintervalls einer Vielzahl von Detektorelementen von zwei anderen Winkeln zwischen den Detektorelementen; zum Bestimmen auf Grundlage der zwei anderen Detektorelementwinkel und der räumlichen Beziehung der Detektorelemente eines zweiten Abstands des Detektors zu der geneigten Ausbreitungsachse; und zum Bestimmen auf Grundlage des Abstands des zweiten Abstands einer Position des Detektors mit Bezug auf den Laseremitter. Demgemäß kann durch Ausführen von zwei Messungen mit zwei unterschiedlichen Ausbreitungsachsenorientierungen der Abstand von dem Detektor zu dem Laseremitter und der Abstand von dem Laseremitter zu dem Schnittpunkt der Ausbreitungsachse mit der Ebene, in der sich der Detektor befindet, erhalten werden durch einfache Mittel ohne eines vorherigen Wissens über den ungefähren Abstand zwischen dem Laseremitter und dem Detektor.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel ist die Positionsbestimmungseinheit ausgebildet zum Bestimmen eines Referenzwinkels von einem der Detektorelemente mit Bezug auf eine Referenzorientierung und zum Bestimmen einer Position des Detektors relativ zu der Ausbreitungsachse der Referenzorientierung auf Grundlage des Referenzwinkels und des Abstands des Detektors zu der Ausbreitungsachse. Demgemäß kann ein Referenzkoordinatensystem, beispielsweise ein Koordinatensystem, das angeordnet ist mit der Richtung der Gravitationskraft, definiert werden zum Erhalten einer absoluten Position des Detektors.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel enthält der Detektor mindestens einen Lagesensor bzw. Niveausensor zum Kennzeichnen von mindestens einer Referenzorientierung des Detektors im Raum. Demgemäß kann der Lagesensor die Richtung der Gravitationskraft anzeigen, so dass eine absolute Referenzorientierung im Raum definiert werden kann, die verglichen werden kann zu anderen Positionen, beispielsweise erhalten durch GPS.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Beispiel umfasst das Positionierungsgerät einen Laseremitter zum Emittieren des fächerartigen Laserstrahls, der um die Ausbreitungsrichtung rotiert, das heißt, die Laseremittierachse, mit der Rotationsrichtung. Demgemäß können Interaktionen zwischen dem Positionierungsgerät, das die Positionsbeziehung bestimmt zwischen seinem Detektor und der Ausbreitungsachse des Laserlichts, emittiert durch den Laseremitter, und dem Laseremitter selbst definiert werden. Beispielsweise kann das Positionierungsgerät drahtlos mit dem Laseremitter kommunizieren, um die Ausbreitungsachse zu ändern oder den Öffnungswinkel des Lichtkegels zu erhöhen oder zu verringern, der erzeugt wird durch den sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren ein Detektieren von Licht eines fächerartigen Laserstrahls, der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert, durch einen Detektor mit mindestens zwei Detektorelementen, die in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind und ein Ausgeben eines Detektionssignals, wenn eines durch den fächerartigen Laserstrahl bestrahlt wird; ein Erhalten eines ersten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen; Bestimmen von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes; und Bestimmen einer Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung. Demgemäß kann eine Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse erhalten werden, so dass der Detektor in Richtung der Ausbreitungsachse bewegt werden kann, das heißt, dem Rotationszentrum auf der Rotationsachse des Lichtkegels, wie oben diskutiert. Verwenden des Verfahrens erlaubt, dass ein Laserstrahl automatisch durch die Detektorausgabe geführt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Positionierungssystem einen Laseremitter zum Emittieren eines fächerartigen Lasers, der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert; einen Detektor mit mindestens zwei Detektorelementen, die in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind zum Ausgeben eines Detektionssignals, wenn eines durch den fächerartigen Laserstrahl bestrahlt wird; eine Positionsbestimmungseinheit zum Erhalten eines ersten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen zum Bestimmen von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes und zum Bestimmen einer Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung. Demgemäß können die gleichen Vorteile, wie oben beschrieben, erreicht werden einschließlich eines Gemeinschaftsbetriebs zwischen Laseremitter und Positionsbestimmungseinheit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Lichtemittiergerät einen Laseremitter zum Emittieren eines fächerartigen bzw. aufgefächerten Laserstrahls, der um eine Ausbreitungsachse mit einer vorbestimmten Rotationsrichtung rotiert. Demgemäß kann ein Laserstrahl bereitgestellt werden, der leichter durch einen Detektor detektiert werden kann, da die Größe des Laserpunkts sehr stark vergrößert wird, speziell, wenn der Abstand zwischen dem Laseremitter und einem Objekt, auf dem der Laserpunkt detektiert werden soll, groß ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Programm bereitgestellt werden mit Instruktionen, ausgebildet zum Hervorrufen in einem Datenverarbeitungsmittel, ein Verfahren mit den obigen Merkmalen auszuführen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein computerlesbares Medium bereitgestellt werden, in dem ein Computerprogramm verkörpert ist, wobei das Programm einen Computer dazu bringt, das Verfahren mit den obigen Merkmalen auszuführen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt werden, das das computerlesbare Medium umfasst.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen offenbart.

1 stellt ein Positionierungsgerät und einen Laseremitter gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar.
2A und 2B stellen einen Detektor des Positionierungsgeräts und seinen Betrieb detaillierter dar.
3 stellt Betriebsschritte bzw. Vorgänge eines Verfahrens zum Bestimmen einer Positionsbeziehung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
4 stellt Betriebsschritte eines Verfahrens zum Bestimmen des Orts eines Detektors gemäß einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung dar.
5 stellt einen anderen Detektor des Positionierungsgerät gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dar.
6 stellt ein Diagramm zum Erklären dar, wie eine Positionsbeziehung zwischen einem Detektor und einer Ausbreitungsachse bestimmt werden kann.
7 stellt Betriebsschritte eines Verfahrens zum Erhalten eines Abstands zwischen einem Detektor und der Ausbreitungsachse eines Laserstrahls gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dar.
8 stellt eine Position eines Detektors mit Bezug auf den fächerartigen Laserstrahl gemäß einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung dar.
9 stellt ein Diagramm dar, das die in 8 gezeigte Ausführungsform detaillierter erklärt.
10A und 10B stellen eine Änderung in der Anordnung der Ausbreitungsachse zum Erhalten einer Position eines Detektors mit Bezug auf einen Laseremitter gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dar.
11 stellt Elemente einer Positionsbestimmungseinheit und eines Detektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es wird bemerkt, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als die Erfindung begrenzend ausgelegt werden sollte.
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf ein Erhalten einer Positionsbeziehung zwischen einem Detektor eines Positionierungsgeräts und einer Ausbreitungsachse oder Quelle eines Laserstrahls, insbesondere von einem fächerartigen Laserstrahl, der um die Ausbreitungsachse rotiert, und von einem Laseremitter emittiert wird. Kurz gesagt, wird in diesem Prozess ein Positionierungsgerät mit einem Detektor mit mehreren Detektorelementen verwendet zum Lokalisieren eines sich rotierenden fächerartigen Laserstrahls. Im Allgemeinen wird der Laserstrahl auf den Detektorelementen während seiner Rotation bzw. Drehung auftreffen, wobei Detektorsignale erzeugt werden, und die Charakteristiken der Detektorsignale, beispielsweise Zeitsequenz, Zeitbeziehung, etc., können verwendet werden. Beispielsweise befindet sich, basierend auf einer bekannten Richtung der Rotation und nach einem Erhalten einer Zeitbeziehung zwischen Detektionssignalen von den Detektorelementen, die erzeugt werden durch einen fächerartigen Laserstrahl, der auf ihnen auftrifft, der Detektor an einer Position mit Bezug auf die Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls.
Diese Detektion kann beispielsweise entweder verwendet werden zum Bewegen des Detektors in Richtung des Zentrums der Rotation des Laserstrahls, um die Position des Detektors mit Bezug auf das Rotationszentrum des Laserstrahls zu bestimmen.
1 stellt Elemente eines Positionierungsgeräts 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar, umfassend einen Detektor 120 und eine Positionsbestimmungseinheit 130.
Der Detektor 120 detektiert Licht eines Laseremitters 140. Insbesondere detektiert gemäß dieser Ausführungsform der Detektor 120 Licht von einem fächerartigen Laserstrahl, der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert.
Beispielsweise emittiert der Laseremitter 140 den fächerartigen Laserstrahl und Mittel werden bereitgestellt zum Rotieren des Strahls um die Ausbreitungsachse. Im Einzelnen kann der Laseremitter 140 Teil eines Lichtemittiergeräts sein, in dem eine drehbare zylindrische Linse oder eine andere drehbare Brechungsstruktur, wie zum Beispiel ein Gitter oder eine Öffnung (Apertur) in dem Laserstrahl bereitgestellt werden kann zum Auffächern des Laserstrahls. Die zylindrische Linse ist passend angeordnet zum Rotieren um die Richtung der Ausbreitung, das heißt, um die Ausbreitungsachse des Lasers. Bei Rotation erzeugt der fächerartige Laserstrahl einen Lichtkegel mit der Ausbreitungsachse als Zentrumsachse der Rotation.
Das emittierte Licht des fächerartigen Laserstrahls kann dann detektiert werden durch den Detektor 120 des Positionierungsgeräts 100, der mit einem weiten Abstand von dem Laseremitter 140 platziert werden kann. Der Detektor 120 umfasst mindestens zwei Detektorelemente, beispielsweise Detektorelement A und Detektorelement B, wie in 1 gezeigt. Die Detektorelemente A und B sind in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet und können jeweils ein Detektionssignal ausgeben, wenn sie durch den fächerartigen Laserstrahl bestrahlt werden.
Die Detektorelemente können durch irgendeinen bekannten Photodetektor, wie zum Beispiel eine Photodiode, Lawinenphotodiode oder Ladungskopplungsspeicher-(Charge Coupled Device, CCD)-Element(e) realisiert werden.
Sobald Licht von dem fächerartigen Laserstrahl detektiert wird an einem oder mehreren Detektorelementen, kann ein oder mehrere Detektionssignale ausgegeben werden durch den Detektor 120 an die Positionsbestimmungseinheit (PDU) 130, wie beispielsweise in 1 gesehen werden kann.
Die Positionsbestimmungseinheit 130 arbeitet als ein Controller und Prozessor und kann verwirklicht werden durch eine Hardware-Anordnung, wie zum Beispiel verdrahtete Schaltungen, oder ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) oder Software oder eine passende Kombination der Obigen. Ein Implementierungsbeispiel wird später mit Bezug auf 11 gezeigt. Die Funktionen, die durch die Positionsbestimmungseinheit 130 ausgeführt werden, werden im Folgenden beschrieben.
Wie in 1 gesehen werden kann, kann die Positionsbestimmungseinheit 130 einen ersten Satz von Detektionssignalen von dem Detektor 120 erhalten, die detektiert werden durch die Detektorelemente, beispielsweise durch eine I/O-Schnittstelle.
Die Positionsbestimmungseinheit 130 bestimmt mindestens eine erste Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes der Detektionssignale von den Detektorelementen und kann dann eine Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse bestimmen auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung und der Rotationsrichtung. Die erste Zeitbeziehung kann implizit schon die Rotationsrichtung aufweisen, da die Zeitbeziehung einen Zeitunterschied kennzeichnen kann, sowie eine Zeitsequenz, was unten beschrieben werden wird.
Beispielsweise wird, wie in 1 gesehen werden kann, wenn der fächerartige Laserstrahl in einer Richtung im Uhrzeigersinn rotiert, wie in 1 gezeigt, Licht zuerst Detektorelement A bestrahlen und dann Detektorelement B. Auf Grundlage dieser Information kann die Positionsbestimmungseinheit bestimmen, dass der Detektor 120 rechts mit Bezug auf die Ausbreitungsachse, d.h. dem Zentrum des Kreises in 1, platziert ist.
Deshalb wird eine Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse erhalten, so dass, falls sich der Detektor auf einem zu messenden Objekt befindet, die Ausbreitungsachse in die Richtung des Detektors bewegt werden kann. Oder umgekehrt, falls der Laserstrahl nicht bewegt werden sollte, der Detektor in die Richtung des Zentrums des Kegels bewegt werden kann, der durch den fächerartigen Laserstrahl erzeugt wird. Zur Klarstellung der in 1 gezeigten Perspektive wird bemerkt, dass der in 1 gezeigte Kreis das Basisteil eines Lichtkegels ist, der erzeugt wird durch den sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl.
In 1 wird das Positionierungsgerät 100 mit zwei getrennten Elementen gezeigt, nämlich dem Detektor 120 und der Positionsbestimmungseinheit 130. Jedoch erkennt der Fachmann, dass der Detektor 120 und die Positionsbestimmungseinheit 130 auch in einem Element integriert sein können, um das Positionierungsgerät 100 zu bilden.
Ferner wird bemerkt, dass das Positionierungsgerät 100 auch den Laseremitter 140 umfassen kann, was dann angesehen werden kann als ein Positionierungssystem mit den Elementen 120, 130 und 140, gezeigt in 1, und im Einzelnen oben beschrieben.
Des Weiteren kann der Laseremitter 140 einen Teil eines Messungsinstruments sein, wie zum Beispiel eines Theodoliten, Videotacheometer oder Totalstation oder einer anderen Art von optischem Instrument zum Bestimmen einer Position eines Objekts.
In einer anderen Ausführungsform kann der Detektor verwendet werden als ein 2D-Layout-Gerät. Beispielsweise detektiert der Detektor gewisse Positionen, wie zum Beispiel Eckpunkte oder andere charakteristische Merkmale, welche verwendet werden können zum Definieren einer zu erstellenden Struktur. Genauer gesagt, kann der Umriss eines Gebäudes im Gelände definiert werden durch Positionen, die durch den Detektor gemessen werden. Deshalb kann der Umriss eines Gebäudes definiert werden oder im Gelände geplant werden, bevor das tatsächliche Gebäude gebaut wird.
Eine detailliertere Erklärung der Funktionen, die durch das Positionierungsgerät 100 ausgeführt werden, das den Detektor 120 und die Positionsbestimmungseinheit 130 enthält, werden unten mit Bezug auf 2A und 2B beschrieben.
2A und 2B stellen den Lichtkegel des sich rotierenden fächerartigen Laserstrahls auf einer Ebene dar, in der ein Detektor platziert ist.
Im Einzelnen wird der fächerartige Laserstrahl 210 in 2A und 2B als grauer Balken gezeigt, der in einem Koordinatensystem rotiert, in dem der Detektor 220 mit den Detektorelementen A und B sich befindet. In Drehung bzw. Rotation deckt der fächerartige Laserstrahl 210 mit seiner Ausbreitungsachse rechtwinklig zur Ebene und den Ursprung des Koordinatensystems schneidend, den Kreis ab, der gekennzeichnet ist durch Bezugszeichen 230, was die Basis des Lichtkegels darstellt, der erzeugt wird durch den fächerartigen Laserstrahl 210, mit der Zentrumsachse der Rotation als Ausbreitungsachse.
Wie oben hingewiesen, kann von 2A gesehen werden, dass, wenn der fächerartige Laserstrahl 210 in der Richtung im Uhrzeigersinn rotiert, wie durch den Pfeil 250 gekennzeichnet, ein Detektionssignal zuerst erhalten werden kann von dem Detektorelement A, und dann nach einem weiteren Rotationswinkel ein anderes Detektionssignal ausgegeben werden kann von dem Detektorelement B. Deshalb kann ein erster Satz von Detektionssignalen erhalten werden von den Detektorelementen A und B, die entlang einer ersten Linie angeordnet sind. Dabei kann aus der Sequenz von erhaltenen Detektionssignalen bestimmt werden, nämlich Detektionssignal vom Detektorelement A, das zuerst empfangen wird, und Detektionssignal von Detektorelement B, das als zweites empfangen wird, dass der Detektor sich in einem Halbkreis rechts von der Ausbreitungsachse befindet, was durch die Schraffur in 2 gezeigt ist.
Zusätzlich zu dem ersten Satz von Detektionssignalen kann die Positionsbestimmungseinheit 130 einen zweiten Satz von Detektionssignalen von den Detektorelementen, die entlang einer zweiten Linie angeordnet sind, erhalten, wobei die erste und zweite Linie nicht parallel mit Bezug aufeinander sind. Ein Beispiel eines zweiten Satzes von Detektionssignalen wird mit Bezug auf 2B beschrieben.
In 2B ist der gleiche fächerartige Laserstrahl 210 mit der gleichen Rotationsrichtung gezeigt, der den Kreis 230 bei Drehung abdeckt. Jedoch wird, im Gegensatz zu 2, der Detektor 220 um 90 Grad gedreht, so dass die Detektorelemente A' und B' wieder entlang einer Linie angeordnet sind, aber nun entlang einer zweiten Linie in einer horizontalen Richtung und nicht mehr einer vertikalen Richtung, wie vorher.
Wie aus 2B gesehen werden kann, wird, wenn der fächerartige Laserstrahl sich im Uhrzeigersinn dreht, das Detektorelement B' zuerst bestrahl durch das Laserlicht und gibt ein Detektionssignal aus, und dann wird das Detektorelement A' bestrahlt. Durch Empfangen dieser Signale als ein zweiter Satz von Detektionssignalen kann die Positionsbestimmungseinheit 130 eine zweite Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes bestimmen, was in diesem Beispiel kennzeichnet, dass der Detektor 120 in einem oberen Halbkreis mit Bezug auf die Ausbreitungsachse, nämlich dem Ursprung des Koordinatensystems, platziert ist. Hier zeigt wieder der schraffierte Halbkreis den als den Bereich bestimmten Halbkreis, in dem der Detektor mit Bezug auf die Ausbreitungsachse platziert ist.
Deshalb kann durch Kombinieren der zwei Messungen in 2A und 2B ein Viertelkreis definiert werden, in dem der Detektor 220 sich befindet, nämlich der Viertelkreis in dem oberen rechten Quadrant des Koordinatensystems. Deshalb kann der Detektor in die Richtung des Zentrums des Koordinatensystems bewegt werden, was da ist, wo der Laserstrahl die Ebene schneidet, falls der Laserstrahl nicht aufgefächert wäre. Ferner kann, wie oben beschrieben, auch der Laserstrahl oder der fächerartige Laserstrahl in die Richtung des Detektors bewegt werden, so dass ein automatisches Nachverfolgen des Detektors realisiert werden kann durch Messen des Detektororts, Bewegen des Laserstrahls in Richtung des Detektors und Messen des Orts des Detektors wieder auf eine rekursive Art und Weise.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist, wie mit Bezug auf 2A beschrieben, die erste Zeitbeziehung eine erste Zeitsequenz der Detektionssignale des ersten Satzes von Detektionssignalen und die Positionsbestimmungseinheit 130 bestimmt eines von mindestens zwei Segmenten einer Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, in der sich der Detektor befindet, beispielsweise durch den schraffierten Halbkreis in 2A.
Ferner ist, falls zusätzlich ein zweiter Satz von Detektionssignalen erhalten wird, wie mit Bezug auf 2B beschrieben, die zweite Zeitbeziehung eine zweite Zeitsequenz der Detektionssignale des zweiten Satzes, und die Positionsbestimmungseinheit bestimmt eines von mindestens vier Segmenten der Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, und in welcher der Detektor sich befindet, auf Grundlage der ersten Zeitsequenz und der zweiten Zeitsequenz. Das eine der vier Segmente in dem Beispiel von 2A und 2B ist der Viertelkreis, schraffiert in beiden Figuren, der sich in dem oberen rechten Quadrant des Koordinatensystems befindet.
Es wird bemerkt, dass der Detektor 120 nicht notwendigerweise 90 Grad rotiert werden muss, aber auch andere Rotationswinkel der Detektorelemente verwendet werden können, um befriedigende Ergebnisse zu erhalten.
Im Folgenden werden Betriebsschritte des Positionierungsgeräts mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 stellt ein Flussdiagramm von Betriebsschritten eines Verfahrens zum Erhalten einer Positionsbeziehung zwischen einem Detektor und einer Ausbreitungsachse eines Laserstrahls dar, wie zum Beispiel während einem Betrieb des Positionierungsgeräts 100 in 1.
In einem ersten Betriebsschritt 310, wenn der Betrieb aufgenommen wird, detektiert ein Detektor, beispielsweise der Detektor 120 von 1 oder der Detektor, der mit Bezug auf 5 später beschrieben wird, Licht von einem fächerartigen Laserstrahl, der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert. Wie oben beschrieben, hat der Detektor mindestens zwei Detektorelemente, die auf eine bekannte räumliche Beziehung miteinander angeordnet sind, und gibt ein Detektionssignal aus, wenn eines bestrahlt wird durch den fächerartigen Laserstrahl, der emittiert werden kann von einem Laseremitter, beispielsweise dem Laseremitter 140, der in 1 gezeigt ist. Bevorzugt ist die Richtung der Rotation eines fächerartigen Laserstrahls bekannt. Beispielsweise kann ein Positionierungssystem immer eine Rotation im Uhrzeigersinn verwenden oder alternativ kann die Rotationsrichtung dem Positionierungsgerät von dem Laseremitter übermittelt werden durch entweder einer festen Leitung oder einer drahtlosen Verbindung, was detaillierter später mit Bezug auf 11 beschrieben werden wird.
In einem nachfolgenden Betriebsschritt 320 wird ein erster Satz von Detektionssignalen von den Detektorelementen erhalten. In einem einfachen Fall umfasst der Satz zwei Detektionssignale, beispielsweise ein Detektionssignal von dem Detektorelement A und ein anderes Detektionssignal von dem Detektorelement B des Detektors 120 von 1. Dann können die Detektionssignale gesendet werden an die Positionsbestimmungseinheit 130 zur weiteren Verarbeitung.
Eine Verarbeitung kann in einem Betriebsschritt 330 ein Bestimmen enthalten von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes. Beispielsweise kann eine Zeitbeziehung eine Zeitsequenz sein, die kennzeichnet, welches Signal zuerst empfangen wurde und den Zeitunterschied zwischen den Signalen.
In einem Betriebsschritt 340 wird eine Positionsbeziehung zwischen dem Detektor und der Ausbreitungsachse bestimmt auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung und der Rotationsrichtung. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, bei Kenntnis der Rotationsrichtung und der Sequenz der Detektionssignale, die von den Detektorelementen kommen, es bestimmt werden, wo auf einer Ebene ein Detektor sich befindet mit Bezug auf die Ausbreitungsachse. Ferner kann, wie in 2A gezeigt, die Positionsbestimmungseinheit 130 bestimmen, dass der Detektor sich in einem Halbkreis befindet, positioniert rechts der Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls.
Optional kann, um den Bereich weiter einzuschränken, in dem sich der Detektor befindet, eine zweite Messung ausgeführt werden zum Erhalten eines zweiten Satzes von Detektionssignalen, was im Einzelnen mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, in der der erste Satz von Detektionssignalen erhalten wurde mit einer ersten Orientierung und der zweite Satz von Detektionssignalen erhalten wurde mit einer zweiten Orientierung, gedreht mit Bezug auf die erste Orientierung.
4 stellt ein Flussdiagramm dar, das die Beispiele, die mit Bezug auf 2A und 2B beschrieben wurden, zusammenfasst.
In dem Flussdiagramm von 4 bezeichnet t die Zeit, wenn Licht des fächerartigen Laserstrahls detektiert wird. Insbesondere bezeichnet t_A die Zeit, wenn Licht empfangen wird durch das Detektorelement A und t_B bezeichnet die Zeit, wenn Licht empfangen wurde durch das Detektorelement B. Ähnlich sind t_A' und t_B' die Zeiten, wenn Licht empfangen wird durch Detektorelemente A' und B', welches die gleichen Detektorelemente wie A und B sein können, aber von einer zweiten Messung, nachdem der Detektor gedreht wurde, oder auch andere Detektorelemente sein können. Es wird bemerkt, dass eine absolute Messung der Zeit nicht notwendig ist und eine relative Zeit zwischen den Detektorelementen sollte ausreichend sein, um die Vorteile der Erfindung zu erlangen.
In Betriebsschritt 410 wird bestimmt, ob Licht zuerst durch Detektorelement A empfangen wurde, was bedeutet t_A<t_B.
Falls dies erfüllt ist, schreitet der Fluss zu Betriebsschritt 415, in dem bestimmt wird, dass der Detektor sich in einem Halbkreis rechts mit Bezug auf die Ausbreitungsachse befindet, wie in 2A gesehen werden kann. Nachfolgend schreitet der Fluss zu Betriebsschritt 420, in dem der Detektor gedreht wird, wie in 2B dargestellt, um beispielsweise 90 Grad, so dass die erste Linie und die zweite Linie rechtwinklig sind.
In dem nächsten Betriebsschritt 425 wird bestimmt, ob t_A' länger ist als die Zeit t_B' . Falls diese Bestimmung zutrifft, schreitet der Fluss zu Betriebsschritt 435 oder ansonsten, falls dies nicht zutrifft, zu Betriebsschritt 430.
In Betriebsschritt 430 wird dann bestimmt, dass der Detektor sich in einem unteren Halbkreis mit Bezug auf die Ausbreitungsachse befindet. Andererseits wird in Betriebsschritt 435 bestimmt, dass sich der Detektor in einem oberen Halbkreis befindet, wie vorher mit Bezug auf 2B diskutiert.
Mit dem Wissen, dass der Detektor sich in einem rechten Halbkreis befindet, und sich in einem oberen Halbkreis mit Bezug auf die Ausbreitungsachse befindet, folgt, dass der Detektor sich in einem Viertelkreis befindet, nämlich in einem oberen rechten Quadrant des Koordinatensystems, gezeigt in 2A und 2B.
Unter Betrachtung des Falls, in dem die Zeit t_B kürzer ist als die Zeit t_A , wird die Bestimmung in Betriebsschritt 410 nicht erfüllt und der Fluss schreitet fort zu Betriebsschritt 440. In Betriebsschritt 440 wird bestimmt, dass der Detektor in einem linken Halbkreis ist mit Bezug auf die Ausbreitungsachse, nämlich dem nicht-schraffierten Halbkreis in 2A. Dies bedeutet, dass der in dem rechten Arm von 4 beschriebene Fall nicht in den 2A und 2B gezeigt ist.
In dem folgenden Betriebsschritt 445 wird der Detektor gedreht, bevorzugt um 90 Grad. In Betriebsschritt 450 wird bestimmt, ob die Zeit t_A' länger ist als die Zeit t_B' . Falls dies zutrifft, schreitet der Fluss fort zu Betriebsschritt 460, in dem es bestimmt wird, dass der Detektor in dem oberen Halbkreis ist. Falls dies nicht zutrifft, schreitet der Fluss fort zu Betriebsschritt 455, in dem es bestimmt wird, dass der Detektor in dem unteren Halbkreis ist.
Deshalb kann, unter Verwendung des einfachen in 4 gezeigten Flusses, eine ungefähre Position des Detektors mit Bezug auf die Ausbreitungsachse bestimmt werden, so dass entweder der Detektor oder der Laserstrahl bewegt werden kann mit Bezug aufeinander, falls erwünscht.
Im Folgenden stellt 5 eine andere Ausführungsform der Erfindung dar, in der der Detektor drei Detektorelemente umfasst.
In 5 ist der fächerartige Laserstrahl bezeichnet mit Bezugszeichen 510 und der Detektor mit Bezugszeichen 520. Der Detektor 520 umfasst drei Detektorelemente, nämlich Detektorelement A, Detektorelement B und Detektorelement C. Ähnlich zum Obigen kann ein Detektorelement irgendein bekannter Photodetektor sein, wie zum Beispiel eine Photodiode, Lawinenphotodiode oder CCD-Element(e).
In dem hierin beschriebenen Beispiel umfasst der Detektor 520 drei Detektorelemente, eine erste Verbindungslinie zwischen einem ersten Detektorelement A und einem zweiten Detektorelement C mit einer ersten vorbestimmten Länge a, und eine zweite Verbindungslinie zwischen einem dritten Detektorelement B und dem zweiten Detektorelement C mit einer zweiten vorbestimmten Länge b, wobei die erste und zweite Verbindungslinie nicht parallel sind. Hier wird der erste Satz von Detektionssignalen erhalten von dem ersten und dem zweiten Detektorelement A und C und der zweite Satz von Detektionssignalen wird erhalten von dem zweiten und dritten Detektorelement C und B.
Es wird erwähnt, dass die drei Detektorelemente bevorzugt wie in 5 gezeigt orientiert sind, das heißt, Detektorelemente A und C in einer ersten vertikalen Linie und Detektorelemente C und B in einer zweiten horizontalen Linie rechtwinklig zu der vertikalen Linie.
Deshalb kann die Positionsbestimmungseinheit den ersten Satz von Detektionssignalen mit dem Detektor mit einer ersten Orientierung erhalten, und den zweiten Satz der Detektionssignale mit dem Detektor mit einer zweiten Orientierung erhalten ohne, dass eine Rotation notwendig ist. Jedoch wird bemerkt, dass dieser Fall zu der gleichen Information führt, wie ein Verwenden von nur zwei Detektorelementen, aber zwei Messungen, wobei die zwei Detektorelemente gedreht werden von einer ersten Orientierung zu einer zweiten Orientierung. Ferner erkennt der Fachmann, dass verschiedene Orientierungen existieren, um den Vorteil der Erfindung zu erreichen, und dass der Detektor nicht auf zwei oder drei Detektorelemente begrenzt ist.
Ähnlich zum Obigen kann auch aus 5 gesehen werden, dass, wenn ein Detektionssignal zuerst detektiert wird durch Detektorelement A, dann ein Detektionssignal detektiert wird durch Detektorelement C, und letztendlich ein Detektionssignal detektiert wird durch Detektorelement B, es bestimmt werden kann, dass der Detektor sich in einem Viertelkreis in dem oberen rechten Quadrant des Koordinatensystems befindet, wie in 5 gezeigt.
Bis jetzt wurden Beispiele beschrieben, in denen der ungefähre Ort eines Detektors in einem Koordinatensystem bestimmt wird. Jedoch kann das Positionierungsgerät und das Positionierungsverfahren, das hierin beschrieben ist, ferner ausgebildet sein zum Bestimmen der exakten Position eines Detektors, was im Folgenden mit Bezug auf 6 beschrieben wird.
Zum Ableiten der exakten Position kann die Winkelgeschwindigkeit ω des sich rotierenden fächerartigen Laserstrahls verwendet werden. Die Winkelgeschwindigkeit kann direkt von dem Laseremitter erhalten werden oder insbesondere von der Rotationsgeschwindigkeit der zylindrischen Linse, die sich vor dem Laseremitter befindet, was oben beschrieben wurde.
Ferner kann die Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls auch bestimmt werden durch die Positionsbestimmungseinheit selbst durch Bestimmen eines Wiederholungszeitintervalls zwischen zwei Detektionssignalen von dem gleichen Detektorelement.
Beispielsweise unter Betrachtung des Detektorelements A und einer Rotation im Uhrzeigersinn des fächerartigen Laserstrahls, kann aus 5 oder auch aus 1, 2A und 2B gesehen werden, dass wenn die Winkelgeschwindigkeit konstant ist, ein Zeitunterschied zwischen zwei Detektionssignalen vom Detektorelement A einer Rotation des fächerartigen Laserstrahls um 180 Grad entspricht. Deshalb kann die Winkelgeschwindigkeit leicht abgeleitet werden durch den Detektor ohne irgendein Wissen über die sich drehende zylindrische Linse.
Kurz gesagt, kann die Position des Detektors in dem Koordinatensystem, gezeigt in 5, in dem das Zentrum der Rotation des Lichtkegels des fächerartigen Laserstrahls der Ursprung ist, wie folgt abgeleitet werden.
Zuerst bestimmt die Positionsbestimmungseinheit ein erstes Zeitintervall zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes und ein zweites Zeitintervall zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes. In dem Beispiel von 6 wird das erste Zeitintervall erhalten von den Detektionssignalen von Detektorelement A und Detektorelement C, und das zweite Zeitintervall wird erhalten von den Detektionssignalen von dem Detektorelement C und dem Detektorelement B.
Dann kann die Positionsbestimmungseinheit zwei Winkel bestimmen auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls und dem ersten und zweiten Zeitintervall, erhalten von den entsprechenden Detektorelementen. Diese zwei Winkel entsprechend den Winkeln α und β in 6, was leicht abgeleitet werden kann, wenn die Zeit bekannt ist, die benötigt wird beispielsweise für eine 180 oder 360 Grad Drehung, das heißt, die Winkelgeschwindigkeit und die Zeit, die der fächerartige Laserstrahl von Detektorelement A zu B braucht, und die Zeit von Detektorelement C zu B.
Wie im Einzelnen mathematisch im Folgenden gezeigt wird, kann auf Grundlage der zwei Winkel und der räumlichen Beziehung der Detektorelemente, nämlich ihrer Längen a und b, ein Abstand des Detektors zu der Ausbreitungsachse abgeleitet werden.
6 stellt ein Diagramm dar mit einem x-y-Koordinatensystem, in dem der Ursprung des Koordinatensystems das Rotationszentrum ist, nämlich der Schnittpunkt einer Ebene, in der ein Detektor sich befindet, mit der Ausbreitungsachse. Der Detektor in 6 ist beispielhaft gezeigt mit den Detektorelementen A, B und C, wobei die Linie bzw. Verbindung zwischen A und C eine Länge a und die Linie zwischen Detektorelement C und B eine Länge b aufweist.
In der folgenden mathematischen Ableitung der Position des Detektors wird angenommen zur Einfachheit, dass die Länge a der Länge b gleicht, dass die erste Verbindungslinie zwischen a und c parallel ist zu der y-Achse und die zweite Verbindungslinie zwischen C und B parallel ist zu der x-Achse. Ferner wird die Winkelgeschwindigkeit ω als konstant angenommen.
Unten wird gezeigt, wie x₀ , was der Abstand in x-Richtung zwischen Detektorelement C und dem Ursprung ist, und Y₀ , was der Abstand in x-Richtung zwischen dem Detektorelement C und dem Ursprung ist, erhalten werden von den Winkeln α und β und der Länge zwischen den Detektorelementen a.
Die Berechnung ist wie folgt: $\begin{array}{l} tan α = \frac{a'}{r} \\ tan β = \frac{b'}{r} \\ \to \frac{a'}{b'} = \frac{tan α}{tan β} \end{array}$
Mit dem Sinussatz und der Summenformel: $\begin{array}{l} \frac{a'}{a} = \frac{sin (90 ° - α - γ)}{sin (90 ° + α)} = \frac{sin (90 ° - δ)}{sin (90 ° + α)} (δ = α + γ) \\ \frac{a'}{a} = \frac{sin 90 ° cos 90 ° - sin δ cos 90 °}{sin 90 ° cos α + sin α cos 90 °} = \frac{cos δ}{cos α} = \frac{cos (α + γ)}{cos α} \\ \frac{a'}{a} = \frac{cos α cos γ - sin α sin γ}{cos α} = cos γ - \frac{sin α}{cos α} sin γ = cos γ - tan α sin γ \\ a' = a (cos γ - tan α sin γ) \end{array}$
$\frac{b'}{a} = \frac{sin (γ - β)}{sin (90 ° + β)}$
$\frac{b'}{a} = \frac{sin γ cos β - sin β cos γ}{sin 90 ° cos β + sin β cos 90 °} = sin γ - \frac{sin β}{cos β} cos γ = sin γ - tan β cos γ$
$b' = a (sin γ - tan β cos γ)$
(2) : (3) = (1), dies bedeutet Substituieren von Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (1) führt zu $\begin{array}{l} \frac{a'}{b'} = \frac{a (cos γ - tan α sin γ)}{a (sin γ - tan β cos γ)} = \frac{tan α}{tan β} \\ tan α sin γ - tan α tan β cos γ = tan β cos γ - tan β tan α sin γ \\ sin γ (tan α + tan α tan β) = cos γ (tan β + tan α tan β) \\ \frac{sin γ}{cos γ} = tan γ = \frac{tan β + tan α tan β}{tan α + tan α tan β} \\ tan γ = \frac{(\frac{1}{tan α} + 1)}{(\frac{1}{tan β} + 1)}; γ = arctan (\frac{(\frac{1}{tan α} + 1)}{(\frac{1}{tan β} + 1)}) \end{array}$
$\begin{array}{l} tan γ = \frac{y_{0}}{x_{0}} \\ y_{0} = x_{0} tan γ \end{array}$
$tan (α + γ) = \frac{y_{0} + a}{x_{0}}$
(5) in (6) $\begin{array}{l} tan (α + γ) = \frac{x_{0} tan γ + a}{x_{0}} \\ x_{0} = \frac{a}{tan (α + γ) - tan γ} \end{array}$
(4) in (7) $x_{0} = \frac{a}{tan (α + arctan (\frac{\frac{1}{tan α} + 1}{\frac{1}{tan β} + 1})) - \frac{\frac{1}{tan α} + 1}{\frac{1}{tan β} + 1}}$
$y_{0} = x_{0} \frac{\frac{1}{tan α} + 1}{\frac{1}{tan β} + 1}$
Wie aus den Gleichungen (8) und (9) gesehen werden kann, hängen diese Gleichungen nur von den Winkeln α und β und der Länge a ab, was durch die Detektorgeometrie gegeben ist.
Wie oben beschrieben, können die Winkel α und β leicht berechnet werden durch Kenntnis der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls und der Zeitdifferenz zwischen Licht, das detektiert wird durch Detektorelement A und Licht, das detektiert wird durch Detektorelement C, und dem Zeitunterschied zwischen Licht, das detektiert wird durch Detektorelement C und Licht, das detektiert wird durch Detektorelement B.
Im Folgenden wird ein Beispiel gegeben, um die Gleichungen (8) und (9) zu überprüfen. Hier wird angenommen, dass x₀=1000mm ist, y₀=250mm und a=30mm, und α und β gewünscht sind. $\begin{array}{l} ε = γ - β \\ tan ε = \frac{y_{0}}{x_{0} + a} \to ε = arctan (\frac{y_{0}}{x_{0} + a}) = arctan (\frac{250 m m}{1000 m m + 30 m m}) = 13,6429148 ° \end{array}$
$\begin{array}{l} tan γ = \frac{y_{0}}{x_{0}} \to γ = arctan (\frac{y_{0}}{x_{0}}) = arctan (\frac{250 m m}{1000 m m}) = 14,03624347 ° \\ \underline{β = γ - ε = 14,03624347 ° - 13,6429148 ° = 0,393328667 °} \\ tan (α + γ) = \frac{y_{0} + a}{x_{0}} \to \\ α + γ = arctan (\frac{y_{0} + a}{x_{0}}) = arctan (\frac{250 m m + 30 m m}{1000 m m}) = 15,64224646 ° \\ \underline{α = 15,64224646 ° - γ = 15,64334646 ° - 14,03624347 ° = 1,60600299 °} \end{array}$
Die erhaltenen Ergebnisse für die Winkel α und β können dann in Gleichungen (8) und (9) eingesetzt werden, um ihre Gültigkeit zu prüfen.
Für x₀ kann gefunden werden $\begin{array}{l} x_{0} = \frac{a}{tan (α + arctan (\frac{\frac{1}{tan α} + 1}{\frac{1}{tan β} + 1})) - \frac{\frac{1}{tan α} + 1}{\frac{1}{tan β} + 1}} \\ \frac{30 m m}{tan (1,60600299 ° + arctan (\frac{\frac{1}{tan 1,60600299 °} + 1}{\frac{1}{tan 0,393328667 °} + 1})) - \frac{\frac{1}{tan 1,60600299 °} + 1}{\frac{1}{tan 0,393328667 °} + 1}} = 1000 m m \end{array}$
Wie oben beschrieben, wurde angenommen, dass die erste Verbindungslinie und die zweite Verbindungslinie parallel sind zu der x-Achse bzw. y-Achse.
Deshalb wird eine relative Position, nämlich eine Position in einem Koordinatensystem, das definiert wird durch die Verbindungslinien der Detektorelemente, erreicht.
Ferner kann es erwünscht sein, die Position in einem anderen Referenzkoordinatensystem zu erhalten, beispielsweise einem Referenzkoordinatensystem unter Verwendung der Gravitationskraft als eine Achse.
In einer Ausführungsform bestimmt die Positionsbestimmungseinheit einen Referenzwinkel von einem der Detektorelemente mit Bezug auf eine Referenzorientierung und bestimmt eine Position des Detektors relativ zu der Ausbreitungsachse und der Referenzorientierung auf Grundlage des Referenzwinkels und des Abstands des Detektors zu der Ausbreitungsachse.
Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, die Referenzorientierung die gleiche Richtung wie die Gravitationskraft aufweisen, oder kann rechtwinklig sein zu der Gravitationskraft, so dass ein Referenzkoordinatensystem verwendet werden kann, das vergleichbar ist zu anderen bekannten Referenzkoordinatensystemen, wie beispielsweise dem einen, das verwendet wird in einem globalen Positionierungssystem (GPS, Global Positioning System). Ein Lagesensor kann verwendet werden zum Kennzeichnen von mindestens einer Referenzorientierung des Detektors im Raum beispielsweise. Der Lagesensor kann bereitgestellt werden in dem Detektor, was später in 11 beschrieben wird.
In dem Flussdiagramm, das unten mit Bezug auf 7 beschrieben ist, werden die Betriebsschritte der oben beschriebenen Berechnung zusammengefasst durch Bezugnahme auf die Positionsbestimmungseinheit 130 und den in 6 gezeigten Detektor.
Der Fachmann wird erkennen, dass gleiche Ergebnisse zu den Ergebnissen, die erhalten werden mit dem in 6 gezeigten Detektor mit drei Detektorelementen, auch erhalten werden können mit den Detektoren 120, 220, die in 1, 2A und 2B gezeigt sind, durch Drehen dieses Detektors 120, 220, wie in 2B gezeigt.
Der erste Betriebsschritt in der Ausführungsform, der beschrieben wird mit Bezug auf 7, ist Betriebsschritt 310, der vorher beschrieben wurde mit Bezug auf 3. In diesem Betrieb wird Licht eines fächerartigen Laserstrahls, der um die Ausbreitungsachse rotiert, detektiert mit mindestens zwei Detektorelementen, die angeordnet sind in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander. Wie im Folgenden diskutiert, ist es äquivalent, ob zwei Messungen mit zwei Detektorelementen durchgeführt werden bei einem unterschiedlichen Winkel mit Bezug aufeinander oder ob ein Detektor mit drei Elementen verwendet wird.
In einem Betriebsschritt 720 werden ein erster Satz von Detektionssignal von Detektorelementen, angeordnet entlang einer ersten Linie, und ein zweiter Satz von Detektionssignalen von Detektorelementen, angeordnet entlang einer zweiten Linie, erhalten. Bevorzugt sind die erste und zweite Linie rechtwinklig mit Bezug aufeinander, was beispielsweise der Fall für Detektor 520 von 5 oder den Detektor ist, der in 6 gezeigt ist.
In einem nachfolgenden Betriebsschritt 730 wird ein Wiederholungszeitintervall zwischen zwei Detektionssignalen von dem gleichen Detektorelement bestimmt zum Erhalten der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls. Details von diesem Betriebsschritt wurden oben beschrieben, und es wird Bezug genommen auf die obige Erklärung zum Vermeiden nicht notwendiger Wiederholungen.
Im Betriebsschritt 740 werden ein erstes Zeitintervall zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes und ein zweites Zeitintervall zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes bestimmt. Beispielsweise kann das erste Zeitintervall das Zeitintervall sein zwischen dem Detektionssignal von Detektorelement A, wenn Licht dieses Detektorelement trifft, und das Detektionssignal von dem Detektor C, wenn Licht das Detektorelement C trifft. Das zweite Zeitintervall kann entsprechend erhalten werden von den Detektionssignalen von Detektorelementen C und B, wenn Licht des fächerartigen Laserstrahls diese Elemente trifft.
In Betriebsschritt 750 können zwei Winkel, beispielsweise α und β von 6, bestimmt werden auf Grundlage der obigen Winkelgeschwindigkeit und im ersten und zweiten Zeitintervall.
Wie oben im Einzelnen gezeigt, können in einer Berechnung der Position des Detektors zwei Winkel und die räumliche Beziehung der Detektorelemente verwendet werden im Betriebsschritt 760 zum Bestimmen eines Abstands des Detektors zu der Ausbreitungsachse, das heißt, eine relative Position zu der Ausbreitungsachse in einem Koordinatensystem mit der Ausbreitungsachse als Ursprung.
8 stellt eine spezifische Ausführungsform zum leichten Ableiten des Abstands zwischen dem Rotationszentrum, das heißt, der Ausbreitungsachse, und dem Detektor dar.
In 8 ist der fächerartige Laserstrahl mit Bezugszeichen 810 bezeichnet, und der Detektor, der die Detektorelemente A, C und B umfasst, ist bezeichnet mit Bezugszeichen 820.
Wie mit Bezug auf 9 gesehen werden wird, ist es in dieser Ausführungsform wichtig, dass die Verbindungslinie zwischen Detektorelementen A und C rechtwinklig ist zu dem fächerartigen bzw. aufgefächerten Laserstrahl, wie in 8 gezeigt. Solch eine Orientierung ist leicht zu erreichen mit einem Detektor, der drei Detektorelemente aufweist, mit ihren Verbindungslinien parallel zueinander, wie in 8 gezeigt. Beispielsweise kann von der Geometrie des Detektors 820 abgeleitet werden, dass, falls zwei Detektionssignale von den Detektorelementen C und B nacheinander ausgegeben werden, beide Detektoren auf dem fächerartigen Laserstrahl platziert sind zur gleichen Zeit, und die erste Verbindungslinie zwischen Detektorelementen A und C ist rechtwinklig mit Bezug auf den fächerartigen Laserstrahl.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der Zeitunterschied von Detektionssignalen von den Detektorelementen C und B Null, und der Zeitunterschied zwischen Detektionssignalen von Detektorelementen A und C entspricht dem Winkel a, der in 9 gezeigt ist.
Im Einzelnen zeigt 9 die geometrische Beziehung zwischen den Detektorelementen und dem Koordinatensystem, und den Abstand r zwischen einem Detektorelement C und dem Ursprung des Koordinatensystems, was das Rotationszentrum des Lichtkegels sein kann, wobei die Rotationsachse die vorher beschriebene Ausbreitungsachse ist, rechtwinklig zu der Ebene.
Unter Verwendung der geometrischen Beziehungen, die in 9 gezeigt sind, kann ein Abstand r leicht erhalten werden durch
$tan α = \frac{a}{r}$
was führt zu $r = \frac{a}{tan α},$

wobei die Länge a bekannt ist und α mit der Kenntnis der Winkelgeschwindigkeit berechnet werden kann unter Verwendung des Zeitunterschieds zwischen der Zeit der Detektionssignale von Detektorelementen A und C.
Wie oben gesehen werden kann, ist in der Berechnung mit Bezug auf 8 und 9 die Kenntnis über die Rotationsrichtung nicht notwendig zum Berechnen des Abstands r.
In den beschriebenen Ausführungsformen kann die Zeit gemessen werden in der Positionsbestimmungseinheit gemäß der Erzeugung und Ankunft der Detektionssignale oder kann sogar schon bestimmt werden in einem Detektorelement selbst durch Bereitstellen des Signals von dem Detektorelement an die Positionsbestimmungseinheit mit einem Zeitstempel, um nur einige mögliche Verfahren für die Zeitmessung zu nennen.
Ferner kann x₀=r cos β und y₀=r sin β, wie in 9 gesehen werden kann, erhalten werden mit Winkel β, der gemessen werden kann durch einen Lagesensor.
Zuvor wurden Messungen des Abstands von dem Detektor an die Laserausbreitungsachse beschrieben. In der folgenden Ausführungsform wird eine Position des Detektors mit Bezug auf die Laserquelle, beispielsweise der Laseremitter von 1, beschrieben mit Bezug auf 10A und 10B.
In 10A sind ein Laseremitter 1040, der irgendein passender Laser sein kann, der verwendet wird für Vermessungsinstrumente, und ein Detektor 1000 bei einer Position X1, Y1 gezeigt. Es wird bemerkt, dass gemäß der Erfindung, da Detektoren zum Detektieren des Laserstrahls verwendet werden und nicht das bloße Auge, der Laseremitter nicht begrenzt ist auf sichtbares Licht, aber auch Infrarotlicht verwendet werden kann, das nicht mit dem Auge gesehen werden kann, aber durch einen Detektor detektiert werden kann.
Im Gegensatz zu den vorherigen 2A, 2B, 5, 6, 8 und 9, die alle eine x-y-Ebene eines Koordinatensystems zeigen, wird in 10A und 10B eine y-z-Ebene gezeigt.
Zuerst bestimmt das Positionierungsgerät die Koordinaten X1 und Y1 zu dem Kreuzungspunkt bzw. Schnittpunkt zwischen dem Rotationszentrum und der Ebene, in der sich der Detektor befindet. Dies kann durchgeführt werden, wie oben beschrieben, durch Erhalten eines ersten und zweiten Satzes von Detektionssignalen und Bestimmen eines ersten und zweiten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen zum Erhalten von zwei Winkeln zwischen den Detektorelementen.
Als Nächstes wird, wie in 10B gesehen werden kann, die Ausbreitungsachse des Laseremitters 1040 geneigt um einen bekannten Winkel. Hier kann der gesamte Laseremitter geneigt werden oder einfach ein Spiegel oder Prisma kann verwendet werden zum Neigen der Ausbreitungsachse.
Dann kann die Position X2, Y2 mit Bezug auf die neue Orientierung der geneigten Ausbreitungsachse, nämlich die Position mit Bezug auf den neuen Ursprung 0', wie folgt abgeleitet werden.
Ein dritter und vierter Satz von Detektionssignalen werden erhalten, wobei die Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls des Laseremitters 1040 geneigt ist um einen Winkel mit Bezug auf die Orientierung der Ausbreitungsachse, wenn der erste Satz und zweite Satz der Detektionssignal erhalten werden.
Nachfolgend können ein drittes Zeitintervall zwischen den Detektionssignalen des dritten Satzes und ein viertes Zeitintervall zwischen den Detektionssignalen des vierten Satzes bestimmt werden zum Ableiten von zwei anderen Winkeln zwischen den Detektorelementen unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls, so dass ein zweiter Abstand von dem Detektor zu der geneigten Ausbreitungsachse, nämlich Y2, erhalten werden kann.
Es wird bemerkt, dass die Berechnung von Y2 äquivalent zu der Berechnung von Y1 ist, was im Detail mit Bezug auf 6 beschrieben wurde, wobei in der vorliegenden Ausführungsform die x-Koordinate nicht verwendet werden muss.
Wie aus den einfachen geometrischen Beziehungen in 10A und 10B gesehen werden kann, kann der Abstand b berechnet werden durch d=Y2'-Y1, wobei Y2'=Y2/cos(α). Wenn Winkel α klein ist, was gewöhnlicher Weise der Fall ist für einen großen Abstand a₁ , kann der Unterschied zwischen Y2' und Y2 vernachlässigbar sein.
Mit Kenntnis des Neigungswinkels α in 10B, kann der Abstand a₁ erhalten werden durch a₁=d/tan(α), wobei der Abstand b zwischen Detektor und Laseremitter erhalten werden kann unter Verwendung von der Gleichung von Pythagoras was zu $b = \sqrt{(a_{1}^{2} + Y 1^{2})}$
führt.
Deshalb wird der Abstand b zwischen Detektor und Laseremitter erhalten durch Bestimmen von zwei Positionen des Detektors 1000 mit Bezug auf zwei unterschiedliche Orientierungen der Ausbreitungsachse.
Im Folgenden wird 11 beschrieben. 11 stellt Elemente einer Positionsbestimmungseinheit und eines Detektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
Im Einzelnen umfasst die Positionsbestimmungseinheit 1100 von 11 einen Controller 1110, einen Speicher 1130 und eine I/O-Schnittstelle 1150. Optional kann die Positionsbestimmungseinheit 1100 auch einen Fern-Transceiver 1140 (Fernsteuerung) umfassen, was detaillierter später diskutiert wird.
Der Detektor 1120 umfasst mindestens zwei Detektorelemente A und C. Optional können mehr Detektorelemente bereitgestellt werden, wie zum Beispiel Detektorelement B. Ferner kann in einer Ausführungsform der Detektor 1120 auch einen Lagesensor 1125 umfassen zum Kennzeichnen einer Referenzorientierung, beispielsweise der Richtung des Gravitationsfeldes der Erde.
Wie oben beschrieben, kann das Positionierungsgerät die Positionsbestimmungseinheit 1100 und den Detektor 1120 als zwei getrennte Einheiten umfassen oder die Positionsbestimmungseinheit 1100 und der Detektor 1120 können in einer Einheit integriert werden oder nur einzelne Elemente des Detektors können in der Positionsbestimmungseinheit integriert werden.
Der Controller 1110 kann durch irgendeine Art von Verarbeitungsmittel, Mikroprozessor, Computer, Field Programmable Gate Array (FPGA) oder integrierte Schaltung, wie zum Beispiel eine Application Specific Integrated Circuit (ASIC, anwendungsspezifische integrierte Schaltung) verwirklicht werden, aber ist nicht darauf begrenzt.
Beispielsweise kann der Controller 1110 einen Prozessor aufweisen, der mehrere Software-Elemente ablaufen lässt, beispielsweise Software-Elemente, die den Funktionen entsprechen, die in den Betriebsschritten der obigen Verfahren beschrieben wurden.
Der Speicher 1130 kann irgendein passendes oder gewünschtes Speichergerät sein, und kann eines sein oder eine Kombination von mehreren der folgenden Komponenten, ein RAM, ein ROM, eine Festplatte, ein (E)EPROM, eine Disc, ein Flash-Speicher, etc. Ein Flash-Speicher kann passend sein zum Exportieren oder Importieren eines Programmcodes. Der Programmcode, der in dem Speicher 1030 gespeichert ist, kann ein Programm sein mit Instruktionen ausgebildet zum Hervorrufen in dem Datenverarbeitungsmittel des Controllers 1110, Betriebsschritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Die I/O-Schnittstelle 1150 kann ausgebildet sein zum Empfangen von Detektionssignalen von dem Detektor 1120. Ferner ist es auch möglich, dass die Positionsbestimmungseinheit 1100 und der Detektor 1120 andere Informationen austauschen, wie zum Beispiel ein Starten der Detektion, Anhalten der Detektion und Bereitstellen von Ladesensorinformation an die Positionsbestimmungseinheit 1100.
Deshalb kann, wie oben beschrieben, der Controller 1110 Detektionssignale von dem Detektor 1120 durch die I/O-Schnittstelle 1150 empfangen und die Betriebsschritte der oben beschriebenen Verfahren ausführen durch Bezugnahme auf den Speicher 1130 mit den entsprechenden Instruktionen.
Ferner kann ein Fern-Transceiver 1140 enthalten sein in der Positionsbestimmungseinheit 1100 zum Kommunizieren mit einem Instrument, das den Laseremitter umfasst, wie zum Beispiel ein lichtemittierendes Gerät oder ein Vermessungsinstrument. Beispielsweise kann ein anderer Transceiver eines Vermessungsinstruments für eine Kommunikation mit dem Transceiver 1140 der Positionsbestimmungseinheit 1100 in dem Positionierungsgerät mit Instruktionen für das Vermessungsinstrument versorgt werden, um die Laserstrahlposition zu ändern, so dass der Laserstrahl des Vermessungsinstruments automatisch in Richtung des Detektors 1120 geführt werden kann. Die Kommunikation zwischen dem Vermessungsinstrument und dem Positionierungsgerät kann physikalisch verwirklicht werden durch feste Leitungen oder durch eine drahtlose Verbindung, wie zum Beispiel Funk, WLAN, beispielsweise IEEE 802.11 oder Bluetooth oder irgendeine andere passende drahtlose Verbindung.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Controller, der beispielsweise irgendeine Art von Prozessor enthält, die Form von verschiedenen Kombinationen von Prozessoren und Betriebssystemen oder einem Einzelgerät annehmen kann. Ferner können die Verfahren implementiert werden auf einem Datenverarbeitungscomputer, wie zum Beispiel einem PC, einer Workstation, einem Main-Frame-Computer oder anderem Computer, der ein Betriebssystem, wie zum Beispiel Microsoft Windows und Windows 2000 aufweist, die verfügbar sind von der Microsoft Corporation aus Redmond, Washington/USA oder Solaris, das verfügbar ist von Sun Microsystems, Inc. von Santa Clara, Kalifornien/USA oder verschiedenen Versionen des Unix-Betriebsystems, wie zum Beispiel Linux, das von einer Anzahl von Händlern verfügbar ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Programm bereitgestellt werden, das Instruktionen enthält, ausgebildet zum Bewirken in einem Datenprozessor, der ein Teil des Controllers 1110 sein kann, Kombinationen der oben beschriebenen Betriebsschritte auszuführen.
Das Programm oder Elemente desselben können in einem Speicher gespeichert werden, wie zum Beispiel einem ROM oder RAM oder einem anderen passenden Speichergerät, beispielsweise dem Speicher 1130 von 11, und zur Ausführung wiedergeholt werden durch den Datenprozessor.
Über dies hinaus kann ein computerlesbares Medium bereitgestellt werden, in dem das Programm verkörpert ist. Das computerlesbare Medium kann gegenständlich sein, wie zum Beispiel eine Disc, oder andere Datenträger sind beispielsweise darstellbar durch Signale, passend für eine elektronische, optische oder eine andere Art von Übertragung. Ein Computerprogrammprodukt kann das computerlesbare Medium umfassen.
Die obigen Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung können es erlauben, eine Detektion eines Laserstrahls auszuführen und eine Positionsbeziehung zu erhalten zwischen dem Laserstrahl und Detektor für verschiedene Zwecke. Beispielsweise kann, wie oben erklärt, die Erfindung angewandt werden auf eine Vermessung, wobei ein Vermessungsinstrument bereitgestellt wird mit einem Laseremitter und das Licht desselben wird detektiert und analysiert durch das Positionierungsgerät, wobei so ein automatisiertes Vermessungssystem realisiert wird. Deshalb kann eine schnelle und einfache Detektion und Automation dieses Prozesses erreicht werden.
Es sollte verstanden werden, dass Betriebsschritte, die hierin beschrieben werden, nicht sich inhärent auf irgendein bestimmtes Gerät oder Einheit beziehen, und implementiert werden können durch eine passende Kombination von Komponenten. Diese Geräte, System und Einheiten, die im Detail oben beschrieben sind, stellen bevorzugte Ausführungsformen zum Ausführen der Betriebsschritte der beschriebenen Verfahren dar. Jedoch ist dies nicht auf das Obige begrenzt.
Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in den Geräten, dem System, den Einheiten und Verfahren der Erfindung durchgeführt werden können, sowie in dem Aufbau dieser Erfindung ohne den Umfang oder Geist der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und Beispiele beschrieben, die in allen Aspekten eher als darstellend und nicht als beschränkend vorgesehen sind. Der Fachmann wird erkennen, dass viele Kombinationen von Hardware, Software und Firmware passend sind zum Verwirklichen bzw. Praktizieren der vorliegenden Erfindung.
Über dies hinaus werden andere Implementierungen der Erfindung dem Fachmann ersichtlich aus der Betrachtung der Beschreibung und Ausführung der Erfindung, die hierin offenbart ist. Es ist vorgesehen, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden. Zudem wird verstanden, dass erfinderische Aspekte in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen vorhergehenden offenbarten Implementierung oder Konfigurierung liegen. Deshalb ist der wahre Umfang und Geist der Erfindung gekennzeichnet durch die folgenden Ansprüche.

Claims

Positionierungsgerät (100), umfassend: einen Detektor (120) zum Detektieren von Licht eines fächerartigen Laserstrahls (210), der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert und mindestens zwei Detektorelemente (A, B) aufweist, die in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, zum Ausgeben eines Detektionssignals, wenn eines durch den fächerartigen Laserstrahl (210) eines Laseremitters (140) bestrahlt wird; und eine Positionsbestimmungseinheit (130) zum Erhalten eines ersten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen (A, B), Bestimmen von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes, und Bestimmen einer Positionsbeziehung zwischen dem Detektor (120) und der Ausbreitungsachse auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung, und einen Transceiver (1140) zum drahtlosen Kommunizieren mit einem Instrument, das den Laseremitter (140) umfasst, um die Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls (210) zu ändern oder einen öffnungswinkel eines Lichtkegels zu erhöhen oder zu verringern, der erzeugt wird durch den sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl (210).
Das Positionierungsgerät (100) nach Anspruch 1, wobei der erste Satz der Detektionssignale erhalten wird von Detektorelementen, die entlang einer ersten Linie angeordnet sind, und wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Erhalten eines zweiten Satzes von Detektionssignalen von Detektorelementen, die entlang einer zweiten Linie angeordnet sind, wobei die erste und zweite Linien nicht parallel zueinander sind; und Bestimmen von mindestens einer zweiten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes.
Das Positionierungsgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die erste Zeitbeziehung eine erste Zeitsequenz der Detektionssignale des ersten Satzes ist, und wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Bestimmen von einem von mindestens zwei Segmenten einer Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, in der sich der Detektor (120) befindet.
Das Positionierungsgerät (100) nach Anspruch 3, wobei die zweite Zeitbeziehung eine zweite Zeitsequenz der Detektionssignale des zweiten Satzes ist, und wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Bestimmen von mindestens vier Segmenten der Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, in der sich der Detektor (120) befindet, auf Grundlage der ersten Zeitsequenz und der zweiten Zeitsequenz.
Das Positionierungsgerät (100) nach einem der Ansprüche 2-4, wobei der Detektor (120) mindestens drei Detektorelemente (A, B, C) enthält, wobei eine erste Verbindungslinie zwischen einem ersten der Detektorelemente (A) und einem zweiten der Detektorelemente (B) eine erste vorbestimmte Länge (a) aufweist, und nicht parallel ist zu einer zweiten Verbindungslinie zwischen einem dritten der Detektorelemente (C) und dem zweiten Detektorelement (B) mit einer zweiten vorbestimmten Länge (b); und wobei der erste Satz von Detektionssignalen erhalten wird von dem ersten und dem zweiten Detektorelement (A, B), und wobei der zweite Satz von Detektionssignalen erhalten wird von dem zweiten und dem dritten Detektorelement (B, C).
Das Positionierungsgerät (100) nach einem der Ansprüche 2-4, wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Erhalten des ersten Satzes von Detektionssignalen, wobei der Detektor (120) eine erste Orientierung aufweist, und zum Erhalten des zweiten Satzes von Detektionssignalen, wobei der Detektor (120) eine zweite Orientierung aufweist, die gedreht ist mit Bezug auf die erste Orientierung.
Das Positionierungsgerät (100) nach einem der Ansprüche 2-6, wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Bestimmen eines Wiederholungszeitintervalls zwischen zwei Detektionssignalen von dem gleichen Detektorelement und zum Bestimmen einer Winkelgeschwindigkeit (ω) des fächerartigen Laserstrahls (210), basierend darauf.
Das Positionierungsgerät (100) nach Anspruch 7, wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Bestimmen eines ersten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes und eines zweiten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes; Bestimmen, auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des aufgefächerten Laserstrahls und des ersten und zweiten Zeitintervalls einer Vielzahl von von Detektorelementen, zwei Winkeln zwischen den Detektorelementen; und Bestimmen, auf Grundlage der zwei Detektorelementwinkel und der räumlichen Beziehung der Detektorelemente, eines Abstands des Detektors (120) zur Ausbreitungsachse.
Das Positionierungsgerät (100) nach Anspruch 8, wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Erhalten eines dritten und vierten Satzes von Detektionssignalen, wobei die Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls (210) eines Laseremitters (140) um einen Winkel mit Bezug auf die Orientierung der Ausbreitungsachse geneigt ist, zum Erhalten des ersten Satzes und zweiten Satzes der Detektionssignale; Bestimmen eines dritten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des dritten Satzes und eines vierten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des vierten Satzes; Bestimmen, auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls (210) und des dritten und vierten Zeitintervalls einer Vielzahl von Detektorelementen, von zwei anderen Winkeln zwischen den Detektorelementen; Bestimmen, auf Grundlage der zwei anderen Detektorelementwinkel und der räumlichen Beziehung der Detektorelemente, von einem zweiten Abstand des Detektors zu der geneigten Ausbreitungsachse; und Bestimmen, auf Grundlage des Abstands und des zweiten Abstands, einer Position des Detektors (120) mit Bezug auf den Laseremitter (140).
Das Positionierungsgerät (100) nach mindestens einem der Ansprüche 8 und 9, wobei die Positionsbestimmungseinheit (130) ausgebildet ist zum Bestimmen eines Referenzwinkels von einem der Detektorelemente mit Bezug auf eine Referenzorientierung und Bestimmen einer Position des Detektors (120) relativ zu der Ausbreitungsachse und der Referenzorientierung basierend auf dem Referenzwinkel und dem Abstand des Detektors (120) zur Ausbreitungsachse.
Das Positionierungsgerät (100) nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der Detektor (120) mindestens einen Lagesensor enthält zum Kennzeichnen von mindestens einer Referenzorientierung des Detektors (120) im Raum.
Das Positionierungsgerät (100) nach einem der Ansprüche 1-11, ferner umfassend: einen Laseremitter (140) zum Emittieren des fächerartigen Laserstrahls (210), der um die Ausbreitungsachse mit der Rotationsrichtung rotiert.
Positionierungsverfahren eines Positionierungsgeräts (100), umfassend: Detektieren von Licht eines fächerartigen Laserstrahls (210), der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert, durch einen Detektor (120) mit mindestens zwei Detektorelementen (A, B), die in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, und Ausgeben eines Detektionssignals, wenn eines durch den fächerartigen Laserstrahl (210) eines Laseremitters (140) bestrahlt wird; Erhalten eines ersten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen (A, B); Bestimmen von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes; und Bestimmen einer Positionsbeziehung zwischen dem Detektor (120) und der Ausbreitungsachse auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung, und wobei das Positionierungsgerät (100) drahtlos über einen Transceiver (1140) mit einem Instrument, das den Laseremitter (140) umfasst, kommuniziert, um die Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls (210) zu ändern oder einen Öffnungswinkel eines Lichtkegels zu erhöhen oder zu verringern, der erzeugt wird durch den sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl (210).
Das Positionierungsverfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Erhalten des ersten Satzes von Detektionssignalen von Detektorelementen, die entlang einer ersten Linie angeordnet sind, und Erhalten eines zweiten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen (A, B), die angeordnet sind entlang einer zweiten Linie, wobei die erste und zweite Linie nicht parallel mit Bezug zueinander sind; und Bestimmen von mindestens einer zweiten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes.
Das Positionierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, wobei die erste Zeitbeziehung eine erste Zeitsequenz der Detektionssignale des ersten Satzes ist, und das Verfahren ferner umfasst Bestimmen von mindestens zwei Segmenten einer Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, in der sich der Detektor (120) befindet.
Das Positionierungsverfahren nach Anspruch 15, wobei die zweite Zeitbeziehung eine zweite Zeitsequenz der Detektionssignale des zweiten Satzes ist, und das Verfahren ferner umfasst Bestimmen von mindestens vier Segmenten der Ebene, die die Ausbreitungsachse schneidet, in der sich der Detektor (120) befindet auf Grundlage der ersten Zeitsequenz und der zweiten Zeitsequenz.
Das Positionierungsverfahren nach einem der Ansprüche 14-16, wobei der Detektor (120) mindestens drei Detektorelemente (A, B, C) enthält, wobei eine erste Verbindungslinie zwischen einem ersten der Detektorelemente (A) und einem zweiten der Detektorelemente (B) mit einer ersten vorbestimmten Länge (a) nicht parallel ist zu einer zweiten Verbindungslinie zwischen einem dritten der Detektorelemente (C) und dem zweiten Detektorelement (B) mit einer zweiten vorbestimmten Länge (b); und das Verfahren ferner umfasst Erhalten des ersten Satzes von Detektionssignalen von dem ersten und zweiten Detektorelement (A, B), und Erhalten des zweiten Satzes der Detektionssignale von dem zweiten und dritten Detektorelement (B, C).
Das Positionierungsverfahren nach einem der Ansprüche 14-16, ferner umfassend: Erhalten des ersten Satzes von Detektionssignalen mit dem Detektor (120) mit einer ersten Orientierung, und Erhalten des zweiten Satzes von Detektionssignalen mit dem Detektor (120) mit einer zweiten Orientierung, gedreht mit Bezug auf die erste Orientierung.
Das Positionierungsverfahren nach einem der Ansprüche 14-18, ferner umfassend: Bestimmen eines Wiederholungszeitintervalls zwischen zwei Detektionssignalen von dem gleichen Detektorelement, und Bestimmen einer Winkelgeschwindigkeit (ω) des fächerartigen Laserstrahls (210), basierend darauf.
Das Positionierungsverfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Bestimmen eines ersten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes und eines zweiten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des zweiten Satzes; Bestimmen, auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls (210) und des ersten und zweiten Zeitintervalls einer Vielzahl von Detektorelementen, von zwei Winkeln zwischen den Detektorelementen; und Bestimmen, auf Grundlage der zwei Detektorelementwinkel und der räumlichen Beziehung der Detektorelemente, eines Abstands des Detektors (120) zur Ausbreitungsachse.
Das Positionierungsverfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend: Erhalten eines dritten und vierten Satzes von Detektionssignalen mit der Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls (210) eines Laseremitters (140), geneigt um einen Winkel mit Bezug auf die Orientierung der Ausbreitungsachse zum Erhalten des ersten Satzes und zweiten Satzes der Detektionssignale; Bestimmen eines dritten Zeitintervalls zwischen Detektionssignalen des dritten Satzes und eines vierten Zeitintervalls zwischen den Detektionssignalen des vierten Satzes; Bestimmen, auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des fächerartigen Laserstrahls (210) und des dritten und vierten Zeitintervalls einer Vielzahl von Detektorelementen, von zwei anderen Winkeln zwischen den Detektorelementen; Bestimmen, auf Grundlage der zwei anderen Detektorelementwinkel und der räumlichen Beziehung der Detektorelemente, eines zweiten Abstands des Detektors (120) zur geneigten Ausbreitungsachse; und Bestimmen, auf Grundlage des Abstands und des zweiten Abstands, einer Position des Detektors (120) mit Bezug auf den Laseremitter (140).
Das Positionierungsverfahren nach einem der Ansprüche 20 und 21, ferner umfassend: Bestimmen eines Referenzwinkels von einem der Detektorelemente mit Bezug auf eine Referenzorientierung, und Bestimmen einer Position des Detektors (120) relativ zu der Ausbreitungsachse und der Referenzorientierung auf Grundlage des Referenzwinkels und des Abstands des Detektors (120) zur Ausbreitungsachse.
Das Positionierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13-22, ferner umfassend: Kennzeichnen von mindestens einer Referenzorientierung des Detektors (120) im Raum unter Verwendung von mindestens einem Lagesensor.
Positionierungssystem, umfassend: einen Laseremitter (140) zum Emittieren eines fächerartigen Laserstrahls (210), der um eine Ausbreitungsachse mit einer Rotationsrichtung rotiert; einen Detektor (120) mit mindestens zwei Detektorelementen (A, B), die in einer bekannten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, zum Ausgeben eines Detektionssignals, wenn eines durch den fächerartigen Laserstrahl (210) bestrahlt wird; eine Positionsbestimmungseinheit (130) zum Erhalten eines ersten Satzes von Detektionssignalen von den Detektorelementen (A, B), Bestimmen von mindestens einer ersten Zeitbeziehung zwischen den Detektionssignalen des ersten Satzes, und Bestimmen einer Positionsbeziehung zwischen dem Detektor (120) und der Ausbreitungsachse auf Grundlage der ersten Zeitbeziehung, und einen Transceiver (1140) zum drahtlosen Kommunizieren mit einem Instrument, das den Laseremitter (140) umfasst, um die Ausbreitungsachse des fächerartigen Laserstrahls (210) zu ändern oder einen Öffnungswinkel eines Lichtkegels zu erhöhen oder zu verringern, der erzeugt wird durch den sich rotierenden fächerartigen Laserstrahl (210).
Ein Programm mit Instruktionen, ausgebildet zum ein Datenverarbeitungsmittel dazu zu bringen, das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13-23 auszuführen.
Ein computerlesbares Medium, in dem ein Computerprogramm verkörpert ist, wobei das Programm einen Computer dazu bringt, das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13-23 auszuführen.
Ein Computerprogrammprodukt, umfassend das computerlesbare Medium nach Anspruch 26.