ES2333151T3 - Aparato y metodo para determinar una elevacion de herramientas de trabajo. - Google Patents

Abstract

Aparato para determinar una elevación de una herramienta de trabajo respecto a un plano (100) de referencia, que comprende: un sistema (110) láser giratorio que emite al menos dos haces (120) láser con forma de abanico no paralelos que divergen en un plano inclinado respecto al plano (100) de referencia; una unidad de radio configurada para medir una distancia (150) entre la herramienta de trabajo y el sistema (110) láser giratorio basándose en el tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta; y un detector (130) montado en la herramienta de trabajo para detectar cada uno de los haces láser, en el que la elevación de la herramienta de trabajo se determina basándose en un retardo de tiempo entre la recepción de los haces (120) láser con forma de abanico en el detector (130) y la distancia (150) entre la herramienta de trabajo y el sistema (110) láser giratorio.

Description

Aparato y método para determinar una elevación de herramientas de trabajo.

La presente invención se refiere a un aparato y a un método para determinar una elevación de una herramienta de trabajo con respecto a un plano de referencia y especialmente a un sistema de posicionamiento láser basado en
radio.

Con el fin de dirigir una máquina de construcción o, más en general, una herramienta de trabajo en una obra de construcción, existe una necesidad de determinar no sólo una posición de la máquina de construcción a lo largo de direcciones horizontales, sino también obtener y controlar una elevación vertical. Existen diferentes métodos disponibles para levantar un perfil del terreno y dirigir herramientas de trabajo o máquinas de construcción de manera correspondiente. Por ejemplo, puede configurarse un sistema para medir la posición absoluta basándose en GPS (GPS = Global Positioning System, Sistema de Posicionamiento Global). Un sistema diferente mide las posiciones locales o relativas con respecto a un punto de referencia y usa, por ejemplo, lo que se denominan estaciones totales o transmisores láser. También se conocen combinaciones de ambos sistemas.

Además, hay disponibles herramientas de medición sencillas que usan un perfil del terreno existente como base sobre la que se desarrolla un nuevo perfil.

Se conocen, en general, sistemas de posicionamiento basados en GPS, por ejemplo, sistemas de bolsillo o montados. Para conseguir un aumento de la precisión de la posición, son posibles diferentes enfoques. Por ejemplo, puede usarse una estación de referencia o evaluación RTK (RTK = Real Time Kinematics, cinemática en tiempo real) y, dependiendo del esfuerzo y los recursos, es posible una precisión de posición en una región de un centí-
metro.

En sistemas que usan la estación total, una estación de medición guiada por robot sigue un prisma montado en una pieza móvil y transmite las coordenadas evaluadas a un receptor, que evalúa basándose en estos datos una posición local del prisma dentro de la obra de construcción. El esfuerzo es significativo y en sistemas que usan la estación total sólo puede seguirse un prisma en un momento dado, lo que es desventajoso, aunque la precisión de posición alcanza ya el intervalo de menos de un centímetro.

Los sistemas basados en láser se usan en casos en los que el conocimiento acerca de la elevación por encima de un plano horizontal o de referencia es más importante que la posición exacta dentro del plano horizontal. Por ejemplo, éste es el caso para la construcción en una posición conocida o para construcción subterránea de edificios o de redes de saneamiento.

Los transmisores láser convencionales funcionan preferiblemente de manera que un espejo giratorio refleja a 90º un haz láser alineado en vertical a modo de punto. Como consecuencia, se genera un plano de luz horizontal con forma de abanico, que presenta una pequeña convergencia y alcanza un radio de aproximadamente 300 metros. Puesto que toda la unidad está sobre una plataforma autonivelante interna, se obtiene una referencia óptica estable, que puede detectarse mediante una disposición vertical de fotodiodos.

También se conocen sistemas combinados basados en GPS y láser. La señal de GPS se usa como una información de elevación aproximada. El sistema láser transmite haces láser con forma de abanico (tal como un haz láser con forma de Z, por ejemplo) y se usa para mejorar significativamente la precisión o resolución vertical, es decir, la información acerca de la elevación a lo largo del eje z. Este método se conoce como GPS milimétrico y combina la ventaja de medición de alta precisión con la posibilidad de que varios participantes usen el sistema simultáneamente. Sin embargo, técnicamente es muy costoso.

Tales sistemas se describen, por ejemplo, en el documento US 6.947.820. Otro sistema láser con dos o más transmisores en posiciones conocidas se describe en el documento US 6.630.993. En este caso, cada sistema láser barre de manera continua el lugar de trabajo y, a partir de los ángulos relativos entre la herramienta de trabajo y las posiciones del transmisor, puede calcularse la posición de la herramienta de trabajo. Otro sistema láser giratorio más se describe en el documento US 6.535.282 y usa mediciones de impulso estroboscópico y de retardo de tiempo para determinar los ángulos relativos y la posición de la herramienta de trabajo. Otro sistema láser que usa señales estroboscópicas de radio se describe en el documento WO 92/03701, en el que una señal de radio se transmite siempre que el sistema láser giratorio pasa por un punto específico y se usa una medición de retardo de tiempo para determinar el ángulo relativo. Con el fin de determinar las tres coordenadas de la posición se necesitan tres sistemas láser giratorios.

El objeto de la presente invención es proporcionar un aparato y un método para determinar una elevación de una herramienta de trabajo respecto a un plano de referencia con una precisión alta al tiempo que se proporciona un sistema barato y fácil de manejar que puede usarse por varios participantes a la vez.

Este objeto se consigue mediante un aparato según la reivindicación 1, y mediante un método según la reivindicación 10.

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Según realizaciones de la presente invención, un aparato para determinar una elevación de una herramienta de trabajo respecto a un plano de referencia comprende un sistema láser giratorio que emite al menos dos haces láser con forma de abanico no paralelos que divergen en un plano inclinado respecto al plano de referencia, una unidad de radio configurada para medir una distancia entre la herramienta de trabajo y el sistema láser giratorio basándose en el tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta y un detector montado en la herramienta de trabajo para detectar cada uno de los haces láser. La elevación de la herramienta de trabajo se determina basándose en un retardo de tiempo entre la recepción de los haces láser con forma de abanico en el detector y la distancia entre la herramienta de trabajo y el sistema láser giratorio.

Según realizaciones de la presente invención, un método para determinar una elevación de una herramienta de trabajo respecto a un plano de referencia comprende emitir dos haces láser con forma de abanico no paralelos desde un sistema láser giratorio que divergen en un plano inclinado respecto al plano de referencia, detectar un retardo de tiempo entre una recepción de los haces láser con forma de abanico en la herramienta de trabajo y medir una distancia entre el sistema giratorio y el detector (130) en la herramienta de trabajo. La elevación de la herramienta de trabajo se evalúa basándose en el retardo de tiempo detectado y la distancia medida.

Según la presente invención, las realizaciones combinan dos tecnologías, en concreto, un sistema láser giratorio y un módulo de medición de distancia basado en radio.

El sistema de láser según la presente invención amplía el sistema láser convencional mencionado anteriormente de manera que no se genera un haz láser a modo de punto, sino con forma de abanico. En una realización preferida, el haz láser con forma de abanico comprende un haz láser con forma de V. El haz láser con forma de V puede conseguirse, por ejemplo, mediante una óptica especial. Además, el haz láser se transforma en la realización preferida en una "señal en V fija" giratoria mediante un aparato específico, que hace girar, por ejemplo, la óptica alrededor de un eje vertical a una velocidad angular específica. Si la velocidad de giro se ralentizara, tras una proyección de la "señal en V fija" sobre una pared, se formaría una "V" que se movería en una dirección horizontal. La altura de la "V" depende, por un lado, de la óptica elegida (y, por tanto, también está limitada) y, por otro lado, la altura de la "V" depende de la distancia del transmisor al receptor, es decir, a la pared, para este caso en concreto.

Los módulos de medición de distancia codificable, se basan, por ejemplo, en señales de radio (usando, por ejemplo, 5,8 GHz) y se conocen como LPR-B (LPR = Local Positioning Radar, Radar de Posicionamiento Local). Una caja negra transmite una señal de radio y otro aparato, ubicado a una distancia específica (con un máximo aproximado de 500 metros) recibe la señal y devuelve una señal codificada. El transmisor original recibe la información devuelta y evalúa, a partir de un retardo de tiempo entre la transmisión de la señal y la recepción de la señal de retorno, la distancia al aparato. Puede concebirse una precisión que se encuentra dentro de o incluso inferior al intervalo del centímetro. Con este método es posible medir, por medios sencillos, distancias entre un sistema láser giratorio y un detector, que puede ser móvil o estacionario.

La presente invención combina el sistema láser y el módulo de medición de distancia basado en radio y el principio de funcionamiento puede resumirse como sigue.

El sistema láser giratorio se instala en un límite de la obra de construcción y genera el haz láser giratorio con forma de abanico o, de manera más específica, con forma de V, con un vértice inferior de la "V" ajustado a un plano de referencia, o a un horizonte. La altura de la "V" no es constante a lo largo de la propagación del haz láser y la resolución vertical de la "V" es, por ejemplo, del 3,5%. Por lo tanto, a una distancia de 100 metros, el haz láser con forma de V tiene una altura de 3,5 metros y esto corresponde a un ángulo de apertura del haz láser con forma de V de aproximadamente dos grados. Por lo tanto, el haz láser con forma de V giratorio define una zona de detección en la que pueden detectarse impulsos láser, es decir, tiene un límite inferior que viene dado por el plano de referencia y un límite superior que viene dado por la altura de la "V" por encima del plano de referencia. En la práctica, debe llegarse a un equilibrio entre una zona de trabajo grande con la desventaja de una resolución vertical más pequeña o una zona de trabajo pequeña y una resolución vertical mejor.

El haz láser gira e impacta sobre un detector, que puede ser móvil o está montado en una herramienta de trabajo y comprende una lente opcional para enfocar la señal óptica generada por el haz láser. Puesto que el haz láser tiene forma de abanico, la intensidad de radiación por centímetro cuadrado es mucho menor, en comparación con un haz láser convencional y, por tanto, deben usarse preferiblemente fotodiodos especiales o incluso diodos de avalancha para la detección de impulsos del haz láser. La velocidad de giro se mantiene regular y constante mediante la electrónica y, en un ejemplo típico, el láser gira diez veces por segundo.

Si el haz láser impacta sobre el detector con el vértice inferior de la "V", se generará un único impulso, lo que señala que el detector está a la misma altura que el sistema láser o que el detector está en el plano de referencia. Si el detector detecta dos impulsos, el detector está por encima del plano de referencia y cuanto más tiempo pase entre ambos impulsos, más por encima del plano de referencia está el detector. Por tanto, un retardo de tiempo entre ambos impulsos determina el ángulo de elevación del detector con respecto al transmisor láser (posteriormente se explican más detalles). Si no se detecta ningún impulso, el detector está fuera del alcance de detección, es decir, el detector o bien está por debajo o bien a más de la altura de la "V" por encima del plano de referencia.

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El transmisor láser, así como el detector, comprende unidades o módulos de radio adicionales para una medición de distancia. En el caso de que el detector detecte un impulso láser desde el transmisor láser, se inicia una medición de distancia usando los módulos de radio. La medición de distancia usa un tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y devuelta de modo que, una vez transcurrido el tiempo, el resultado de la medición de distancia está disponible. Junto con el ángulo de elevación evaluado, la elevación puede evaluarse y visualizarse.

La presente invención es ventajosa porque se proporciona una mejora de la fiabilidad, debido a que ni se necesita una señal de GPS ni un impulso estroboscópico para la sincronización. La tecnología es sencilla, fiable y disponible con un bajo coste. Especialmente, los transpondedores de radio son muy rápidos y precisos. Además, sólo es necesario un transmisor láser y puede usarse un detector de bolsillo opcional para levantar la zona de trabajo y/o definir junto con el transmisor láser una línea de referencia. Asimismo es beneficioso el que la presente invención permite combinar el control de la elevación con un control de la posición (relativa) local en el plano de referencia.

Las características de la invención se apreciarán más fácilmente y se entenderán mejor en referencia a la siguiente descripción detallada, que debe considerarse en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 muestra un sistema láser giratorio y un detector estacionario con unidades de radio;

la figura 2 muestra el sistema láser giratorio emitiendo un haz láser con forma de V;

la figura 3 muestra el sistema láser giratorio montado en una plataforma de nivel;

la figura 4 muestra el detector estacionario;

las figuras 5a y 5b son vistas esquemáticas sobre un láser que genera el haz láser con forma de V;

la figura 6 muestra señales de impulso detectadas que dependen de una elevación del detector estacionario a una distancia fija;

la figura 7 muestra el haz láser con forma de V;

la figura 8 muestra un detector adicional;

la figura 9 muestra una vista desde arriba sobre una zona de trabajo con el sistema láser giratorio y el detector adicional en dos esquinas; y

la figura 10 es una vista esquemática acerca de las magnitudes geométricas para la realización de la figura 9.

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En la descripción siguiente de las realizaciones de la presente invención, a los elementos iguales o equivalentes o elementos con el mismo efecto o función se les asignan los mismos números de referencia.

La figura 1 muestra una realización de la presente invención con un sistema 110 láser giratorio que transmite un haz 120 láser con forma de V, un detector 130 estacionario dispuesto alejado a cierta distancia 150 del sistema 110 láser giratorio. En su giro, el haz 120 láser con forma de V forma un plano 100 de referencia que viene dado por un vértice inferior del haz 120 láser con forma de V y un plano 105 superior definido por una altura del haz 120 láser con forma de V por encima del plano 100 de referencia. El sistema 110 láser giratorio comprende una unidad de radio (no mostrada en la figura) conectada a una antena 122 de radio y el detector 130 estacionario comprende otra unidad de radio (no mostrada en la figura) conectada a una antena 132 de radio.

El detector 130 estacionario detectará dos impulsos si está ubicado entre el plano 100 de referencia y el plano 105 superior, cuando se detecta el primer impulso se inicia una medición de distancia de manera que el detector 130 estacionario transmite una señal 135 de radio y el sistema 110 láser giratorio responde tras recibir la señal 135 de radio con una señal 125 de radio. El detector 130 estacionario mide un tiempo transcurrido entre la transmisión de la señal 135 y la recepción de la señal 125 de radio de retorno y determina la distancia 150 basándose en el tiempo transcurrido. La señal 125 de radio de retorno puede ser diferente de la señal 135 transmitida y puede comprender un código que identifica el sistema 110 láser giratorio. Esto es ventajoso porque se evitan interpretaciones erróneas en casos en los que varias unidades de radio operan en la zona de trabajo. El sistema 110 láser giratorio comprende un denominado transpondedor de radio.

En una realización diferente, el momento en que se inicia la medición de distancia puede variar. Por ejemplo, la medición de distancia puede iniciarse por el segundo impulso o en otro momento entre ambos impulsos. Usar el segundo impulso para iniciar la medición de distancia es ventajoso porque el primer impulso puede usarse como una señal de alerta, de modo que el sistema inicia una medición de distancia sólo si se detectan dos impulsos en un periodo de tiempo muy corto. Con este enfoque, es posible eliminar señales luminosas de fuentes diferentes y el detector 130 estacionario puede activarse exactamente al recibir haces de luz del sistema 110 láser giratorio usado. Aunque se usen más sistemas láser en la zona de trabajo, mediante diferentes velocidades angulares es posible activar cada detector en su propio sistema láser, es decir, a una elevación dada, ambos impulsos láser se suceden con un retardo que viene dado por la velocidad angular usada y por tanto puede iniciarse una medición de distancia sólo si el retardo de tiempo está dentro de un intervalo de tiempo esperado.

La figura 2 muestra el sistema 100 láser giratorio con una carcasa 112, una salida 114 óptica giratoria para el haz 120 láser con forma de V y la antena 122 de radio conectada a la unidad de radio (no mostrada en la figura). La salida 114 óptica para el haz 120 láser gira, en una realización preferida, a una velocidad angular constante según se indica por la flecha 115. En su giro, el haz 120 láser con forma de V define el plano 100 de referencia (mediante el vértice inferior de la "V") y el plano 105 superior (mediante los extremos superiores de la "V"). El sistema 110 láser giratorio comprende además un soporte 116 usado para montar el sistema 110 láser giratorio sobre una plataforma en una posición fija.

La figura 3 muestra el sistema 100 láser giratorio montado en un soporte 116 sobre un trípode 118. El trípode 118 se usa para nivelar el sistema 110 láser giratorio y comprende un ajuste 124 de altura usado para el ajuste preciso de la elevación del sistema 110 láser giratorio.

La figura 4 muestra el detector 130 estacionario con la antena 132 de radio conectada a una unidad de radio (no mostrada en la figura), una mesa 134 de montaje, una conexión 136 CAN (CAN = Controller Area Network, red de área de controlador) y una disposición de fotocélulas 138. La mesa 134 de montaje se usa para montar el detector 130 estacionario en la herramienta de trabajo en una posición definida. En el ejemplo, la herramienta de trabajo es una máquina de construcción usada para nivelar un perfil del terreno de la obra de construcción, esta posición definida debe tener una altura definida sobre el terreno con el fin de traducir la elevación del detector 130 estacionario sobre el plano 100 de referencia en una elevación del terreno con respecto al plano 100 de referencia. La conexión 136 CAN se usa para conectar el detector 130 estacionario a una unidad de procesamiento, que realiza las evaluaciones de los datos, o a una pantalla si el detector 130 estacionario realiza la evaluación de la elevación.

En una realización preferida, la disposición de fotocélulas 138 rodea completamente al detector 130 estacionario con el fin de poder detectar el haz 120 láser con forma de V desde cualquier dirección horizontal. Esto tiene la ventaja de que la herramienta de trabajo puede moverse libremente en la zona de trabajo al tiempo que detecta el haz 120 láser con forma de V desde el sistema 110 láser giratorio.

La figura 5A muestra una fuente 510 láser que genera un haz 520 láser a modo de punto y una óptica 530 de seguimiento que genera, a partir del haz 520 láser a modo de punto, el haz 120 láser con forma de V. El haz 120 láser con forma de V diverge en un plano inclinado respecto al plano 100 de referencia con un ángulo 550. Un valor a modo de ejemplo del ángulo 550 es dos grados. En su giro, el haz 120 láser con forma de V forma el plano 100 de referencia, que viene dado por el vértice inferior de la "V" y un plano 105 superior, que viene dado por los extremos superiores de la "V". Una zona entre el plano 100 de referencia y el plano 105 superior es una zona 540 de detección, en la que puede detectarse la señal láser. La altura de la "V" y por tanto la altura de la zona 540 de detección viene dada por una función creciente lineal con respecto a una distancia desde la óptica 530.

Con el fin de generar un haz láser giratorio, o bien la fuente 510 láser junto con la óptica 530 están configuradas para girar, o bien en otra realización se añade un dispositivo giratorio adicional, que hace girar el haz 120 láser con forma de V desde la salida de la óptica 530.

La figura 5b muestra una realización en la que el haz 520 láser entra en la óptica 530 no en una dirección horizontal (tal como se muestra en la figura 5a), sino en una dirección vertical desde abajo. En este caso, la óptica 530 se combina con un espejo de modo que el haz 520 láser vertical se convierte en el haz 120 láser con forma de V horizontal. Además, en esta realización la óptica 530 está configurada para generar el giro a una velocidad angular preferiblemente constante y la flecha 115 muestra un sentido de giro a modo de ejemplo. En una realización diferente, el sentido de giro es opuesto o puede variar.

La figura 6 muestra una sección transversal del haz 120 láser con forma de V en un plano perpendicular a una dirección de propagación del haz 120 láser con forma de V. El haz 120 láser con forma de V genera impulsos en el detector 130 estacionario y, dependiendo de una elevación U del detector 130 estacionario, no habrá ningún impulso, habrá un impulso o dos impulsos. Hay un impulso si el detector 130 estacionario está sobre el plano 100 de referencia tal como viene dado por el vértice inferior del haz 120 láser con forma de V. Hay dos impulsos si la elevación U del detector 130 estacionario está dentro de la zona 540 de detección. Si la elevación del detector 130 estacionario está fuera de la zona 540 de detección no se detecta ningún impulso. Esto sucederá si el detector 130 estacionario está o bien por debajo del plano 100 de referencia o bien por encima del plano 105 superior.

Si la elevación del detector 130 estacionario está sobre el plano 100 de referencia se detectará un impulso 600 en un momento to. Si el detector 130 estacionario está dentro de la zona 540 de detección, un retardo de tiempo entre los dos pulsos dependerá de la elevación U. Por ejemplo, a una primera elevación U_{1} el detector 130 estacionario detecta dos impulsos 610 y 612 con un retardo de tiempo \Deltat_{1}; a una segunda elevación U_{2} se detectan dos impulsos 620 y 622 con un retardo de tiempo \Deltat_{2} y, por último, una tercera elevación U_{3} está relacionada con dos impulsos 630 y 632 con un retardo de tiempo \Deltat_{3}.

En esta realización, la dirección de movimiento del haz 120 láser giratorio se indica por la flecha 640 de modo que, dependiendo de la elevación U, los primeros impulsos detectados son 632 ó 622 ó 612, que van seguidos por los impulsos 630 ó 620 ó 610. Con el fin de evaluar la elevación U, la distancia 150 del detector 130 estacionar respecto al sistema 110 láser giratorio se mide por el módulo de radio según se explicó anteriormente.

La figura 7 explica la elevación U del detector 130 estacionario por encima del plano 100 de referencia. En esta realización, el sistema 110 láser giratorio está en una posición A y el detector 130 estacionario está en una posición D, que está por encima del plano 100 de referencia la longitud de la línea DE. El haz 120 láser con forma de V comprende dos abanicos, uno viene dado por el triángulo ABE y el otro viene dado por el triángulo ACE. El ángulo de apertura de la "V" viene dado por el ángulo BEC y la mitad de este ángulo se indica por \alpha, es decir, el punto D está en el punto medio entre los puntos C y B, que son los dos impulsos detectados por el detector 130 estacionario. Un ángulo de elevación se indica mediante \beta y un ángulo \gamma es la mitad de un ángulo de apertura de la "V".

A partir del retardo de tiempo \Deltat entre el momento en el que se detecta el impulso C y el momento en el que se detecta el impulso B, puede calcularse el ángulo \gamma (es decir, el ángulo BAD) y si la velocidad angular constante se indica mediante \omega, el ángulo \gamma será:

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Puesto que el ángulo \alpha también se conoce, el ángulo \beta (ángulo EAD) puede calcularse mediante:

2

La elevación U de la figura 6 viene dada en la figura 7 por la longitud de la línea ED, y si la distancia entre el sistema 110 láser giratorio y el detector 120 estacionario, es decir la longitud de la línea AD, viene dada por r, la elevación U será:

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La longitud r se obtiene a partir de la medición de distancia basada en radio según se describe en la figura 1 para el caso en el que la medición de distancia respecto al sistema 110 láser giratorio en la posición A se realice en medio de ambos impulsos. Si la medición de distancia se inicia en el primer o el segundo impulso, es decir, en el punto C o en el punto D, la elevación U puede obtenerse a partir de

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donde r_{0} indica la longitud de la línea AB, que es la misma que la longitud de la línea AC. Como se mencionó anteriormente, usar el segundo impulso puede ser beneficioso con el fin de activar el detector 120 estacionario en el sistema 110 láser giratorio.

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La figura 8 muestra un detector 810 adicional, con una fotocélula 820, que puede comprender, por ejemplo, un fotodiodo y una óptica opcional para enfocar los impulsos del haz láser con forma de V sobre la fotocélula. El detector 810 adicional incluye además la antena 822 de radio conectada a una unidad de radio (no mostrada en la figura) y una pantalla 830. En una realización preferida, este detector 810 adicional no es estacionario, sino que en su lugar es móvil o un dispositivo de bolsillo y se usa para levantar la zona de trabajo o definir además del sistema 110 láser giratorio otro punto de referencia y usarlo para una evaluación de posición adicional. Esto se explicará con más detalle a continuación.

La figura 9 muestra un uso a modo de ejemplo del detector 810 adicional. El sistema 110 láser giratorio y el detector 810 adicional se sitúan en dos esquinas de una zona 900, dentro de la cual está ubicado el detector 130 estacionario. En esta realización, el detector 810 adicional transmite una señal 825 de radio cuando el haz 120 láser con forma de V se detecta mediante el detector 810 adicional. De nuevo, la señal 825 de radio puede transmitirse en el momento en que se detecta el primer o el segundo impulso del haz 120 láser con forma de V (también puede usarse otro momento para transmitir la señal 825 de radio) y cuando la señal 825 de radio se recibe por el detector 130 estacionario, el detector 130 estacionario inicia una medición de la distancia 150 respecto al sistema 110 láser giratorio transmitiendo la señal 135 de radio y midiendo el tiempo transcurrido hasta que se recibe la señal 125 de radio de retorno. Esta medición de distancia es la misma que la comentada en el contexto de la figura 1. Como única diferencia en este caso, se inicia por la señal 825 de radio y no por los impulsos láser como en la realización comentada en el contexto de la figura 1.

Además de la medición de la distancia 150, el detector 130 estacionario mide una duración T de tiempo entre la recepción de la señal 825 de radio y el momento en el que se detecta el haz 120 láser con forma de V por la disposición de fotocélulas 138. De nuevo, puesto que la velocidad angular \omega del haz 120 láser con forma de V es constante y conocida, puede evaluarse un ángulo \psi entre las dos líneas que conectan el sistema 110 láser giratorio con el detector 810 adicional y la línea del sistema 110 láser giratorio al detector 130 estacionario (véase la siguiente fórmula). La transmisión de la señal 825 de radio puede iniciarse inmediatamente después de detectar el primer impulso láser, pero en realizaciones adicionales de nuevo puede ser ventajoso iniciar la transmisión de la señal 825 de radio por el segundo impulso láser con el fin de activar el detector 810 adicional en el sistema láser giratorio usado.

La figura 10 muestra magnitudes geométricas que se usan para una evaluación de una posición del detector 130 estacionario dentro de la zona 900. Como en la realización de la figura 9, el sistema 110 láser giratorio y el detector 810 adicional están en dos esquinas de la zona 900 y el detector 130 estacionario está dentro de la zona 900. Usando la duración de tiempo T y la velocidad angular \omega, el ángulo \psi viene dado por:

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La distancia 150 se indica en la figura 10 mediante b y por tanto las coordenadas X e Y relativas pueden obtenerse, a partir de b y el ángulo \psi, por

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En una realización diferente, la medición de la distancia 150 se inicia por el sistema 110 láser giratorio, en concreto, enviando la señal 125 de radio cuando el haz láser con forma de V pasa por una marca 910 de referencia cero. En el momento en el que el detector 130 estacionario recibe la señal 125 de radio, transmite la señal 135 de radio y el sistema 110 láser giratorio evalúa, a partir del tiempo transcurrido entre la transmisión de la señal 125 de radio y la recepción de la señal 135 de radio, la distancia 150, que de nuevo se indica mediante b en la figura 10. Al mismo tiempo, el detector 130 estacionario mide la duración de tiempo T entre la recepción de la señal 125 de radio y la detección del haz 120 láser con forma de V y evalúa de nuevo el ángulo \psi y con él las coordenadas X e Y relativas en los términos de las fórmulas dadas anteriormente. En esta realización, no es necesario ningún detector 810 adicional, sino que en su lugar se usa una marca 910 de referencia cero conocida. La marca 910 de referencia cero puede coincidir con la línea desde el sistema 110 láser giratorio y el detector 810 adicional, pero también puede ser otra línea.

En una realización adicional, las coordenadas X e Y se evalúan no midiendo el ángulo \psi, sino, en su lugar, determinando las longitudes de los lados de un triángulo formado por el sistema 110 láser giratorio, el detector 810 adicional y el detector 130 estacionario. Como se comentó en la figura 9, en el momento en el que se detecta el haz 120 láser con forma de V por el detector 810 adicional, el detector 810 adicional transmite la señal 825 de radio, que a su vez inicia la medición de la distancia 150, que se indica mediante b en la figura 10, entre el detector 130 estacionario y el sistema 110 láser giratorio. Esto se realiza en este caso del mismo modo que se comentó en la figura 9. Además, el detector 810 adicional mide periodos de tiempo transcurridos entre la transmisión de la señal 825 de radio y la recepción de la señal 135 de radio y la señal 125 de radio. Puesto que las señales 825, 135 y 125 se transmiten en todas las direcciones, el detector 810 adicional también puede recibir la señales 135 y 125 de radio. A partir de los periodos de tiempo transcurridos, el detector 810 adicional evalúa las distancias entre el detector 810 adicional y el detector 130 estacionario, que se indica por a en la figura 10, y respecto al sistema 110 láser giratorio, que se indica por c en la figura 10. Teniendo los valores para a, b, c, las coordenadas X e Y relativas se obtienen a partir de:

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Si además se conoce una posición global del sistema 110 láser giratorio o el detector 810 adicional, con las coordenadas X e Y relativas, la posición global del detector estacionario puede evaluarse también.

En realizaciones adicionales, un detector estacionario adicional y/u otros detectores adicionales se usan para determinar una elevación de otras herramientas de trabajo y/o para determinar las coordenadas relativas respecto a otros puntos de referencia al mismo tiempo. En la realización preferida, cada componente (por ejemplo, el sistema 110 láser giratorio, el detector 130 estacionario y el detector 810 adicional) usa módulos de radio codificables de modo que cada componente esté claramente identificado por su señal de radio codificada transmitida.

Aunque en las realizaciones se comentó el haz 120 láser con forma de V, según la presente invención también puede usarse un haz láser con forma de abanico más general. Algunos ejemplos comprenden haces láser con forma de N, con forma de X o con forma de Y. Para el caso con forma de N, el plano 100 de referencia puede venir dado por el caso en el que tres impulsos láser se detectan a intervalos de tiempo iguales. Si un primer intervalo de tiempo es más corto (o más largo) que el segundo intervalo de tiempo, el detector 130 estacionario está por encima (por debajo) del plano 100 de referencia. Para el caso con forma de X, el plano 100 de referencia de nuevo se ajusta al caso en el que sólo se detecta un impulso láser. De lo contrario, el detector 130 estacionario está por encima o por debajo del plano 100 de referencia. De manera similar, para el haz láser con forma de Y, el plano 100 de referencia puede identificarse con la elevación a la que un único impulso láser se divide en dos impulsos láser. Para los haces láser con forma de N y con forma de X, es posible evaluar también la distancia respecto al plano 100 de referencia cuando el detector 130 estacionario está por debajo del plano 100 de referencia. El haz láser con forma de Y, por otro lado, señala el caso en el que el detector 130 estacionario está por debajo del plano 100 de referencia, con una única señal de impulso.

Las ventajas de las realizaciones de la presente invención comprenden una mejora de la fiabilidad, porque ni usa la señal de GPS ni un impulso estroboscópico para la sincronización. La tecnología empleada es sencilla, fiable y disponible con un bajo coste. Especialmente los transpondedores de radio son muy rápidos y precisos. Además, sólo es necesario un transmisor y puede usarse un detector de bolsillo opcional para levantar la zona de trabajo y definir junto con el transmisor láser una línea de referencia. Asimismo es beneficioso el que la presente invención permite combinar el control de la elevación con un control de la posición (relativa) local en el plano de referencia. Una ventaja adicional de las realizaciones de la presente invención es que el sistema 110 láser giratorio pueda usarse por más herramientas de trabajo al mismo tiempo. Con el fin de identificar cada herramienta de trabajo apropiadamente, deben usarse módulos de radio codificables con diferentes códigos.

En resumen, las realizaciones de la presente invención comprenden los componentes siguientes:

1)

un sistema 110 láser giratorio (figura 2) con

-

plataforma de nivel convencional,

-

el haz 120 láser con forma de V que gira a una velocidad angular \omega constante;

-

el módulo de medición de distancia basado en radio

2)

el detector 810 adicional que comprende el detector 820 láser, el módulo de radio, la unidad de cálculo y la pantalla 830 (figura 8);

3)

el detector 130 estacionario que comprende el módulo de radio, una unidad de evaluación y la interfaz 136 de bus CAN (figura 4).

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El detector 130 estacionario (figura 4) está construido de manera similar al detector 810 adicional, pero comprende la disposición de fotocélulas 138 horizontales para la detección en todas las direcciones y una evaluación de señal basándose en el bus 136 CAN.

En diferentes realizaciones, con el fin de generar un perfil de elevación arbitrario de una zona dada, el sistema 110 láser giratorio se sincronizó de dos modos diferentes.

1. La sincronización interna

En este caso, el sistema 110 láser se alinea, de modo que un borde es paralelo a una línea de esquina de un proyecto dado (por ejemplo una línea lateral de un campo de deportes), de modo que en el momento de pasar por esta marca 910 de referencia cero, durante cada revolución, se inicia una medición de distancia. El impulso correspondiente inicia en el detector 130 estacionario una medición de tiempo hasta el momento en el que se detecta la señal 120 láser con forma de V. Puesto que se conoce la velocidad \omega de giro, puede evaluarse el ángulo \psi entre el borde del proyecto y el receptor.

2. La sincronización externa

En este caso, el detector 810 adicional se pone en una esquina de la zona 900 tras levantar la zona de trabajo y por tanto ya no es necesario. En el momento en el que el haz 120 láser se detecta por el detector 810 adicional, se transmite la señal 825 de radio y se realiza una medición de distancia. El detector 130 estacionario se sincroniza con la señal 825 de radio e inicia una medición de tiempo. Usando la información del tiempo de inicio de sincronización, el ángulo \beta de elevación y la distancia 150, el receptor (el detector 130 estacionario, por ejemplo) evalúa su posición local dada por las coordenadas X, Y y Z.

Otra posibilidad para evaluar las coordenadas X e Y del detector 130 estacionario viene dada por poner el detector 810 adicional en otro punto fijo (figura 10) y usar una medición de distancia entre el sistema 110 láser giratorio y el detector 130 estacionario (indicada por b) así como una medición de distancia entre el detector 810 adicional y el detector 130 estacionario (indicada por a) y también una medición de distancia entre el sistema 110 láser giratorio respecto al detector 810 adicional (indicada por c) para el cálculo de la posición. Las distancias a, b y c medidas por radio se usan para determinar las coordenadas X e Y usando las ecuaciones trigonométricas habituales (véanse las ecuaciones anteriores).

Claims (13)

1. Aparato para determinar una elevación de una herramienta de trabajo respecto a un plano (100) de referencia, que comprende:

un sistema (110) láser giratorio que emite al menos dos haces (120) láser con forma de abanico no paralelos que divergen en un plano inclinado respecto al plano (100) de referencia;

una unidad de radio configurada para medir una distancia (150) entre la herramienta de trabajo y el sistema (110) láser giratorio basándose en el tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta; y

un detector (130) montado en la herramienta de trabajo para detectar cada uno de los haces láser,

en el que la elevación de la herramienta de trabajo se determina basándose en un retardo de tiempo entre la recepción de los haces (120) láser con forma de abanico en el detector (130) y la distancia (150) entre la herramienta de trabajo y el sistema (110) láser giratorio.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que la unidad de radio comprende un traspondedor de radio, que está montado en el sistema láser giratorio.

3. Aparato según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que una sección transversal de los haces (120) láser con forma de abanico perpendicular a la dirección de propagación de los haces (120) láser con forma de abanico tiene forma de V, y en el que el vértice de la forma en V está en el plano (100) de referencia.

4. Aparato según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la unidad de radio está configurada para medir la distancia (150) cuando los haces (120) láser con forma de abanico pasan por una marca (910) de referencia cero, y en el que el detector (130) está configurado para medir un periodo de tiempo desde el paso por la marca (910) de referencia cero hasta la detección de los haces (120) láser con forma de abanico en el detector (130), usándose la distancia (150) y el periodo de tiempo para determinar la posición de la herramienta de trabajo.

5. Aparato según una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende un detector (810) adicional para detectar los haces (120) láser con forma de abanico y para medir un retardo de tiempo adicional entre la recepción de los haces (120) láser con forma de abanico, en el que el detector (810) adicional comprende una unidad de radio adicional configurada para una medición de distancia adicional, y en el que el detector (810) adicional está ubicado en un punto de referencia y está configurado para determinar una elevación del punto de referencia sobre el plano (100) de referencia basándose en el retardo de tiempo adicional y la medición de distancia adicional.

6. Aparato según la reivindicación 5, en el que el detector (810) adicional, transmite una señal (825) de radio tras detectar los haces (120) láser con forma de abanico, y en el que el detector (130) está configurado para recibir la señal (825) de radio y para medir un periodo de tiempo adicional entre la recepción de la señal (825) de radio y la detección de los haces (120) láser con forma de abanico, usándose el periodo de tiempo adicional y la distancia (150) para determinar una posición de la herramienta de trabajo.

7. Aparato según la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en el que la unidad de radio y la unidad de radio adicional están configuradas para una medición simultánea de distancias entre el sistema (110) láser giratorio, el detector (130) en la herramienta de trabajo y el detector (810) adicional, cuando los haces (120) láser con forma de abanico pasan por la marca (910) de referencia cero y/o cuando el detector (810) adicional detecta los haces (120) láser con forma de abanico.

8. Aparato según una de las reivindicaciones 4 a 7, que comprende una unidad de procesamiento configurada para determinar la elevación de la herramienta de trabajo y/o la posición de la herramienta de trabajo respecto al sistema (110) láser giratorio basándose en las mediciones de retardo de tiempo y de distancia y/o el periodo de tiempo y/o el periodo de tiempo adicional.

9. Aparato según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el detector (130) comprende una disposición horizontal de fotocélulas (138).

10. Método para determinar una elevación de una herramienta de trabajo respecto a un plano (100) de referencia, que comprende:

emitir dos haces (120) láser con forma de abanico no paralelos desde un sistema (110) láser giratorio que divergen en un plano inclinado respecto al plano (100) de referencia;

detectar un retardo de tiempo entre la recepción de los haces (120) láser con forma de abanico en la herramienta de trabajo; y

medir una distancia (150) entre el sistema (110) láser giratorio y el detector (130) en la herramienta de trabajo basándose en el tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta,

en el que la elevación de la herramienta de trabajo se evalúa basándose en el retardo de tiempo detectado y la distancia medida.

11. Método según la reivindicación 10, que comprende además medir un periodo de tiempo entre el paso por una marca (910) de referencia cero de los haces (120) láser con forma de abanico y la detección por parte del detector (130) de los haces (120) láser con forma de abanico para determinar una posición de la herramienta de trabajo.

12. Método según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, que comprende además medir un periodo de tiempo adicional entre el paso por un detector (810) adicional de los haces (120) láser con forma de abanico y la detección por parte del detector (130) de los haces (120) láser con forma de abanico con el fin de evaluar la posición de la herramienta de trabajo.

13. Método según la reivindicación 12, que comprende medir las distancias entre el sistema (110) láser giratorio, el detector (130) en la herramienta de trabajo y el detector (810) adicional simultáneamente con el fin de determinar la posición de la herramienta de trabajo.