專利名稱：用于使用無線通信和機器人技術準確并精確地定位和標記空間中的位置的系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種識別多維空間中的特定位置的系統和方法。
背景技術：
在建筑位置從測量設備獲得的信息被記錄在文件中并且隨后被 提供給建筑師和工程師以開發關于該建筑位置的規劃和藍圖。

發明內容
本發明提供了一種系統，該系統包括主站和至少一個子站，主站 和子站均能夠相互通信以定位和識別多維空間中的一個或多個位置。 主站進一步可以控制一個或多個子站以執行多維空間中的特定任務。 主站能夠確定其在多維空間中的位置和多維空間中的參考位置、指定
點、物體和/或結構，以在研究該空間時生成多維空間的N(其中N 是等于2或更大的整數)維圖形表示，即實時地生成多維空間的N維 圖形表示。因此可以引導操作該主站的系統用戶通過該多維空間。
主站包括用于測量距離和識別多維空間中的多種點的位置的發 射機和接收機設備。主站可以進一步包括傳感器和處理器。通過向處 理器提供指令的軟件操作，主站可以是可運輸的、可移動的和自主的。 發射機和接收機能夠發射和接收無線的無線電信號或光信號或者此 兩者。該傳感器能夠檢測由(i) 一個或多個子站發射的，(ii)由一 個子站反射的或者(iii)自多維空間中的結構或者該結構中的固定參 考點反射的光信號。通過處理器和駐留在其中的軟件并且通過識別多 個指定參考點，主站能夠(通過例如，公知的三角測量過程)計算其在多維空間中的位置、多維空間中的子站的位置、多維空間中的物體、 結構，或者形成多維空間的邊界。主站測量和識別的多維空間中的點
和位置可被變換到二維或三維空間圖形表示(或通常變換到N維空 間，其中N是等于2或更大的整數)，該圖形表示可被顯示以允許操 作本發明的主站的用戶確定他或她在多維空間中的位置或者通過查 看多維空間的圖形表示而在空間中導航(或被引導)。通過使用包括 公知的CAD (計算機輔助設計，諸如AUTOCAD )軟件和附加軟件 的軟件，可以實現例如三維的圖形表示。在識別和測量新的點、物體、 結構時，將信息傳輸到主站，該主站能夠自動地確定這些點相對于其 他物體、結構和多維空間邊界的確切位置，從而允許在研究空間時自 動地生成多維空間的實時圖形表示。此處使用的術語"自動地"意指本 發明的系統的一個或多個部件在該系統的固件或軟件的指引下執行 任務。自動執行的任務可以實時完成，這意味著在接收用于執行該任 務的信息的同時完成該任務。
主站可以與一個或多個子站通信。子站可以是被動式的或主動式 的。即，被動式子站可以是反射來自主站或者來自另一子站的光信號 或無線電信號的設備。被動式子站本身不發射信息。主動式子站可以 包含傳感器、發射機和接收機，用于向主站發送信息或者自主站接收 信息以便于執行主站發送的命令。而且，子站可以是被動式的和主動 式的；即，子站的一部分反射來自另一設備(另一子站或主站)的信 號并且子站的另一部分生成或者向主站或另一子站發射參考點信息 或者任何其他類型的信息。通過操作駐留在子站的處理器中的軟件， 子站可以是可運輸的、可移動的和自主的。子站可以配備有用于基于 接收自主站或中繼來自主站的命令的另一子站的命令執行任務的工 具。主站也可以配備有上述工具。


圖1A B說明了特定的加速度計結構；
4圖2是本發明的主站的前視圖3A B是具有垂直和水平旋轉激光器的主站機頭和旋轉激光 器掃描的平面的前^L圖4是具有機器人臂的可運輸的子站的前視圖5是可運輸的子站的前視圖6是可移動的主站或子站的側視圖7A E示出了可以附連到主站或子站的多種類型的機器人臂； 圖8示出了包括主站、子站和固定參考點或標石(monument)
的本發明的系統的一個特定實施例；
圖9是可以用作子站的主動式固定參考點的透視圖IO是示出了裝配用于手持激光測距工具的PTZ (_)攝像
機的前視圖和側視圖IIA示出了配備有激光測距設備的手持計算機；
圖IIB是具有被示出為附連到手持計算機的棱鏡的IIA的頂視
圖IIC是還具有所示出的支撐三腳架的圖IIA的手持計算機的 側牙見圖12是可由圖11的手持計算機顯示的圖形或繪圖的類型的示
圖13示出了具有可視激光指示器的棱鏡桿和三腳架上的相同的
桿；
圖14示出了具有用于確定主站高度和平面取向的多波束測距設 備的圖1的主設備；
圖15A D示出了用于主站或子站的陀螺儀穩定的、線纜驅動的、 導軌驅動的和旋翼驅動的計算機化傳送系統；
圖16示出了應用到計算機化線纜驅動系統的圖15的陀螺儀穩定
設備；
圖17示出了用作標記工具的機器人臂的兩個特定機頭； 圖18說明了用于棱鏡桿的穩定系統；圖19A B說明了關于使用陀螺儀的棱鏡桿和使用模糊邏輯的穩 定電子裝置的另 一穩定系統；
圖20示出了包括旋轉激光器主站和旋轉子站的本發明的系統；
圖21A~B示出了使用彩色棱鏡作為固定參考點或標石的本發明 的系統的另一實施例；
圖22示出了 360。直角棱鏡的前視圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種系統，該系統包括主站和至少一個子站，主站 和子站均能夠相互通信以定位和識別多維空間中的一個或多個位置。 主站進一步可以控制一個或多個子站以執行多維空間中的特定任務。 主站能夠確定其在多維空間中的位置和多維空間中的參考位置、以及 指定點、物體和/或結構，以在研究空間時，即，實時地生成多維空間 的N (其中N是等于2或更大的整數)維圖形表示。因此可以引導操 作該主站的系統用戶通過該多維空間。
主站包括用于測量距離和識別多維空間中的各種點的位置的發 射機和接收機設備。主站可以進一步包括傳感器和處理器。通過向處 理器提供指令的軟件操作，主站可以是可運輸的、可移動的和自主的。 發射機和接收機能夠發射和接收無線的無線電信號或光信號或者此 兩者。該傳感器能夠檢測由(i) 一個或多個子站發射的，(ii)由其 中一個子站反射的或者(iii)自多維空間中的結構或者該結構中的固 定參考點反射的光信號。通過處理器和駐留處理器中的軟件并且通過 識別多個指定參考點，主站能夠計算其在多維空間中的位置(通過例 如，公知的三角測量過程)、多維空間中的子站的位置和物體、多維 空間中的結構，或者形成多維空間的邊界。主站測量和識別的多維空 間中的點和位置可被變換到二維或三維空間圖形表示(或通常變換到 N維空間上，其中N是等于2或更大的整數)，該圖形表示可被顯示 為允許操作本發明的主站的用戶確定他或她在多維空間中的位置或者通過查看多維空間的圖形表示在空間中導航(或被引導)。通過使
用包括公知的CAD (計算機輔助設計，諸如AUTOCAD )軟件和附 加軟件的軟件，可以實現例如三維的圖形表示。在識別和測量新的點、 物體、結構時，將信息傳輸到能夠自動地確定這些點相對于其他物體、 結構和多維空間邊界的確切位置的主站，從而允許在研究空間時自動 地生成多維空間的實時圖形表示。此處使用的術語"自動地"意指本發 明的系統的一個或多個部件在該系統的固件或軟件的指引下執行的 任務。自動執行的任務可以實時完成，意味著在接收用于執行該任務 的信息時完成該任務。
主站可以與一個或多個子站通信。子站可以是被動式的或主動式 的。即，被動式子站可以是反射來自主站或者來自另一子站的光信號 或無線電信號的設備。被動式子站不主動自己發射信息。主動式子站 可以包含傳感器、發射機和接收機，用于向主站發送信息或者自主站 接收信息，以便于執行主站發送的命令。而且，子站可以是被動式的 和主動式的；即，子站的一部分反射來自另一設備(另一子站或主站) 的信號并且子站的另一部分生成或者向主站或另一子站發射參考點 信息或者任何其他類型的信息。通過操作駐留在子站的處理器中的軟 件，子站可以是可運輸的、移動的和自主的。子站可以配備有用于基 于接收自主站或另 一子站的命令執4亍任務的工具，其中該另 一子站中 繼來自主站的命令。主站也可以配備有這樣的工具。
參考圖1，示出了特定的加速度計的配置。加速度計是用于基于 加速度計經歷的加速度或速度的變化率來測量距離的公知設備，加速 度計可以被配置為基本上球形的結構并且耦合到電子電路以允許測 量距離。圖1A示出了特定加速度計的取向并且圖1B示出了該設備的 外觀。加速度計簇10包括耦合到殼體14的多個圓柱形加速度計12, 殼體14包含用于該簇的適當的支持電路和機構。外殼16可被配置為 裝配到該簇上，導致了球形的簇。加速度計簇可以裝配在交通工具主站上或者可由主站控制的交通工具子站上。通過測量來自每個加速度 計的加速度值并且計算所有加速度計的速度和距離的結果，由此確定 行進的距離和行進的速率。因此，可以獲得其上裝配有加速度計簇的 交通工具行進的距離和速度的更加準確的計算。
圖2是本發明的系統的主站的一個實施例。圖2中示出的主站 20是可運輸的主站；即，用戶可以將其從一個位置移動到另一位置。 圖2的主站可以是包括諸如通信和處理器模塊的多種模塊(未示出) 的主站組件。通信模塊可用于與位于相同多維空間中的子站(或其他 主站)通信，其中主站組件位于該多維空間中。該處理器模塊可以駐 留在其中或者能夠控制如下軟件，該軟件使主站組件能夠計算其在多 維空間中的位置，并且還計算特定點在多維空間中的位置。該處理器 可被實現為無線膝上型計算機或者其他類型的計算機，該計算機能夠 與主站通信以實現標記和/或定位多維空間中的一個或多個位置。主站 的一部分可被實現為被稱為經綷儀的公知設備，測量員典型地使用該 經綿儀測量3-D空間中到特定參考點的距離和角度。圖2中示出了裝 配在三角架24 (僅示出了該三角架的兩條腿)上的經綷儀殼體22。 主站的經綷儀部分具有能夠觀測和讀取固定參考的透鏡組件24，并且 可以用作條形碼讀取器或圖形讀取器。經煒儀是機器人經綽儀，其中 殼體和透鏡的取向可被遙控或者可由處理器自主控制，該處理器由駐 留在其中的軟件控制。該處理器可以是經綿儀的一部分或者可以無線 耦合，或者通過膝上型或桌面型計算機或其他計算機/數據庫裝置的通 信線纜耦合。圖2中的主站具有能夠測量殼體22離開地面或者該站 所處的表面的距離。圖2的主站使用激光器技術執行高度測量。特別 地，圖2的主站具有自動調平裝置(例如，陀螺儀)，該自動調平裝 置被安置在殼體底部26和三角架24的上部分中。該自動調平裝置可 以全部安置在殼體22中。因此主站20能夠使用激光器28、位于下殼 體26中的調平裝置以及可能地裝配在殼體20的頂部的水平和垂直旋 轉激光器(在下文中討論)執行自調平。具有關聯的電子裝置(未示
8出)的激光測距計28允許主站20測量其在地面上或者其所處表面上 的高度。激光器28沿主站的垂直軸36發射可視激光束30，其用于測 量至地面或該主站所處的基座的距離。垂直旋轉激光器32和水平旋 轉激光器34裝配在殼體22的頂部。激光器可以實現主站相對于其所 處空間(或者CAD或數字化繪圖)的自動的、自主的取向；這是通 過搜索和測量至多個固定參考站或者其他主站或子站的距離而實現 的。將清楚理解的是，對于圖2的主站和此處描述的其他主站或者子 站，激光器用于通過從某點發射激光束(連續的或脈沖的激光束或者 此兩者的組合)至另一點來測量距離，并且測量得到的反射波束的特 性以計算到該點的距離。
圖3A示出了水平和垂直旋轉激光器34、 32分別掃描的水平和 垂直平面40和38。旋轉激光器能夠發送和接收諸如遙測信息的信息。 激光器32、 34可以讀取遙測信息和將遙測信息寫到處理器中。主站 22使用激光器幫助自動地確定主站和其他設備在多維空間中的位置 和取向，該主站和該其他i殳備位于該多維空間中；這是通過測量從主 站到該多種其他參考點的距離而實現的。圖3B示出了沒有三腳架24 的圖1的主站20的經綿儀部分。
激光器32和34可以是裝配在主站20頂部的包括脈沖調制旋轉 激光器機構的通信激光器。主站提供可視的水平和垂直參考激光線。 主站能夠讀取印刷在其觀測線內的物體上的條形碼信息。此外，激光 器32和34是脈沖調制的并且能夠將數據發射到可以接收該信息的設 備。
傳感器(未示出)可以安置在透鏡組件24附近，用于實現自脈 沖調制發射機發送的信息的接收和解釋或讀取。主站20的激光器32、 34可以與其他相似配置的主站、子站、交通工具參考站或固定參考站 通信。圖3A是沒有三腳架的主站22的等比例視圖。示出了旋轉激光器的覆蓋效應。圖3B是設備的平面前視圖。通過生成從主站20的頂 部發出的激光的水平平面和垂直平面，可以產生覆蓋效應。
圖4中示出了可運輸的子站42。圖4的子站具有機器人臂44， 機器人臂44具有激光指示器46和附屬的電子設備，用于通過三角測 量或其他公知技術幫助測量距離并且因此幫助定位參考點、其他設 備、其他子站的位置。如同圖l的主站，水平和垂直旋轉激光器48、 50裝配在該站的殼體頂部。桿54從該站的頂部伸出，在桿54上裝配 了 360。直角棱鏡56。自任何方向照射在該棱鏡上的任何光沿與其來 自的方向相同的觀測線反射。該站裝配在三角架58(僅示出了兩條腿) 上，三角架58使該站保持在空間中的固定位置。可移動機器人臂44 自機械封罩的側面伸出。桿位于機器人臂的末端，棱鏡60裝配在該 桿上。激光指示器46也位于機器人臂44的末端，激光指示器46可 用于測量距離和讀寫具有反射或發射的光信號形式的信息。操作與激 光指示器46相似的激光指示器64位于桿54的末端。可以容易地安 置機器人臂桿。子站42可以在多種方向商從不同源發射激光束
a. 在真垂線(true vertical)方向上向下發射的垂直波束62，以 確定高度；
b. 通過桿54重新定向的向上發射的垂直波束66,以用作可視激 光指示器和電子距離讀寫設備。
c. 通過垂直和水平光旋轉單元重新定向的向上發射的垂直波束 (未示出)；和，
d. 通過機器人臂桿發射的波束68，以用作可視激光指示器和電 子距離測量讀寫設備。
對應的控制主站了解可運輸子站42在空間中的X、 Y、和Z位 置(基于笛卡爾坐標系統的3個正交軸的空間中的位置)以及機器人 臂的位置和取向。可以與主站一起獨立地利用單個或多個子站，或者 可以將多個站相互菊鏈連接在一起。圖5示出了可運輸子站的另一示例。可運輸子站70是電子測距 子站，并且其能夠發射可見激光束以便于使光斑照射在指定位置上。 相比于圖4的子站，該子站相對較小、較輕、并且制造成本較低。存 在旋轉激光器機構，其包括裝配在機器人經絆儀機頭76的頂部的激 光器72和74。機頭76裝配在三角架78上。旋轉激光器機構發射水 平和垂直的參考激光線。該旋轉激光器能夠在接收、發送、讀寫坐標 遙測數據的單元中運行。這是通過搜索和測量到任意數量的固定參考 站、主站、或者其他子站的距離而實現的。主站總是了解X、 Y、和 Z位置。該設備應是易于搬運且易于在工地周圍移動，并且是用于查 明未處于主站的觀測線內的坐標的解決方案。即，子站70可以測量 到特定參考點的距離、確定這些點在多維空間中的位置并且將這些點 的位置中繼到控制主站。末端裝配有棱鏡82的桿80自旋轉激光器和 機頭76延伸。盡管子站70是可運輸的，但是其可以固定到地面或者 可以固定到I形梁。可以與主站獨立地利用單個或多個諸如站70的可 運輸的站，或者多個子站可以相互鏈接在一起。
圖6示出了可以作為移動子站或移動主站操作的移動設備。作為 子站的設備90的操作基本上與圖4的子站相似。除了裝配在交通工 具114上的工具箱108之外，裝配在交通工具上的設備包括具有機器 人臂104的機器人經煒儀106，棱鏡110和激光指示器112位于該機 器人臂104的末端。激光指示器112可由存儲在工具箱108中的任何 一個工具替換。水平激光器94、垂直激光器92、桿100、棱鏡96和 激光指示器98裝配在經絆儀頂部。經煒儀106的機頭部分102可被 替換以允許該設備作為主站或子站操作。作為主站，該設備是完全機 器人主動式棱鏡，固定的或者緊固到交通工具的跟蹤激光測距設備的 組合，所述交通工具可以手動控制，遙控，或者可以在特定環境中自 主地對其自身導航；這些設備與能夠自動地改變工作工具作業以實時 地執行建筑行為的多軸計算機引導機器人工具臂104組合。該主站的最終目的是導航并且使該設備相對于其所處空間或相對于CAD繪圖 進行空間取向。這是通過自動地搜索和連續測量和重新測量到任意數 量的固定參考點、子站或任何其他固定的或移動的主站的距離而完成 的。該設備可以主動移動到所選擇的位置，并且一旦到達該位置，可 以利用多種指定工具執行多種工作功能。該設備可以根據自身包含的 計算機指令導航，或者可以由其他固定的或移動的主站導航。可由該 主站執行的某些任務是涂漆、勾縫、標記、燒灼、切割、焊接、鉆孑L、 雕刻、測量、或者讀寫，并且可以實時地發送和接收遙測數據。在一 定程度上，機器人臂上的工具是可互換的，并且可以從裝配在交通工 具機器人頂部的工具箱114中調取。當然，子站(與圖5中示出的子 站非常類似)也可以裝配在交通工具機器人頂部而非裝配在主站上。
360。直角棱鏡裝配在從主站模塊機頭伸出的桿的頂部。相似的棱鏡也 可以裝配在機器人臂的末端。
圖7A E示出了可以裝配到圖4或6的設備的機器人臂(44、 104) 的多種可互換的工具。這里示出了用于機器人臂120的可互換的工具 的陣列。圖7A示出了具有切割工具122的機器人臂。圖7B示出了具 有涂漆或畫線工具124的機器人臂。圖7C示出了具有垂直可視激光 指示器126的機器人臂。圖7D示出了具有坐標測量機器(CMM)128、 激光掃描儀、或者手動點讀取工具的機器人臂。圖7E示出了具有鉆 孔、雕刻和燒灼工具130的機器人臂。
圖8說明了被配置為使用本發明的系統的建筑物封閉環境。提供 了本發明的系統的套件。圖8中示出了該套件的所有部件。在圖中固 定參考站140、 142、 144、 146、 148、 150和152被示出為360。直角 棱鏡，但是它們可以選自提供可讀固定參考的多種設備中。該固定參 考站可以是被動式設備。然而，它們也可以是主動式的或者能夠向接 收機發射信息的智能設備，或者它們可以光學地響應特定的消息。該 固定參考站可以位于多種位置以允許主站識別多維空間中的特定點。
12例如，固定參考站可以固定到或根植于混凝土板上或者固定到永久位 置，或者裝配在位于已知位置的標石中，該位置是可尋址的和可識別
的。標石允許相對于這些設備所處空間或者相對于CAD繪圖的自動 的和自主的設備取向。主站可以借助其識別參考站的信號是電磁(例 如，光、彩色光、紅外線、RFID、 X射線、條形碼等)、超聲、數字 羅盤、控制論信息理論和譯碼信息，及其他。
圖8示出了裝配在墻壁中的五個固定參考站(146、 144、 140、 152、 150)、裝配在地板上的一個固定參考站142、和裝配在標石154 中的一個固定參考站148。該套件進一步包括作用于所獲得的關于該 固定站的信息的設備。這些設備是主站156、可運輸的站158、有臂 的可運輸的站160、交通工具站162、具有內建電子測距的手持計算 機164、和寫字板(或膝上型計算機)166。如已討論的，主站156可 以由其自身或者使用子站來定位參考位置。固定參考被示出為棱鏡并 因此使用通過直接觀測線的激光定位。因此，未處于主站的直接觀測 線中但處于 一 個子站的觀測線中的固定參考仍可以間接地由主站識 別。即，子站可以識別固定參考并且將該信息發送到主站。主站隨后 可以使用該固定參考的位置信息識別其在封閉空間中的位置。關于子 站位置的信息可由各種子站無線地發射到主站。在圖8中示出的實施 例中，站158、 160和162可以是子站。站156和164可以是主站。 不具有任何測距設備的寫字板或膝上型計算機166可能用作無線耦合 到主站166的處理器。在膝上型計算機166的鍵盤上生成來自主站156 的命令。主站156可以是機器人主站，由此其在搜索固定參考點的過 程中的移動由命令和/或作為膝上型計算機166的一部分或者耦合到 膝上型計算機166的致動器控制。未處于主站156的直接觀測線中的 那些參考可由子站158、 160或162檢測，并且由那些子站采集的位 置信息可以無線地中繼到主站156。主站164是具有測距i殳備的手持 計算機，其操作與主站156的相似之處在于，主站164使用其測量設 備和來自子站的信息定位固定參考點的位置。不同于可以通過寫字板166操作或者由用戶手動操作的主站156，主站164(參看下文關于圖 ll的討論)是由用戶通過經由手持計算機164的鍵盤或某些致動器(例 如，鼠標、操縱桿)輸入命令而直接操作的獨立設備。
固定參考站系統的目的在于提供用于相對于空間的自動的、自主 的設備取向和導航的固定參考點，其中該固定參考點根據CAD或數 字繪圖安置在該空間中。這些設備通過連續搜索、測量和重新測量到 位于空間中的任意數量的固定參考站的距離，來對其自身取向并且導 航通過該相同的空間。最終目的是實現更好的測量準確性并且自主地 或者通過遙控的交通工具、仿人機器人、人形自動機、或者其他的機 器人或機器人交通工具、工具或者室內或室外的系統，根據CAD繪 圖進行導航。重要的是應當注意，通過利用已上栽在主站處理器的存 儲器中的CAD繪圖或其他繪圖以及固定參考位置的記錄，主站可以 開始測量和定位固定參考點的過程；在該情況中，主站將確認記錄的 信息的準確性并且仍生成包括空間中的物體和結構的該空間的圖形 表示。本發明的系統的主站生成的圖形表示可能偏離已記錄的圖形表 示。隨著每一個標石、結構和空間邊界被測量和識別時，更新本發明 的系統正在生成的圖形表示并且相應地改變所顯示的繪圖。圖形顯示 的更新是實時完成的；即，當處理器處理信息并且添加新的圖形部分 時，觀察者看到該新的部分和剩余的圖形。而且，諸如主站164的主 站的用戶不僅觀察該空間顯示，而且主站/用戶位置也顯示在該圖形表 示中，允許引導或導航用戶通過該封閉空間。特定物體和/或結構可能 已記錄在上栽的CAD或數字繪圖中，但是未存在于該空間中。在該 情況中，主站156可以例如，將交通工具子站162指引到CAD繪圖 中指出的預期的物體位置并且使子站612做標記以指出該CAD繪圖 中已識別的物體的確切方位和取向。在一個或多個主站的指引和控制 下，子站可以執行其他相似的任務。而且，子站可以具有處理器，該 處理器具有已上載的CAD繪圖，并且因此該子站能夠根據該CAD繪 圖和在該子站的處理器上運行的特定軟件，基于特定物體的位置執行任務。用戶可能看到具有物體和結構的空間的顯示，但是在實際空間 中該物體和結構都不存在。因此，配備有具有與其附連的工具的機器 人臂的子站可以執行用于促進該物體和/或結構的構造或者構造該物 體和/或結構自身的任務。例如，在上載到該子站的處理器中或者上載
到控制該子站的主站的處理器中的CAD繪圖被識別為物體位置的特 定位置處，子站在準備構造物體、標石或結構時可以鉆孔、做標記、 切割表面。
圖9是智能固定參考站(即，主動式子站)傳感器和發射機陣列 的透視圖。該設備用作智能標石，其了解其位置，該設備能夠與其他 相似的子站或主站通信。圖9的設備可以發送、接收、和重新定向任 何電磁信號，諸如光、或超聲信號。圖9的智能固定參考站包括水平 旋轉激光器202，該水平旋轉激光器202還具有觀測和讀取設備。旋 轉激光器202還可以作為條形碼或圖形讀取器操作。此外，圖9的固 定參考站進一步包括動態反射器/棱鏡204。反射器/棱鏡204包括直角 棱鏡、可移動棱鏡和全息光學元件。此外，圖9的參考站包含傳感器 接收機206和無線通信接收機和發射機208。最后，圖9的參考站包 括殼體210，用于容納電子裝置和將設備保持在一起。
圖IOA呈現了設備的立面前視圖，而圖10B呈現了設備的立面 側視圖。所示出的設備可以是Leica Disto設備或者相似的激光測距設 備。這是用于電子測距設備250的機動化和遙控云臺配件254。控制 托臺252的移動可以經由操縱桿、鼠標、觸摸板、按鍵、觸筆、數字 轉換器或者利用陀螺儀、或者慣性測量單元輸入由系統軟件控制。所 示出的攝像機配件254是機動化和遙控云臺配件。其還可以用作非機 動化手動夾具。其有能力精確地讀取距離、條形碼、或圖形，并且有 能力精確地指向指定位置。
圖11B是具有裝配在顯示器306上面的棱鏡304 (例如，360。直角棱鏡)的手持計算機站300的示意性平面頂視圖。圖IIA示出了具 有內建或附連的激光測距設備302和鍵盤/鍵區308的手持計算機300 的等比例視圖。在顯示器306上可以呈現空間的N維圖形表示、該空 間中的物體和/或結構以及其他信息。計算機將典型地由用戶手持。棱 鏡304的功能是用作定位設備，意味著其可以接收和反射光信號，允 許其他設備定位該手持計算機站300的位置。圖11C是圖11B的手持 設備的立面側視圖。在圖11C中，使用內建支架310使計算機豎立。 支架310可被配置為三腳架。如上文討論的，主站(或子站)可以通 過與棱鏡304的光通信定位手持計算機300的位置。 一旦定位了手持 計算機300的位置，整個系統了解操作該手持計算機的用戶的位置(在 XYZ坐標中)。而且，用戶了解他或她自身相對于主站、子站、和固 定參考點的位置。現在，當用戶移動通過位置時，該系統通過跟蹤手 持計算機300的棱鏡304來了解用戶的移動。手持計算機300可以由 此用作導航工具，從而以與在汽車中使用的GPS系統極為相同的方 式引導用戶移動通過空間。
圖12是圖11的手持計算機的顯示的說明。CAD繪圖(或地圖) 312覆蓋有示出用戶位置的標記314。在該標記旁邊，緊接詞"您在這 里，，下面示出了用戶當前位置的坐標。而且，用戶可以選擇也將呈現 在屏幕上的目標位置316。 一旦接收來自用戶的命令，手持計算機將 用戶指引到目標位置(例如，通過與汽車GPS相似的方式發出語音 命令)。當用戶朝向或遠離目標移動時，CAD地圖也移動，并且"您 在這里，，指示符示出了用戶在地圖上的當前位置。還存在屏幕上的縮 放控制。此外，允許用戶選擇地圖(例如，示出了管道或電氣工作的 地圖)的多種層(例如，層318)。該顯示還示出了到所選擇的目標 的當前距離。參考站的位置被指出。也顯示了日期和時間。使用作為 本發明的系統的部件的軟件實現所有這些操作。
機器人激光測距主站控制軟件位于具有與主站、子站和本發明的系統的其他設備通信(發送命令和/或接收命令)的能力的手持計算機、 膝上型計算機、寫字板計算機或桌面型計算機中。該軟件操作地發送 命令并且自主站接收回遙測數據。該軟件向主站的固件發送命令，告 知主站執行指定任務(例如，轉向指定方向、上移或下移到特定的角 度位置、打開或關閉可視激光指示器、測量距離或角度等)。主站通 過執行所請求的功能做出響應并且隨后向該軟件發送回性能或者測 量遙測數據。
該軟件具有圖形用戶接口目的，其被構建用于在建筑和架構市場 中使用。該軟件被調整為迅速地執行特定的讀寫構建任務。該軟件模
擬在汽車或其他交通工具中利用的用于導航的GPS系統的外觀和感 覺。用戶在表示正在構建中的建筑物的CAD繪圖中導航。如前面討 論的，該軟件結合主站使用以實時地創建具有2D或3D CAD繪圖形 式的現有架構的構建研究(讀取)。該軟件用于實時地根據2D或3D CAD繪圖導航和規劃建筑工作。
該軟件的特征包括
a. 在屏幕上顯示"您在這里"。
b. 處于XYZ坐標中的棱鏡跟蹤模式或者可視激光指示模式被 顯示在屏幕上。
c. 在"主動式激光指示模式"或"空間中3D鼠標模式"中激光跟 隨或跟蹤鼠標在空間中移動的任何位置。
d. —旦選擇空間中的目標或點，從當前位置的"至目標的距離" 被顯示在屏幕上。
e. 無反射器模式和棱鏡跟蹤;f莫式之間的無縫轉換。
f. 在棱鏡跟蹤模式中'射出可視激光。
g. 位置控制和縮放控制是"幻像顯示的"(顯示在繪圖上并且在 一定程度上是透明的或半透明的)。
h. 可以訪問可替換的繪圖或繪圖層。i.存在功率搜索或呼叫主站的功能(主站將遵循用于主動搜索棱鏡位置的程序)。
圖13是具有垂直指向上方和下方的可視激光指示器322的裝配三腳架的棱鏡桿320的示意性說明。該棱鏡桿進一步包括內建的電子測距設備，該電子測距設備是激光指示器的一部分。圖13中的設備320測量到另一棱鏡桿，即短桿配件340的距離，該短桿配件340包括棱鏡桿330、棱鏡328和激光指示器/測距設備332。設備320發射真垂激光束324以確定其到地面的高度。對準兩個棱鏡326和328，并且測量棱鏡之間的3巨離。
圖14示出了機器人主站400如何能夠確定其取向和到粗糙的和不平坦的地面的位置。為了完成該操作，該儀器使四個激光束指向地面。其中三個激光束404被指引到三個三腳架腿的基座。第四個激光束402是被為垂直指向下的真垂波束。被指引到三腳架腿基座的三個波束404確定該設備的平面取向。真垂波束確定該儀器到該平面的垂直距離。由此，知道了該4義器相對于地面的精確取向和位置。主站400的剩余操作與圖2中示出的主站相似。
圖15A D示出了主站或子站的配置如何能夠被懸掛在地面上方并且可以橫越諸如建筑位置的多維空間，同時從上方測量到固定參考和其他設備的距離。圖15A和15B示出了導軌驅動系統。圖15A是具有裝配在其頂部的陀螺儀穩定單元506的主站500。穩定單元506附連到具有導軌槽504的托臺502 (優選地是計算機控制或軟件驅動的托臺)。圖15B示出了使用導軌501可滑動地裝配主站或子站512的另一導軌裝配配置。圖15C和15D分別示出了線纜驅動的和旋翼驅動的站524和530;對于各自的站示出了線纜520和旋翼532。圖16示出了適于具有線纜503的線纜驅動配置的圖15A中的設備。圖17示出了裝配到機器人交通工具站的底部或者機器人臂的工具。這些設備將用于根據預定指令標記表面。圖17A示出了彈簧裝載的尖鉆的機頭并且圖17B示出了彈簧裝栽的標記器或涂漆棒的機頭。
通常，棱鏡桿是手持的，并且因此在手持的人的手震動時受移動影響。前面已討論了棱鏡或站的陀螺儀穩定。圖18A和18B中示出了可替換的穩定技術。
圖18A和18B示出了用于具有棱鏡608的桿602的可替換的穩定設備。圖18A中示出了完整的桿，并且圖18B中示出了穩定設備。穩定設備600是封閉隔間，具有允許桿602通過的兩個開口和手柄604;該穩定設備由三腳架610支撐。在封閉隔間600中，通過如所示出的線606或者通過與用于減慢門的移動的粘性液體阻尼棒來懸掛該桿。為了高效，精密地控制(damp)該阻尼桿。該桿在底部通過砝碼612配重，由此其指向地心。因此，砝碼612用作吊線錘。
圖19A B示出了另 一穩定機構。其是修改的陀螺儀機構。圖19A示出了具有穩定機頭702和裝配在該機頭702下面的棱鏡704的完整的桿700。圖19B中示出了機頭702的示意性一見圖。在機頭702中，安置有X和Y方向的陀螺儀和用于在Z方向中穩定的電子處理器710(例如，模糊邏輯控制器)。該設備將克服由用戶手持該桿引起的振動和不準確。圖19A和19B中示出的陀螺^UI定的桿應生成用于棱鏡的更加堅實和穩固的平臺。該電子設備實時地控制陀螺儀的旋轉速度以增加桿穩定性。
圖20A B說明了具有旋轉激光器和無線發射機和接收機的主站801和具有旋轉激光器和無線發射機和接收機以及棱鏡812的子站810的組合使用。用于主站和子站兩者的無線發射機和接收機被安置在上述站中并且因此未在圖20A和20B中示出。此處描迷了該組合的優點和功能。該系統意在用于獨立于主站模塊或者替換主站模塊使
用，以測量距離并且幫助用戶在多維空間中導航。旋轉主站801可以向無線計算機設備遞送XYZ坐標測量和位置三角測量數據，用于通過CAD繪圖或數字化繪圖在工作地點進行導航和測量。
旋轉主站801是包括兩個測距激光器和兩個棱鏡觀測激光器的讀取器和測量設備，所有激光器都裝配在設備封罩的上部分中。圖20中還示出了具有測距激光器800A、 800B和棱鏡觀測激光器800C和800D的主站800的頂-f見圖，所有該激光器裝配在主站800的頂部中。棱鏡觀測激光器能夠讀取印刷在其觀測線內的物體上的條形碼信息。四個脈沖調制激光發射器和四個激光數據接收機傳感器的配置裝配在該設備的底部分中；圖20A中將該8個激光器中的一個激光器示出為804。這些激光器能夠向配備有用于接收該光信號的傳感器的一個或多個設備(例如，主站或子站)發射數據。該傳感器能夠實現從脈沖調制發射機發送的信息的讀取或接收。旋轉主站可以與其他相似配備的主站或子站或者固定參考通信。該旋轉主站機構也可適于自調平。
旋轉子站810具有裝配在設備封軍的上部分中的360度直角棱鏡812。四個脈沖調制激光發射器和四個激光數據接收機傳感器的配置裝配在該設備的底部中，其中一個被示出為激光器814。子站810可以適于自調平。圖20B示出了與裝配在三腳架824上的子站810通信的、裝配在三腳架826上的主站801;所述設備經由激光束820和822通信。旋轉主站801和旋轉子站810因此可以經由脈沖調制激光器和接收機傳感器相互通信。它們交換識別、遙測數據和命令。
圖20A說明了具有棱鏡發射機和接收機陣列的連續旋轉主站的結構。旋轉激光器與棱鏡發射機和接收機陣列和用于發射和接收信息的激光器陣列以及處理器和關聯電路的該組合是可以代替機器人主
20站模塊或機器人經綷儀的系統。通過適應當前可用的旋轉激光器等
級，該設備可以向無線計算機設備遞送X、 Y、 Z坐標測量和位置三 角測量結果，用于在多維空間中導航和測量，以生成該多維空間的 CAD或其他類型的圖形表示。該讀取器、測量器包括兩個棱鏡觀測激 光束、頂部陣列上的兩個測距激光束。讀取器、寫入器包括四個數據 發射激光器、每個設備的底部上的四個激光數據接收傳感器。每個站 還可以配備有無線的無線電發射機和接收機。
每個站可以具有如下部件/功能
a. 自調平可視激光器；
b. 能夠經由激光束發送數據；
c. 能夠經由激光束接收數據；
d. 能夠測量到多個棱鏡的距離；
e. 能夠基于返回信號區分棱鏡；和
f. 能夠無線地發射信息。
參考圖21A 21B，示出了可以用作主站、子站或固定參考點的 多棱鏡組件和識別設備900。紅外線頻閃器902裝配在設備900的頂 部附近并且彩色電荷耦合設備(CCD )卯4裝配在該設備的透鏡附近。 CCD設備904形成設備900的接收機的一部分。使用用于發射和接收 的紅外光并且在接收光信號時使用色彩識別。在圖21B中，示出了多 個棱鏡卯6，其中每個棱鏡用作單獨的標石或者固定參考點。每個棱 鏡返回不同顏色的光。在圖21B中，紅外線頻閃器閃現紅外線波束 912，并且紅外光自彩色棱鏡反射回來。紅外線波束912朝向多個棱 鏡散開，由此可以同時識別視場中的多個棱鏡。
圖21B中示出的系統可被稱為彩色化棱鏡識別系統，能夠進行 迅速的多棱鏡識別和單獨棱鏡識別。在與現有的主站-棱鏡關系比較 時，彩色化多棱鏡識別系統具有三個區別的功能特征
21 每個單獨棱鏡由不同的彩色雙色玻璃構造。
當前位于主站模塊中的適當位置的黑白CCD攝像機芯片被如 下系統替換，利用通過彩色CCD芯片卯4，所述系統利用延伸波束紅 外激光作為迅速搜索主站模塊視場中的棱鏡的方法。使用彩色CCD 芯片代替黑白攝像機芯片將使主站模塊能夠區分顏色，因此使每個棱 鏡是單獨可識別或可尋址的。當前在扇形通道中利用紅外激光搜索主 站模塊的視場中的棱鏡；該方法一次僅能識別一個棱鏡。
紅外線頻閃器卯2或閃光燈用于同時識別主站的視場中的多個 棱鏡的數目和位置。
參考圖21(B),六個棱鏡位于設備900的視場中。作為主站操作 的設備卯O發射紅外頻閃光。基于棱鏡的唯一顏色，即時地了解每個 棱鏡及其位置。
固定參考點或標石可以是被動式的或智能的。被動式固定參考點 或標石可以包括棱鏡或反射器、印刷的條形碼或圖形、交叉標線或平
釘(even nail)。圖22中示出了作為具有印制的條形碼的棱鏡的被動 式標石的示例。
盡管通過參考本發明的具體實施例詳細描述了本發明，但是對于 本領域的技術人員顯而易見的是，在不偏離本發明的精神和范圍的前 提下可以進行多種改變和修改。因此，本發明應涵蓋在附屬權利要求 及其等效物的范圍內的本發明的修改和變化。
權利要求
1.一種系統包括主站；至少一個子站，其與所述主站通信，其中所述各站交換關于在多維空間中進行的測量和識別的信息，以允許所述主站實時地自動地生成所述多維空間的圖形表示。
全文摘要
一種包括主站和在該主站的控制下的子站的系統能夠實時地生成多維空間的圖形繪圖。在該站之間交換關于該多維空間的物理尺寸以及該多維空間中的物體和/或結構的位置和取向的信息。主站能夠實時地，即當其自子站接收信息并且通過其自有的測量設備獲得信息時，自動生成多維空間的N維圖形表示。主站可以將多維空間顯示給用戶，允許在該多維空間中引導(即，導航)用戶。
文檔編號G06F3/14GK101578591SQ200780044869
公開日2009年11月11日 申請日期2007年11月28日 優先權日2007年10月19日
發明者薩姆·斯塔西斯 申請人:薩姆·斯塔西斯