專利名稱：用于確定工作空間中的位置的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及便于空間定位的系統(tǒng)，包括工作空間或工作場地例如建筑工地或其它 地點的空間定位。例如，當建筑物內(nèi)部被潤飾時，需要確定各種內(nèi)部特征的位置，如墻壁、窗 戶以及門的適當?shù)奈恢谩４嬖诒仨毐贿m當?shù)卦O(shè)置的大量電的、管道和HVAC組件。進一步地， 橫梁、托梁、天花板、瓷磚、架子、櫥柜以及其他類似的組件必須被準確地安置。在建筑物內(nèi) 部的建造開始后，各種組件相對于周圍的墻壁、天花板及地板的定位必須被快速和稍微精 確地完成，如它們被草擬的。一般，需要相當數(shù)量的勞動力在建筑工地布置建筑點。已需要 幾組工人來測量并標記不同的位置。將認識到，該過程易遭受來自測量錯誤和來自所積累 的誤差的誤差，當從一個中間點到另一個進行測量時，這些誤差增加。大量工具已被開發(fā)以 促進該過程，盡管這些工具中的許多使用起來稍微復(fù)雜，并且需要謹慎的注意來達到期望 精確度。
背景技術(shù)：
測距無線電裝置提供對用于定位應(yīng)用的GPS接收機的極好的備選方案，在這些定 位應(yīng)用中，GPS接收例如在建筑物內(nèi)部是不可用的，或GPS接收機的使用是不可靠的。例如， 為了適當?shù)剡\行，GPS接收機需要對多個衛(wèi)星的視線訪問。這在一些操作設(shè)置中可能是不 可能的，如當在室內(nèi)、地下或在混亂的環(huán)境中進行工作時。在超寬帶(UWB)頻率處工作的測距無線電裝置使用飛行時間分析提供對在無線 電裝置之間的距離的非常準確的測量。當從多個固定位置無線電裝置到目標無線電裝置實 現(xiàn)測距時，目標無線電裝置的相對三維位置通過三邊測量來實現(xiàn)。為了進行距離測量，發(fā)端 測距無線電裝置發(fā)送由前同步碼和頭部組成的包。頭部包含被請求以響應(yīng)于包的帶有目的 無線電裝置的地址的測距命令。發(fā)端無線電裝置在這次發(fā)送時重置它的主計數(shù)器，建立本 地時間零基準。當目的測距無線電裝置接收呈送給它的測距請求時，它記錄接收時間，并用 它自己的包回復(fù)，包括在頭部中的接收時間和響應(yīng)發(fā)送時間。發(fā)端無線電裝置接收從目的 無線電裝置返回的測距包，記錄它的接收時間并鎖住它的主計數(shù)器。然后使用時間信息以 補償在兩個無線電裝置上的計時時鐘的差異來計算并記錄距離值。使用測距無線電裝置提供改進的系統(tǒng)以確定在工作場地上的不同位置是所期望 的。然而，困難出現(xiàn)，因為測距無線電裝置可能并不在整個工作場地適當?shù)毓ぷ?，特別是如 果被安置成靠近金屬表面或橫梁，或完全或部分地從固定的基準測距無線電裝置屏蔽。此 外，能夠確定不容易到達的點的位置有時是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
用于確定在工作空間中的所關(guān)注的點的維度坐標的系統(tǒng)包括位于在工作空間中 的已知位置處的多個固定位置測距無線電裝置，以及配置為指示所關(guān)注的點的具有第一末 端的棒。一對測距無線電裝置安裝在棒上。安裝在棒上的第一測距無線電裝置與棒的第一 末端隔開第一距離，并且安裝在棒上的第二測距無線電裝置與第一測距無線電裝置隔開第 二距離。響應(yīng)于這對測距無線電裝置的測量電路確定這對測距無線電裝置中的每個相對于 多個固定位置測距無線電裝置的位置。測量電路確定棒的第一末端相對于多個固定位置測 距無線電裝置的位置。第一和第二距離可以是實質(zhì)上相等的。棒可包括手柄部分以便于用戶使用棒。多 個固定位置測距無線電裝置可包括至少四個測距無線電裝置。棒還可包括在第一末端的標 記元件，其用于在表面上做標記。顯示器響應(yīng)于測量電路，用于向用戶指示棒的第一末端的 位置。測量電路可響應(yīng)于用戶輸入以允許用戶指定棒的第一末端的期望位置。系統(tǒng)還可包 括顯示器，其響應(yīng)于測量電路，用于指示將棒的第一末端移動到期望位置所需的棒的移動。用于確定在工作空間中的所關(guān)注的點的維度坐標的系統(tǒng)包括用于測量在工作空 間中的基準元件的位置的裝置，以及配置為指示所關(guān)注的點的具有第一末端的棒。一對基 準元件安裝在棒上。第一基準元件與棒的第一末端隔開第一距離，并且第二基準元件與第 一基準元件隔開第二距離。測量電路根據(jù)在工作場所中的這對基準元件的位置確定在工作 空間中的棒的第一末端的位置。第一和第二距離可以是實質(zhì)上相等的。棒可包括手柄部分以便于用戶使用棒。用 于測量基準元件的位置的裝置可包括智能型全站儀?；鶞试砂ㄗ詣臃瓷湓０暨€ 可包括在第一末端的標記元件，其用于在表面上做標記。系統(tǒng)還可包括顯示器，其響應(yīng)于測 量電路，用于向用戶指示棒的第一末端的位置。測量電路響應(yīng)于用戶輸入以允許用戶指定 棒的第一末端的期望位置。系統(tǒng)還包括顯示器，其響應(yīng)于測量電路，用于指示將棒的第一末 端移動到期望位置所需的棒的移動。智能型全站儀可在兩個自動反射元件之間高頻振動， 以便確定兩個自動反射元件的位置。


圖1示出棒和安裝在棒上的一對測距無線電裝置的第一實施方式；圖2是與四個固定位置測距無線電裝置一起使用的圖1的棒的簡圖；圖3是用在系統(tǒng)中的電路的示意圖；以及圖4示出與智能型全站儀一起使用的具有回射元件的棒的第二實施方式。
具體實施例方式圖1-3共同說明用于確定在工作空間中的所關(guān)注的點的三維坐標的系統(tǒng)的第一 實施方式。系統(tǒng)包括配置成指示所關(guān)注的點的具有第一末端12的棒10。第一末端12可具 有從棒10延伸的指示元件14，如在圖1中所示的。棒10可進一步包括手柄部分16以便于 用戶使用棒10。如將被更充分地解釋的，在下面，用戶通過手柄部分16握住棒10并用手安 置棒的第一末端12，以使指示元件14位于所關(guān)注的點。例如，指示元件14可接觸到在地 板、墻壁或天花板上的點，以使該點的三維坐標可以被確定。
系統(tǒng)進一步包括多個固定位置測距無線電裝置18、20、22及M(圖2)，其位于在 工作空間的已知位置。這些位置可以通過任何已知的勘測或測量技術(shù)被確定。由于遍及工 作空間的所關(guān)注的點的位置相對于固定位置測距無線電裝置從三邊測量計算被確定，這些 固定位置測距無線電裝置被廣泛地散布在工作空間上以最優(yōu)化精確性是優(yōu)選的。給定四個 球體的中心位置和長度，三邊測量是用于確定四個球面的交叉線的方法。在當前情況中，固 定位置測距無線電裝置的位置限定四個球體的中心，并且從每個測距無線電裝置到可移動 的測距無線電裝置的距離限定每個球體的半徑。當從固定的測距無線電裝置到所關(guān)注的點 的距離已知時，所關(guān)注的點將必然位于在球面上的某處，該球面具有在測距無線電裝置處 的中心且具有與該距離相等的半徑。如果這樣的距離相對于全部四個測距無線電裝置被確 定，被限定的球面將在所關(guān)注的點處交叉。因此對于固定位置測距無線電裝置18、20、22及 M中的每個的精確的位置確定對于系統(tǒng)的精確操作是重要的。一對測距無線電裝置被安裝在棒10上。第一測距無線電裝置30與第一末端12 隔開第一距離L1，且第二測距無線電裝置32與第一測距無線電30隔開第二距離L2。對圖2進行參考，其中測距無線電裝置30的坐標為Xp Y1及Z1，測距無線電裝置 32的坐標為X2、&及Z2，且在棒10的末端12上的指示元件14的坐標為XP、Yp和測距 無線電裝置30和32位于與指示元件14的公共線上，如在圖1中的虛線所指示的。從對圖 2的回顧來看這將是顯然的，其中(X2-X1) /L2 = (X1-Xp) /L1,以及 Xp = X^(L1A2) (X1-X2)。類似地，Yp = Y1+ (IVL2) (Y1-Y2)，以及Zp = Z1+ (VL2) (Z1-Z2)。如果L1 = L2，那么這些關(guān)系甚至進一步簡化為Xp = 2 - ,Yp = 2YrY2,以及Zp = H因此，如果兩個測距無線電裝置30和32的三維坐標被確定，指示元件14的三維 坐標也是已知的。測距無線電裝置30和32的坐標通過使用固定位置測距無線電裝置18、 20、22及對被確定，如下面所描述的。系統(tǒng)進一步包括響應(yīng)于這對測距無線電裝置30和32的測量電路40(圖3)。電 路40使用三邊測量分析確定每個測距無線電裝置30和32相對于多個固定位置測距無線 電裝置18、20、22及對的位置。然后電路40確定相對于多個固定位置測距無線電裝置18、 20,22及M的第一末端12的三維坐標，更具體地，指示元件14的三維坐標。測量電路40 通過在42的手工輸入或通過任何其它恰當?shù)氖侄谓邮諟y距無線電裝置18、20、22及M的 坐標。如也將在圖3中提到的，輸入44還被設(shè)置為輸入期望位置。操作員顯示器46響應(yīng) 于測量電路40。圖3的組件可與棒10是整體的，或可被單獨地封裝，且被系統(tǒng)的用戶單獨 地攜帶。此外，測距無線電裝置30和32如在圖3中所示的被直接連接到測量電路40，但可 選地可經(jīng)由無線電鏈路或其他無線鏈路被連接。在使用中，固定的測距無線電裝置18、20、22及M被安置在工作空間，并且它們的 三維坐標被記下并經(jīng)由42提供給電路40。如所知道的，為了確保消除不定性，固定的測距無線電裝置被定位成使得它們不都在同一平面中。棒10接著被操作員移動，以使指示元件 12接觸所關(guān)注的點，這個點的坐標將被確定。當棒20被適當?shù)匕仓脮r，這通過操作員即刻 關(guān)閉開關(guān)48來發(fā)信號，開關(guān)48可以是在棒10上的開關(guān)，或位于與測量電路不同的地方的 開關(guān)。在這個時刻，指示元件14的坐標-XP、Yp和&被確定并存儲。附加的點的位置可以 相同的方式被獲得并存儲。使用系統(tǒng)以定位點是可能的，該點的三維坐標以前被確定。為 了完成此，期望位置在44被輸入。然后當棒10移動時，操作員監(jiān)控顯示器46，顯示器提供 指示元件14必須在哪個方向上移動和移動多少距離的指示，以便使它到達期望位置。如果 需要，指示元件14可被配置為小的線環(huán)，氈尖標記器或其他標記裝置可固定到該線環(huán)。通 過該布置，棒可被移動到預(yù)定位置，且在該預(yù)定位置處的表面上標記被做出。將認識到，使用在已知位置處的但不位于公共平面中的四個固定位置測距無線電 裝置允許以三邊測量計算明確地確定遍及工作空間的所關(guān)注的點的位置。還將認識到，如 果只使用在已知位置處的三個固定位置測距無線電裝置，產(chǎn)生的不定性是，所關(guān)注的點可 以在兩個可能的位置的任一個處。兩個可能的位置將位于平面之上和之下，該平面對于三 個固定位置測距無線電裝置是公共的。如果兩個可能的位置中的一個可以用某種方式消 除，那么不定性被消除且對于系統(tǒng)的操作只需要三個固定位置測距無線電裝置。作為例子， 不定性可以通過使三個固定位置測距無線電裝置位于工作場地內(nèi)部的地板上來消除。所關(guān) 注的點將總是在地板水平之上，并且將因此總是在公共平面的水平之上。帶有較高Z維坐 標的可能的三個三維坐標將因此總是被選擇為所關(guān)注的點的位置。如果需要，系統(tǒng)可被配置成確定在二維空間內(nèi)的所關(guān)注的點的坐標。例如，這樣的 二維系統(tǒng)可被用于布置在建筑物的地板上的設(shè)備或結(jié)構(gòu)的位置。為了實現(xiàn)二維布局，只需 要使用兩個固定位置測距無線電裝置。如上面所討論的，帶有三個固定位置測距無線電裝 置的系統(tǒng)將提供對位置計算的不定性解決方案，因為所關(guān)注的點可以為兩個位置中的任一 個，一個位置在固定位置測距無線電裝置的平面下面，而另一個位置在固定位置測距無線 電裝置的平面上面。由于只有兩個固定位置測距無線電裝置，不定性增加，所關(guān)注的位置被 發(fā)現(xiàn)位于圓上的某處。圓將被定向成使得它是離第一無線電裝置的第一一致的距離和離第 二無線電裝置的第二一致的距離，第一和第二一致的距離不一定相等。如果固定位置測距 無線電裝置位于工作場地的地板上，且如果所關(guān)注的點被限制成位于地板上的某處，那么 不定性減少到在地板上的兩個可能的點中的一個。此外，如果兩個測距無線電裝置被放置 在房間的一側(cè)的地板上，以使兩個點中的一個可以被消除，如在房間外的一樣，那么不定性 被消除，并且可以實現(xiàn)在工作場地的地板上的二維布局。圖4說明本發(fā)明的另一實施方式，其包括用于測量在棒10上的基準元件52和M 的位置的裝置，如智能型全站儀50。智能型全站儀是可從Trimble Navigation Limited得 到的類型的裝置，其跟蹤一個或多個自動反射元件并在這樣的元件的位置上提供持續(xù)的數(shù) 據(jù)流。在該實施方式中的基準元件52和M由回射反光帶的小條組成，在第一實施方式中 該回射反光帶的小條在如上所述相對于測距無線電裝置30和32的相同的相對位置上纏繞 在棒10周圍。智能型全站儀重復(fù)地將細的激光束指引到每個基準元件52和M，在元件之 間高頻振動。全站儀接收反射光，并測量光束的飛行時間。從該數(shù)據(jù)中，在智能型全站儀50 內(nèi)的測量電路40能夠計算元件52和M的三維坐標，并且因此尖端12的位置被精確地指 定。將認識到，可使用回射立方體或其他裝置來代替帶條52和M。
雖然為了說明的目的已經(jīng)在上面描述了特定的實施方式，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將 認識到，在這些實施方式中的許多變化可被做出。
權(quán)利要求
1.一種用于確定在工作空間中的所關(guān)注的點的維度坐標的系統(tǒng)，包括多個固定位置測距無線電裝置，其位于在所述工作空間中的已知位置處，棒，其具有第一末端，配置為指示所關(guān)注的點，一對測距無線電裝置，其安裝在所述棒上，第一測距無線電裝置與所述第一末端隔開 第一距離，并且第二測距無線電裝置與所述第一測距無線電裝置隔開第二距離，以及測量電路，其響應(yīng)于所述一對測距無線電裝置，用于確定所述一對測距無線電裝置的 每一個相對于所述多個固定位置測距無線電裝置的位置，并且用于確定所述棒的所述第一 末端相對于所述多個固定位置測距無線電裝置的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一距離和第二距離是實質(zhì)上相等的。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述棒還包括手柄部分以便于用戶使用所述棒。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個固定位置測距無線電裝置包括至少四個測 距無線電裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述棒還包括在所述第一末端處用于在表面上做標 記的標記元件。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括響應(yīng)于所述測量電路用于向用戶指示所述棒的所 述第一末端的位置的顯示器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述測量電路響應(yīng)于用戶輸入以允許用戶指定所述 棒的所述第一末端的期望位置，并且還包括響應(yīng)于所述測量電路用于指示將所述棒的所述 第一末端移動到所述期望位置所需的所述棒的移動的顯示器。
8. 一種用于確定在工作空間中的所關(guān)注的點的維度坐標的系統(tǒng)，包括用于測量在所述工作空間中的基準元件的位置的裝置，棒，其具有第一末端，配置為指示所關(guān)注的點，一對基準元件，其安裝在所述棒上，第一基準元件與所述第一末端隔開第一距離，并且 第二基準元件與所述第一基準元件隔開第二距離，以及測量電路，其響應(yīng)于所述一對基準元件的所述位置，用于確定在所述工作空間中的所 述棒的所述第一末端的位置。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第一距離和第二距離是實質(zhì)上相等的。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述棒還包括手柄部分以便于用戶使用所述棒。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中用于測量所述基準元件的位置的所述裝置包括智 能型全站儀。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述基準元件包括自動反射元件。
13.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述棒還包括在所述第一末端處用于在表面上做 標記的標記元件。
14.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括響應(yīng)于所述測量電路用于向用戶指示所述棒的 所述第一末端的位置的顯示器。
15.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述測量電路響應(yīng)于用戶輸入以允許用戶指定所 述棒的所述第一末端的期望位置，并且還包括響應(yīng)于所述測量電路用于指示將所述棒的所 述第一末端移動到所述期望位置所需的所述棒的移動的顯示器。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述智能型全站儀在所述兩個自動反射元件之間高頻振動，以便確定所述兩個自動反射元件的位置。
全文摘要
一種用于確定在工作空間中的所關(guān)注的點的維度坐標的系統(tǒng)包括位于工作空間中的已知位置處的多個固定位置測距無線電裝置，以及配置為指示所關(guān)注的點的具有第一末端的棒。一對測距無線電裝置安裝在棒上。測量電路響應(yīng)于這對測距無線電裝置確定這對測距無線電裝置的每一個相對于多個固定位置測距無線電裝置的位置，并且確定棒的第一末端相對于多個固定位置測距無線電裝置的位置。可使用智能型全站儀來代替固定位置測距無線電裝置，以監(jiān)控在棒上的回射元件的位置。
文檔編號G01S5/04GK102096062SQ20101058609
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者K·卡勒 申請人:天寶導(dǎo)航有限公司