专利名称：用于确定手持测量仪的空间位置的方法和系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于确定手持测量仪的空间位置的方法、根据权利要求14所述的该方法的修正基于惯性传感器的定位和方位测量设备的偏差的应用、一种根据权利要求15的前序特征部分(clause)所述的手持测量仪、一种根据权利要求27所述的局部位置确定系统以及根据权利要求29所述的方法的应用。
背景技术：
在很多测地应用中，使用用于确定测地设备(geodetic instrument)的位置和/或方位的方法和系统。根据由这种系统确定的位置，通常随后执行的与该位置相关联的且通常还需要了解测量仪的空间方位的进一步测量。对于这种应用，必须确定手持测量仪的6个自由度来明确地确定绝对空间位置。因而该问题包括作为可独立完成的两个基本任务的对位置和方位的确定，然而，对于很多应用来说，这两个任务必须联合执行。因此通常需要手持测量仪的位置和方位两者。
用于位置确定的系统的示例例如有诸如GPS、GLONASS或者目前在建的欧洲伽利略系统的全球定位系统。这些系统基于对卫星信号的尽可能不受干扰的接收，然而，卫星信号也可能被障碍物所遮挡并由此限制其使用。在紧邻障碍物的地方，由于所述障碍物的遮挡效应，对信号的接收可能受限或者完全不可能，使得不再可能利用该系统来确定位置。在建筑物的内部房间(其中通常排除了对定位所需的大量卫星的接收)中的测量尤其涉及这些限制。另一个问题是全球定位系统不能始终提供所需精度的位置确定或者需要付出更多的努力，例如通过利用基准站或更长的测量时间。
例如通过采用两个接收天线，可以利用这种系统来确定测量仪的方位。如果基线或者天线相对于该仪器的轴线的位置是已知的，则可以推导测量仪的方位。为了由此确定尚未确定的绕该仪器的轴线的旋转，可以采用倾角传感器。
另一示例是利用经纬仪或准距仪的载有反射器的装置(reflector-bearing instrument)的位置确定。利用准距仪测量相对于该测地装置的方向和距离，如果准距仪的位置已知，则也可以确定该装置的位置。将自动目标检测和目标跟踪相结合，可以实现准连续的位置确定。这里测量的前提是这两个组件之间的视觉链路。如果例如由于视野内的作物(growth)或者建筑物使该链路被遮断，则该位置确定方法失效。另外，机动化准距仪每次仅能跟踪一个装置，因而，例如在建筑工地有很多车辆的情况下，同样必须使用大量经纬仪。由于设备和人员方面的成本，采用大量经纬仪在可视区域内无间隙地实际覆盖要测量的全部区域通常是不实际的。另外，这种方案复杂度高并要求持续通信来控制测量过程。
为了在所有情况下以所要求的精度允许实际位置作为装置的当前位置，已知的方法基于对所述装置自身相对于作为基准物或基准点的物体(它们的位置是已知的)的位置的确定。这种方法的一个示例是经典的三线测量法。如果想要根据对基准点的了解推导适用于此用途的测地装置或者定位设备的实际位置，则必须预先建立基准点并以足够的精度对其进行测量。
随后通过对基准点的测量(从中可以得到关于装置本身的位置或实际位置的结论)可以实现对实际位置的确定。在很多情况下，测地装置仅具有测量距离的能力，或者不能以所要求的精度或速度来执行对角度的测量。在这些情况中，必须仅通过距离测量来进行位置确定。为此，测量距多个已知位置的点的距离，并且可以通过例如也在照相测量法中采用的已知方法来实现对实际位置的确定。相关方法或相关计算就是其一个示例。所需点数取决于其位置和期望的测量精度。然而，除了特别有利的结构，通常至少需要3或4个点。如果另外要将角度计入考虑，则例如另外通过检测相对于水平的角度，可以将点数降至两个。
在各种情况下实际所需点数取决于这些已知点的位置和用于降低模糊(ambiguity)的任何可能限制。在对各个基准点进行三次距离测量的情况下，由三个已知位置来定义要被确定的实际位置可以得到反应的平面。会出现作为解的两个可能位置，然而其中一个位置通常出于似是推理(plausibility reason)(例如，因为其位于地面以下)或者例如基于其他简单信息(诸如也可以通过简单的磁罗盘来进行的北南之分)而被排除。如果存在有利的几何条件，则可能利用三个已知点进行明确的确定。例如如果查找的位置位于两个已知点之间的连线上就是这种情况。
除了位置以外，理论上也可以利用测地设备通过执行对结构的两个或三个点的测量来确定该结构的空间方位，但仅对两个点的测量只能确定5个自由度。然而由于手持器的空间尺寸，这种方案不能实际应用。
尽管基本知道可以确定实际位置，但利用现有技术的测地装置的过程还是过于复杂了，并且由于所需的测量，该过程总是要求中断否则会发生的行为。尤其是，不可能连续运动而进行稳定的测量，甚至不能使用根据该原理确定的实际位置来校正其他类型的定位系统的误差。
US 5,467,273公开了一种在扩展平面上运动的机器人系统，该系统通过参照已知的反射点来确定所述系统自身的位置和方位。为此目的，该机器人系统采用可绕垂直轴移动且具有测距仪(其测量相对基准点的距离和角度，并确定距基准点的实际位置)的扫描仪系统。
然而由于运动被限制在平面上，因而这里对位置和方向的确定并不非常复杂，并且不能直接应用于三维问题。另外，用于控制这种类型的机器人系统所需的精度显著低于测地应用中的精度。
此处特别相关的是以指定精度进行测量所需的基准点的数量。所述数量应当尽可能地低，尤其是在初始建立(setup)期间和对这种点进行测量期间。为了使所需基准点的数量最少，因此需要仔细选择所建立的几何结构和要测量的变量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种即使在高度横断的地形中或者在内部房间中也能够确定手持测量仪的实际位置和方位的方法、装置和系统。
另一个目的是缩短所需测量之间的周期。
另一个目的是提供一种本地定位和方位系统，其中可以与位置待确定的单元一起稳定地承载(carry)确定空间位置所需的电子设备，并且因此在该系统的设计中，其基本上与用户数无关。
提高对实际位置和实际方位的确定精度是本发明的又一目的。
另一目的是简化并缩短用于确定实际位置和实际方位的测量。
本发明的又一目的是允许对基准点进行自动识别和测量。
本发明的又一目的是允许对所限定的起点和止点之间的处理点进行自动确定和检查。
本发明的又一目的是提供一种可以对基于其他工作原理的位置和方位系统的测量进行连续校正的方法、手持测量仪或位置和方位系统，所述校正优选地在背景技术中出现。
根据本发明，分别通过权利要求1、14、15、27和29的特征或者通过从属权利要求的特征来实现这些目的。
特别地，本发明涉及一种与测地装置联合使用的用于确定实际位置的方法和定位设备或系统。
为此目的，在该方法的第一步中，建立多个可检测且可测量的基准点。选择该基准点的数量，尽可能地使从要使用的区域内的各点可以检测至少两个基准点。利用通常已知的测量技术方法(例如，通过总体定位系统或者全球定位系统或者通过天线照相测量法)可以实现对这些基准点的位置的测量。如果基准点出现在封闭房间内，则它们也可以例如采用手持测距仪而被测量，多个已知位置距被记录的同一基准点的距离，或者可以使用诸如例如来自角度测量中的其他信息。理论上可以将已经测得的三角点选择为基准点。然而，也可以利用根据本发明的定位设备相对于指定起点(定位设备最初置于其上)来测量基准点。
为了使基准点可被检测到，通过安装专门设计的元件来限定它们。例如，诸如三棱镜、反射箔或在测量技术中常见的其他反射器的协作对象可以用于此用途。采用球形元件提供了精确的基准点确定与从不同方向的良好可检测性的组合。所述元件例如可以是反射球形式，或者为半球或四分之一球的形式。由于表面的形式和反射率，入射激光辐射在入射的全部方向上同等地被反射回。由于半径固定，因此可以准确地计算距限定点的距离。另外，由于反射的重心在球面或球形段表面上，因此还可以以足够的精度来确定用于角度测量的基准点的位置。
尤其是，与相对长期使用的区域(例如，大型建筑工地)相关地，可以通过建立大量的基准点来限定已知的位置的网络，这些基准点可从大部分区域看到，并表示该本地定位系统的基础，并且由于相对长期使用的优势，可以以更多的努力来测量这些位置。
根据本发明的定位设备具有至少一个用于发射激光辐射的辐射源。发射到表面上并随后反射之后，在接收机处再次检测到该激光辐射并对其进行评估，基于相位测量原理或脉冲渡越时间测量原理来执行距离测量。例如在EP 0 738 899 B1中公开了这种装置。在WO 2004/074773中说明了根据本发明可以采用的用于距离测量的另一原理。
以扫描运动的形式将激光束导入至少一个空间段上，这对于空间段，以如下方式来使基准点的数目与检测到的空间段的方位彼此适应是必需的出于距离测量的目的，将至少两个基准点置于一个空间段上或者在各种情况下，将一个基准点置于两个空间段之一上。根据对实施例的特别选择实现，可以为空间段选择不同的扫描运动。因此，例如在将反向旋转棱镜用作扫描仪的控制元件的情况下，循环扫描或检测到的空间段的莲座状扫描(rosette-like scanning)是可能的。
如果空间段经过一个区域并且进入该空间段或其中存在的基准点被检测、识别以及测量，则理论上可以检测这些基准点。另外，利用用于对多个空间段进行独立扫描的组件，还可以始终跟踪一个或更多个基准点。这意味着空间段总是与基准点相匹配，使得可以省去对基准点的连续识别或者将其限于验证。
可以基于基准点的反射率从背景中分辨出这些基准点，从而使得可以根据反射的辐射的强度变化来简单确定基准点的位置。通过将发射方向和强度最大值相关联，可以推导出距基准点的距离和方向作为位置信息。
然而有利地，也可以采用图像记录和图像处理方法。在这种情况下，与距离相关地，可以另外地由定位设备来记录图像。图像可以包括检测到的视觉区域的完整图像或者例如基准点位于其中的部分或部分图像，并且根据图像的位置推导出位置信息。对于CCD和CMOS摄像机，可获得用于记录图像的大量的适合传感器，其可由适合的光学元件来补充，并可在设备中集成为广角内窥镜的形式和小型化的形式。测得的距离与位置信息(例如包括可基于两个识别出的基准点之间存在的像素数获得的角度)协调。
根据与各角度相关联的距离，现在可以获得实际空间位置，并且利用对辐射的发射轴线相对于测量仪基准轴线的了解，还可以获得方位。为了获得该信息，可以采用普遍公知的照相测量法和图像处理的方法。与对各点进行顺序测量相比，将图像与距离信息相关联具有很多优点。因为同时检测或者在短时间内进行检测以及图像形式的图像测量排列，所以可以避免协调问题。另外，对测量的空间排列或者顺序的检测提供了可用于随后对实际位置或实际方位进行确定的附加信息。
与确定平面上的位置的公知方法相比，在三维问题的情况下会出现数学上更加复杂的描述。
在二维中，以单个角度来描述旋转位置，而对应的旋转群SO(2)是可换的且与单位圆S1同形(利用复数相乘作为群操作)。
另一方面，在三维中，由非可换的三维李群SO(3)中的点来描述旋转位置，并且所述李群SO(3)作为三维形状(manifold)具有实质上更复杂的拓扑，特别地，其与三维单位球S3不同胚(homeomorphic)。
可以以多种方式来实现对基准点的识别以及此后的由定位设备记录的位置信息与特定基准点的链接。首先，限定基准点的元件是可分辨的，从而可以无需进一步参照其他基准点而唯一地识别检测到的基准点。为此，可以附接一种码(例如类似条形码，其可以在所记录的图像中被检测并评估)，或者可以特别设计元件的物理特性。这种对物理特性设计的一个示例是衍射结构在反射球上的重叠。然而，也可以是在其镜面反射率方面的唯一设计。如果由具有两种波长的激光束来检测按照这种方式设计的元件，则可以基于反射的典型强度关系来实现对元件的识别。
然而，另外，通过另外考虑元件相对彼此的排列，精确的图像处理方法提供了无需单独设计这些元件就利用这些元件的可能性。由于全部基准点的空间位置都是已知的，因此基准点相对彼此的位置(这可以从检测到的图像中获得)可以用于允许对各点进行识别。为此目的，有利的是仅根据几个基准点以及它们相对彼此的位置可以明确地实现与位置的协调。为了确保良好的可识别性，即使在仅有少量检测到的局部量的情况下，也可以将基准点随机分散或放置为特殊排列(例如诸如数学M序列)的形式。
例如，如果在测量仪中使用用于位置确定的其他组件(诸如惯性传感器，其登记相对于已知开始位置的变化)，则也可以可选地与方向或倾角测量一起使用该信息，用于对空间段中检测到的基准点进行识别。
如果仅采用了少量基准点或者如果只在受限区域内能够或者有利地安装或建立它们，则可以采用粗搜索用于对基准点进行自动检测，该搜索为用户提供了测量仪的对准或者对准适用于检测空间段的测量仪的组件，从而不需要与用户进行交互。
为了能够执行对测量仪的定位或位置确定以外的对准或方位确定，必须在基准点的测量与仪器的可分辨轴线之间进行链接。在这一方面，除了测得的距离之外，还需要矢量形式的相对于基准点的方向。从用于位置确定的倾角测量中可以获得所述矢量。
然而，另选地或另外地，还可以测量扫描仪系统的组件的位置，从而在对基准点的检测和测量中，还已知测量光束相对于装置轴线的方向。此用途所需的量可以减至单个参数。例如如果扫描运动是已知的，则可将其构造为时间的函数，从而可以从测量时间中推断出发射或之后的接收方向。因此理论上作为位置和方位测量的对空间位置的确定仅需要对另一装置内的量进行测量。
根据本发明的测量仪通常具有其他的测量功能，这允许将测量仪用作测地装置或者并入这种装置。例如，可以设计这种手持测量仪，以通过并入另外的激光测距仪或者提供用于另外测量的距离测量功能(根据本发明无论如何都是存在的)，而能够在建筑业中进行测量。利用这种实施例，可以在各测量的情况下无需实现单独的位置确定和位置存储地测量建筑物内的距离。将测得的方向相关距离作为矢量自动地与测量中假定的位置协调，并将其存储或发送。另外，还可以同时执行其他的测量。
这一实施例还可以用于执行对基准点的初始建立和测量。为此目的，至少在从要使用或测量的区域的部分区域中可以看到并且可由适合的元件检测到的位置处建立基准点。下面，通过记录角度和距离，根据已知初始位置来测量基准点的位置。如果不能获得角度测量功能，则可代之以采用根据多个已知的初始位置的单纯距离测量，用于推导基准点的位置。
根据本发明的另一应用存在于与按照不同方式操作的位置和/或方位测量系统的组合中。该另一系统目前具有支持功能或其自身得到支持。因此，惯性传感器(例如测量转动和线性加速度的类型)经常具有导致测得的实际位置偏离真实位置的漂移。根据本发明的定位系统提供适当的校正功能，通过根据本发明的实际位置确定以特定的时间间隔来校正偏差。另一方面，根据本发明执行的步骤之间的期间可由利用惯性传感器的位置确定来支持。另外，可由另一定位系统来过渡(bridge)检测基准点的临时损耗，从而可以减少基准点数并且/或者可以简单扩展可用于测量的区域。因此按照混合形式设计的这种定位设备还可以补偿与基准点的视觉链接的简单损失，使得总体上增大了使用区域的大小并对于其使用可以使得设备更加健壮。同样的考虑以类似的方式应用于方位测量系统。
基于测地装置及其组件的尺寸以及小光束截面，高度精确且稳定的定位是严格需要的。有利地，因此将辐射源的全部组件、波束制导以及控制和评估组件安装在公共底板上或者在公共基板上实现。在DE 195 33426 A1和EP 1 127 287 B1中描述了一种光学构件或部件以及整体系统，该光学构件或部件其在安装要求和安装所需精度上是尤其适用的，且为组件形式。WO 99/26754和到提交日还未公开的欧洲专利申请第02026648号描述了适用于通过焊料将小型化的构件固定在底板上的方法。例如在提交日还未公开的欧洲专利申请第02026650号中描述了用于将小型化的构件固定在支撑板上的适合方法，特别是用于对光学元件进行精调的方法。
在此上下文中，术语“定位设备”、“方位测量设备”或者“手持测量仪”始终被理解为一般表示与测地测量或例如机器引导(诸如垂杆(plumb staff)或对建筑机械的方位或方向确定)联合使用的装置或者测量装置。通常，本发明涉及用于位置和/或方位确定的方法和装置，用于测量或检查具有空间基准的数据。尤其是，这里测地装置被理解为手持测距仪和经纬仪的意思，而所谓的总站被理解为利用电子角度测量的准距仪和电光测距仪。同样，本发明适用于具有类似功能的专用装置中，例如在军用瞄准环或者在对工业结构或处理或机器定位或引导的监控中。
下面将参照附图中示意性地示出的工作示例，仅通过示例来详细描述根据本发明的方法和根据本发明的手持测量仪或者根据本发明的局部位置和方位系统。具体地，图1示出了根据本发明的用于定位一建筑机械的方法的第一步骤的可能实施例的图；图2示出了根据本发明的用于定位建筑机械的方法的第二和第三步骤的可能实施例的图；图3示出了在建筑物的内部房间中采用根据本发明的方法的初始状况；图4示出了根据本发明的方法的第二和第三步骤的可能实施例的图，该实施例用于利用对仅一个空间段的检测来在建筑物的内部房间中进行位置确定；图5示出了在对第一和第二基准点的位置信息进行自动检测和获取中的扫描运动的示例的图；
图6a-b示出了适用于根据本发明的方法的扫描运动的图；图7a-b示出了根据本发明的方法的第二和第三步骤的另一可能实施例的图，该实施例用于利用对相互独立的两个空间段的检测来在建筑物的内部房间中进行位置确定；图8示出了用于从第一和第二基准点的位置信息和位置中获得可移动测量仪的实际位置和实际方位的数学条件的图；图9示出了将根据本发明的使用方法与另一位置或方位测量设备相组合的图；图10a-b示出了根据本发明的测量仪的第一和第二可能实施例的图；图11示出了根据本发明的测量仪的第一实施例的组件的图；图12示出了利用根据本发明的测量仪的第三实施例将根据本发明的方法用于建立处理位置的图，以及图13示出了用于获取可移动测量仪的空间位置的基本数学关系的图。
具体实施例方式
图1以示例的方式示出了根据本发明的用于定位建筑机械的方法的第一步骤。通过利用总站1作为测地用测量装置，测量安置在建筑工地上的相邻建筑物上的基准点2a，并确定它们的空间位置。将基准点2a建立在较高位置处使得从建筑工地的大部分位置来看有很好的可视性和可检测性。总站1的位置已知为方法的初始位置。然而理论上，也可以利用其他装置或方法来实现对基准点2a的位置确定。尤其是，也可以利用位于已知初始位置上的根据本发明的定位设备根据本发明来实现对基准点的位置确定。如果存在在任何情况下其位置都已知的点，则这些点可以作为基准点被检测并在根据本发明的方法中加以使用。
图2以示例的方式且仅仅是示意性地，示出了根据本发明的方法的第二和第三步骤，用于定位建筑机械3。将检测空间段5(在通常的角度和距离测量的情况下，其中应存在至少两个基准点2a′)的定位设备4a安装在建筑机械3上。如果该空间段5包括的基准点2a′少于两个，则必须改变所检测到的空间段5的大小或方位。然而，对于仅基于距离测量的本地定位系统而言，必须检测在空间段5中存在的至少三个基准点2a′，并且必须测量它们距定位设备4a的距离。根据测得值推导实际位置。
图3以应用于建筑物内部房间中的示例的方式示出了根据本发明的方法的另一应用领域的初始状况。在开始进行测量工作之前将基准点2b安置在房间墙壁上，并针对它们的位置进行测量。这例如可以采用手持测距仪(作为具有倾角计和方向仪的测量仪)来实现。通过利用该测距仪，可以通过对倾角、方向和距离的测量根据已知的初始位置连续推导基准点2b的位置。
图4示出了根据本发明的方法用于在建筑物的内部房间中进行位置确定的后续步骤的图。根据本发明的测量仪4b检测空间段5′，在空间段5′中，检测至少两个基准点2b′。由测量仪4b来测量在空间段5′中检测扫描到的两个基准点2b′的距离和倾角。然而，另选数量的变量也可用于确定实际位置和/或实际方位，诸如例如图2中示出的且仅基于距离测量的方法(但至少要为其测量三个基准点的距离)。考虑基准点2b′的绝对位置，可以从作为位置信息的距离和倾角中得到定位设备4b的实际位置。在下面情况中也一样，图仅仅是示意性的，所示物体的大小关系不应被认为是按比例缩放的。
图5示出了在对位置信息的自动检测和推导中的示例扫描运动的图。通过扫描运动6中的激光束尽可能充分地检测空间段5′。为了扫描相对较大的空间段，通常实现绕两个轴的运动。在本示例中，利用莲座状扫描运动6中的圆锥检测区在具有圆形截面的空间段5′上引导激光束，检测用于扫描运动6的设备组件的位置。当激光束击中空间段5′上存在的一个基准点2b′时，生成高强度的反射，并被用于例如通过利用取决于阈值的反射的检测或滤波，来检测基准点2b′。利用该激光束，同时实现对距基准点2b′的距离的测量。如果与空间段5′的运动相比扫描运动6迅速发生，则可以根据作为时间函数的接收到的反射的位置来得到基准点2b′相对彼此的位置，这是因为扫描运动6及其路线的参数作为时间的函数是已知的。
图6a-b示出了适用于根据本发明的方法的扫描运动的图。图6a示出了对完全检测到的圆形空间段具有低覆盖度的另一莲座状扫描运动6′。然而，根据本发明还可以采用其他形式的扫描运动6″。例如，例如与像素矩阵7相对应的矩形空间段可由曲折扫描运动6″来覆盖。如果扫描运动是已知的，则还可以例如用公用驱动电机(其驱动扫描处理的所有部件运动)的轴的时间或位置一起作为参数来对其进行构造。
图7a-b示出了在对位置信息进行自动检测和推导中示例性使用的两个空间段5″。
在第二实施例中，测量仪4c具有两个跟踪器，每个跟踪器都是为跟踪基准点2b而形成的。两个跟踪器中相互独立地搜索空间段5″，在空间段5″中，存在可检测的基准点2b′。在检测到基准点2b′之后，连续地跟踪后者并由此持续地保持空间段5″与各协调的基准点2b′对准。尽管图7a和7b中示出了不同位置的测量仪4c，但是通常能实现对同一基准点2b′的检测，从而不必对基准点进行改变和新识别。
图8示出了用于可从第一和第二基准点2b′的位置和位置信息中推导出可移动测量仪的实际位置AP的数学条件。从实际位置AP处存在的定位设备，测量距两个基准点2b′的第一距离A和相关倾角α以及第二距离B和相关倾角β。除了在通过两个基准点2b′的垂直平面处的反射之外，根据对这些量的了解，可以明确地推导出实际位置AP。另选地，代替测量第二距离B，还可以测量两个基准点之间的角度γ或者从记录图像中推导出所述角度。根据这些量，也可以明确地推导出实际位置(类似地除了反射之外)。如果此外相对于该仪器的轴线的角度是已知的，则还可以确定测量仪的方位。
图9示意性地示出了与另一定位或方位测量设备相结合的根据本发明的方法的应用。测量仪从第一位置(对基准点的测量从这里开始)开始，沿轨迹T移动，该测量仪配备有惯性传感器作为另一定位或方位测量设备，该传感器连续执行位置或对准确定。由于漂移效应，因而指出了沿第一插值路径IP1的对准或视在位置(appearent position)，此外，在一段时间间隔之后，由通过利用根据本发明的方法确定的实际方位或第一实际位置AP1对其进展进行校正。在通过该轨迹期间，在后续的时间间隔中，由根据本发明的方法测量的第二实际位置AP2和第三实际位置AP3或者实际方位来校正视在位置沿第二插值路径IP2和第三插值路径IP3的进展。通过组合这两种方法，可以推导出根据本发明的方法的测量之间存在的位置，可以克服未提供基准点的区域，或者可以实现基于惯性传感器的设备校正。另外，通过这种组合可以实现对使用领域的扩展以及处理的便利性。
图10a-b图示出了根据本发明的测量仪的两个可能实施例。
图10a中示出的作为第一实施例的测量仪4b具有壳体8，在壳体8顶部安装有用于输入数据和控制命令的按键10。在显示区域11中，显示测量结果。通过罩9(其位于测量仪4b上并对辐射透明)来实现激光辐射的发射和对空间段的检测。由于罩9的曲率，因此还可以检测位于测量仪4b侧的立体角区域(solid angle region)。
图10b示出了第二实施例的测量仪4c。除了壳体8、用于输入数据和控制命令的按键10以及显示区域11以外，测量仪4c具有两个罩9′，这两个罩9′对辐射透明，并且通过罩9′进行在各情况下的激光辐射的发射和对空间段的检测。由允许对基准点进行自动目标跟踪的跟踪器来控制发射和检测。
图11示出了根据本发明的第一实施例的测量仪4b的组件的图，该测量仪4b包括壳体8和集成在其中的组件。用于输入和输出数据以及控制指令的按键10和显示区域11在壳体8上。由第一辐射源12来发射激光辐射L，激光辐射L被偏转元件13引导到作为控制元件的可旋转棱镜对14上。利用可旋转棱镜对14，激光辐射L击中镜15的角度周期性变化，从而导致了由测量仪4b通过罩9发射的激光束L的莲座状扫描运动。可以连续检测用于发射的组件的位置来获得实际方位。经由同一光束路径将由目标(尤其是由基准点)反射回的激光辐射反馈至辐射源12，在这种情况下在辐射源12中，结构上集成有用于距离测量的接收机。
再将由检测区EB内存在的基准点反射回的辐射经由内窥镜形式的光学系统16导入作为图像记录元件的摄像机17。利用摄像机17，允许在距离测量的同时，由图像处理方法检测基准点并对其进行识别。特别地，这里可以通过计数两个基准点之间存在的像素来执行角度测量。
为进行控制和数据处理，根据本发明的测量仪4b具有计算单元20，该计算单元20包括测量组件，用于对基准点(其为可检测的)进行自动检测并用于推导出基准点和位置组件的位置信息，以从基准点的位置信息中得到测量仪4b的实际位置和实际方位。
可选地，测量仪还可具有惯性传感器21。
为了同时提供作为测地装置的功能，测量仪4b可以具有第二辐射源18，第二辐射源18同样为测距仪形式，并且通过该第二辐射源，可以对要记录的目标进行距离测量。通过将测量仪4b与常规测距仪相组合，可以建立距离信息与实际位置或实际方位之间的自动链接，由此可以简化并加速整个测量过程。
当然，示出的这些图仅仅是装置和方法的可能实施例的示例。因此，根据本发明，在其他结构和序列中也可以使用图10中采用的组件。另外，本领域技术人员有能力使用另外的或另选的光学元件(例如，具有衍射效果的光学元件)，以及具有相同或相似效果或功能且在激光物理或激光技术中常用的元件。在图10中，仅出于清晰的原因，未示出所需的电子控制部件、位置测量部件和电源部件以及安装组件。
图12说明了根据本发明，用于建立处理位置BP的根据本发明的方法的应用。利用根据本发明第三实施例的测量仪4d作为定位设备，在各情况下，在待处理的工件(这里其通过示例以挡板22来表示)上建立起始位置SP和终止位置EP。对工件进行处理的示例是将钉子锤入墙内或者钻孔。通过利用安装在测量仪4d侧且具有标记开口的条板23，可以在挡板22上标记达到的处理位置BP。因此，通过计算可以将测量仪4d上位置确定的标记开口和基准点相互的距离(departure)计入考虑。由测量仪4d中的计算组件将起始位置SP和终止位置EP定义的距离划分为预定段。这些段可以等距离也可根据更复杂的图案确定。随后在挡板22上引导测量仪4d，显示表示在各情况下预定处理位置BP之一的达到。然后可为其他的处理步骤来进行标记。对于这种应用，测量仪4d可以配备有类似于计算机鼠标的滚轮或滑动段。
图13示出了用于推导可移动测量仪的空间位置的基本数学关系。
为了在位置确定中测量位置，理论上，对于要记录的测得值的选择，最少可以有三种变型。
1.测量距两个基准点的距离，并测量基准点之一的仰角。
2.测量距两个基准点之一的距离和仰角，并测量两个基准点之间的角度。
在这两种情况下，不允许两个基准点一个垂直地在另一个的上方，并且在这两种情况下，在多数情况(favorable case)下，对于位置存在两个解，即与包含这两个基准点的平面对称且与水平面垂直。
实践中可以以各种方式来消除这种模糊，例如，通过利用方向仪(例如罗盘，不要求所述罗盘以多么高的精度设置)或者利用所建立的预先知识。因此，例如基准点位于墙上并且不能透过墙来测量物体，或者开始时知道物体位于对称面的哪一侧上，并然后对其进行跟踪，并由此还可以通过对称面。
相对于基准点具有恒定距离和仰角的点由此位于以基准点为中心并以该距离作为半径的球的纬度圈上。
3.测量两个基准点的仰角，并测量距基准点之一的距离。
这里还是不允许两个基准点一个垂直地位于另一个的顶部，另外测量距其的距离的基准点不允许位于与物体相同的(垂直)高度处，因为否则没有测量距其的距离的基准点的仰角对纬度圈上的全部点的仰角为零。在多数情况下，对于位置还是存在两个对称解。
为了获得对于测地应用足够的精度，测量距两个基准点的距离和仰角是有利的。由于冗余，该方案会有更高的精度。然而由于需要对中间角的进行测量，测量距两个基准点之一的距离和仰角和测量两个基准点之间的角度确实具有更大的硬件复杂度。
下面，将说明在仅确定距两个基准点(位置矢量x1、x2)的两个距离ρ1、ρ2和与第一基准点的仰角α1的最低情况下如何推导三维位置d。由矢量d、x1、x2定义的三角形用作起点来考虑位置确定的普通三维情况，图13示出了位于该三角形平面内的图形。
根据下式，利用平面几何来计算三角形的高度h＞0和带符号的高度部分yy=ρ12-ρ22+||x2-x1||22||x2-x1||2,h=ρ12-y2---(1)]]>在图13中，y＜0；在高度位于三角形内的情况下，y＞0。
在应用测得的距离之后仍然适用的全部位置d现在位于与x2-x1垂直的平面内以垂直基为中心并且半径为h的圆上。为了以简单的方式分析性地描述该圆，引入下面适用于该情况的标准正交三面体e‾1=x2-x1||x2-x1||,e‾2=e3×e‾1||e3×e‾1||,e‾3=e‾1×e‾2---(2)]]>这里，x表示矢量积，而e3为测地坐标系统的垂直基矢量。因此矢量e2为水平的。因此可如下来描述依然适用的所述圆上的位置矢量dd＝x1+y·e1+h·(e2cos+e3sin) (3)角度Φ仍然为未知参数。其必须由测得的仰角α1来确定。下式成立ρ1sinα1=e3T(x1-d)=x13-d2---(4)]]>矢量的第三个分量写有上标3。与等式(3)一起，出现了下面的条件 该条件对于Φ通常允许有两个解。例如可以数值地确定对等式(5)的解。如果将它们代入(3)中，则有两个可能位置。可以确切地求解等式(5)其具有如下形式Acos+Bsin+C＝0 (6)其中A=h·e‾23,B=h·e‾33,C=y·e‾13+ρ1sinα1---(7)]]>如果
c＝cos，s＝sin (8)则有A·c+B·s+C＝0，c2+s2＝1该等式系统的解给出为 代入c2+s2＝1，表明在(9)中仅允许或者选择上面两个符号，或者选择下面两个符号，并且因此得到两个解。
因此，依次利用等式(1)、(2)、(7)、(9)和(3)，来明确计算位置矢量d。
为了并行确定位置和对准，必须确定6个自由度。在下面的等式中，将矢量分量写作上标，其中vi:=ri||ri||]]>表示对第i个基准点的方向矢量并且由倾角传感器测量的、由e1和e2定义的平面上的e3的投影，根据下式来指示η1:=e‾1Te3,η2:=e‾2Te3((η1)2+(η2)2≤1)]]>这里，{e1，e2，e3}为固定的标准正交三面体，而{e1，e2，e3}是相对于物体固定的标准正交三面体。另外可以应用下面的关系ri=ρivi=ρi·Σj=13v‾ije‾j=ρi·Σj=13v‾ijEej]]>E＝[e1e2e3]∈R3×3，v‾i=[v‾i1,v‾i2,v‾i3]T∈R3]]>如果通过利用倾角传感器来测量倾角，则例如可由如下等式来计算位置d∈R3和旋转位置E∈SO(3)w:=Σj=13(ρ1v‾1j-ρ2v‾2j)ej=:Σj=13wjej---(10)]]>E=Pe3I(x1-x2)[w-(x13-x23)η]T+(e3×(x1-x2))(η×w)T(x11-x21)2+(x12-x22)2+e3ηT---(11)]]>d=1|I|Σi∈I(xi-ρiΣj=13v‾ijE(:,j))---(12)]]>这里，I为索引量，而|I|为用于测量的基准点的数量。
代替等式(11)，还可以采用以下等式
e‾1=[w1-(x13-x23)η1][(x11-x21)e1+(x12-x22)e2]-(η2w3-η3w2)[(x12-x22)e1-(x11-x21)e2](x11-x21)2+(x12-x22)2+η1e3]]>e‾2=[w2-(x13-x23)η2][(x11-x21)e1+(x12-x22)e2]-(η3w1-η1w3)[(x12-x22)e1-(x11-x21)e2](x11-x21)2+(x12-x22)2+η2e3]]>e‾3=[w3-(x13-x23)η3][(x11-x21)e1+(x12-x22)e2]-(η1w2-η2w1)[(x12-x22)e1-(x11-x21)e2](x11-x21)2+(x12-x22)2+η3e3]]>如果无需采用倾角传感器来执行确定，则可以采用下面的等式wik=Σj=13(ρiv‾ij-ρkv‾kj)ej---(1≤i<k≤|I|)]]>E=1||x1-x2||2||x1-x3||2-((x1-x2)T(x1-x3))2{(x1-x2)[||x1-x3||2w12-((x1-x2)T(x1-x3))w13]T]]>+(x1-x3)[||x1-x2||2w13-((x1-x2)T(x1-x3))w12]T+((x1-x2)×(x1-x3))(w12×w13)T}]]>d=1|I|Σi∈I(xi-ρiΣj=13v‾ijE(:,j))]]>在方法步骤的图中，仅示意性地示出所用的建筑物和装置。特别地，从图中没有明显的尺寸关系或者图像处理或对基准点的测量的详情。仅以示例的方式示出了作为基准点的点还表示使一点可检测的更复杂的结构或元件。
权利要求
1.一种用于确定手持测量仪(4a、4b、4c、4d)的空间位置(AP、AP1、AP2、AP3)的方法，包括●多个基准点(2a、2a′、2b、2b′)，这些基准点是可检测的，所述多个基准点包括至少两个基准点(2a、2a′、2b、2b′)，和●手持测量仪(4a、4b、4c、4d)，形成为用于利用激光辐射(L)来检测并测量所述基准点(2a、2a′、2b、2b′)，所述方法包括以下步骤——推导基准点(2a、2a′、2b、2b′)的位置，尤其通过根据至少一个已知初始位置来测量基准点(2a、2a′、2b、2b′)，——由测量仪(4a、4b、4c、4d)自动检测并推导出与所述多个基准点中的至少一个第一和一个第二基准点(2a′、2b′)相关的位置信息，○利用激光辐射(L)和检测到的第一和第二基准点(2a′、2b′)，在扫描运动(6、6′、6″)中自动扫描至少一个空间段(5、5′、5″)，以及○通过至少测量以下内容而推导至少所述检测到的第一和第二基准点(2a′、2b′)的位置信息●测量仪(4a、4b、4c、4d)与第一基准点(2a′、2b′)之间的距离(A)；以及●测量仪(4a、4b、4c、4d)与第二基准点(2a′、2b′)之间的距离(B)和/或第一与第二基准点(2a′、2b′)之间的角度(γ)，●以及——与第一或与第二基准点(2a′、2b′)的倾角(α、β)或者——与第三基准点(2a′、2b′)的至少一个距离，——从至少第一和第二基准点(2a′、2b′)的位置信息和位置中推导测量仪(4a、4b、4c、4d)的实际位置(AP、AP1、AP2、AP3)，可以重复单个或多个所述步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述位置信息的自动检测和推导中，至少间接或直接地确定●测量仪的倾角和/或●激光辐射的发射方向并推导测量仪的实际方位。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过构造限定轨迹来确定所述发射方向。
4.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，基于第一和第二基准点(2a′、2b′)对激光辐射(L)的反射率，尤其是通过利用用于建立基准点(2a、2a′、2b、2b′)的协作对象，来检测所述第一和第二基准点(2a′、2b′)。
5.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，在自动检测中，尤其通过对与各基准点(2a、2a′、2b、2b′)相协调的各码或各物理性质的识别，优选地基于频谱选择性，来将基准点(2a′、2b′)彼此区分开。
6.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，在对位置信息的自动检测和推导中，实现对图像的记录。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用图像处理方法来检测第一和/或第二基准点(2a′、2b′)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，利用图像处理方法来推导至少所检测到的第一和第二基准点(2a′、2b′)的位置信息。
9.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，通过扫描，尤其是按照莲座状或曲折方式来实现扫描运动(6、6′、6″)。
10.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，在自动检测中，实现对基准点(2a、2a′、2b、2b′)中的至少一个的自动目标跟踪。
11.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，同时推导至少所检测到的第一和第二基准点(2a′、2b′)的位置信息和/或对准信息。
12.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，通过利用惯性传感器(21)，尤其是对实际位置(AP、AP1、AP2、AP3)和/或实际方位进行插值，实现对实际位(AP、AP1、AP2、AP3)和/或实际方位的附加推导。
13.根据任意一个前述权利要求所述的方法，其特征在于，根据以下原理之一来实现对距离的测量●相位测量，●脉冲渡越时间测量，●具有阈值确定的脉冲渡越时间测量，●具有HF采样的脉冲渡越时间测量。
14.根据任意一个前述权利要求所述的方法的应用，用于校正基于惯性传感器(21)的位置和/或倾角测量设备的偏差，尤其是漂移效应。
15.用于根据权利要求1到13中的任意一项所述的方法的测量仪(4a、4b、4c、4d)，包括——用于产生激光辐射(L)的至少一个辐射源(12)，——至少一个测量组件，用于对可检测到的基准点(2a、2a′、2b、2b′)进行自动检测，并用于推导基准点(2a、2a′、2b、2b′)的位置信息，所述测量组件包括对激光辐射(L)的接收机，所述接收机被形成为用于距离测量，并且所述测量组件可选地还适用于推导基准点(2a、2a′、2b、2b′)的位置，所述测量仪的特征在于，●至少一个控制组件(14)，用于改变激光辐射(L)的发射方向，所述控制组件(14)被设计为可由激光辐射(L)自动扫描至少一个空间段(5、5′、5″)，以及●位置组件，用于从基准点(2a、2a′、2b、2b′)的位置信息中推导测量仪(4a、4b、4c、4d)的实际位置(AP、AP1、AP2、AP3)。
16.根据权利要求15所述的手持测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，所述测量组件被形成为用于测量角度(α、β、γ)，特别是●两个基准点(2a、2a′、2b、2b′)之间的角度●基准点(2a、2a′、2b、2b′)与水平之间的角度和/或●测量仪与水平之间的角度。
17.根据权利要求15或16所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，所述测量组件被形成为用于确定激光辐射相对于测量仪的轴线的发射方向。
18.根据权利要求15、16或17所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于惯性传感器(21)。
19.根据权利要求15到18中的任意一项所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，所述控制组件(14)为扫描仪形式，尤其为具有可旋转棱镜或镜的扫描仪形式。
20.根据权利要求15到19中的任意一项所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，所述测量组件具有图像记录组件(17)，尤其为CCD或CMOS摄像机，优选地为广角摄像机形式。
21.根据权利要求15到20中的任意一项所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，所述测量组件具有扫描检测组件，尤其包括内窥镜(16)形式的同轴光学系统。
22.根据权利要求15到21中的任意一项所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，包括另外的测距仪(18)。
23.根据权利要求15到22中的任意一个所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，所述控制组件(14)被形成为使得空间段(5、5′、5″)在其范围内可变。
24.根据权利要求15到23所述的测量仪(4c)，其特征在于，所述控制组件(14)被形成为使得可以彼此无关地扫描至少两个空间段(5″)，尤其是通过用于目标跟踪的两个跟踪器。
25.根据权利要求15到24中的任意一项所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于，用于确认所述测量仪(4a、4b、4c、4d)已处于预定位置的显示装置。
26.根据权利要求25所述的测量仪(4a、4b、4c、4d)，其特征在于用于推导预定位置的计算组件，尤其是通过建立起始位置(SP)和终止位置(EP)，可由根据指定方案的计算组件来自动推导在起始位置(SP)和终止位置(EP)之间的处理位置(BP)。
27.本地位置确定系统，包括根据权利要求15到26所述的测量设备(4a、4b、4c、4d)以及用于建立可检测到的基准点(2a、2a′、2b、2b′)的至少两个反射器。
28.根据权利要求27所述的本地位置确定系统，其特征在于，至少一个反射器为以下元件之一的形式，尤其是设置有编码或频谱选择性的元件形式玻璃球，尤其是整球或半球，回射箔，三棱镜。
29.根据权利要求1到13中的任意一个所述的方法的应用，用于标记处理位置，其中由所述方法来定义第一实际位置作为起始位置，定义第二实际位置作为终止位置，并且根据起始位置与终止位置之间的指定方案自动推导处理位置，从而可以通过该方法来验证处理位置的假设。
全文摘要
本发明的目的是确定测量仪(4b)的实际位置和/或实际方位。为此，检测位于由激光束扫描的空间段(5′)上的至少两个基准点(2b′)，并测量两者之间的距离及其倾角。可以从以可检测的方式排列的所述基准点(2b′)的已知位置以及相关的该基准点的距离和倾角中推导测量仪(4b)的实际位置。由测量仪(4b)以自动的方式来执行对基准点的检测、监控和测量，所述测量仪(4b)和与基准点(2b′)相关的具体实现的元件形成本地位置和/或方位测量系统。即使在其他测量系统无法到达的区域内，执行本发明方法及对应的设备也可以使测量毫无问题地且以自动的方式进行。
文档编号G01C15/00GK1856693SQ200480027480
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月21日 优先权日2003年9月22日
发明者伯恩哈德·布劳内克, 伯恩哈德·盖西尔, 贝亚·埃比舍尔 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司