用于确定目标的位置和取向的方法和系统转让专利
申请号 : CN200680008649.1
文献号 : CN101142496B
文献日 : 2010-04-21
发明人 : 贝亚特·埃比舍尔 , 伯恩哈德·布劳内克 , 彼得·基佩弗
申请人 : 莱卡地球系统公开股份有限公司
摘要 :
在用于确定具有接收机(3’)的可移动单元的位置和取向的方位确定方法中，通过扫描单元(2’)进行接收机(3’)的检测，其中该扫描单元(2’)至少确定相对该接收机(3’)的距离和方向。由扫描单元发出的射线由接收机(3’)检测，并推导出射线相对接收机轴线的入射方向，在这里，确定入射射线相对接收机轴线(EA)的偏移。至少从作为方位信息的相对接收机(3’)的距离和方向以及偏移和入射方向中推导出单元的位置和取向，如有必要，通过光学连接(OV)控制该单元。
权利要求 :
1.一种方位确定方法，其用于通过扫描单元(2，2’，2”)来确定可移动单元的位置和取向，该可移动单元具有接收机(3，3’，3”)，其中所述扫描单元(2，2’，2”)通过激光束来扫描检测所述接收机(3，3’，3”)并且能够定位在预定位置的一个点上，所述接收机(3，3’，3”)被形成为用于接收激光束并且安置在该可移动单元上，该方法包括：-通过该扫描单元(2，2’，2”)检测所述接收机(3，3’，3”)，其中所述扫描单元(2，2’，2”)至少确定相对所述接收机(3，3’，3”)的距离和方向，-通过所述接收机(3，3’，3”)检测激光束并确定所述激光束相对接收机轴线(EA)的入射方向，-至少根据作为方位信息的相对所述接收机(3，3’，3”)的所述距离、所述方向和所述入射方向确定该可移动单元的位置和取向，其特征在于，在检测所述激光束时，确定在所述接收机(3，3’，3”)的入射瞳中的激光击中点(AP)的方位。
2.如权利要求1所述的方位确定方法，其特征在于，所述位置和取向是平面中的。
3.如权利要求1所述的方位确定方法，其特征在于，所述扫描单元(2，2’，2”)按照相位测量原理或者渡越时间测量原理来至少确定相对所述接收机(3，3’，3”)的距离和方向。
4.如权利要求1所述的方位确定方法，其特征在于，用水平接收机角度和垂直接收机角度并且在考虑击中点(AP)的位置的情况下确定相对所述接收机(3，3’，3”)的方向。
5.如权利要求1或4所述的方位确定方法，其特征在于，在确定所述位置时，考虑所述击中点(AP)的位置。
6.如权利要求1或4所述的方位确定方法，其特征在于，对所述击中点(AP)的位置和/或所述入射方向的许多值求平均值。
7.如权利要求1或4所述的方位确定方法，其特征在于，在确定该可移动单元的所述位置和取向时，进行斜度测量。
8.如上述权利要求1或4所述的方位确定方法，其特征在于，使用极化方向发出所述激光束，所述接收机检测该极化方向，从而可以推导出所述接收机(3，3’，3”)相对所述极化方向的方位。
9.如权利要求1或4所述的方位确定方法，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)和/或该可移动单元的方位改变被这样控制，即包括相对所述入射方向的预定方向取向。
10.如权利要求9所述的方位确定方法，其特征在于，所述“包括相对所述入射方向的预定方向取向”为通过跟踪作为制导射线的入射方向来连续改变该可移动单元的位置和取向。
11.如权利要求1或4所述的方位确定方法，其特征在于，将方位信息的至少一部分-从所述扫描单元(2，2’，2”)传输给所述接收机(3，3’，3”)和/或该可移动单元，-从所述接收机(3，3’，3”)和/或该可移动单元传输给所述扫描单元(2，2’，2”)，-从所述扫描单元(2，2’，2”)传输给控制单元(4，4’，4”)和/或-从所述接收机(3，3’，3”)和/或该可移动单元传输给所述控制单元(4，4’，4”)。
12.如权利要求11所述的方位确定方法，其特征在于，所述传输是借助无线电链路、红外线链路、超声波链路或者电缆链路来完成的。
13.一种可移动单元，其用于执行如上述权利要求中的任一项所述的方位确定方法，该可移动单元具有：-承载部件(1，1’，1”)，和
-用于接收所述激光束的接收机(3，3’，3”)，
在这里，
-所述接收机(3，3’，3”)配置成可相对所述承载部件(1，1’，1”)进行调整，以及-所述接收机(3，3’，3”)和所述承载部件(1，1’，1”)如此地形成和布置，即可以检测所述激光束相对接收机轴线的入射方向、以及所述接收机(3，3’，3”)相对所述承载部件(1，1’，1”)的位置，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)如此地形成，即可以确定在所述接收机(3，3’，3”)的入射瞳中的所述激光束的击中点(AP)的位置。
14.如权利要求13所述的可移动单元，其特征在于，所述承载部件(1，1’，1”)具有驱动装置。
15.如权利要求13所述的可移动单元，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)配置成可绕一个或两个轴线旋转。
16.如权利要求13所述的可移动单元，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)和所述承载部件(1，1’，1”)如此地形成和布置，即可以借助至少一个角度传感器来检测所述激光束相对接收机轴线的入射方向、以及所述接收机(3，3’，3”)相对所述承载部件(1，1’，1”)的位置。
17.如权利要求13所述的可移动单元，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)如此形成，即与所述激光束的入射角一起检测所述击中点(AP)的位置。
18.如权利要求13或17所述的可移动单元，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)具有物镜，该物镜具有至少一个射线敏感的且针对所述激光束是位置敏感的检测器部件，其中该检测器部件配置在焦平面中。
19.如权利要求18所述的可移动单元，其特征在于，在物镜(6)后配置有分束器，该分束器具有至少两个射线敏感的且针对所述激光束是位置敏感的检测器部件(8a，8b)，其中该检测器部件(8a，8b)配置成对置散焦。
20.如权利要求13或17所述的可移动单元，其特征在于，具有斜度计(5，5’)。
21.如权利要求20所述的可移动单元，其特征在于，所述斜度计(5，5’)为双轴斜度计。
22.如权利要求13或17所述的可移动单元，其特征在于，具有反射所述激光束的元件。
23.如权利要求22所述的可移动单元，其特征在于，所述元件是所述接收机(3，3’，3”)的反射区域。
24.如权利要求22所述的可移动单元，其特征在于，所述元件是接收机光学系统的反射区域。
25.如权利要求13或17所述的可移动单元，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)被形成为极化敏感，从而可以推导出所述接收机(3，3’，3”)相对极化方向的方位。
26.如权利要求13或17所述的可移动单元，其特征在于，具有处理单元，该处理单元用于改变表面。
27.如权利要求26所述的可移动单元，其特征在于，该处理单元用于产生固定于地面的标记。
28.一种方位确定系统，其用于执行如权利要求1至12中的任一项所述的方位确定方法，该方位确定系统具有扫描单元(2，2’，2”)和如权利要求13至27中的任一项所述的可移动单元，以及-照射源，其用于发出激光束；
-控制部件，其用于在扫描运动中引导激光束通过立体角范围；
-测量部件，其用于接收被反射的所述激光束；以及
-通信装置，其用于传输方向和距离，
其中，该控制部件被设计成能自由地规定所述扫描运动。
29.如权利要求28所述的方位确定系统，其特征在于，所述测量部件按照渡越时间测量原理或相位测量原理来确定距所述激光束的反射位置的距离和方向。
说明书 :
技术领域
本发明涉及方位确定方法、可移动单元以及方位确定系统和计算机程序产品。
背景技术
在众多大地测量应用场合中，采用了用于确定所用仪器的方位(即位置和/或取向)的系统和方法。从用这样的系统确定的位置开始，随后大多进行与该位置有关联的且大多也要求了解测量仪的空间取向的进一步测量。此时，原则上也可以根据所确定的两个或更多个点的位置来推断出仪器取向。对于测量技术应用来说，为了明确无疑地确定空间绝对位置，要确定手持测量仪的6个自由度(至少是位置和3个自由度)。因此，该课题包含位置和取向的确定作为两个原则上可分开解决的任务，但它们在许多应用场合中必须相互关联地进行。因此，通常需要手持的测量仪的位置和取向。
在该情况下，在各种应用场合中需要用于确定目标的方位的方法和系统。因此，例如，在大地测量应用场合中，经常采用测量仪的方位信息，例如在测量仪进行测量时，将其应用在地形坐标系中。于是，从这样的测量仪开始，进行进一步测量并且与方位信息相关联。另一个应用领域是自动设备控制，在这里，必须知道运动车辆的方位作为控制基础。用于确定运动目标的方位的方位确定系统例如也需要用在体育场标线方面。
已知的位置确定系统或方法例如是全球定位系统(如GPS)。利用目标上的GPS接收机，可以确定目标的位置，前提是卫星接收不受干扰，但这例如在胡同、体育场馆、地下室或采矿等情况下并不是总能得到保证的。为了确定目标取向，需要附加的取向测量仪。可是，根据GPS信号求出的位置数据的精度尤其在目标高度方面是有限的，对于许多应用场合不够高。该系统对于运动目标也越来越不精确，或者说需要付出更高的测量成本。
另一种常用的方法是利用视距仪或全站仪的位置确定方法。尤其是，为了确定运动目标的位置，在现有技术中出现了各种系统的实施例，用于自动跟踪目标和测量运动目标。在这种情况下，对与全站仪无关地运动的目标通常只进行一次的位置确定。为了确定目标取向，例如借助斜度传感器和指南针，可对目标进行进一步的测量。
本地定位系统的其它做法基于具有已知位置的被动点。因此，例如PCT/EP2004/010571公开了一种用于确定测量仪的实际位置的系统，其中检测至少两个在用激光扫描的空间区域内的基准点，并且针对其距离和倾斜角度来测量该基准点。从这些可检测地形成的基准点的已知位置以及对应的距离和倾斜角度可推导出测量仪的实际位置。基准点的检测、跟踪和测量是由测量仪自动进行的，在这里，测量仪和对应于基准点的特殊构成元件构成了本地定位测量系统和/或取向测量系统。但在这个系统中，必须用激光主动扫描和照射基准点，从而必须非常复杂地设计测量仪中的接收部件。
这种位置确定以基准点为前提，所述基准点必须事先提供或者是已有的。但是，这种前提条件通常在空旷地形如体育场中无法满足。安设以及运送基准点(如反射杆)使得该方法的成本高昂。
另一种做法是，为了确定可移动单元的方位，在第一步中将扫描单元优选是激光扫描仪定位在一个适合于对单元进行测量的位置上，在这里，该位置可以是已知的或是事先测定的，从而确定该扫描单元的位置。扫描单元位置的测量可利用众所周知的测量技术方法来进行，例如借助全定位系统或者全球定位系统来进行。不过，扫描单元也可以相对预定的原点来定位和测量。同时，借助扫描单元的测量从具有已知的本地或全球位置坐标的位置进行。
该种类型的扫描单元具有用于发出激光或激光脉冲的照射源，利用所述激光来扫描立体角区域。根据实施方式的具体选择实施情况，可以针对空间区域选择现有技术中的不同扫描运动。
位于所测空间区域内的测量目标将扫描射线部分地反射回扫描单元，扫描单元接收反射射线，并且就距测量目标的距离以及在扫描单元轴线和测量目标之间的水平角度和/或垂直角度，对该反射射线进行评估。此时通常可以根据测量目标的反射性能将其与背景区分开，因此，可以简单地从反射射线的强度波动中识别出测量目标。另外，也可以使用用于目标检测或者自动化测量的其他措施。距在扫描立体角区域时所检测的测量目标的距离是借助扫描单元并通过由测量目标反射的射线，优选地按照相位测量原理或脉冲渡越时间测量原理来测量的。与发出射线的角度信息一起，随后可以针对扫描单元确定各击中点的空间位置。
此时，待测角度取决于具体情况和预定的强制条件。如果例如只在一个平面中进行测量，则确定位于该平面中的角度或角度分量就足够了。而在通常情况下，位置确定需要距离和两个角度。
就是说，关于作为测量目标的物体或者配备有反射测量目标的物体的位置信息是如此获得的，即激光扫过空间区域，并借助扫描单元检测、识别并测量位于空间区域内的测量目标。如果扫描单元在扫描一个空间区域时没有接收到可对应于测量目标的射线反射，则下个空间区域被扫描。该目标搜索例如可以通过自动目标搜索装置来进行。
扫描单元可以扫描一个或更多个测量目标，根据该发明，扫描单元的测量目标是接收机或具有接收机的可移动单元(物体)，它被设计成一方面接收由扫描单元发出的激光并将其至少部分地反射回去，另一方面确定其相对激光或者相对激光入射方向的取向。这可以通过不同方式来进行。
具有扫描单元、接收机和控制单元的上述类型的方位确定系统的配置大多如此选择，即相对于基准平面(如地面)，接收光学系统的转动轴线是垂直的，扫描单元的扫描激光是水平的。优选的是，在第一次调整后，接收光学系统自动对准扫描单元。扫描单元的目标搜索同样自动进行。例如，也可以采用粗搜索运行来检测接收光学系统，它对准一个适用于检测接收光学系统的扫描单元部件，因此不需要与使用者相互配合。
计算单元可作为系统的外部部件例如由使用者操作。然而，具有集成在扫描单元或接收机中的计算单元的实施方式也是可行的。该系统于是例如由扫描单元或接收机自动控制。
该种类型的接收机一般按照特定方式与可移动单元直接或间接连接，因此，可以确定出该单元的方位。
待测单元例如可以是工程机械。它也可以是其位置和取向应确定的测量仪器。另一个应用领域是用于所有类型的标记工作的场合。这不仅可以是用于工程作业的标记，而且可以是体育场所的标记。为此，接收机例如安装在可移动的标记装置上，用于划线或喷线，或者喷划出二维的标记如徽章、符号或文字。
通过确定相对于射线轴线的取向，可以控制接收机或可移动单元，其做法是使射线以其发射轴线假想地作为制导射线来运动。为此，控制单元如此地被编程或者在硬件方面被设计：使接收机轴线相对发射轴线的偏移恒定，或者缩小该偏移或使该偏移最小。因此，制导射线的各变化产生接收机或可移动单元的方位修正。随着连续进行这样的修正，可移动单元跟随运动的制导射线。
通过按照预定图案引导制导射线，该单元可以目的准确地移动，因此例如可以用处理部件来改变表面。因而，例如可以在地面上标记出任何形状的图形如矢量图形。这例如允许在体育场上设置复杂的社团标记。
US2003/043362公开了一种按照上述原理的六维激光目标跟踪系统。作为扫描单元的跟踪器测量目标的极坐标，并且该目标或移动单元的接收机确定其相对数学三脚架的转动角度，该数学三角架由射线方向和极化方向来给出。前提条件是，跟踪射线或扫描射线必须瞄准可移动单元上的接收机的某个点，每次错误瞄准直接导致作为待测目标的可移动单元的极坐标错误。因此，扫描单元的发射机必须以其激光精确对准接收光学系统的入射瞳(entry pupil)。如果该扫描单元小或者距离远，则发射机必须从“精瞄准连接”意义上进行非常精密的对准，以便建立并保持光学连接，而且以便在干扰后恢复该光学连接。这尤其在以下情况时存在问题，即：当连接元件即发射机、介质或接收机由于振动、空气扰动而相互不稳定时，或者例如在经过不平地面时，部件猛然运动中断了光学连接时。此时，该问题或者失效概率随着距离增大而增长，因此还存在针对最大可实现的使用距离的限制。此外，为了实现所需精度，对系统部件提出了更高要求，尤其是对用于校准和跟踪的机械系统提出了更高要求，所述机械系统必须允许精确校准和无延迟跟踪。
在该情况下，在各种应用场合中需要用于确定目标的方位的方法和系统。因此，例如，在大地测量应用场合中，经常采用测量仪的方位信息，例如在测量仪进行测量时，将其应用在地形坐标系中。于是，从这样的测量仪开始，进行进一步测量并且与方位信息相关联。另一个应用领域是自动设备控制，在这里，必须知道运动车辆的方位作为控制基础。用于确定运动目标的方位的方位确定系统例如也需要用在体育场标线方面。
已知的位置确定系统或方法例如是全球定位系统(如GPS)。利用目标上的GPS接收机，可以确定目标的位置，前提是卫星接收不受干扰，但这例如在胡同、体育场馆、地下室或采矿等情况下并不是总能得到保证的。为了确定目标取向，需要附加的取向测量仪。可是，根据GPS信号求出的位置数据的精度尤其在目标高度方面是有限的，对于许多应用场合不够高。该系统对于运动目标也越来越不精确，或者说需要付出更高的测量成本。
另一种常用的方法是利用视距仪或全站仪的位置确定方法。尤其是，为了确定运动目标的位置，在现有技术中出现了各种系统的实施例，用于自动跟踪目标和测量运动目标。在这种情况下，对与全站仪无关地运动的目标通常只进行一次的位置确定。为了确定目标取向，例如借助斜度传感器和指南针，可对目标进行进一步的测量。
本地定位系统的其它做法基于具有已知位置的被动点。因此，例如PCT/EP2004/010571公开了一种用于确定测量仪的实际位置的系统，其中检测至少两个在用激光扫描的空间区域内的基准点，并且针对其距离和倾斜角度来测量该基准点。从这些可检测地形成的基准点的已知位置以及对应的距离和倾斜角度可推导出测量仪的实际位置。基准点的检测、跟踪和测量是由测量仪自动进行的，在这里，测量仪和对应于基准点的特殊构成元件构成了本地定位测量系统和/或取向测量系统。但在这个系统中，必须用激光主动扫描和照射基准点，从而必须非常复杂地设计测量仪中的接收部件。
这种位置确定以基准点为前提，所述基准点必须事先提供或者是已有的。但是，这种前提条件通常在空旷地形如体育场中无法满足。安设以及运送基准点(如反射杆)使得该方法的成本高昂。
另一种做法是，为了确定可移动单元的方位，在第一步中将扫描单元优选是激光扫描仪定位在一个适合于对单元进行测量的位置上，在这里，该位置可以是已知的或是事先测定的，从而确定该扫描单元的位置。扫描单元位置的测量可利用众所周知的测量技术方法来进行，例如借助全定位系统或者全球定位系统来进行。不过，扫描单元也可以相对预定的原点来定位和测量。同时，借助扫描单元的测量从具有已知的本地或全球位置坐标的位置进行。
该种类型的扫描单元具有用于发出激光或激光脉冲的照射源，利用所述激光来扫描立体角区域。根据实施方式的具体选择实施情况，可以针对空间区域选择现有技术中的不同扫描运动。
位于所测空间区域内的测量目标将扫描射线部分地反射回扫描单元，扫描单元接收反射射线，并且就距测量目标的距离以及在扫描单元轴线和测量目标之间的水平角度和/或垂直角度，对该反射射线进行评估。此时通常可以根据测量目标的反射性能将其与背景区分开，因此，可以简单地从反射射线的强度波动中识别出测量目标。另外，也可以使用用于目标检测或者自动化测量的其他措施。距在扫描立体角区域时所检测的测量目标的距离是借助扫描单元并通过由测量目标反射的射线，优选地按照相位测量原理或脉冲渡越时间测量原理来测量的。与发出射线的角度信息一起，随后可以针对扫描单元确定各击中点的空间位置。
此时，待测角度取决于具体情况和预定的强制条件。如果例如只在一个平面中进行测量，则确定位于该平面中的角度或角度分量就足够了。而在通常情况下，位置确定需要距离和两个角度。
就是说，关于作为测量目标的物体或者配备有反射测量目标的物体的位置信息是如此获得的，即激光扫过空间区域，并借助扫描单元检测、识别并测量位于空间区域内的测量目标。如果扫描单元在扫描一个空间区域时没有接收到可对应于测量目标的射线反射，则下个空间区域被扫描。该目标搜索例如可以通过自动目标搜索装置来进行。
扫描单元可以扫描一个或更多个测量目标，根据该发明，扫描单元的测量目标是接收机或具有接收机的可移动单元(物体)，它被设计成一方面接收由扫描单元发出的激光并将其至少部分地反射回去，另一方面确定其相对激光或者相对激光入射方向的取向。这可以通过不同方式来进行。
具有扫描单元、接收机和控制单元的上述类型的方位确定系统的配置大多如此选择，即相对于基准平面(如地面)，接收光学系统的转动轴线是垂直的，扫描单元的扫描激光是水平的。优选的是，在第一次调整后，接收光学系统自动对准扫描单元。扫描单元的目标搜索同样自动进行。例如，也可以采用粗搜索运行来检测接收光学系统，它对准一个适用于检测接收光学系统的扫描单元部件，因此不需要与使用者相互配合。
计算单元可作为系统的外部部件例如由使用者操作。然而，具有集成在扫描单元或接收机中的计算单元的实施方式也是可行的。该系统于是例如由扫描单元或接收机自动控制。
该种类型的接收机一般按照特定方式与可移动单元直接或间接连接，因此，可以确定出该单元的方位。
待测单元例如可以是工程机械。它也可以是其位置和取向应确定的测量仪器。另一个应用领域是用于所有类型的标记工作的场合。这不仅可以是用于工程作业的标记，而且可以是体育场所的标记。为此，接收机例如安装在可移动的标记装置上，用于划线或喷线，或者喷划出二维的标记如徽章、符号或文字。
通过确定相对于射线轴线的取向，可以控制接收机或可移动单元，其做法是使射线以其发射轴线假想地作为制导射线来运动。为此，控制单元如此地被编程或者在硬件方面被设计：使接收机轴线相对发射轴线的偏移恒定，或者缩小该偏移或使该偏移最小。因此，制导射线的各变化产生接收机或可移动单元的方位修正。随着连续进行这样的修正，可移动单元跟随运动的制导射线。
通过按照预定图案引导制导射线，该单元可以目的准确地移动，因此例如可以用处理部件来改变表面。因而，例如可以在地面上标记出任何形状的图形如矢量图形。这例如允许在体育场上设置复杂的社团标记。
US2003/043362公开了一种按照上述原理的六维激光目标跟踪系统。作为扫描单元的跟踪器测量目标的极坐标，并且该目标或移动单元的接收机确定其相对数学三脚架的转动角度，该数学三角架由射线方向和极化方向来给出。前提条件是，跟踪射线或扫描射线必须瞄准可移动单元上的接收机的某个点，每次错误瞄准直接导致作为待测目标的可移动单元的极坐标错误。因此，扫描单元的发射机必须以其激光精确对准接收光学系统的入射瞳(entry pupil)。如果该扫描单元小或者距离远，则发射机必须从“精瞄准连接”意义上进行非常精密的对准，以便建立并保持光学连接，而且以便在干扰后恢复该光学连接。这尤其在以下情况时存在问题，即：当连接元件即发射机、介质或接收机由于振动、空气扰动而相互不稳定时，或者例如在经过不平地面时，部件猛然运动中断了光学连接时。此时，该问题或者失效概率随着距离增大而增长，因此还存在针对最大可实现的使用距离的限制。此外，为了实现所需精度，对系统部件提出了更高要求，尤其是对用于校准和跟踪的机械系统提出了更高要求，所述机械系统必须允许精确校准和无延迟跟踪。
发明内容
本发明的一个任务在于提供一种用于确定可移动单元的位置信息和取向信息的方法或系统，它允许简化的设计和操作。
本发明的另一个任务在于提供一种用于确定可移动单元的位置信息和取向信息的方法或系统，它改善了系统部件之间的光学连接。
本发明的又一个任务在于提供一种用于确定可移动单元的位置信息和取向信息的方法或系统，它具有更大的作用范围和/或针对环境影响如空气湍流或者地面不平的更大的健壮性。
根据本发明，这些任务是通过本发明的第一方面、第二方面和第三方面来完成的。
本发明的第一方面提供了一种方位确定方法，其用于通过扫描单元(2，2’，2”)来确定可移动单元的位置和取向，该可移动单元具有接收机(3，3’，3”)，其中所述扫描单元(2，2’，2”)通过激光束来扫描检测所述接收机(3，3’，3”)，所述接收机(3，3’，3”)被形成为用于接收激光束并且安置在该可移动单元上，该方法包括：通过该扫描单元(2，2’，2”)检测所述接收机(3，3’，3”)，其中所述扫描单元(2，2’，2”)至少确定相对所述接收机(3，3’，3”)的距离和方向；通过所述接收机(3，3’，3”)检测激光束并确定所述激光束相对接收机轴线(EA)的入射方向；至少根据作为方位信息的相对所述接收机(3，3’，3”)的所述距离、所述方向和所述入射方向确定该可移动单元的位置和取向；其特征在于，在检测所述激光束时，确定在所述接收机(3，3’，3”)的入射瞳中的激光击中点(AP)的方位。
本发明的第二方面提供了一种可移动单元，其用于执行如上述权利要求中的任一项所述的方位确定方法，该可移动单元具有：承载部件(1，1’，1”)，和用于接收所述激光束的接收机(3，3’，3”)，这里，所述接收机(3，3’，3”)配置成可相对所述承载部件(1，1’，1”)进行调整，并且所述接收机(3，3’，3”)和所述承载部件(1，1’，1”)如此地形成和布置，即可以检测所述激光束相对接收机轴线的入射方向、以及所述接收机(3，3’，3”)相对所述承载部件(1，1’，1”)的位置，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)如此地形成，即可以确定在所述接收机(3，3’，3”)的入射瞳中的所述激光束的击中点(AP)的位置。
本发明的第三方面提供了一种方位确定系统，其用于执行第一方面的方位确定方法，该方位确定系统具有扫描单元(2，2’，2”)和第二方面的可移动单元，以及：照射源，其用于发出激光束；控制部件，其用于在扫描运动中引导激光束通过立体角范围；测量部件，其用于接收被反射的所述激光束；以及通信装置，其用于传输方向和距离，其中，该控制部件被设计成能自由地规定所述扫描运动。
本发明涉及方位确定方法、可移动单元、扫描单元以及具有这些部件的方位确定系统。在此基于借助扫描系统如激光扫描器的可移动单元的位置确定方法。该单元的取向确定是通过测量一个配置在该单元上的接收机相对扫描单元所发出射线的射线轴线的位置来进行。通过对接收机相对射线轴线的方位的了解以及对接收机相对该单元的承载部件的方位的了解，可以推导出该单元的取向。借此，从位置信息和取向信息中掌握空间方位。
根据本发明，方位确定系统或方位确定方法如此设计，即：接收机或可移动单元还测量激光射线相对接收机轴线的射线偏移，该射线偏移可以被认为是目标误差。在这里，两个实参数w1和w3被测量，它们描述在接收机入射瞳中的激光击中点方位。在计算接收机或承载该接收机的可移动单元的位置和转动方位计算中考虑该参数。
如果入射瞳相对激光的横截面或激光击中点大，则激光可以在“粗瞄准连接”意义上移动一定程度，而没有丧失光学连接。由此，降低了对跟踪器或扫描单元的瞄准精度以及接收机跟踪的要求。
因此，即使在不利情况下，例如在发射机振动时)，也不仅能保持连接，而且能对瞳中的入射坐标进行确定和求平均，进而消除不相关的振动或其它影响如空气扰动，而现有技术的方法总是失去连接。根据本发明，还可以永久监视传输介质即空气的折射率并且将其用于定量校正。
根据本发明的设计还产生结构上或系统技术上的优点。因此，例如缓解了对扫描单元的技术要求。该扫描单元现可更慢地作出反应，从而可以实现不太复杂的发动机或控制器，而且耗电量减少。此外，可以提高精度，并降低了扫描单元丧失与接收机连接的频度。这在以下情况时是有利的，即：接收机例如由于其安装在运行于不平地面如待标记的体育场或建筑工地上的车辆上而突然运动或晃动车辆。大气干扰，尤其在露天场所应用和较长距离时相关的大气干扰也可能导致连接损失，现在，或是反正可避免连接损失，或是在出现连接损失后，可首先完全恢复光学连接，或者至少加速该恢复。
根据本发明的接收机可以包括接收光学系统、光学传感器和斜度传感器，在这里，接收光学系统优选地形成为例如借助具有特制涂层的物镜不仅用于接收激光，而且反射激光。扫描激光射中接收光学系统，并成像在光学传感器如光电检测器或CCD阵列上。根据在传感器上的成像，确定激光相对传感器并进而相对接收机或接收机轴线的入射方向。随着激光相对接收机轴线的入射方向的确定，确定扫描单元和接收机之间的至少一个第一角度，但大多可以通过相应设计接收机来确定两个角度。缺失的第三倾斜角度可以例如借助斜度传感器来测量，在这里，双轴斜度计提供冗余信息。与扫描单元的位置信息相关联的该斜度信息可以被视为与接收机相关的方位信息。于是，接收机方位可以例如这样来确定，即：方位信息被通报给计算单元，并由该计算单元处理。该通信可例如根据借助电缆的连接或者无线连接如无线电传输或超声波传输来进行。根据位置信息和取向信息，借助计算单元确定接收机或者与该接收机处于规定的几何关系的物体如作为可移动单元的车辆的方位。具有相应软件的笔记本计算机可以例如是这样的计算单元，该计算单元在外部与扫描单元和接收机进行通信，或者例如可集成在扫描单元或接收机中。
通过设计具有配置在透镜后面的分束器和两个对置散焦的检测器部件的接收机，还可以根据与入射方向或入射角度平行的两个检波器部件上的像点确定射线偏移，作为激光击中点与接收机轴线的偏移。
在具有作为部件的接收光学系统、光学传感器和斜度传感器或斜度指示仪的形成中，接收机优选地形成为具有容纳各个部件的外壳的手持装置。不过，这些部件也可以作为单独元件形成接收机。斜度指示仪也可以例如是与光学系统相对应的极化滤波器，从而进行相对发出射线的极化方向的方位确定。
一个替换形式的接收机设想了一种用于改善借助扫描单元的测量的附加反射元件，从而通过对该反射元件的测量获得位置信息。反射元件可以例如是安装在接收光学系统自身或其外壳上的反射器，例如三棱镜或球面反射器，或者只不过是外壳上的例如由反射箔构成的反射区域，或者以规定的方式与该反射器或该反射区域连接。
接收机的接收光学系统优选地可绕至少一个固定轴线，一般是与接收光学系统的光轴正交尤其是垂直的轴线旋转，即它可以对准或者被对准扫描单元方向。此时，接收光学组件旋转或被旋转的角度(旋转角度)优选地自动，例如通过角度传感器来确定。
作为根据本发明的方位确定系统的组成部分的接收机还可以具有其他测量功能，该测量功能例如允许用作测地仪器，或者被集成在这种仪器中。例如，接收机可设计成，通过集成一种激光测距仪，可用于建筑领域内的手持测量。
本发明的另一个任务在于提供一种用于确定可移动单元的位置信息和取向信息的方法或系统，它改善了系统部件之间的光学连接。
本发明的又一个任务在于提供一种用于确定可移动单元的位置信息和取向信息的方法或系统，它具有更大的作用范围和/或针对环境影响如空气湍流或者地面不平的更大的健壮性。
根据本发明，这些任务是通过本发明的第一方面、第二方面和第三方面来完成的。
本发明的第一方面提供了一种方位确定方法，其用于通过扫描单元(2，2’，2”)来确定可移动单元的位置和取向，该可移动单元具有接收机(3，3’，3”)，其中所述扫描单元(2，2’，2”)通过激光束来扫描检测所述接收机(3，3’，3”)，所述接收机(3，3’，3”)被形成为用于接收激光束并且安置在该可移动单元上，该方法包括：通过该扫描单元(2，2’，2”)检测所述接收机(3，3’，3”)，其中所述扫描单元(2，2’，2”)至少确定相对所述接收机(3，3’，3”)的距离和方向；通过所述接收机(3，3’，3”)检测激光束并确定所述激光束相对接收机轴线(EA)的入射方向；至少根据作为方位信息的相对所述接收机(3，3’，3”)的所述距离、所述方向和所述入射方向确定该可移动单元的位置和取向；其特征在于，在检测所述激光束时，确定在所述接收机(3，3’，3”)的入射瞳中的激光击中点(AP)的方位。
本发明的第二方面提供了一种可移动单元，其用于执行如上述权利要求中的任一项所述的方位确定方法，该可移动单元具有：承载部件(1，1’，1”)，和用于接收所述激光束的接收机(3，3’，3”)，这里，所述接收机(3，3’，3”)配置成可相对所述承载部件(1，1’，1”)进行调整，并且所述接收机(3，3’，3”)和所述承载部件(1，1’，1”)如此地形成和布置，即可以检测所述激光束相对接收机轴线的入射方向、以及所述接收机(3，3’，3”)相对所述承载部件(1，1’，1”)的位置，其特征在于，所述接收机(3，3’，3”)如此地形成，即可以确定在所述接收机(3，3’，3”)的入射瞳中的所述激光束的击中点(AP)的位置。
本发明的第三方面提供了一种方位确定系统，其用于执行第一方面的方位确定方法，该方位确定系统具有扫描单元(2，2’，2”)和第二方面的可移动单元，以及：照射源，其用于发出激光束；控制部件，其用于在扫描运动中引导激光束通过立体角范围；测量部件，其用于接收被反射的所述激光束；以及通信装置，其用于传输方向和距离，其中，该控制部件被设计成能自由地规定所述扫描运动。
本发明涉及方位确定方法、可移动单元、扫描单元以及具有这些部件的方位确定系统。在此基于借助扫描系统如激光扫描器的可移动单元的位置确定方法。该单元的取向确定是通过测量一个配置在该单元上的接收机相对扫描单元所发出射线的射线轴线的位置来进行。通过对接收机相对射线轴线的方位的了解以及对接收机相对该单元的承载部件的方位的了解，可以推导出该单元的取向。借此，从位置信息和取向信息中掌握空间方位。
根据本发明，方位确定系统或方位确定方法如此设计，即：接收机或可移动单元还测量激光射线相对接收机轴线的射线偏移，该射线偏移可以被认为是目标误差。在这里，两个实参数w1和w3被测量，它们描述在接收机入射瞳中的激光击中点方位。在计算接收机或承载该接收机的可移动单元的位置和转动方位计算中考虑该参数。
如果入射瞳相对激光的横截面或激光击中点大，则激光可以在“粗瞄准连接”意义上移动一定程度，而没有丧失光学连接。由此，降低了对跟踪器或扫描单元的瞄准精度以及接收机跟踪的要求。
因此，即使在不利情况下，例如在发射机振动时)，也不仅能保持连接，而且能对瞳中的入射坐标进行确定和求平均，进而消除不相关的振动或其它影响如空气扰动，而现有技术的方法总是失去连接。根据本发明，还可以永久监视传输介质即空气的折射率并且将其用于定量校正。
根据本发明的设计还产生结构上或系统技术上的优点。因此，例如缓解了对扫描单元的技术要求。该扫描单元现可更慢地作出反应，从而可以实现不太复杂的发动机或控制器，而且耗电量减少。此外，可以提高精度，并降低了扫描单元丧失与接收机连接的频度。这在以下情况时是有利的，即：接收机例如由于其安装在运行于不平地面如待标记的体育场或建筑工地上的车辆上而突然运动或晃动车辆。大气干扰，尤其在露天场所应用和较长距离时相关的大气干扰也可能导致连接损失，现在，或是反正可避免连接损失，或是在出现连接损失后，可首先完全恢复光学连接，或者至少加速该恢复。
根据本发明的接收机可以包括接收光学系统、光学传感器和斜度传感器，在这里，接收光学系统优选地形成为例如借助具有特制涂层的物镜不仅用于接收激光，而且反射激光。扫描激光射中接收光学系统，并成像在光学传感器如光电检测器或CCD阵列上。根据在传感器上的成像，确定激光相对传感器并进而相对接收机或接收机轴线的入射方向。随着激光相对接收机轴线的入射方向的确定，确定扫描单元和接收机之间的至少一个第一角度，但大多可以通过相应设计接收机来确定两个角度。缺失的第三倾斜角度可以例如借助斜度传感器来测量，在这里，双轴斜度计提供冗余信息。与扫描单元的位置信息相关联的该斜度信息可以被视为与接收机相关的方位信息。于是，接收机方位可以例如这样来确定，即：方位信息被通报给计算单元，并由该计算单元处理。该通信可例如根据借助电缆的连接或者无线连接如无线电传输或超声波传输来进行。根据位置信息和取向信息，借助计算单元确定接收机或者与该接收机处于规定的几何关系的物体如作为可移动单元的车辆的方位。具有相应软件的笔记本计算机可以例如是这样的计算单元，该计算单元在外部与扫描单元和接收机进行通信，或者例如可集成在扫描单元或接收机中。
通过设计具有配置在透镜后面的分束器和两个对置散焦的检测器部件的接收机，还可以根据与入射方向或入射角度平行的两个检波器部件上的像点确定射线偏移，作为激光击中点与接收机轴线的偏移。
在具有作为部件的接收光学系统、光学传感器和斜度传感器或斜度指示仪的形成中，接收机优选地形成为具有容纳各个部件的外壳的手持装置。不过，这些部件也可以作为单独元件形成接收机。斜度指示仪也可以例如是与光学系统相对应的极化滤波器，从而进行相对发出射线的极化方向的方位确定。
一个替换形式的接收机设想了一种用于改善借助扫描单元的测量的附加反射元件，从而通过对该反射元件的测量获得位置信息。反射元件可以例如是安装在接收光学系统自身或其外壳上的反射器，例如三棱镜或球面反射器，或者只不过是外壳上的例如由反射箔构成的反射区域，或者以规定的方式与该反射器或该反射区域连接。
接收机的接收光学系统优选地可绕至少一个固定轴线，一般是与接收光学系统的光轴正交尤其是垂直的轴线旋转，即它可以对准或者被对准扫描单元方向。此时，接收光学组件旋转或被旋转的角度(旋转角度)优选地自动，例如通过角度传感器来确定。
作为根据本发明的方位确定系统的组成部分的接收机还可以具有其他测量功能，该测量功能例如允许用作测地仪器，或者被集成在这种仪器中。例如，接收机可设计成，通过集成一种激光测距仪，可用于建筑领域内的手持测量。
附图说明
以下，根据附图中示意所示的实施例，仅以示例的方式详细描述或者说明根据本发明的方位确定方法和根据本发明的方位确定系统及其组成部件，在图中：
图1表示方位确定方法所依据的几何关系；
图2图示出了该种类型的方位确定系统的系统组成部件的实施例；
图3示意表示该种类型的方位确定系统；
图4示意表示具有可移动的接收装置的该种类型的方位确定系统；
图5示意表示根据本发明的方位确定方法；
图6a-c示意表示用于确定根据本发明的单元的接收机中的入射射线的方向的实施例；以及
图7a-d示意表示在采用根据本发明的方位确定方法时的标线车的控制。
图1表示方位确定方法所依据的几何关系；
图2图示出了该种类型的方位确定系统的系统组成部件的实施例；
图3示意表示该种类型的方位确定系统；
图4示意表示具有可移动的接收装置的该种类型的方位确定系统；
图5示意表示根据本发明的方位确定方法；
图6a-c示意表示用于确定根据本发明的单元的接收机中的入射射线的方向的实施例；以及
图7a-d示意表示在采用根据本发明的方位确定方法时的标线车的控制。
具体实施方式
图1表示方位确定方法所依据的几何关系。在可移动单元的承载部件1上，可绕固定轴线旋转地安装有接收机3，其中该轴线取向成与光轴正交。为了清楚表示起见，以平面图且没有相对水平面倾斜的方式来进行图示。不过在通常情况下，也可以实现另一轴线用于垂直调整接收机3。通过扫描单元2发出激光并且扫描一个角度范围，直到检测出接收机3并测量出其距离。由此，确定了距接收机3上的击中点或反射点的距离和角度，因此确定了接收机3的位置。通过接收机3确定射线的入射方向，从而可以推导出相对该方向并进而相对扫描单元2的取向。这两个系统(即扫描单元2和接收机3)可以用两个固定的右手坐标系{e1，e2，e3}和{e1，e2，e3}来描述，在这里，在举例表示的情况下，各第三单位矢量取向成垂直于图面。然而，由于接收机3的空间延伸及其部件的布置，在建模时必须考虑或者确定一些变量。
现在，扫描单元2测量距接收机3上的击中点的距离ρ＞0和第一方向矢量v∈R3，||v||＝1。接收机测量相对可移动单元的承载部件1的旋转角β、以及从击中点至扫描单元2内的激光源的第二方向矢量ω∈R3，||ω||＝1。根据本发明，移动矢量w的坐标w1、w2和w3被测量，或者例如从校准或技术规范中知道。图中未示出的分量w3垂直于图面。通过对这些参数的了解，可以在考虑接收机3的空间延伸和布局的情况下确定可移动单元或其承载部件1的特征点的方位。同样该了解可以控制接收机3和单元，从而使该特征点相对作为发出射线的射线轴的第一方向矢量V来定位或取向。因此，可以通过该控制来实现跟踪射线轴的系统。
图2表示该种类型的方位确定系统的系统组成部件的实施例。可移动单元具有承载部件1和可相对承载部件1旋转的接收机3，其中在接收机3或承载部件1中还可以集成斜度计5。接收机3或者其组成部件中的一个部件由扫描单元2检测和测量。在工作过程中，接收机3和扫描单元2通过光学连接OV相互联系。通过该光学连接OV，总是进行接收机3的位置确定以及其相对光学连接OV并进而还相对扫描单元2的取向确定。位置信息(即距接收机3的距离和方向以及入射方向)可以在集成在接收机3中的或是集成在扫描单元2中的控制单元中针对位置确定和取向确定进行评估。为此，分别在其他系统部件上产生的数据通过通信连接KV1在接收机3和扫描单元2之间被传输。对于某些应用场合，也可以采用分立的控制单元4，因此这里，方位信息的各自部分通过通信连接KV2在扫描单元2和控制单元4之间以及通过通信连接KV3在接收机3和控制单元4之间被传输。于是，可以由控制单元4和通信连接来控制接收机3和扫描单元2。
根据现有情况和强制条件，“方向”在各情况下被理解为一个或更多个角度或者对角度的确定。在一个精确的平面中，例如在由塑料材料构成的体育场上，现有的自由度由在该平面中的取向和定位的强制条件来预定。因而，减少了为确定位置和取向所需的测量变量的数量。如果采用例如具有足够大的水平延伸长度的车辆作为承载部件1，则该车辆总是成水平的。因此不需要两轴上的斜度测量。术语“方向确定”根据环境条件包含对必要数量的变量的测量。对于平面内的车辆，相对车辆的距离、方向(即极化角)以及接收方向(即同样是接收射线的极化角)就足以确定位置和取向。此外，通过强制条件还确定接收机3相对承载部件1的取向。在以上例子中，接收机3相对承载部件1绕竖轴的可移动性就够了，因此在这里极化角也足以定义承载部件1相对接收机3的位置和取向。
图3示出了该种类型的方位确定系统。扫描单元2’中的激光扫描仪发出射线如激光脉冲，并且通过未示出的控制装置来这样控制，即：使扫描仪对准接收机3’。用虚线表示检测区域EB，该检测区域由扫描仪扫描。由扫描仪发出的激光击中接收机3’的物镜，该物镜涂有对发出射线产生良好反射作用的涂层，并且该激光回射到未示出的激光扫描仪的检测装置。扫描单元2’的固定坐标系{e1，e2，e3}可以被分配有已知的本地或全球坐标。激光扫描器如此被调整到坐标系内，即：激光的旋转点处于坐标原点。从已知位置坐标的该位置开始，进行对接收机3’的测量。扫描仪此时可以绕横轴和竖轴旋转，在这里，例如借助于角度传感器来自动检测发出激光的发射方向。
承载部件1’具有可旋转的接收机3’和双轴斜度传感器5’。固定坐标系{e1，e2，e3}的原点位于接收机3’的旋转点，该接收机至少可以绕从图面指出的轴旋转。通过对接收机3’的接收光学系统进行测量，使其坐标系{e1，e2，e3}与扫描单元2’的坐标系相关联。从激光扫描仪到接收机3’的测量例如针对接收机3’的物镜进行。一方面，物镜接收激光并且确定该激光的入射方向和入射点，另一方面，激光从物镜被反射回到未示出的扫描仪的检测装置，该检测装置确定扫描单元2’和接收机3’之间的距离。根据接收机3’的已知几何形状，所以还确定了到承载部件1’或者到可移动单元的各点的距离。
可旋转的接收机3’的旋转角是例如由角度传感器来自动确定的，或者被主动调整用于跟踪制导射线。当然，接收机3’也可以如此构成，即它可绕其它轴旋转或倾转。由接收机3’和扫描单元2’所测量的值可以被传输给外部控制单元4’。
图4示意说明了该种类型的、具有移动接收装置的方位确定系统。与图3的说明相似，从扫描单元2’进行相对接收机3’的距离测量和方向测量。居中表示的情况表明了0°发射角，左、右射线分别分别以相对0°方向的一定发射角β’、β”发出。如果现在在图3所示的接收机3’的检测和测量之后使激光转动角度β’，则承载部件1’与安装在其上的接收机3’一起同样朝右移动，以便保持在接收机轴线和激光之间的现有关系。如果此时使距离保持相同，则进行沿圆弧的运动。在此示出的向右的线性移动意味着扫描单元2’和接收机3’之间的距离随着移动增大而增加。同样的考虑经必要修正适用于同样示出的、以角度β”或者向左的运动。根据预定的理论轮廓或者要运行的轨迹，基于由扫描单元2’和接收机3’连续产生的方位信息来产生所需的控制指令。通过连续测量接收机3’的位置及其与发射射线方向的关联，可以实现在“驾驭制导射线”意义上的引导。
图5示出根据本发明的方位确定方法的原理与现有技术的系统的比较。在测量从扫描单元2’到接收机3a的距离和方向时，在现有技术的系统中必须进行光学连接OV的精确对准和跟踪，这使射线轴总是保持在接收机3a的小入射瞳EP中，这包含对跟踪运动和方向稳定性的特殊要求。由于小入射瞳EP而保证了基本平行于接收机轴线的入射，因此可以忽略由射线偏移和接收机3a的空间延伸产生的可能误差。如果该对准在超出阈值之外改变并且由此引起的连接中断，则入射瞳EP和光轴必须重新相互定向或相互对准，以便建立新的光学连接OV。
在根据本发明的接收机3’或者根据本发明的方位确定系统中，采用了较大的入射瞳或者光学孔径，因而光学连接对干扰是健壮的，还能更简单地保持用于相互跟踪的部件(即扫描单元2’和接收机3’)，或者使它们可以满足降低了的要求。不过由于尺寸关系，现在除了在平面中由入射角γ表示的激光入射方向外，还需要确定透镜6上的位置或击中点AP或者射线偏移，即入射射线相对接收机轴线EA的偏移或者射线横截面中的重心相对接收机轴线EA的偏移。通过确定或了解这些变量，可以实现相应大尺寸的光学孔径。
图6a-c示意表示确定在根据本发明的单元的接收机中的入射射线的方向的实施例。在该实施例中，采用了具有60毫米孔径的非球面透镜6、分束器7和两个位置敏感型光敏检测器部件8a和8b。作为合适的检测器，考虑例如行阵列、CCD照相机或CMOS照相机或者位置敏感器件(PSD)。在图6a中，虚线9b对应于与轴线平行的入射射线，其使得在检测器表面的中央产生成像。用实线9c表示的来自下方的入射光使得检测器表面上的成像向上或向右位移。用点线9a表示的来自上方的入射光产生向下或向左的位移。
在该实施例中，两个检测器部件8a和8b在不同方向上散焦。例如，检测器部件8a处于透镜6的焦距外，检测器部件8b处于透镜6的焦距内。根据本发明，可通过这种布置来测量射线的入射方向和击中点的位移或者入射射线的射线偏移，即图1中的移动矢量w的坐标w1和w3。如果在两个检波器上仅考虑一个坐标，则入射方向的变化在两个检测器部件8a和8b上的像点的位移中表现为相应检测器坐标的和的变化，而射线的位置的移动(即射线偏移)表现在检测器坐标的差的变化中。因此，采用两个对置散焦的检测器部件8a和8b可确定入射方向和射线偏移，即射线击中点的位置的移动，并从而确定四个参数。
而如果只确定入射方向，则在焦平面内采用一个检测器部件就足以确定入射方向并从而确定两个参数。通过接收光学系统或接收机电子设备的这种设计，可容易地检测入射射线的方向以及位置偏差，如有必要，可跟踪接收机轴线。
通过对两个检测器部件8a和8b上的像点位置的了解，可同时确定射线偏移和入射角，以下将在图6b和图6c中对此进行详细说明。
图6b表示双重入射射线，其具有相对接收机轴线不同的射线偏移，但具有相同的入射角。在透镜6的上部的、用一个点断开的线9b’表示的入射射线在检测器部件8a上产生居中的像点，而在检测器部件8b上该位置在上边缘的附近。另一方面，在透镜下部的、具有由两个点断开的线9b”的入射射线在检测器部件8a上产生位于右边缘的像点，而在检测器部件8b上该像点居中。因此，作为入射射线相对接收机轴线的偏差的射线偏移可以从对两个像点方位的了解中推导出。击中点从透镜的上部移到下部和与之相关的射线偏移的变化使得像点向右或向下移动。
而图6c表示三重入射射线，其具有恒定的射线偏移，但具有不同的入射角，在这里，虚线9b又表示与轴线平行的入射射线，实线表示9c表示来自下方的入射射线，点线9a表示来自上方的入射射线。每个入射角又对应于在两个检测器部件8a和8b上的像点的特征组合。入射角度从斜向上到斜向下的变化使得检测器部件8a上的像点向右移动，并使得在检测器部件8b上的像点向上移动。因此，与图6b的运动相比，移动是在相反方向上进行，而不是顺时针同向。
在了解了检测器部件8a和8b上的各像点的位置及其位移后，可以确定射线偏移和入射角度及其变化。
原则上，也可以例如采用球面透镜和相应倾转的检测器来实现根据本发明的单元的接收机的光学系统替换实施例，其中可以用电子学方法考虑所出现的失真。
图7a-d示意表示采用根据本发明的方位确定系统对作为承载部件的标线车1”的控制。图示出体育场将配备有标线的情况。在图7a中，标线车1”是通过扫描单元2”的搜索运动并根据接收光学系统上的反射10来识别的，并在方向和距离方面被测量。在此情况下，对要标记的线的预先规定通过要由操作员操作的远程定位的控制单元4”来进行。标线车1”通过光学连接OV与扫描单元2”的发射相关联。为了标记出确定罚球区一边的处理线BL，标线车1”必须借助其接收机轴线被引导到理论线SL。在这个例子中，该理论线SL不与处理线BL重合，这是因为，由于处理元件和接收机轴线之间的空间距离而需要一个偏移量来正确刷出标线。标线车1”的电子装置如此控制该偏移量，即在距要达到的位置预定的距离时，使接收机轴线与射线发出的轴线即光学连接OV重合或者保持在预定偏差之内。因此，通过改变光学连接OV，可借助接收机轴线将标线车1”引导到理论线SL，从而可以进行标线。
在图7b中示出了光学连接OV、接收机轴线和理论线SL的一致。接收机3”借助其接收机轴线直接对准扫描单元2”的发射的射线轴线。在这个特殊情况下，接收机轴线的对准保持相同，标线车1”如图7c所示直接朝扫描单元2”移动，用于产生标记，因此，只是距离D连续缩小。其它空间布置决定了接收机3”的方向和距离D的平行改变。
图7d示意表示这样的情况。在标线车1”已经标记出罚球区边线后，它将标记出邻接且呈直角延伸的线。为此，扫描单元连续改变理论线SL，从而标线车1”通过试图保持光学连接OV来跟随这种改变。此外，为了正确涂刷标线，还考虑接收机3”相对标线车1”的位置，这是因为，要定位涂刷单元作为特征点。在这些几何形状条件下，不仅接收机3”和标线车1”之间的角度连续改变，而且距离也连续改变。
现在，扫描单元2测量距接收机3上的击中点的距离ρ＞0和第一方向矢量v∈R3，||v||＝1。接收机测量相对可移动单元的承载部件1的旋转角β、以及从击中点至扫描单元2内的激光源的第二方向矢量ω∈R3，||ω||＝1。根据本发明，移动矢量w的坐标w1、w2和w3被测量，或者例如从校准或技术规范中知道。图中未示出的分量w3垂直于图面。通过对这些参数的了解，可以在考虑接收机3的空间延伸和布局的情况下确定可移动单元或其承载部件1的特征点的方位。同样该了解可以控制接收机3和单元，从而使该特征点相对作为发出射线的射线轴的第一方向矢量V来定位或取向。因此，可以通过该控制来实现跟踪射线轴的系统。
图2表示该种类型的方位确定系统的系统组成部件的实施例。可移动单元具有承载部件1和可相对承载部件1旋转的接收机3，其中在接收机3或承载部件1中还可以集成斜度计5。接收机3或者其组成部件中的一个部件由扫描单元2检测和测量。在工作过程中，接收机3和扫描单元2通过光学连接OV相互联系。通过该光学连接OV，总是进行接收机3的位置确定以及其相对光学连接OV并进而还相对扫描单元2的取向确定。位置信息(即距接收机3的距离和方向以及入射方向)可以在集成在接收机3中的或是集成在扫描单元2中的控制单元中针对位置确定和取向确定进行评估。为此，分别在其他系统部件上产生的数据通过通信连接KV1在接收机3和扫描单元2之间被传输。对于某些应用场合，也可以采用分立的控制单元4，因此这里，方位信息的各自部分通过通信连接KV2在扫描单元2和控制单元4之间以及通过通信连接KV3在接收机3和控制单元4之间被传输。于是，可以由控制单元4和通信连接来控制接收机3和扫描单元2。
根据现有情况和强制条件，“方向”在各情况下被理解为一个或更多个角度或者对角度的确定。在一个精确的平面中，例如在由塑料材料构成的体育场上，现有的自由度由在该平面中的取向和定位的强制条件来预定。因而，减少了为确定位置和取向所需的测量变量的数量。如果采用例如具有足够大的水平延伸长度的车辆作为承载部件1，则该车辆总是成水平的。因此不需要两轴上的斜度测量。术语“方向确定”根据环境条件包含对必要数量的变量的测量。对于平面内的车辆，相对车辆的距离、方向(即极化角)以及接收方向(即同样是接收射线的极化角)就足以确定位置和取向。此外，通过强制条件还确定接收机3相对承载部件1的取向。在以上例子中，接收机3相对承载部件1绕竖轴的可移动性就够了，因此在这里极化角也足以定义承载部件1相对接收机3的位置和取向。
图3示出了该种类型的方位确定系统。扫描单元2’中的激光扫描仪发出射线如激光脉冲，并且通过未示出的控制装置来这样控制，即：使扫描仪对准接收机3’。用虚线表示检测区域EB，该检测区域由扫描仪扫描。由扫描仪发出的激光击中接收机3’的物镜，该物镜涂有对发出射线产生良好反射作用的涂层，并且该激光回射到未示出的激光扫描仪的检测装置。扫描单元2’的固定坐标系{e1，e2，e3}可以被分配有已知的本地或全球坐标。激光扫描器如此被调整到坐标系内，即：激光的旋转点处于坐标原点。从已知位置坐标的该位置开始，进行对接收机3’的测量。扫描仪此时可以绕横轴和竖轴旋转，在这里，例如借助于角度传感器来自动检测发出激光的发射方向。
承载部件1’具有可旋转的接收机3’和双轴斜度传感器5’。固定坐标系{e1，e2，e3}的原点位于接收机3’的旋转点，该接收机至少可以绕从图面指出的轴旋转。通过对接收机3’的接收光学系统进行测量，使其坐标系{e1，e2，e3}与扫描单元2’的坐标系相关联。从激光扫描仪到接收机3’的测量例如针对接收机3’的物镜进行。一方面，物镜接收激光并且确定该激光的入射方向和入射点，另一方面，激光从物镜被反射回到未示出的扫描仪的检测装置，该检测装置确定扫描单元2’和接收机3’之间的距离。根据接收机3’的已知几何形状，所以还确定了到承载部件1’或者到可移动单元的各点的距离。
可旋转的接收机3’的旋转角是例如由角度传感器来自动确定的，或者被主动调整用于跟踪制导射线。当然，接收机3’也可以如此构成，即它可绕其它轴旋转或倾转。由接收机3’和扫描单元2’所测量的值可以被传输给外部控制单元4’。
图4示意说明了该种类型的、具有移动接收装置的方位确定系统。与图3的说明相似，从扫描单元2’进行相对接收机3’的距离测量和方向测量。居中表示的情况表明了0°发射角，左、右射线分别分别以相对0°方向的一定发射角β’、β”发出。如果现在在图3所示的接收机3’的检测和测量之后使激光转动角度β’，则承载部件1’与安装在其上的接收机3’一起同样朝右移动，以便保持在接收机轴线和激光之间的现有关系。如果此时使距离保持相同，则进行沿圆弧的运动。在此示出的向右的线性移动意味着扫描单元2’和接收机3’之间的距离随着移动增大而增加。同样的考虑经必要修正适用于同样示出的、以角度β”或者向左的运动。根据预定的理论轮廓或者要运行的轨迹，基于由扫描单元2’和接收机3’连续产生的方位信息来产生所需的控制指令。通过连续测量接收机3’的位置及其与发射射线方向的关联，可以实现在“驾驭制导射线”意义上的引导。
图5示出根据本发明的方位确定方法的原理与现有技术的系统的比较。在测量从扫描单元2’到接收机3a的距离和方向时，在现有技术的系统中必须进行光学连接OV的精确对准和跟踪，这使射线轴总是保持在接收机3a的小入射瞳EP中，这包含对跟踪运动和方向稳定性的特殊要求。由于小入射瞳EP而保证了基本平行于接收机轴线的入射，因此可以忽略由射线偏移和接收机3a的空间延伸产生的可能误差。如果该对准在超出阈值之外改变并且由此引起的连接中断，则入射瞳EP和光轴必须重新相互定向或相互对准，以便建立新的光学连接OV。
在根据本发明的接收机3’或者根据本发明的方位确定系统中，采用了较大的入射瞳或者光学孔径，因而光学连接对干扰是健壮的，还能更简单地保持用于相互跟踪的部件(即扫描单元2’和接收机3’)，或者使它们可以满足降低了的要求。不过由于尺寸关系，现在除了在平面中由入射角γ表示的激光入射方向外，还需要确定透镜6上的位置或击中点AP或者射线偏移，即入射射线相对接收机轴线EA的偏移或者射线横截面中的重心相对接收机轴线EA的偏移。通过确定或了解这些变量，可以实现相应大尺寸的光学孔径。
图6a-c示意表示确定在根据本发明的单元的接收机中的入射射线的方向的实施例。在该实施例中，采用了具有60毫米孔径的非球面透镜6、分束器7和两个位置敏感型光敏检测器部件8a和8b。作为合适的检测器，考虑例如行阵列、CCD照相机或CMOS照相机或者位置敏感器件(PSD)。在图6a中，虚线9b对应于与轴线平行的入射射线，其使得在检测器表面的中央产生成像。用实线9c表示的来自下方的入射光使得检测器表面上的成像向上或向右位移。用点线9a表示的来自上方的入射光产生向下或向左的位移。
在该实施例中，两个检测器部件8a和8b在不同方向上散焦。例如，检测器部件8a处于透镜6的焦距外，检测器部件8b处于透镜6的焦距内。根据本发明，可通过这种布置来测量射线的入射方向和击中点的位移或者入射射线的射线偏移，即图1中的移动矢量w的坐标w1和w3。如果在两个检波器上仅考虑一个坐标，则入射方向的变化在两个检测器部件8a和8b上的像点的位移中表现为相应检测器坐标的和的变化，而射线的位置的移动(即射线偏移)表现在检测器坐标的差的变化中。因此，采用两个对置散焦的检测器部件8a和8b可确定入射方向和射线偏移，即射线击中点的位置的移动，并从而确定四个参数。
而如果只确定入射方向，则在焦平面内采用一个检测器部件就足以确定入射方向并从而确定两个参数。通过接收光学系统或接收机电子设备的这种设计，可容易地检测入射射线的方向以及位置偏差，如有必要，可跟踪接收机轴线。
通过对两个检测器部件8a和8b上的像点位置的了解，可同时确定射线偏移和入射角，以下将在图6b和图6c中对此进行详细说明。
图6b表示双重入射射线，其具有相对接收机轴线不同的射线偏移，但具有相同的入射角。在透镜6的上部的、用一个点断开的线9b’表示的入射射线在检测器部件8a上产生居中的像点，而在检测器部件8b上该位置在上边缘的附近。另一方面，在透镜下部的、具有由两个点断开的线9b”的入射射线在检测器部件8a上产生位于右边缘的像点，而在检测器部件8b上该像点居中。因此，作为入射射线相对接收机轴线的偏差的射线偏移可以从对两个像点方位的了解中推导出。击中点从透镜的上部移到下部和与之相关的射线偏移的变化使得像点向右或向下移动。
而图6c表示三重入射射线，其具有恒定的射线偏移，但具有不同的入射角，在这里，虚线9b又表示与轴线平行的入射射线，实线表示9c表示来自下方的入射射线，点线9a表示来自上方的入射射线。每个入射角又对应于在两个检测器部件8a和8b上的像点的特征组合。入射角度从斜向上到斜向下的变化使得检测器部件8a上的像点向右移动，并使得在检测器部件8b上的像点向上移动。因此，与图6b的运动相比，移动是在相反方向上进行，而不是顺时针同向。
在了解了检测器部件8a和8b上的各像点的位置及其位移后，可以确定射线偏移和入射角度及其变化。
原则上，也可以例如采用球面透镜和相应倾转的检测器来实现根据本发明的单元的接收机的光学系统替换实施例，其中可以用电子学方法考虑所出现的失真。
图7a-d示意表示采用根据本发明的方位确定系统对作为承载部件的标线车1”的控制。图示出体育场将配备有标线的情况。在图7a中，标线车1”是通过扫描单元2”的搜索运动并根据接收光学系统上的反射10来识别的，并在方向和距离方面被测量。在此情况下，对要标记的线的预先规定通过要由操作员操作的远程定位的控制单元4”来进行。标线车1”通过光学连接OV与扫描单元2”的发射相关联。为了标记出确定罚球区一边的处理线BL，标线车1”必须借助其接收机轴线被引导到理论线SL。在这个例子中，该理论线SL不与处理线BL重合，这是因为，由于处理元件和接收机轴线之间的空间距离而需要一个偏移量来正确刷出标线。标线车1”的电子装置如此控制该偏移量，即在距要达到的位置预定的距离时，使接收机轴线与射线发出的轴线即光学连接OV重合或者保持在预定偏差之内。因此，通过改变光学连接OV，可借助接收机轴线将标线车1”引导到理论线SL，从而可以进行标线。
在图7b中示出了光学连接OV、接收机轴线和理论线SL的一致。接收机3”借助其接收机轴线直接对准扫描单元2”的发射的射线轴线。在这个特殊情况下，接收机轴线的对准保持相同，标线车1”如图7c所示直接朝扫描单元2”移动，用于产生标记，因此，只是距离D连续缩小。其它空间布置决定了接收机3”的方向和距离D的平行改变。
图7d示意表示这样的情况。在标线车1”已经标记出罚球区边线后，它将标记出邻接且呈直角延伸的线。为此，扫描单元连续改变理论线SL，从而标线车1”通过试图保持光学连接OV来跟随这种改变。此外，为了正确涂刷标线，还考虑接收机3”相对标线车1”的位置，这是因为，要定位涂刷单元作为特征点。在这些几何形状条件下，不仅接收机3”和标线车1”之间的角度连续改变，而且距离也连续改变。