专利名称：用于建筑机械的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及具有整地器具的建筑机械的控制系统，更具体地说，涉及一种具有一固定跟踪站的机器控制系统，所述跟踪站能确定建筑机械的位置，并且输出一基准激光束以控制其整地器具的高度。
希望的是，能自动地控制具有整地器具的建筑机械，例如平地机、铺路机和推土机。建筑任务通常包括搬运土方或铺设路面等，以完成一符合建成计划的路面。建筑机械的操作者一般要靠遍布工地现场的高度基准，例如标桩和标线，来引导他们工作。设立这样的高度基准是非常费时而且昂贵的，因为必须小心地测量每个高度基准以确保精度。如果因为所在位置必须被修整，或因为故意破坏，或因为其它的疏忽行为而造成高度基准移动的话，必须重新设立高度基准，这就额外增加了耽搁时间和费用。此外，由于高度基准散布整个工地现场，所以需要熟练的机器操作者把散布的高度信息转变成期望的经修整的地面。
现已有了一种靠基准激光束来确定高度的自动控制系统。典型的这种类型的系统具有一能建立起水平基准面的旋转或脉冲的激光束。连接于建筑机械之整地器具的激光接收器可检测激光束，以提供一高度基准。拿基准激光束检测到的高度与一设定点作比较，一控制器可使整地器具上下移动，以自动地修正任何高度误差。这种类型的机器自动控制系统旨在相对于水平的激光基准平面以一恒定高度来修整一水平表面。
对上述激光基准系统有这样的改进，即，添加一机载计算机(on-boardcomputer)和一些确定建筑机械之X-Y位置的装置，它们可适应建成计划中的高度变化。一旦知道了建筑机械的X-Y位置，机载计算机可参考其储存的建成计划(site plan)，并且确定在该X-Y位置上的期望高度。X-Y的位置可以由建筑机械上的装置或者是处在其它位置上的装置来确定，并且通过无线电传送至机载计算机。在这种控制系统的一种变化型式中，用一种固定装置来确定建筑机械的X-Y位置，并且计算在该位置上的期望高度，然后再把该期望高度传送给建筑机械。在这两种方式中，系统通常是靠无线电遥测，而这种无线电遥测必须在嘈杂的环境中可靠地工作，而且必须承受振动和极端的天气变化。
自动跟踪总站是用来确定一远方目标物(通常是一个反光镜)的位置的测量仪器。通过测量角度和距离，所述总站可以精确地确定远方目标物在极座标内的位置。总站的用户可把望远镜的十字准线对准远方目标物。总站通常可测量望远镜的方位(水平)角和天顶(垂直)角，并且利用激光器和探测器来测量至远方目标物的距离。通过为望远镜和光学跟踪装置添加伺服驱动器，就可以使总站沿垂直和水平的方向扫描，从而可以跟踪远方的目标物。总站可以在远方目标物移动时自动地加以跟踪，因此能提供一移动目标物的实时位置。自动跟踪总站可以是例如来自日本东京的拓普康株式会社的AP-L1型产品。
一些测量仪器具有用来产生基准平面的旋转式激光器。拓普康株式会社的RT-10S型数字式经纬仪就是这种类型的仪器，它能测量一远方目标物的方位角和天顶角，并且能在一平行于望远镜之视准线的基准平面上投射一激光束。这样的测量仪器在建筑机械的的自动控制方面有着种种限制，这是因为需要把位置信息传送给机载计算机。
根据描述的较佳实施例，本发明的一个方面在于，提供一种用来控制建筑机械的整地器具位置的控制系统。该控制系统有三个基本构件一固定跟踪站、一连接于该跟踪站的计算机、以及一附着于建筑机械的器具控制器。所述跟踪站可测量其与一位于该建筑机械上的远方目标物的距离和方位(水平)角，并能把位置信息传送给计算机。计算机可查询储存于其内的一建成计划，以确定在该位置上的期望高度并计算出一相应的天顶(垂直)角，并将期望的天顶角传送给跟踪站。随后，跟踪站在期望的天顶角上产生一天顶角基准激光束。所述器具控制器可探测天顶角基准激光束，并且相对于天顶角基准激光束来调节整地器具，直至达到所需位置。
本发明的另一个方面在于，提供一种用来控制建筑机械之整地器具位置的相应方法。该方法包括如下步骤测量从一固定跟踪站到安装在建筑机械上的一远方目标物的距离和方位角；确定一作为测得的远方目标物的距离和方位角之函数的期望天顶角；由所述固定跟踪站以期望的天顶角产生一天顶角基准激光束；以及把所述整地器具相对于基准激光束定位在一期望位置上。
跟踪站最好是改良的AP-L1型自动跟踪总站。可对拓普康株式会社的AP-L1型跟踪站作这样的改良，即，添加一个扇形或回转激光装置，并使自动的天顶角跟踪功能变得无用。该跟踪站可在由计算机计算出来的、并且由建成计划确定的期望天顶角所确定的平面内投射天顶角基准激光。或者，可以把AP-L1型跟踪站改成废除其天顶角自动跟踪功能，但是不添加另一个激光器，在这种情况下，测量方位角或水平角的激光器也被用来设定天顶角或垂直角基准。
所述计算机最好是台板式(lap-top)计算机，但是也可以把其功能结合入跟踪站。计算机通过RS-232接口与跟踪站相联系。该计算机内存有一现场地图以及一在被给予了建筑机械上的远方目标物的方位角和距离后能确定天顶角的程序。
器具控制器最好是一先前与水平基准激光一起用的标准激光或发光二极管(LED)接收器及高度控制系统，这样就可以把本发明及其延伸很方便地改装到现有的激光接收器上。还可以采用一种相对简单的激光接收器，它采用了固定探测器代替活动探测器或可伸展的天线。
本发明的一个重要特征在于，在跟踪站和建筑机械之间无需传送数据来控制整地器具的高度。期望高度是根据基准激光束的天顶角来设定的，而所述基准激光束的天顶角是由计算机确定并由跟踪站设定的。通过用器具控制器简单地调节整地器具的高度，直至激光接收器检测到天顶角基准激光束，就可以获得正确的修整高度。
本发明的另一个功能是，它还能控制整地器具的斜度。这种功能是这样社现的，即，计算机向跟踪站输出一根据储存的建成计划而建立的在建筑机械的被测位置上的期望斜度。跟踪站把斜度信息编码而成天顶角基准激光束，并且把它送至器具控制器的激光接收器。器具控制器接收斜度信息并进行解码，把期望斜度值与借助安装在整地器具上的斜度传感器探测到的实际斜度值作比较，并由此来调节整地器具的斜度，直至与期望斜度相符。这种额外的功能无需使跟踪站和建筑机械相联系，但是它可以有选择地通过激光束来完成。斜度信息可取决于建筑机械和整地器具的取向，所以可借助计算机或器具控制器对变量加以计算来完成这种转换。
本发明的机器控制系统的应用范围很广，它可以用于各种建筑设备，包括但不限于平地机、铺路机、推土机和拖拉机。该机器控制系统可以代替采用了标线、触地传感器、或水平激光基准平面等来控制高度的现有的自动控制系统。还可以将一种变化的系统(即把激光接收器与建筑机械分离)用于测量和检验。
上文中提及的方位角是在介于一固定的基准方向和经过远方目标物的一垂直平面之间的一水平面上测得的水平角。所谓固定的基准方向可以从方便于操作者的任何一个方向，例如正北方、磁极北方、或其它方向中加以选择。所谓天顶角是在介于一垂线和经过远方目标物的一直线之间的垂直面中测得的垂直角。虽然水平和垂直的基准方向是最经常采用的，但是也可以等价地采用其它的基准方向。更通常的是，本发明可以以其它的极座标系统来加以限定，用两个角度和一个距离便可限定远方目标物的位置。所采用的术语“方位角”和“天顶角”不应该限于任何特定的座标系统。
说明书中所描述的特征和优点并没有包罗一切，本技术领域的熟练人员在附图、说明书和权利要求的基础上，可以清楚地认识到其它的特征和优点。此外，应注意的是，说明书中采用的语言是经过选择的，以便于阅读和教导，但是对本发明没有什么限制，所以要用所附权利要求来确定的本发明的保护范围。
图1是本发明控制系统的侧视图，它示出了一固定跟踪站、计算机、以及一可动的器具控制器的两个位置；图2是本发明控制系统之相对位置的平面图；图3是本发明中计算机所采用之程序的简化的流程图；图4是根据本发明的另一个控制系统的侧视图。
图1至图4示出了本发明的各较佳实施例，但是它们仅起到说明作用。本技术领域的熟练人员可从下文中清楚地认识到在不偏离本发明原理的基础上，可以作出各种替代的结构和方法的实施例。
本发明的较佳实施例是一个控制系统，以及用该控制系统来自动地控制建筑机械之整地器具的高度的方法。如图1所示，该控制系统基本上包括一跟踪站10、一计算机12、以及一器具控制器14。
跟踪站10包括一安装在三角架18上的跟踪仪器16。跟踪站包括一可绕纵轴线22旋转的转台20。转台的转动受到一伺服装置24的控制，该伺服装置可以把一激光束26与连接在建筑机械上的反光镜28对准。反光镜28最好是一个镜面立方体，但也可以是反光带或其它反光物体。跟踪站10可通过转台20的转动按方位角来跟踪反光镜28，以便让激光束26与反光镜保持对准。跟踪站10还能借助已知的电子测距技术(EDM)来测量其与反光镜28的距离。开始时，通过人工控制，用望远镜30使电子测距激光束26与反光镜28对准，然后激光束26自动跟踪反光镜。
跟踪站10还包括一能以所期望的天顶角产生另一激光束32的激光器。如下文所述，计算机12可以给跟踪站10输入一天顶角，这个天顶角可以建立天顶角基准激光束32的取向。天顶角34是介于垂直轴线22和激光束32之间的一垂直角。
较佳的是，天顶角基准激光束32是以扇形投射的，或者是在一圆周内回转。图2示出了天顶角基准激光束32的一个扇形投影36。距离38是指跟踪站10与安装在建筑机械(未示)上的反光镜28的距离。图2还示出了基准线42和跟踪激光束26的视线45之间的水平夹角40，所述基准线42是从跟踪站10延伸至一基准点44或者是沿一预定的基准方向延伸，而视线45则是从跟踪站10延伸到反光镜28。在最初的建立过程中，需要把激光束对准基准点44或者是一个预定的基准方向(例如北方)来对跟踪站10进行校正，这种校正工作为转台20在水平面内的转动定义了一个零点或基准点。通过测量转台20从其零点或基准点开始的转角，就可以简单地确定反光镜28的方位角40。
计算机12最好是一种台板式计算机，但它也可以是任何一种能与跟踪站相联系并且能计算天顶角的计算机。较佳的是，计算机12和跟踪站10是通过传统的RS-232端口相联。
图3所示的流程图中表示了计算机12的基本工作情况。在控制系统可以对器具加以控制之前，必须在计算机12中输入一建成计划。所述建成计划是以座标系(直角座标或极座标)或矢量的形式定义了所期望的修整地面。最初建立过程中的另一个任务是，定义跟踪站的位置和高度，以使计算机能相应于建成计划来定位跟踪站，这是因为所有的距离、方位角和天顶角都是相对于跟踪站来定义的。这个工作是这样完成的，即，利用已知的测量技术通过跟踪站10来测量一个或更多个基准点44。另一个最初建立的工作是，输入高度数据，这些数据限定了器具控制器14的激光接收器46相对于整地器具50的切割边缘48的高度58(图1)。这个高度数据可使计算机调整基准激光束的天顶角，以补偿激光接收器的高度。
计算机12起动后，它能在一个连续环内工作。跟踪站10可测量它与建筑机械上的反光镜28的方位角40和距离38，并将数据送到计算机12。计算机12读取建成计划数据，并且定出测得的建筑机械的位置。所述位置具有一定的相关高度，可以用这个高度来计算天顶角34，可以得出被修整地面的正确高度。随后，计算机12把计算出来的天顶角数值输出给跟踪站10。
请重新参见图1来说明系统的其余部分及其工作情况。跟踪站10响应计算机12输出的天顶角数据，把天顶角基准激光束32的角度调整为由计算机计算出来的所期望的天顶角34。
安装在建筑机械上的器具控制器14包括了一安装在整地器具50上的天线杆52。天线杆52随着整地器具的上下移动而上下移动。建筑机械(未示)具有能调节整地器具50位置的液压缸54。一控制器56联接于激光接收器46，并且联接于液压缸54以便使器具如愿地上下移动。反光镜28和激光接收器46是安装在靠近天线杆52的顶部。
在工作时，激光接收器可检测到天顶角基准激光束32。控制器56可以决定是否需要调节整地器具50上升或下降以让激光束对准接收器46的中心，如果需要，可以借助液压缸54来作合适的调节。如果天顶角基准激光束射到激光接收器46的顶部，那就意味着整地器具太低了，需要用控制器调整而使其位置上升。相反，如果天顶角基准激光束射到激光接收器46的下部，那就意味着整地器具太高了，需要用控制器调整而使其位置下降。如果激光束32射到激光接收器的中心部分，就不需要再作调整，因为整地器具已经处在了合适的位置上。整地器具的切割边缘48与激光接收器46之中心的距离是58，这个距离可以在计算机确定其天顶角时采用。
当建筑机械移动到另一个位置59(图1中的右侧)时，建成计划可以发出另一个修整高度60。所述另一个位置59将会导致(跟踪站)与反光镜28的距离和/或方位角的测量发生变化。跟踪站10是以每秒20次的速率反复测量反光镜28的位置，并把新的测量数据传送给计算机12，计算机12接着提供相应于新位置上另一修整高度60的新的天顶角34’。器具控制器14使液压缸54动作而移动整地器具50，以便让激光接收器46的中心能检测到天顶角基准激光束32，从而可以保证整地器具把地面修整到合适的高度。
本发明的跟踪站10最好是改良的AP-L1型。拓普康株式会社的标准型AP-L1产品可以自动地跟踪一远方目标物的方位角和天顶角，并且可测得其距离。可在标准AP-L1型的基础上对跟踪站10加以改良，即，在AP-L1型的顶部添加一个扇形或回转激光装置62，用它来产生天顶角基准激光束32。由于天顶角不再是一个要测量变量，所以AP-L1的天顶角跟踪功能就没有用了；这时的天顶角是由计算机12输出的计算值。
本发明的器具控制器14最好是包括一拓普康9254型控制盒以及一拓普康LS-B2型激光接收器。
能进行斜度控制也是本发明的一个特征，只要在跟踪站10和器具控制器14之间添加一通信联系即可实现。通过采用计算机在建成计划的帮助下而确定的斜度数据来调制天顶角基准激光束便可做到这点。可借助已知的技术，用频率调制的方法把期望的斜度编码而成激光束32。激光接收器46可对该激光信息进行解码，并且将其传送到建筑机械上的一斜度控制器(未示)。所述斜度控制器包括一斜度传感器(未示)，该传感器连接于整地器具，以给出其测得的的斜度值。斜度控制器拿测得的的斜度值和来自跟踪站的期望的斜度值作比较，并由此来调节整地器具的斜度，直至与期望的斜度相符。
斜度信息取决于建筑机械和整地器具的取向。通常，斜度是相应于建成计划来定义的，并且必须被转换成相应于建筑机械和整地器具之取向的斜度信息。这样的转换可以由计算机或器具控制器来完成。
图4示出了本发明的另一种形式，其中天顶角基准和方位角的测量都是由同一个激光器来执行的。图4所示的跟踪站10’能发出一单个的激光束100，该激光束打在处于激光接收器46上的反光镜28’上，并且折回跟踪站上的一探测器。由此，跟踪站10’可以用和图1所示之第一实施例的跟踪站10相同的方式来测得的距离和方位角。跟踪站10’的不同之处在于，它还用同一激光束来设定期望的天顶角34’。由于要把激光束射到反光镜以测量方位角，而且需要在整地器具处于正确高度时让同一激光束射到激光接收器的中心，所以把反光镜28’设置在激光接收器上与激光接收器的中心等高的位置上。在这种情况下，反光镜28’最好是一安装在激光接收器上的反光带。激光束100是一束扇形的脉冲光，它平行于跟踪站之望远镜的光路。
从上面的描述中可以看出，本发明提供了一种能自动控制整地器具高度的新型的、有利的装置和方法。上文中讨论和揭示的仅仅是举例性质的方法和实施例。对本技术领域的熟练人员而言，可以在不偏离本发明精神和实质特征的情况下以其它的方式来实施。因此，以上对本发明的揭示仅仅是为了说明起见，而不是限制性的。本发明的保护范围应如所附权利要求所限定。
权利要求
1.一种用来控制建筑机械的整地器具位置的控制系统，所述控制系统包括一跟踪站，该跟踪站包括用来测量其与一远方目标物的距离和第一角度的装置，还包括用来产生一能建立期望的第二角度的激光束的装置，其中所述第一角度是在相应于第一基准方向的第一平面内测量的，而第二角度则是在相应于第二基准方向的第二平面内测量的；联接于所述跟踪站的计算装置，用以确定相应于远方目标物所测得的距离和第一角度的所期望的第二角度；联接于建筑机械、和它一起移动的远方目标；以及一联接于所述整地器具的器具控制器，它包括用来把整地器具相对于所述激光束定位在一个期望位置上的装置。
2.一种用来控制建筑机械的整地器具位置的控制系统，所述控制系统包括一跟踪站，该跟踪站包括用来测量其与一远方目标物的距离和一方位角的装置，还包括用来产生一能建立期望的天顶角的激光束的装置；联接于所述跟踪站的计算装置，用以确定相应于远方目标物而测得的距离和方位角的所期望的天顶角度；联接于建筑机械、和它一起移动的远方目标；以及一联接于所述整地器具的器具控制器，它包括用来把整地器具相对于所述激光束定位在一期望位置上的装置。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述跟踪站还包括用来在具有期望天顶角的基准平面中扫描激光束的装置，其中器具控制器包括用来把整地器具相对于扫描到的激光束的基准平面而定位在一期望位置上的装置。
4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述用来把整地器具定位到一期望位置上的装置包括一连接于所述整地器具的激光接收器以及用来调节整地器具高度因而使所述激光接收器能检测到激光束的装置。
5.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述跟踪站包括一可动转台以及一使所述转台绕一垂直轴线旋转的伺服电机，当转台和远方目标物对准时，所述跟踪站可根据转台的角度位置确定方位角。
6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述远方目标物是一反光镜，所述跟踪站包括一安装在可动转台上的第二激光器以及一可探测从反光镜反射回来的第二激光束的激光探测器，当所述激光探测器检测到从反光镜反射回来的、由第二激光器发出的激光束时，所述转台与所述远方目标物对准。
7.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述远方目标物是一反光镜，所述用来产生激光束的装置是安装在所述转台上，所述跟踪站包括一可探测从反光镜反射回来之激光束的激光探测器，当所述激光探测器检测到从反光镜反射回来的激光束时，所述转台与所述远方目标物对准。
8.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述计算装置包括一储存于其内的建成计划，把测得的的距离和方位角输入给建成计划，由此就可以确定一期望的天顶角。
9.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述器具控制器包括一连接于所述整地器具以和它一起移动的激光束接收器，以及一连接于所述整地器具、可调节所述整地器具的高度直至所述激光束探测器检测到激光束的控制器。
10.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，它还包括与所述计算机相联系、用来确定一作为测得的距离和方位角的函数的所述整地器具之期望斜度的装置；与所述跟踪站相联系、把期望斜度传送给器具控制器的装置；以及与所述器具控制器相联系、用来把所述整地器具定位在期望斜度上的装置。
11.一种用来控制建筑机械的整地器具位置的控制系统，所述控制系统包括一跟踪站，该跟踪站包括用来在具有期望天顶角的基准平面中扫描激光束的装置，以及一用来跟踪一远方目标物并测量其与一远方目标物的距离和方位角的装置；计算装置，用以向所述跟踪站提供作为远方目标物的测得的距离和方位角之函数的期望天顶角，所述计算装置包括一储存于其内的建成计划，把测得的的距离和方位角输入给建成计划，由此就可以确定一期望的天顶角；一联接于所述建筑机械以和它一起移动的反光镜，该反射镜是可以由所述跟踪站跟踪的远方目标物；以及一联接于所述整地器具的器具控制器，它包括一联接于所述整地器具以和它一起移动的激光束接收器，以及一联接于所述整地器具、用来调节整地器具的高度以使所述激光束接收器能检测到激光束的控制器装置。
12.一种用来控制建筑机械之整地器具位置的方法，所述方法包括如下步骤测量从一跟踪站到安装在建筑机械上的一远方目标物的距离和第一角度，所述第一角度是在相应于第一基准方向的第一平面中测量的；确定一作为远方目标物的测得的距离和第一角度之函数的期望第二角度，所述第二角度是在相应于第二基准方向的第二平面中测量的；在期望的第二角度上产生一激光束；以及把所述整地器具相对于激光束定位在一期望位置上。
13.一种用来控制建筑机械之整地器具位置的方法，所述方法包括如下步骤测量从一跟踪站到安装在建筑机械上的一远方目标物的距离和一方位角；确定一作为远方目标物的测得的距离和方位角之函数的期望的天顶角；在期望的天顶角上产生一激光束；以及把所述整地器具相对于激光束定位在一期望位置上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，它还包括如下步骤在一具有期望天顶角的基准平面中扫描激光束；以及，把所述整地器具相对于被扫描的激光束基准平面定位在一期望位置上。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述使整地器具定位的步骤包括调节整地器具的高度，以使联接于整地器具的激光接收器能检测到激光束。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述测量方位角的步骤包括使一可动转台转动，直至该转台与一远方目标物对准。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述远方目标物是一折回反光镜，所述测量方位角的步骤包括产生一第二激光束，在第二激光束从反光镜反射回激光源的位置上，测量可动转台的转角。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述远方目标物是一折回反光镜，所述测量方位角的步骤包括在所述激光束从反光镜反射回激光源的位置上，测量可动转台的转角。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，它还包括储存起代表建成计划的数据的步骤，根据该建成计划，可在给予测得的距离和方位角的基础上，确定一期望的天顶角。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于，它还包括确定一作为测得的距离和方位角之函数的所述整地器具的期望斜度的步骤，以及把所述整地器具定位在期望斜度上的步骤。
21.一种用来控制建筑机械之整地器具位置的方法，所述方法包括如下步骤储存代表建成计划的数据，把测得的距离和方位角提供给所述建成计划，就可以确定一期望的天顶角；跟踪一联接于所述建筑机械的反光镜，并且测量与所述反光镜的距离和方位角；从建成计划计算作为测得的反光镜距离和方位角之函数的期望天顶角；在一具有期望天顶角的基准平面内扫描一激光束；以及调节所述整地器具的高度，以便让联接于所述整地器具的激光束接收器能检测到激光束。
全文摘要
本发明揭示了一种用来按照建成计划控制建筑机械的整地器具位置的控制系统。该控制系统有三个基本构件一固定跟踪站、一连接于该跟踪站的计算机、以及一附着于建筑机械的器具控制器。所述跟踪站可测量其与一远方目标物的距离和方位(水平)角，并能把位置信息传送给计算机。计算机可查询储存于其内的一建成计划，以确定在该位置上的期望高度并计算出一相应的天顶(垂直)角，并将期望的天顶角传送给跟踪站。随后，跟踪站在期望的天顶角上产生一天顶角基准激光束。所述器具控制器可探测天顶角基准激光束，并且相对于天顶角基准激光束来调节整地器具，直至达到所需位置。
文档编号E02F3/76GK1167184SQ9710556
公开日1997年12月10日 申请日期1997年6月5日 优先权日1996年6月5日
发明者理查德·W·戴维德森, 大友文夫, 木村和明, 平野聪 申请人:株式会社拓普康