专利名称：用于估计目标运动的方法和仪器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于使用诸如测勘单元(surveying unit)等 的位置确定设备确定例如车辆等的运动对象的位置的方法。本发明具 体地涉及一种测量仪器以及用于该测量仪器用以跟踪运动对象、测量 到对象的距离的方法。
背景技术：
测勘技术涉及使用从一个或多个位置取得的角度和距离测量值， 测定对象的未知位置、表面或体积或者已知坐标的放样。为了进行这 些测量，频繁使用的测勘设备是一种被称为全站仪(total station) 的类型的带一体式距离和角度测量的距离测量仪器，即，其结合有电 学、光学和计算机技术。全站仪进一步设有计算机或控制单元，所述 计算机或控制单元带有用于待进行的测量的可写信息，或用于存储在 测量过程中获得的数据。优选的是，全站仪计算目标在固定地基坐标 系中的位置。在例如本申请人的WO2004/057269中更加详细地描述了 这种全站仪。
当在工地、海上工地(naval work site )、建筑工地或采矿工地 使用距离测量全站仪进行距离测量或者测勘任务时，通常希望跟踪运 动对象或者测量到对象的距离。
光学全站仪的跟踪器系统通常将来自位于对象处的目标的光信号 聚焦到探测器上，该光信号为来自该目标的对入射测量束的反射，或 者来自该目标上的有源器件。全站仪的伺服系统根据来自传感器的信 号移动或者转动该全站仪。
因而，所述跟踪器系统将仅具有有限视角，并且，为了定位或跟 踪目标，所述跟踪器系统将必须指向靠近目标的方向。当伺服系统已 经将全站仪指向目标时，它将能够"锁定到"目标，这意味着，除了 别的以外，全站仪可以跟随或者跟踪目标运动。
在目标例如在对象在障碍物后方移动时被隐藏在障碍物后方时，
8目标暂时丢失，即反射信号丟失，此时该种窄视角产生了问题。为了 在目标重新出现时恢复对目标的锁定，全站仪需要估计目标一一即对 象——在障碍物后方的运动。常规上，这通过以与目标丢失之前相同 的角速度转动或者移动全站仪来实现。然而，这实际上对应于沿着围 绕全站仪的圓圏运动的目标，这种情况是不常见的。在大多数情况下， 目标沿着线性或者稍微弯曲的路径运动，该路径并非必定垂直于全站 仪的视线。以恒定速度沿着线性路径相对于全站仪运动的目标将不会 具有恒定的角速度。例如，在全站仪附近角速度将显著增加，特别是 当目标在全站仪近旁经过时。
类似的问题存在于使用脉冲测量技术的测距计(distance meter ) 中，在所述脉冲测量技术中，发射脉沖(transmitted pulse)从目标 返回的确切时间是确定的。测距计利用窄采样窗口，即短的时间段， 该窄采样窗口要求能够针对每一返回脉沖仅采样短的时间段。因此， 为了从特定返回脉冲获得测量数据，测距计必须知道返回脉冲大约何 时会返回。由于渡越时间(time of flight)对应于到目标的3巨离， 这意味着测距计必须知道到目标的大致距离。
当对未知目标进行测量时，测距计将移动采样窗口并且搜索返回 脉冲，这将耗费时间。 一旦目标已经被找到，测距计将保持采样窗口 锁定，并且，如果目标开始移动，则将改变(shift )或移动采样窗口， 以补偿距离变化。如果测量信号因故——例如由于目标暂时被隐藏在 障碍物后方一一被阻断，那么测距计将失去目标，即采样窗口不能捕 捉到返回。为了恢复测距程序，测距计必须估计在目标从障碍物后方 重新出现时到目标的距离，由于例如对象的非线性运动速度，这可能 是困难的。因此，测距计可能必须搜索返回脉冲并且移动采样窗口， 这将耗费时间。
因而，需要一种改进的且更有效的全站仪以及一种用于该种全站 仪用以估计例如运动对象的位置的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的测量仪器以及一种用于该种 仪器用以估计运动对象的位置的方法。本发明的另一目的是提供一种改进的且更有效的测量仪器以及一 种用于该种仪器用以跟踪运动对象的方法。
本发明的再一 目的是提供一种改进的且更有效的测量仪器以及一 种用于该种仪器用以测量到对象的距离的方法。
本发明的再一 目的是提供一种改进的测量仪器以及一种用于该种
仪器用以在测量时间段(measurement session)中在目标已经丟失之 后以快速且有效的方式恢复对目标的锁定的方法。
本发明的这些目的和其它目的通过具有在独立权利要求中限定的 特征的方法、测量仪器和计算机程序产品实现。 一些实施方案由从属 权利要求表征。
为了澄清起见，本说明书中使用的术语"全站仪"是指一种带一 体式距离和角度测量一一即结合了电子、光学和计算机技术一一的距 离测量仪器。该种仪器给出对目标的距离以及竖直和水平方向，由此 测量相对于对象或目标——诸如反射体(reflector )——的距离。本 说明书中使用的术语"全站仪"包括以下术语测勘单元或者大地测
根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量仪器的方法，该测 量仪器包括位置计算电路，该位置计算电路用于在测量时间段中发出 用于距离和角度测量的测量束并用于在测量时间段中接收反射束，该 位置计算电路包括跟踪器与伺服系统、角度测量系统以及距离测量系 统，该角度测量系统适于使用测量束和反射束来计算位置数据，该位 置数据包括至少测量仪器和目标之间的水平角度和竖直角度。该方法 包括以下步骤在测量时间段中以连续测量来获得多个目标位置数据 组，该多个目标位置数据组包括至少在测量仪器和至少一个目标之间 的水平角度和竖直角度；计算这样的模型，该模型基于在先前测量中 获得的至少一个数据組描述目标的路径和/或到目标的距离，该模型预 测该目标的位置；使用所计算出的模型来估计至少该目标的现时位置 和/或至少到该目标的现时距离；以及在新的测量时间段开始时，在寻 找该目标时4吏用该目标的估计位置(estimated position)。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括位置计算电路的测量仪 器，该位置计算电路用于在测量时间段中发出用于距离和角度测量的测量束并用于在测量时间段中接收反射束，该位置计算电路包括跟踪 器与伺服系统、角度测量系统以及距离测量系统，该角度测量系统适 于使用测量束和反射束来计算位置数据，该位置数据包括至少在测量 仪器和目标之间的水平角度和竖直角度。所述测量仪器进一步包括目
标预测系统，该目标预测系统适于在测量时间段中以连续测量来获得 多个目标位置数据组，该多个目标位置数据组包括至少在测量仪器和 至少 一 个目标之间的水平角度和竖直角度，其中该目标预测系统包括 状态估计器，该状态估计器适于计算这样的模型，该模型基于在先前 测量中获得的至少一个数据组描述目标的路径和/或到该目标的距离。 该模型预测该目标的位置。该目标预测系统进一步包括目标预测器， 该目标预测器适于使用所计算出的模型来估计至少该目标的现时位置 和/或至少到该目标的现时距离。在新的测量时间段开始时，该位置计 算系统适于在寻找该目标时使用该目标的估计位置。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机 程序产品可直接装栽到测量仪器的内存中，该计算机程序产品包括软 件代码部分，该软件代码部分用于使测量仪器按照根据本发明第一方 面的方法执行步骤。
因此，本发明基于这样的思想根据测得的到目标的角度和测得 的到目标的距离来建立目标或对象的运动模型。当目标由于例如测量 束被阻断而丢失时，所述距离测量系统和所述跟踪器与伺服系统可以 使用该模型来估计该目标在某未来时间点将在何处，即估计到目标的 距离和角度。由此，所述距离测量系统和所述跟踪器与伺服系统将具 有对目标位置的良好近似，因而可以将此近似位置用作第一推测 (guess )来开始寻找目标。
与已知的现有技术相比，本发明提供了多个优点，例如，当目标 暂时丢失时，即当目标例如短暂地隐藏在障碍物后方从而反射信号丢 失时。为了在目标重新出现时恢复对目标的锁定，测量仪器需要估计 目标在障碍物后方的运动。常规上，这通过以与在目标丢失之前相同 的角速度转动或者移动测量仪器来实现。然而，这实际上对应于沿着 围绕测量仪器的圆圏运动的目标，这种情况是不常见的。在大多数情 况下，目标沿着线性或者稍微弯曲的路径运动，该路径并非必定垂直于测量仪器的视线。本发明允许测量仪器比已知现有技术显著更快地 恢复对例如以恒定速度沿着线性路径相对于测量仪器运动的目标——
其具有非恒定角速度一一的锁定。这由于以下事实而可实现所计算 出的描述路径的模型考虑到了到目标的水平角度、竖直角度和距离。
在本发明的 一 个实施方案中，距离测量系统适于使用测量束和反 射束来计算位置数据，所述位置数据包括至少在测量仪器和目标之间 的距离，并且其中所述目标预测系统适于以连续测量来获得多个目标 位置数据组，该多个目标位置数据组包括至少在测量仪器和所述至少 一个目标之间的水平角度和竖直角度以及距离。
此外，该距离测量系统利用窄采样窗口，即短时间段，该窄采样 窗口要求能够针对每个返回脉冲仅采样短的时间段。因此，为了从某 一返回脉冲获得测量数据，根据现有技术的方法，距离测量系统必须 大致知道返回脉冲将在什么时候返回。由于渡越时间对应于到目标的 距离，这意味着距离测量系统必须知道到目标的大致距离。当测量未 知目标时，该距离测量系统将移动采用窗口并搜索返回脉冲，这将耗 费时间。 一旦已经找到目标，该距离测量系统将保持采样窗口锁定， 并且如果目标开始移动，则开始改变或移动采样窗口以补偿距离变化。 如果测量束因故——例如由于目标暂时隐藏在障碍物后方——被阻 断，那么距离测量系统可能会丟失目标，即，采样窗口不能捕捉到返 回脉冲。为了恢复测距程序，该距离测量系统必须估计当目标从障碍 物后方重新出现时到目标的距离，由于例如目标的非线性运动速度， 这可能是困难的。根据本发明，该距离测量系统使用预测位置 (predicted position)来估计到目标的距离，该预测位置由所计算 出的目标路径模型确定。因此，该距离测量系统将在在何处搜索返回 脉沖以及如何移动采样窗口方面具有良好的估计，因而与现有技术的 方法相比，可以在显著短的时间段内找到目标。
在本发明的另一实施方案中，目标预测被与相位测量仪器(phase measuring instrument)相结合使用。
根据本发明的 一 个实施方案，目标预测系统包括连接到状态估计 器电路的球面-笛卡儿变换电路(spherical to Cartesian transformation circuit)。此外，该状态估计器电路连接到目标预测器，该目标预测器又连接到例如控制电路的内部时钟以及笛卡儿-
球面变换电路(Cartesian to spherical transformation circuit )。 角度测量系统测量水平角度、竖直角度，距离测量系统测量到运动目 标的距离。因而以球面坐标表示的位置矢量可被输送到该球面-笛卡儿 变换电路，该位置被球面-笛卡儿变换电路转换到笛卡儿坐标系。以笛 卡儿坐标表示的位置随后被输送到状态估计器，该状态估计器估计目 标的运动并产生目标状态矢量，该目标状态矢量含有至少三维的估计 位置和速度。该矢量也可含有例如与目标相关的三维的加速度数据。 该矢量被提供给目标预测器，该目标预测器适于使用接收到的状态矢 量和从内部时钟接收到的时间来计算目标的位置。然后，该含有预测
位置的矢量被提供给位置计算系统，供在目标丢失时使用。
根据本发明的一个实施方案，该状态矢量是卡尔曼滤波器(Kalman filter)，即递归估计器。只有来自前一时间步(time step)的估计 状态和当前测量值被用来计算对当前状态的估计。
根据本发明的一个实施方案，每个新测得的目标位置数据组被输 入所述模型。由此，所述模型被有规律地更新。
在本发明的另一实施方案中，有规律地——例如在每一次测量之 际一一检查目标的现时位置与用模型预测的位置之间的偏差是否超过 预定限度，如果该限度被超过，则计算基于最新测量值的新的模型。
根据另 一 实施方案，所述距离测量系统可以在跟踪模式——即跟 踪器与伺服系统的连续运动 一 一期间使用所述预测模型。
根据本发明的再 一 实施方案，在测量系统对多于 一 个目标进行测 量的情况下使用所述预测模型。例如，在测量系统对两个运动目标进 行测量的情况下。在这种情况下，可以这样利用所述预测模型当仪 器从已经被跟踪一段时间并且已经针对其计算出预测模型的第一 目标 转到第二目标时，第一目标的预测模型被保存，因而可以被用来预测 在对第二目标进行测量期间第一目标的运动。由此，在从第二目标转
回到第一目标之后，有可能再快速地恢复对第一目标的锁定，因为预 测模型被保存了并且被用来预测第 一 目标的位置。
在本发明的再一实施方案中，例如，如果目标已经丢失太久使得 模型不再有效，那么信号强度——例如跟踪器与伺服系统的信号强
13度一一被用来估计距离。信号强度取决于多个参数，例如天气状况、 目标类型和到目标的距离。除了到目标的距离之外的所有参数都可以 被假定为是非常緩慢地变化的。如果信号强度连同水平角度和竖直角 度以及距离一起被输入模型，那么它可以与距离相关，从而可以确定 所有其它参数的影响。当跟踪器与伺服系统在目标丢失之后再次找到 目标时，信号强度可以被用在模型中，以估计到目标的距离，并且距 离测量系统在寻找目标时可以使用该信号强度。
如本领域普通技术人员所认识到的，本发明的方法的步骤以及这 些方法的优选实施方案适合以计算机程序或计算机可读介质的形式来 实现。
根据下面结合附图使用的描述，将更好地理解按照构造及操作方 法表征本发明的特征及本发明进一步的目标及优点。应清楚理解的是， 所述附图用于图解和说明的目的，并不意在作为对本发明范围的限定。 随着结合附图阅读现在接下来的描述，本发明所实现的这些和其他目 标以及所提供的优点将变得更加完全地显而易见。
在下文的详细描述中将参照附图，在附图中 图1示意性示出了根据本发明的测量仪器和目标； 图2示意性示出了根据本发明的一个实施方案的目标预测系统和 位置计算系统；
图3示意性示出了根据本发明的另一个实施方案的目标预测系统 和位置计算系统；
图4示出了根据本发明的方法的高级(high-level )流程图； 图5示出了根据本发明的方法的一个实施方案的流程图； 图6示出了根据本发明的方法的另一实施方案的流程图；以及 图7示出了根据本发明的方法的又一实施方案的流程图。
具体实施例方式
首先参照图1，将讨论根据本发明的测量仪器一_诸如全站仪或 大地测量仪器一一的一个实施方案。全站仪是一种带一体式距离和角度测量一一即，结合了电学、光 学和计算机技术一一的距离测量仪器。这种全站仪给出对对象或目标 的距离以及对对象或目标的竖直方向和水平方向，由此测量相对于反 射表面或者例如隅角棱镜类型的反射体的距离。此外，全站仪设有计 算机或者控制单元，所述计算机或者控制单元带有用于待执行的测量 的信息，并用于存储在测量过程中获得的数据。优选的是，全站仪计 算目标在固定地基坐标系中的位置。在例如本申请人的
W02004/057269中更加详细地描述了这种全站4义。 现在将结合全站仪描述本发明的实施方案。
根据本发明，测量仪器或者全站仪1包括控制单元2，其包含 控制逻辑；以及位置计算电路3,其包含用于发出测量束mb——其用 于距离测量和对准测量——的装置，以及用于从对象7的目标9或单 独的目标接收反射束rb的传感器装置。在一个实施方案中，位置计算 电路3包括角度测量系统10,该角度测量系统适于测量到目标9的水 平角度(Ha)和到目标9的竖直角度(Va)。此外，位置计算电路3 包括距离测量系统ll，其适于测量到目标9的距离d;以及跟踪器 与伺服系统12，其适于基于来自例如在先测量的目标位置信息来控制 全站仪l的运动并瞄准目标9。获得以球面坐标(Ha、 Va、 d)表示的 目标位置。
此外，全站仪1包括存储器电路4，该存储器电路4可以包括随 机存取存储器(RAM)和/或诸如只读存储器(ROM)之类的非易失性存 储器。
目标预测系统14,将在下文参照图2和3被更详细地描述，适于 确定这样的模型其基于至少水平角度Ha、竖直角度Va以及距离d 的在先测量来预测目标9的位置。在目标在测量时间段中丢失的情况 下，位置计算系统3可以使用根据该模型计算出的对目标9的位置的 预测。
此外，全站仪l可以包括显示器(未示出)和输入设备(未示出)， 该显示器用于借助于图形用户接口 (GUI)在视觉上为用户显示信息， 该输入设备，例如键盘，使得用户能够例如输入信息和命令。
现在转到图2，将描述根据本发明的目标预测系统的一个实施方案。目标预测系统14包括连接到状态估计器电路22的球面-笛卡儿变 换电路21，该状态估计器电路22在一个实施方案中为所谓的卡尔曼 滤波器。卡尔曼滤波器是递归估计器。这意味着，要计算对当前状态 的估计，仅需要来自前一时间步的估计状态和当前测量值。与成批估 算技术(batch estimation technique)不同，不要求观察历史和/ 或估计历史。它是时域滤波器。此外，状态估计器电路22连接到目标 预测器23,该目标预测器又连接到控制电路2的内部时钟和笛卡儿-球面变换电路24。然而，替代地，该目标预测器可以使用全站仪1的 RF单元的内部时钟。
在运行中，角度测量系统10测量水平角度Ha、竖直角度Va，距 离测量系统11测量到运动目标的距离d。应注意到，在本发明的实施 方案中，只有水平角度Ha和竖直角度Va被用于预测模型的计算。距 离可以用不同的方式估计，例如，可以近似认为对象沿直线运动。因 而，以球面坐标表示的位置矢量(Ha、 Va、 d)可以被输送到球面-笛 卡儿变换电路21。该位置被球面-笛卡儿变换电路21转换到笛卡儿坐 标系(x， y， z)。以笛卡儿坐标表示的位置被输送到估计目标运动的 状态估计器22。状态估计器22产生目标状态矢量，该目标状态矢量 含有至少三维的估计位置和速度(x, dx/dt， y， dy/dt, z， dz/dt)。 该矢量可以例如还含有三维的目标加速度。该矢量被提供给目标预测 器23，该目标预测器适于使用所接收到的状态矢量和从内部时钟接收 到的时间来计算目标的位置。在此情况下，所计算出的位置为
xp = x0 + dx/dt*t
yp = y0 + dy/dt*t
zp = z0 + dz/dt*t， 其中(xO, y0， z0)是来自先前状态矢量的起始点。因此，预测位置 (xp, yp， zp)是从先前状态矢量、使用来自现时状态矢量的速度矢 量元素在时间t向前所计算出的起始点。
根据本发明的一个实施方案，预测位置以预定间隔被计算，并被 发送到笛卡儿-球面变换电路24，笛卡儿-球面变换电路24将预测坐 标(xp, yp， zp)转换成以球面坐标(Hap， Vap, dp)表示的预测位 置。然后，含有该预测位置的矢量被提供给位置计算系统3，用于在如果目标丢失时使用。
在本发明的另 一实施方案中，如果目标预测器接收到来自位置计
算系统3的目标已经丢失的消息，则计算预测位置。然后，该预测位 置被计算出来并发送到笛卡儿-球面变换电路24,笛卡儿-球面变换变 换电路24将预测坐标(xp， yp， zp)转换成以球面坐标(Hap， Vap， dp)表示的预测位置。然后，预测矢量被提供给位置计算系统3,位 置计算系统3利用该预测位置来推测在何处开始寻找目标。
状态矢量被有规律地更新。根据本发明的一个实施方案，每当目 标预测系统14从位置计算电路3的角度测量系统10和距离测量系统 11接收到新的位置矢量(Ha, Va， d)时，状态矢量被更新。在一个 替代实施方案中，状态矢量以预定的间隔被更新，例如，在对到目标 9的水平角度Ha、竖直角度Va和距离d进行了预定数量的测量之后， 状态矢量被更新。
在另一实施方案中，如果实际位置与通过现时模型计算出的预测 位置之间的偏差过大，例如超过预定限度，那么预测模型被更新。例 如，目标预测器23可以适于针对每个所接收到的笛卡儿位置矢量(x, y， z)，使用现时状态矢量计算位置，该现时状态矢量为
xp = x0 + dx/dt*t
yp = y0 + dy/dt*t
zp = zO + dz/dt*t。
根据下式将预测位置与现时位置(x, y， z)进行比较
l逆-和y歸
如果满足这些条件，即现时位置与预测位置之间的偏差小于预定限度
(-s ),则不计算新的模型。另一方面，如果该偏差超过预定限度(-s )， 则使用现时位置数据计算模型。
现在参照图3,将描述目标预测系统和位置计算系统的替代实施 方案。在图2和图3所示的目标预测系统和位置计算系统中，相同的 部件将用相同的参考数字表示，并且其描述将被省略，因为已经参照图2对其进行了描述。根据此实施方案，目标预测系统14'包括球面 -笛卡儿变换电路21和状态估计器电路22。除了角度测量系统10、距 离测量系统11和跟踪器系统12之外，位置计算系统3'还包括目标 预测器23和笛卡儿-球面变换电路24。
在运行中，角度测量系统10测量水平角度Ha、竖直角度Va，距 离测量系统11测量到运动目标的距离d。因而，以球面坐标表示的位 置矢量(Ha, Va, d)可以被输送到球面-笛卡儿变换电路21。该位置 被球面-笛卡儿变换电路21转换到笛卡儿坐标系(x， y, z)。以笛卡 儿坐标表示的位置被输送到估计目标运动的状态估计器22。状态估计 器22产生目标状态矢量，该目标状态矢量含有至少三维的估计位置和 速度(x， dx/dt， y, dy/dt， z， dz/dt)。该矢量可以例如还含有三 维的目标加速度。
该矢量被提供给位置计算系统3'和目标预测器23,该目标预测 器根据下式来计算位置
xp = x0 + dx/dt*t
yp = y0 + dy/dt*t
zp = z0 + dz/dt*t， 其中(xO, yO, z0)是来自先前状态矢量的起始点。因此，预测位置 (xp， yp, zp)是从先前状态矢量、使用来自现时状态矢量的速度矢 量元素在时间t向前所计算出的起始点。
根据本发明的一个实施方案，预测位置以预定间隔被计算，并被 发送到笛卡儿-球面变换电路24,笛卡儿-球面变换电路24将预测坐 标(xp, yp, zp)转换成以球面坐标表示的预测位置(Hap， Vap， dp )。 然后，预测矢量被提供给跟踪器系统12、角度测量系统10和距离测 量电路，用于在目标丟失时使用。
在本发明的另一个实施方案中，如果目标预测器23接收到来自跟 踪器系统12的目标已经丢失的消息，则计算预测位置。然后，该预测 位置被计算出来，并被发送到笛卡儿-球面变换电路24,笛卡儿-球面 变换电路24将预测坐标(xp， yp， zp)变换成以球面坐标表示的预测 位置(Hap， Vap, dp)。然后，该预测矢量被提供给距离测量系统11 和跟踪器系统12,它们使用该预测位置来推测在何处开始寻找目标。
18该状态矢量可以根据上文参照图2的描述被更新，或者如果发现 偏差过大可以计算新的状态矢量。
现在参照图4,将给出根据本发明的方法的高级描述。首先，在 步骤40，在测量时间段中，角度测量系统IO和距离测量系统11以连 续测量来测量到目标9的水平角度Ha、竖直角度Va和距离d。目标9 的位置是以球面坐标表示的。因而，包括至少测量仪器1和目标9之 间的水平角度Ha和竖直角度Va以及距离d的多个目标位置数据组被 目标预测系统14获得。然后，在步骤41,位置数据被输送到状态估 计器22，在此计算这样的模型，该模型基于在先前测量时机 (preceding measurment occasion )获得的至少一个数据组来描述目 标9的路径和/或到目标9的距离，该模型预测目标9的位置。状态估 计器22产生这样的模型，该模型基于在先前测量中获得的至少一个数 据组来描述目标9的路径和/或到目标9的距离。随后，在步骤42, 该模型被发送到位置计算系统3、距离测量系统11以及跟踪器与伺服 系统12。在步骤43,检查在预定时间段内是否已经丟失目标。如果目 标9已经丢失，则将使用所计算出的模型来估计目标9的现时位置。 在步骤44，使用所述模型在目标预测器23中计算预测位置。在此之 后，在步骤45,该预测位置被提供给距离测量系统11和跟踪器与伺 服系统12,因而它们能够将该预测位置用作第一近似值来开始寻找目 标9。当目标已经被再次找到时，该算法返回到步骤40，在此可以恢 复测量并获得测量值一一即目标位置数据组。如果在步骤43中目标没 有丢失，则算法将返回到步骤40，在此继续跟踪目标并获得测量值—— 即目标位置数据组。
转到图5，将参照图5讨论本发明的一个实施方案。首先，在步 骤50，在测量时间段中，角度测量系统IO和距离测量系统11以连续 测量来测量到目标9的水平角度Ha、竖直角度Va和距离d。目标9的 位置是以球面坐标表示的。因而，包括至少测量仪器1和目标9之间 的水平角度Ha和竖直角度Va以及距离d的多个目标位置数据组被目 标预测系统14获得。然后，在步骤51，位置数据被输送到状态估计 器22，在此计算这样的模型，该模型基于在先前测量时机获得的至少 一个数据组来描述目标9的路径和/或到目标9的距离，该模型预测目标9的位置。状态估计器22产生这样的模型，该模型基于在先前测量 中获得的至少一个数据组来描述目标9的路径和/或到目标9的距离。 随后，在步骤52，该模型被发送到位置计算系统3、距离测量系统ll 以及跟踪器与伺服系统12。在步骤54，使用该模型在目标预测器23 中计算预测位置。在步骤55，检查在预定时间段内是否已经丢失目标。 如果目标9已经丟失，则预测位置被距离测量系统11和跟踪器与伺服 系统12获得，因而它们能够在步骤56将该预测位置用作第一近似值 来开始寻找目标9。当目标已经被再次找到时，该算法返回到步骤50, 在此恢复测量，并以连续测量来获得测量值——即目标位置数据组。 如果在步骤54中目标没有丢失，那么该算法返回到步骤50，在此继 续跟踪目标并获得测量值一一即目标位置数据组。
参照图6，将讨论根据本发明的用于预测运动目标的位置的方法 的另一个实施方案。在测量时间段中，角度测量系统IO和距离测量系 统11以连续测量来测量到目标9的水平角度Ha、竖直角度Va和距离 d。目标9的位置是以球面坐标表示的。首先，在步骤60，由目标预 测系统14获得包括至少测量仪器l和目标9之间的水平角度Ha和竖 直角度Va以及距离d的多个目标位置数据组。在步骤61,所获得的 目标位置数据(Ha， Va， d)被输送到球面-笛卡儿变换器21,在此球 面位置数据被转换到笛卡儿坐标系(x， y， z)。然后，在步骤62， 位置数据(x， y, z)被输送到状态估计器22，在此计算这样的模型， 该模型基于在先前测量时机获得的至少一个数据组来描述目标9的路 径和/或到目标9的距离，该模型预测目标9的位置。状态估计器22 产生状态矢量，该状态矢量包括三维的所估计的目标9的位置和目标 9的速度(x， dx/dt， y， dy/dt， z， dz/dt)。随后，在步骤63，该 状态矢量被发送到位置计算系统3、距离测量系统11以及跟踪器与伺 服系统12。在步骤64，检查在预定时间段内是否已经丢失目标，例如， 检查跟踪器与伺服系统12在预定时期内是否没有接收到反射束。如果 目标9已经丟失，则将使用所计算出的模型来估计目标9的现时位置。 在步骤65，使用该状态矢量在目标预测器23中计算预测位置(xp, yp， zp)，在此来自先前或上一状态的预测位置被用作起始点，并且 现时时间点t如上所述被用在速度矢量中。然后，在步骤66,该预测
20位置被发送到笛卡儿-球面变换器24,用于转换成球面坐标(Hap， Vap, dp)。在此之后，在步骤67，该预测位置被提供给距离测量系统11 和跟踪器与伺服系统12,因而它们能够将该预测位置用作第一推测来 开始寻找目标9。当目标已经被再次找到时，该算法转到步骤60，在 此恢复测量，并以连续测量获得测量值——即目标位置数据组。如果 在步骤63中目标没有丢失，则算法返回到步骤60，在此继续跟踪目 标并获得测量值一一即目标位置数据组。
参照图7，将讨论根据本发明的用于预测运动目标的位置的方法 的又一实施方案。在测量时间段中，角度测量系统IO和距离测量系统 11以连续测量来测量到目标9的水平角度Ha、竖直角度Va和距离d。 目标9的位置是以球面坐标表示的。首先，在步骤70,由目标预测系 统14获得包括至少测量仪器1和目标9之间的水平角度Ha和竖直角 度Va以及距离d的多个目标位置数据组。在步骤71,所获得的目标 位置数据(Ha, Va， d)被输送到球面-笛卡儿变换器21，在此球面位 置数据被转换到笛卡儿坐标系(x， y, z)。然后，在步骤72，位置 数据(x， y， z)被输送到状态估计器22,在此计算这样的模型，该 模型基于在先前测量时机获得的至少一个数据组来描述目标9的路径 和/或到目标9的距离，该模型预测目标9的位置。状态估计器22产 生状态矢量，该状态矢量包括三维的所估计的目标9的位置和目标9 的速度(x, dx/dt， y， dy/dt, z， dz/dt)。在步骤73， 4吏用该状态 矢量在目标预测器23中计算预测位置(xp， yp， zp)，在此来自先前 或上一状态的预测位置被用作起始点，并且现时时间点t如上所述被 用在速度矢量中。然后，在步骤74，该预测位置被发送到笛卡儿-球 面变换器24,用于转换成球面坐标(Hap, Vap， dp)。在此之后，在 步骤75，该预测位置被提供给距离测量系统11和跟踪器与伺服系统 12。在步骤76,检查在预定时间段内目标是否已经丢失。如果目标9 已经丟失，则在步骤77利用距离测量系统11和跟踪器与伺服系统12 来获得预测位置，因而它们能够在步骤78将该预测位置用作第一近似 值来开始寻找目标9。当目标已经被再次找到时，该算法转到步骤70, 在此恢复测量，并以连续测量获得测量值一一即目标位置数据组。如 果在步骤76中目标没有丢失，则该算法返回到步骤70，在此继续跟踪目标并获得测量值一一即目标位置数据组。
根据另一实施方案，在跟踪模式一一即连续运动一一期间，距离 测量系统11可以使用所述预测模型。
尽管已示出并描述了本发明的示例性实施方案，但是对本领域技 术人员来说显而易见的是，可对本文中所述的本发明做出多种变化、 修改或改变。因此，应理解的是，本发明的上述描述和附图应被视为 其非限制性的实施例，并且保护范围由所附的专利权利要求限定。
权利要求
1.一种用于测量仪器的方法，该测量仪器包括位置计算电路(3，3′)，该位置计算电路用于在测量时间段中发出用于距离和角度测量的测量束(mb)并用于在测量时间段中接收反射束(rb)，该位置计算电路包括跟踪器与伺服系统(12)、角度测量系统(10)和距离测量系统(11)，所述角度测量系统(10)适于使用所述测量束(mb)和反射束(rb)来计算位置数据，该位置数据包括至少所述测量仪器(1)和目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)，该方法包括以下步骤在测量时间段中以连续测量来获得(40；50；60；70)多个目标位置数据组，该多个目标位置数据组包括至少所述测量仪器(1)和所述至少一个目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)；计算(41；51；62；72)这样的模型，该模型基于在先前测量中获得的至少一个数据组来描述所述目标(9)的路径和/或到所述目标(9)的距离，所述模型预测所述目标(9)的位置；使用所述所计算出的模型来估计(44；53；65；74)至少所述目标(9)的现时位置和/或至少到所述目标(9)的现时距离；以及在新的测量时间段开始时，在寻找所述目标(9)时使用(45；56；67；79)所述目标(9)的所述估计位置。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述距离测量系统(11)适于使用所述测量束(mb)和反射束(rb)来计算包括至少所述测量仪器(1)和所述目标(9)之间的距离(d)的位置数据，其中所述获得(40; 50; 60; 70 )多个目标位置数据组的步骤包括以所述连续测量来获得(40; 50; 60; 70)多个目标位置数据组，该多个目标位置数据组包括至少所述测量仪器(1)和所述至少一个目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)以及距离(d)。
3. 根据权利要求1或2的方法，其中计算描述所述目标(9)的路径和/或到所述目标(9)的距离的模型的步骤包括以下步骤基于包括至少所述测量仪器(1)和所述目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)和/或距离(d)的多个目标位置数据组，确定状态矢量，该状态矢量包括至少所述目标(9)的先前位置和所述目标(9)的速度，所述多个数据组是在至少一个先前测量中获得的。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中使用所述所计算出的模型来估计至少所述目标(9)的现时位置和/或至少到所述目标的现时距离的步骤还包括以下步骤获得现时时间；以及使用所述状态矢量和所述现时时间来计算所述目标(9 )的现时位置。
5. 根据权利要求1至4所述的方法，进一步包括以下步骤将所述所获得的包括至少水平角度(Ha)和竖直角度(Va)和/或距离(d)的位置数据转换(61; 71)成笛卡儿坐标(x， y, z);基于所述所转换的笛卡儿坐标(x， y, z)来确定(62; 72 )状态矢量，该状态矢量包括至少所述目标的先前位置和所述目标在所述先前位置的速度。
6. 根据权利要求5所述的方法，进一步包括以下步骤将以笛卡儿坐标(xp, yp, zp)限定的所述目标(9)的所述所估计的现时位置转换(66; 75)成包括所预测的到所述目标的水平角度(Hap)和竖直角度(Vap)以及距离(dp)的球面坐标；以及在执行所述新的测量时间段时，在寻找所述目标(9 )时，使用(67;79)包括到所述目标(9)的水平角度(Hap)和竖直角度(Vap)以及距离(dp)的所述预测位置。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤以预定的间隔，将在最新测量中获得的 一个目标位置数据组与所预测的所述目标(9)的现时位置进行比较；以及如果所述最新获得的位置数据组与所述预测位置之间的偏差超过预定限度，则使用至少所述最新获得的目标数据组来计算新的模型。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤每当获得一个新的目标位置数据组时，更新所述模型。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在测量时间段中，当所述位置计算电路(3)在预定时间段内未找到来自所述目标(9)的反射束时，获得所述预测位置。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基于在先前测量时机获得的至少一个数据组来计算描述所述目标(9)的路径和/或到所述目标(9)的距离的模型的所述步骤包括以下步骤使用递归估计，其中使用至少来自前 一 时间步的估计位置和当前测得的目标位置数据。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括以下步其中获得多个目标位置数据组的步骤包括，在所述连续测量期间获得所述至少一个目标(9)的信号强度；基于至少一个包括在先前测量中获得的信号强度的数据组，计算描述所述目标(9)的路径和/或到所述目标(9)的距离的模型，所述模型预测所述目标(9)的位置；使用所述所计算出的包括信号强度的模型，估计到所述目标(9)的现时距离；以及在新的测量时间段开始时，在寻找所述目标(9)时使用所述所估计的到所述目标(9)的距离。
12. —种测量仪器(1)，其包括位置计算电路(3; 3'),该位置计算电路用于在测量时间段中发出用于距离和角度测量的测量束(mb )并用于在测量时间段中接收反射束(rb)，该位置计算电路包括跟踪器与伺服系统(12)、角度测量系统(10)以及距离测量系统(11)，所述角度测量系统(10)适于使用所述测量束(mb)和反射束(rb)来计算位置数据，该位置数据包括至少所述测量仪器(1)和目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)，所述测量仪器包括目标预测系统(14 ),该目标预测系统适于在测量时间段中以连续测量来获得多个目标位置数据组，该多个目标位置数据组包括至少所述测量仪器(1)和所述至少一个目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va);所述目标预测系统(14)包括状态估计器(22)，该状态估计器适于计算这样的模型，该模型基于在先前测量中获得的至少一个数据组来描述所述目标的路径和/或到所述目标的距离，所述模型预测所述目标(9)的位置；所述目标预测系统(14)包括目标预测器(23)，该目标预测器适于使用所述所计算出的模型来估计至少所述目标(9)的现时位置和/或至少到所述目标(9)的现时距离；以及其中所述位置计算系统(3; 3')适于在新的测量时间段开始时，在寻找所述目标(9)时使用所述目标(9)的所述估计位置。
13. 根据权利要求12所述的测量仪器，其中所述距离测量系统(11)适于使用所述测量束(mb)和反射束(rb)来计算包括至少所述测量仪器(1)和所述目标(9)之间的距离(d)的位置数据，并且其中所述目标预测系统(14)适于以所述连续测量来获得多个目标位置数据组，该多个目标位置数据组包括至少所述测量仪器(1)和所述至少一个目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)以及距离U)。
14. 根据权利要求12或13所述的测量仪器，其中所述状态估计器(22)适于，基于包括至少所述测量仪器(1)和所述目标之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)和/或距离(d)的多个目标位置数据组，来确定状态矢量，该状态矢量包括至少所述目标(9)的先前位置和所述目标(9)的速度，所述数据组是在至少一个先前测量中获得的。
15. 根据权利要求14所述的测量仪器，其中所述状态估计器(22)适于获得现时时间；以及使用所述状态矢量和所述现时时间来计算所述目标(9 )的现时位置。
16. 根据权利要求12至15所述的测量仪器，其中所述目标预测系统(14 )进一步包括球面-笛卡儿变换器(21),该球面-笛卡儿变换器适于将所述所获得的包括至少水平角度(Ha)和竖直角度(Va)和/或距离(d)的位置数据转换成笛卡儿坐标(x, y， z);以及其中所述状态估计器(22 )适于基于所述所转换的笛卡儿坐标(x，y, z)来确定状态矢量，该状态矢量包括至少所述目标(9)的先前位置和所述目标在所述先前位置的速度。
17. 根据权利要求16所述的测量仪器，其中所述目标预测系统(14 )进一步包括笛卡儿-球面变换器(24 ),该笛卡儿-球面变换器适于将以笛卡儿坐标(xp， yp, zp)限定的所述所估计的所述目标(9)的现时位置转换成包括所预测的到所述目标(9)的水平角度(Hap)和竖直角度(Vap)以及距离(dp)的球面坐标；以及其中所述位置计算系统(3)适于在开始所述新的测量时间段时，在寻找所述目标(9)时，使用包括到所述目标(9)的水平角度(Hap)和竖直角度(Vap)和距离(dp)的所述预测位置。
18. 根据权利要求12至17中任一项所述的测量仪器，其中所述目标预测器(23)适于，以预定的间隔，将在最新测量中获得的一个目标位置数据组与所预测的所述目标(9)的现时位置进行比较；以及其中所述状态估计器(22)适于，如果所述最新获得的位置数据组与所述预测位置之间的偏差超过预定限度，使用至少所述最新获得的目标数据组来计算新的模型。
19. 根据权利要求12至18中任一项所述的测量仪器，其中所述状态估计器(22)适于，每当获得一个新的目标位置数据组时，更新所述模型。
20. 根据权利要求12至19中任一项所述的测量仪器，其中所述位置计算系统(3; 3')适于，当在测量时间段中所述位置计算电路(3)在预定时间段内未找到来自目标(9)的反射束时，从所述目标预测器(24)获得所述目标(9)的所述预测位置。
21. 根据权利要求12至20中任一项所述的测量仪器，其中所述状态估计器(22)包括卡尔曼滤波器，该卡尔曼滤波器适于使用递归估计，其中使用至少来自前 一 时间步的估计位置和当前测得的目标位置数据。
22. 根据权利要求12至21中任一项所述的测量仪器，其中所述目标预测系统(14)适于在测量时间段中以连续测量来获得包括目标(9)的信号强度的多个目标位置数据组；所述状态估计器(22)适于，基于至少一个包括在先前测量中获得的所述信号强度的数据组，计算描述所述目标的路径和/或到所述目标的距离的模型；所述目标预测器(23)适于使用所述所计算出的模型，估计至少到所述目标(9)的现时距离；以及其中所述位置计算系统(3; 3')适于，在新的测量时间段开始时，使用所述所估计的到所述目标(9)的距离。
23.—种计算机程序产品，其可直接装栽到测量仪器(1)的内存(4)中，该计算机程序产品包括软件代码部分，该软件代码部分用于使所述测量仪器(1)根据权利要求1至11执行步骤。
全文摘要
本发明涉及一种测量仪器以及用于该测量仪器用以跟踪运动对象、测量到对象的距离的方法。根据本发明，在测量时间段中以连续测量来获得(40；50；60；70)多个目标位置数据组，该多个目标位置数据组包括至少在测量仪器(1)和所述至少一个目标(9)之间的水平角度(Ha)和竖直角度(Va)；计算描述目标(9)的路径和/或到目标(9)的距离的模型；使用所述模型来估计(44；53；65；74)至少所述目标的现时位置；以及，在寻找目标(9)时使用(45；56；67；79)所述目标(9)的估计位置。
文档编号G01S17/66GK101627319SQ200780052080
公开日2010年1月13日 申请日期2007年3月8日 优先权日2007年3月8日
发明者M·诺登菲尔特, T·克朗 申请人:特林布尔公司