ES2345512T3 - Aparato y metodo para determinar una elevacion de herramientas de trabajo basandose en un sistema laser. - Google Patents
Aparato y metodo para determinar una elevacion de herramientas de trabajo basandose en un sistema laser. Download PDFInfo
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Abstract
Aparato para determinar una elevación de una herramienta (100) de trabajo en relación con un plano (105) de referencia, que comprende: un sistema (110) láser rotativo que emite un haz (120) de láser rotatorio que con la rotación abarca un plano inclinado en relación con el plano (105) de referencia un ángulo (α) de inclinación; un detector (130) montado en la herramienta (100) de trabajo para detectar el haz de láser, caracterizado por: una unidad de radio configurada para medir una distancia (127) entre la herramienta (100) de trabajo y el sistema (110) láser rotativo usando un tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta, en el que el aparato está adaptado para determinar la elevación de la herramienta (100) de trabajo basándose en el ángulo α de inclinación y la distancia (127) entre la herramienta (100) de trabajo y el sistema (110) láser rotativo.
Description
Aparato y método para determinar una elevación
de herramientas de trabajo basándose en un sistema láser.
La presente invención se refiere a un aparato y
un método para determinar la elevación de una herramienta de
trabajo con respecto a un plano de referencia.
Con el fin de dirigir una máquina de
construcción o más en general una herramienta de trabajo en un sitio
de construcción, existe la necesidad de determinar no sólo una
posición de la máquina de construcción a lo largo de direcciones
horizontales, sino también de obtener y controlar una elevación
vertical. Existen diferentes métodos disponibles para inspeccionar
un perfil de suelo y por consiguiente dirigir las herramientas de
trabajo o máquinas de construcción. Por ejemplo, puede establecerse
un sistema para medir la posición absoluta basándose en GPS (GPS =
Global Positioning System (Sistema de posicionamiento global)). Un
sistema diferente mide posiciones locales o relativas con respecto
a un punto de referencia y usa por ejemplo las denominadas
estaciones totales o transmisores láser. También se conocen
combinaciones de ambos sistemas.
Además, están disponibles herramientas de
medición simples que usan un perfil de suelo existente como base
sobre la que se desarrolla un nuevo perfil de suelo.
Generalmente se conocen sistemas de
posicionamiento basados en GPS, por ejemplo sistemas de mano o
montados. Para lograr un aumento de precisión de la posición son
posibles diferentes enfoques. Por ejemplo, puede usarse una
estación de referencia o evaluación RTK (RTK = Real Time Kinematics
(cinemática en tiempo real)), y dependiendo del esfuerzo y los
recursos, es posible la precisión de la posición en el orden de los
centímetros.
En sistemas que usan la estación total, una
estación de medición guiada por robot sigue un prisma montado en
una parte móvil y transmite las coordenadas evaluadas a un receptor,
que basándose en estos datos evalúa una posición local del prisma
dentro del sitio de construcción. El esfuerzo es significativo y en
sistemas que usan la estación total sólo puede seguirse un prisma
en un momento dado, lo cual es desventajoso aunque la precisión de
la posición alcance ya el orden de los subcentímetros.
Los sistemas basados en láser se usan en casos
en los que el conocimiento acerca de la elevación por encima de un
plano horizontal o de referencia es más importante que la posición
exacta dentro del plano horizontal. Esto es, por ejemplo, el caso
de la construcción en una posición conocida o de la construcción
subterránea de edificios o drenaje.
Los sistemas láser convencionales se describen
en el documento US 4.441.809, en el que al menos se transmiten dos
haces de láser en forma de abanico (por ejemplo, que tienen una
sección transversal en V o X) de modo que en cada revolución se
generan dos señales en cada detector. Se usa una unidad de radio
para proporcionar una señal estroboscópica. En el documento US
2003/0137658 se describe un sistema láser adicional que no tiene
unidad de radio sino que en su lugar usa un receptor de GPS. La
descripción emplea también al menos dos haces de láser en forma de
abanico.
También se conocen sistemas basados en láser y
GPS combinados. La señal de GPS se usa como información de
elevación aproximada. El sistema láser transmite haces de láser en
forma de abanico (tal como un haz de láser en forma de Z, por
ejemplo) y se usa para mejorar de manera significativa la precisión
o resolución vertical, es decir la información acerca de la
elevación a lo largo de un eje z. Este método se conoce como GPS de
milímetro y combina la ventaja de la medición de alta precisión con
la posibilidad de usar el sistema de manera simultánea con diversos
participantes. Sin embargo, es técnicamente muy costoso.
El objetivo de la presente invención es
proporcionar un aparato y un método para determinar una elevación
de una herramienta de trabajo en relación con un plano de referencia
con una alta precisión mientras que aún se proporciona un sistema
de bajo coste y fácil manejo.
Este objetivo se logra mediante un aparato según
la reivindicación 1 y mediante un método según la reivindicación
15.
Según realizaciones de la presente invención, un
aparato para determinar una elevación de una herramienta de trabajo
en relación con un plano de referencia comprende un sistema láser
rotativo que emite un haz de láser rotatorio en un plano, que
comprende un ángulo de inclinación con el plano de referencia, una
unidad de radio configurada para medir una distancia entre la
herramienta de trabajo y el sistema láser rotativo y un detector
montado en la herramienta de trabajo para detectar el haz de láser.
La elevación de la herramienta de trabajo se determina basándose en
el ángulo de inclinación y la distancia entre la herramienta de
trabajo y el sistema láser rotativo.
Según las realizaciones de la presente
invención, un método para determinar una elevación de una
herramienta de trabajo en relación con un plano de referencia
comprende emitir un haz de láser rotatorio a partir de un sistema
láser rotativo, en el que el haz de láser rotatorio abarca un plano
inclinado con respecto al plano de referencia. Basándose en el
ángulo de inclinación correspondiente y una medición de una
distancia entre el sistema láser rotativo y el detector en la
herramienta de trabajo, se evalúa la elevación de la herramienta de
trabajo.
Los transmisores láser convencionales operan de
modo que un espejo rotatorio refleja a 90º un haz de láser alineado
de manera vertical a modo de punto. Como consecuencia, puede
generarse un plano de luz horizontal, que muestra una pequeña
convergencia y alcanza un radio de aproximadamente 300 metros. Dado
que toda la unidad puede disponerse sobre una plataforma
autonivelada interna, puede obtenerse una referencia óptica estable
y detectarse mediante una matriz vertical de fotodiodos.
Las realizaciones de la presente invención
combinan el sistema láser rotativo anteriormente mencionado y el
módulo de medición de distancia basado en radio dando como resultado
un sistema de posicionamiento láser basado en radio y los posibles
principios de funcionamiento pueden resumirse tal como sigue.
El sistema láser según las realizaciones de la
presente invención amplía el sistema basado en láser anteriormente
mencionado de un modo que, en vez de un haz de láser a modo de
punto, se genera un haz de láser rotatorio y empleando elementos de
ajuste internos puede inclinarse el plano del haz de láser rotatorio
con respecto a dos ejes perpendiculares en un plano (x, y) a partir
del que se mide la elevación. Este ajuste puede realizarse
dinámicamente usando una señal de radio, donde dinámicamente se
refiere a la posibilidad de que el ángulo de inclinación pueda
cambiarse en línea, esto es sin apagar el haz de láser tras un
cambio del ángulo de inclinación y posteriormente encender de nuevo
el haz de láser. A diferencia de los sistemas láser convencionales,
que interrumpen la emisión de luz durante un ajuste del ángulo de
inclinación, el sistema láser según la presente invención puede
cambiar el ángulo de inclinación del plano del haz sin interrumpir
el haz de láser.
Los módulos de medición de distancia codificable
se basan, por ejemplo, en señales de radio (por ejemplo, usando 5,8
GHz) y se conocen como LPR-B (LPR = Local
Positioning Radar (radar de posicionamiento local)). Una caja negra
transmite una señal de radio y otro aparato, ubicado a una distancia
específica (con un máximo aproximado de 1000 metros) recibe la
señal y devuelve una señal codificada. El transmisor original recibe
la información devuelta y evalúa a partir de un retardo de tiempo
entre la transmisión de la señal y la recepción de la señal de
retorno, la distancia al aparato. Una precisión concebible está
dentro o incluso por debajo del orden de los centímetros. Con este
método, es posible medir con medios simples distancias entre el
sistema láser rotativo y el detector. El detector puede ser móvil o
estacionario.
Normalmente, un sistema láser rotativo rota con
10 ... 20 revoluciones por segundo. El detector en la máquina
(herramienta de trabajo) y un detector de mano se construyen de una
manera similar. Sin embargo, el detector en la máquina puede
comprender una unidad de procesamiento de señales en un bus CAN con
el fin de poder cambiar apropiadamente los elementos de control y
de dirección de la herramienta de trabajo.
Por tanto, las realizaciones de la presente
invención comprenden, por ejemplo, los siguientes componentes:
- -
- un transmisor láser para un sistema láser con una plataforma de nivelación convencional y una herramienta de cambio de inclinación dinámica, que se combinan con un módulo de medición de distancia basado en radio;
- -
- una herramienta de detección de láser de mano que comprende además un módulo de radio y una herramienta de evaluación opcional con una pantalla;
- -
- un detector estacionario o un detector basado en una máquina con un módulo de radio, que puede comprender una herramienta de evaluación y una interfaz de bus CAN.
\vskip1.000000\baselineskip
El transmisor láser así como el detector
comprenden módulos o unidades de radio adicionales para una medición
de distancia. En caso de que el detector detecte un pulso láser del
transmisor láser, puede iniciarse una medición de distancia usando
los módulos de radio. La medición de distancia usa un tiempo
transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta de
modo que tras el tiempo transcurrido esté disponible el resultado
de la medición de distancia. Junto con el ángulo de elevación
evaluado puede evaluarse y mostrarse la elevación.
El sistema láser rotativo puede establecerse en
un límite de un sitio de construcción y mediante el haz de láser
rotatorio genera un plano de referencia óptica, que puede inclinarse
con respecto a dos ejes en el plano (x, y). Esto puede realizarse,
por ejemplo, inclinando el espejo, que refleja el haz de láser para
generar el haz de láser rotatorio. En caso de que el haz de láser
incida en el detector, que se coloca, por ejemplo, en la
herramienta de trabajo en el sitio de construcción, el detector
puede iniciar una medición de distancia usando un módulo
integrado.
Un ordenador puede calcular una elevación real
del detector sobre el plano de referencia usando la información
acerca del ángulo de inclinación y la distancia entre el detector y
el sistema láser rotativo. Si el detector se monta en la
herramienta de trabajo, también puede calcularse la elevación de la
herramienta de trabajo. Para una posición relativa conocida del
detector (en comparación con el sistema láser rotativo) es posible,
por medio de un modelo para el área o el sitio de construcción
cambiar el ángulo inclinación del sistema láser de modo que el
detector pueda detectar posibles desviaciones respecto a un valor
objetivo y ajustar, por ejemplo, mediante un sistema hidráulico de
la herramienta de trabajo, la elevación de la herramienta de trabajo
al valor objetivo. Esto es posible, por ejemplo, si el detector
comprende una fila de fotocélulas, que estén configuradas para
detectar el haz de láser en diferentes elevaciones, de modo que sea
sensible a las desviaciones respecto al valor objetivo. El sistema
láser puede a su vez transmitir información acerca del ángulo de
inclinación a la herramienta de trabajo usando un módulo de radio,
que se usa para la medición de distancia, o usando un módulo basado
en radio adicional.
Sin embargo, esta información sola no es
suficiente para fijar de manera única la posición de la herramienta
de trabajo o el detector. Hasta el momento, sólo se fijan dos
(elevación y distancia) de tres coordenadas y por tanto aún no se
conoce la posición relativa del detector con respecto al sistema
láser rotativo. Para obtener las tres coordenadas, debe realizarse
una medición adicional de una cantidad, que permita la evaluación
de la tercera coordenada. Según realizaciones de la presente
invención, esto puede realizarse usando una medición de tiempo o
por medio del detector de mano. Por tanto, el sistema láser rotativo
puede sincronizarse de dos maneras diferentes, de modo que puedan
generarse en un área perfiles de elevación arbitrarios.
Una posibilidad es la denominada sincronización
interna. En este caso, puede alinearse el sistema láser, de modo
que un borde del sistema láser rotativo sea paralelo a una línea
angular de un proyecto dado (por ejemplo, una línea de sitio de un
campo deportivo o un sitio de construcción) de modo que, en el
momento de pasar por una marca de referencia cero (por ejemplo, el
borde del sistema láser rotativo) durante cada revolución, puede
iniciarse una medición de distancia. El pulso correspondiente inicia
en un detector estacionario (por ejemplo, el detector montado en la
herramienta de trabajo) una medición de periodo de tiempo hasta que
el detector estacionario detecta la señal de láser. Si se conoce la
velocidad \omega rotacional del haz de láser rotatorio, puede
evaluarse el ángulo \varphi entre el borde del proyecto y el
receptor o el detector. Si rota el sistema láser rotativo, por
ejemplo, con una velocidad rotacional de 10 revoluciones por
segundo, cada revolución tarda 100 milisegundos. El sistema láser
rotativo puede iniciar en el momento en el que el haz de láser es
paralelo al borde, es decir en un ángulo de 0º, una medición de
distancia y el detector pone en marcha un cronómetro. Si el haz de
láser incide en el detector, puede pararse el cronómetro. El tiempo
transcurrido es ahora una medida directa para el ángulo, por
ejemplo, un periodo de tiempo de 25 milisegundos da un ángulo de
90º para el caso de que el sistema láser rotativo rote 10
revoluciones por segundo.
Una segunda posibilidad corresponde a una
sincronización externa. En este caso, puede ponerse un detector
adicional en un ángulo del área tras inspeccionar el área de trabajo
y por tanto no es necesario nada más. En este caso, puede tomarse
como marca de referencia la línea entre el sistema láser rotativo y
el detector adicional. En el momento en el que el detector
adicional detecta el haz de láser, puede transmitirse una señal de
radio y puede realizarse una medición de distancia. El detector
estacionario se sincroniza con la señal de radio e inicia una
medición de tiempo (por ejemplo, se inicia un tiempo).
Usando la información acerca del tiempo
transcurrido entre el tiempo que inicia la sincronización y el
momento en el que se detecta el haz de láser, puede calcularse el
ángulo en el plano (x, y) entre la marca de referencia, el sistema
láser rotativo y el detector estacionario. Por tanto, junto con la
medición de distancia entre el detector estacionario y el sistema
láser rotativo, se conoce la posición relativa en el plano (x, y) y
la elevación. La sincronización del tiempo no es necesaria para el
caso en el que el plano de referencia es plano y no es necesario un
control de elevación dependiente de la posición (por ejemplo, para
un campo deportivo). En este caso, sólo es necesario dirigir la
elevación de la herramienta de trabajo para todas las posiciones en
el plano (x, y) de la misma manera.
Una posibilidad adicional para evaluar las
coordenadas x e y del detector estacionario es poner el detector
adicional en otro punto fijo y en el tiempo de la sincronización,
pueden iniciarse tres mediciones de distancia: una medición de
distancia entre el sistema láser rotativo y el detector
estacionario, una medición de distancia entre el detector adicional
y el detector estacionario y también una medición de distancia entre
el sistema láser rotativo con respecto al detector adicional para
el cálculo de la posición. Entonces pueden usarse las distancias
medidas por radio para determinar las coordenadas x e y usando las
ecuaciones trigonométricas habituales.
En caso de que la información para las
coordenadas objetivo (por ejemplo, como un modelo de área digital)
del área que va a formarse esté disponible, la información puede
procesarse de manera estacionaria en el sistema láser rotativo y/o
en la herramienta de trabajo (máquina). Esto puede ser posible
porque la información acerca de la posición (por ejemplo, acerca de
las coordenadas, ángulos, etc.) puede intercambiarse mediante una
señal de radio.
Las realizaciones son ventajosas porque puede
proporcionarse una fiabilidad mejorada, porque no es necesaria ni
una señal de GPS ni un pulso estroboscópico para la sincronización.
La tecnología es simple, fiable y está disponible con un coste
bajo. Especialmente los transpondedores de radio son muy rápidos y
precisos. Además, sólo se necesita un transmisor láser y puede
usarse un detector de mano opcional para inspeccionar el área de
trabajo y/o definir conjuntamente con el transmisor láser una línea
de referencia. Además, es beneficioso que la presente invención
permita combinar el control de elevación con un control de posición
local (relativa) en el plano de referencia.
Las características de la invención se
apreciarán más fácilmente y se entenderán mejor haciendo referencia
a la siguiente descripción detallada, que debe considerarse con
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra un sistema láser rotativo y
un detector estacionario con una unidad de radio según las
realizaciones de la presente invención;
la figura 2 muestra el sistema láser rotativo
que emite un haz de láser con un ángulo de inclinación
ajustable;
la figura 3 muestra el sistema láser rotativo
montado en una plataforma de nivel;
la figura 4 muestra el detector
estacionario;
la figura 5 muestra una herramienta de trabajo
en un sitio de construcción con el detector estacionario y el
sistema láser rotativo;
la figura 6 muestra de manera esquemática un
algoritmo de procesamiento para un ajuste de elevación de la
herramienta de trabajo;
la figura 7 muestra un ejemplo de un ajuste de
inclinación dinámico del sistema láser rotativo;
la figura 8 es una vista esquemática sobre
cantidades geométricas;
la figura 9 muestra un detector adicional;
la figura 10 muestra una vista desde arriba de
un área de trabajo con el sistema láser rotativo y el detector
adicional en dos ángulos; y
la figura 11 es una vista esquemática adicional
sobre cantidades geométricas para la realización de la figura
10.
La figura 1 muestra una realización de la
presente invención que comprende un sistema 110 láser rotativo que
transmite un haz 120 láser rotatorio, el sistema 110 láser rotativo
está separado una distancia 127 de un detector 130 estacionario.
Con la rotación, el haz 120 láser rotatorio abarca un plano 105 de
referencia. El sistema 110 láser rotativo comprende una unidad de
radio (no se muestra en la figura) conectada a una antena 122 de
radio y el detector 130 estacionario comprende otra unidad de radio
(no se muestra en la figura) conectada a una antena 132 de
radio.
El detector 130 estacionario detectará un pulso
si en el mismo incide el haz 120 de láser rotatorio. Cuando el
pulso se detecta, puede iniciarse una medición de distancia de
manera que el detector 130 estacionario transmite una señal 135 de
radio y el sistema 110 láser rotativo responde tras recibir la señal
135 de radio con una señal 125 de radio. El detector 130
estacionario puede medir un tiempo transcurrido entre la transmisión
de la señal 135 y la recepción de la señal 125 de radio de retorno
y determina la distancia 127 basándose en el tiempo transcurrido.
La señal 125 de radio de retorno puede ser diferente de la señal 135
transmitida y puede comprender un código que identifica el sistema
110 láser rotativo. Esto puede ser ventajoso porque se evitan malas
interpretaciones en casos en los que múltiples unidades de radio
operan en el área de trabajo. El sistema 110 láser rotativo puede
comprender un transpondedor de radio.
En una realización diferente, puede variar el
tiempo en el que se inicia la medición de distancia. Por ejemplo,
si se usan más sistemas láser en el área de trabajo, usando
diferentes velocidades angulares es posible activar cada detector
en su propio sistema láser y por tanto, puede iniciarse una medición
de distancia sólo si el retardo de tiempo entre dos incidencias
posteriores del haz de láser está dentro de un intervalo de tiempo
esperado.
La figura 2 muestra el sistema 110 láser
rotativo que comprende un recinto 112, una salida 114 óptica
rotatoria para el haz 120 de láser rotatorio y la antena 122 de
radio conectada a la unidad de radio (no se muestra en la figura).
La salida 114 óptica para el haz 120 de láser rota en una
realización con una velocidad angular constante tal como se indica
con la flecha 115. Con la rotación, el haz 120 de láser rotatorio
define un plano, que puede inclinarse un ángulo \alpha por medio
del sistema 114 óptico rotatorio. El sistema 110 láser rotativo
comprende además un soporte 116 usado para montar el sistema 110
láser rotativo en una plataforma en una posición fija.
La figura 3 muestra el sistema 110 láser
rotativo montado con el soporte 116 en un trípode 118. El trípode
118 puede usarse para nivelar el sistema 110 láser rotativo y
comprende un ajuste 124 de altura usado para el ajuste fino de la
elevación del sistema 110 láser rotativo. El plano 105 de
referencia, por encima del que debe determinarse la elevación,
puede asignarse a un ángulo de inclinación específico, por ejemplo
\alpha = 0, del haz 120 de láser.
La figura 4 muestra el detector 130 estacionario
con la antena 132 de radio conectada a una unidad de radio (no se
muestra en la figura), una mesa 134 de montaje, una conexión 136 CAN
(CAN = Controller Area Network (red de área de controlador)) y
filas de fotocélulas 138a, 138b. Las filas de fotocélulas 138a, 138b
se extienden a lo largo de la dirección vertical (por la que va a
medirse la elevación) por una longitud d y comprenden una serie de
fotocélulas. La figura 4 muestra dos filas de fotocélulas, aunque el
detector 130 estacionario también puede comprender filas
adicionales de fotocélulas, por ejemplo tres filas dispuestas
alrededor del detector estacionario con un ángulo de 120º entre dos
de ellas. El número de filas depende de una aplicación dada. Si,
por ejemplo, el detector 130 estacionario está durante su
funcionamiento siempre en una posición para detectar el haz de
láser, puede ser suficiente una sola fila de fotocélulas 138.
La mesa 134 de montaje puede usarse para montar
el detector 130 estacionario en la herramienta 100 de trabajo en
una posición definida. Por ejemplo, la herramienta 100 de trabajo
puede ser una máquina de construcción usada para nivelar un perfil
de suelo del sitio de construcción, esta posición definida debe
tener una altura definida sobre el suelo con el fin de traducir la
elevación del detector 130 estacionario sobre el plano 105 de
referencia en una elevación del suelo con respecto al plano 105 de
referencia. La conexión 136 CAN puede usarse para conectar el
detector 130 estacionario a una unidad de procesamiento, que realiza
las evaluaciones a partir de los datos, o para mostrar si el
detector 130 estacionario realiza la evaluación de la elevación.
La figura 5 muestra una vista esquemática de una
herramienta 100 de trabajo en un área o sitio 900 de construcción
con el detector 130 estacionario y el sistema 110 láser rotativo
montado en la plataforma 118 de nivel. El sistema 110 láser
rotativo genera el haz 120 de láser rotatorio, que puede detectarse
con el detector 130 estacionario. El haz 120 de láser rotatorio
comprende un ángulo \alpha de inclinación específico, que puede,
por ejemplo, corresponder a un valor objetivo para la elevación.
Dado que el detector 130 estacionario comprende una fila de
fotocélulas 138, puede ser sensible a las desviaciones de altura del
haz 120 de láser rotatorio dentro del intervalo d de altura
detectable. Por ejemplo, el valor objetivo para la elevación puede
asignarse al punto 137 medio del intervalo d de altura detectable,
cualquier desviación por encima o por debajo del punto 137 medio,
puede detectarse y por tanto puede ajustarse apropiadamente la
altura de la herramienta 100 de trabajo de modo que pueda obtenerse
el valor objetivo para la elevación. La herramienta 100 de trabajo
y el sistema 110 láser rotativo se comunican, por ejemplo, con las
señales 125 y 135 de radio. Esto permite un reajuste del ángulo
\alpha de inclinación, por ejemplo para el caso en el que el haz
120 de láser rotatorio abandona el intervalo d detectable del
detector 130, el ángulo \alpha de inclinación puede cambiarse a
tiempo de modo que el haz 120 de láser rotatorio permanezca dentro
del intervalo d detectable.
La figura 6 proporciona una vista esquemática
del algoritmo para ajustar la elevación de la herramienta 100 de
trabajo. La posición 605 local de la herramienta 100 de trabajo y la
posición 610 del sistema 110 láser rotativo se transmiten mediante
una transmisión 620 de radio. Basándose en las posiciones 605
locales y la posición 610 y opcionalmente basándose en valores
objetivo para la elevación, una unidad 625 de evaluación evalúa el
ángulo \alpha de inclinación para el haz 120 de láser rotativo. El
ángulo de inclinación para el haz 120 de láser rotatorio puede
ajustarse cambiando el espejo 114 del sistema 110 láser rotativo. El
detector 130 estacionario detecta el haz 120 de láser rotatorio y,
dependiendo de la fotocélula en la fila de fotocélulas 138, que
detecta el haz 120 de láser rotatorio, una unidad 630 de
procesamiento estacionaria evalúa un valor real para la elevación
de la herramienta 100 de trabajo. El ángulo \alpha de inclinación
puede elegirse de modo que el valor objetivo para la elevación
corresponda al punto 137 medio u otro punto a lo largo de la fila
de fotocélulas 135. Comparando el valor real con el valor objetivo
para la elevación de la herramienta 100 de trabajo, puede
realizarse un ajuste de la herramienta 100 de trabajo (por ejemplo
mediante un sistema hidráulico) con el fin de alcanzar el valor
objetivo para la elevación de la herramienta 100 de trabajo.
La figura 7 muestra una vista esquemática para
ajustar el ángulo \alpha de inclinación del haz 120 de láser
rotatorio. Un valor inicial para \alpha (\alpha = 0, por
ejemplo) corresponde al plano 105 de referencia y puede realizarse
una medición de distancia del detector 130 estacionario con respecto
al sistema 110 láser rotativo mediante mediciones de tiempo para
obtener un tiempo de retardo entre la transmisión de la señal 135 y
la recepción de la señal 125. Si la herramienta 100 de trabajo se
mueve más en la dirección 710, a partir de una posición 720
determinada, la elevación 730 de la herramienta 100 de trabajo se
desvía del plano 105 de referencia. Por consiguiente, el haz 120 de
láser rotatorio se moverá hacia abajo a lo largo de la fila
vertical de fotocélulas 138. Dado que el detector 130 estacionario o
la herramienta 100 de trabajo puede transmitir su posición o la
distancia al sistema 110 láser rotativo, por ejemplo, mediante la
señal 135 de radio, el sistema 110 láser rotativo puede ajustar el
ángulo \alpha de inclinación apropiadamente de modo que el haz
120 de láser rotatorio corresponda a un valor objetivo de la
elevación 730 por encima del plano 105 de referencia. Cualquier
desviación respecto al valor objetivo para la elevación 730 puede
detectase ahora con la fila de fotocélulas 138 y, por tanto, la
herramienta 100 de trabajo puede ajustarse apropiadamente con el fin
de alcanzar el valor objetivo para la elevación 730 por encima del
plano 105 de referencia.
Tal como se describió en la figura 4, esto puede
realizarse ajustando \alpha de modo que el valor objetivo
corresponda al caso, en el que el haz 120 de láser incide en la fila
de fotocélulas 138 en una posición predeterminada, por ejemplo, el
punto 137 medio. En la figura 7, sólo se considera un movimiento a
lo largo del eje x, pero del mismo modo, también puede ajustarse de
la misma manera una herramienta 100 de trabajo móvil a lo largo del
eje y o cualquier otra dirección en el plano (x, y).
En realizaciones adicionales, el detector 130
estacionario puede transmitir información acerca de la fotocélula
de la fila de fotocélulas 138 que detecta el haz 120 de láser
rotatorio al sistema 110 láser rotativo. Ahora puede ajustarse el
ángulo \alpha de inclinación con el sistema 110 láser rotativo de
modo que el haz 120 de láser rotatorio incide en la fila de
fotocélulas 138, por ejemplo, cerca del punto 137 medio u otro punto
predeterminado. Una unidad de evaluación, que puede, por ejemplo,
estar en la herramienta 100 de trabajo o cualquier otro lugar,
puede evaluar a partir del ángulo \alpha de inclinación ajustado
el valor real de la elevación 730 por encima del plano 105 de
referencia. Esta información puede transmitirse a la herramienta
100 de trabajo, por ejemplo por medio de las señales 125 de radio, y
puede ajustarse la herramienta 100 de trabajo de modo que la
elevación 730 coincida con el valor objetivo. El valor objetivo debe
obtenerse de un modelo para el área (sitio de construcción).
La figura 8 muestra cantidades geométricas, con
el fin de traducir la elevación 730 de la herramienta 100 de
trabajo por encima del plano (x, y) en términos de ángulos
\alpha_{x} y \alpha_{y} de inclinación.
En la figura 8A, el origen del sistema de
coordenadas se pone en el sistema 110 láser rotativo y la
herramienta 100 de trabajo, por ejemplo, se coloca en el ángulo
opuesto de un rectángulo (indicado en líneas discontinuas) en el
plano 105 de referencia. En este ejemplo, la herramienta 100 de
trabajo se eleva sólo con respecto a una inclinación en el eje y.
La inclinación con un ángulo \alpha_{x} produce un plano (x', y)
inclinado. La elevación h_{x} de un primer punto 731 angular por
encima del plano 105 de referencia viene dada en términos del
ángulo \alpha_{x} de inclinación por la relación:
en la que l_{x} indica la
distancia del primer punto 731 angular desde el origen (el sistema
110 láser
rotativo).
La figura 8B muestra un ejemplo en el que la
herramienta 100 de trabajo, además de la inclinación en el eje y,
también se inclina un ángulo \alpha_{y} respecto al eje x. Esto
significa, que a lo largo del eje x, se eleva un segundo punto 732
angular por encima del plano 105 de referencia con un valor de
h_{y}, que se relaciona con el ángulo \alpha_{y} de
inclinación mediante la siguiente relación:
en la que l_{y} indica la
distancia del segundo punto 732 angular desde el origen (o hasta el
sistema 110 láser
rotativo).
Por tanto, la elevación 730 total de la
herramienta 100 de trabajo viene dada por la suma de h_{x} y
h_{y} y puede relacionarse con los ángulos \alpha_{x} y
\alpha_{y} de inclinación mediante las ecuaciones (1) y (2). El
ángulo \alpha de inclinación anteriormente mencionado desde el
sistema 110 láser rotativo hasta la herramienta 100 de trabajo
puede evaluarse ahora de la siguiente manera:
Pueden ajustarse los ángulos \alpha_{x} y
\alpha_{y} de inclinación con el sistema 110 láser rotativo
inclinando el espejo con respecto al eje y el ángulo \alpha_{x}
de inclinación y con respecto al eje x el ángulo \alpha_{y} de
inclinación.
La figura 9 muestra un detector 810 adicional
que comprende una fila adicional de fotocélulas 820, que puede
comprender, por ejemplo, un sistema óptico opcional para enfocar los
pulsos del haz 120 de láser rotatorio en las fotocélulas. El
detector 810 adicional incluye además la antena 822 de radio
conectada a una unidad de radio (no se muestra en la figura) y una
pantalla 830. En una realización opcional, este detector 810
adicional no es estacionario, sino que en su lugar es móvil o un
dispositivo de mano y puede usarse para inspeccionar el área de
trabajo o definir además del sistema 110 láser rotativo otro punto
de referencia y usarlo para una evaluación de posición adicional.
Esto se explicará a continuación con más detalle.
La figura 10 muestra un uso a modo de ejemplo
del detector 810 adicional. El sistema 110 láser rotativo y el
detector 810 adicional se colocan en dos ángulos de un área 900,
dentro de la que se ubica el detector 130 estacionario. En esta
realización, el detector 810 adicional transmite una señal 825 de
radio en el momento en el que el detector 810 adicional detecta el
haz 120 de láser rotatorio. La señal 825 de radio se recibe en el
detector 130 estacionario, que inicia una medición de la distancia
127 al sistema 110 láser rotativo, por ejemplo, transmitiendo la
señal 135 de radio y midiendo el tiempo transcurrido hasta que se
recibe la señal 125 de radio de retorno. Esta medición de distancia
es la misma que la tratada en el contexto de la figura 1. La
diferencia en este caso, es que se inicia mediante la señal 825 de
radio y no mediante los pulsos láser como en la realización tratada
en el contexto de la figura 1.
Además de medir la distancia 127, el detector
130 estacionario puede medir una duración T de tiempo entre la
recepción de la señal 825 de radio y el momento en el que se detecta
el haz 120 de láser rotatorio mediante la matriz de fotocélulas
138. De nuevo, dado que la velocidad \omega angular del haz 120 de
láser rotatorio puede ser constante y se conoce, puede evaluarse un
ángulo \psi entre las dos líneas que conectan el sistema 110
láser rotativo con el detector 810 adicional y la línea del sistema
110 láser rotativo con respecto al detector 130 estacionario (véase
la siguiente fórmula). En cada revolución del sistema 110 láser
rotativo, el haz 120 de láser incide normalmente en los detectores
130, 810 y en una realización opcional se usan sólo algunas de las
incidencias del haz 120 de láser en un periodo de tiempo dado para
activar mediciones de distancia (por ejemplo, con el fin de evitar
una sobrecarga de datos).
La figura 11 muestra cantidades geométricas, que
se usan para una evaluación de una posición del detector 130
estacionario dentro del área 900. Tal como en la realización de la
figura 10, el sistema 110 láser rotativo y el detector 810
adicional están en dos ángulos del área 900 y el detector 130
estacionario puede estar dentro del área 900. Usando la duración T
de tiempo y la velocidad \omega angular (constante), el ángulo
\psi viene dado por:
La distancia 127 se indica en la figura 11 con
"b" y por tanto pueden obtenerse las coordenadas X e Y
relativas de "b" y el ángulo \psi mediante
En una realización diferente, el sistema 110
láser rotativo puede iniciar la medición de la distancia 127,
concretamente enviando la señal 125 de radio cuando el haz 120 de
láser rotatorio pasa por una marca 910 de referencia cero (por
ejemplo \psi = 0). En el momento en el que el detector 130
estacionario recibe la señal 125 de radio, éste transmite la señal
135 de radio y el sistema 110 láser rotativo evalúa a partir del
tiempo transcurrido entre la transmisión de la señal 125 de radio y
la recepción de la señal 135 de radio la distancia 127, que de
nuevo se indica con "b" en la figura 11. Al mismo tiempo, el
detector 130 estacionario mide la duración T de tiempo entre la
recepción de la señal 125 de radio y la detección del haz 120 de
láser rotatorio y evalúa de nuevo el ángulo \psi y con esto las
coordenadas x e y relativas en términos de las fórmulas dadas
anteriormente. En esta realización no se necesita el detector 810
adicional, sino que en su lugar puede usarse una marca 910 de
referencia cero conocida. La marca 910 de referencia cero puede
coincidir con la línea del sistema 110 láser rotativo y el detector
810 adicional, pero también puede ser otra línea.
En una realización adicional, se evalúan las
coordenadas x e y no midiendo el ángulo \Psi, sino determinando
las longitudes del sitio de un triángulo que abarca el sistema 110
láser rotativo, el detector 810 adicional y el detector 130
estacionario. Tal como se trató en la figura 10, en el momento en el
que se detecta el haz 120 de láser rotatorio mediante el detector
810 adicional (o en otro momento), el detector 810 adicional
transmite la señal 825 de radio, que a su vez inicia la medición de
la distancia 127, que se indica con "b" en la figura 10, entre
el detector 130 estacionario y el sistema 110 láser rotativo. Esto
se realiza en este caso de la misma manera como se trató en la
figura 10. Además, el detector 810 adicional mide periodos de tiempo
transcurridos entre la transmisión de la señal 825 de radio y la
recepción de la señal 135 de radio y la señal 125 de radio. Dado
que las señales 825, 135 y 125 de radio se transmiten en todas las
direcciones, el detector 810 adicional también puede recibir las
señales 135 y 125 de radio. A partir de los periodos de tiempo
transcurridos, el detector 810 adicional evalúa las distancias
entre el detector 810 adicional y el detector 130 estacionario, que
se indica con "a" en la figura 11, y con respecto al sistema
110 láser rotativo, que se indica con "c" en la figura 11.
Teniendo los valores para "a", "b", "c", se obtienen
las coordenadas x e y relativas a partir de:
Si además se conoce una posición global del
sistema 110 láser rotativo o el detector 810 adicional, con las
coordenadas X e Y relativas, también puede evaluarse la posición
global del detector 130 estacionario.
En realizaciones adicionales, se usan un
detector estacionario adicional opcional y/o un detector más
adicional para determinar una elevación de otras herramientas 100
de trabajo y/o para determinar las coordenadas relativas con
respecto a otros puntos de referencia al mismo tiempo. Esto es
especialmente posible si el plano 105 de referencia es plano de
modo que no es necesario ajustar el ángulo \alpha de inclinación
dependiendo de la posición de las herramientas de trabajo. En una
realización, cada componente (por ejemplo, el sistema 110 láser
rotativo, el detector 130 estacionario y el detector 810 adicional)
puede usar módulos de radio codificables de modo que cada
componente pueda identificarse claramente mediante su señal de radio
codificada transmitida.
Las ventajas de las realizaciones de la presente
invención comprenden la fiabilidad mejorada, porque no usa ni la
señal de GPS ni un pulso estroboscópico para la sincronización. La
tecnología empleada es simple, fiable y está disponible con un
coste bajo. Especialmente los transpondedores de radio son muy
rápidos y precisos. Además, sólo se necesita un transmisor y puede
usarse un detector 810 de mano opcional para inspeccionar el área
de trabajo y para definir junto con el transmisor láser una línea de
referencia. Además es beneficioso que la presente invención permita
combinar el control de la elevación con un control de posición local
(relativa) en el plano 105 de referencia.
Claims (22)
1. Aparato para determinar una elevación de una
herramienta (100) de trabajo en relación con un plano (105) de
referencia, que comprende:
- un sistema (110) láser rotativo que emite un haz (120) de láser rotatorio que con la rotación abarca un plano inclinado en relación con el plano (105) de referencia un ángulo (\alpha) de inclinación;
- un detector (130) montado en la herramienta (100) de trabajo para detectar el haz de láser,
caracterizado por:
- una unidad de radio configurada para medir una distancia (127) entre la herramienta (100) de trabajo y el sistema (110) láser rotativo usando un tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta,
en el que el aparato está adaptado para
determinar la elevación de la herramienta (100) de trabajo basándose
en el ángulo \alpha de inclinación y la distancia (127) entre la
herramienta (100) de trabajo y el sistema (110) láser rotativo.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
el sistema (110) láser rotativo está adaptado para inclinarse para
ajustar el ángulo \alpha de inclinación con respecto a dos ejes
rotacionales en el plano (105) de referencia.
3. Aparato según la reivindicación 2, en el que
el sistema (110) láser rotativo comprende un espejo, que puede
hacerse rotar con respecto a los dos ejes en el plano (105) de
referencia.
4. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que el detector (130) comprende una fila vertical
de fotocélulas (138), en el que diferentes fotocélulas en la fila
vertical están dispuestas para detectar el haz (120) de láser
rotatorio para diferentes ángulos (\alpha) de inclinación.
5. Aparato según la reivindicación 4, en el que
el detector (130) comprende una fila vertical adicional de
fotocélulas (138b), en el que la fila vertical de fotocélulas
(138a) y la fila vertical adicional de fotocélulas (138b) están
dispuestas para detectar el haz (120) de láser rotatorio que incide
en el detector (130) desde diferentes direcciones.
6. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que la unidad de radio está adaptada para medir
la distancia (127) cuando el haz (120) de láser rotatorio pasa por
una marca (910) de referencia cero,
y en el que el detector (130) está adaptado para
medir un periodo de tiempo desde el paso de la marca (910) de
referencia cero hasta la detección del haz (120) de láser rotatorio
con el detector (130), en el que el aparato está adaptado para
determinar una posición de la herramienta (100) de trabajo basándose
en la distancia (127) y el periodo de tiempo.
7. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, que comprende además:
- un detector (810) adicional para detectar el haz (120) de láser rotatorio, comprendiendo el detector (810) adicional una unidad de radio adicional, la unidad de radio está adaptada para medir una distancia adicional,
en el que el detector (810) adicional está
ubicado en un punto de referencia y está adaptado para determinar
una elevación del punto de referencia sobre el plano (105) de
referencia basándose en el ángulo (\alpha) de inclinación y la
medición de la distancia adicional.
\vskip1.000000\baselineskip
8. Aparato según la reivindicación 7, en el que
el detector (810) adicional está adaptado para transmitir una señal
(825) de radio tras detectar los haces (120) de láser rotatorio, y
en el que el detector (130) está configurado para recibir la señal
(825) de radio y para medir un periodo de tiempo adicional entre la
recepción de la señal (825) de radio y la detección de los haces
(120) de láser rotatorio, y en el que el aparato está adaptado para
determinar una posición de la herramienta (100) de trabajo basándose
en el periodo de tiempo y la distancia (127) adicional.
9. Aparato según la reivindicación 7 o la
reivindicación 8, en el que
la unidad de radio está adaptada para medir la
distancia entre el sistema (110) láser rotativo y el detector (130)
en la herramienta (100) de trabajo, y
la unidad de radio adicional está adaptada para
medir tanto la distancia entre el sistema (110) láser rotativo y el
detector (810) adicional como la distancia entre el detector (130) y
el detector (810) adicional,
cuando los haces (120) de láser rotatorio pasan
por la marca (910) de referencia cero y/o cuando el detector (810)
adicional detecta los haces (120) de láser rotatorio.
10. Aparato según una de las reivindicaciones 6
a 9, que comprende:
- una unidad de procesamiento, que está adaptada para determinar la elevación de la herramienta (100) de trabajo y/o la posición de la herramienta (100) de trabajo en relación con el sistema (110) láser rotativo basándose en las mediciones de distancia, el ángulo (\alpha) de inclinación y/o el periodo de tiempo y/o el periodo de tiempo adicional.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Aparato según la reivindicación 10, en el
que el sistema (110) láser rotativo está adaptado para transmitir
el ángulo (\alpha) de inclinación a la unidad de
procesamiento.
12. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que el sistema (110) láser rotativo está adaptado
para cambiar el ángulo (\alpha) de inclinación mientras que se
transmite el haz (120) de láser rotatorio.
13. Aparato según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que el sistema (110) láser rotativo está adaptado
para cambiar el ángulo \alpha de inclinación en respuesta a
recibir información acerca de una posición de la herramienta (100)
de trabajo o una posición del detector (130).
14. Aparato según una de las reivindicaciones 6
a 13,
en el que la unidad de radio y la unidad de
radio adicional están adaptadas para usar una señal de radio
codificada para la identificación de una unidad transmisora.
15. Método para determinar una elevación de una
herramienta (100) de trabajo con respecto a un plano (105) de
referencia, que comprende:
- emitir un haz (120) de láser rotatorio que con la rotación abarca un plano, estando el plano inclinado un ángulo (\alpha) de inclinación con respecto al plano (105) de referencia,
caracterizado por una etapa adicional
de:
- medir una distancia (127) entre el sistema (110) láser rotativo y el detector (130) en la herramienta (100) de trabajo usando un tiempo transcurrido entre una señal de radio transmitida y una devuelta de una unidad de radio,
en el que se evalúa la elevación de la
herramienta (100) de trabajo basándose en el ángulo (\alpha) de
inclinación y en la distancia (127) medida.
\vskip1.000000\baselineskip
16. Método según la reivindicación 15, en el que
el detector (130) en la herramienta (100) de trabajo comprende una
fila de fotocélulas (138), que comprende además:
- transmitir una posición de la fotocélula a lo largo de la fila de fotocélulas (138), que ha detectado el haz (120) de láser rotatorio, al sistema (110) láser rotativo; y
- cambiar el ángulo \alpha de inclinación de modo que el haz (120) de láser rotatorio incida en una fotocélula en una posición (137) predeterminada a lo largo de la fila de fotocélulas (138).
\vskip1.000000\baselineskip
17. Método según la reivindicación 15 o la
reivindicación 16, que comprende además:
- transmitir el ángulo (\alpha) de inclinación desde el sistema (110) láser rotativo hasta la herramienta (100) de trabajo; y
- cambiar la elevación de la herramienta (100) de trabajo hasta alcanzar un valor objetivo de la elevación de la herramienta (100) de trabajo.
\vskip1.000000\baselineskip
18. Método según la reivindicación 15, en el que
el detector (130) comprende una fila de fotocélulas (138), que
comprende además:
- cambiar una elevación de la herramienta (100) de trabajo según una posición de una fotocélula de la fila de fotocélulas (138), que detecta el haz (120) de láser rotatorio.
\vskip1.000000\baselineskip
19. Método según la reivindicación 18, en el que
la etapa de cambiar la elevación de la herramienta (100) de trabajo
se realiza hasta que la elevación de la herramienta (100) de trabajo
coincide con un valor objetivo predeterminado para la elevación de
la herramienta (100) de trabajo.
20. Método según una de las reivindicaciones
anteriores, que comprende además:
- medir un periodo de tiempo entre los haces (120) de láser rotatorio que pasan por una marca (910) de referencia cero y el detector (130) que detecta los haces (120) de láser rotatorio para determinar una posición de la herramienta (100) de trabajo.
\vskip1.000000\baselineskip
21. Método según una de las reivindicaciones
anteriores, que comprende además:
- medir un periodo de tiempo adicional entre los haces (120) de láser rotatorio que pasan por un detector (810) adicional y el detector (130) que detecta los haces (120) de láser rotatorio con el fin de evaluar la posición de la herramienta (100) de trabajo.
\vskip1.000000\baselineskip
22. Método según la reivindicación 21, que
comprende además:
- medir las distancias entre el sistema (110) láser rotativo y el detector (130) en la herramienta (100) de trabajo, entre el detector (130) y el detector (810) adicional y entre el detector (810) adicional y el sistema (810) láser rotativo de manera simultánea con el fin de determinar la posición de la herramienta (100) de trabajo.
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