用于使用无线通信和机器人技术准确并精确地定位和标记空间中的位置的系统.pdf

一种包括主站和在该主站的控制下的子站的系统能够实时地生成多维空间的图形绘图。在该站之间交换关于该多维空间的物理尺寸以及该多维空间中的物体和/或结构的位置和取向的信息。主站能够实时地，即当其自子站接收信息并且通过其自有的测量设备获得信息时，自动生成多维空间的N维图形表示。主站可以将多维空间显示给用户，允许在该多维空间中引导(即，导航)用户。

1.  一种系统包括
主站；
至少一个子站，其与所述主站通信，其中所述各站交换关于在多维空间中进行的测量和识别的信息，以允许所述主站实时地自动地生成所述多维空间的图形表示。

用于使用无线通信和机器人技术准确并精确地定位和标记空间中的位置的系统
技术领域
本发明涉及一种识别多维空间中的特定位置的系统和方法。
背景技术
在建筑位置从测量设备获得的信息被记录在文件中并且随后被提供给建筑师和工程师以开发关于该建筑位置的规划和蓝图。
发明内容
本发明提供了一种系统，该系统包括主站和至少一个子站，主站和子站均能够相互通信以定位和识别多维空间中的一个或多个位置。主站进一步可以控制一个或多个子站以执行多维空间中的特定任务。主站能够确定其在多维空间中的位置和多维空间中的参考位置、指定点、物体和/或结构，以在研究该空间时生成多维空间的N(其中N是等于2或更大的整数)维图形表示，即实时地生成多维空间的N维图形表示。因此可以引导操作该主站的系统用户通过该多维空间。
主站包括用于测量距离和识别多维空间中的多种点的位置的发射机和接收机设备。主站可以进一步包括传感器和处理器。通过向处理器提供指令的软件操作，主站可以是可运输的、可移动的和自主的。发射机和接收机能够发射和接收无线的无线电信号或光信号或者此两者。该传感器能够检测由(i)一个或多个子站发射的，(ii)由一个子站反射的或者(iii)自多维空间中的结构或者该结构中的固定参考点反射的光信号。通过处理器和驻留在其中的软件并且通过识别多个指定参考点，主站能够(通过例如，公知的三角测量过程)计算其在多维空间中的位置、多维空间中的子站的位置、多维空间中的物体、结构，或者形成多维空间的边界。主站测量和识别的多维空间中的点和位置可被变换到二维或三维空间图形表示(或通常变换到N维空间，其中N是等于2或更大的整数)，该图形表示可被显示以允许操作本发明的主站的用户确定他或她在多维空间中的位置或者通过查看多维空间的图形表示而在空间中导航(或被引导)。通过使用包括公知的CAD(计算机辅助设计，诸如)软件和附加软件的软件，可以实现例如三维的图形表示。在识别和测量新的点、物体、结构时，将信息传输到主站，该主站能够自动地确定这些点相对于其他物体、结构和多维空间边界的确切位置，从而允许在研究空间时自动地生成多维空间的实时图形表示。此处使用的术语“自动地”意指本发明的系统的一个或多个部件在该系统的固件或软件的指引下执行任务。自动执行的任务可以实时完成，这意味着在接收用于执行该任务的信息的同时完成该任务。
主站可以与一个或多个子站通信。子站可以是被动式的或主动式的。即，被动式子站可以是反射来自主站或者来自另一子站的光信号或无线电信号的设备。被动式子站本身不发射信息。主动式子站可以包含传感器、发射机和接收机，用于向主站发送信息或者自主站接收信息以便于执行主站发送的命令。而且，子站可以是被动式的和主动式的；即，子站的一部分反射来自另一设备(另一子站或主站)的信号并且子站的另一部分生成或者向主站或另一子站发射参考点信息或者任何其他类型的信息。通过操作驻留在子站的处理器中的软件，子站可以是可运输的、可移动的和自主的。子站可以配备有用于基于接收自主站或中继来自主站的命令的另一子站的命令执行任务的工具。主站也可以配备有上述工具。
附图说明
图1A～B说明了特定的加速度计结构；
图2是本发明的主站的前视图；
图3A～B是具有垂直和水平旋转激光器的主站机头和旋转激光器扫描的平面的前视图；
图4是具有机器人臂的可运输的子站的前视图；
图5是可运输的子站的前视图；
图6是可移动的主站或子站的侧视图；
图7A～E示出了可以附连到主站或子站的多种类型的机器人臂；
图8示出了包括主站、子站和固定参考点或标石(monument)的本发明的系统的一个特定实施例；
图9是可以用作子站的主动式固定参考点的透视图；
图10是示出了装配用于手持激光测距工具的PTZ(____)摄像机的前视图和侧视图；
图11A示出了配备有激光测距设备的手持计算机；
图11B是具有被示出为附连到手持计算机的棱镜的11A的顶视图；
图11C是还具有所示出的支撑三脚架的图11A的手持计算机的侧视图；
图12是可由图11的手持计算机显示的图形或绘图的类型的示图；
图13示出了具有可视激光指示器的棱镜杆和三脚架上的相同的杆；
图14示出了具有用于确定主站高度和平面取向的多波束测距设备的图1的主设备；
图15A～D示出了用于主站或子站的陀螺仪稳定的、线缆驱动的、导轨驱动的和旋翼驱动的计算机化传送系统；
图16示出了应用到计算机化线缆驱动系统的图15的陀螺仪稳定设备；
图17示出了用作标记工具的机器人臂的两个特定机头；
图18说明了用于棱镜杆的稳定系统；
图19A～B说明了关于使用陀螺仪的棱镜杆和使用模糊逻辑的稳定电子装置的另一稳定系统；
图20示出了包括旋转激光器主站和旋转子站的本发明的系统；
图21A～B示出了使用彩色棱镜作为固定参考点或标石的本发明的系统的另一实施例；
图22示出了360°直角棱镜的前视图。
具体实施方式
本发明提供了一种系统，该系统包括主站和至少一个子站，主站和子站均能够相互通信以定位和识别多维空间中的一个或多个位置。主站进一步可以控制一个或多个子站以执行多维空间中的特定任务。主站能够确定其在多维空间中的位置和多维空间中的参考位置、以及指定点、物体和/或结构，以在研究空间时，即，实时地生成多维空间的N(其中N是等于2或更大的整数)维图形表示。因此可以引导操作该主站的系统用户通过该多维空间。
主站包括用于测量距离和识别多维空间中的各种点的位置的发射机和接收机设备。主站可以进一步包括传感器和处理器。通过向处理器提供指令的软件操作，主站可以是可运输的、可移动的和自主的。发射机和接收机能够发射和接收无线的无线电信号或光信号或者此两者。该传感器能够检测由(i)一个或多个子站发射的，(ii)由其中一个子站反射的或者(iii)自多维空间中的结构或者该结构中的固定参考点反射的光信号。通过处理器和驻留处理器中的软件并且通过识别多个指定参考点，主站能够计算其在多维空间中的位置(通过例如，公知的三角测量过程)、多维空间中的子站的位置和物体、多维空间中的结构，或者形成多维空间的边界。主站测量和识别的多维空间中的点和位置可被变换到二维或三维空间图形表示(或通常变换到N维空间上，其中N是等于2或更大的整数)，该图形表示可被显示为允许操作本发明的主站的用户确定他或她在多维空间中的位置或者通过查看多维空间的图形表示在空间中导航(或被引导)。通过使用包括公知的CAD(计算机辅助设计，诸如)软件和附加软件的软件，可以实现例如三维的图形表示。在识别和测量新的点、物体、结构时，将信息传输到能够自动地确定这些点相对于其他物体、结构和多维空间边界的确切位置的主站，从而允许在研究空间时自动地生成多维空间的实时图形表示。此处使用的术语“自动地”意指本发明的系统的一个或多个部件在该系统的固件或软件的指引下执行的任务。自动执行的任务可以实时完成，意味着在接收用于执行该任务的信息时完成该任务。
主站可以与一个或多个子站通信。子站可以是被动式的或主动式的。即，被动式子站可以是反射来自主站或者来自另一子站的光信号或无线电信号的设备。被动式子站不主动自己发射信息。主动式子站可以包含传感器、发射机和接收机，用于向主站发送信息或者自主站接收信息，以便于执行主站发送的命令。而且，子站可以是被动式的和主动式的；即，子站的一部分反射来自另一设备(另一子站或主站)的信号并且子站的另一部分生成或者向主站或另一子站发射参考点信息或者任何其他类型的信息。通过操作驻留在子站的处理器中的软件，子站可以是可运输的、移动的和自主的。子站可以配备有用于基于接收自主站或另一子站的命令执行任务的工具，其中该另一子站中继来自主站的命令。主站也可以配备有这样的工具。
参考图1，示出了特定的加速度计的配置。加速度计是用于基于加速度计经历的加速度或速度的变化率来测量距离的公知设备，加速度计可以被配置为基本上球形的结构并且耦合到电子电路以允许测量距离。图1A示出了特定加速度计的取向并且图1B示出了该设备的外观。加速度计簇10包括耦合到壳体14的多个圆柱形加速度计12，壳体14包含用于该簇的适当的支持电路和机构。外壳16可被配置为装配到该簇上，导致了球形的簇。加速度计簇可以装配在交通工具主站上或者可由主站控制的交通工具子站上。通过测量来自每个加速度计的加速度值并且计算所有加速度计的速度和距离的结果，由此确定行进的距离和行进的速率。因此，可以获得其上装配有加速度计簇的交通工具行进的距离和速度的更加准确的计算。
图2是本发明的系统的主站的一个实施例。图2中示出的主站20是可运输的主站；即，用户可以将其从一个位置移动到另一位置。图2的主站可以是包括诸如通信和处理器模块的多种模块(未示出)的主站组件。通信模块可用于与位于相同多维空间中的子站(或其他主站)通信，其中主站组件位于该多维空间中。该处理器模块可以驻留在其中或者能够控制如下软件，该软件使主站组件能够计算其在多维空间中的位置，并且还计算特定点在多维空间中的位置。该处理器可被实现为无线膝上型计算机或者其他类型的计算机，该计算机能够与主站通信以实现标记和/或定位多维空间中的一个或多个位置。主站的一部分可被实现为被称为经纬仪的公知设备，测量员典型地使用该经纬仪测量3-D空间中到特定参考点的距离和角度。图2中示出了装配在三角架24(仅示出了该三角架的两条腿)上的经纬仪壳体22。主站的经纬仪部分具有能够观测和读取固定参考的透镜组件24，并且可以用作条形码读取器或图形读取器。经纬仪是机器人经纬仪，其中壳体和透镜的取向可被遥控或者可由处理器自主控制，该处理器由驻留在其中的软件控制。该处理器可以是经纬仪的一部分或者可以无线耦合，或者通过膝上型或桌面型计算机或其他计算机/数据库装置的通信线缆耦合。图2中的主站具有能够测量壳体22离开地面或者该站所处的表面的距离。图2的主站使用激光器技术执行高度测量。特别地，图2的主站具有自动调平装置(例如，陀螺仪)，该自动调平装置被安置在壳体底部26和三角架24的上部分中。该自动调平装置可以全部安置在壳体22中。因此主站20能够使用激光器28、位于下壳体26中的调平装置以及可能地装配在壳体20的顶部的水平和垂直旋转激光器(在下文中讨论)执行自调平。具有关联的电子装置(未示出)的激光测距计28允许主站20测量其在地面上或者其所处表面上的高度。激光器28沿主站的垂直轴36发射可视激光束30，其用于测量至地面或该主站所处的基座的距离。垂直旋转激光器32和水平旋转激光器34装配在壳体22的顶部。激光器可以实现主站相对于其所处空间(或者CAD或数字化绘图)的自动的、自主的取向；这是通过搜索和测量至多个固定参考站或者其他主站或子站的距离而实现的。将清楚理解的是，对于图2的主站和此处描述的其他主站或者子站，激光器用于通过从某点发射激光束(连续的或脉冲的激光束或者此两者的组合)至另一点来测量距离，并且测量得到的反射波束的特性以计算到该点的距离。
图3A示出了水平和垂直旋转激光器34、32分别扫描的水平和垂直平面40和38。旋转激光器能够发送和接收诸如遥测信息的信息。激光器32、34可以读取遥测信息和将遥测信息写到处理器中。主站22使用激光器帮助自动地确定主站和其他设备在多维空间中的位置和取向，该主站和该其他设备位于该多维空间中；这是通过测量从主站到该多种其他参考点的距离而实现的。图3B示出了没有三脚架24的图1的主站20的经纬仪部分。
激光器32和34可以是装配在主站20顶部的包括脉冲调制旋转激光器机构的通信激光器。主站提供可视的水平和垂直参考激光线。主站能够读取印刷在其观测线内的物体上的条形码信息。此外，激光器32和34是脉冲调制的并且能够将数据发射到可以接收该信息的设备。
传感器(未示出)可以安置在透镜组件24附近，用于实现自脉冲调制发射机发送的信息的接收和解释或读取。主站20的激光器32、34可以与其他相似配置的主站、子站、交通工具参考站或固定参考站通信。图3A是没有三脚架的主站22的等比例视图。示出了旋转激光器的覆盖效应。图3B是设备的平面前视图。通过生成从主站20的顶部发出的激光的水平平面和垂直平面，可以产生覆盖效应。
图4中示出了可运输的子站42。图4的子站具有机器人臂44，机器人臂44具有激光指示器46和附属的电子设备，用于通过三角测量或其他公知技术帮助测量距离并且因此帮助定位参考点、其他设备、其他子站的位置。如同图1的主站，水平和垂直旋转激光器48、50装配在该站的壳体顶部。杆54从该站的顶部伸出，在杆54上装配了360°直角棱镜56。自任何方向照射在该棱镜上的任何光沿与其来自的方向相同的观测线反射。该站装配在三角架58(仅示出了两条腿)上，三角架58使该站保持在空间中的固定位置。可移动机器人臂44自机械封罩的侧面伸出。杆位于机器人臂的末端，棱镜60装配在该杆上。激光指示器46也位于机器人臂44的末端，激光指示器46可用于测量距离和读写具有反射或发射的光信号形式的信息。操作与激光指示器46相似的激光指示器64位于杆54的末端。可以容易地安置机器人臂杆。子站42可以在多种方向商从不同源发射激光束：
a.在真垂线(true vertical)方向上向下发射的垂直波束62，以确定高度；
b.通过杆54重新定向的向上发射的垂直波束66，以用作可视激光指示器和电子距离读写设备。
c.通过垂直和水平光旋转单元重新定向的向上发射的垂直波束(未示出)；和，
d.通过机器人臂杆发射的波束68，以用作可视激光指示器和电子距离测量读写设备。
对应的控制主站了解可运输子站42在空间中的X、Y、和Z位置(基于笛卡尔坐标系统的3个正交轴的空间中的位置)以及机器人臂的位置和取向。可以与主站一起独立地利用单个或多个子站，或者可以将多个站相互菊链连接在一起。
图5示出了可运输子站的另一示例。可运输子站70是电子测距子站，并且其能够发射可见激光束以便于使光斑照射在指定位置上。相比于图4的子站，该子站相对较小、较轻、并且制造成本较低。存在旋转激光器机构，其包括装配在机器人经纬仪机头76的顶部的激光器72和74。机头76装配在三角架78上。旋转激光器机构发射水平和垂直的参考激光线。该旋转激光器能够在接收、发送、读写坐标遥测数据的单元中运行。这是通过搜索和测量到任意数量的固定参考站、主站、或者其他子站的距离而实现的。主站总是了解X、Y、和Z位置。该设备应是易于搬运且易于在工地周围移动，并且是用于查明未处于主站的观测线内的坐标的解决方案。即，子站70可以测量到特定参考点的距离、确定这些点在多维空间中的位置并且将这些点的位置中继到控制主站。末端装配有棱镜82的杆80自旋转激光器和机头76延伸。尽管子站70是可运输的，但是其可以固定到地面或者可以固定到I形梁。可以与主站独立地利用单个或多个诸如站70的可运输的站，或者多个子站可以相互链接在一起。
图6示出了可以作为移动子站或移动主站操作的移动设备。作为子站的设备90的操作基本上与图4的子站相似。除了装配在交通工具114上的工具箱108之外，装配在交通工具上的设备包括具有机器人臂104的机器人经纬仪106，棱镜110和激光指示器112位于该机器人臂104的末端。激光指示器112可由存储在工具箱108中的任何一个工具替换。水平激光器94、垂直激光器92、杆100、棱镜96和激光指示器98装配在经纬仪顶部。经纬仪106的机头部分102可被替换以允许该设备作为主站或子站操作。作为主站，该设备是完全机器人主动式棱镜，固定的或者紧固到交通工具的跟踪激光测距设备的组合，所述交通工具可以手动控制，遥控，或者可以在特定环境中自主地对其自身导航；这些设备与能够自动地改变工作工具作业以实时地执行建筑行为的多轴计算机引导机器人工具臂104组合。该主站的最终目的是导航并且使该设备相对于其所处空间或相对于CAD绘图进行空间取向。这是通过自动地搜索和连续测量和重新测量到任意数量的固定参考点、子站或任何其他固定的或移动的主站的距离而完成的。该设备可以主动移动到所选择的位置，并且一旦到达该位置，可以利用多种指定工具执行多种工作功能。该设备可以根据自身包含的计算机指令导航，或者可以由其他固定的或移动的主站导航。可由该主站执行的某些任务是涂漆、勾缝、标记、烧灼、切割、焊接、钻孔、雕刻、测量、或者读写，并且可以实时地发送和接收遥测数据。在一定程度上，机器人臂上的工具是可互换的，并且可以从装配在交通工具机器人顶部的工具箱114中调取。当然，子站(与图5中示出的子站非常类似)也可以装配在交通工具机器人顶部而非装配在主站上。360°直角棱镜装配在从主站模块机头伸出的杆的顶部。相似的棱镜也可以装配在机器人臂的末端。
图7A～E示出了可以装配到图4或6的设备的机器人臂(44、104)的多种可互换的工具。这里示出了用于机器人臂120的可互换的工具的阵列。图7A示出了具有切割工具122的机器人臂。图7B示出了具有涂漆或画线工具124的机器人臂。图7C示出了具有垂直可视激光指示器126的机器人臂。图7D示出了具有坐标测量机器(CMM)128、激光扫描仪、或者手动点读取工具的机器人臂。图7E示出了具有钻孔、雕刻和烧灼工具130的机器人臂。
图8说明了被配置为使用本发明的系统的建筑物封闭环境。提供了本发明的系统的套件。图8中示出了该套件的所有部件。在图中固定参考站140、142、144、146、148、150和152被示出为360°直角棱镜，但是它们可以选自提供可读固定参考的多种设备中。该固定参考站可以是被动式设备。然而，它们也可以是主动式的或者能够向接收机发射信息的智能设备，或者它们可以光学地响应特定的消息。该固定参考站可以位于多种位置以允许主站识别多维空间中的特定点。例如，固定参考站可以固定到或根植于混凝土板上或者固定到永久位置，或者装配在位于已知位置的标石中，该位置是可寻址的和可识别的。标石允许相对于这些设备所处空间或者相对于CAD绘图的自动的和自主的设备取向。主站可以借助其识别参考站的信号是电磁(例如，光、彩色光、红外线、RFID、X射线、条形码等)、超声、数字罗盘、控制论信息理论和译码信息，及其他。
图8示出了装配在墙壁中的五个固定参考站(146、144、140、152、150)、装配在地板上的一个固定参考站142、和装配在标石154中的一个固定参考站148。该套件进一步包括作用于所获得的关于该固定站的信息的设备。这些设备是主站156、可运输的站158、有臂的可运输的站160、交通工具站162、具有内建电子测距的手持计算机164、和写字板(或膝上型计算机)166。如已讨论的，主站156可以由其自身或者使用子站来定位参考位置。固定参考被示出为棱镜并因此使用通过直接观测线的激光定位。因此，未处于主站的直接观测线中但处于一个子站的观测线中的固定参考仍可以间接地由主站识别。即，子站可以识别固定参考并且将该信息发送到主站。主站随后可以使用该固定参考的位置信息识别其在封闭空间中的位置。关于子站位置的信息可由各种子站无线地发射到主站。在图8中示出的实施例中，站158、160和162可以是子站。站156和164可以是主站。不具有任何测距设备的写字板或膝上型计算机166可能用作无线耦合到主站166的处理器。在膝上型计算机166的键盘上生成来自主站156的命令。主站156可以是机器人主站，由此其在搜索固定参考点的过程中的移动由命令和/或作为膝上型计算机166的一部分或者耦合到膝上型计算机166的致动器控制。未处于主站156的直接观测线中的那些参考可由子站158、160或162检测，并且由那些子站采集的位置信息可以无线地中继到主站156。主站164是具有测距设备的手持计算机，其操作与主站156的相似之处在于，主站164使用其测量设备和来自子站的信息定位固定参考点的位置。不同于可以通过写字板166操作或者由用户手动操作的主站156，主站164(参看下文关于图11的讨论)是由用户通过经由手持计算机164的键盘或某些致动器(例如，鼠标、操纵杆)输入命令而直接操作的独立设备。
固定参考站系统的目的在于提供用于相对于空间的自动的、自主的设备取向和导航的固定参考点，其中该固定参考点根据CAD或数字绘图安置在该空间中。这些设备通过连续搜索、测量和重新测量到位于空间中的任意数量的固定参考站的距离，来对其自身取向并且导航通过该相同的空间。最终目的是实现更好的测量准确性并且自主地或者通过遥控的交通工具、仿人机器人、人形自动机、或者其他的机器人或机器人交通工具、工具或者室内或室外的系统，根据CAD绘图进行导航。重要的是应当注意，通过利用已上载在主站处理器的存储器中的CAD绘图或其他绘图以及固定参考位置的记录，主站可以开始测量和定位固定参考点的过程；在该情况中，主站将确认记录的信息的准确性并且仍生成包括空间中的物体和结构的该空间的图形表示。本发明的系统的主站生成的图形表示可能偏离已记录的图形表示。随着每一个标石、结构和空间边界被测量和识别时，更新本发明的系统正在生成的图形表示并且相应地改变所显示的绘图。图形显示的更新是实时完成的；即，当处理器处理信息并且添加新的图形部分时，观察者看到该新的部分和剩余的图形。而且，诸如主站164的主站的用户不仅观察该空间显示，而且主站/用户位置也显示在该图形表示中，允许引导或导航用户通过该封闭空间。特定物体和/或结构可能已记录在上载的CAD或数字绘图中，但是未存在于该空间中。在该情况中，主站156可以例如，将交通工具子站162指引到CAD绘图中指出的预期的物体位置并且使子站612做标记以指出该CAD绘图中已识别的物体的确切方位和取向。在一个或多个主站的指引和控制下，子站可以执行其他相似的任务。而且，子站可以具有处理器，该处理器具有已上载的CAD绘图，并且因此该子站能够根据该CAD绘图和在该子站的处理器上运行的特定软件，基于特定物体的位置执行任务。用户可能看到具有物体和结构的空间的显示，但是在实际空间中该物体和结构都不存在。因此，配备有具有与其附连的工具的机器人臂的子站可以执行用于促进该物体和/或结构的构造或者构造该物体和/或结构自身的任务。例如，在上载到该子站的处理器中或者上载到控制该子站的主站的处理器中的CAD绘图被识别为物体位置的特定位置处，子站在准备构造物体、标石或结构时可以钻孔、做标记、切割表面。
图9是智能固定参考站(即，主动式子站)传感器和发射机阵列的透视图。该设备用作智能标石，其了解其位置，该设备能够与其他相似的子站或主站通信。图9的设备可以发送、接收、和重新定向任何电磁信号，诸如光、或超声信号。图9的智能固定参考站包括水平旋转激光器202，该水平旋转激光器202还具有观测和读取设备。旋转激光器202还可以作为条形码或图形读取器操作。此外，图9的固定参考站进一步包括动态反射器/棱镜204。反射器/棱镜204包括直角棱镜、可移动棱镜和全息光学元件。此外，图9的参考站包含传感器接收机206和无线通信接收机和发射机208。最后，图9的参考站包括壳体210，用于容纳电子装置和将设备保持在一起。
图10A呈现了设备的立面前视图，而图10B呈现了设备的立面侧视图。所示出的设备可以是Leica Disto设备或者相似的激光测距设备。这是用于电子测距设备250的机动化和遥控云台配件254。控制托台252的移动可以经由操纵杆、鼠标、触摸板、按键、触笔、数字转换器或者利用陀螺仪、或者惯性测量单元输入由系统软件控制。所示出的摄像机配件254是机动化和遥控云台配件。其还可以用作非机动化手动夹具。其有能力精确地读取距离、条形码、或图形，并且有能力精确地指向指定位置。
图11B是具有装配在显示器306上面的棱镜304(例如，360°直角棱镜)的手持计算机站300的示意性平面顶视图。图11A示出了具有内建或附连的激光测距设备302和键盘/键区308的手持计算机300的等比例视图。在显示器306上可以呈现空间的N维图形表示、该空间中的物体和/或结构以及其他信息。计算机将典型地由用户手持。棱镜304的功能是用作定位设备，意味着其可以接收和反射光信号，允许其他设备定位该手持计算机站300的位置。图11C是图11B的手持设备的立面侧视图。在图11C中，使用内建支架310使计算机竖立。支架310可被配置为三脚架。如上文讨论的，主站(或子站)可以通过与棱镜304的光通信定位手持计算机300的位置。一旦定位了手持计算机300的位置，整个系统了解操作该手持计算机的用户的位置(在XYZ坐标中)。而且，用户了解他或她自身相对于主站、子站、和固定参考点的位置。现在，当用户移动通过位置时，该系统通过跟踪手持计算机300的棱镜304来了解用户的移动。手持计算机300可以由此用作导航工具，从而以与在汽车中使用的GPS系统极为相同的方式引导用户移动通过空间。
图12是图11的手持计算机的显示的说明。CAD绘图(或地图)312覆盖有示出用户位置的标记314。在该标记旁边，紧接词“您在这里”下面示出了用户当前位置的坐标。而且，用户可以选择也将呈现在屏幕上的目标位置316。一旦接收来自用户的命令，手持计算机将用户指引到目标位置(例如，通过与汽车GPS相似的方式发出语音命令)。当用户朝向或远离目标移动时，CAD地图也移动，并且“您在这里”指示符示出了用户在地图上的当前位置。还存在屏幕上的缩放控制。此外，允许用户选择地图(例如，示出了管道或电气工作的地图)的多种层(例如，层318)。该显示还示出了到所选择的目标的当前距离。参考站的位置被指出。也显示了日期和时间。使用作为本发明的系统的部件的软件实现所有这些操作。
机器人激光测距主站控制软件位于具有与主站、子站和本发明的系统的其他设备通信(发送命令和/或接收命令)的能力的手持计算机、膝上型计算机、写字板计算机或桌面型计算机中。该软件操作地发送命令并且自主站接收回遥测数据。该软件向主站的固件发送命令，告知主站执行指定任务(例如，转向指定方向、上移或下移到特定的角度位置、打开或关闭可视激光指示器、测量距离或角度等)。主站通过执行所请求的功能做出响应并且随后向该软件发送回性能或者测量遥测数据。
该软件具有图形用户接口目的，其被构建用于在建筑和架构市场中使用。该软件被调整为迅速地执行特定的读写构建任务。该软件模拟在汽车或其他交通工具中利用的用于导航的GPS系统的外观和感觉。用户在表示正在构建中的建筑物的CAD绘图中导航。如前面讨论的，该软件结合主站使用以实时地创建具有2D或3D CAD绘图形式的现有架构的构建研究(读取)。该软件用于实时地根据2D或3DCAD绘图导航和规划建筑工作。
该软件的特征包括：
a.在屏幕上显示“您在这里”。
b.处于XYZ坐标中的棱镜跟踪模式或者可视激光指示模式被显示在屏幕上。
c.在“主动式激光指示模式”或“空间中3D鼠标模式”中：激光跟随或跟踪鼠标在空间中移动的任何位置。
d.一旦选择空间中的目标或点，从当前位置的“至目标的距离”被显示在屏幕上。
e.无反射器模式和棱镜跟踪模式之间的无缝转换。
f.在棱镜跟踪模式中射出可视激光。
g.位置控制和缩放控制是“幻像显示的”(显示在绘图上并且在一定程度上是透明的或半透明的)。
h.可以访问可替换的绘图或绘图层。
i.存在功率搜索或呼叫主站的功能(主站将遵循用于主动搜索棱镜位置的程序)。
图13是具有垂直指向上方和下方的可视激光指示器322的装配三脚架的棱镜杆320的示意性说明。该棱镜杆进一步包括内建的电子测距设备，该电子测距设备是激光指示器的一部分。图13中的设备320测量到另一棱镜杆，即短杆配件340的距离，该短杆配件340包括棱镜杆330、棱镜328和激光指示器/测距设备332。设备320发射真垂激光束324以确定其到地面的高度。对准两个棱镜326和328，并且测量棱镜之间的距离。
图14示出了机器人主站400如何能够确定其取向和到粗糙的和不平坦的地面的位置。为了完成该操作，该仪器使四个激光束指向地面。其中三个激光束404被指引到三个三脚架腿的基座。第四个激光束402是被为垂直指向下的真垂波束。被指引到三脚架腿基座的三个波束404确定该设备的平面取向。真垂波束确定该仪器到该平面的垂直距离。由此，知道了该仪器相对于地面的精确取向和位置。主站400的剩余操作与图2中示出的主站相似。
图15A～D示出了主站或子站的配置如何能够被悬挂在地面上方并且可以横越诸如建筑位置的多维空间，同时从上方测量到固定参考和其他设备的距离。图15A和15B示出了导轨驱动系统。图15A是具有装配在其顶部的陀螺仪稳定单元506的主站500。稳定单元506附连到具有导轨槽504的托台502(优选地是计算机控制或软件驱动的托台)。图15B示出了使用导轨501可滑动地装配主站或子站512的另一导轨装配配置。图15C和15D分别示出了线缆驱动的和旋翼驱动的站524和530；对于各自的站示出了线缆520和旋翼532。图16示出了适于具有线缆503的线缆驱动配置的图15A中的设备。
图17示出了装配到机器人交通工具站的底部或者机器人臂的工具。这些设备将用于根据预定指令标记表面。图17A示出了弹簧装载的尖钻的机头并且图17B示出了弹簧装载的标记器或涂漆棒的机头。
通常，棱镜杆是手持的，并且因此在手持的人的手震动时受移动影响。前面已讨论了棱镜或站的陀螺仪稳定。图18A和18B中示出了可替换的稳定技术。
图18A和18B示出了用于具有棱镜608的杆602的可替换的稳定设备。图18A中示出了完整的杆，并且图18B中示出了稳定设备。稳定设备600是封闭隔间，具有允许杆602通过的两个开口和手柄604；该稳定设备由三脚架610支撑。在封闭隔间600中，通过如所示出的线606或者通过与用于减慢门的移动的粘性液体阻尼棒来悬挂该杆。为了高效，精密地控制(damp)该阻尼杆。该杆在底部通过砝码612配重，由此其指向地心。因此，砝码612用作吊线锤。
图19A～B示出了另一稳定机构。其是修改的陀螺仪机构。图19A示出了具有稳定机头702和装配在该机头702下面的棱镜704的完整的杆700。图19B中示出了机头702的示意性视图。在机头702中，安置有X和Y方向的陀螺仪和用于在Z方向中稳定的电子处理器710(例如，模糊逻辑控制器)。该设备将克服由用户手持该杆引起的振动和不准确。图19A和19B中示出的陀螺仪稳定的杆应生成用于棱镜的更加坚实和稳固的平台。该电子设备实时地控制陀螺仪的旋转速度以增加杆稳定性。
图20A～B说明了具有旋转激光器和无线发射机和接收机的主站801和具有旋转激光器和无线发射机和接收机以及棱镜812的子站810的组合使用。用于主站和子站两者的无线发射机和接收机被安置在上述站中并且因此未在图20A和20B中示出。此处描述了该组合的优点和功能。该系统意在用于独立于主站模块或者替换主站模块使用，以测量距离并且帮助用户在多维空间中导航。旋转主站801可以向无线计算机设备递送XYZ坐标测量和位置三角测量数据，用于通过CAD绘图或数字化绘图在工作地点进行导航和测量。
旋转主站801是包括两个测距激光器和两个棱镜观测激光器的读取器和测量设备，所有激光器都装配在设备封罩的上部分中。图20中还示出了具有测距激光器800A、800B和棱镜观测激光器800C和800D的主站800的顶视图，所有该激光器装配在主站800的顶部中。棱镜观测激光器能够读取印刷在其观测线内的物体上的条形码信息。四个脉冲调制激光发射器和四个激光数据接收机传感器的配置装配在该设备的底部分中；图20A中将该8个激光器中的一个激光器示出为804。这些激光器能够向配备有用于接收该光信号的传感器的一个或多个设备(例如，主站或子站)发射数据。该传感器能够实现从脉冲调制发射机发送的信息的读取或接收。旋转主站可以与其他相似配备的主站或子站或者固定参考通信。该旋转主站机构也可适于自调平。
旋转子站810具有装配在设备封罩的上部分中的360度直角棱镜812。四个脉冲调制激光发射器和四个激光数据接收机传感器的配置装配在该设备的底部中，其中一个被示出为激光器814。子站810可以适于自调平。图20B示出了与装配在三脚架824上的子站810通信的、装配在三脚架826上的主站801；所述设备经由激光束820和822通信。旋转主站801和旋转子站810因此可以经由脉冲调制激光器和接收机传感器相互通信。它们交换识别、遥测数据和命令。
图20A说明了具有棱镜发射机和接收机阵列的连续旋转主站的结构。旋转激光器与棱镜发射机和接收机阵列和用于发射和接收信息的激光器阵列以及处理器和关联电路的该组合是可以代替机器人主站模块或机器人经纬仪的系统。通过适应当前可用的旋转激光器等级，该设备可以向无线计算机设备递送X、Y、Z坐标测量和位置三角测量结果，用于在多维空间中导航和测量，以生成该多维空间的CAD或其他类型的图形表示。该读取器、测量器包括两个棱镜观测激光束、顶部阵列上的两个测距激光束。读取器、写入器包括四个数据发射激光器、每个设备的底部上的四个激光数据接收传感器。每个站还可以配备有无线的无线电发射机和接收机。
每个站可以具有如下部件/功能：
a.自调平可视激光器；
b.能够经由激光束发送数据；
c.能够经由激光束接收数据；
d.能够测量到多个棱镜的距离；
e.能够基于返回信号区分棱镜；和
f.能够无线地发射信息。
参考图21A～21B，示出了可以用作主站、子站或固定参考点的多棱镜组件和识别设备900。红外线频闪器902装配在设备900的顶部附近并且彩色电荷耦合设备(CCD)904装配在该设备的透镜附近。CCD设备904形成设备900的接收机的一部分。使用用于发射和接收的红外光并且在接收光信号时使用色彩识别。在图21B中，示出了多个棱镜906，其中每个棱镜用作单独的标石或者固定参考点。每个棱镜返回不同颜色的光。在图21B中，红外线频闪器闪现红外线波束912，并且红外光自彩色棱镜反射回来。红外线波束912朝向多个棱镜散开，由此可以同时识别视场中的多个棱镜。
图21B中示出的系统可被称为彩色化棱镜识别系统，能够进行迅速的多棱镜识别和单独棱镜识别。在与现有的主站-棱镜关系比较时，彩色化多棱镜识别系统具有三个区别的功能特征：
·每个单独棱镜由不同的彩色双色玻璃构造。
·当前位于主站模块中的适当位置的黑白CCD摄像机芯片被如下系统替换，利用通过彩色CCD芯片904，所述系统利用延伸波束红外激光作为迅速搜索主站模块视场中的棱镜的方法。使用彩色CCD芯片代替黑白摄像机芯片将使主站模块能够区分颜色，因此使每个棱镜是单独可识别或可寻址的。当前在扇形通道中利用红外激光搜索主站模块的视场中的棱镜；该方法一次仅能识别一个棱镜。
·红外线频闪器902或闪光灯用于同时识别主站的视场中的多个棱镜的数目和位置。
参考图21(B)，六个棱镜位于设备900的视场中。作为主站操作的设备900发射红外频闪光。基于棱镜的唯一颜色，即时地了解每个棱镜及其位置。
固定参考点或标石可以是被动式的或智能的。被动式固定参考点或标石可以包括棱镜或反射器、印刷的条形码或图形、交叉标线或平钉(even nail)。图22中示出了作为具有印制的条形码的棱镜的被动式标石的示例。
尽管通过参考本发明的具体实施例详细描述了本发明，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的前提下可以进行多种改变和修改。因此，本发明应涵盖在附属权利要求及其等效物的范围内的本发明的修改和变化。