利用移动数据的方位和取向确定 【技术领域】
本公开一般涉及利用移动数据的方位和取向确定。背景技术 例如可重定位结构的大型物体的装配和维护可以使用定位系统以帮助引导组件 的放置。例如， 飞行器可以在包括定位系统和设备的设施中进行装配以确保组件的适当放 置， 其中定位系统和设备用于测量飞行器的某些组件例如机翼和尾翼的方位。其它大型装 配设施可使用相似的方位确定系统。某些方位确定系统限于视线测量。这些方位确定系统 对确定正在装配或维护的结构的内部或该结构的其它封闭区域中的方位信息可能是无益 的。例如， 定向为确定飞行器机翼的方位的基于激光的系统可能无法同样确定飞行器货舱 内组件的方位。
发明内容
本发明公开方位确定系统和方法。 特定方法包括通过在便携装置的存储器中存储 初始方位和取向数据初始化能够感测运动的便携装置。 初始方位和取向数据可表示便携装 置在与例如可重定位结构或移动平台的目标结构关联的本地坐标系统内的方位和取向。 该 方法还包括检测便携装置的移动。该方法进一步包括基于检测的移动确定测量数据。该方 法还包括至少部分基于初始方位和取向数据以及移动数据确定便携装置相对于目标结构 的空间关系。
在特定实施例中， 便携装置包括校准组件以与本地定位系统通信， 从而确定便携 装置在与目标结构关联的本地坐标系统内的初始方位和取向。 便携装置还包括至少一个移 动传感器以检测便携装置的运动。 便携装置可包括处理器以基于便携装置在本地坐标系统 内的初始方位和取向以及检测的便携装置的运动确定便携装置的测量的方位和取向。 另外 或可替换地， 便携装置可具有到远程处理器的有线或无线连接以便基于便携装置检测的运 动确定测量值。
特定定位系统包括多个本地方位检测器以确定第一坐标系统内目标结构上或目 标结构内感兴趣位置的方位。 定位系统还包括处理器以基于第一坐标系统内目标结构的方 位和取向以及目标结构的一个或更多电子表示确定目标结构的第二坐标系统中的测量值。 定位系统进一步包括便携装置， 例如感测相对运动的装置。便携装置包括存储器以存储便 携装置在第二坐标系统内的初始方位和取向。 便携装置进一步包括至少一个移动传感器以 检测便携装置的移动。 便携装置还包括处理器以基于便携装置在第二坐标系统内的初始方 位和取向以及检测的便携装置的移动确定便携装置的测量的方位和取向。
已描述的特征、 功能和优点可在各种实施例中独立实现， 或者可在其它实施例中 结合实现， 其进一步详情参考以下描述和附图而公开。 附图说明图 1 是包括便携装置的本地定位系统的第一特定实施例的框图 ； 图 2 是包括便携装置的本地定位系统的第二特定实施例的框图 ； 图 3 是确定便携装置相对于目标结构的空间关系的方法的第一特定实施例的流程图 ； 图 4 是确定便携装置相对于目标结构的空间关系的方法的第二特定实施例的流 程图 ； 以及
图 5 是确定便携装置相对于目标结构的空间关系的方法的第三特定实施例的流 程图。
具体实施方式
本公开涉及一种便携装置， 其与定位系统交互以确定各位置 (location) 的方位 信息， 在这些位置定位系统由于例如定位系统的访问、 成本、 时间、 能力或功能限制因此无 法独立确定所述方位 （position） 信息。便携装置对例如飞行器、 水上交通工具、 陆地交通 工具、 航天器、 石油平台、 重型设备或其它可重定位或静止结构等大型结构的维护或装配可 能是有用的。这种目标结构可装配到使用定位系统的设备中以提高装配或维护过程的精 度、 准确度或速度。某些定位系统例如激光定位系统可能限于在至方位感测装置的直接视 线 （direct line-of-sight） 内的使用。因此， 在目标结构内的方位可能难以确定。便携装 置可操作用于确定目标结构内或其它位置的方位信息。另外， 便携装置可使用方位和取向 （orientation） 信息向操作人员提供其它有用功能， 例如识别特定组件的位置、 基于位置识 别组件、 收集和存储特定位置的信息， 等等。 图 1 是本地坐标定位系统 （也称为本地定位系统） 的特定实施例的框图。该系统包 括与定位系统 102 交互的便携装置 120。定位系统 102 可包括本地定位系统或非本地定位 系统。本地定位系统可测量在与被测量物体关联的具体坐标系统中的位置并描述该位置。 测量装置如便携装置 120 可利用具体坐标系统中的参考信息如测量标记或另一参考点被 校准到本地坐标系统。参考信息用来确定测量装置到目标结构的相对方位和取向。本地定 位系统可使用光学或电磁测量传感器 （例如激光传感器等） 进行测量， 并且然后将这些基于 装置的测量值转换为目标结构的本地坐标中定义的测量值。 非本地定位系统可确定或指定 相对于与目标结构不关联的参考坐标系统的位置。例如， 参考坐标系统可能与建筑或另一 地理位置关联， 例如干船坞设施。来自将卫星轨道方位用作参考的全球定位系统的原始输 出 （例如经纬度） 是非本地定位系统的一个示例， 其为简单标尺给定的测量值 （该测量值提 供相对于其外壳边缘的距离） 。在它们的基本形式中， 这些装置提供测量值而不考虑被测量 物体的坐标系统。确定怎样将这些结果应用于此情形取决于用户 （或其它系统） 。
当存在障碍物时某些定位系统 102 可能无法良好运行。例如， 激光定位系统可能 仅在激光源和目标之间的直接视线可用时起作用。另外， 配置某些定位系统 102 或向其添 加新测量位置可能是困难的、 昂贵的或耗时的。 例如， 将激光定位系统配置为在激光定位系 统服务的区域内每个可能位置处识别目标的方位可能是不期望的。在特定实施例中， 便携 装置 120 使定位系统 102 不直接服务的区域中方位和取向信息的确定成为可能 （例如， 由于 这些区域在定位系统 102 的直接测量区域外， 或者由于障碍物降低由定位系统 102 进行测 量的准确度） 。例如， 大型制造和维护设施可使用本地定位系统如定位系统 102 来指导装配
和维护功能。 这种设施的示例可包括飞行器装配设施、 船舶构建设施、 石油平台或其他大型 设备制造和维护设施。 这样的设施可使用视线测量系统如激光定位系统来确定被装配系统 （例如飞行器、 船舶等） 外的定位信息。然而， 在某些位置例如被装配系统内的位置， 利用这 样的视线测量系统可能是困难的、 昂贵的或笨重的。便携装置 120 可供在被装配系统内工 作的员工用于确定方位和取向信息。
定位系统 102 可包括一个或更多本地方位检测器 104 以确定目标结构上位置的方 位 （在图 1 中未示出） 。在特定实施例中， 本地方位检测器 104 包括适于传输目标位置 152 处的激光束 162 的激光装置。定位系统 102 也可包括处理器 106。目标位置 152 可能处于 目标结构上的已知位置， 并可以被处理器 106 和坐标变换软件使用以校准本地方位检测器 （多个） 104 至目标结构坐标系统。 目标结构可包括为维护、 装配或其它目的而移动到某一位 置的飞行器、 航天器、 陆地交通工具、 水上交通工具或其他可重定位结构。 在其它示例中， 目 标结构可以是静止物体。定位系统 102 的处理器 106 可访问包括目标结构的电子表示 110 的数据库 108。 例如， 电子表示 110 可包括目标结构的电子示图、 绘图或模型， 例如提供目标 结构上感兴趣位置的本地方位信息的计算机辅助设计绘图或三维模型。另外， 电子表示可 包括表示目标结构细节 （例如尺寸或特性） 的设计图或竣工图或测量数据 （例如由本地定位 系统采用的测量值） 。
便携装置 120 包括校准组件 126。校准组件 126 与定位系统 102 通信， 从而指定便 携装置 120 的初始方位和取向。例如， 初始方位和取向可关于目标结构上的特定位置来指 定。
便携装置 120 也可包括至少一个移动传感器 128。例如， 至少一个移动传感器 128 可包括能够测量线性加速度和旋转加速度和 / 或速度的一个或更多惯性传感器 （例如微机 电传感器， 如加速计或陀螺仪） 。至少一个移动传感器 128 可在确定便携装置 120 的初始方 位和取向之后检测便携装置 120 的移动。 为了图解说明， 便携装置 120 可以在校准框架 150 中被初始化。校准框架 150 的方位和取向可以是已知的或者可以由定位系统 102 确定。校 准框架 150 的方位和取向可以存储在便携装置 120 的存储器 124 中。 在特定实施例中， 校准 框架 150 的方位和取向在存储器 124 中被初始化为本地坐标系统的起点方位和取向。即， 便携装置 120 在校准框架 150 中的初始方位和取向是原点， 便携装置 120 的相对运动是相 对该原点测量的。 在该实施例中， 便携装置的方位和取向可通过离开起点位置 （即校准框架 150） 的距离和方向确定。 在其它实施例中， 其它原点位置被选择， 例如目标结构上的预定参 考位置。在校准框架 150 和本地方位检测器 104 之间的空间关系可能为已知或被确定。例 如， 校准框架 150 可放置在目标结构上的已知位置。另外或可替换地， 校准框架 150 可包括 由本地方位检测器 104 可检测的目标位置 152， 从而使定位系统 102 能够确定校准框架 150 在目标结构中的方位和取向。在根据便携装置 120 的运动确定相对方位和取向之后， 相对 方位和取向与校准框架方位和取向一起使用， 从而计算所产生的便携装置 120 在目标结构 的坐标系统中的方位和取向。
便携装置 120 也可包括处理器 122。处理器 122 可基于便携装置 120 的初始方位 和取向以及检测到的便携装置 120 的移动来确定便携装置 120 的测量的方位和取向。 例如， 处理器 122 可确定便携装置 120 在目标结构的本地坐标系统内的测量的方位和取向。在特 定实施例中， 处理器 122 可访问存储器 124。存储器 124 可存储目标组件数据 140。目标组件数据 140 可以指定目标结构的组件在本地坐标系统中的位置。处理器 122 可基于测量的 方位和取向以及目标组件数据 140 确定便携装置 120 到组件的至少一个的空间关系。 例如， 处理器 122 可确定从便携装置 120 到组件的至少一个的距离、 从便携装置 120 到组件的至 少一个的方向或两者。
便携装置 120 也可包括输入装置 132。输入装置 132 可用来接收目标组件数据 140， 其指定目标结构的多个组件的一个目标组件， 或目标结构的该组件上的感兴趣位置的 数据 142。例如， 输入装置 132 可由操作人员用来输入识别操作人员期望定位的目标结构 的特定组件 （即目标组件） 的信息。处理器 122 可基于测量的方位和取向以及目标组件数据 140 确定有关便携装置 120 和目标组件之间空间关系的信息。
便携装置 120 也可包括指示器 (pointer)134。 指示器 134 适于基于空间关系指向 目标组件的位置。例如， 指示器 134 可包括在便携装置 120 处或耦合到便携装置 120 的指 针、 一个或更多光表示器、 显示器或其他装置， 其指向目标组件的方向。 在另一示例中， 指示 器 134 可包括基于激光的指示装置或其它基于光的指示装置。在该示例中， 指示器 134 可 以在目标组件的方向上引导光束。机载视频摄像机 （未示出） 也可用来表示便携装置 120 的 指示方向。 在特定实施例中， 便携装置 120 包括表示器 （indicator） 138。处理器 122 可基于 便携装置 120 到目标结构的空间关系激活表示器 138。 在各种实施例中， 表示器 138 包括经 触发来表示各种条件的不同类型表示装置。例如， 当便携装置 120 在目标组件的预定阈值 距离内时， 处理器 122 可激活表示器 138。在另一示例中， 当便携装置 120 在目标结构的特 定部分内或接近该特定部分时， 处理器 122 可激活表示器 138， 该特定部分如禁止某些人员 进入的区域或为进入需要特殊保护装备的区域。在另一示例中， 指示器 138 可包括向用户 表示便携装置 120 接近目标组件 （如当满足第二阈值距离时） 的可听表示器、 可视表示器或 其他表示器。
在另一示例中， 表示器 138 包括激光投影装置， 该激光投影装置可跟踪与目标组 件关联或与目标组件应当处于的位置关联的轮廓 （outline） 或其它形状。例如， 在目标组 件数据 140 识别出安装到目标结构中的组件时， 激光投影装置可以在目标组件的安装位置 处投影目标组件的轮廓。表示器 138 也可包括表示目标组件可能在操作人员视线之外如在 第二组件之后的装置。 为了图解说明， 当目标组件存储在面板内、 不同间隔内或在便携装置 120 的另一组件之后时， 表示器 138 可表示出目标组件在操作人员的视线之外。
处理器 122 可以在阈值距离被满足时触发表示器 138。处理器 122 可在不同阈值 距离被满足时触发不同表示器 138。例如， 可以在满足第一阈值距离时触发第一表示器， 且 可以在第二阈值距离被满足时触发第二表示器。第一阈值距离可以不同于第二阈值距离， 并且第一表示器可以不同于第二表示器。 例如， 第一表示器可包括第一可听音， 并且第二表 示器可包括第二可听音。 在另一示例中， 第一表示器可包括可听音， 并且第二表示器可包括 可视表示， 例如光。在又一示例中， 第一表示器可包括如第一光的第一视觉表示， 并且第二 表示器可包括如第二光的第二视觉表示。 在该示例中， 光可以是视觉上不同的， 例如具有不 同颜色或者在便携装置 120 上的不同位置。
该阈值距离或多个阈值距离可以基于目标组件的识别而被确定。例如， 可以为较 大组件确定较大阈值距离， 并且可以针对较小组件确定较小阈值距离。 在另一示例中， 可以
为预期可见的组件选择较大阈值距离， 并且可以为预期被遮挡的目标组件 （如在面板或其 它组件之后） 选择较小阈值距离。在特定实施例中， 这些表示器的一个或更多被激活以表示 至目标组件的方向。
便携装置 120 可包括传感器 136。 传感器 136 可包括数字图像传感器、 安全传感器 （如气体传感器或热传感器） 、 磁力计、 非破坏性测试或检查传感器 （例如超声测试传感器、 射线照相 （radiographic） 测试传感器、 涡电流测试传感器等） 、 其他传感器或其任何结合。 传感器 136 可以捕获便携装置 120 方位处的数据。处理器 122 可将捕获的数据 144（例如 捕获的数字图像） 与方位数据一起存储在存储器 124 中。
在特定实施例中， 便携装置 120 包括接口 130。接口 130 可以使能便携装置 120 和 一个或更多远程装置 （例如定位系统 102 的装置或数据库 108） 之间的通信。接口 130 可包 括有线接口例如以太网接口、 通用串行总线 （USB） 接口、 其他标准或专用有线接口或其任何 结合。接口 130 还可或可替代地包括无线接口。例如， 接口 130 可发送无线传输 160 以与 远程装置通信。无线传输 160 可包括红外传输、 射频传输或其他无线传输。接口 130 可用 来初始化便携装置 120 或向远程装置发送便携装置 120 收集的数据。例如， 无线传输 160 可用于向远程装置发送描述便携装置 120 的所测量的方位的数据和捕获的数据 144。在另 一示例中， 接口 130 可用来向便携装置 120 发送来自数据库 108 的目标组件数据 112。为了 图解说明， 数据库 108 可包括目标结构的电子表示 110。 目标结构的电子表示 110 可包括目 标结构的设计图或竣工图或三维电子模型。因此， 目标结构的电子表示 110 可能是相对大 的电子文件。由于大小或成本的约束， 便携装置 120 的存储器 124 可能不具有存储目标结 构的全部电子表示 110 的容量。因此， 便携装置 120 的存储器 124 可能只存储目标结构的 电子表示 110 的相关部分， 例如目标组件数据 112、 140。
在操作中， 为了收集目标结构内感测数据、 识别在目标结构特定位置的组件或者 为了其它目的， 操作人员可使用便携装置 120 来定位目标结构的目标组件。为了图解说明， 试图定位目标组件的操作人员可经输入装置 132 输入识别目标组件的目标组件数据 140。 目标组件的位置可以由便携装置 120 的处理器 122 或者由远程装置的处理器 106 基于目标 结构的电子表示 110 和目标组件数据 112、 140 确定。表示器 138 可向操作人员提供关于方 向、 距离的信息或到目标组件的方向和距离的信息。另外， 表示器 138 可提供其它信息从而 帮助操作人员定位目标组件。例如， 表示器 138 可包括显示目标组件的文本描述或目标组 件的位置、 显示图解说明目标组件的照片或示图等的显示屏。在另一示例中， 表示器 138 可 包括一种或更多光、 活动箭头或表示到目标组件的方向或距离的其它装置。 在又一示例中， 表示器 138 可包括指示器例如指向目标组件方向的可见激光。在又一示例中， 表示器 138 可包括一个或更多可听或触觉输出装置来表示到目标组件的方向或距离。为了图解说明， 在操作人员移动便携装置 120 到目标组件的预定距离内时， 可触发振动元件或蜂鸣器。预 定距离可基于预期操作人员识别组件的容易程度而被选择。例如， 预定距离可对于较小组 件比对于较大组件更短 （即更接近组件） 。在另一示例中， 当从操作人员的视角组件通常被 另一组件遮挡时， 预定距离可以更短。
为图解说明另一操作示例， 操作人员可使用便携装置 120 收集或存储捕获的数据 144。例如， 在操作人员执行目标结构的检查时， 便携装置 120 可用来捕获检查结果并将此 检测结果与位置信息一起存储。为了说明， 便携装置 120 可由操作人员在非破坏性测试和检查期间携带。便携装置 120 的传感器 136 可用来捕获被捕获的数据 144， 被捕获数据 144 可以与表示被捕获数据 144 在哪里捕获的位置信息一起存储。在另一示例中， 传感器 120 可包括图像传感器。 在操作人员识别关注时， 图像传感器可用来捕获关注区域的图像， 该图 像可作为被捕获的数据 144 与图像被捕获的位置一起存储。
为了说明另一操作示例， 便携装置 120 可由操作人员用来帮助识别目标结构的特 定位置处的组件。例如， 输入装置 132 可由操作人员用来选择特定方位。便携装置 120 的 处理器 122 或远程装置的处理器 106 可以确定接近特定方位的目标结构的组件。在特定实 施例中， 指示器 134 可由操作人员用来指向特定组件。例如， 指示器 134 可包括生成可见 光束的激光装置。操作人员可使光束指向组件处并使用输入装置 132 产生关于组件标识 （identity） 的查询。该查询可请求关于组件的信息， 例如组件的识别、 组件的用途、 有关组 件的维护或装配数据 （例如扭矩规格） 或其任何结合。
图 2 是本地定位系统的特定实施例的图解。本地定位系统可包括一个或更多本地 方位检测器 202 以确定第一坐标系统内目标结构 200 中或目标结构 200 上感兴趣位置的方 位。在特定实施例中， 本地方位检测器 202 包括激光装置， 其适于引导校准目标 222 处的激 光束 220 并确定第一坐标系统内校准目标 222 的方位。 另外， 每个本地方位检测器 202 都可 包括一标志， 从而每个本地方位检测器 202 都可确定其它本地方位检测器 202 的方位。尽 管在图 2 中仅图示三个本地方位检测器 202， 但本地定位系统可包括更多或更少本地方位 检测器 202， 这取决于特定实施。 本地方位检测器 202 可放置在第一坐标系统内的已知位置， 第一坐标系统如与制 造或维护区域关联的坐标系统。可替换地， 方位检测器 202 可放置在初始未知的位置， 并然 后使用目标结构上已知的参考位置确定在目标结构的坐标系统中其至目标的相对方位和 取向。目标结构 200 可包括为维护、 装配或其它目的移动到本地坐标系统中的飞行器、 航天 器、 陆地交通工具、 水上交通工具或其他可重定位结构。目标结构 200 也可包括静止物体例 如建筑， 或以恒定速度 （零加速度） 移动、 其上环境内全部元件相对彼此静止的大型物体， 例 如游船或航空母舰。 校准目标 222 可应用于目标结构 200 供本地方位检测器 202 感测， 或校 准目标 222 可以是在目标结构 200 的本地坐标中指定的已知位置的特征。例如， 如图 2 所 示， 目标结构 200 是飞行器， 并且校准目标 222 放置在机翼 212 上并且位于飞行器机身 210 的前端 （nose） 。可使用更多或更少的校准目标 222， 这取决于特定的目标结构 200、 本地方 位检测器 202 的方位或影响第一坐标系统内目标结构 200 的方位确定的其它因素。
本地方位检测器 202 可与处理器 214 交互以确定第一坐标系统内校准目标 222 的 位置。处理器 214 或本地方位检测器 202 可基于校准目标 222 的位置并基于目标结构 200 的一个或更多电子表示确定第一坐标系统内目标结构 200 的方位和取向。目标结构 200 的 电子表示可包括电子图示、 绘图或三维模型。另外， 电子表示可包括表示目标结构 200 规格 的设计图或竣工图或测量数据 （如本地定位系统采用的测量值） 。
处理器 214 也可以基于第一坐标系统内目标结构 200 的方位和取向确定第二坐标 系统。例如， 第一坐标系统可以是本地坐标系统 （即与目标结构关联的坐标系统） 或非本地 坐标系统 （即与如建筑或全球参考系的目标结构之外的一些事物关联的坐标系统） 。非本地 坐标系统的示例包括参考不在目标结构上的特征指定位置的坐标系统， 例如基于到全球特 征 （例如全球定位坐标、 经纬度等） 的距离或方向指定位置的全球系统。在本地坐标系统中，
位置可参考相对于目标结构定义的一个或更多已知位置或特征来指定。
在第二坐标系统中， 方位可通过与目标结构 200 特征的距离或方向指定。例如， 方 位可以通过与图 2 所示飞行器机身 210 的前端的距离和方向指定。处理器 214 可以基于目 标结构在第一坐标系统内的方位和取向以及目标结构 200 的电子表示确定第一坐标系统 和第二坐标系统中方位之间的关系。
图 2 还显示了布置在校准框架 230 中的便携装置 234。例如， 便携装置 234 可以是 如图 1 的便携装置 120 的便携装置， 并且校准框架 230 可以是如图 1 的校准框架 150 的校 准框架。校准框架 230 可以放置在目标结构的第一坐标系统中的已知方位和取向处。校准 框架 230 和本地方位检测器 202 之间的空间关系可以是已知的。例如， 校准框架 230 和本 地方位检测器可以放置在第一坐标系统内固定、 已知位置处。校准框架 230 可能位于目标 结构 200 上或目标结构 200 中， 或者校准框架 230 可放置在其它位置， 只要其方位和取向在 本地目标坐标系统中定义。另外或可替换地， 校准框架 230 可以包括本地方位检测器 202 可检测的一个或更多目标 232， 从而使本地定位系统能够确定目标结构的第一坐标系统内 校准框架 230 相对于本地方位检测器 202 的方位和取向。
便携装置 234 可包括存储器以存储便携装置 234 的初始方位和取向。便携装置 234 的初始方位和取向可相对于第一坐标系统、 第二坐标系统或这两种坐标系统存储。 在特 定实施例中， 校准框架 230 的方位设定为第二坐标系统的起点方位。因此， 校准框架 230 中 的便携装置 234 的存储器可初始设定为零， 表示没有自起点方位的移动。
便携装置 234 也可包括一个或更多移动传感器以检测便携装置 234 的移动。 例如， 移动传感器可包括一个或更多微机电系统 （MEMS） ， 例如测量相对加速度和速度的传感器装 置。由移动传感器检测的移动可由处理器 214 用来计算便携装置 234 被移动后的方位和取 向。处理器 214 也可配置成在运动期间提供线性和旋转位移的估计。在特定实施例中， 处 理器 214 位于便携装置 234 上。在其他实施例中， 处理器 214 在便携装置 234 外部。处理 器 214 可基于便携装置 234 的初始方位和取向 （例如在校准框架 230 内） 并基于由一个或更 多移动传感器检测的便携装置 234 的移动确定目标结构 200 内或目标结构 200 附近计算的 便携装置 234 的方位和取向。
为说明， 本地方位检测器 202 可包括如激光装置的视线检测器。因此， 本地方位检 测器 202 可能无法检测到不在本地方位检测器 202 视线内的目标结构 200 的各部分的位 置， 例如在机身 210 里面、 在起落架舱 （未示出） 里面、 在诸如机翼 212 或目标结构 200 的其 它组件的障碍物后面的目标结构 200 的各部分的位置。 因此， 便携装置 234 可用来确定自本 地定位检测器 202 被遮挡的位置或目标 222 的放置累赘或不期望的位置。在这些情况下， 测量将以便携装置 234 的初始方位和取向以及感测的便携装置 234 的相对运动为基础。
在操作中， 为了收集或存储关于目标结构 200 的特定位置的信息、 识别在目标结 构的特定位置的组件或为其它目的， 便携装置 234 可由操作人员用来定位目标结构 200 的 组件。为说明， 试图定位目标结构 200 的组件的操作人员可以在便携装置 234 或下载信息 到便携装置 234 的计算装置 （未示出） 处输入识别组件的信息。组件的方位可以基于目标结 构 200 的电子表示来确定。 处理器 214 可以确定组件相对于目标结构 200、 相对于便携装置 234 的位置 （例如在校准框架 230 内） 或相对于可由操作人员容易识别的其他位置的方位。
在特定实施例中， 便携装置 234 包括操作人员界面以向操作人员提供关于组件位置的信息。例如， 操作人员界面可包括显示屏。显示屏可向操作人员显示关于方向、 距离或 到组件的方向、 距离的信息。 另外， 操作人员界面可提供其它信息从而帮助操作人员定位组 件。 例如， 操作人员界面可显示组件的文本描述或组件的位置， 或显示图解说明组件的照片 或示图， 等等。操作人员界面可包括除显示屏外或代替显示屏的其它输出装置。例如， 操 作人员界面可包括适于表示到组件的方向或距离的一个或更多表示器 （例如光、 活动箭头 等） 。在另一示例中， 操作人员界面可包括在组件的方向指示的指示器， 如可见激光。在又 一示例中， 操作人员界面可包括一个或更多可听或触觉输出装置以表示到组件的方向或距 离。为了说明， 当操作人员将便携装置 234 带到组件的预定距离内时， 可触发振动元件或蜂 鸣器。预定距离可基于预期操作人员识别组件的容易程度来选择。例如， 预定距离可对于 较小组件比对于较大组件更短 （即更接近组件） 。在另一示例中， 当组件在视野中通常被另 一组件遮挡 （例如在面板后面） 时， 预定距离可能更短。
为说明另一操作示例， 操作人员可使用便携装置 234 收集或存储方位数据。例如， 在操作人员执行检查时， 便携装置 234 可用来确保检查的位置正确， 或用来存储检测结果 和正确的位置信息。 为说明， 便携装置 234 可由操作人员在非破坏性测试检查期间携带。 非 破坏性测试的结果可以与来自便携装置 234 的输出一起存储， 从而确保合适位置被测试， 并使能随后发现执行测试的方位。在另一示例中， 便携装置 234 可包括便携测试装置或摄 像机或包括在便携测试装置或摄像机内， 该便携测试装置或摄像机包括用来测试或检查目 标结构 200 的传感器。在操作人员识别关注时， 便携装置 234 可用来存储位置和感测的数 据。 例如， 操作人员可捕获关注区域的数字图像， 并且关注区域的方位可与数字图像一起存 储。 为说明另一操作示例， 便携装置 234 可以由操作人员用于帮助在目标结构 200 的 特定位置识别组件。例如， 便携装置 234 可包括操作人员可用来选择特定方位的输入。处 理器 214 可确定接近特定方位的目标结构 200 的组件。输入可以包括触发器、 按钮或其他 输入装置。在特定实施例中， 便携装置 234 包括操作人员可操作的指示器以指向特定组件。 例如， 便携装置 234 可包括产生可见光束的激光装置。操作人员可指向组件处的光束并选 择输入以产生查询。该查询可请求关于组件的信息， 例如组件的识别、 组件的用途、 有关组 件的维护或装配数据 （如扭矩规格） 或其任何结合。
图 3 是确定便携装置相对于目标结构的空间关系的方法的第一特定实施例的流 程图。该方法包括在 302 初始化便携装置。例如， 便携装置可包括感测相对运动的装置， 例 如图 1 的便携装置 120 或图 2 的便携装置 234。初始化便携装置可包括确定便携装置相对 于目标结构的位置。例如， 便携装置可放置在校准框架中， 校准框架如图 1 的校准框架 150 或图 2 的校准框架 230。 目标结构可包括可重定位结构或移动平台， 例如飞行器、 航天器、 水 上交通工具、 陆地交通工具 ； 或例如建筑的其他结构。为说明， 当便携装置处于校准框架中 时， 便携装置的存储器中的移动数据可以被置零， 表示便携装置在零位或起点位置。 在另一 说明性示例中， 表示校准框架的方位和取向的其他值可存储在便携装置的存储器中。 从而， 便携装置的初始方位和取向可存储在便携装置的存储器中。
该方法还包括在 304 检测便携装置在目标结构内或目标结构上的移动。例如， 便 携装置可包括能够检测便携装置在目标结构内或目标结构上的移动的惯性传感器或其它 移动检测传感器。该方法还包括在 306 基于检测的移动确定移动数据。例如， 在便携装置
包括惯性传感器的情况下， 由惯性传感器检测的运动可提供给便携装置的处理器以确定表 示便携装置移动的方向、 距离或其它信息。移动数据可存储在便携装置的存储器中或传输 到远程装置以供存储。
该方法还包括在 308 至少部分基于方位数据和移动数据确定便携装置相对于目 标结构的空间关系。 例如， 当移动数据表示在特定方向自初始方位的一百英尺的移动时， 移 动数据和初始方位数据可用来确定便携装置相对于目标结构的方位。
图 4 是确定便携装置相对目标结构的空间关系的方法的第二特定实施例的流程 图。该方法包括在 402 移动可重定位目标结构 （例如飞行器、 航天器、 水上交通工具或陆地 交通工具） 到位。该方法还包括在 404 确定目标结构在本地坐标系统内的方位和取向。例 如， 在目标结构是飞行器时， 方位和取向可包括本地坐标系统内飞行器的位置以及本地坐 标系统内飞行器的角度、 方向、 高度 （elevation） 等。
该方法还可包括在 406 访问存储目标组件数据的存储器。目标组件数据可以指定 目标结构的组件在本地坐标系统中的位置。例如， 目标组件数据可基于目标结构的一个或 更多电子表示来确定。为说明， 目标组件数据可基于包括关于目标结构特定组件方位的信 息的目标结构的多个设计图或竣工图、 目标结构的多个设计或竣工三维计算机化模型或其 它电子表示来确定。 该方法还可包括在 408 初始化便携装置。便携装置可适于由用户在与目标结构交 互期间携带， 并且可基于便携装置的移动确定本地坐标系统中便携装置的方位和取向。例 如， 便携装置可包括图 1 的便携装置 120 或图 2 的便携装置 234。在特定实施例中， 初始化 便携装置包括在 410 在便携装置的存储器中存储方位和取向数据。方位和取向数据可表示 便携装置在本地坐标系统内的方位和取向。例如， 方位和取向数据可表示在便携装置初始 化时便携装置的初始或起始方位和取向 （例如在校准框架内） 。初始化便携装置还可包括在 412 接收目标组件数据， 该目标组件数据指定目标结构的至少一个目标组件在本地坐标系 统中的位置。目标组件可指代操作人员试图定位的目标结构的组件。表示至少一个目标组 件的位置的目标组件数据可以存储在便携装置的存储器中。
该方法还可包括在 414 检测便携装置在本地坐标系统内的移动。例如， 便携装置 可能在目标结构内被移动。此移动可以使用便携装置上装载的惯性传感器 （例如微机电惯 性传感器） 或其它移动检测装置来检测。在特定实施例中， 本地定位系统使用诸如激光定 位系统的视线定位系统确定目标结构在本地坐标系统内的方位和取向。因此， 目标结构内 部的位置可能不易于确定， 因为它们不在至本地定位系统的直接视线内。在这样的实施例 中， 便携装置可以在没有至本地定位系统的直接视线的情况下使用户能够确定便携装置或 目标结构内目标组件的方位和取向。
该方法还包括在 416 基于检测到的移动确定移动数据。例如， 移动数据可以基于 检测到的移动表示便携装置的移动方向、 距离或时间。该方法还可包括在 418 至少部分基 于在便携装置的初始化中确定的方位和取向数据并基于根据检测到的移动确定的移动数 据来确定便携装置相对于目标结构的空间关系。例如， 确定空间关系可包括在 420 确定便 携装置相对于目标结构的一个或更多组件的距离或方位， 或便携装置相对于目标结构的坐 标系统中定义的感兴趣位置的距离或方位。为说明， 当目标组件被识别并存储在便携装置 的存储器中时， 可确定从便携装置到目标组件的距离。 在其它使用中， 在没有识别到目标组
件的情况下， 便携装置可以确定在目标结构中的位置， 其中便携装置基于初始方位与取向 数据以及移动数据被定位。
该方法可包括一个或更多其他动作， 这取决于将由便携装置执行的具体任务。例 如， 在便携装置用来识别目标结构的特定组件时， 该方法可包括在 422 中在便携装置接收 选择特定方位 （例如感兴趣位置） 的输入。为说明， 当用户在目标结构内的时候， 用户可选择 触发器、 按钮或其他输入装置以引起便携装置存储与便携装置的当前方位和取向关联的方 位和取向数据。便携装置的特定方位可用于在 424 中搜索目标组件数据从而识别在与特定 方位具有指定空间关系中的组件。例如， 当用户尝试确定特定组件标识同时位于目标组件 内时， 用户可以放置便携装置接近所讨论的特定组件或与该特定组件接触， 并且可存储便 携装置的特定方位。目标组件数据可基于便携装置的方位被搜索， 从而识别特定组件或识 别接近特定方位的一组组件。
在另一示例中， 该方法可包括在 426 捕获便携装置的方位处的数据。被捕获的数 据可包括例如与便携装置整合、 耦合或关联便携装置的传感器所捕获的数据。 例如， 便携装 置可包括诸如数字图像传感器、 热传感器、 其他非破坏性测试传感器或其任何结合的传感 器。传感器可以捕获便携装置的位置处的数据。在另一示例中， 携带便携装置的用户可携 带能够捕获数据的独立传感器或感测装置。被捕获的数据可在 428 中被存储， 其与描述便 携装置的方位的数据关联。例如， 用户可以收集数据时向便携装置提供输入从而存储便携 装置的方位。在另一示例中， 当被捕获的数据被捕获或存储时， 便携装置可自动存储方位。 在 430 中， 被捕获的数据、 方位数据或两者可发送到远程装置以供分析。 为说明特定使用， 便携装置可由维护或装配人员用来收集与目标结构关联的非破 坏性测试数据。非破坏性测试数据可由便携装置或其他装置收集。非破坏性测试数据可以 与便携装置确定的方位数据一起存储， 从而非破坏性测试数据被收集的位置被正确识别。 在另一示例中， 在检查期间， 当关注区域被识别时， 与关注区域关联的数字图像或其它数据 可能被捕获并关联描述关注区域方位的数据被存储， 并且数据被发送到远程装置以便分 析。
在又一示例中， 该方法可包括在 432 基于便携装置相对于目标结构的空间关系和 目标组件数据确定靠近便携装置的目标结构特定组件的识别。例如， 当便携装置的用户位 于目标结构内并期望识别特定组件时， 用户可向便携装置提供表示在便携装置的预定空间 关系内搜索组件的输入。 该搜索可包括便携装置存储器的搜索或包括目标组件数据的远程 数据库的搜索。例如， 便携装置的方位可无线传输到实施远程数据库搜索的远程装置。基 于便携装置的位置、 描述目标结构的数据和目标组件数据， 可确定特定组件的识别。
在又一示例中， 该方法包括在 434 基于目标组件的识别选择一个或更多阈值距 离， 以及在 436 当一个或更多阈值距离的一个被满足时激活一个或更多表示器。例如， 在初 始化期间或便携装置使用期间目标组件被识别时， 与目标组件关联的一个或更多阈值距离 可被识别。可基于例如目标组件的位置、 目标组件的大小或一般表示预期发现目标组件难 易程度的其它信息来确定特定阈值距离。
在特定实施例中， 第一阈值距离用来激活第一表示器并且第二阈值距离用来激活 第二表示器。 例如， 自目标组件开始便携装置在特定距离以上时第一阈值距离可能满足。 第 一表示器可包括指示器或与便携装置关联的其它表示器。 第一表示器可被激活以表示自目
标组件开始便携装置在第一阈值距离以上。第一表示器可提供到目标组件的方向、 到目标 组件的距离、 有助于定位目标组件的其它信息 （例如前往目标结构的特定可识别区域例如 装货区的方向） 或其任何结合的表示。第二阈值距离可表示自目标组件开始便携装置在第 二距离内， 并且第二表示器可在满足第二阈值距离时被激活。第二阈值距离可能比第一阈 值距离更靠近目标组件。 为说明， 在使用期间， 第一阈值距离可表示便携装置在包括目标组 件的隔室或其它封闭区域中， 或接近该隔室或其它封闭区域。第二阈值距离可表示便携装 置在预定距离内， 例如臂长、 指定数目的英尺或米， 或相对靠近目标组件的另一距离。
图 5 是确定便携装置相对于目标结构的空间关系的方法的第三特定实施例的流 程图。该方法包括在 502 校准本地定位系统 （LPS） 。例如， LPS 可包括一个或更多方位检测 器， 例如图 1 的本地方位检测器 104 或图 2 的本地方位检测器 202。方位检测器可与一个或 更多目标交互以确定目标的位置。在特定实施例中， 通过使至少一个方位检测器测量位于 已知位置的校准目标来校准 LPS。校准目标可能位于与一位置 （例如装配或维护区） 关联的 坐标系统中定义的已知位置， 或者位于与目标结构 （例如飞行器） 关联的坐标系统的已知位 置。
在特定实施例中， 便携装置包括惯性测量单元 （IMU） 以检测便携装置的移动并测 量相对目标结构的方位。IMU 可能在两个或更多操作模式的一个中操作， 例如绝对模型 506 和相对模式 530。该方法可包括在 504 确定操作模式。
绝对模式 506 可用于点测量， 例如以确定在 LPS 视线之外的目标位置的方位。例 如， 当 IMU 用于绝对模式 506 时， 该方法可包括在 510 放置 IMU 在载体中。载体可以是便携 装置或活动校准框架， 例如图 1 的校准框架 150 或图 2 的校准框架 230。载体可包括一个或 更多 LPS 目标， 例如图 1 的目标位置 152， 其使 LPS 能够确定载体的方位和取向。IMU 和载 体可移动到可见位置 （即具有到 LPS 的本地定位装置例如激光测量装置的视线的位置） 。如 果可见位置相对接近目标位置， 则可确定更准确的测量值。
该方法还可包括在 512 通过使用 LPS 进行位置的测量从而确定可见位置处的 IMU 和载体的位置 （例如 IMU 和载体的方位和取向） 。可见位置处 IMU 的存储器可被修改。例如 在 514 由 IMU 的惯性测量组件存储的加速度和速度数据可被置零， 并且 IMU 可开始捕获移 动数据。如果本地坐标方位和取向已知， 那么本地定位系统不可见的位置也可使用。
该方法可包括在 516 当 IMU 移动到目标位置时捕获移动数据。当 IMU 处于目标位 置时， IMU 的存储器可再次被修改以存储关于目标位置的信息。例如， 存储在 IMU 的惯性测 量组件的加速度和速度数据可再次被置零。用户可以在 IMU 提供输入以表示已到达目标位 置。为说明， 用户可选择按钮或其它输入装置以表示已到达目标位置。在将 IMU 移动到目 标位置时捕获的移动数据可以被传输到远程装置， 例如 LPS 的组件。在一实施例中， 第一存 储器存储涉及从载体将 IMU 移动到目标位置的方位数据， 并且第二存储器存储涉及从目标 位置将 IMU 移回载体的方位数据。可替换地， 涉及从载体将 IMU 移到目标位置的方位数据 可在目标位置被置零， 并由涉及从目标位置将 IMU 移回载体的方位数据代替。
在 518， IMU 可返回到已知位置 （例如已知方位和已知取向） ， 例如载体。在 520， 可 基于由 IMU 存储的方位数据计算目标位置的方位。计算过程取决于便携装置中使用的传感 器的类型。 如果便携装置使用配备加速计和陀螺仪的 IMU， 则该过程可能涉及加速度数据的 二重积分以产生相对方位偏移以及旋转速度数据的积分从而产生角度偏移。 此计算可能包括漂移补偿调整， 其使用已知方位和取向数据连同在运动序列开始和结束的已知零加速度 和速度条件以在运动期间纠正传感器漂移。如果在 522 将测量更多目标点， 则该方法可以 在 514 再次将 IMU 存储器置零。当在 522 不再有要测量的目标点时， 该方法在 524 终止。
相对模式 530 可用作交互跟随模式以使 LPS 的本地测量装置基于 IMU 的移动指向 IMU 或指向另一位置。例如， 相对模式 530 可包括在 532 移动 IMU 到起始位置。方位和取向 数据可在起始位置处修改。例如， 在 534 加速度和速度数据可被置零并且 IMU 的变换矩阵 可设为单位矩阵。
用户可以在交互跟随过程在 LPS 有效时移动 IMU。 例如， 用户可通过在 IMU 提供输 入 （例如通过选择 IMU 上的按钮） 激活 LPS 的交互跟随过程。交互跟随过程可能使 LPS 的定 位装置移至 IMU 的模拟移动。交互跟随过程可包括在 536 捕获 IMU 处的运动数据并使用运 动数据计算相对于起始位置的 IMU 的位置 （例如方位和取向） 。该方法还可包括在 538 发送 方位偏移数据到远程装置， 例如 LPS 的组件。例如， 方位偏移数据可通过无线传输发送。远 程装置可使用逆运动学计算装置角度从而指向正跟随 IMU 的定位装置。该方法也可包括发 送命令到本地定位装置的定位系统， 从而使定位装置基于 IMU 的运动指向。例如， 在 540 远 程装置可基于计算的装置角度驱动摇动 - 倾斜 （pan-tilt） 单元至新角度。
当该方法在 542 继续时 （例如在用户继续按下 IMU 上的按钮时） ， 该方法可返回 536 以捕获另外的运动数据， 并计算相对于先前位置的 IMU 方位。在没有捕获到另外的运动时， 该方法在 524 终止。
因此， 绝对模式 506 可以使能不在 LPS 视线中的目标位置的测量。相对模式 530 可使能由 LPS 追踪 IMU 的移动。绝对模式 506、 相对模式 530 或该两者可连同本文公开的其 他方法一起使用。例如， 相对模式 530 可用于通过使 LPS 指向特定组件来指定待测量或待 识别的特定组件。在另一示例中， 绝对模式 506 可用来确定连同例如非破坏性测试数据的 其它捕获数据一起存储的方位数据。
在此公开的实施例的图解说明意在提供各种实施例的结构的一般理解。 该说明并 不意在用作利用本文描述的结构或方法的设备和系统的所有元素和特征的完整描述。 对于 本领域技术人员来说， 在浏览了本公开后许多其它实施例将是明显的。其它实施例可以被 利用并从本公开获得， 从而可以做出结构和逻辑替换和变化而不偏离本公开的范围。 例如， 可以与图中显示顺序不同的顺序执行方法步骤， 或者可以省略一个或更多方法步骤。 因此， 本公开和附图将视为说明性的而不是约束性的。
此外， 尽管特定实施例在此说明和描述， 但应认识到被设计为实现相同或相似结 果的任何后续安排都可替换所示的具体实施例。 本公开意在覆盖各实施例的所有后续调整 或修改。 对本领域技术人员， 回顾此说明书后， 以上实施例的组合与本文未详细描述的其他 实施例将是明显的。
提交本公开的摘要， 但其并不用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外， 在 前面详细描述中， 各种特征可以被成组或在单独实施例中描述以使本公开流畅。本公开并 不能理解为反映以下意图 ： 要求保护的实施例需要比每个权利要求中的明确陈述更多的特 征。 相反， 如下面权利要求所反映的， 要求保护的主题可针对比任何公开实施例的全部特征 少的特征。