CN111851634B - 测量第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向的测量布置 - Google Patents

测量第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向的测量布置 Download PDF

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Abstract

一种测量布置，其包括：定位布置，定位布置包括至少一个***；要被定位的至少一个第一点；要被定位的至少一个第二点；以及位置数据收集单元，位置数据收集单元用于收集：要被定位的至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值，不同位置数据测量值以围绕第一轴的不同旋转角度获取，和要被定位的至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值，不同位置数据测量值以围绕第二轴的不同旋转角度获取。在第一组位置数据测量值和第二组位置数据测量值的基础上，确定第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向。

Description

测量第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置 和方向的测量布置
技术领域
本发明涉及一种测量布置，例如，涉及土方工程机械或起重机械，所述测量布置例如可以用于每个机械的单独校准。
背景技术
不同类型的工作机械可以用在不同的土方工作现场或施工现场，例如，用于将土壤或岩石材料移动到另一个位置或提升用于施工的材料。这类工作现场的示例包括例如用于建筑物的房屋施工工作现场或地下施工工作现场和道路施工工作现场。像那样的工作机械是例如挖掘机和移动式起重机。
工作机械和工作机械的工具应该能够非常准确地定位在工作现场，以便执行设计的操作。可以向工作机械的操作员显示关于工作机械和工作机械的工具的准确位置的信息，以便操作员在控制工具和机械的同时使用该信息。机械和机械的工具的准确位置信息在其被用于半自动或全自动工作机械中时是特别重要的，即，工作机械在不被机械的操作员持续控制的情况下操作至少一段时间，从而所述机械的操作员没有立即纠正机械或其工作工具的可能的错位。机械的自动定位可以基于：例如，卫星定位***GNSS(全球导航卫星***)，例如，GPS(US)、GLONASS(RU)、Galileo(EU)或Compass(CN)。替代地，工作机械的定位可以通过全站仪等方式提供，所述全站仪布置到机械或靠近机械的工作现场。
然而，与工作机械及其工作工具的自动定位有关的问题是工作机械的测量或尺寸上的变化。这意味着，尽管提供完整工作机械的部件、组件和致动器原理上在每个类似机械中是相同的，但是，例如在焊接方面的公差，或者甚至在部件、组件和致动器的制造、操作和组装方面的以及由此在完整工作机械本身上的非常小的差异导致类似机械的实际测量或尺寸上的变化。这些变化进而可能导致工作机械及其工作工具的自动定位上的不准确。例如，就其中存在相对于下托架能够旋转的上托架的挖掘机而言，例如，在铲斗尖端的定位中，很难考虑上托架的旋转轴线相对于将挖掘机的动臂紧固到挖掘机的上托架上的动臂销的位置。在像这样的挖掘机中，困难是由上托架的旋转轴线与动臂销之间的位置和方向的变化引起的。在实践中，这意味着尽管理论上已知全新挖掘机的测量，但是仅例如动臂销的方向上的小偏差都会导致铲斗尖端的定位中出现不必要的误差，特别是在其中铲斗尖端定位的目标精度应该例如小于20mm的应用中。在使用过的挖掘机中，由于挖掘机的部件、组件和致动器的磨损，这些变化可能更大。
与工作机械及其工作工具的自动定位有关的另一个问题涉及使用机械自动定位的***被改装到更旧的工作机械的情况。对于改装，安装人员可能无法获得制造商特定的机械尺寸的信息。
当旋转轴不可见时，还出现了与限定例如单个挖掘机关于彼此的旋转轴线的尺寸有关的另一个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的测量布置，所述测量布置例如可以用于工作机械的单独校准。
本发明的特征为独立权利要求的特征。
本发明基于在工作机械中确定第二轴相对于第一轴的三维位置和方向的思想。根据该解决方案的思想，在工作机械中选择要被定位的至少一个第一点和至少一个第二点。之后，收集要被定位的至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值，第一组不同位置数据测量值在围绕第一轴的不同旋转角度中获取；并且，还收集要被定位的至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值，第二组不同位置数据测量值在围绕第二轴的不同旋转角度中获取。之后，确定第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向。
在下面的说明书和权利要求中，术语“轴”通常是指工作机械中的真实或实际的物理轴或轮轴，或类似于将挖掘机的下拖架连接到挖掘机的旋转上拖架上的结构，所述旋转上拖架可以被描绘为围绕虚拟轴旋转，并且术语“轴线”是指理论上具有无限长度和零厚度的虚拟轴线，例如表示在本文公开的解决方案中使用的工作机械的轴的旋转轴线或坐标系的轴线。
本发明的优点是，在对工作机械的工作工具的定位的自动控制中，可以确定和补偿与第一轴相对于第二轴的位置和方向有关的工作机械之间的尺寸变化。例如，在挖掘机中，可以消除在挖掘机的上拖架的旋转轴线与挖掘机的动臂的旋转轴线之间的测量中的任何变化的影响，并由此校准挖掘机的控制，以便能够更准确地定位挖掘机的铲斗。
在从属权利要求中公开了本发明的一些实施例。
根据测量布置的一个实施例，至少一个第一点与至少一个第二点相同。
根据测量布置的一个实施例，定位布置包括要被定位的至少两个第一点，其中，至少两个第一点中的至少一个位于与第一轴的估计位置基本不同的半径中，而与至少两个第一点中的至少另一个不同。
根据测量布置的一个实施例，定位布置包括要被定位的至少两个第二点，其中，至少两个第二点中的至少一个位于与第二轴的估计位置基本不同的半径中，而与至少两个第二点中的至少另一个不同。
根据测量布置的一个实施例，位置数据收集单元进一步配置为收集关于每个位置数据测量值的倾斜角度数据；并且处理单元进一步配置为接收关于每个位置数据测量值的倾斜角度数据作为输入。
根据测量布置的一个实施例，第一轴是土方工程机械的旋转上托架的旋转轴，并且第二轴是土方工程机械的动臂销，其中，动臂销是将动臂附接到旋转上托架上的销。
根据测量布置的一个实施例，至少一个第一点是用于任何定位***的天线的附接点。
根据测量布置的一个实施例，要被定位的至少一个第一点位于旋转的上托架中，并且要被定位的至少一个第二点位于动臂中，定位布置还包括土方工程机械的下托架中的至少三个第四点，其中，位置数据收集单元进一步配置为：在要被定位的至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值中，收集在相应的不同旋转角度中的至少三个第四点的位置数据测量值作为至少一个第一点，并且处理单元进一步配置为：接收在相应的不同旋转角度中的至少三个第四点的位置数据测量值作为输入，作为至少一个第一点的位置数据测量值。
根据测量布置的一个实施例，要被定位的至少一个第二点位于动臂中，并且旋转的上托架包括至少三个第三点，并且其中，位置数据收集单元进一步配置为：在要被定位的至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量中，收集在相应的不同旋转角度中的至少三个第三点的位置数据测量值作为至少一个第二点的位置数据测量值，并且处理单元进一步配置为：接收在相应的不同旋转角度中的至少三个第三点的位置数据测量值作为输入，作为至少一个第二点的位置数据测量值。
根据测量布置的一个实施例，至少一个第一点和至少一个第三点中的至少一个是用于任何定位***的天线的附接点。
根据测量布置的一个实施例，测量布置进一步配置为：相对于第二轴中的确定点，以三维的方式确定土方工程机械的至少一个3D点，并且其中，位置数据收集单元进一步配置为：收集要相对于至少一组位置数据测量值的至少一个定位的至少一个3D点的第三组位置数据测量值和从至少一组位置数据测量值呈现的信息。
根据测量布置的一个实施例，至少一个3D点是用于任何定位***的天线和位于机械上的定位设备中的至少一个的附接点，例如，立体照相机布置或全站仪等。
根据测量布置的一个实施例，至少一个3D点是任何关注点，并且，例如，三个这样确定的3D点可以用于确定任何设备的位置和方向，所述设备是相对于例如第一组位置数据测量值、第二组位置数据测量值和从先前的至少一个中导出的信息中的至少一个安装和附接的至少一个设备。
根据测量布置的一个实施例，当选择土方工程机械的动臂销的轴向中心点作为关注点时，动臂销的轴向中心点的位置可以在坐标系中的x-y平面上确定，其中上拖架的旋转轴线被选择为z轴线，并且y轴线被选择为垂直于z轴线和动臂销两者，并且x轴线被选择为垂直于z轴线和y轴线。
根据测量布置的一个实施例，至少一个第一点和至少一个第二点是：要由至少一个***中的至少一个定位的标签、棱镜和天线中的至少一个，其中，至少一个***是以下至少一个：至少一个立体照相机布置、至少一个速测仪、至少一个经纬仪、至少一个激光扫描装置、基于卫星的定位***GNSS和可以使用三角测量的基于位置服务的任何网络。
根据测量布置的一个实施例，至少三个第四点是要由至少一个***中的至少一个定位的标签和棱镜中的至少一个，其中，至少一个***是以下至少一个：至少一个速测仪、至少一个经纬仪、至少一个激光扫描装置和至少一个立体照相机布置。
根据测量布置的一个实施例，至少三个第三点是要由至少一个***中的至少一个定位的标签和棱镜中的至少一个，其中，至少一个***是以下至少一个：至少一个速测仪、至少一个经纬仪、至少一个激光扫描装置和至少一个立体照相机布置。
根据测量布置的一个实施例，至少一个立体照相机布置中的至少一个包括位于相对于彼此已知的位置和方向中的至少两个照相机。
根据测量布置的一个实施例，至少一个立体照相机布置中的至少一个是独立的立体照相机布置，独立的立体照相机布置包括位于相对于彼此已知的位置和方向中的两个照相机。
附图说明
在下文中，将参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中
图1示意性地示出了挖掘机的侧视图；
图2示意性地示出了图1的挖掘机的俯视图；
图3a、3b、3c从上方示意性地示出了图1的挖掘机的上托架以及示例性坐标轴线，该坐标轴线以上托架的三个不同旋转角度相对于上托架的旋转轴线来限定。在示例性坐标轴线中，从上方观察，x轴线已被选择为基本上平行于动臂销的提升轴线或中心轴线，而z轴线已被选择为与上托架的旋转轴线重合；
图4示意性地示出了测量布置的一些组件；以及
图5a至5c示意性地公开了用于确定第二轴相对于第一轴的三维位置和方向的过程。
为了清楚起见，附图以简化的方式示出了本发明的一些实施例。在附图中，相似的附图标记标识相似的元件。
具体实施方式
图1示意性地示出了挖掘机1的侧视图，并且图2示意性地示出了图1的挖掘机的俯视图。
挖掘机1包括可移动托架2，所述可移动托架2包括下部托架2a，即，下托架2a和上托架2b。下托架2a包括履带，但是可替代地设置有轮子。上托架2b通过上托架2b的旋转轴3连接到下托架2a。上托架2b可以围绕旋转轴线4相对于下托架2a旋转，正如用箭头R示意性地示出的。旋转轴线4与旋转轴3的中心轴线重合。
挖掘机1还包括连接在上托架2b处的动臂5，由此动臂5布置为与上托架2b一起转动。动臂2可以至少包括第一动臂部件5a。动臂5可以包括其他动臂部件，例如第二动臂部件5b。第一动臂部件5a通过包括基座7和动臂销8的第一接头6连接到上托架2b。动臂5可以围绕提升轴线9相对于上托架2b升高和降低，正如用箭头L示意性地示出的。提升轴线9与动臂销8的中心轴线重合，并且为动臂5提供旋转轴线9，动臂5相对于该旋转轴线9旋转。
第二动臂部件5b可以通过第二接头10连接到第一动臂部件5a。在第二动臂部件5b的远端处，存在工作工具，在这种情况下为铲斗11，并且在铲斗11与第二动臂部件5b之间可以存在第三接头12。例如，与第三接头12连接，还可以存在允许铲斗沿侧向倾斜的接头或机构。
在托架2上，可以存在用于机械操作员的控制室13。为了清楚起见，图1中省略了控制室13。控制室13可以例如设置有移动布置，该移动布置允许相对于托架2调节控制室13的竖直位置。
挖掘机1还包括至少一个控制单元14，所述控制单元配置为响应于接收到的控制动作来控制挖掘机1的操作，例如，托架2、动臂5和铲斗11的操作。
挖掘机1还可以设置有定位***15。定位***15例如可以是基于卫星的定位***GNSS(全球导航卫星***)，其包括一个或多个卫星接收装置，例如天线16，用于从多个卫星S接收基于卫星的位置数据。接收装置可以例如放置在上托架2b上，并且控制单元14可以基于接收到的基于卫星的位置数据来计算挖掘机1的实际位置。除了基于卫星的定位***GNSS之外或作为其替代，定位***15可以包括机载位置测量装置，例如全站仪17。
如上所述，与土方工程机械及其工具(例如，挖掘机1，特别是其铲斗11)的自动定位有关的问题是土方工程机械或类似移动式起重机的施工机械的测量或尺寸的变化。接下来公开的测量布置旨在消除上托架2b的旋转轴线4与动臂5的旋转轴线9之间的测量变化的影响，并且在这种意义上校准挖掘机1的控制。对于新的机械，测量布置和过程可以例如在机械交付之前在生产线的末端实施。对于使用过的机械，但是也对于新的机械，在将所述机械引入工作现场之前，可以例如在工作现场处实施测量过程。替代地，测量布置和过程可以在工作现场的持续时间期间的任何合适的时间实施。因此，生产线的末端或工作现场可以提供用于测量布置和过程的测量现场。
测量布置和过程利用或确定相对于上托架2b的旋转轴线4限定的虚拟的或示例性坐标系。在图3a至图3c中示意性地示出了坐标系，其中，以相对于旋转轴线4的各种旋转角度从上方非常示意性地示出了上托架2b。图3a、图3b、图3c的坐标系包括竖直定向的z轴线，用附图标记z表示。z轴线与挖掘机1的上托架2b的旋转轴线4重合，旋转轴线4由上托架2b的旋转轴3的中心提供。坐标系还包括x轴线，用附图标记x表示。x轴线是水平定向的轴，当从上方观察时，所述水平定向的轴垂直于z轴线，并且确定为平行于由动臂销8提供的提升轴线9。用附图标记20表示动臂销8的纵向中心点。坐标系还包括y轴线，用附图标记y表示。y轴线是水平定向的轴，所述轴垂直于z轴线和x轴线两者。
图4示意性地示出了测量布置的一些组件。测量布置包括定位布置，通过所述定位布置可以在测量现场确定挖掘机1的不同部件相对于彼此的位置。定位布置包括至少一个***，该***旨在确定这些位置。***可以是例如定位***15，其包括基于卫星的定位***GNSS，所述GNSS包括一个或多个卫星接收装置，例如，天线16。替代地，***可以是包括至少两个照相机23的定位***15。替代地，***可以是接入点或基站，例如，任何网络的3G移动网络的基站(eNodeB)，其中，使用三角测量的基于位置的服务或其任何其他合适方法是可能的。因此，天线16可以是用于向选择的任何网络的***发送数据和从其接收数据的天线。应当注意，与在工作时定位工作机械和工作机械的工具的定位***相比，***和整个定位布置在测量布置上可以是不同的。
***也可以是或包括至少一个测速仪、至少一个经纬仪或至少一个激光扫描装置。
定位布置还包括要被定位的至少一个第一点。因此，定位布置包括要被定位的一个第一点或两个或更多个第一点。第一点的特征是指该机械中的特定点，优选地，其可以在该机械中被单独识别。因此，至少一个第一点可以是在挖掘机1的托架2处的一个或更多个选择的点，其位置将在执行测量过程期间确定。至少一个第一点可以例如是天线16的头部或天线16的附接点、全站仪17的头部或附接点或上托架2b中的一些其他选择的或随机选择的点。替代地，可以使用标签、棱镜或适合于固定在挖掘机1中的特定点处的任何其他可检测物品、或可以通过在每个测量布置中使用的一个或更多个***能够检测到的挖掘机1中的任何特定点来识别要被定位的一个点。
定位布置还包括要被定位的至少一个第二点。因此，定位布置包括要被定位的一个第二点或两个或更多个第二点。第二点的特征是指该机械中的特定点，优选地，其可以在该机械中被单独识别。因此，至少一个第二点可以是在挖掘机1的动臂5处的一个或更多个选择的点，其位置将在执行测量过程期间确定。至少一个第二点例如可以是固定在动臂5的第一动臂部件5a中的特定点处的标签21或天线16。标签21的数量可以大于仅一个。
定位布置还包括位置数据收集单元，用于收集要被定位的至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值，不同位置数据测量值以围绕第一轴的不同旋转角度获取。在后面公开的图5a至图5c的示例中，第一轴是指上托架2b的旋转轴3，由此第一组至少三个不同位置数据测量值包括：至少一个第一点沿上托架2b围绕旋转轴线4的不同旋转角度在3D空间中的确定位置，正如图3a至图3c示意性地示出的，其中，上托架2b逆时针旋转。根据一个实施例，如果天线16的头部被选择为至少一个第一点，则要被定位的至少一个第一点的第一组位置数据测量值因此可以包括：天线16的头部在上托架2b围绕其旋转轴线4的不同旋转角度处的至少三个不同位置。如上所述，作为对天线16的替代，至少一个第一点可以由布置到上托架2b的至少一个标签21来确定，以指定上托架2b中的至少一个特定点。定位布置还包括：位置数据收集单元，其可以是与以上相同的位置数据收集单元，用于收集要被定位的至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值，不同位置数据测量值以围绕第二轴的不同旋转角度获取。在后面公开的图5a至图5c的示例中，第二轴是指动臂5的动臂销8，由此第二组至少三个不同位置数据测量值包括：至少一个第二点沿动臂5围绕旋转轴线9的不同旋转角度在3D空间中的确定位置。根据一个实施例，如果图1中布置到第一动臂部件5a上的标签21被选择为至少第二点，则要被定位的至少一个第二点的第二组位置数据测量值因此可以包括：标签21在动臂5围绕其旋转轴线9的不同旋转角度处的至少三个不同位置。动臂5的不同旋转角度可以参考图1中公开的动臂5的方向，其中有连续线和断线以及它们之间的中间方向。要被定位的至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值中的每一个不同位置数据测量值是在上托架2b的单一不变旋转角度下进行的，例如，在图3a中公开的上托架2b的旋转角度下。
上述位置数据收集单元例如可以经由无线或有线的数据通信连接连接到立体照相机布置22，并且可以位于控制单元14中。立体照相机布置22包括至少两个照相机23，当至少两个照相机23相对于彼此的位置和方向已知时，它们能够确定要通过三角测量监测的标签的3D位置。图2中示意性地公开了包括多个照相机23的立体照相机布置22。
测量布置还包括处理或计算单元，用于接收第一组位置数据测量值和第二组位置数据测量值作为输入，并且用于基于所接收的输入来确定第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向。为了清楚起见，在本说明中，确定和/或限定和/或计算第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向，意味着确定和/或限定和/或计算从第一轴的中心轴线的已知点到第二轴的中心轴线的已知点使用的坐标系中的三维位移以及所需的三个角度(例如，滚转、俯仰和偏转)，以准确地确定第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的位置。因此，当确定或可以确定固定连接以围绕第一轴旋转的装置和/或机械的至少一个点和/或地点的位置(所述点和/或地点在其坐标系中是已知的)，并且确定或者可以确定固定连接以围绕第二轴旋转的装置和/或机械的部件的旋转角度时，位于固定连接以围绕第二轴旋转的装置和/或机械的部件的已知位置中的机械和/或装置的至少一个点和/或地点的位置可以精确地固定和/或放置和/或设置和/或定位在同一坐标系中。参考以上图1、图2和图3a至图3c以及后面的图5a至图5c中公开的示例，处理单元可以例如是挖掘机1的控制单元14或者位于在挖掘机1的控制单元14中，由此控制单元14配置为接收指代天线16的头部和标签21的位置数据，并且基于其确定第一轴的中心轴线(即，上托架2b的旋转轴3的旋转轴线4)相对于第二轴的中心轴线(即，动臂销8的提升轴线9或旋转轴线9)的三维位置和方向。替代地，位置数据收集单元、处理或计算单元以及控制单元中的一个或更多个可以在挖掘机1的外部。
根据一个实施例，标签21可以是闪烁的光源，由此不同的标签21可以是以不同频率闪烁的光源。在这种情况下，如果挖掘机1中的特定标签21的位置没有被特别指向或教导到立体照相机布置22，则可以在立体照相机布置22的视图中单独地识别具有不同闪烁频率的每个光源。
根据一个实施例，标签21可以是反射器球(reflector ball)。每个照相机23确定其发现或看到的每个反射器球的方向，并且通过使用三角测量确定这些标签21在立体照相机布置22的坐标系中的坐标。照相机23可以包含IR光源以更容易地检测反射器球。如果将反射器球用作标签21，则两个或更多个照相机23可以确定到反射器球中心的方向，由此通过三角测量可以确定作为反射器球实现的标签21的坐标或位置，并且由此，可以用两个或更多个照相机23可靠地确定挖掘机1中的特定点的坐标或位置。
根据一个实施例，每个标签21可以是一个或更多个光源和一个或更多个反射器球的组合。
根据一个实施例，每个标签21可以是aruco标记(aruco marker)或QR码，例如要确定其一个或更多个角的位置。替代地，确定aruco标记或QR码的任一点的位置，或确定aruco标记或QR码的任一点的位置和方向。aruco标记和QR码都包括一个图案，通过该图案可以识别标记或代码。
根据一个实施例，标签21可以是不同形状的标签的组合，例如，三角形、正方形、菱形或指向不同方向的两个标签的线段等。可以使用不同形状来识别特定标签，并由此识别挖掘机1中的特定点。
可以通过立体照相机布置22自动识别不同的标签。自动识别可以例如是基于标签的不同形状、不同的QR码或aruco标记以及由光源提供的标签的不同闪烁频率，正如以上公开的。因此，标签的标识可以是基于标签的各个特性。
还可以基于标签相对于彼此的位置和/或相对于立体照相机布置22中的特定照相机23的位置来自动识别不同的标签。
还可以响应于在每种情况下要被监测的特定标签到立体照相机布置22的手动指向或教导由立体照相机布置22来识别不同的标签。
如果使用测速仪作为***，则还可以用至少一个棱镜代替至少一个标签。
测量第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向的方法包括：附接要由至少一个***定位并能够围绕第一轴旋转的至少一个第一点；附接要由至少一个***定位并能够围绕第二轴旋转的至少一个第二点；由至少一个***测量至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值，所述不同位置数据测量值以围绕第一轴的不同旋转角度来获取；由至少一个***测量至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值，所述不同位置数据测量值以围绕第二轴的不同旋转角度来获取；并且基于第一组至少三个不同位置数据测量值和第二组至少三个不同位置数据测量值，确定第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向。
根据一个实施例，第一轴的中心轴线(即，上托架2b的旋转轴3的旋转轴线4)相对于第二轴的中心轴线(即，动臂销8的旋转轴线9)的三维位置和方向可以通过以下过程确定，尤其参见图5a至图5c，还参见图1、图2、图3a至图3c和图4。所述过程利用矢量分析，并由处理单元或计算单元(例如，控制单元14)来执行。
首先，参见图5a，处理单元配置为基于第一组位置数据测量值中的每个不同位置测量值来限定第一平面P1。图5a的第一组位置数据测量值包括第一点(即，上托架2b中的特定点，例如，天线16的头部)的三个位置数据测量值M11、M12、M13，每个位置数据测量值M11、M12、M13在上托架2b围绕旋转轴3的旋转轴线4的不同旋转角度下进行，正如图3a至图3c示意性地示出的。位置数据测量值M11、M12、M13可以通过图4的定位布置来进行，所述定位布置包括图2中示意性示出的立体照相机布置22。第一平面P1是由第一组位置数据测量值M11、M12、M13确定的平面，形成位置数据测量值M11、M12和M13之间的三个矢量，呈现例如矢量M11到M12、M12到M13和M13到M11。这些矢量限定平面P1。参见图3a至图3c中所示的机械坐标系，如果在位置数据测量期间上托架2b不摆动，则第一平面P1是垂直于z轴线的平面。如果在至少一个位置数据测量期间上托架2b摆动，则确定的第一平面将不完全垂直于z轴线。通过在第一组位置数据测量的时间内将动臂布置设置到这样的位置：使得也考虑动臂布置的上托架2b的重心不太靠近第一轴的假定中心轴线，可以防止摆动。此外，可以通过采取实质上超过三个的位置数据测量值来排除可能的不正确测量值。第一组以及第二组位置数据测量值可以包含数十、数百或甚至数千个位置数据测量值，其中可以通过使用例如统计学来排除不正确的测量值。
其次，进一步参见图5a，处理单元配置为基于第二组位置数据测量值中的每个不同位置测量值来限定第二平面P2’。图5a的第二组位置数据测量值包括一个第二点(即，动臂5中的特定点，例如，第一动臂部件5a中的标签21)的三个位置数据测量值M21、M22、M23，每个位置数据测量M21、M22、M23在动臂5围绕动臂销8的旋转轴线9的不同旋转角度下进行，正如图1示意性地示出的。位置数据测量值M21、M22、M23可以通过图4的定位布置来进行，所述定位布置包括图2中示意性示出的立体照相机布置22。第二平面P2’是由第二组位置数据测量值M21、M22、M23确定的平面，形成位置数据测量值M21、M22和M23之间的三个矢量，呈现例如矢量M21到M22、M22到M23和M23到M21。这些矢量限定了与第二轴(即，动臂销8)的中心轴线垂直的平面P2’。如果动臂销8的方向不完全平行于图3a至图3c的机械坐标系中的x轴线，则平面P2'是被选择为平行于y轴线但不一定垂直于x轴线的平面。
第三，现在参见图5b，处理单元配置为限定与第一平面P1和y轴线垂直的第三平面P3。因此，垂直于y轴线的方向是图3a至图3c中所示的机械坐标系中的第三平面P3的方向。在图5b中示意性地示出第三平面P3。参见图3a至图3c中所示的机械坐标系，第三平面P3是在图3a至图3c的坐标系中与x轴线和z轴线平行的平面。最后，处理单元配置为限定与第一平面P1和第三平面P3垂直的第二平面P2。
在确定第一平面P1、第二平面P2和第三平面P3之后，处理单元配置为确定第一轴，其中，第一轴垂直于第一平面P1并且在第一交点处与第一平面P1相交，第一交点是由第一组位置数据测量值M11、M12、M13限定的旋转中心。因此，第一轴是上托架2b的旋转轴3的旋转中心，即，上托架2b的旋转轴线4，并且旨在与图3a至图3c的机械坐标系中的z轴线相对应。因此，第一轴可以表示为对应于图3a至图3c的机械坐标系的z轴线，因此，在图5b中用附图标记z表示第一轴与第一平面P1的交点。参见前一段，这进而使得x轴线与y轴线和z轴线垂直，因为平面P3与第一平面P1和第二平面P2垂直。
在确定第一轴(即，z轴线)之后，处理单元配置为确定第二轴，其中，第二轴垂直于平面P2’并且在第二交点处与平面P2’相交，第二交点是由第二组位置数据测量值M21、M22、M23限定的旋转中心。因此，第二轴是动臂5的动臂销8的旋转中心，即，动臂5的旋转轴线9，并且因为第二轴是由动臂5的旋转轴线9提供的，当收集到第二组位置数据测量值M21、M22、M23时，第二轴正好垂直于平面P2’。因此，如图3a至图3c所示，第二轴线提供与从上方观察的机械坐标系的x轴线平行的轴线，并因此第二轴线可以与图3a至图3c的机械坐标系的x轴线相等。因此，在图5b中用附图标记x表示第二轴线与平面P2'的交点。第二轴线被选择为平行于第三平面P3，进而所述第三平面被选择为垂直于第一平面P1，这使得第二平面P2与第一平面P1和第三平面P3垂直，由此，x轴线垂直于z-y平面。
之后，处理单元确定第一轴与第二轴在第三平面P3上的方向角，所述方向角被限定为第一轴线与第二轴线在第三平面P3上的垂直投影之间的角，即，挖掘机1中的方向角接近90度。在图5b中非常示意性地示出了这些第一轴或z轴线和第二轴在第三平面P3上的投影x’、z’的原理。可以通过使用矢量计算来确定所述角，矢量计算是不在本发明范围之内的公知数学过程，因此，将不详细公开。
之后，处理单元配置为通过计算从第二交点x到平面P3'的最短距离来确定平面P3'与提升轴线9之间的最短距离，其中平面P3'是与第三平面P3平行并设置到包含第一轴作为子集的水平的平面，正如图5c示意性地示出的。换句话说，参见图5c，在此步骤中，第三平面P3将被投影为穿过z轴线，由此平面P3'与提升轴线9之间的最短距离是沿y轴线方向从第二交点x到投影为穿过z轴线的平面P3'的距离。因此，在图5c中用附图标记P3'表示投影的第三平面。在图5c中用附图标记D示意性地表示平面P3'与第二轴的旋转中心之间的最短距离。
因此，以上公开的计算过程确定了包含动臂销8的旋转中心作为子集的提升轴线9的位置和方向，并由此确定了动臂5的旋转轴线9相对于上托架2b的旋转轴3的旋转中心的旋转轴线4的位置和方向。
根据一个实施例，至少一个第一点与至少一个第二点相同。这意味着，最初被选择为第二点并且位于动臂5中的至少一个特定点也可以确定为至少一个第一点。根据本实施例，挖掘机1例如可以包括上托架2b中的至少两个天线16或标签21以及动臂5中的至少一个天线16或标签21，由此，所有这些装置可以用于测量第一组至少三个不同位置数据测量值M11、M12、M13，由此还可以识别和确定挖掘机1的可能倾斜度。在本实施例中，将动臂5中的天线16或标签21放入第一点的组中时应小心，因为在这种情况下，动臂5不应该在至少三个不同位置数据测量值M11、M12、M13之间相对于上托架2b移动。
根据一个实施例，定位布置包括要被定位的至少两个第一点，其中，至少两个第一点中的至少一个位于与第一轴的估计位置基本不同的半径中，而与至少两个第一点中的至少另一个不同。根据本实施例，可以通过使用元件来确定土方工程机械的倾斜角度，所述元件在距第一轴的旋转中心不同的径向距离处识别土方工程机械特定点。根据本实施例，因此，可以有至少两个天线16和/或标签21或一些其他元件，以在离上托架2b的旋转轴3的旋转轴线4的不同径向距离处识别机械中的特定点，由此可以例如基于相应点在上托架2b的旋转轴3的旋转轴线4上(即，图3a至图3c所示坐标系中的z轴线上)的垂直投影的位置来识别和确定挖掘机1的可能倾斜度。
根据一个实施例，定位布置包括要被定位的至少两个第二点，其中，至少两个第二点中的至少一个位于与第二轴的估计位置基本不同的半径中，而与至少两个第二点中的至少另一个不同。根据本实施例，可以通过使用元件在位置数据测量值之间来确定土方工程机械的倾斜角度变化，即，摆动，所述元件在距第二轴的旋转中心不同的径向距离处识别土方工程机械特定点。根据本实施例，例如，在上托架2b中可以存在至少两个天线16和/或标签21或一些其它元件，以在距动臂5的旋转轴线9的不同径向距离处识别机械中的特定点。另外，至少两个天线16和/或标签21或一些其他对应的元件也可以位于相对于彼此不同的上升平面上。然后，可以确定至少两个天线16和/或标签21或一些其它对应的元件之间的线段，并且可以基于该线段法向末端在上托架2b的旋转轴3的旋转轴线4处的位置(即，在图3a至图3c所示坐标系中的z轴线上的位置)而在位置数据测量值之间识别和确定挖掘机1的可能倾斜角度变化，即，摆动。
根据一个实施例，位置数据收集单元还配置为收集关于每个位置数据测量值的倾斜数据，并且处理单元还配置为接收关于每个位置数据测量值的倾斜角度数据作为输入。根据本实施例，位置数据收集单元可以包括例如布置在挖掘机1的上托架2b处的特定倾斜传感器，并且位置数据收集单元连接到处理单元，例如，控制单元14，以提供关于每个位置数据测量值M11、M12、M13、M21、M22、M23的倾斜角度数据作为输入。换句话说，可以由用于每个位置数据测量值M11、M12、M13、M21、M22、M23的倾斜传感器在与产生实际位置数据测量值M11、M12、M13、M21、M22、M23完全相同的时间确定挖掘机1的倾斜数据。
根据一个实施例，第一轴是土方工程机械的旋转上托架2b的旋转轴3，并且第二轴是土方工程机械的动臂销8，其中，动臂销8是将动臂5附接到旋转上托架2b上的销。
根据一个实施例，至少一个第一点是用于任何定位***的天线16的附接点。例如，参见图1和图2的示例，如以上公开的天线16的附接点或天线16的头部可以提供第一点，当进行第一组M11、M12、M13和/或第二组M21、M22、M23位置数据测量中的至少一个时，要测量第一点的位置。上面已经列出了一些定位***。
根据测量布置的一个实施例，要被定位的至少一个第一点位于旋转的上托架2b中，并且要被定位的至少一个第二点位于动臂中，并且定位布置进一步包括在土方工程机械的下托架2a中的至少三个第四点。下托架2a中的至少三个第四点可以随机设置到下托架2a上，尽管至少三个第四点可以不设置为位于一条线上。通过使用至少三个第四点，可以提供在图1中的下托架2a中示意性地示出的坐标系19，相对于该坐标系19，可以确定上托架2b中的至少一个第一点的位置和/或动臂5中的至少一个第二点的位置。至少三个第四点可以是例如要由至少一个立体照相机布置22定位的标签21。此外，根据本实施例，位置数据收集单元进一步配置为：在要被定位的至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值M11、M12、M13中，收集在相应的不同旋转角度中的至少三个第四点的位置数据测量值作为至少一个第一点。因此，在要被定位的至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值M11、M12、M13的每一个测量数据的时间内，还测量至少三个第四点的位置数据测量值作为参考测量数据值M41、M42、M43，以在至少三个不同位置数据测量值M11、M12、M13中的每一个之间，补偿上托架2b相对于下托架2a的可能摆动和/或下托架2a相对于地面的可能移动。此外，根据本实施例，处理单元进一步配置为接收在相应的不同旋转角度中的至少三个第四点的位置数据测量值M41、M42、M43作为输入，作为至少一个第一点的位置数据测量值M11、M12、M13。通过本实施例，可以确定：在上托架2b的至少三个不同位置之间(即，在与进行第一组至少三个不同位置数据测量完全相同的时间，在上托架2b的每个相应的不同旋转角度处)，上托架2b相对于下托架2a的倾斜角度变化，即，摆动或任何其他不希望的移动。
根据测量布置的一个实施例，要被定位的至少一个第二点位于动臂中，并且旋转的上托架包括至少三个第三点，其中，位置数据收集单元进一步配置为：在要被定位的至少一个第二点的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值M21、M22、M23中，收集在相应的不同旋转角度中的至少三个第三点的位置数据测量值作为至少一个第二点的位置数据测量值。上托架2b中的至少三个第三点可以随机设置到上托架2b上，尽管至少三个第三点可以不设置为位于一条线上。替代地，至少三个第三点中的至少一个可以与至少一个第一点相同。通过使用至少三个第三点，可以提供在图1中的上托架2b中示意性地示出的坐标系18，相对于该坐标系18，可以确定动臂5中的至少一个第二点的位置。至少三个第三点可以是例如要由至少一个立体照相机布置22定位的标签21。因此，在要被定位的至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值M21、M22、M23的每一个测量数据的时间内，还测量至少三个第三点的位置数据测量值作为参考测量数据M31、M32、M33，以在至少三个不同位置数据测量值M21、M22、M23中的每一个之间，补偿上托架2b相对于下托架2a或地面的可能摆动或任何其他不希望的移动。在图1中示意性地示出动臂5的两个旋转角度。处理单元进一步配置为接收在相应的不同旋转角度中的至少三个第三点的位置数据测量值作为输入，作为至少一个第二点的位置数据测量值。通过本实施例，可以确定：在动臂5的至少三个不同位置中的每一个之间(即，在与进行第二组至少三个不同位置数据测量完全相同的时间，在动臂5的每个相应的不同旋转角度处)，上托架2b相对于下托架2a或地面的倾斜角度变化，即，摆动或任何其他不希望的移动。
根据一个实施例，在要被定位的至少一个第一点中的每一个的第一组位置数据测量值M11、M12、M13的每一个测量数据的时间内，和/或在要被定位的至少一个第二点中的每一个的第二组位置数据测量值M21、M22、M23的每一个测量数据的时间内，还测量了作为参考测量数据值M31、M32、M33的至少三个第三点和作为参考测量数据值M41、M42、M43的至少三个第四点的位置数据测量值，以补偿动臂5相对于上托架2b和/或下托架2a和/或地面的可能摆动或任何其他不希望的移动，和/或以补偿上托架2b相对于下托架2a和/或地面的可能摆动或任何其他不希望的移动。
根据测量布置的一个实施例，至少一个第一点和至少一个第三点中的至少一个是用于任何定位***的天线16的附接点。
根据一个实施例，测量布置进一步配置为：相对于第二轴中的确定点，以三维的方式确定土方工程机械的至少一个3D点，并且位置数据收集单元进一步配置为：收集要相对于至少一组位置数据测量值定位的至少一个3D点的第三组位置数据测量值和从至少一组位置数据测量值呈现的信息。在本实施例中，第二轴中的确定点例如可以是动臂销8的轴向中心点。当第二平面P2设置到包含作为子集的第一轴或z轴线的水平时，第二轴中的确定点还可以用于确定例如动臂销8的轴向中心点与第二平面P2的距离。每一组位置数据测量值限定三维空间以及三维空间中的点。因此，要被定位的确定的3D点可以通过使用任一组位置数据测量值或由此呈现的数据来定位。如果关于至少三个第三点的参考测量数据M31、M32、M33不可用，则立体照相机布置22和土方工程机械都不能改变第三组至少一个位置数据测量值与确定3D点的位置要用的测量值之间的位置。
根据测量布置的一个实施例，确定的至少一个3D点是用于任何定位***的天线16的附接点或位于机械上的定位设备的附接点，例如，立体照相机布置或全站仪等。因此，在本实施例中，例如，可以相对于动臂销8的轴向中心点来确定例如要附接到挖掘机1的天线的三维位置。相应地，挖掘机1中与任何其它点相关的任何点可以通过该布置以三维方式定位，所述布置考虑到立体照相机布置的至少两个照相机能够检测或看到要被定位的点。
根据测量布置的一个实施例，至少一个第一点和至少一个第二点是要由至少一个立体照相机布置22定位的标签21。
根据测量布置的一个实施例，至少一个立体照相机布置22包括位于相对于彼此已知的位置中的至少两个照相机23。
挖掘机1是可以与本文公开的测量布置结合使用的移动土方工程机械的示例。除了像这样的挖掘机之外，本文公开的测量布置也可以用于例如移动式起重机中，所述移动式起重机包括布置为相对于移动式起重机的其余部分旋转的托架部件，并且其中，可旋转托架部件包括可以相对于动臂销升降的提升臂，所述动臂销布置为将动臂连接到可旋转托架部件上。在像这种移动式起重机中，本公开的解决方案还用于确定动臂销相对于可旋转托架部件的旋转轴的位置和方向，因此更容易确定起重机的两个关键部件的关系，并提高起重机吊钩的定位精度，所述吊钩提供起重机的工作工具。以上公开的测量布置和过程在移动式起重机中基本上相似。此外，测量布置适合具有至少两个旋转轴线的任何机械，所述两个旋转轴线的关系需要在三维空间中确定。
本领域技术人员将清楚地看到，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围之内变化。

Claims (20)

1.一种用于机械的测量布置，其用于测量机械的第一轴的中心轴线相对于机械的第二轴的中心轴线的三维位置和方向，其特征在于，所述测量布置包括定位布置，
所述定位布置包括
至少一个***；
要被所述至少一个***定位、并能够绕所述第一轴旋转的至少一个第一点；
要被所述至少一个***定位、并能够绕所述第二轴旋转的至少一个第二点；以及
位置数据收集单元，所述位置数据收集单元用于收集
要被定位的所述至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值，所述不同位置数据测量值以围绕所述第一轴的不同旋转角度获取；以及
要被定位的所述至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值，所述不同位置数据测量值以围绕所述第二轴的不同旋转角度获取；
所述测量布置还包括
处理单元，所述处理单元用于
接收所述第一组位置数据测量值和所述第二组位置数据测量值作为输入，并且
基于接收的输入数据，确定所述第一轴的中心轴线相对于所述第二轴的中心轴线的三维位置和方向。
2.如权利要求1所述的测量布置，其特征在于
所述至少一个第一点与所述至少一个第二点相同。
3.如权利要求1所述的测量布置，其特征在于
所述定位布置包括要被定位的至少两个第一点，其中，所述至少两个第一点中的至少一个位于与所述第一轴的估计位置不同的半径中，而与所述至少两个第一点中的至少另一个不同。
4.如权利要求1所述的测量布置，其特征在于
所述定位布置包括要被定位的至少两个第二点，其中，所述至少两个第二点中的至少一个位于与所述第二轴的估计位置不同的半径中，而与所述至少两个第二点中的至少另一个不同。
5.如权利要求3所述的测量布置，其特征在于
所述位置数据收集单元进一步配置为收集关于每个所述位置数据测量值的倾斜角度数据；并且
所述处理单元进一步配置为
接收关于每个所述位置数据测量值的倾斜角度数据作为输入。
6.如权利要求4所述的测量布置，其特征在于
所述位置数据收集单元进一步配置为收集关于每个所述位置数据测量值的倾斜角度数据；并且
所述处理单元进一步配置为
接收关于每个所述位置数据测量值的倾斜角度数据作为输入。
7.如权利要求1所述的测量布置，其特征在于
所述机械是土方工程机械，其包括下托架、能够相对于所述下托架旋转的上托架、以及连接到所述上托架的动臂，
所述第一轴是所述土方工程机械的旋转的上托架的旋转轴，并且所述第二轴是所述土方工程机械的动臂销，其中，所述动臂销是将动臂附接到旋转的上托架上的销，其中，所述动臂能够围绕一提升轴线相对于上托架升高和降低。
8.如权利要求1所述的测量布置，其特征在于，所述至少一个第一点是用于任何定位***的天线的附接点。
9.如权利要求7所述的测量布置，其特征在于
要被定位的所述至少一个第一点位于所述上托架中，并且要被定位的所述至少一个第二点位于所述动臂中，
所述定位布置进一步包括在所述土方工程机械的下托架中的至少三个第四点，其中
所述位置数据收集单元进一步配置为：在要被定位的所述至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值中，收集在相应的不同旋转角度中的至少三个第四点的位置数据测量值作为所述至少一个第一点，并且
所述处理单元进一步配置为接收在相应的不同旋转角度中的所述至少三个第四点的位置数据测量值作为输入，作为所述至少一个第一点的位置数据测量值。
10.如权利要求7所述的测量布置，其特征在于
要被定位的所述至少一个第二点位于所述动臂中，并且所述上托架包括至少三个第三点，并且其中
所述位置数据收集单元进一步配置为：在要被定位的所述至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值中，收集在相应的不同旋转角度中的至少三个第三点的位置数据测量值作为所述至少一个第二点的位置数据测量值，并且
所述处理单元进一步配置为接收在相应的不同旋转角度中的所述至少三个第三点的位置数据测量值作为输入，作为所述至少一个第二点的位置数据测量值。
11.如权利要求10所述的测量布置，其特征在于，所述至少一个第一点和至少一个第三点中的至少一个是用于任何定位***的天线的附接点。
12.如权利要求7所述的测量布置，其特征在于
所述测量布置进一步配置为：相对于所述第二轴中的确定点，以三维的方式确定所述土方工程机械的至少一个3D点，其中
所述位置数据收集单元进一步配置为收集
要相对于至少一组位置数据测量值的至少一个定位的至少一个3D点的第三组至少一个位置数据测量值和从所述至少一组位置数据测量值呈现的信息。
13.如权利要求12所述的测量布置，其特征在于
所述至少一个3D点是以下至少一个的附接点：任何定位***的天线和用于所述土方工程机械的定位装置。
14.如权利要求12所述的测量布置，其特征在于
当将所述至少一个3D点选择为土方工程机械的动臂销的轴向中心点时，所述动臂销的轴向中心点的位置可以在坐标系中的x-y平面上确定，其中所述上托架的旋转轴线被选择为z轴线，并且y轴线被选择为垂直于所述z轴线和所述动臂销两者，并且x轴线被选择为垂直于所述z轴线和所述y轴线。
15.如权利要求1所述的测量布置，其特征在于，所述至少一个第一点和所述至少一个第二点是以下至少一个：要由所述至少一个***中的至少一个定位的标签、棱镜和天线，其中，所述至少一个***是以下至少一个：至少一个立体照相机布置、至少一个速测仪、至少一个经纬仪、至少一个激光扫描装置、基于卫星的定位***GNSS和能够使用三角测量的基于位置服务的任何网络。
16.如权利要求9所述的测量布置，其特征在于
所述至少三个第四点是要由所述至少一个***中的至少一个定位的标签和棱镜中的至少一个，其中，所述至少一个***是以下至少一个：至少一个速测仪、至少一个经纬仪、至少一个激光扫描装置和至少一个立体照相机布置。
17.如权利要求10所述的测量布置，其特征在于
所述至少三个第三点是要由所述至少一个***中的至少一个定位的标签和棱镜中的至少一个，其中，所述至少一个***是以下至少一个：至少一个速测仪、至少一个经纬仪、至少一个激光扫描装置和至少一个立体照相机布置。
18.如权利要求15所述的测量布置，其特征在于
所述至少一个立体照相机布置中的至少一个包括位于相对于彼此已知的位置和方向中的至少两个照相机。
19.如权利要求15所述的测量布置，其特征在于
所述至少一个立体照相机布置中的至少一个是独立的立体照相机布置，所述独立的立体照相机布置包括位于相对于彼此已知的位置和方向中的两个照相机。
20.一种测量第一轴的中心轴线相对于第二轴的中心轴线的三维位置和方向的方法，其特征在于，所述方法包括：
附接要由至少一个***定位并且能够围绕所述第一轴旋转的至少一个第一点；
附接要由至少一个***定位并且能够围绕所述第二轴旋转的至少一个第二点；
由所述至少一个***测量所述至少一个第一点中的每一个的第一组至少三个不同位置数据测量值，所述不同位置数据测量值以围绕所述第一轴的不同旋转角度获取；
由所述至少一个***测量所述至少一个第二点中的每一个的第二组至少三个不同位置数据测量值，所述不同位置数据测量值以围绕所述第二轴的不同旋转角度获取；
基于所述第一组至少三个不同位置数据测量值和所述第二组至少三个不同位置数据测量值，确定所述第一轴的中心轴线相对于所述第二轴的中心轴线的三维位置和方向。
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