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形成限定第一相對參考系的網(wǎng)格的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及形成限定第一相對參考系的網(wǎng)格的方法。具體而言，本發(fā)明提供了一種從第一物體將多個調制線投射到空間中以形成限定第一相對參考系網(wǎng)格的方法(100)，方法(100)包括從第一物體將水平網(wǎng)格線投射空間中，該水平網(wǎng)格線包括具有第一定向的偏振光(102)，并從第一物體將豎直網(wǎng)格線投射到空間中，該豎直網(wǎng)格線包括具有與第一定向不同的第二定向的偏振光(104)，并調制水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線，以分別攜帶第一和第二網(wǎng)格字(106和108)。
【專利說明】形成限定第一相對參考系的網(wǎng)格的方法

【背景技術】
[0001]相對導航系統(tǒng)對于諸如倉庫或工廠環(huán)境、空中加油和空間對接中的各種應用(諸如自主車輛導航)是很有用的。在某些應用中，只需要兩個物體之間的距離。在其他應用中，需要兩個物體之間的距離和相對姿勢(俯仰(pitch)、偏轉(yaw)和側傾(roll))兩者。在這種應用中，高可靠性、低重量和低成本可為合乎需要的。


【發(fā)明內容】

[0002]在一個實施例中，本發(fā)明涉及一種從第一物體將多個調制線投射到空間中以形成限定第一相對參考系的網(wǎng)格的方法，該方法包括投射具有第一定向的偏振光以形成從第一物體投射到空間中的水平網(wǎng)格線，投射具有與第一定向不同的第二定向的偏振光以形成從第一物體投射到空間中的豎直網(wǎng)格線，調制水平網(wǎng)格線以攜帶由多個調制位組成的第一網(wǎng)格字(grid word)，以通過調制的第一網(wǎng)格字來識別網(wǎng)格內的水平網(wǎng)格線，并調制豎直網(wǎng)格線以攜帶與第一網(wǎng)格字不同的由多個調制位組成的第二網(wǎng)格字，以通過調制的第二網(wǎng)格字來識別網(wǎng)格內的水平網(wǎng)格線。
[0003]一種從第一物體將多個調制線投射到空間中以形成限定第一相對參考系的網(wǎng)格的方法，方法包括:投射具有第一定向的偏振光，以形成從第一物體投射到空間中的水平網(wǎng)格線；投射具有與第一定向不同的第二定向的偏振光，以形成從第一物體投射到空間中的豎直網(wǎng)格線；調制水平網(wǎng)格線以攜帶由多個調制位組成的第一網(wǎng)格字，以通過該調制的第一網(wǎng)格字來識別網(wǎng)格內的水平網(wǎng)格線；和調制豎直網(wǎng)格線以攜帶由多個調制位組成的第二網(wǎng)格字，以通過該調制的第二網(wǎng)格字來識別網(wǎng)格內的水平網(wǎng)格線。
[0004]優(yōu)選地，水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線交叉，以形成網(wǎng)格的一部分。
[0005]優(yōu)選地，該方法還包括將額外的交叉水平和豎直網(wǎng)格線投射到空間中，以形成網(wǎng)格的額外部分。
[0006]優(yōu)選地，額外的交叉水平和豎直網(wǎng)格線在空間中彼此物理地間隔開。
[0007]優(yōu)選地，投射水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線包括從發(fā)射單個光束的照明源投射。
[0008]優(yōu)選地，該方法還包括使單個光束行進穿過射束成形器。
[0009]優(yōu)選地，照明源是激光器。
[0010]優(yōu)選地，投射該線還包括利用檢流計來掃描光束，以形成水平和豎直網(wǎng)格線中的至少一個。
[0011]優(yōu)選地，使單個光束偏振以利用偏振光形成水平和豎直網(wǎng)格線中的至少一個。
[0012]優(yōu)選地,投射具有第一定向的偏振光包括投射具有第一定向的偏振光束。
[0013]優(yōu)選地，具有第一定向的偏振光束從偏振射束分裂器的對角線界面反射，以形成水平網(wǎng)格線。
[0014]優(yōu)選地,投射具有第二定向的偏振光包括投射具有第二定向的偏振光束。
[0015]優(yōu)選地，具有第二定向的偏振光束行進穿過偏振射束分裂器，以形成豎直網(wǎng)格線。
[0016]優(yōu)選地，第二字與第一字不同。
[0017]優(yōu)選地，水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線包括具有相同定向的偏振光。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]在圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的第一和第二物體的示意圖，第一和第二物體各自具有它們自己的相對參考系，并且能夠導航。
[0019]圖2是流程圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的將網(wǎng)格投射到空間中的方法。
[0020]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的網(wǎng)格發(fā)生器的示意圖，網(wǎng)格發(fā)生器能夠投射水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線。
[0021]部件列表
10網(wǎng)格發(fā)生器
12透射場
14第一網(wǎng)格
16第二網(wǎng)格
18第一豎直線
20第二豎直線
22第一水平線
24第二水平線
26點
28第一豎直線
30第二豎直線
32第一水平線
34第二水平線
36點
38檢測器模塊
100方法
102投射
104投射
106調制
108調制
200網(wǎng)格發(fā)生器
202射束發(fā)生器
204激光器
206射束成形器(beam shaper)
208檢流計(galvanometer)
210反射鏡
212檢流計驅動器
214偏振轉子
216同步器 220偏振射束分裂器
222第一反射鏡
224第二反射鏡。

【具體實施方式】
[0022]圖1示出第一物體或網(wǎng)格發(fā)生器10，其在透射場12中將網(wǎng)格(諸如多個交叉線)投射到空間中。如圖所示，投射的網(wǎng)格包括交叉線。在遠離網(wǎng)格發(fā)生器10的某距離處，這些交叉線觀察為空間中的網(wǎng)格，其中網(wǎng)格的尺寸遠離網(wǎng)格發(fā)生器10而增大。
[0023]出于描述目的，網(wǎng)格發(fā)生器10可被認為是基本上在所示坐標系統(tǒng)的y方向上投射交叉線。如果一個人將在X-Z平面中在遠離網(wǎng)格發(fā)生器10的某距離R1處觀察交叉線的投射，那么他將觀察到第一網(wǎng)格14。如果一個人將在距離R2(其在x-z平面中大于第一距離R1)處觀察相同的交叉線投射，那么他將觀察到第二網(wǎng)格16，其顯得相對大于第一網(wǎng)格14。
[0024]遠離網(wǎng)格發(fā)生器10的距離R1處的第一網(wǎng)格14在水平方向上由第一豎直線18和第二豎直線20空間地約束。存在在第一豎直線18與第二豎直線20中間空間和時間地生成的多個豎直線。遠離網(wǎng)格發(fā)生器10的距離R1處的第一網(wǎng)格14在豎直方向上由第一水平線22和第二水平線24空間地約束。在第一水平線22與第二水平線24之間空間和時間地存在多個水平線。距離R1可為第一網(wǎng)格14與網(wǎng)格發(fā)生器10之間的任何距離。出于方便起見，如圖所示，該距離確定在第一網(wǎng)格14上的點26與網(wǎng)格發(fā)生器10之間。
[0025]遠離網(wǎng)格發(fā)生器10的距離R2處的第二網(wǎng)格16出于全面實用目的而與第一網(wǎng)格14相同，但與第一網(wǎng)格14相比處于離網(wǎng)格發(fā)生器10更遠距離處。第二網(wǎng)格16在水平方向上由第二網(wǎng)格16的第一豎直線28和第二網(wǎng)格16的第二豎直線30空間地約束。存在在第二網(wǎng)格16的第一豎直線28與第二網(wǎng)格16的第二豎直線30中間空間和時間地生成的多個豎直線。遠離網(wǎng)格發(fā)生器10的距離R2處的第二網(wǎng)格16在豎直方向上由第二網(wǎng)格16的第一水平線32和第二網(wǎng)格16的第二水平線34空間地約束。在第二網(wǎng)格的第一水平線32與第二網(wǎng)格16的第二水平線34之間空間和時間地存在多個水平線。示出了第二網(wǎng)格16上的點36。
[0026]在投射網(wǎng)格線的情況下，網(wǎng)格14和16的相似性變得明顯，其中第二網(wǎng)格16由形成第一網(wǎng)格14的相同的線形成，只是在離網(wǎng)格發(fā)生器10更遠距離處觀察到第二網(wǎng)格16，從而使得第二網(wǎng)格16顯得大于第一網(wǎng)格14。從該意義上來說，第二網(wǎng)格16是由網(wǎng)格發(fā)生器10在距離R2處生成的網(wǎng)格線的外觀，而第一網(wǎng)格14是距離Rl處的網(wǎng)格線的外觀。
[0027]網(wǎng)格14和16可具有任何數(shù)量的線。如圖所示，它們由十個豎直線挨著十個水平線組成。對于固定的透射場12和離網(wǎng)格發(fā)生器10的距離而言，與由更少數(shù)量的交叉線組成的網(wǎng)格相比，由更大數(shù)量的交叉線組成的網(wǎng)格可產(chǎn)生改進的檢測角度分辨率。網(wǎng)格14和16被描繪為方形形狀，但這不是本發(fā)明的方法和裝置的要求。網(wǎng)格可以是任何形狀，包括矩形、橢圓形或圓形。此外，網(wǎng)格14和16的交叉線被描繪為正交的；然而，這不是本發(fā)明的方法和裝置的要求。在網(wǎng)格的不同部分中，交叉線之間的角度可為直角、銳角或鈍角。
[0028]雖然所示的示例使用笛卡爾坐標，但是對于網(wǎng)格生成和網(wǎng)格檢測兩者，可使用任何合適的坐標系統(tǒng)，包括極坐標、圓柱坐標或球面坐標系統(tǒng)。例如，為了形成遵從極坐標表示法的網(wǎng)格，一系列同心圓和從那些圓的中心輻射出的線可由網(wǎng)格發(fā)生器投射到空間中。
[0029]第二物體或檢測器模塊38可位于網(wǎng)格發(fā)生器10的透射場12內，從而使檢測器模塊38能夠“看見”網(wǎng)格。檢測器模塊38可以任何合適的方式構造以“看見”網(wǎng)格。
[0030]本發(fā)明的實施例包括從第一物體或網(wǎng)格發(fā)生器將多個調制線投射到空間中，以形成限定第一相對參考系的網(wǎng)格。根據(jù)本發(fā)明的實施例，圖2示出可用于將網(wǎng)格投射到空間中的方法100。將懂得的是，用語“空間”并不局限于外部空間，且網(wǎng)格可投射到包括室內和室外的任何合適的空間中。該方法100在102處始于投射具有第一定向的偏振光以形成從第一物體投射的水平網(wǎng)格線。在步驟104處，具有與第一定向不同的第二定向的偏振光可投射，以形成從第一物體投射的豎直網(wǎng)格線。水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線可交叉，以形成網(wǎng)格的一部分。
[0031 ] 當在本說明書中使用用語偏振時，它的意思是指在光波傳播時由光的電場的定向限定的光偏振狀態(tài)。光偏振狀態(tài)可在兩個定向上變化任何所需的變化度。然而，出于使用的簡易性起見，可選擇兩個不同的定向作為正交的一對，使得可利用恰當?shù)卦O計的偏振濾光器或偏振器阻擋一種偏振且仍然容許對應的正交偏振透射。
[0032]例如，線性偏振光可具有其豎直或水平地偏振的電場。因而，第一定向可為水平的且第二定向可為豎直的。因為這兩個電場矢量是垂直或正交的，所以它們不可彼此干涉，并且可取決于偏振軸線的對準而由線性偏振器阻擋或透射。
[0033]在106處，水平網(wǎng)格線可調制成攜帶由多個調制位組成的第一網(wǎng)格字，以通過調制的網(wǎng)格字來識別網(wǎng)格內的水平網(wǎng)格線，并且在108處將豎直網(wǎng)格線調制成攜帶由多個調制位組成的第二網(wǎng)格字，以通過調制的網(wǎng)格字來識別網(wǎng)格內的水平網(wǎng)格線。第二網(wǎng)格字可與第一網(wǎng)格字不同。例如，通過網(wǎng)格字，其意味著網(wǎng)格的結構或特征提供可由檢測器模塊讀取或檢測的數(shù)據(jù)或信息。另外，網(wǎng)格字可由多個位組成，包括任意數(shù)量的起始位或停止位、數(shù)據(jù)位或誤差校驗位、校正位或奇偶校驗位。數(shù)據(jù)位可利用唯一的位序對豎直和水平線進行編碼。當由檢測器模塊檢測這些位和由處理器、微型控制器或其他電路處理這些位時，可確定網(wǎng)格內的位置。任意數(shù)量的已知調制方法可用于將網(wǎng)格字編碼至水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線上，包括但不限于調幅(AM)、調頻(FM)、正交調幅(QAM)或其組合。網(wǎng)格字的一種編碼方式是通過調制用于形成線的射束。調制可通過以一定周期改變射束的強度和/或阻擋射束來實現(xiàn)。
[0034]應該懂得，形成網(wǎng)格的方法是靈活的，而且所示的方法100僅僅用于說明目的。例如，所描繪的步驟順序只用于說明目的，且不意味著以任何方式限制方法100，因為應該懂得，在不脫離本發(fā)明的實施例的情況下，可以以不同的邏輯順序來進行這些步驟，或可包含額外的或居間的步驟。例如，方法100可包括將額外的交叉水平和豎直網(wǎng)格線投射到空間中，以形成額外的網(wǎng)格部分。額外的交叉水平和豎直網(wǎng)格線可在空間中彼此物理地間隔開。此種額外的線也可被調制。更具體而言，當這些線中的各個跨空間掃描時，在豎直和水平掃描中的各個的期間，可利用與光位置同步的唯一的代碼對光進行調制。這描述了點的二維網(wǎng)格，其中各個點由因順序的水平和豎直掃描而產(chǎn)生的水平和豎直分量唯一地表示。交叉投射線中的各個可被不同地編碼，或者一組交叉線可被相似地編碼。
[0035]圖3示出能夠根據(jù)方法100的實施例操作的網(wǎng)格發(fā)生器200。可包含射束發(fā)生器202以及檢流計208、檢流計驅動器212、旋轉偏振器或偏振轉子214、同步器216、偏振射束分裂器220、第一反射鏡222和第二反射鏡224，射束發(fā)生器202包括激光器204和射束成形器206，檢流計208具有反射鏡210。雖然射束發(fā)生器202已經(jīng)示為包括激光器204和射束成形器206，但是射束發(fā)生器202可包括任何合適的照明源。在所示的示例中，水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線可從發(fā)射單個光束的照明源(諸如激光器204)投射。備選地，水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線可從兩個照明源或投射兩個光束的照明源中投射。
[0036]具有反射鏡210的檢流計208可用于掃描來自射束發(fā)生器202的單個光束，以形成水平和豎直網(wǎng)格線中的至少一個。更具體而言，檢流計驅動器212可移動檢流計208，使得檢流計208可沿著射束分裂器220的一部分掃描射束。偏振轉子214是光學器件，其使線性偏振光束的偏振軸線旋轉選定的角度。偏振轉子214可被電子地控制，并且可插入檢流計208之前或檢流計208緊后的激光束路徑中。偏振轉子214在檢流計208之前的位置可為優(yōu)選的，以便在掃描時保持對偏振轉子214的零度入射角，以用于最佳偏振性能。在所示的示例中，可利用同步器216控制調制、檢流計掃描角、偏振控制、和用于網(wǎng)格發(fā)生器200的電子同步。
[0037]射束分裂器220可為偏振立方體射束分裂器，諸如渥拉斯頓棱鏡(Wollastonprism)。這種射束分裂器220具有下列特性，即，直通立方體透射一個線性偏振狀態(tài)，并從立方體對角線界面以90度偏轉角反射正交的線性偏振狀態(tài)。第一和第二反射鏡222和224可用于在相同方向和相同平面中引導偏振的水平網(wǎng)格線和偏振的豎直網(wǎng)格線。
[0038]在操作期間，激光器204產(chǎn)生光束，其透射穿過射束成形器206，并從反射鏡210反射，反射鏡210由檢流計208旋轉。檢流計208實現(xiàn)空間射束掃描功能。從射束發(fā)生器202發(fā)生的光可被偏振至大角度。備選地，偏振器可插入激光器204與偏振轉子214之間的某處，使得光束在行進穿過偏振器時可偏振。偏振轉子214通過在電子驅動信號的控制下將到偏振射束分裂器220的輸入偏振沿偏振射束分裂器220的兩個偏振軸線交替地對準來操作，電子驅動信號通過同步器216與檢流計驅動器212和激光調制同步。
[0039]偏振射束分裂器220在從旋轉的檢流計208反射且穿過偏振轉子214的射束的路徑中。取決于來自偏振轉子214的光的偏振，偏振射束分裂器220將使射束透射穿過偏振射束分裂器220，或者射束將在偏振射束分裂器220對角線界面處反射。因而，通過使光束行進穿過偏振轉子214，光束可由偏振射束分裂器220交替地透射或反射，偏振轉子214交替地使從檢流計208至偏振射束分裂器220的光的偏振旋轉，并因而形成從偏振射束分裂器220產(chǎn)生的交替的水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線。
[0040]應該懂得,投射具有第一定向的偏振光可包括投射具有第一定向的偏振光束，并且投射具有第二定向的偏振光可包括投射具有第二定向的偏振光束。具有第一定向的偏振光束可從偏振射束分裂器220的對角線界面反射，以形成水平網(wǎng)格線，并且具有第二定向的偏振光束可行進穿過偏振射束分裂器，以形成豎直網(wǎng)格線。以此方式，具有第一定向的偏振光可投射，以形成從網(wǎng)格發(fā)生器投射到空間中的水平網(wǎng)格線，并且具有與第一定向不同的第二定向的偏振光可投射，以形成從網(wǎng)格發(fā)生器投射到空間中的豎直網(wǎng)格線。
[0041]取決于從偏振轉子214至偏振射束分裂器220的輸入對準情況，光或者透射至第一反射鏡222，或者透射至第二反射鏡224。第一反射鏡222放置在透射穿過偏振射束分裂器220的射束路徑中。所示示例中的第一反射鏡222可定向成使得掃描射束從圖紙頁面朝觀察者透射出來。從觀察者的觀點看，掃描運動將為豎直的。第二反射鏡224放置在從偏振射束分裂器220反射的射束路徑中，并且除順時針旋轉90度之外，與第一反射鏡222相似地定向。第二反射鏡224可定向成使得掃描射束也從圖紙頁面向外反射。射束具有水平的掃描運動，且射束形狀也從豎直掃描射束旋轉90度。因而，兩個平行射束交替地產(chǎn)生，其中各自分別在不同方向上掃描:豎直和水平方向。對應的射束形狀也彼此旋轉90度。在從第一和第二反射鏡222和224反射之后，形成水平網(wǎng)格線和豎直網(wǎng)格線的兩個平行射束可包括具有相同定向的偏振光。
[0042]上述實施例提供各種好處，包括實施例容許在水平和豎直網(wǎng)格線包括具有不同定向的偏振光的情況下投射水平和豎直網(wǎng)格線。這可容許利用極小且緊湊的網(wǎng)格發(fā)生器透射這種網(wǎng)格線，這可容許可唯一地裝配在小的空間內的更低成本的網(wǎng)格發(fā)生器。
[0043]本書面說明使用示例以公開本發(fā)明，包括最佳實施方式，并且還使任何本領域技術人員能夠實踐本發(fā)明，包括制造并且使用任何裝置或系統(tǒng)，并執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的可申請專利的范圍由權利要求限定，并且可包括由本領域技術人員想到的其他示例。如果這些其他示例包括不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其他示例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其他示例意圖在權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種從第一物體(10、200)將多個調制線投射到空間中以形成限定第一相對參考系的網(wǎng)格(14、16)的方法(100)，所述方法包括: 投射具有第一定向的偏振光，以形成從所述第一物體投射到空間中的水平網(wǎng)格線(102)； 投射具有與所述第一定向不同的第二定向的偏振光，以形成從所述第一物體投射到空間中的豎直網(wǎng)格線(104)； 調制所述水平網(wǎng)格線以攜帶由多個調制位組成的第一網(wǎng)格字，以通過該調制的第一網(wǎng)格字來識別所述網(wǎng)格內的所述水平網(wǎng)格線(106);和 調制所述豎直網(wǎng)格線以攜帶由多個調制位組成的第二網(wǎng)格字，以通過該調制的第二網(wǎng)格字來識別所述網(wǎng)格內的所述水平網(wǎng)格線(108)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述水平網(wǎng)格線和所述豎直網(wǎng)格線(22、24、32、34和18、20、28、30)交叉，以形成所述網(wǎng)格(14,16)的一部分。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括將額外的交叉水平和豎直網(wǎng)格線(22、24、32、34和18、20、28、30)投射到空間中，以形成所述網(wǎng)格(14,16)的額外部分。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述額外的交叉水平和豎直網(wǎng)格線(22、24、32、34和18、20、28、30)在空間中彼此物理地間隔開。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，投射所述水平網(wǎng)格線和所述豎直網(wǎng)格線(22、24、32、34和18、20、28、30)包括從發(fā)射單個光束的照明源(204)投射。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，還包括使所述單個光束行進穿過射束成形器(206)。
7.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述照明源(204)是激光器。
8.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，投射該線還包括利用檢流計(208)來掃描所述光束，以形成所述水平和豎直網(wǎng)格線(22、24、32、34和18、20、28、30)中的至少一個。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，使所述單個光束偏振以利用偏振光形成所述水平和豎直網(wǎng)格線(22、24、32、34和18、20、28、30)中的所述至少一個。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，投射具有所述第一定向的所述偏振光包括投射具有第一定向的偏振光束。
【文檔編號】G01C15/00GK104048653SQ201410089437
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權日:2013年3月12日
【發(fā)明者】J.G.羅佩斯, J.L.佩奇 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限責任公司