具体实施方式

图2描绘了输出激光束128的激光发射器140。在一个实施方式中，激光发射器140输出激光束128，该激光束绕竖向轴线旋转从而形成水平激光参考平面130。在一个实施方式中，激光发射器140的高程是已知的。因此，激光参考平面130的高程132也是已知的。这种旋转激光在本领域中是众所周知的。

激光束128由激光检测器组件100的激光传感器150检测，在一个实施方式中，其包括激光传感器150、杆250和基部200(在下面详细描述)。激光检测器组件100被安装到机器110的器具120，在该示例中，其是推土机的铲刀。在一个实施方式中，机器110用于根据基于来自激光检测器组件100的数据的期望总平面图来修改表面。

图3描绘了包括激光检测器基部200的激光检测器组件100的细节。杆250从激光检测器基部200竖向延伸并且用作激光传感器150的支撑件。激光传感器150可以通过连接到轴220的马达205(也称为致动器)沿着杆250移动。在一个实施方式中，激光传感器150的高度大约为100毫米并且包括为光电二极管排或光电二极管阵列的多个激光检测器元件310。在其他实施方式中，激光传感器可以包括其他类型的传感器并且可以具有其他高度，例如，范围从50毫米到250毫米的高度。在一个实施方式中，具有大约100毫米高度的激光传感器可移动地位于长杆上，从而以较短的激光传感器高度提供较长的检测范围，这使得其成本与使用高大的激光传感器高度相比较低。齿形带轮222附接到轴220并接合齿形带215，该齿形带连接到承载器260。齿形带215还与位于杆250端部附近的轴224上的惰带轮232接合。惰带轮232和齿形带轮222相隔为保持齿形带215的期望张力所需的一距离。在根据一个实施方式的操作中，马达205使得轴220和齿形带轮222旋转，这使得齿形带215沿着杆250的长度移动。齿形带215的移动使得承载器260基于马达205的旋转方向沿杆250的长度在箭头151所示的第一方向上或在箭头152所示的第二方向上移动。齿形带轮和齿形带用于保持承载器260的位置与位置传感器225之间的配准(如下所述)。

承载器260附接到齿形带215并且响应于齿形带215的移动而在杆250内移动。在一个实施方式中，承载器260柱状地成形并且被定大小成适配于轴250内。承载器260绕其环周具有多个磁体245，其磁性吸引激光传感器150的磁体246。当承载器260沿着杆250的长度移动时，磁体245和磁体246之间的吸引力使激光传感器150保持其位置与承载器260相邻。在一个实施方式中，承载器260自动移动以将激光检测器元件310保持在激光束128的视野中。例如，如图1C所示，由于器具120的向上移动(例如由操作者移动器具120造成的或者由器具120随着机器110向上移动而向上移动造成的)并因此使得激光检测器112向上移动，激光128正被位于激光检测器112的端部附近的多个激光检测器元件116中之一检测到。如果激光检测器112继续向上移动，激光128将不再被多个激光检测器元件116中的任何激光检测器元件检测到。在图3所示的实施方式中，承载器260可以沿着杆250的长度向下移动，以便使激光束128照射在激光传感器150的竖向中心附近的点处。

轴220还附接到位置传感器225，其感测轴220的旋转。由于轴220的位置和旋转与齿形带215的线性移动直接相关，并且承载器260被附接到齿形带215，基于由位置传感器225检测到的轴220的位置和旋转可以确定承载器260沿着杆250的长度的位置。齿形带轮和齿形带保持承载器260的位置与位置传感器225之间的配准。可以使用其他布置来代替齿形带轮和齿形带布置，以保持承载器260的位置与位置传感器225之间的配准。在一个实施方式中，位置传感器225是旋转编码器但可以是用于感测旋转的其他类型的传感器。来自位置传感器225的数据被传输到计算机235。

应当注意的是，马达205被致动并且使承载器260沿着杆250的长度移动。然而，其他类型的致动器可以用于使承载器260沿杆250的长度移动。例如，液压或气动线性致动器可以用于使承载器260沿杆250的长度移动。不同类型的致动器可能需要不同类型的传感器，以便确定承载器260沿着杆250的长度的位置。在这样的实施方式中，基于所使用的致动器类型来选择用于确定承载器260的位置所使用的特定传感器。

计算机235从激光检测器组件100的不同部件接收数据并保持照射在激光传感器150上的旋转激光束128并确定器具120相对于激光参考平面130的高程。计算机235包括处理器236，该处理器通过执行限定这种操作的计算机程序指令来控制计算机235的整体操作。计算机程序指令可以被存储在存储设备238或其他计算机可读介质(例如，磁盘、CD ROM等)中，并在期望执行计算机程序指令时被加载到存储器237中。因此，图6A、图6B、图8的方法步骤可以由存储在存储器237和/或存储设备238中的计算机程序指令限定，并由执行计算机程序指令的处理器236控制。例如，可以将计算机程序指令实现为由本领域技术人员编程的计算机可执行代码，以实施由图6A、图6B和图8的方法步骤限定的算法。因此，通过执行计算机程序指令，处理器236执行由图6A、图6B和图8的方法步骤限定的算法。计算机235还可以包括一个或更多个网络接口(未示出)，用于经由使用户能够与计算机235交互的网络、输入/输出设备(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)与其他设备进行通信本领域技术人员将认识到，实际计算机的实施方案也可以包括其他部件，并且出于例示目的，图3所示的计算机235是这种计算机的一些部件的高级表示。

惯性测量单元(“IMU”)230位于激光检测器基部200中。IMU 230使用一个或更多个加速度计(例如3轴加速度计)和/或陀螺仪(例如3轴陀螺仪)来感测移动。在一个实施方式中，激光检测器基部200附接到机器110的器具120。因此，IMU检测器具120的移动，不管器具120如何被移动。例如，器具可以被致动器具120的机器110的操作者移动。器具120也可以基于机器110在表面上的移动而移动。IMU230可以确定移动，并且与IMU 230的移动相关的数据可以被传输到其他设备。

无线电240用于从激光传感器150接收数据。图4描绘了具有多个激光检测器元件310的激光传感器150。激光传感器150将与激光检测器有关的数据传输到处理器320。在一个实施方式中，处理器320分析来自激光传感器150的数据并确定激光沿着激光传感器150的竖向轴线的竖向位置，激光束128照射在该位置处。例如，位于检测激光束128的激光传感器150的竖向中心处的检测器元件指示激光128大约照射在激光传感器150的竖向中心处。类似地，在激光传感器检测激光束128的一个端部处的检测器元件指示激光束128照射在激光传感器150的相应端部处。处理器320将竖向位置数据传输到无线电330，以传输到位于激光检测器基部200(如图3所示)中的无线电240。在一个实施方式中，无线电240用于从无线电330接收数据并且使用有线连接从计算机235向其他设备传输数据，诸如高程数据，如下所述。

计算机235与无线电240通信。由计算机235计算的高程数据(如下详细描述的)可以被传输到其他设备，诸如与机器110(如图2所示)的操作相关联的机器控制指示器(未示出)。在一个实施方式中，经由无线电240从计算机235传输数据有助于机器诸如图2中所示的机器110的操作自动化。例如，机器110对器具120的致动可以自动化以使用由计算机235计算的高程数据来基于期望的坡度修改表面。在一个实施方式中，由计算机235计算的高程数据使用有线连接传输到其他设备。例如，位于计算机235上的控制器区域网络(CAN)连接器可以用于使用有线连接将设备连接到计算机235。此外，也可以使用其他类型的有线连接。

图5描绘了具有位于杆250A的下端部处的激光传感器150A的激光检测器组件100A。激光检测器组件100B被描绘为具有位于杆250B的上端部处的激光传感器150B。激光检测器组件100A和激光检测器组件100B的并排比较例示了激光检测器组件100的工作范围400。激光检测器组件100的工作范围400是激光束128可以被激光传感器150的激光检测器元件310中之一检测到的范围。现有技术激光传感器的固定工作范围受限于固定激光传感器的激光检测器元件的竖向长度，与此相反，激光传感器150可以在操作期间沿着杆150的长度竖向移动，从而允许可以检测到激光束128的较大工作范围。在一个实施方式中，工作范围400大约为两米。基于影响杆250的竖向长度的选择的各种因素，这些因素包括所需的坡度校正、机器和器具类型等，工作范围400可以较长或较短。

图6描绘了根据一个实施方式的方法500的流程图，该方法用于检测激光传感器150上的激光束位置以及沿杆250的长度移动激光传感器150以便保持激光束128照射激光传感器150。在一个实施方式中，该方法由计算机235(如图3所示)控制并在步骤504开始，在该步骤中，确定激光束128(如图3所示)是否被一个或更多个激光检测器元件310检测到。

如果在步骤504中检测到激光128，则该方法进行到步骤506，在该步骤中，分析从激光传感器150接收的数据，以便确定激光束128被检测到照射激光传感器150的位置(即检测器元件310中激光碰撞的特定的那些)。在步骤508中，从位置传感器225接收数据，该位置传感器识别承载器260(以及因此识别激光传感器150)沿杆250的位置。在步骤510，从IMU230接收数据(例如移动数据)。在步骤512中，在步骤506中从激光传感器150接收到的数据、在步骤508中从位置传感器225接收到的数据、以及在步骤510中从IMU 230接收到的数据被滤波。下面结合图9更详细地描述数据的滤波。在步骤514中，基于从激光传感器150接收到的数据来计算激光束128照射激光传感器150的竖向位置。例如，多个激光检测器元件310中的每个特定激光检测器元件被定位在相对于激光传感器150的特定位置。如果激光128被多个激光检测器元件310中的特定激光检测器元件检测到，则基于多个激光检测器元件310中的每个激光检测器元件的已知位置，知道激光128沿着激光传感器150的长度所照射的位置。在步骤516中，计算承载器260(以及激光传感器150，因为两者磁耦合)的新位置。承载器260的新位置基于承载器260的当前位置以及承载器260需要移动的竖向方向和移动距离，以便保持激光参考平面130的激光基本位于激光传感器150的中心。

在步骤518中，计算马达命令以命令马达205旋转，从而基于在步骤516中所计算的新承载器位置移动承载器260。在步骤520中，经由马达控制器210向马达205传输信号，从而使马达205旋转并使承载器260(和激光传感器150)移动到在步骤516中所计算的新承载器位置。从步骤520，该方法返回到步骤504并且过程继续。方法500可以根据需要由计算机235启动和停止，从而使激光束128保持基本上位于激光传感器150的中心。

返回到步骤504，如果没有检测到激光，则该方法进行到步骤508，在该步骤中，从位置传感器225接收数据，该位置传感器识别承载器260沿杆250的位置并且该方法如上所述继续。

在一个实施方式中，查寻模式用于在激光检测器组件启动时找到来自激光发射器的激光束输出的高程。图6B描绘了用于查寻模式的方法550的流程图。在初始启动激光检测器组件时，激光束可能不会照射在激光传感器上。查寻模式移动承载器，直到激光传感器检测到激光束。该方法开始于步骤552，在该步骤中，确定激光束是否被激光传感器检测到。如果激光传感器检测到激光束，则该方法进行到步骤558，在该步骤中，启动图6A所示的方法500，并通过如上所述移动承载器来继续追踪激光束。如果在步骤552中未检测到激光束，则该方法进行到步骤554，在该步骤中，计算马达命令。在启动期间，承载器被移动到杆的最上或最下的位置，并且马达命令被计算以使承载器以增量方式朝向杆250的相反端部移动。在步骤556中，使用在步骤554中所计算的命令来致动马达，这使得承载器移动。在一个实施方式中，当承载器到达杆的相反端部时，在步骤554中所计算的马达命令将使得承载器沿相反方向朝向其原始位置移动。在一个实施方式中，方法550继续直到激光束被激光传感器检测到或者该方法被用户停止。在一个实施方式中，方法550在被计算机235停止之前继续一段设定的时间或沿着杆进行多次相反的移动。

在一个实施方式中，当激光束未被激光传感器检测到达一段时间例如大约一或两秒而计算机235正在执行方法500时，也使用方法550中描述的查寻模式。方法550被执行直到激光传感器在方法550的步骤552中检测到激光束。在一个实施方式中，方法550的步骤可以被合并到方法500的步骤中。如果在设定的时间段或时间或承载器沿着杆的长度的多次移动之后使用方法550没有检测到激光束，可以生成用于通知用户的错误消息并将其输出至用户。

在一个实施方式中，考虑附加信息以便确定激光传感器150是否需要向上或向下移动。在该实施方式中，在步骤506中额外确定激光128是否最后被检测器元件310以指示激光传感器150呈现相对于激光束128向上移动或向下移动的模式检测到。计算机235可以基于该模式确定激光传感器150相对于激光束128呈现向上或向下移动的速度。例如，被检测器元件按顺序从第一检测器元件开始被检测到并继续被位于第一检测器元件竖向上方的检测器元件检测到的激光束128指示激光传感器150正在向下移动。类似地，被检测器元件按顺序从第一检测器元件开始被检测到并继续被位于第一检测器元件竖向下方的检测器元件检测到的激光128指示激光传感器150正在向上移动。在一个实施方式中，在步骤518中，由计算机235基于激光束128被确定为相对于激光传感器150竖向移动的方向和速度计算马达命令。例如，如果确定激光以特定速度向上移动，则计算机235计算马达205需要旋转的量，以便使激光进入检测器元件310中的特定检测器元件的视野中，例如竖向地位于激光传感器150的中心附近的检测器元件。在步骤510中，计算机235向马达控制器210输出信号并且马达控制器基于从计算机235接收到的信号致动马达205。在步骤510中马达已经被移动之后，该方法返回到步骤504。

图9描绘了一实施方式，其中，卡尔曼滤波器801、802和803用于融合来自位置传感器225、IMU 230和激光传感器150的测量。如图9所示，来自位置传感器225、IMU 230和激光传感器150的数据分别由卡尔曼滤波器801、802和803滤波。然后滤波后的数据被计算机235接收，该计算机计算适当的马达命令并将该命令传输到马达控制器210，如以上结合图6所述。使用卡尔曼滤波器将测量融合，提供了关于激光传感器150的位置和移动信息。这里描述的卡尔曼滤波器可以是基于软件的、基于硬件的、或者是软件和硬件的组合。在一个实施方式中，卡尔曼滤波器的目的是估计激光传感器的位置和速度以及沿杆相对于激光检测器基部200的估计激光入射位置。例如，在方法500的步骤508和/或524中，位置和移动信息用于计算马达命令以沿杆250定位激光传感器150。

激光128照射在激光传感器150上的频率取决于激光128绕激光发射器140的竖向轴线的旋转速率。激光128绕激光发射器140的典型旋转速率约为每分钟600转，这使得激光128以10Hz的频率照射在激光传感器150上。使用来自IMU 230的数据来感测激光检测器组件100的移动允许以比激光入射频率高的频率输出高程值，因为可以基于来自IMU 230的数据来预测激光入射的位置改变。因此，计算高程值的频率与激光入射频率无关，并且可以是通过从IMU 230接收数据的频率和计算机235可以计算高程值的频率来支持的任何期望频率。

在一个实施方式中，两个卡尔曼滤波器801和802以100Hz同步处理来自位置传感器225和IMU 230的数据，以便以解耦的方式追踪激光传感器150的运动和激光入射位置。卡尔曼滤波器801处理位置传感器225测量，还使用发送到马达控制器210的马达命令来获得对激光传感器150相对于杆250的速度的较好估计。处理IMU测量的卡尔曼滤波器802使用IMU230来估计实际激光入射之间的激光入射的位置。这允许以100Hz来报告估计的激光入射位置。

卡尔曼滤波器803处理激光传感器测量，因为如上所述，它们通常以大约10Hz被接收。由于激光传感器测量指示激光入射位置和检测器位置之间的相对距离，卡尔曼滤波器803以耦合的方式追踪检测器和激光入射位置两者的运动。卡尔曼滤波器803防止杆加速度卡尔曼滤波器802随时间而偏离。如上所述，在一个实施方式中，使用三个卡尔曼滤波器。在其他实施方式中，可以使用少于三个卡尔曼滤波器。

图7A描绘了器具120，其最低边缘被定位为平行于激光参考平面130。然而，器具120可能并不总是被定位为平行于激光参考平面130。例如，与器具120相关联的机器能够绕器具120所附接至的机器的纵向轴线旋转器具120。此外，附接有器具120的机器可能会在不平整的地面诸如斜坡上行驶，这会使得器具120与激光参考平面130不平行。图7B描绘了器具120A，其最低边缘与激光参考平面130不平行。器具120A可以响应于操作者移动器具120A或响应于机器110移动越过斜坡而绕机器110的纵向轴线旋转。如图7A和图7B所示，器具120A在坐标系600中所示的三维空间中的旋转需要激光传感器150A朝向器具120A移动，如箭头610所示，以便使激光参考平面130的激光保持为基本上位于激光传感器150A的中心。

为了说明杆250的定向相对于竖向的改变，使用了互补滤波器。互补滤波器融合来自3轴加速度计的数据和通过IMU 230获得的来自3轴陀螺仪测量的数据，并提供指示IMU230的坐标系中重力方向的单位矢量。单位重力矢量用于确定杆相对于竖向的角度。该角度用于投射来自IMU 230的3轴加速度计读数，以得出沿杆轴线的杆加速度。假设旋转激光平面被固定在世界参考框架中，该加速度被解释为激光入射位置沿杆框架的加速度，被表示在杆框架的坐标系中。根据实验，单位重力矢量估计足以控制马达相对于竖向最多达20度。在其他实施方式中，可以使用其他类型的滤波器，诸如扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器或粒子滤波器。这些滤波器可以单独使用或与其他滤波器结合使用，诸如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和/或其他类型的滤波器。

图8描绘了由计算机235执行的用于检测照射激光传感器150的激光束128并输出高程数据的方法700的流程图。在步骤702中，通过激光传感器150检测激光束128。在步骤704中，确定激光128照射激光传感器150的位置。例如，通过位于沿激光传感器150的长度的已知位置的激光检测器元件116中的某个激光检测器元件检测激光束128。在步骤706中，基于来自位置传感器225的数据来确定承载器260的位置(其基于与激光传感器的磁耦合在与激光传感器150相同的位置)。在步骤708中，读取来自IMU 230的数据。在一个实施方式中，来自IMU230的传感器数据被传输到计算机235，并且可以用于确定来自旋转激光束128的估计激光入射位置沿杆250的位置和移动。在步骤710中，确定高程值(下面详细描述)。在一个实施方式中，高程值表示器具120的底部边缘的高程。在其他实施方式中，高程值可以表示其他高程，诸如激光检测器基部200的高程。在步骤712中，高程值从计算机235输出并传输到无线电240，该无线电将高程值传输到另一设备，诸如位于机器110的驾驶室中的控制设备。

使用不同的数据和方法可以计算在步骤710中被确定的高程值。在一个实施方式中，基于激光入射在激光传感器150上的位置和激光入射被检测到时激光传感器150与激光检测器基部200的距离来计算激光照射被检测到时所处的位置与激光检测器基部200相距的距离。该高程值没有考虑激光检测器组件100是否倾斜远离竖向。在激光检测器组件100不太可能倾斜远离竖向的一些情况下，使用该方法计算高程值就足够了。

在一个实施方式中，基于来自IMU 230的附加信息来计算高程值。在这样的实施方式中，基于激光入射被检测到时所处的位置与激光检测器基部200相距的距离以及来自IMU230的关于角度激光检测器组件100倾斜远离竖向的信息来计算高程值。如图7所示和上文所述，激光检测器组件100的倾斜造成世界参考框架中的竖向与杆参考框架中的竖向之间的差异。这会造成高程计算错误，除非使用来自IMU 230的数据来确定激光检测器组件100与世界参考框架中的竖向的偏差。

在一个实施方式中，来自激光传感器150、位置传感器225和IMU 230的数据用于计算在步骤710中所确定的高程值。在这样的实施方式中，来自IMU 230的数据与下述有关：激光检测器组件100与竖向的倾斜；以及与来自旋转激光束128的估计激光入射位置沿杆250的位置和移动有关的数据。与上述其他方法相比，使用来自所有三个设备的数据来计算高程值通常提供较准确的值。此外，从三个设备接收到的数据可以用于以比如上所述的由激光传感器150检测到的激光入射的频率高的频率来计算高程值。

前述详细说明应被理解为在每个方面都是例示性和示例性的，而不是限制性的，并且本文所公开的本发明构思的范围不是通过详细说明来确定，而是通过根据专利法所允许的全部范围所解释的权利要求来确定。应当理解的是，本文示出和描述的实施方式仅是对本发明原理的例示，并且在不脱离本发明构思的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以实施不同的修改。本领域技术人员可以在不脱离本发明构思的范围和精神的情况下实现不同的其他特征组合。