CN100430752C - 位置测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种对测量目标的受光装置进行扫描用的位置测量装置，特别是能够旋转照射测距光或追尾光以进行受光位置的三维测量、并进一步将该数据向目标上设置的受光装置进行数据传送的自动位置检测装置，光源部分发出测量光，受光部分接受反射光，扫描装置沿扫描方向射出测量光、同时将反射光引向受光部分，角度检测器检测扫描装置的旋转位置，测量光包含呈扇形展开的测距光，能够利用其反射光测量到反射体的距离。

Description

位置测量装置
技术领域
本发明涉及对测量目标的受光装置进行扫描或追尾用的位置测量装置，特别是能够旋转照射测距光或追尾光以进行受光位置的三维测量、并进一步能够将该数据向目标上设置的受光装置进行数据传送的自动位置检测装置。
背景技术
以往，为了进行三维位置测量及设定，采用的是综合测站。综合测站具有距离测量及测距测角的功能，它将测量值作为电信号数据输出。在进行测量时，是将综合测站设置在基准位置后，将目标设置在测量地点，用综合测站瞄准目标，能够进行水平角及垂直角的测量，对目标上设置的反射棱镜(直三角锥镜)进行测距，从而得到距离数据。
测量的测距测角数据存入综合测站内置的存储器。另外，测距测角数据可以根据需要作为测量作业数据对外部存储器装置或计算机进行输出。图8所示为用综合测站进行测量作业的示意图。综合测站(1000)设置在基准位置。目标(2000a)安装在测量杆(3000a)上，测量杆(3000a)由作业者(4000)设置在测量地点。
综合测站(1000)由望远镜部分、自由支撑望远镜部分的高低旋转用的托架部分、支撑托架部分自由水平旋转用的底盘部分、以及位于底盘部分下部来校平综合测站(1000)本体的倾斜并固定在三脚架头部用的校平部分构成。另外，测距及测角等用的电路等在综合测站(1000)的内部。
在综合测站(1000)一侧的作业者使望远镜部分上下左右旋转，将目标(2000a)置于瞄准中心，得到相对于基准位置的水平角、垂直角及距离。
但是，在使用以往的综合测站(1000)的作业中，在综合测站1000一侧的作业者需要一个人，然后设置目标(2000a)用的作业者需要一个人，这样至少需要二个作业者。若目标(2000a)的数量增加，则随之作业者的人数增加。但是，很难瞬时测量多个目标(2000a)，实际上是不可能的。即，作业者为了用望远镜部分瞄准目标(2000a)，再进一步进行测量，就需要与目标(2000a)的数量相应的测量时间。因此，存在不能力图大幅度改善作业效率的问题。
另外，在相邻的不用基准坐标系的现场同时进行作业时，虽能够用一台综合测站及多个目标进行作业，但对于每个不同基准坐标系的测量点，必须重新进行综合测站的坐标设定，或者切换坐标系，因此事实上不可能同时进行作业。
发明内容
本发明正是涉及自动位置检测装置，它的光源部分发出测量光，受光部分接受反射光，扫描装置沿扫描方向射出测量光、同时将反射光引向受光部分，角度检测器检测扫描装置的旋转位置，测量光包含呈扇形展开的测距光，能够利用其反射光测量到反射体的距离。
附图说明
附图用于表示本发明的实施例。
图1为说明本发明实施例的位置检测装置的说明图。
图2为说明本实施例的位置检测装置电气构成的说明图。
图3为说明本发明的原理的说明图。
图4为说明本发明的原理的说明图。
图5为说明本实施例的倾斜测量部分的说明图。
图6为说明本实施例的受光装置的说明图。
图7为说明本发明的原理的说明图。
图8为说明以往技术的说明图。
具体实施方式
下面根据附图说明本发明的实施例。
根据图1说明本实施例的位置检测装置10000。
位置检测装置10000由测量仪本体2000及校平部分3000构成。
在测量仪本体2000中，由旋转部分2100、固定部分2200及倾斜测量部分2300构成。
旋转部分在垂直方向具有旋转轴，在水平方向利用旋转电动机进行360度旋转。
水平方向的旋转部分是为了使旋转反射镜2110在水平方向旋转。水平方向的旋转部分由垂直轴2170及在其上形成的旋转部分2100构成，其构成使其呈一体旋转。
另外，在垂直轴2170上安装水平角测量用的旋转编码器。再有，垂直轴2170通过驱动齿轮与水平驱动用电动机4500连接。由于水平驱动用电动机4500固定在壳体上，因此能够使旋转部分2100在水平方向旋转。
另外，水平角测量用的旋转编码器相当于角度检测器。
校平部分3000基本上是用三条腿支撑测量仪本体2000的结构。三条腿的一条腿能够自由旋转，例如用球面支撑。剩下的二条腿利用校平驱动电动机的驱动力，能够上下移动。其结构是通过调整上下动作，来校平测量仪本体2000。校平是根据倾斜测量部分的输出来进行的。弹簧用来支撑位于其下部的底盘，底盘起到安装三角架头部的作用。另外，校平部分3000装在测量仪本体2000的内部，也可以直接校平内部的构成构件。
下面根据图2说明本实施例的位置检测装置10000的电气构成。
位置检测装置10000由测距部分1100、受光装置检测部分1200、数据发送部分1300、角度运算部分1400、倾斜测量部分2300、存储部分4200、显示部分4300、驱动电路4400、电动机4500、运算处理装置4000及操作部分5000构成。
另外，倾斜测量部分2300还能够检测因轴承的旋转精度而引起的旋转部分2100的松动或倾斜，运算处理装置4000对受光部分接受的测量对象的受光位置进行补偿，以除去旋转松动或倾斜的影响。
测距部分1100的来自距离检测发光部分2211发出的测距光，用分色棱镜2212反射，透过物镜2213后，用旋转反射镜2110反射，向未图示的测量对象的方向射出。来自测量对象的反射光沿着相反的路径，用距离检测受光部分2214的受光元件接受。
另外，利用柱面菲涅耳透镜2215，能够一面将对于水平面在垂直角方向展开的扇形激光束进行脉冲发光，一面使其旋转。所谓扇形光束是呈扇形展开的光。
射出的测距用扇形激光束利用受光装置20000的三直角锥镜21000反射，用具有与距离检测发光部分2211的扇形光束同样的视野而不同路径的距离检测受光部分2214的受光元件进行检测。
从位置检测装置10000至受光装置20000的距离，可根据距离检测发光部分2211进行脉冲发光后利用距离检测受光部2214接受为止的时间差进行计算。另外，该运算是在距离运算电路1120进行。另外，距离检测发光部分2211及距离检测受光部分2214等相当于距离测量部分1110。
测距光轴及受光装置检测部分1200的光轴的水平方向角度由于是预先决定的角度，因此用前述测距部分1100求得的从位置检测装置10000至受光装置20000为止的距离数据中能够与受光装置检测部分1200求得的垂直角及水平角数据的数据相关。
另外，在本实施例中，由于测距光不使用可见光，因此使用可见光截止滤光片。
受光装置检测单元1200由检测光发光部分1210、第一摄像部分1320、第二摄像部分1330及检测光检测电路1340构成。
第一摄像部分1320及第二摄像部分1330是接受从检测光发光部分1210发的光而经目标30000的三直角棱镜21000反射的反射光。
在本实施例中，第一摄像部分1320及第二摄像部分1330使用CCD等固体摄像元件。
检测光发光部分1210将处于本体部分的例如脉冲激光二极管1211发出的光利用物镜1212在垂直方向形成准直光。再利用反射镜转90度，利用扩散板1213进行扩散。然后，对第一摄像部分1320及第二摄像部分1330的视野内进行照明。
在检测发光部分1210进行发光的状态下，在第一摄像部分1320及第二摄像部分1330的图像信号中，包含由受光装置20000的三直角棱镜21000反射的来自的检测光发光部分1210的反射光，在检测光发光部分1210不发光的状态下，不包含来自三直角棱镜21000的反射光。
因而，若求出从第一摄像部分1320及第二摄像部分1330输出的检测光发光部分1210的发光状态与不发光状态的各自图像信号之差，则作为图形信号成为仅仅是来自三直角棱镜21000的反射光，通过在图像上求出反射光的位置，就能够检测出第一摄像部分1320及第二摄像部分1330上的目标中心位置。
再进一步，利用该检测结果，能够求出受光装置检测部分1200的光轴0与受光装置20000的中心位置之偏差。
图3(A)所示为包含三角架10上设置的三直角棱镜21000的周围的图像，在检测光发光部分1210发光时，除了可见光以外，能够重复得到来自三直角棱镜21000的返回光的图像。因而，若求得检测光发光部分1210发光时与检测光发光部分1210不发光时的图像之差，则如图3(B)所示，仅得到来自三直角棱镜21000的与三直角棱镜21000近似相同大小的反射光(返回光)12的图像。设画面的中心是与前述光轴O一致的点，则能够根据图像很容易计算出前述返回光12的水平方向偏差H及垂直方向偏差V。
另外，如图4所示，若固体摄像元件40000配置在透镜的焦距f的位置，入射至固体摄像元件40000的返回光的角度为θ，则固体摄像元件40000的相对光轴0的偏差X为f×tan θ，通过求出偏差X，就能够计算出入射至固体摄像元件40000的返回光的角度θ。因而，与到达三直角棱镜21000的距离la、lb及lc的大小无关，通过计算图像上的水平方向偏差H及垂直方向偏差V，能够求出受光装置20000的水平角度偏差及垂直角度偏差。
受光装置检测部分1200由检测光发光部分1210、第一摄像部分1320、第二摄像部分1330及检测光检测电路1340构成。
受光装置检测部分1200的光学系统由设置在固定部分2200的物镜1350、第一摄像部分1320、第二摄像部分1330、分光镜1360、中继透镜1370、衍射光栅1380及旋转部分2100的反射镜2110构成。
第一摄像部分1320设置在用分光镜1360反射的物镜1350的焦点位置。
第一摄像部分1320在垂直方向具有大的视野，存在于旋转部分2100的中心，由于利用旋转部分2100的反射镜2110将光轴旋转90度为水平方向，因此以水平面为中心在360度方向的具有的大的视野。
由于反射镜2110位于旋转部分2100，第一摄像部分1320位于固定部分2200，成像的受光装置20000的图像如图7所示，图像旋转了反射镜2110所指方向的角度大小。
利用第一摄像部分1320成像的受光装置图像(实际上是三直角棱镜图像)的成像位置信息及反射镜2110所指方向的角度，能够求出从位置检测装置10000指向受光装置20000的水平角及垂直角。
CCD的分辨角由CCD的像素数与视野角决定。像素数越多，视野角越窄，则分辨角越小。
因此，第二摄像部分1330通过分光镜1360、中继透镜1370及衍射光栅，处于与第一摄像部分1320共轭的位置。
由于利用中继透镜1370使第二摄像部分1330的视野角变窄，因此分辨角比第一摄像部分1320要小。
存储部分4200中根据需要存储例如地图数据，显示部分4300上根据地图数据及测量数据，显示三维位置信息。另外，与其结合显示用位置检测装置10000得到的图像。再有，也可以用将图像数据进行变换的应用软件，变换为全景式的图像进行显示。
数据发送部分1300利用与测距部分1100相同的光学系统，对水平面使垂直角方向展开的扇形激光束射出并旋转。在公用射出光学系统时，必须将光通信用的光测距光的各自波长作为不同的波长，采用将它们互相合成的分色镜。
另外，受光装置20000的光通信接收部分9100必须采用仅使光通信用发光元件1320的光透射的滤光片。
与受光装置20000有关的水平角及垂直角仅在位置检测装置10000的数据发送部分1300与受光装置20000相对的期间进行发送。
在存在多个受光装置20000时，则产生多个有关的数据，并仅在位置检测装置10000的数据发送部分1300与各受光装置20000相对的期间，发送有关的数据。
通过与受光装置20000的方向建立相关的关系，就能够同时处理多个受光装置20000。
下面根据图5说明倾斜测量部分2300。
倾斜测量部分2300由倾斜检测部分及旋转偏心检测部分构成。倾斜测量部分2300是检测测量仅本体2000的倾斜，并作为校平部分3000的控制信号，将测量仪本体2000校平为水平。旋转偏心检测部分是通过检测与相对于水平基准的垂直轴2170一体设置的编码器的倾斜，来检测旋转部分2100的倾斜，对测量值、距离值及位置值进行补偿。
倾斜测量部分2300构成由第一光源1、第一聚光镜2、第一图形片3、第二聚光镜4及第一半透明反射镜5等形成的自由液面投光系统8。
由前述第一半透明反射镜5反射的光线，由前述自由液面6a反射，通过前述第一半透明反射镜5。在该第一半透明反射镜5的透射光轴10上，配置第二半透明反射镜15、第三聚光镜9及受光装置11。该受光装置11例如采用CCD面型传感器。
配置具有与前述第一半透明反射镜5的透射光轴10平行的投光光轴的第二光源17，在该第二光源17的投光光轴上配置第四聚光镜18、第二图形片19、第五聚光镜20及第三半透明反射镜21，该第三半透明反射镜21与前述第二半透明反射镜15相对。
在前述第三半透明反射镜21的透射光轴上，在与该透射光轴垂直的位置配置反射构件22(水平编码器)。反射构件22将与旋转部分2100的垂直轴2170一体安装的水平编码器的面用作为反射面。另外，旋转部分2100利用安装在测量仪本体2000的外壳部分的垂直轴2170支持，并可水平旋转，同时要这样安装，是的在倾斜测量部分2300正确水平设置时，反射构件22的反射面也近似水平。
前述第二光源17、第四聚光镜18、第二图形片19、第五聚光镜20及第三半透明反射镜21等构成固定反射构件投光系统24，前述第一半透明反射镜5、第二半透明反射镜15、第三半透明反射镜21、第三聚光镜9及受光装置11等构成受光光学系统12。
因而，由前述第一光源1射出的光线，由第一聚光镜2形成近似平行光束，透过前述第一图形片3及第二聚光镜4后，由前述第一半透明反射镜5反射，再由前述自由液面6a反射，透过前述第一半透明反射镜5、第二半透明反射镜15及前述第三聚光镜9，利用前述受光装置11接受。即，前述第一图形片3的第一图形图像3a(未图示)利用前述第三聚光镜9，在前述受光装置11中成像。
另外，由前述第二光源17射出的光线，由前述第四聚光镜18形成近似平行光束，透过前述第二图形片19，再透过前述第五聚光镜20及第三半透明反射镜21，由前述反射构件22反射，再由前述第三半透明反射镜21及第二半透明反射镜15反射，经过前述第三聚光镜9，被前述受光装置11接受。即，前述第二图形片19的第二图形图像19a(未图示)也经过前述第三聚光镜9在前述受光装置11中成像。
另外，利用来自前述反射构件22的反射光，由前述第二半透明反射镜15反射的状态的反射光轴23在前述透射光轴10为垂直的情况下，与该透射光轴10一致。因而，前述第一图形片3的第一图形图像3a与第二图形片19的第二图形图像19a变成一致。
前述透射光轴10是由前述自由液面6a反射的光轴，因而若倾斜检测装置本身倾斜，则前述液体构件6的自由液面6a相对于倾斜检测装置本身就产生相对倾斜，其结果反射光轴23相对于入射光轴就产生偏角。
如前所述，在前述自由液面6a倾斜θ角的情况下，若设液体构件6的折射率为n，则反射光轴产生2n θ的偏角，在前述受光装置11上，所述第一图形图像3a从基准位置移动了f×tan(2nθ)的量。
另一方面，前述反射构件投光系统24的投光光轴在测量本体2000进行水平校平时，固定在垂直方向。而且，在反射构件22即水平编码器既无松动有无倾斜并进行水平旋转时，由前述反射构件22反射的光线的在前述受光装置11上的受光位置(第二图形图像19a的位置)为一定。
但是，在反射构件22即水平编码器有旋转松动或倾斜时，检测出作为第二图形图像19a相对于第一图形图像3a的移动量L。通过检测出前述受光装置11的第二图形图像19a相对于第一图形3a的方向，还能够检测出倾斜方向。
在运算处理装置4000中，根据来自前述受光装置11的受光信号，求出前述第一图形图像3a与第二图形图像19a之偏差，再根据偏差，计算倾斜量及倾斜方向。
本发明内装有自动校平用的精度低但测量范围广的倾斜传感器。该精度低但测量范围广的倾斜传感器，例如有将一般气泡管的气泡移动变换为电信号的传感器等。
校平部分3000是根据来自精度低但测量范围广的倾斜传感器的信号，进行校平动作，使得处于倾斜测量部分2300的测量范围内。另外，在倾斜传感器的精度高、测量范围也广的情况下，也可以换成倾斜测量部分2300。进一步，在倾斜传感器的精度高、测量范围窄的情况下，若在测量范围外能够利用倾斜传感器的输出信号判断倾斜方向，则也可以换成倾斜测量部分2300。
另外，前述受光光学系统12的第一图形图像3a及图形图像19a由于是为了检测相对于水平状态的图像相对移动量用的，因此倾斜测量部分2300的水平状态下，来自的前述反射构件22的反射光轴23与来自前述自由液面6a的反射光轴23可以不一定一致，另外也可以不平行。再有倾斜测量部分2300本身在水平状态下，前述第一图形图像3a与第二图形图像19a在前述受光装置11上不一定必须一致，只要将两者的偏移量作为运算的补偿值即可。
如图6所示，受光装置20000由三直角棱镜21000、光通信接收部分9100、运算部分9200、运算数据显示部分9300、操作部分9400、输入输出部分9500及存储部分9600构成。
光通信接收部分9100是接受位置检测装置10000检测受光装置20000的位置后变换为3维位置信息而发送的光信号用的。运算部分9200变换为设定的本地坐标系，在运算数据显示部分9300上显示。
本发明的位置检测装置10000是在水平方向呈扇形旋转照射追尾光及测距光以捕捉处于照射范围内的目标30000并进行位置测量的装置。
水平方向利用设置在旋转部分2100的水平角编码器近似获得，根据设置在受光装置检测部分1200的面型传感器的图像补偿水平角，计算出垂直角。由于使用扇形测量光，因此设定以水平面作为基准的使用范围。但是，一般的测量作业多数在该范围内。
位置检测装置10000中使用的面型传感器，如前所述，是能够取入图像的图像传感器，例如是CCD。从图像传感器取入的图像数据用于受光装置20000的位置检测，同时可以向受光装置20000一侧发送，作为与位置数据相关的图像使用。
再有，也可以用将图像数据进行变换的应用程序，变换为全景式的图像进行显示。
位置检测装置10000的受光装置20000检测例行程序如下所述。
首先，使旋转头旋转，根据角度运算部分1400的数据，对于每隔小于第一摄像部分1320的水平方向视野的角度，用第一摄像部分1320取入旋转一圈的图像。将图像取入角度采用小于水平方向视野的角度，是为了360度无遗漏地取入图像数据。
在这时的图像中，由于除了受光装置20000的三直角棱镜21000以外，还存在其它的图像信息，因此不可能仅识别受光装置20000的三直角棱镜21000。
因此，在第二圈以后，虽然每隔与第一圈相同的角度取入图像，但同时使检测光发光部分1210的脉冲激光二极管1211进行脉冲发光。由检测光发光部分1210射出的光利用受光装置20000的三直角棱镜21000进行反射，用位置检测装置10000接受。
利用检测光发光部分1210的脉冲发光，即使一面旋转，一面取入CCD图像，也能够取入三直角棱镜21000的CCD图像，并且不产生摇动。利用前述方法取入的图像数据是由检测光发光部分1210射出并利用受光装置20000的三直角棱镜21000反射的图像与第一圈的图像合成的数据。
从第二圈以后的图像数据减去前所第一圈的图像的图像数据，这样得到的图像数据能够识别受光装置20000的三直角棱镜21000的图像。检测求得的受光装置20000的三直角棱镜21000的图像重心，求出三直角棱镜21000的图像中心，根据取入时刻的角度运算部分1400的角度数据，对求得的位置信息及图像进行运算，能够求出受光装置20000的水平角及垂直角。
另外，在该周期内也可以进行受光装置20000的识别。一面使旋转头旋转，一面根据角度运算部分1400的数据，从第一摄像部分1320取入图像数据。这时的图像由于除了受光装置20000的三直角棱镜21000以外，还存在其它的图像信息，因此不可能仅识别受光装置20000的三直角棱镜21000。
然后，图像取入后，使检测光发光部分1210的脉冲激光二极管1211进行脉冲发光。由检测光发光部分1210射出的光利用受光装置20000的三直角棱镜21000进行反射，用位置检测装置10000接受。取入的图像数据是由检测光发光部分1210射出并由受光装置20000的三直角棱镜21000反射的图像对开始取入的图像进行合成的数据。另外，只因相当于取入时间偏移的旋转部分2100旋转，图像产生旋转。
根据角度运算部分1400的数据，对图像的旋转角部分进行补偿，利用从后面的图像数据减去前面的图像数据而得到的图像数据，能够识别受光装置20000的三直角棱镜21000的图像。
同样，检测求得的受光装置20000的三直角棱镜21000的图像重心，求出三直角棱镜21000的图像中心。然后，根据取入时刻的角度运算部分1400的角度数据，对求得的位置信息及图像进行运算，能够求出受光装置20000的水平角及垂直角。
为了360度无遗漏地取入图像数据，必须根据取入时间之差，使偏移的图像角度大小更狭窄，这样来决定图像取入角度。
用第一摄像部分1320求得的水平角及垂直角，由于CCD的视野宽，因此分辨角大。在受光装置20000与位置检测装置10000的距离较近时虽不成问题，但在距离较远时，在变换为3维数据时产生较大的误差。在那张情况下，就用第二摄像部分1330。利用到第二圈为止的例行程序，由于能够识别受光装置20000的三直角棱镜21000处于第二摄像部分1330的视野内时，有选择地由第二摄像部分1330取入图像，求出受光装置20000的水平角及垂直角。这样求出的角度数据的分辨角小，其比例按照第二摄像部分1330的视野比第一摄像部分1320窄的比例。
再利用衍射光栅1380，将CCD上形成的图像至少分割为二个以上(含二个)的图像。衍射光栅1380的衍射角形成为CCD像素宽度的非整数倍。根据预先决定的衍射光栅1380的衍射角，将第二摄像部分1330上成像的受光装置20000的三直角棱镜21000的多个图像分别分离进行运算，进行重心检测处理运算，再通过平均，就能够更使角度分辨率提高。因而，在对水平面有狭窄的垂直角范围的第二摄像部分1330的视野范围内，连较长距离都能够维持高的测量精度。
在透镜系统中虽存在失真，但第一摄影部分1320及第二摄影部分1330的光学系统都预先在作为基准的地点生成校正数据，在进行三直角棱镜21000的位置检测的运算处理阶段，也能够通过减去误差而消除失真。
如上所述构成的本发明，由于其光源部分发出测量光，受光部分接受反射光，扫描装置在扫描方向射出测量光，同时将反射光引向受光部分，角度检测器检测扫描装置的旋转位置，测量光包含呈扇形展开的测距光，能够利用该反射光测量到反射体的距离，因此具有能够力图大幅度改善作业效率的效果。

Claims (7)

1.一种位置测量装置，向反射体照射测量光并根据其反射光求出距离、方向及位置，其特征在于，包括
发出测量光用的光源部分，
接受反射光用的受光部分，
沿扫描方向射出测量光、同时将反射光引向所述受光部分用的旋转的扫描装置，以及
检测该扫描装置旋转位置用的角度检测器，
所述测量光包括利用设置在扫描装置上的扩散光学系统呈扇形展开的测距光，并将由该扩散光学系统入射的反射光引向受光部分，利用该反射光测量到所述反射体的距离。
2.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，
测量光包含瞄准光，受光部分具有接受该瞄准光用的瞄准用受光传感器，该瞄准用受光传感器根据反射光检测反射体与瞄准中心的偏差。
3.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，
适用于多个反射体。
4.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，包括
向被测量的反射体发送与该反射体有关的测量数据用的发送装置。
5.如权利要求4所述的位置测量装置，其特征在于，
根据多个反射体的检测位置，向各反射体发送与反射体有关的测量数据。
6.如权利要求4所述的位置测量装置，其特征在于，
受光部分具有摄像装置，向反射体发送用该摄像装置捕捉到的图像数据。
7.权利要求6所述的位置测量装置，其特征在于，
图像数据中与位置数据相关。
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