CN101315289B - 绝对角度运算装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种既可以缩短角度运算时间又能测定精确的绝对角度位置的绝对角度运算装置，其具有根据光电变换信号串所包含的空间调制成分计算绝对角度位置的运算电路(11)。运算电路(11)具有为了插补绝对角度位置而保存比运算所需要的绝对角度运算时间还短的设定时间期间所得到的前次光电变换信号串和此次光电变换信号串的光电变换信号串保存部(14)、检测光电变换信号串保存部(14)所保存的前次光电变换信号串和此次光电变换信号串的相关并测出其偏移量的相关检测电路(15A)以及根据此次获得的偏移量内插图案间的绝对角度位置相当值的内插运算电路(15B)。此运算电路(11)根据偏移量和绝对角度位置相当值算出内插角度，并将前次得出的绝对角度位置加上此次得出的内插角度而求出当前的绝对角度位置。

Description

绝对角度运算装置 

技术领域

本发明涉及一种例如使用装入在旋转激光装置内的旋转式编码器运算相对于基准角度位置的绝对角度位置的绝对角度运算装置。 

背景技术

以往，如图1所示，众所周知如下结构的装置：用旋转激光装置1等测量器使旋转棱镜(省略图示)例如以3转/秒(180转/分)的速度旋转，使扇形光束BP射向目标2，然后接受来自目标2的反射光BP′，检测出目标2相对于旋转激光装置1的基准角度位置Q的绝对角度位置θ。 

例如，在该检测到的绝对角度位置θ处，用该旋转激光装置1向目标2照射激光，然后接收来自目标2的反射光BP′，来测出从旋转激光装置1到目标2的距离。 

在这种旋转激光装置1的内部组装有如图2(a)、(b)所示的旋转式编码器3。该旋转式编码器3大致由旋转板4、发光部5和受光部6构成。 

在旋转板4的外周部，沿周向形成有多个透光缝隙7。例如如图2(c)所示，这多个透光缝隙7由经过空间调制的第1图案P1、第2图案P2、第3图案P3构成。 

按一定的节距宽度P来形成各图案P1～P3，图案P1的图案宽度被设定为固定宽度，图案宽度P2、P3是按照规定的规则来调制(例如：参照日本专利3168451号)。 

该发光部5和受光部6面对旋转板4的缝隙形成区域，且夹着旋转板4相互面对。发光部5例如由发光元件5a和准直透镜5b构成。受光部6例如由线性传感器构成。该受光部6经由缝隙7接受来自发光部5的光。之后，该受光部6将接收到的光变换成光电变换信号串，该光电变换信号串被输入到省略了图示的运算电路。

运算电路根据受光部6的光电变换信号串所包含的空间调制成分运算起自基准角度位置Q的绝对角度位置θ。 

但是，这种运算电路通常需要100毫秒(ms)左右的时间来运算绝对角度位置θ。针对于此，这种旋转式编码器3在这100毫秒期间内例如就旋转108度左右，因此若间隔100毫秒进行测定，则存在如下问题：即不能够求得目标2对于基准角度位置Q的精确的绝对角度位置θ。 

另外，在要同时进行2个以上的目标2的测定的情况下，在小于108度的角度位置处存在2个以上的目标时，其中至少一个无法测定绝对角度位置。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能缩短角度运算时间还能够测定精确的绝对角度位置的绝对角度运算装置。 

本发明所记载的绝对角度运算装置设置有具有空间调制过的图案的旋转板、面对所述图案的旋转区域的发光部、接受经由所述图案而获取的来自所述发光部的光并将其变换成光电变换信号串的受光部以及根据从该受光部输出的光电变换信号串包含的空间调制成分来运算起自基准角度位置的绝对角度位置的运算电路，其特征在于所述运算电路具有为了插补所述绝对角度位置而在比运算所需要的时间还短的设定时间期间保存从所述受光部输出的前次光电变换信号串和此次光电变换信号串的光电变换信号串保存部、检测保存在该光电变换信号串保存部内的前次光电变换信号串和此次光电变换信号串的相关并检测出其偏移量的相关检测电路以及根据此次获得的偏移量来算出所述图案之间的绝对角度位置相当值的内插运算电路，所述运算电路根据该偏移量和所述绝对角度位置相当值算出内插角度，并将此次得出的内插角度与前次得出的绝对角度位置相加而求出当前的绝对角度位置。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于所述运算电路使用阈值将所述信号串进行二值化并检测出偏移量。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于所述图案是透光缝隙，所述发光部和所述受光部夹着所述透光缝隙的旋转区域而面对。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于在所述受光部和所述光电变换信号串保存部之间设有放大所述光电变换信号串的放大电路。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于所述光电变换信号串保存部由两个保存电路构成，这两个保存电路的一个将当前时刻的前一刻的设定时间定义为前次，并保存前次所得到的光电变换信号串，这两个保存电路的另一个将当前时刻定义为此次，并保存此次所得到的光电变换信号串。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于在所述放大电路和所述光电变换信号串保存部之间，设置有按每个规定时间交互切换所述放大电路对所述两个保存电路之间的连接的第一开关元件。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于所述运算电路具有微型计算机，在所述微型计算机和所述光电变换信号串保存部之间设置有第二开关元件，在所述放大电路和所述两个保存电路的一个由所述第一开关元件相连接时，所述第二开关元件使所述两个保存电路的另一个和所述微型计算机相连接，而且，所述放大电路和所述两个保存电路的另一个由所述第一开关元件相连接时，所述第二开关元件使所述两个保存电路的一方和所述微型计算机相连接。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于所述发光部由发光元件和准直透镜构成，所述受光部由线性传感器或CCD构成。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于所述相关检测电路以构成所述线性传感器或CCD的所有元件中的中央的元件为中心，使用存在于中央部分的多个元件，通过相关检测来测出所述偏移量。 

本发明所记载的绝对角度运算装置的特征在于所述图案由多个图案构成，各图案间的节距距离为固定宽度，所述图案的宽度按照规定的规则来调制，所述内插运算电路根据所述各图案间的节距宽度和所述偏移量运算所述绝对角度位置相当值。 

根据本发明所记载的绝对角度运算装置，可以缩短角度运算时间， 而且可以测定精确的绝对角度位置。 

根据本发明所记载的绝对角度运算装置，由于能够以构成受光部的所有元件之中的中央的元件为中心并使用存在于中央部分的多个元件由相关检测来测出偏移量，所以可以缩短处理时间。 

附图说明

图1是表示旋转激光装置的使用方法的一例的说明图。 

图2是表示被装入在图1所示的旋转激光装置中的旋转式编码器的一例的说明图，(a)是表示其概略构成的平面图，(b)是表示其概略构成的侧面图，(c)是表示其透光缝隙的图案的一例的展开图。 

图3是表示本发明的绝对角度运算装置的一例的电路框图。 

图4是本发明的绝对角度运算装置的角度运算时间的说明图。 

图5是表示图4所示的光电变换信号串保存部所保存的光电变换信号串的一例的说明图，(a)表示前次光电变换信号串，(b)表示此次光电变换信号串。 

图6是本发明的内插运算的说明图。 

图7是表示本发明的绝对角度运算装置的处理步骤流程图的一例。 

图8是表示进行过二值化的光电变换信号串的一例的说明图，(a)表示前次光电变换信号串，(b)表示此次光电变换信号串。 

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的绝对角度运算装置的实施方式。 

(实施例) 

图3是表示本发明的绝对角度运算装置的主要部分构成的电路框图。其中，因为旋转式编码器3的构成与图1相同，所以省略其详细说明。 

在该图3中，符号10是作为受光部6的例如由多个受光元件构成的线性传感器或CCD，符号11是运算电路。 

运算电路11大致由微型计算机12、时钟驱动器13、光电变换信号串保存部14、相关检测电路15A和内插运算电路15B构成。 

微型计算机12具有为了插补运算获得的绝对角度位置θ而设定比图4所示的运算所要的绝对角度运算时间T短的时间t的功能。例如，在此，绝对角度运算时间T为100毫秒(ms)，换算成角度为108度。此外，设定时间t例如在此为500微秒(μs)，换算成角度为0.54度。 

微型计算机12向时钟驱动器13输出控制信号，时钟驱动器13向线性传感器10输出驱动信号。 

线性传感器10根据时钟驱动器13的驱动信号，经由放大电路16向光电变换信号串保存部14输出光电变换信号串。该线性传感器10的元件个数例如为512个。在此，一个元件的节距宽度按照角度换算大约为73秒，因此，线性传感器10的角度为73×512(秒)，也就是相当于大约10.4度。 

光电变换信号串保存部14由保存电路14A和保存电路14B构成，并具有在微型计算机12所设定的设定时间t期间暂时保存由线性传感器10的各元件所输出的光电变换信号串的功能。 

保存电路14A、14B的一个将当前时刻的前一刻的设定时间t定义为前次，且将当前时刻定义为此次，用作保存前次得到的光电变换信号串的前次保存电路；保存电路14A、14B的另一个用作保存此次得到的光电变换信号串的此次保存电路。 

微型计算机12具有控制开关元件17、18的功能。控制开关元件17每500μs将连接切换为放大电路16与保存电路14A相连接的状态和放大电路16与保存电路14B相连接的状态。 

开关元件18每500μs在保存电路14A与微型计算机12相连接的状态和保存电路14B与微型计算机12相连接的状态之间被切换。在开关元件18使保存电路14A和微型计算机12连接起来的状态时，将开关元件17切换为使放大电路16和保存电路14B相连接的状态；在开关元件18使保存电路14B和微型计算机12连接起来的状态时，将开关元件17切换到放大电路16和保存电路14A相连接的状态。每100ms，使用该开关元件18将绝对角度运算装置所必要的光电变换信号串输入到微型计算机12。 

保存电路14A、14B具有以500μs时刻为基准将从该前一刻512个元件各自输出的光电变换信号串暂时保存起来的功能。在此，微型计算机12每100ms和保存电路14A或者14B相连接，并根据保存电路14A或者14B所保存的512个光电变换信号串，在每个绝对角度运算时间T内，根据空间调制成分计算起自基准角度位置Q的绝对角度位置θ。之后，微型计算机12向显示部19输出该运算结果，显示部19将起自基准角度位置Q的绝对角度位置θ显示在画面上。 

此外，微型计算机12为了在每个设定时间t按照相关法检测出前次保存电路所保存的光电变换信号串和此次保存电路所保存的光电变换信号串的偏移量，而依据控制定时信号ST将保存电路14A、保存电路14B所保存的各光电变换信号串输出到相关检测电路15A。 

相关检测电路15A例如根据相关法来比较保存电路14A所保存的512个光电变换信号串tr1(参照图5(a))和保存电路14B所保存的光电变换信号串tr2(参照图5(b))，检测出偏移量Δ。在此图5中，图5(a)的符号×1所表示的光电变换信号对应于图5(b)的符号×2所表示的光电变换信号，表示仅偏移8个元件(像素)程度的状态。所以，这里Δ＝8。 

该偏移量被输入到微型计算机12，由内插运算电路15B得出的内插值也被输入到微型计算机12。 

内插运算电路15B从放大电路16输出的光电变换信号串算出下面将要说明的内插值(相当于绝对角度值)。 

图6是用来算出该内插值的图案的示意说明图。该图6中，所表示的是从算出绝对角度运算值的时刻到运算下一个绝对角度运算值的时刻之间横切受光元件10的旋转方向中心的图案。 

在此，例如图案间的节距间隔P相当于14个像素，此节距间隔P换算成角度为1029秒(约73秒×14像素＝约1022秒)。这里，内插运算电路15B以0.1秒或1秒为单位计算内插值。例如，若偏移量Δ＝8，则内插值A是相当于(8/14)×1029秒的值。此外，在偏移量Δ为14以上的情况下，偏移量Δ的数值(像素数)用符号M表示，将该数值M×73秒 除以1029所得出的值(节距个数)M′的余数用符号M″表示。此符号M″为第M′个图案和第(M′+1)个图案之间的像素的个数，即表示从第M′个图案数起的数值。 

因此，可以用A′＝(M″/14)×73式算出第M′个图案和第(M′+1)个图案之间的内插值A′。 

因此，起自绝对角度取得时刻的内插值A为：A＝(1029×M′)+A′，即：可以用A＝(1029×M′)+(M″/14)×73式来算出。 

该内插值A的数据被输入到微型计算机12。微型计算机12根据内插值A运算内插角度φ。之后，微型计算机12将前次得到的绝对角度位置θ和此次得到的内插角度φ相加，求出当前的绝对角度位置(θ+φ)。在此例中，因为Δ＝8，所以内插角度φ为588.8(秒)。而且，在此例中，以0.1秒为单位计算内插值A。 

以下参照图7说明此绝对角度运算装置的角度运算流程的一例。 

假设旋转式编码器3在旋转中，微型计算机12例如每100ms(这一时间可任意设定)进行绝对值运算(绝对角度位置运算)(S.1)。随后，微型计算机12将计数值归零(S.2)，并开始计数(S.3)。接着，微型计算机12将计数值除以例如500μs(这一时间可任意设定)(S.4)，并判断商N是否为整数(S.5)。 

若商N不是整数，则重复S.3到S.5的处理。在步骤S.5中，若判断商N为整数，则向开关元件17输出切换信号。 

绝对值运算进行之后，即N＝1的情况下，将开关元件17从放大电路16和保存电路14A连接的状态切换到放大电路16和保存电路14B连接的状态(S.6)。此外，开关元件18将连接开关元件17的保存电路切换到未连接的保存电路。 

绝对值运算时所使用的512个光电变换信号串tr1作为前次光电变换信号串tr1被保存在保存电路14A中。而此次光电变换信号串tr2被保存在保存电路14B内(S.7)。 

前次光电变换信号串tr1的数据和此次光电变换信号串tr2的数据被输入到相关检测电路15A，相关检测电路15A根据光电变换信号串tr1、 tr2，利用相关运算法检测出偏移量Δ(S.8)。 

该偏移量Δ被输入到微型计算机12，微型计算机12根据该偏移量Δ和内插值A算出内插角度φ，再将先求得的前次绝对角度位置θ0加上此次取得的内插角度φ，求出绝对角度位置θ1(θ1＝θ0+φ)(S.9)。 

随后，微型计算机12判断N是否为200(S.10)，若N不是200，则转到S.3，继续进行计数，再判断商N是否为整数(S.5)。例如，N＝2的情况下，微型计算机12进行开关元件17的切换。 

这样，从放大电路16和保存电路14B连接的状态被切换到放大电路16和保存电路14A连接的状态。在该N＝2的情况下，保存电路14B具有保存前次光电变换信号串tr1的数据的作用，保存电路14A则具有保存此次光电变换信号串tr2的数据的作用。 

该保存电路14B所保存的前次光电变换信号串tr1的数据和保存电路14A所保存的此次光电变换信号串tr2的数据同样被输入到相关检测电路15A，相关检测电路15A根据这些数据同样用相关运算法检测出偏移量Δ。 

该偏移量Δ被输入到微型计算机12，微型计算机12根据该偏移量Δ和内插值A算出角度φ，将先求得的前次绝对角度位置θ1加上此次取得的角度φ，求出绝对角度位置θ2(θ2＝θ1+φ)(S.9)。 

微型计算机12重复该处理，一直到N＝200为止。这里，在商N为偶数的情况下，保存电路14A起着保存此次光电变换信号串的作用，而保存电路14B则起到保存前次光电变换信号串的作用。此外，在商N为奇数的情况下，保存电路14A则起着保存前次光电变换信号串的作用，而保存电路14B则起到保存此次光电变换信号串的作用。微型计算机12根据保存电路14A或者14B所保存的光电变换信号串，每100ms重复根据空间调制成分运算起自基准角度位置Q的绝对角度位置θ。 

若微型计算机12判断N是200，则转到步骤S.11，并判断旋转式编码器3的开关是否断开。在开关为接通的情况下，则转到步骤S.1，继续进行S.1至S.11的处理。 

若采取使用该绝对角度运算装置的旋转激光装置1，则可以精确地求 出起自接受到来自目标2的反射光BP′的时刻的基准角度位置Q的绝对角度位置θ。因此，在进行测距的情况下，求出在从基准角度位置Q旋转几度角的时刻射出测距激光为宜，即便在无人的情况下，旋转激光装置1也可求出一直到目标2为止的距离。 

在此实施例中，使用由512个元件得到的512个光电变换信号，通过插补求得绝对角度位置，但是，并不需要使用全部512个元件，例如，以512个元件之中的中央的元件即第256个元件为中心，使用前后32个即64个元件，也可以按相关检测法对绝对角度位置进行插补。 

这样，即使使用64个元件的情况下，1个元件的偏移角度也为73秒，如果使用64个元件则为6072秒。对此，在500μs期间内，由于旋转板4的旋转角度是0.54度(2016秒)左右，所以即使旋转板4的转数发生了变动，也不会对插补运算产生不良影响。 

在本发明的实施例中，尽管相关检测电路15A使用原始的光电变换信号串tr1、tr2进行相关检测，但是如图8(a)、(b)所示，也可以按照用阈值Qr对64个光电变换信号二值化得出的二值化后的光电变换信号串tr1′、tr2′来检测出偏移量Δ。 

Claims (10)

1.一种绝对角度运算装置，其特征在于，设置有

具有空间调制过的图案的旋转板、

面对所述图案的旋转区域的发光部、

接受经由所述图案而获取的来自所述发光部的光并将其变换成光电变换信号串的受光部、以及

根据从该受光部输出的光电变换信号串包含的空间调制成分来运算起自基准角度位置的绝对角度位置的运算电路，

所述运算电路具有

为了插补所述绝对角度位置而在比运算所需要的绝对角度运算时间还短的设定时间期间保存从所述受光部输出的前次光电变换信号串和此次光电变换信号串的光电变换信号串保存部、

检测保存在该光电变换信号串保存部的前次光电变换信号串和此次光电变换信号串的相关并检测出其偏移量的相关检测电路、以及

根据此次获得的偏移量来算出所述图案之间的绝对角度位置相当值的内插运算电路，

所述运算电路根据该偏移量和所述绝对角度位置相当值算出内插角度，并将此次得出的内插角度与前次得出的绝对角度位置相加而求出当前的绝对角度位置。

2.根据权利要求1所述的绝对角度运算装置，其特征在于所述运算电路使用阈值将所述信号串进行二值化并检测出偏移量。

3.根据权利要求1或2所述的绝对角度运算装置，其特征在于所述图案是透光缝隙，所述发光部和所述受光部夹着所述透光缝隙的旋转区域而面对。

4.根据权利要求1所述的绝对角度运算装置，其特征在于在所述受光部和所述光电变换信号串保存部之间设有放大所述光电变换信号串的放大电路。

5.根据权利要求4所述的绝对角度运算装置，其特征在于

所述光电变换信号串保存部由两个保存电路构成，

这两个保存电路的一个将当前时刻的前一刻的设定时间定义为前次，并保存前次所得到的光电变换信号串，

这两个保存电路的另一个将当前时刻定义为此次，并保存此次所得到的光电变换信号串。

6.根据权利要求5所述的绝对角度运算装置，其特征在于在所述放大电路和所述光电变换信号串保存部之间，设置有按每个规定时间交互切换所述放大电路对所述两个保存电路之间的连接的第一开关元件。

7.根据权利要求6所述的绝对角度运算装置，其特征在于

所述运算电路具有微型计算机，在所述微型计算机和所述光电变换信号串保存部之间设置有第二开关元件，

在所述放大电路和所述两个保存电路的一个由所述第一开关元件相连接时，所述第二开关元件使所述两个保存电路的另一个和所述微型计算机相连接，而且，

所述放大电路和所述两个保存电路的另一个由所述第一开关元件相连接时，所述第二开关元件使所述两个保存电路的一个和所述微型计算机相连接。

8.根据权利要求3所述的绝对角度运算装置，其特征在于所述发光部由发光元件和准直透镜构成，所述受光部由线性传感器或CCD构成。

9.根据权利要求8所述的绝对角度运算装置，其特征在于所述相关检测电路以构成所述线性传感器或CCD的所有元件中的中央的元件为中心，使用存在于中央部分的多个元件，通过相关检测来测出所述偏移量。

10.根据权利要求8所述的绝对角度运算装置，其特征在于所述图案由多个图案构成，各图案间的节距宽度为固定宽度，所述图案的宽度按照规定的规则来调制，

所述内插运算电路根据所述各图案间的节距宽度和所述偏移量运算所述绝对角度位置相当值。

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