CN101421584B - 手持光学距离测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例的手持式测量设备包括距离测量引擎与角位置测量引擎。控制器控制距离测量引擎，并且将来自角位置测量引擎的仰角、方位角位置、或者相对角位置与从仰角引擎获得的距离测量相关联。在优选操作种，在用户控制下从目标测量的每个点都被自动与从角位置引擎获得的仰角和/或方位角位置相关联。优选地，控制器针对多个相关目标点确定空间中的相对坐标集合。然后，控制器可以计算关于所述多个目标点的多种有用的距离、面积、体积等等。

Description

手持光学距离测量设备
技术领域
本发明的领域为测量设备。本发明的设备的应用包括例如建造(construction)与估计。
背景技术
在建造与估计中有许多应用要求利用沿一表面的多个点远程测量距离、面积、或者体积。在勘测中，定位空间中任意点的能力由通常称为“总站(totalstation)”或者”经纬仪”的设备提供。这些安装在三脚架上的设备可以测量方位角、仰角、以及距离至非常高的精度(毫米/弧秒)，以确立极坐标中的位置。它们可以使用精密刻度尺或者角度解码器来测量角度，并且例如可以通过光学三角测量来提供距离。这些设备通常昂贵笨重，并且在许多情况下提供高于所需要的精度。它们的使用不总是方便的。
在许多情况下，不需要到选定点的高度测量精度。例如，估计覆盖一个区域的材料的面积或者估计窗户或者门的尺寸经常需要测量物理开口或者表面的高度、宽度、或者面积。作为另一个例子，在挖掘中，估计要从一个地点去除的或者要添加到该地点的材料的体积是很重要的。在这些情况下，需要比勘测应用中小的精度。不那么笨重的装备也是方便的。
手持式距离测量设备在某种程度上处理该需求。典型的设备使用光学引擎来测量距离。例如，可以利用多个光束的发射、感测、以及三角测量来确定给定点的距离。其他手持式距离测量设备利用相位差光学距离测量引擎。由光学距离测量引擎发射光束，并且感测来自目标的光束的反射。反射光束相对于发射光束的相位差指示距离。可以利用多个频率的光束来提高精度。当进行测量时，这样的光学距离测量引擎或者典型手持式设备的其他距离测量引擎可以提供适当精确的距离测量。但是，对测量的控制以及定时以往往没有利用由距离测量引擎所提供的精度的方式进行。
作为例子，一类有趣的测量为测量水平上的距离或者相对于水平特定仰角上的距离。典型手持式距离测量设备包括酒精瓶(spirit vial)，用来帮助用户确定水平或者仰角。水平上的距离测量涉及手持式距离测量设备的操作者解释(interpreting)酒精瓶，并且手动地启动测量的时间。对于给定的测量，这是一项难于重复的技术。
发明内容
本发明实施例的手持式距离测量设备包括距离测量引擎与角位置测量引擎。控制器控制距离测量引擎，并且将来自角位置测量引擎的仰角、方位角位置、或者相对角位置与从仰角引擎获得的距离测量相关联。在优选操作中，在用户控制下从目标测量的每个点都被自动与从角位置引擎获得的仰角和/或方位角位置相关联。优选地，控制器确定对于多个相关目标点的空间中相对坐标集合。然后，控制器可以计算关于所述多个目标点的、多种有用的距离、面积、体积等等。
根据本发明优选实施例的测量设备可以进行简单的以及复杂的测量。本发明示范性实施例的测量设备为低成本手持式设备，其能够测量二维或者三维坐标空间中两个或更多个测量点之间的相对位置。优选实施例测量设备利用点测量来确定例如弦距离(chord distance)、测量点包围的面积或者体积、表面的倾斜度、水平上的测量、或者选定倾斜角上的测量的估计值。
附图说明
图1为本发明的手持式光学测量设备与目标的示意图；
图2为图1的手持式光学测量设备的方框图；
图3显示光学距离测量引擎；
图4显示一角度(例如水平)操作上的测量；
图5显示角度操作上的多个目标点测量；
图6显示测量倾斜平面上的弦长度与面积；以及
图7显示计算弦长度AB、三角ABC以及多边形区域ABCD的面积。
具体实施方式
本发明涉及光学测量设备。本发明示范性实施例的测量设备为低成本手持式设备，其能够测量目标点的距离与仰角。另外，优选实施例设备可以确定两个或更多个目标点之间的相对位置。
在优选实施例中，可以从响应于用户启动测量过程而取得的多个自动测量，自动内插每个目标点的距离、仰角、方位角位置、或者相对角位置。通过这种方式，可以补偿使设备对准偏离所希望的目标点的抖动与其他用户产生的运动。作为例子，用户可以通过设备的用户界面启动水平操作上的测量。从自水平明显倾斜的点开始，用户朝向水平横扫指向指示器(pointingindicator)。优选实施例中的可听声调向用户指示横扫完成。另外，声调可以向用户指示横扫进行得不正确，例如太快。该设备在横扫期间进行距离测量，并且记录获得每个测量的仰角。如果在精确水平上或者靠近精确水平获得测量，则该测量可以用作水平上的测量。否则，根据多个点以及仰角，进行三角测量计算，以确定水平上的测量。
在优选实施例设备中，使用加速计来测量角位置，例如仰角。在其他优选实施例设备中，使用双轴加速计来提供仰角与方位角。双轴加速计的等价物为以例如正交配置使用的两个单轴加速计，从而可以对每个测量的距离点确定仰角与方位角。类似地，可以使用双轴倾角计或者多个单轴倾角计。方位角信息提供了通过三角测量计算的其它确定的可能性。
本发明的实施例为一种光学距离测量设备，其在小型手持式模块中包括可视指向指示器、加速计或者倾角计、控制器控制的光学距离测量引擎、以及用户界面。优选实施例测量设备使用点测量来确定(例如)弦距离、测量点包围的面积或者体积、表面的倾角、水平上的测量、或者选定倾角上的测量的估计值。来自距离测量设备(其可以基于例如光学三角测量、相位差或者飞行时间延迟测量)的数据点与仰角和/或方位角位置相关联。例如，当相对于重力定向时，角位置引擎的输出可以被直接转换为仰角。另外，角位置引擎的输出可以是单个或者可以是两个的集成，以提供速度或者角位置信息。
优选的光距离测量引擎为光学飞行时间距离测量引擎。优选的光学飞行时间距离测量引擎在2004年12月7日公布的、Lewis等人的题为“DistanceMeasurement Device with Short Distance Optics”的美国专利No.6,829,043(‘043专利)中公开。
现在将参照附图讨论某些优选实施例设备。图1显示手持式光学测量设备10对目标12进行距离测量。设备10发射可视指向指示14，其允许用户将光束(典型为红外线)指向目标12。也可以使用其他对准方法，例如光学瞄准器。设备10包括显示器16，其可以显示例如从目标12测量得到的仰角与距离。显示器16还可以显示用户菜单与指示，并且与输入小键盘18(其允许用户选择设备操作)形成设备的用户界面的一部分。扬声器19提供可听输出，以向用户提供例如完成测量的指示或警报。
图2以高级方框图显示光学测量设备10的电子与光学系统。光学测量设备10提供由控制器20发起的距离测量。双轴角位置引擎(例如一或多个加速计或者仰角计)24向控制器20提供对于仰角与方位角位置的周期性更新。控制器20可以包括用来存储测量与计算结果的存储器，并且还可以通过有线或无线连接(例如蓝牙)向另一设备(例如计算机)输出数据。在另一实施例中，单轴角位置引擎根据设备10的朝向，提供仰角或方位角位置之一。虽然优选为加速计与仰角计，但是也可以使用其他类型的角度引擎，包括电子与机械设备。摆锤为一示例机械设备。一般地，机械设备滞后更大。优选实施例的(多个)加速计与(多个)仰角计具有快速响应，不昂贵，体积小，并且可以容易地相对于‘043专利的优选的飞行时间光学引擎固定。
图3显示飞行时间距离测量引擎26上加速计22的优选安排。将加速计安装到飞行时间距离测量引擎26上减少了外壳28(参见图1)的弯曲或振动对加速计22的影响。飞行时间距离测量引擎26包括刚性基底30，其减少外壳弯曲与振动的影响。指示符发生器32生成指向指示14，例如一激光束。发射光学引擎与光学器件34提供目标光束，例如红外线，并且其飞行时间由感测光学引擎与光学器件36测量。对于其他的操作细节可以参照‘043专利。
通过分色镜38将定点发生器输出与目标光束对准，以利用可视光束14或者通过另一技术(例如虚拟显示)向用户提供对于指向位置的标示。用户界面40控制显示器16与小键盘18，以向用户提供以下功能：选择操作模式、使能可视指向指示14、以及允许用户发起一个多个距离、面积、体积、弦、或者其他测量。控制器20将来自角位置引擎24的方位角和/或仰角数据与距离测量相关联，以建立所测量点的相对坐标。用户显示器16可以向用户提供到测量点的距离与角度的汇总以及所计算的参数，例如弦距离、表面面积、或者区域的开口或者体积。
现在讨论由控制器20进行的、用来确定测量参数的某些类型的测量与计算，以显示优选实施例设备的其他特征。图4显示相对于目标表面50(例如墙)的水平操作上的测量。将单轴角度测量引擎52定向，以测量指向指示14的视线仰角水平。利用该单轴配置，可以从所测量的距离估计目标表面50上单个点的高度，并且可以测量到给定的所希望的角度或者水平的仰角或者距离。只利用单轴加速计，例如可以以良好的精度获得相对于法线或者垂线的高达+/-45度的角度。在角度模式的测量中，可以将光束横扫过表面，直至到达给定角度(其可以为水平)，此时估计距离。当由于横扫速度使距离测量时间相对于距离变化较长时，可以将多个距离测量点与仰角相关联，以允许在给定角度或者水平上的距离的内插。另外，根据横扫速度或者其他标准，例如可以计算并且显示对于测量公差的指示。角度测量能力的通常应用为发起水平上的测量，或者在单元处于垂直朝向的情况下发起垂直(plumb)的测量。
图5显示横扫，其允许控制器在特定角度(例如水平)上内插距离。此处，由用户利用小键盘18发起测量序列。横扫开始于表面50上的测量点“A“。横扫连续通过点“B”、“C”、与“D”，其中穿过水平或者其他感兴趣的角度。利用三角测量计算，控制器确定在水平或者其他感兴趣的角度上的表面50的距离。在角度扫描速度造成连续测量点上较大的距离变化的情况下，控制器20可以采用以下算法，其对在横扫过程期间获得的两个连续数据点进行线性内插。线性内插通过连接两个连续数据点(角度读取距离)的简单线性函数进行。可替换的方法使用三角测量预测，其允许在+/-β度内使用单个点。角度测量引擎确定给出测量的当前角度，然后通过利用一般的三角测量函数(余弦)，可以计算水平值。
例如，在符合图2的优选实施例中，角位置引擎24为自由运行子系统，一旦向单元供电，该子系统就连续送出信号(模拟电压)。当用户启动测量功能(例如水平上测量)时，控制器20获得角位置的精确读数。随后，控制器20(例如按照4Hz的速度)轮询角位置引擎24，以获得连续的测量读数。如果连续的测量读数显示突然的较大变化，则在下一次轮询中获得精确读数。在自由运行模式下，例如运行小于300μs的采样周期，控制器20还执行A/D转换(或者被提供来自转换器的值)。在优选实施例中，控制器20包括或者使用组成这些A/D转换值的32个运行值的环形缓冲器的存储器。在每个10ms定时器间隔上，计算这32个值的平均值，并且将其保存在所谓的次级缓冲器中。在示例实施例中，有8个这样的次级缓冲器(也称为环形缓冲器)，其由此可以存储最近80ms的平均A/D值。对于所获得的每个距离读数，不管其是精确的还是连续的读数，可以使用8个次级读数的平均来计算当前倾角。当倾角落入+/-β度内(其中β为预定限制，例如2度)时，将使用如此获得的测量通过以下公式来计算实际距离：实际距离＝区域(range)引擎报告的距离*cosine(x)，其中x为+/-β度内的测量的倾角。该优选估计方法往往避免了从角位置引擎获得精确读数可能需要的例如大约1秒的延迟。
图6显示倾斜表面54的双轴测量。双轴角测量引擎56，例如两个正交安装的加速计或者倾角计，可以提供360度仰角敏感度或者测量空间中一区域上的方位角与仰角的能力。测量方位角与仰角两者的能力提供了以下选择：测量远距离点相对位置，以提供弦长度、面积、或者体积。此处，测量点“B”与“A”在表面54上，表面54相对于垂线倾斜。点“B”与“A”相隔一弦长度。如果加入另一点，就可以确定面积。另外的点允许确定体积。在本发明的该实施例中，用户将指向表面54(或者对象)上包围感兴趣的测量区域的一系列位置。用户将选择操作模式(弦、面积、或者体积)，然后开始对边沿点进行测量。该系列中的第一个测量将建立方位角、仰角、以及距离的初始坐标。然后用户将该单元绕任意旋转轴旋转，以扫描到下一测量位置。利用三脚架可以获得最佳性能，但是对于大多数估计应用来说，手持式操作就足够了。
虽然优选双轴角位置引擎，但是可以使用单轴引擎进行多个轴的确定。可以利用由旋转或者线性平移致动器控制的机构，重新定位加速计的走向。耦合到该机构的开关将重新配置对加速计输出的处理，以适应所希望的配置。用户由此可以重新配置模块的惯性敏感度，以匹配测量需求。例如，可以在垂直平面90度重定单轴加速计走向，以提供靠近垂线或者水平线的仰角操作。将加速计的敏感轴旋转90度可以用来提供方位角敏感度。
图7显示控制器20观察的投影，用来计算空间中一般表面上点“A”与“B”之间的弦长度l。如果加入另一测量点“C”，则也可以计算面积。另一测量点“D”允许计算四个点包围的面积。现在参照图7说明计算。
感兴趣的第一个计算是对于弦长度l。方位角δ由∠A’OB’＝δ定义。点A具有仰角α，由∠AOA’＝α定义。点B具有仰角β，由∠BOB’＝β定义。AOB三角的边的长度定义为OA＝l1，OB＝l2，AB＝l。l的长度为l2＝(Ax)2+(Bx)2，其中Ax为A与x之间的长度，Bx为B与x之间的长度。因此，该长度可以表示为＝(Ax)2+(A’B’)2，其中A’B’为A’与B’之间的长度。应用余弦法则得到(A’B’)2＝l1 2cos2α+l2 2cos2β-2l1l2cosαcosβcosδ(对于∠A’OB’的余弦法则)。然后，Ax＝AA’-BB’，其中AA’为A与A’之间的长度，BB’为B与B’之间的长度。
l1sinα-l2sinβ
(Ax)2＝(l1sinα-l2sinβ)2
＝l1 2sin2α+l2 2sinβ2-2l1l2sinαsinβ
l2＝l1 2sin-2α+l2 2sin-2β-2l1l2sinαsinβ+l1 2cos2α+l2 2cos2β-2l1l2cosαcosβcosδ简化为，l2＝l1 2+l2 2-2l1l2(sinαsinβ+cosαcosβcosδ)
除了如上所述用于得到3D空间中弦l的长度的计算外，可以以类似方式获得由三个点A、B、C形成的三角形的长度。如果三角形ABC的三个边由三个弦长度a、b、c定义，则可以如上地计算各个弦长度。利用所确定的长度a、b、c，可以通过Heron公式计算相应三角形的面积：
Figure S2006800459425D00071
其中
Figure S2006800459425D00072
平面中的多边形ABCD定义了4点区域，其可以被计算得出。简单的技术为将该多边形分割为两个三角形。然后多边形的面积仅为两个三角形ABD与BED的和。可以如上所述地计算这些面积。
如本领域技术人员所知，该组示范性计算可以扩展到其他形状、面积、与体积。也可以采用其他三角测量方案。本发明的设备获得空间中目标点集合的坐标，如本领域技术人员所知，其能够求解各个长度、面积、体积、弧度、直径等等。
虽然公开并且描述了本发明的具体实施例，但是应该理解其他修改、替换以及替代对于本领域技术人员是显而易见的。此类修改、替换以及替代可以在不脱离本发明的精神与范围的前提下进行。

Claims (10)

1.一种手持式光学距离测量设备，该设备包括：
距离测量引擎；
角位置引擎；以及
控制器，其控制距离测量引擎，并且将来自角位置引擎的仰角、方位角位置、或者相对角位置中的一个与从距离测量引擎获得的距离测量相关联，
其中所述距离测量引擎包括飞行时间距离测量引擎，其中该设备还包括：
指示符发生器，其生成指示光束，作为指向指示；
发射光学引擎，其生成飞行时间目标光束；
用来对准所述飞行时间目标光束与所述指示光束的部件；以及
感测光学引擎与光学器件，其感测所述飞行时间目标光束的飞行时间。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述角位置引擎包括倾角计。
3.如权利要求1所述的设备，还包括：用户界面，其允许用户控制测量的进行，并且其中所述控制器将在用户控制下从目标测量的每个目标点与从所述角位置引擎获得的仰角和/或方位角位置相关联。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述控制器针对多个相关的目标点确定空间中的相对坐标集合。
5.如权利要求1所述的设备，还包括：
用户界面，其包括：显示器，其可以显示对目标进行的测量的仰角与距离；以及输入小键盘，其允许用户选择设备操作；
可视指向指示器，其允许用户将指示光束指向目标；以及
扬声器，其向用户提供指示测量完成的指示或警报的可听输出。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述角位置引擎包括双轴角位置测量引擎，其向所述控制器提供对于仰角与方位角位置的周期性更新。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述显示器由所述控制器控制以进一步显示用户菜单与指示。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述角位置引擎包括与所述距离测量引擎安装在公共刚性基底上的加速计。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述角位置引擎包括双轴倾角计。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括：
存储器，用来存储测量以及计算结果，并且所述控制器计算依赖于来自所述距离测量的距离测量，以及来自所述角位置引擎的仰角、方位角位置、或者相对角位置中的一个的测量。
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