CN111801547A - 数字水平仪 - Google Patents

Abstract

一种诸如数字水平仪之类的工具，该工具具有指示水平仪的取向的多种方法。水平仪的一个实施方式包括以互补的取向比如相对于彼此成90°布置的两个或更多个加速度计。与具有单个较昂贵的加速度计的水平仪相比，互补的取向允许通过较便宜的加速度计进行更精确的测量。电源模块和管理电源的相关联的控制模块部分地基于用户输入、水平仪的运动以及水平仪的设置来选择地向加速度计和显示器提供电力。

Description

数字水平仪

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年1月25日提交的标题为“Digital Level(数字水平仪)”的美国申请No.62/622,011的优先权以及于2018年4月27日提交的标题为“Digital Level(数字水平仪)”的美国申请No.62/663,945的优先权，并且这两个美国申请的全部内容并入本文中。

背景技术

本发明总体上涉及水平仪的领域，并且更具体地涉及数字水平仪。

水平仪被用于各种应用，特别是用于建筑和建造行业中。传统地，水平仪使用含有液体(例如，乙醇)和小气泡(例如，空气泡)的一个或更多个小瓶以测量取向。小瓶的壁为弧形形状，使得当水平仪放置在足够水平或竖向的表面上时，空气泡在小瓶中的至少一个小瓶的中心处或附近对准。

发明内容

在一个实施方式中，水平仪包括壳体。壳体包括：纵向轴线、平坦的基部表面、与基部表面相对的顶部表面、取向传感器比如加速度计、控制器以及显示器。控制器计算壳体的取向与目标取向之间的取向差。目标取向是所选择的取向和默认的目标取向(例如，与水平地面水平、与水平地面垂直)中的一者。

水平仪包括一个或更多个显示器，所述一个或更多个显示器中的一个显示器位于壳体的前表面上并且另一显示器位于壳体的顶部表面上。前表面上的显示器发出第一图像，该第一图像相对于壳体旋转，使得第一图像中的字母数字字符相对于水平地面定向成水平，而与水平仪自身的取向无关。

本发明的一个实施方式涉及一种包括两个加速度计、显示器和电源的数字水平仪。加速度计以互补的布置而设置，比如相对于彼此旋转90度。因此，对于不同的取向而言，使用两个加速度计的组合的分辨率误差被最小化。在一些实施方式中，加速度计产生输入信号，输入信号由处理器处理以确定水平仪壳体的取向，然后水平仪壳体的取向被用于向用户显示取向。

在一个实施方式中，圆形显示器上的特征旋转以使得所述特征相对于重力的向下拉动是垂直的，并且因此相对于水平地面是大致水平的。例如，表示水平仪的取向(例如，角度)的数字、水平仪的电池状态、指示水平仪的取向的线、指示与重力的向下拉动平行的铅垂线的线以及目标取向可以绕显示器连续地旋转以使得它们相对于水平地面保持相同的取向。

在另一实施方式中，当水平仪在目标角度的可接受范围内时，水平仪的显示器改变其背景色。例如，当水平仪在可接受的主范围内读数时，背景可以为第一颜色或图案(例如，绿色、纯色等)；当水平仪在可接受的主范围外但是在可接受的副范围内读数时，背景色可以是不同于第一颜色或图案的第二颜色或图案(例如，黄色、格子图案等)；并且/或者当水平仪在可接受的副范围外读数时，背景色可以是不同于第一颜色和第二颜色的第三颜色或图案(例如，红色和闪光等)。

在另一实施方式中，可以选择交替的角度(例如，除0度或90度以外的角度)作为水平仪的目标取向。例如，用户可以将水平仪放置在以用户想要重复的角度定向的表面上。当水平仪处于期望的取向时按下目标按钮，并且随后水平仪将该取向标识为目标角度。替代性地，用户可以经由一个或更多个输入按钮手动地输入或调整目标角度。

在一个或更多个实施方式中，数字水平仪包括控制模块，该控制模块降低电源(例如，电池)上的功率消耗或使电源(例如，电池)上的功率消耗最小化。例如，控制模块可以配置成在若干情况中的任何情况下进入睡眠模式，比如当设备在阈值时间段内没有接收到用户输入时进入睡眠模式。当电池供应在阈值电量以下时，该控制模块还可以使用耗尽操作模式。在耗尽操作模式下，显示器可以较暗，显示器中的一个显示器可以完全关闭，并且/或者水平仪可以在比正常操作期间的阈值时间段短的阈值时间之后进入睡眠模式等。

在一个实施方式中，水平仪包括粗略视图模式和详细视图模式。当水平壳体的取向接近目标取向时，水平仪(例如，控制器)基于水平仪取向与目标取向的对比而确定将显示器切换到详细视图模式。从粗略视图模式到详细视图模式的过渡点是用户可配置的，并且该过渡点可以具有从目标取向起在任一方向上的3度的默认值。

在详细视图模式下，水平仪的显示器上的与水平仪的取向相对应的标记夸大了水平仪的角度。例如，如果水平仪的物理取向与目标取向相距3度，则水平仪的显示取向与该目标取向成30度角。随着水平仪的物理取向接近目标取向，水平仪的显示取向对应地接近显示器上的目标取向标记。在各种实施方式中，水平仪的物理取向的改变线性地对应于水平仪的显示取向的改变(例如，当水平仪将取向朝向目标取向改变1度时，所显示的取向朝向该目标取向改变10度)。

在各种实施方式中，水平仪的目标取向可以切换到其镜像。例如，如果目标取向是水平仪的左侧高于水平仪的右侧13度，则镜像目标取向是水平仪的右侧高于水平仪的左侧13度。将目标取向切换到其镜像的一种方法是双击输入按钮。

在各种实施方式中，显示器列出若干用户可选择的目标取向。可以根据使用水平仪的环境来改变列表中的条目。

在各种实施方式中，水平仪包括若干功率模式。在睡眠模式中，水平仪的显示器被禁用，并且除了电源按钮以外的输入按钮类似地被禁用。如果水平仪包括多个处理器，则在处于睡眠模式时使用需要较少能量而操作的处理器。

水平仪可以由于若干原因中的任何原因而进入睡眠模式，所述若干原因包括：水平仪在一段时间内不动，水平仪以预定的取向放置(例如，水平仪的具有前部显示器的面位于底部)。

水平仪还具有耗尽模式，当用于水平仪的电池电源在预定水平(例如，10％、20％)以下时，水平仪进入耗尽模式。在耗尽模式下，水平仪可以禁用需要更多能量而操作的显示器(例如，前部显示器)。

将在下面的详细描述中阐述附加的特征和优点，并且这些特征和优点中的部分特征和优点对于本领域技术人员而言将根据说明书而变得显而易见，或者这些特征和优点中的部分特征和优点将通过实践如所包括的书面描述内容以及附图中所描述的实施方式而被认识到。应当理解的是，前述总体描述和以下详细描述两者均是示例性的。

包括有附图以提供进一步理解，并且附图被包括在本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图示出了一个或更多个实施方式并且附图与描述一起用于说明各种实施方式的原理和操作。

附图说明

图1是根据示例性实施方式的水平仪的正视立体图。

图2是根据示例性实施方式的图1的水平仪的侧壁显示器的细节正视图。

图3是根据另一示例性实施方式的图1的水平仪的侧壁显示器的细节正视图。

图4是根据示例性实施方式的图1的水平仪的侧壁显示器的一部分的带注释的细节正视图。

图5是根据示例性实施方式的图1的水平仪的侧壁显示器的一部分的正视图。

图6是根据示例性实施方式的水平仪显示器中的特征的说明性图示。

图7是根据示例性实施方式的水平仪显示器的正视图。

图8是根据示例性实施方式的水平仪的正视立体图。

图9是根据示例性实施方式的水平仪的正视图。

图10是根据示例性实施方式的水平仪的正视图。

图11是根据示例性实施方式的水平仪显示器的正视图。

图12是根据示例性实施方式的水平仪显示器的正视图。

图13是根据示例性实施方式的水平仪显示器的正视图。

图14是根据示例性实施方式的水平仪显示器的正视图。

图15是根据示例性实施方式的水平仪显示器的正视图。

图16是根据示例性实施方式的图1的水平仪的控制系统的若干模块的框图。

图17是根据示例性实施方式的图1的水平仪的输入设备的细节正视图。

图18是根据示例性实施方式的图1的水平仪中的包括有两个加速度计的取向传感器的框图。

图19是根据示例性实施方式的加速度计在图18中图示的取向处的误差测量估计的图表。

图20是根据示例性实施方式的水平仪的立体图。

具体实施方式

总体上参照附图，示出了数字水平仪的各种实施方式。本文中所讨论的数字水平仪的各种实施方式包括取向传感器，取向传感器包括加速度计取向/布置以测量水平仪壳体的取向并且在频繁使用的角度(例如，水平于地面的壳体取向和垂直于地面的壳体取向)的读数方面提供增加的精度。特别地，取向传感器包括一对加速度计，所述一对加速度计相对于彼此旋转地定向成使得改善取向读数精度。申请人认为，通过使用以如本文中所讨论的互补的方式定位的多个加速度计，提供了更精确的位置读数，同时(与经由单个高质量/高精度加速度计提供取向读数的设计相比)允许使用较低质量、较低成本和/或较低精度的加速度计。

在一个实施方式中，水平仪包括粗略视图模式和详细视图模式。当水平仪的取向足够靠近目标取向时，显示器切换到详细视图模式。在详细视图模式下，水平仪的显示器上的与水平仪取向相对应的标记夸大了水平仪的角度。例如，如果水平仪的物理取向与目标取向相距3度，则水平仪的显示器指示与目标取向相距30度的取向。

在各种实施方式中，水平仪包括若干功率模式，包括电源模式、睡眠模式和耗尽模式。对于这些模式中的每个模式而言，水平仪的各种部件和/或特征可能被禁用或具有减少的功能。这些模式的一个益处在于节省了用于水平仪的电力，这增加了水平仪的运行时间。

在一个实施方式中，水平仪包括水平仪本体壳体，该水平仪本体壳体限定构造成接合工件的至少一个参考表面。为了节省不使用时的电力，水平仪控制器基于剩余的电池电力、用户输入、感测到的运动和/或水平仪取向而选择性地使用睡眠模式。水平仪控制器还选择性地使用功能减少的模式，功能减少的模式限制和/或降低一些特征(例如，允许显示器发出亮光)的电力，以维持用于其他特征(例如，为取向传感器供电)的电力。申请人认为，这种创新的电力使用方法将消除对笨重且昂贵的电池的需求，同时仍然允许水平仪在足够的持续时间内被供电。

参照图1至图3，示出了根据示例性实施方式的水平仪，比如数字水平仪10。总体上，水平仪10包括壳体15、控制器12、第一显示器18、第二显示器40以及输入模块50。水平仪本体包括大致平坦的基部表面8和相对的上表面8，上表面8大致平行于平坦的基部表面。如通常将理解的，将水平仪的基部放置在工件(例如，结构、表面等)上，以便水平仪的用户测量工件的表面的取向，包括但不限于表面是水平的还是垂直的。

水平仪10包括位于水平仪10的(从图1的角度来看的)顶部和底部上的第一测量表面8以及位于水平仪10的(从图1的角度来看的)前部和后部上的第二测量表面6。水平仪10的测量表面提供了非常平坦的表面，所述非常平坦的表面允许水平仪10通过将水平仪10的测量表面中的一个测量表面放置成抵靠被测量物体以测量其他物体的取向。可以考虑的是，水平仪10可以具有任意数目的测量表面(例如，1个至4个)。水平仪10还包括与水平仪10的长度对准的纵向主轴线4。

第一显示器18为主输出设备并且布置在壳体15的外部侧壁上。第一显示器18包括一个或更多个字母数字字符的实例，比如代表水平仪10的目标取向的目标24。读数线20根据从加速度计接收到的信号指示水平仪10的当前取向与重力的感知方向之间的取向差。例如，在图2中，两个目标24均未与读数线20对准。具体地，最右边的目标24在读数线20以下，并且最左边的目标在读数线20以上。这表明水平仪10倾斜成使得水平仪10的(从图2的角度来看的)右侧过高，而水平仪10的左侧过低。

垂直指示器23对应地定向成相对于目标24成90度，使得当目标24追踪水平仪10的主轴线的目标取向时，垂直指示器23追踪相对于该目标取向的法线(例如，当目标取向相对于地面比如水平地面是水平的时，垂直指示器23相对于地面是竖向的)。

在图2中的示例中，水平仪的取向的实际读数28为3.89度。在该示例中，该取向在读数的可接受的范围内，该范围由可接受的界限26表示。在一个或更多个实施方式中，可接受的界限26是与目标不同的固定度数(例如，在任一方向上为6度、在任一方向上为0.3度)，但用户可以将水平仪10构造成具有用户自定义的可接受的界限26。在本文中所讨论的一个或更多个实施方式中，水平仪的取向通常指的是水平仪的壳体的取向。

当水平仪10通过将任一端部向上或向下倾斜而垂直于水平仪10的主轴线旋转时，两个目标24对应地在第一显示器18内旋转。例如，如图2中观察到的，如果水平仪10的右侧向上移动，那么最右边的目标24和最右边的界限26将对应地绕显示器18的周缘34逆时针旋转。因此，尽管显示器18没有物理旋转，但是显示器18内的图像76中的元素78与水平仪10的旋转一致地旋转。可以设想的是，图像76的全部或部分可以相对于壳体15旋转。在一个或更多个实施方式中，图像76包括多个图像76，所述多个图像76中的至少一个图像相对于壳体旋转，并且所述多个图像76中的至少一个图像相对于壳体不旋转(例如，第一图像76相对于壳体15旋转使得第一图像76与地面水平，而与壳体的取向无关，并且第二图像76相对于壳体15不旋转)。

在一个或更多个实施方式中，第一显示器18包括矩形形状的显示器(例如，LCD、等离子体、OLED、QLED等)，其中，在壳体15中，在第一显示器18的前方具有圆形切口，因此使得第一显示器18显示为圆形。替代性地，还可以考虑的是，第一显示器18是圆形显示器。

如果水平仪10与目标完美地对准或近乎对准，则使用不同的背景色22向远处的用户指示。例如，当读数线20与目标24对准和/或几乎对准时，背景22可以为易于从远处识别的颜色比如绿色，这指示水平仪完美地或几乎完美地与目标对准。当读数线20与设定的目标24未对准但是读数线20在可接受的界限26内时，背景22可以为黄色，这指示水平仪的取向尽管没有完美地对准但是在可接受的范围内。当读数线20在可接受的界限26的标记的外侧时，背景22可以为黑色并且字符为白色，这指示水平仪10的取向是不可接受的，并且因此应该对水平仪10所抵靠的位于下方的结构进行调整。

电池状态32用于传达电源模块14(例如，电池)中的剩余电量。电源模块14可以包括布置在壳体15内的一个或更多个电池。

转向图3，在另一实施方式和/或构型中，使用目标范围而不是使用可接受的界限标记26。当读数线20在主目标范围36内时，那么背景22可以为第一颜色(例如，绿色)，以指示当前取向是可接受的。当读数线20在主目标范围36的外侧但是在副目标范围38内时，背景22可以为第二颜色(例如，黄色)，以指示当前取向是接近的但不是完美的，并且因此对一些要求较少的情况而言可能是可接受的(例如，具有不平坦表面的木制支承梁可能仅需要处于“大致”水平，部分原因是因为不平坦表面使得难以确定精确的取向)。当读数线20在副目标范围38的外侧时，背景22可以为第三颜色(例如，黑色)，同时数字和特征为白色。

在一个实施方式中，副目标范围38比主目标范围36宽一固定的度数(例如，在两个方向上均宽0.5度、在两个方向上均宽1度、在两个方向上均宽5度、在两个方向上均宽10度)。在另一实施方式中，副目标范围38比主目标范围36宽一相对量(例如，在两个方向上均宽25％、在两个方向上均宽50％、在两个方向上均宽100％、在两个方向上均宽200％)。

在另一实施方式中，主目标范围36相对于目标读数是非对称的(例如，在一个方向上为1度而在另一方向上为0.5度)。类似地，还可以设想的是，副目标范围38是非对称的。

在一个或更多个实施方式中，若干视觉特征比如第一显示器18中的元素78在第一显示器18内旋转以维持相对于地面的水平取向。例如，即使水平仪10的壳体15相对于地面成45度角，那么第一显示器18中的若干元素78比如读数28、电池状态32、读数线20和历史30均相对于地面水平。因此，在该示例中，读数28、电池状态32、读数线20和历史30将相对于壳体15成45度角而显示。然而，因为这些元素78相对于地面是水平的，所以对用户而言更容易读取。

尽管一个或更多个特征绕第一显示器18旋转，但是第一显示器18本身在物理上并不旋转。相反，图形特征以提供物理旋转的外观的方式显示在第一显示器18上。

历史30显示由水平仪10记录的最近的测量。例如，在图2中，历史30显示“3.1”，以指示上一次所记录的水平仪的取向处于该角度。测量可以由水平仪通过若干方法中的任何方法来记录，所述若干方法包括：按压水平仪10上的特定输入按钮，或者使水平仪10在某个取向上停留阈值长度的时间。通过与下述的输入模块50交互，用户可以存储若干历史测量中的任何测量，并且在历史30处显示那些历史测量中的一个或更多个历史测量。

现在转向图4至图6，当水平仪10处于目标24的视图模式阈值之外比如3度时，显示器18以粗略视图模式操作(图5最佳地示出)。当水平仪10处于目标24的视图模式阈值内时，显示器18以更详细的视图操作(图4中最佳地示出)。例如，当水平仪10的取向(例如，该取向可以通过读数线20表示)远离目标24多于3度时，显示器18显示粗略外环114(例如，图5)，并且当水平仪10的取向距目标24在3度内时，显示器18转换成显示精细外环116(例如，图4)。在该示例中，水平仪10具有远离目标24三度的取向指的是在任一方向上为1.5度。

继续参照图4，详细的主范围120相对于目标24沿任一方向在0.5度的弧上围绕目标24。详细的副范围122在详细的主范围120之外对远离目标24的任一端部增加了另一1.0度的取向改变。详细的主范围120和详细的副范围122的组合包括沿任一方向的1.5度的总范围。然而，尽管组合的详细的主范围120和详细的副范围122对应于水平仪10的1.5度的改变取向，但是详细的主范围120和详细的副范围122在视觉上从目标24起向任一方向绕显示器18延伸大约30度的周向圆弧(图4中最佳地示出)。因此，读数线20在图像76内的运动是水平仪10的取向改变的夸大表示。例如，在该实施方式中，水平仪10的取向的单个改变程度对应于读数线20在详细的主范围120和/或详细的副范围122上通过20度的周向距离。读数线20在图像76中的与水平仪10的物理取向改变相比的夸大运动有助于用户更容易地进行微调调整以与具有目标取向的表面对准。

对于说明性示例而言，当水平仪10的取向与目标24成1.5度时，读数线20处于图4中的参考点A处，其中，与显示器18中的目标24成30度角，并且读数线20与详细的副范围122的距离目标24最远的端部对准。当水平仪10的取向朝向目标24改变0.5度并且因此与目标24成1.0度时，读数线20对应地朝向详细的主范围120周向地移动至图4中的参考点B，穿过详细的副范围122的一半。当水平仪10的取向朝向目标24改变又一0.5度并且因此与目标24成0.5度时，读数线20对应地穿过详细的副范围122的剩余的路程移动至图4中的参考点C，从而到达详细的主范围120与详细的副范围122之间的相交部处。当水平仪10的取向朝向目标24改变再一0.5度并且因此与目标24对准时，读数线20对应地在图4中的参考点D处与目标24对准。在该示例中，即使物理的水平仪10本身的取向在物理世界中仅改变了1.5度，但是读数线20的位置在精细外环116上移动了30度。

在该示例中，水平仪10的取向改变1度对应于读数线20绕精细外环116移动20度(水平仪10的取向的改变：读数线20在显示器18中的周向运动的比例为1：20)。在多种其他实施方式中实践了其他比例(例如，1：3或更多、1：5或更多、1：10或更多和/或1：30或更多)。

在使用水平仪10期间，方向指示器124以圆形旋转的方式通过外环112的内圆周，使得暗边缘126引领方向指示器124的前边缘，而亮边缘128跟随在方向指示器124末端。在一个实施方式中，方向指示器124在暗边缘126处非常暗(例如，与背景色的对比度高)，并且方向指示器124缓慢过渡至在亮边缘128处相对较亮(例如，与背景色的对比度低至无对比度)。方向指示器124沿周向方向100通过精细外环116的内圆周。在各种实施方式中，两个方向指示器124在精细外环116的相对侧上绕精细外环116的内圆周周向地旋转。方向指示器124的速度对应于目标24与读数线20之间的差异，使得水平仪10的取向离期望目标越远，则方向指示器124旋转得越快。方向指示器124的旋转方向对应于水平仪10需要旋转以达到目标取向的方向。方向指示器124的旋转速度对应于水平仪10与目标取向的接近程度(例如，方向指示器124在水平仪10的取向处于详细的主范围120内时比在详细的副范围122内移动得更慢)。

转向图6，其中图示的是主范围120和副范围122在示例性显示器18中对应的范围的图形表示。例如，即使主范围120实际上对应于水平仪10的2度的旋转，但是主范围120覆盖显示器18中的大约20度的弧，并且即使副范围122对应于水平仪的4.5度的旋转，但是副范围122覆盖显示器18中的大约45度的弧。如图6中所指示的，在一个实施方式中，详细的主范围120从目标24起沿任一方向延伸相同的周向距离。类似地，详细的副范围122从可接受的界限26中的每一者起沿任一方向延伸相同的周向距离。

在各种实施方式中，最低限度地满足详细的主范围120和详细的副范围122的要求所需要的水平仪10的取向精确度能够由用户选择。例如，在图4至图6的实施方式中，水平仪10的取向可以与目标取向相距高达0.5度并且满足详细的主范围120的要求，或者与目标取向相距0.5度与1.5度之间并且满足详细的副范围122的要求。在各种其他实施方式中，详细的主范围120配置成对应于不超过水平仪10的X度的取向精度(例如，0.1度、0.05度)。可以例如经由输入模块50将对精度要求的调整输入到水平仪10。

转向图7至图10，显示器18处于粗略视图，因为水平仪10未充分接近目标取向。具体地，水平仪10相对于水平地面以三十度的角度定向。因此，读数28指示“30.00”度的读数，并且读数线20远离目标24以对应的三十度角定向。

当水平仪10定向在目标24的详细的主范围120内时，显示器18的背景22改变颜色。在一个或更多个实施方式中，目标24被手动地设定至目标读数。例如，水平仪10的目标取向可以通过将水平仪10放置成处于目标取向并且按压标记按钮56来设定。替代性地，水平仪10可以放置在目标取向附近(例如，目标取向为30度，并且水平仪10放置成处于28.5度)，按下标记按钮56以将28.5设定为暂时目标，并且使用输入按钮52以将目标从28.5度手动地调整至30度。作为又一替代方案，水平仪10的目标取向可以仅通过使用输入按钮52来手动地设定。

在各种实施方式中，在目标取向不是水平或垂直的情况下(例如，如果目标是30度)，即使水平仪10与目标一致地定向，显示器18也持续显示非零读数28。读数28显示水平仪10的相对于水平地面的测量取向，而不是显示读数线20与目标24之间的差异。在另一实施方式中，读数28指定读数线20与目标24之间的差异。随着水平仪10接近目标取向，即使目标取向本身不为零，读数28也会逐渐接近零，直到读数28处于零处或在零附近。

在没有手动设定目标的情况下，目标24是默认目标，比如与水平地面水平的目标(例如，读数为0度)或者垂直于水平地面的目标24(例如，读数为90度)。如图10中所示，当水平仪10与水平地面的铅垂件23对准并且因此在详细的主范围120内时，背景22改变为第一颜色(例如，绿色)。当水平仪10与目标24的详细的副范围122对准时，背景22改变为第二颜色(例如，蓝色)。在一个实施方式中，水平仪10将目标24从水平地面改变为铅垂，这取决于哪一者更接近水平仪10的取向。

默认情况下，水平仪10构造成具有0度(平行于水平地面，或者换句话说垂直于感知的重力)或90度(垂直于水平地面，或者换句话说平行于感知的重力)的目标测量值。因此，当水平仪10具有接近和/或等于那些测量值中的一个测量值的取向时，显示器18的背景22可以改变颜色以指示取向是接近的和/或正确的。为了切换配置自定义标识的取向目标的能力，可以快速地按压标记按钮56以启用/禁用该功能(例如，打开和关闭标记模式)。当水平仪10定位成处于目标取向时，标记按钮56可以在短的时间段(例如，两秒)内被保持，以指示这是水平仪的目标取向。

转向图11至图12，水平仪10还包括使水平仪10的目标取向相对于感知的重力翻转或镜像的能力。这在测量表面要求水平仪10面向不同的方向使得显示器18不可见的情况下可能是有用的。水平仪10可以重新构造成使得目标取向的镜像是下一次测量的期望目标(例如，在图12中，当水平仪10的右侧比平行于水平地面21高18.5度时，目标24与读数线20对准)。例如，可以通过双击标记按钮56来完成水平仪10的目标标记的翻转。例如，如果目标取向是水平仪的左侧高于水平仪的右侧13度，则镜像目标取向是水平仪的右侧高于水平仪的左侧13度。

转向图13至图15，在显示器18上显示有列表31并且列表31包括若干(例如，3个)可以选择的取向测量。这允许用户在常用的目标取向之间快速切换。列表31中的条目可以由用户选择以设定水平仪10的目标24。例如，列表31中的第一条目为7.56度，列表31中的第二条目为8.5度，并且列表31中的第三条目为12.5度。响应于用户选择第二条目(图15中最佳地示出)，水平仪10的目标24变成与水平地面相差8.5度。在各种实施方式中，列表31中的条目比如经由输入模块50输入至水平仪10。列表31中的条目可以由用户调整、增加和/或移除。

参见图16，控制器12与加速度计模块60、输入模块50以及显示模块16电通信。控制器12还控制电源模块14，目的是使一个或多个或电池的能量消耗最小化。可以考虑的是，控制器12可以经由诸如微处理器(例如，ASIC)之类的硬件、软件、固件和/或硬件、软件、固件的任何组合来实现。

在一个或更多个实施方式中，控制器12计算水平仪10的取向差，确定在哪种模式下操作，在有图像的情况下确定哪一个或哪几个图像要显示在一个或更多个显示器上，并且将控制信号发送至显示器以发出指示取向差的图像。控制器12可以使用若干模式，比如活动模式、睡眠模式和禁用功能模式。睡眠模式和禁用功能模式用于保存电池电力。在活动模式下，特征中的所有特征均被启用，并且显示器完全点亮(例如，未变暗)。在禁用功能模式——禁用功能模式可以在电池电力处于阈值以下时被激活——下，控制器12可以减少向若干特征中的任意特征的电力供应，比如，一个或更多个显示器可以较暗，显示器中的一个显示器可以完全关闭，水平仪可以在比正常操作期间的阈值时间段短的阈值时间段之后进入睡眠模式，仅可以使用加速度计中的一个加速度计，等等。

此外，当电池电量低时，禁用功能模式可以优先考虑水平仪内的电子特征/供电特征。例如，这种方法可以禁用某些特征，比如照明特征(例如，背景色)或声音特征(例如，取向处于范围中的一个范围内的通知)，以便为其他特征保持足够的电力。这样的基本特征可以包括位置传感器/水平传感器以及在数字水平仪显示器上的水平/位置信息的数字显示。

控制器12可以进入睡眠模式，睡眠模式禁用水平仪10的除了电源按钮54和为一个或多个电池充电的能力之外的所有特征。可以因为检测到若干触发条件中的任何触发条件而进入睡眠模式，比如，如果电源按钮被接合以将水平仪10切换成关闭，如果在阈值时间段内没有用户输入，如果在阈值时间段内没有运动，如果在阈值时间段内有过多运动(例如，如果在长途行走期间携带水平仪10)，等等。

回到图16，控制器12具有用以保存电池电力的若干特征和配置。省电特征的一个方面基于包括有至少两个处理器的水平仪10。在图16中示意性示出的实施方式中，水平仪10包括第一CPU 82和第二CPU 84。第一CPU 82比第二CPU 84使用更多的电力。例如，第一CPU 82可以以更快的时钟速度操作，第一CPU 82可以是物理上更大的处理器，第一CPU 82可以将水平仪的取向测量为达到更高的精度水平(例如，达到百分之一度(例如，18.23度)而不是整度(例如，18度))，第一CPU 82可以具有增加的功能，等等。在各种实施方式中，可以使用除了CPU以外的处理器，包括但不限于MCU、MPU和/或ASIC。

因此，控制器12理应选择地禁用和/或减少第一CPU 82的功率消耗，以提供对水平仪10的操作的支持。当第一CPU 82被禁用和/或具有减少的功能时，在各种实施方式中，控制器12依靠第二CPU 84来监测水平仪10的操作并且确定是否以及何时激活第一CPU 82。

控制器12使用若干模式进行操作。一种模式是“关闭模式”，在关闭模式中，除了电源按钮54之外，水平仪10的大多数部件或全部部件被禁用。另一模式是“开启模式”，在开启模式中，至少第一CPU 82是操作的，并且因此水平仪10的至少大多数特征是操作的。

另一模式是“睡眠模式”，在睡眠模式中，水平仪10通电但是具有减少的功能。例如，当水平仪10在一段时间(例如，2分钟)内没有被移动时，由于该停滞，控制器12将水平仪10置于睡眠模式，在睡眠模式中，第一CPU 82被禁用和/或具有减少的功能，并且第二CPU84被控制器12启用和利用。在另一示例中，当水平仪10以不可用的取向放置时(例如，如果前部显示器18面向地面比如如果水平仪10面向下放置在桌子或工件上，或者如果前部显示器18放置成面向上)，控制器12可以将水平仪10置于睡眠模式。

另一模式是“省电模式”，在省电模式中，水平仪10仍然是活动的但是具有减少的功能。例如，在该模式中，第一显示器18或第二显示器40中的至少一者可以被禁用和/或具有部分功能(例如，显示器18或显示器40可以是暗的)。作为另一示例，在该模式中，第一CPU82可以被禁用，并且因此水平仪10具有降低的取向测量精度(例如，水平仪10的取向仅可以被确定为达到整度数的精度(例如，18度)，而不是更精确的测量，比如达到十分之一度(例如，18.1度)或百分之一度(例如，18.23度))。

水平仪10可以通过用户经由输入模块50选择该模式而被手动地置于省电模式。替代性地，水平仪10可以由于水平仪10可用的电源减少而被置于省电模式。

另一模式是“耗尽模式”，在耗尽模式中，水平仪10具有受限制的功能。当可用电源在某个阈值(例如，百分之十、百分之二十)以下时，水平仪10进入该模式。在耗尽模式中，类似于省电模式，第一显示器18或第二显示器40中的至少一者可以被禁用和/或具有部分功能(例如，显示器18或显示器40可以是暗的)。例如，在耗尽模式中，可能会比第二显示器40消耗更多电力的第一显示器18被禁用。

现在转向图17，在各种实施方式中，输入模块50包括被标记为“...”的“菜单/选择”按钮52，“菜单/选择”按钮52允许用户打开水平仪10的菜单。用户通过不断地按压“...”按钮52来循环菜单选项，或者用户通过按压向上或向下箭头按钮52来循环菜单选项。

输入模块包括输入按钮52、电源按钮54和标记按钮56。标记按钮56允许用户将水平仪在选定表面上的取向“标记”为将来表面的目标取向。例如，如果横梁相对于地面以一定角度(例如，2度)定向，则水平仪10可以被放置在目标支承梁上。然后，使用标记按钮56以向水平仪10中的控制器12指示目标支承梁的角度应该被存储并且在将来的读数中重复。替代性地，水平仪10的目标角度可以由用户经由输入按钮52来设定。

输入按钮可以用于调整水平仪10的各种设定，包括语言设定(例如，使用什么语言)、调整各种范围(例如，主目标范围36、副目标范围38、详细的主范围120和/或详细的副范围122)、调整进入睡眠模式和/或禁用功能模式(两者均在下文中进一步讨论)的默认阈值以及通知(例如，哪种背景色指示哪个取向)。

图18至图19图示了水平仪10中的示例性加速度计模块60。在该实施方式中，从图18的角度来看，第一加速度计62的底部64位于左上方，第二加速度计72的底部74位于左下方，并且加速度计模块60的底部68位于左侧。加速度计模块60的底部68与水平仪10的测量表面8大致共面。因此，第一加速度计62相对于水平仪10的测量表面(例如，6和8)具有第一角度位置，并且第二加速度计72相对于水平仪10的测量表面(例如，6和8)具有不同的第二角度位置。在该实施方式中，第一加速度计62相对于水平仪10的底部上的测量表面8并且还相对于加速度计壳体66以+45度(正四十五度)角定向。该角度的正方面是指旋转相对于所选择的观察角度是顺时针的，这在该示例中于图18中示出。因此，在该实施方式中，第一加速度计62相对于壳体15以-45度角定向。基于第二加速度计72的底部74的位置，可以看到，第二加速度计72相对于水平仪10的底部上的测量表面8并且还相对于加速度计壳体66以-45度(负四十五度)角定向。该角度的负方面是指旋转相对于所选择的观察角度是逆时针的，这在该示例中于图18中示出。

因此，在该实施方式中，第一加速度计62相对于水平仪10的第一测量表面具有第一角度位置，并且第二加速度计72相对于水平仪的第一测量表面具有不同的第二角度位置。第一加速度计62和第二加速度计72相对于彼此以90度角定向。第一加速度计和第二加速度计的这种互补的取向在最典型的取向——即，0度、90度、180度和270度——处提供了更精确的测量。那些角度处的误差容限可以为零或接近零(参见图19)，同时其他角度(即，45度、135度、225度、315度)处的最大误差容限仍保持为小的。在另一实施方式中，第一加速度计62和第二加速度计72相对于彼此旋转地定向成使得第一加速度计62和第二加速度计72相对于壳体具有不同的取向(例如，一个加速度计与壳体相比偏离水平30度并且另一加速度计与壳体相比偏离水平60度)。

如图19中所示，在图18中描述且图示的取向中，第一加速度计62在90度和270度处具有其最精确的测量，而第二加速度计72在0度和180度以及360度(360度相当于0度)处具有其最精确的测量。

在一个或更多个实施方式中，在两个加速度计的测量值不相等的情况下，只有来自更精确的加速度计的测量值被使用并且传达给用户。然而，可以设想的是，可以将两个测量结合起来以为用户生成输出(例如，两个测量值的平均值、加权平均值，由此，比如根据图19中的图表，更精确的加速度计测量值被赋予更大的权重)。

在一个或更多个实施方式中，水平仪10不包括具有液体和空气泡的小瓶，但在替代性实施方式中，数字水平仪10也可以包括这种小瓶，比如如图20中所示。小瓶可以以互补的取向定向，比如与壳体15的纵向轴线4垂直以及与壳体15的纵向轴线4对准。

此外，在一个或更多个实施方式中，水平仪10包括第二显示器40，第二显示器40设置在壳体15的顶部表面上。第二显示器40传达表示水平仪10的角度的数字、表示目标角度的数字并且可选地传达指示水平仪10的哪一侧可能过高或过低的符号。然而，可以设想的是，第二显示器40包括第一显示器18中的一些或全部图像元素。

如全文中所引用的，术语“水平地面”指的是与垂直于感知的重力的平面大致共面的地面。

应当理解的是，附图详细地图示了示例性实施方式，并且应当理解的是，本申请不限于说明书中阐述或附图中图示的细节或方法。还应当理解的是，术语仅用于描述的目的而不应当被认为是限制性的。

鉴于本说明书，本发明的各个方面的进一步修改和替代性实施方式对于本领域的技术人员将是明显的。因此，该说明书应当被解释为仅是说明性的。各种示例性实施方式中示出的结构和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施方式，但是在没有实质上脱离本文中所描述的主题的新颖的教示和优点的情况下，许多修改是可以的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化，参数的变化、安装布置的变化、材料的使用的变化、颜色的变化、取向的变化等)。被示出为一体形成的元件可以由多个部件或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其他方式变化，并且位置或离散元件的性质或数目可以改变或变化。任何过程、逻辑算法或方法步骤的顺序或次序可以根据替代性实施方式而变化或重新排序。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以对各种示例性实施方式的设计、操作条件和布置做出其他替换、修改、改变和省略。

除非另有明确说明，否则绝不意指本文中所阐述的任何方法被解释为要求其步骤以特定顺序执行。因此，在方法权利要求实际上并未叙述其步骤应遵循的顺序、或者权利要求书或说明书中没有另外特别说明步骤被限制为特定顺序的情况下，绝不意指暗示有任何特定顺序。另外，如本文中所使用的，冠词“一”意在包括一个或更多个部件或元件，而不意在被解释为指仅一个。如本文中所使用的，“刚性联接”指的是两个部件被联接成使得所述部件在受到力的作用时以固定的位置关系一起移动。

本发明的各种实施方式涉及特征中的任何特征的任何组合，并且可以在该申请或将来的申请中要求保护任何这样的特征组合。以上讨论的任何示例性实施方式的任何特征、元件或部件可以单独使用或与以上讨论的任何其他实施方式的任何特征、元件或部件组合使用。

Claims (26)

1.一种水平仪，包括：

壳体，所述壳体包括纵向轴线；

平坦的基部表面；

顶部表面，所述顶部表面与所述基部表面相对；

取向传感器，所述取向传感器配置成测量所述壳体相对于重力的感知方向的取向；

控制器，所述控制器计算所述壳体的取向与目标取向之间的取向差；以及

显示器，所述显示器发出与所述取向差相对应的图像，所述显示器响应于所述壳体的旋转而使所述图像旋转，使得所述图像相对于重力的所述感知方向保持一致的取向。

2.根据权利要求1所述的水平仪，所述取向传感器包括至少两个加速度计，所述两个加速度计相对于彼此旋转地定向成使得所述两个加速度计相对于所述壳体具有不同取向。

3.根据权利要求1所述的水平仪，所述取向传感器包括第一加速度计和第二加速度计，所述第一加速度计包括与所述第二加速度计的取向相比旋转了90度的取向。

4.根据权利要求1所述的水平仪，其中，所述图像包括指示所述壳体的取向的字母数字字符。

5.根据权利要求1所述的水平仪，所述图像包括指示平面与重力垂直的水平标记以及指示平面与重力平行的铅垂标记。

6.根据权利要求1所述的水平仪，其中，所述水平仪接收输入以基于所述壳体的当前取向调整所述目标取向。

7.根据权利要求6所述的水平仪，其中，所述水平仪接收输入以将所述目标取向调整为所述壳体的所述当前取向。

8.根据权利要求1所述的水平仪，其中，所述图像包括第一图像，并且所述显示器发出不响应于所述壳体的旋转而旋转的第二图像。

9.根据权利要求1所述的水平仪，其中，所述控制器将控制信号发送至所述显示器，并且由所述显示器发出的所述图像基于所述控制信号。

10.一种水平仪，包括：

壳体，所述壳体具有纵向轴线；

平坦的基部表面；

顶部表面，所述顶部表面与所述基部表面相对；

取向传感器，所述取向传感器用以测量所述壳体相对于重力的感知方向的取向；

控制器，所述控制器计算所述壳体的取向与目标取向之间的取向差；以及

显示器，所述显示器发出与所述取向差相对应的图像，所述显示器由于所述取向差小于第一阈值的判定而将所述图像从第一图像调整为第二图像。

11.根据权利要求10所述的水平仪，其中，所述图像包括所述壳体的取向的夸大表示。

12.根据权利要求11所述的水平仪，所述图像中的所述夸大表示包括第一角度，所述第一角度是所述取向差的至少三倍。

13.根据权利要求11所述的水平仪，所述图像中的所述夸大表示包括第一角度，所述显示器由于所述壳体的取向被旋转了Y度而以X度的弧形运动调整所述夸大表示中的所述第一角度，其中，X＞Y。

14.根据权利要求11所述的水平仪，所述图像中的所述夸大表示包括第一角度，所述显示器由于所述壳体的取向被旋转了Y度而以X度的弧形运动调整所述夸大表示中的所述第一角度，其中，X是Y的至少五倍。

15.根据权利要求11所述的水平仪，所述图像中的所述夸大表示包括第一角度，所述显示器由于所述壳体的取向被旋转了Y度而以X度的弧形运动调整所述夸大表示中的所述第一角度，其中，X是Y的至少十倍。

16.根据权利要求11所述的水平仪，所述图像中的所述夸大表示包括第一角度，所述显示器由于所述壳体的取向被旋转了Y度而以X度的弧形运动调整所述夸大表示中的所述第一角度，其中，X是Y的至少三十倍。

17.根据权利要求10所述的水平仪，所述图像由于所述壳体的取向在所述目标取向的第一范围内而包括第一背景色，并且所述图像由于所述壳体的取向在所述目标取向的第二范围内而包括第二背景色。

18.根据权利要求17所述的水平仪，其中，所述水平仪接收输入以调整所述第一范围和所述第二范围中的至少一者。

19.根据权利要求10所述的水平仪，其中，所述水平仪接收输入以基于所述壳体的当前取向设定所述目标取向。

20.根据权利要求19所述的水平仪，其中，所述水平仪接收输入以将所述目标取向调整为所述目标取向相对于所感知的重力的镜像。

21.根据权利要求10所述的水平仪，所显示的图像包括多个用户可选择的目标取向。

22.根据权利要求21所述的水平仪，所述水平仪接收输入以调整所述多个用户可选择的目标取向中的条目。

23.一种控制水平仪的方法，所述方法包括：

将水平仪抵靠物体表面放置，所述水平仪包括：

壳体，所述壳体具有纵向轴线；

平坦的基部表面；

顶部表面，所述顶部表面与所述基部表面相对；

取向传感器；

控制器；以及

显示器；

所述取向传感器测量所述壳体相对于重力的感知方向的取向；

所述控制器计算所述壳体的取向与目标取向之间的取向差；

所述显示器发出指示所述取向差的图像；

所述控制器确定进入睡眠模式；以及

响应于所述控制器的确定而进入所述睡眠模式，所述显示器停止发出指示所述取向差的图像。

24.根据权利要求23所述的方法，所述控制器由于在一段时间内不动而确定进入所述睡眠模式。

25.根据权利要求23所述的方法，所述控制器由于所述壳体被放置成处于预定的取向而确定进入所述睡眠模式。

26.根据权利要求23所述的方法，多个功率模式还包括耗尽模式，当所述水平仪的电源在预定水平以下时，所述控制器进入所述耗尽模式。

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