CN1545610A - 位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置检测装置，特别是其目的在于提供照射测距光、测定光并进行目的物位置的3维计测，进而记录该照射方向或其他方向的图像数据的位置检测装置，光源单元发出测定光，图像传感器接收反射光，出射装置出射测定光并将反射光导向图像传感器，转动机构使出射装置转动，角度检测器检测出射装置的出射方向，固定地设置光源单元与图像传感器，计算处理单元根据图像传感器的输出及接收时刻的角度检测器的输出，变换反射体相对于中心轴的偏差的坐标。

Description

位置检测装置

发明领域

本发明涉及扫描检测作为测定目标的目的物、测定方向及距离的位置检测装置，特别涉及照射测距光、测定光并进行目的物位置的3维计测，进而记录其照射方法或其他方向的图像数据的位置检测装置。

背景技术

以往在3维位置测定和设定中，使用总测站(tatal station)。总测站具备测距测角的功能、是将测定值作为电气数据输出的装置。测定时，将总测站设置于基准位置后，可将目的物设置于测定地点，用总测站对目的物进行平行校准，测定水平角、仰角，对设有目的物的反射棱镜(直角棱镜)进行测距，得到距离数据。

所测定的测距、测角数据，存储到总测站的内装存储器。此外根据需要，对外部存储器装置和计算机输出测距测角数据作为测量作业数据。图7示出在总测站的测量作业。总测站(1000)置于基准位置。目的物(2000a)安装于杆(3000a)上，杆(3000a)由作业人员(4000)设置于测定地点。

总测站(1000)由望远镜单元、自如地支持望镜部的高低旋转用的托架单元、自如地支持托架单元水平旋转用的基盘单元、以及位于基盘单元的下部调准总测站(1000)本身的倾斜并固定三脚的脚头用的调整单元所构成。又，测距及测角等用的电路内装于总测站(1000)内。

总测站(1000)侧的作业人员上下左右地转动望远镜单元，将目的物(2000a)捕获于平行校准中心上，根据基准位置得到水平角、仰角及距离。

然而，使用现有的总测点(1000)的作业中，至少需要总测站1000侧1个作业人员、1个目的物(2000a)设置用的作业人员共2人。如果增加目的物(2000a)的数目，则相应的要增加作业人员。而且瞬时测定多个目的物(2000a)是困难的，现实中不可能的。即作业人员为了用望远镜单元进行平行校准目的物(2000a)，再作测定，需要与目的物(2000a)数目相应的测定时间。因此存在不可能实现大幅度的作业效率的改进那样的问题。

发明内容

本发明中光源单元发生测定光，图像传感器接收反射光，出射装置出射测定光同时将反射光导至图像传感器，转动机构使出射装置转动，角度检测器检测出射装置的出射方向、固定地设定光源单元与图像传感器，计算处理单元根据图像传感器的输出及受光时刻的角度检测器的输出、变换反射体相对于中心轴的偏差的坐标。

又，本发明具有距离测定单元，可同时出射测定光和测距光以求出至反射体的距离，根据距离和方向求出反射体的位置。

又，本发明也可以构成得使具有记录来自图像传感器的图像数据用的存储单元。

又，本发明也可以构成得在得到来自图像传感器的图像数据，根据图像传感器的受光时刻的角度检测器的输出，变换图像数据的坐标。

又，本发明的受光部第1受光传感器可检测与光轴中心的偏差，第2受光传感器可检测与第1受光传感器不同的范围。

又，本发明记录的图像数据以重复的预定的转动角进行记录，并将其图像数据形成连续排列的图像。

又，本发明得自第1受光传感器的图像数据与得自第2图传感器的图像数据被加上位置上的关联关系。

附图说明

图1为说明本发明的实施例的位置检测装置10000的图。

图2为说明本实施例的位置检测装置10000的电气构成的图。

图3为说明本实施例的原理的图。

图4为说明本实施例的原理的图。

图5为说明本实施例的原理的图。

图6为说明本实施例的原理的图。

图7为说明现有技术的图。

具体实施方式

以下通过附图说明本发明的实施例。

根据图1和图2说明本实施例的位置检测装置10000。

位置检测装置10000由本体2000与调平单元3000构成。

本体2000由旋转单元2100、固定单元2200、倾斜测定单元2300构成。

本体2000分为转动部分与固定部分，转动部分在水平方向及垂直方向具有旋转轴，用旋转电机各自可作全周旋转。

旋转单元2100相当于转动部分，具有垂直方向的旋转部分(高低转动单元)与水平方向的旋转部分(水平转动单元)。

垂直方向的旋转部分(高低转动单元)是使旋转反射镜2110沿垂直方向旋转(高低角)的部分。水平轴2111设于旋转反射镜2110的两端部，在水平轴2111的一方上安装高低角测定用的转动编码器2120，水平轴2111的另一方经由第1驱动齿轮2130连接到垂直驱动用电机2140。垂直驱动用电机2140由于固定于支柱单元2150，故利用垂直驱动用电机2140的驱动力使垂直方向的旋转部分一体地旋转。

水平方向的旋转部分(水平转动单元)是使旋转反射镜2110沿水平方向旋转的部分。水平方向的旋转部分由水平旋转单元2170、形成于其上的支柱单元2150、形成于其轴受支柱单元2150制动的旋转反射镜2110的水平轴2111构成，构成得使一体地旋转。

又在水平旋转单元2170上安装水平角测定用转动编码器2180。再者，水平旋转单元2170经由第2驱动齿轮2185连接到水平驱动用电机2190。水平驱动用电机2190由于固定于筐体上，故利用水平驱动用电机2190的驱动力使包含水平旋转单元2170构成的旋转单元2100在水平方向上旋转。

高低角测定用的转动编码器2120与水平角测定用的转动编码器2180相当于角度检测器。

调准单元3000基本上是用三条脚支持本体2000的构造。三条脚中的一脚转动自如地例如用球面支持。其余2脚利用调准驱动电机的驱动力可上下移动。构造上使根据来自倾斜测定单元2300的倾斜信号，通过调整上下动作来调准本体2000。

以下根据图2说明本实施例的位置检测装置10000的电气构造。

位置检测装置10000由下述各部分构成：测距单元1100，反射体检测单元1200，角度检测单元1400，倾斜测定单元2300，存储单元4200，显示单元4300，驱动电路4400，电机4500，计算处理装置4000，以及操作单元5000。

倾斜测定单元2300检测出因轴承的旋转精度引起的旋转单元2100的旋转松动或倾斜，计算处理装置4000修正受光单元受光的测定对象物的受光位置，可消除旋转松动或倾斜的影响。再者，测距单元1100、反射体检测单元1200、出射光学系统以及入射光学系统加起来相当于固定部分。

倾斜设定单元2300根据检测出位置检测装置10000本体的倾斜与水平角编码器1410相对于其水平基准的倾斜，提供修正距离、角度、图像数据的值的数据。

倾斜设定单元2300在确保水平的同时，检测作为机械误差的旋转单元2100的旋转模糊，通过使用基于角度的修正，以检测目的物2000a的正确的位置。

测距单元1100使从距离检测发光单元2211发生的测距光由三角镜2215反射、透过分光棱镜2212，透过物镜2213后，由旋转反射镜2110反射，向未图示的测定对象物的方向出射。来自测定对象物的反射光沿相反的径路返回，由距离检测受光单元2214的受光元件所接收。

从位置检测装置10000至目的物2000a的距离，根据距离检测发光单元2211发出脉冲光之后至距离检测受光单元2214受光为止的时间差来计算。该计算由距离计算电路1120来实行。又，包含距离检测发光单元2211、距离检测受光单元2214及收发光电路一起相当于距离测定单元1110。此外，这一距离测定方式也可以是其他相位差测定方式。

反射体检测单元1200由下述构成：反射体检测光发光单元1210，第1摄像单元1320，第2摄像单元1330，以及反射体检测电路1340。

第1摄像单元1320与第2摄像单元1330接收由反射体检测发光单元1210发光、由目的物2000a的反射体2000b所反射的反射光，同时取得图像。

本实施例中，第1摄像单元1320与第2摄像单元1330使用CCD等的固体摄像元件。第1摄像单元1320相当于第1图像传感器，第2摄像单元1330相当于第2图像传感器。

反射体检测光发光单元1210将从位于本体单元的例如脉冲激光器二极管1211发生的光通过准直透镜1212准直，再通过反射镜2110出射。

在反射体检测光发光单元1210点亮的状态下，第1摄像单元1320与第2摄像单元1330的视频信号中包含了由目的物2000a的反射体2000b反射的来自反射体检测光发光单元1210的反射光，在反射体检测光发光单元1210熄灭的状态下，不包含来自反射体2000b的反射光。

因此，当求出从第1摄像单元1320与第2摄像单元1330输出的反射体检测光发光单元1210的点亮状态、熄灭状态各自的视频信号的差时，作为视频信号仅为来自反射体2000b的反射光，通过求出图像上反射光的位置，可检测出第1摄像单元1320与第2摄像单元1330上的反射体中心位置。

又，利用该检测结果可求出平行校准中心O与目的物2000a的中心位置的偏差。

图3(A)示出包含设置于杆3000上的目的物2000a的反射体2000b的周围的图像，在反射体检测光发光单元1210发光的情况下，重复地得到在可见光之外来自目的物2000a的反射体2000b的回程光的像。因此当求出在点亮反射体检测光发光单元1210时与熄灭反射体检测光发光单元1210时的图像的差时，就得到仅与图3(B)所示那样的目的物2000a的反射体2000b大致相同大小的反射光(回程光)12的图像。取画面中心为与平行校准中心O一致的点，则能从图像容易地计算所述回程光12的水平方向的偏差H、垂直方向的偏差V。

另外，设如图4所示那样，图像传感器40000配置于透镜的焦距f的位置上，入射到图像传感器40000的回程光的角度为θ，则从图像传感器40000的光轴O的偏差x为f·tanθ，求出偏差x就唯一地决定要修正的角度。因此不管至目的物棱镜的距离1a、1b和1c的大小，可计算图像上的水平方向偏差角度H、垂直方向偏差角度V。

详细地说，由于反射体检测光发光单元1210及第1摄像单元1320、第2摄像单元1330被固定地设置，故利用转动单元的位置以与平行校准中心O一致的位置为中心转动图像。

基于图3(C)进行说明时，设例如从位置检测装置10000所置的位置看的水平方向为X轴，垂直方向为Y轴。这时，在Y方向上一角度偏移的位置上有目的物2000a的反射体2000b的情况下，根据相对于位置检测装置10000如①到④那样放置的位置，第1摄像单元1320、第2摄像单元1330上的位置如图3(C)那样改变。因此，在检测来自第1摄像单元1320、第2摄像单元1330的偏差并使平行校准中心O向反射体2000b的中心移动的情况，而且求目的物2000a的反射体2000b的水平、垂直方向的偏差角度的情况下，必须将图像传感器40000上的坐标变换到使本体2000旋转的水平及垂直的坐标。该式用坐标的旋转来表示，由式(1)所表示。这些变换处理由计算处理单元4000进行。

反射体检测单元1200由反射体检测光发光单元1210、第1摄像单元1320、第2摄像单元1330以及反射体检测电路1340所构成。

反射体检测单元1200的光学系统由下列单元构成：设置于固定单元2200的准基透镜1212，分光棱镜2212，半反射镜2217，转换透镜2216，第1摄像单元1320，第2摄像单元1330，反射镜1213，以及转动单元的反射镜2110。

第1摄像单元1320通过分束器2212反射，被设置于物镜2213的焦点位置上。

第1摄像单元1320由于利用转动单元的反射镜可使水平校准方向在垂直、水平方向内弯曲而具有全方向的大视野。利用第1摄像单元1320上成像的受光装置的像(实质上直角棱镜像)的成像位置信息与角度计算单元计算的反射镜附加方向的水平角度及垂直角度，可以求出从位置检测装置10000向反射体2000b进行水平校准的水平角及仰角。

又，CCD的分辨角由CCD的像素数与视场角所决定。像素数越多，视场角越窄，分辨角就越小。

另外，第2摄像单元1330通过转换透镜2216位于与第1摄像单元1320共轭的位置上。

由于利用转换透镜2216缩小了第2摄像单元1330的视场角，故与第1摄像单元1320相比使分辨角减小，可能高精度地求出偏差。

另外，如果利用广角的图像传感器进行反射体2000b的检测并进行进入狭角范围内的那样地驱动，则可能作精度的高速的反射体检测。

存储单元4200中存储得自图像传感器的图像数据链接的设计数据，显示单元4300中显示根据测定图像数据与设计数据同时的测定数据的3维位置信息。另外也可以用变换图像数据的应用软件变换成全景那样的图像进行显示或存储。

这里，基于图5的全景图像的形成进行说明。如图5(a)所示那样，如在360°方向上分割图像并摄像，使图像旋转并连在一起，就可形成如图5(b)那样的全景样图像。

如图3(C)所示，如设CCD上的图像坐标为(X’，Y’)，旋转角度为θ，变换的坐标为(X，Y)，则只要用下式进行所表示的坐标计算就可，

[数学公式1]

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

又，在图3(C)中表示以①、②、③、④的顺序旋转。

又，第1摄像单元1320可进行大视野即广角的摄影(低精度)，第2摄像单元1330可进行小视野狭角的摄影(高精度)，可以重叠2个图像。

以下根据图6说明反射体检测光发光单元1210、第1摄像单元1320、第2摄像单元1330的定时。这里作为图像传感器以面CCD为例来说明。

反射体检测单元1200由下列单元构成：第1摄像单元1320，CCD驱动器1351，信号处理单元1352，A/D转换器1353，帧存储器1354，定时发生电路1355，发光元件驱动器1356，反射检测光发光单元1210，以及CPU4000。

CCD如图6所示使用规定1场的垂直同步信号VD、水平同步信号HD。本例中采用电子开关，利用该电子开关间歇地分离CCD的电荷积累时间与电荷转出时间。

本实施例被构成得使在CCD的电荷积累时间驱动发光元件驱动器1356、反射体检测光发光单元1210发射光脉冲。因此效率高的跟踪检测成为可能。

又，当第1摄像单元1320的读出时，使反射体检测光发光单元1210产生的光脉冲的发光及角度测定单元1400的检测同步。

由于第2摄像单元1330也同样地工作，故省略其说明。

测角单元1400利用安装于转动单元的杆和形成于固定单元的检测单元，检测转动单元相对于固定单元的角度。即构成得使水平角及垂直角编码器1410的输出信号送到角度测定单元1400，计算角度。

位置检测装置10000的受光装置20000检测程序如下。

起始，使反射体检测光发光单元1210点亮，驱动单元使反射镜2110转动。一边观察广角的图像传感器的输出，一边检测反射体2000b。如果检测出反射体2000b，则接通狭角的图像传感器，计算处理单元4000根据角度检测单元的数据与图像传感器的位置进行计算，驱动单元转动反射镜2110。

如果在狭角的图像传感器包括反射体2000b的像，则进而驱动到中心轴O附近，或在该位置，计算处理单元4000根据角度检测单元的数据与图像传感器的位置求出反射体2000b的水平角及垂直角。这时记录狭角的图像与广角的图像也是可能的。此外在图像数据中包含并记录水平角及垂直角、测定的图像数据也可能。

通过用广角的图像传感器进行最初的反射体2000b的检测，从而可高速地实行。

在透镜系统中存在畸变，第1摄像单元1320与第2摄像单元1330的光学系统也在预定作为基准的场所生成校正数据，也可以在进行直角棱镜21000的位置检测的计算处理阶段减去误差。

本实施例利用旋转反射镜在水平方向或垂直方向上旋转照射测距光和测定光，是捕捉位于照射范围的反射体2000b并进行位置测定的位置检测装置。

在受光单元不只是捕捉特定光的受光传感器，而且具备图像传感器。图像传感器输出的图像数据，通过在存储数值罗列的现有方法上加上图像数值，从而可改善作业性。

此外，本实施例的位置检测装置10000，旋转照射测距光及测定光的旋转单元2100也可以只由水平旋转机构构成。这种情况下使水平方向设置于旋转单元2100的水平角编码器1410能大致捕获测定对象的直角棱镜21000的位置。可根据第1摄像单元1320与第2摄像单元1330的视频，修正从相对于水平校准中心的水平角编码器1410输出的水平角值，算出仰角。测距光通过使用扇形光可覆盖仰角测距范围。

这里使用的第1摄像单元1320与第2摄像单元1330是可摄入图像的图像传感器。图像传感器摄入的图像数据，用于直角棱镜21000的位置检出的同时，作为可测定范围的图像数据加以记录。

又，收集本实施例的图像数据的图像传感器，捕获由距离检测发光单元2211发光、由反射体2000b反射的测定光的同时，捕获目的物2000a的图像并记录。而且在包含目的物2000a的直角棱镜21000的转动范围记录周围的图像。再者，图像传感器由视角范围不同的2个图像传感器(第1摄像单元1320与第2摄像单元1330)构成，用作远近或扩大的图像数据。

本实施例在水平方向的转动上加上进行高低方向的转动，而且利用各自的编码器检测水平的转动及高低的转动。当目的物2000a的直角棱镜2100b的方向位置捕捉于概略图像中时，就利用图像数据的值修正水平角与仰角值，确定正确的直角棱镜2100b的方向。

角度测定单元1400利用安装于旋转单元2100的杆与固定单元2200的形成的检测单元检测旋转单元2100相对于固定单元2200的角度。

距离检测发光单元2211相当于光源单元。距离检测受光单元2214相当于受光单元。转换透镜1212、反射镜1213和转动单元的反射镜2110等相当于出射装置。角度测定单元1400相当于角度检测器。第1摄像单元1320与第2摄像单元1330相当于图像传感器。目的物2000a的直角棱镜21000相当于反射体。

水平驱动用电机2190等相当于转动机构。

如上构成的本发明，在向反射体照射测定光，根据其反射光求方向的位置测定装置中，具备发生测定光用的光源单元、接收该反射光用的图像传感器、出射测定光并将反射光导至所述图像传感器用的出射装置、以及使该出射装置转动用的转动机构、检测所述出射装置的出射方向用的角度检测器，所述光源部与所述图像传感器被固定地设置，根据所述图像传感器的输出和受光时刻的所述角度检测器的输出，变换所述反射体相对于中心轴的偏差的坐标用的运算处理单元等构成，因此有能谋求大幅度改进作业效率那样的效果。

工业上可用性

本发明有关于位置检测装置，特别可照射测距光、测定光并进行目的物位置的3维计测，而且记录其照射方向或其他方向的图像数值。

Claims (7)

1.一种位置测定装置，对反射体照射测定光并求出该反射光的方向，其特征在于，具备发生测定光用的光源单元，接收该反射光用的图像传感器，出射测定光并将反射光导至所述图像传感器用的出射装置，使该出射装置转动用的转动机构，检测所述出射装置的出射方向用的角度检测器，所述光源部与所述图像传感器被固定地设置，以及根据所述图像传感器的输出和受光时刻的所述角度检测器的输出、变换所述反射体相对于中心轴的偏差的坐标用的运算处理单元。

2.如权利要求1所述的位置检定装置，其特征在于，具有距离测定单元，同时出射测定光和测距光以求出至反射体的距离，根据距离和方向求出反射体的位置。

3.如权利要求1所述的位置检定装置，其特征在于，具有记录来自图像传感器的图像数据用的存储单元。

4.如权利要求3所述的位置检定装置，其特征在于，在得到来自图像传感器的图像数据时，根据所述图像传感器的受光时刻的所述角度检测器的输出，变换图像数据的坐标。

5.如权利要求3所述的位置检定装置，其特征在于，图像传感器具有检测与光轴中心的偏差的第1受光传感器与检测与该第1受光传感器不同范围的第2受光传感器。

6.如权利要求5所述的位置检定装置，其特征在于，所记录的图像数据以重复的预定的转动角进行记录，将该图像数据形成连续排列的图像。

7.如权利要求5所述的位置检定装置，其特征在于，得自第1图像传感器的图像数据与得自第2图像传感器的图像数据被附加位置上的关连关系。

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