JP2008292389A - 絶対角度演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角度演算時間の短縮化を図り、もって、精密な絶対角度位置を測定可能な絶対角度演算装置を提供する。
【解決手段】この発明の絶対角度演算装置は、光電変換信号列に含まれている空間変調成分に基づいて絶対角度位置を演算する演算回路１１を有する。演算回路１１は、絶対角度位置を補間するために演算に要する絶対角度演算時間よりも短い設定時間の間に得られた前回の光電変換信号列と今回の光電変換信号列とを保存する光電変換信号列保存部１４と、光電変換信号列保存部１４に保存されている前回の光電変換信号列と今回の光電変換信号列との相関を検出してそのずれ量を検出する相関検出回路１５と今回得られたずれ量に基づいて前記パターン間の絶対角度位置相当値を内挿する内挿演算回路とを有する。この演算回路１１は、ずれ量と絶対角度位置相当値とに基づき内挿角度を算出して、前回得られた絶対角度位置に今回得られた内挿角度を加算して、現在の絶対角度位置を求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、回転レーザー装置等に組み込まれているロータリーエンコーダを用いて、基準角度位置に対する絶対角度位置を演算する絶対角度演算装置に関する。

従来から、図１に示すように、回転レーザー装置１等の測量機では、回転プリズム（図示を略す）を例えば１秒間に３回転（１分間に180回転）させ、ファンビームＢＰをターゲット２に向けて照射し、ターゲット２からの反射光を受光して、そのターゲット２の回転レーザー装置１の基準角度位置Ｑに対する絶対角度位置θを検出する構成のものが知られている。

この回転レーザー装置１では、ついで、例えば、その検出された絶対角度位置θにおいて、ターゲット２にレーザー光を照射し、ターゲット２からの反射光を受光して、回転レーザー装置１からターゲット２までの距離を測定している。

この種の回転レーザー装置１では、その内部に、図２（ａ）、（ｂ）に示すロータリエンコーダ３が組み込まれている。このロータリエンコーダ３は、回転板４と発光部５と受光部６とから大略構成されている。

回転板４にはその外周部に周回り方向に多数の透過スリット７が形成されている。この多数の透過スリット７は、例えば、図２（ｃ）に示すような空間変調された第１パターンＰ１、第２パターンＰ２、第３パターンＰ３から構成されている。

各パターンＰ１〜Ｐ３は一定のピッチ幅で形成され、パターンＰ１のパターン幅は固定幅とされ、パターン幅Ｐ２、Ｐ３はその幅が所定の規則に従って変調されている（例えば、特許文献１参照。）。

その発光部５と受光部６とは、回転板４のスリット形成領域に臨まされ、回転板４を挟んで互いに対向されている。発光部５は例えば発光素子5ａとコリメータレンズ5ｂとから構成され、受光部６は例えばリニアセンサから構成されている。その受光部６は発光部５からの光をスリット７を介して受光し、その受光部６はその光を光電変換信号列に変換しその光電変換信号列は図示を略す演算回路に入力される。

演算回路は受光部６の光電変換信号列に含まれている空間変調成分に基づいて、基準角度位置Ｑからの絶対角度位置θを演算する。
特許３１６８４５１号

ところで、この種の演算回路は、その絶対角度位置θを演算するのに、通常、100ミリセカント（ｍｓ）程度要しており、これに対して、この種のロータリエンコーダ３は、この100ミリセカントの間に、例えば、108度程度回転することになるので、100ミリセカント間隔で測定するのでは、基準角度位置Ｑに対するターゲット２の精密な絶対角度位置θを求めることができないという不都合がある。

また、２個以上のターゲット２の測定を同時に行いたい場合、108度未満の角度位置に2個以上のターゲットがあるときには、少なくとも一方は絶対角度位置を測定できないという不都合がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、角度演算時間の短縮化を図り、もって、精密な絶対角度位置を測定可能な絶対角度演算装置を提供することにある。

請求項１に記載の絶対角度演算装置は、空間変調されたパターンを有する回転板と、前記パターンの回転域に臨む発光部と、前記パターンを介して得られた前記発光部からの光を受光して光電変換信号列に変換する受光部と、該受光部から出力される光電変換信号列に含まれている空間変調成分に基づいて基準角度位置からの絶対角度位置を演算する演算回路とを有する絶対角度演算装置において、
前記演算回路は前記絶対角度位置を補間するために演算に要する絶対角度演算時間よりも短い設定時間の間で前記受光部から出力された前回の光電変換信号列と今回の光電変換信号列とを保存する光電変換信号列保存部と、該光電変換信号列保存部に保存されている前回の光電変換信号列と今回の光電変換信号列との相関を検出してそのずれ量を検出する相関検出回路と、今回得られたずれ量に基づいて前記パターン間の絶対角度位置相当値を内挿する内挿演算回路とを有し、前記演算回路は、該ずれ量と前記絶対角度位置相当値に基づき内挿角度を算出して、前回得られた絶対角度位置に今回得られた内挿角度を加算して、現在の絶対角度位置を求めることを特徴とする。

請求項２に記載の絶対角度演算装置は、前記演算回路は、前記信号列を閾値を用いて二値化してずれ量を検出することを特徴とする。

請求項３に記載の絶対角度演算装置は、前記パターンが、透過スリットであり、前記発光部と前記受光部とは前記透過スリットの回転域を挟んで対向されていることを特徴とする。

請求項１ないし請求項３に記載の絶対角度演算装置によれば、角度演算時間の短縮化を図り、もって、精密な絶対角度位置を測定可能であるという効果を奏する。

以下に、本発明に係わる絶対角度演算装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図３は、本発明に係わる絶対角度演算装置の要部構成を示すブロック回路図である。なお、ロータリエンコーダ３の構成は、図１と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

この図３において、１０は受光部６としての例えば多数個の受光素子からなるリニアセンサ又はＣＣＤ、１１は演算回路である。

演算回路１１は、マイクロコンピュータ１２と、クロックドライバ１３と、光電変換信号列保存部１４と、相関検出回路１５Ａと内挿演算回路１５Ｂとから大略構成されている。

マイクロコンピュータ１２は演算により得られる絶対角度位置θを補間するために、図４に示す演算に要する絶対角度演算時間Ｔよりも短い設定時間ｔを設定する機能を有する。ここでは、絶対角度演算時間Ｔは、１００ミリセカンド（ｍｓ）であり、角度に換算して１０８度である。また、設定時間ｔは、ここでは、５００マイクロセカンド（μｓ）であり、角度に換算して０．５４度である。

そのマイクロコンピュータ１２は、クロックドライバ１３に制御信号を出力し、クロックドライバ１３はリニアセンサ１０にドライブ信号を出力する。

リニアセンサ１０はクロックドライバ１３のドライブ信号に基づいて、光電変換信号列を増幅回路１６を介して光電変換信号列保存部１４に向かって出力する。そのリニアセンサ１０の素子の個数は例えば512個である。ここでは、１素子のピッチ幅は角度に換算して７３秒程度であり、従って、リニアセンサ１０の角度は、７３×５１２（秒）、約１０．４度相当である。

光電変換信号列保存部１４は、マイクロコンピュータ１２により設定された設定時間ｔの間にリニアセンサ１０の各素子から出力される光電変換信号列を一時的に保存する機能を有し、保存回路１４Ａと保存回路１４Ｂとからなる。

保存回路１４Ａ、１４Ｂの一方は、現時点の直前の設定時間ｔを前回と定義しかつ現時点を今回と定義して、前回得られた光電変換信号列を保存する前回分保存回路として機能し、保存回路１４Ａ、１４Ｂの他方は今回得られた光電変換信号列を保存する今回分保存回路として機能する。

マイクロコンピュータ１２は、スイッチ素子１７、１８を制御する機能を有し、スイッチ素子１７は５００μｓ毎に増幅回路１６と保存回路１４Ａとが接続されている状態と増幅回路１６と保存回路１４Ｂとが接続されている状態とに接続を切り換える。

スイッチ素子１８は５００μｓ毎に保存回路１４Ａとマイクロコンピュータ１２とが接続されている状態と保存回路１４Ｂとマイクロコンピュータ１２とが接続されている状態との間で切り換えられる。スイッチ素子１７はスイッチ素子１８が保存回路１４Ａとマイクロコンピュータ１２とを接続する状態のときには増幅回路１６と保存回路１４Ｂとを接続する状態に切り換えられ、スイッチ素子１８が保存回路１４Ｂとマイクロコンピュータ１２Ｂとを接続する状態のときには増幅回路１６と保存回路１４Ａとを接続する状態に切り換えられる。そのスイッチ素子１８は１００ｍｓ毎に絶対角度演算に必要な光電変換信号列をマイクロコンピュータ１２に入力させるのに用いられる。

保存回路１４Ａ、１４Ｂは、５００μｓ時点を基準にしてその直前512個の各素子から出力された光電変換信号列を一時的に保存する機能を有する。マイクロコンピュータ１２は、ここでは、100ｍｓ毎に保存回路１４Ａ又は１４Ｂに接続され、保存回路１４Ａ又は１４Ｂに保存されている５１２個の光電変換信号列に基づいて、絶対角度演算時間Ｔ毎に空間変調成分に基づいて基準角度位置Ｑからの絶対角度位置θを演算する。そして、マイクロコンピュータ１２は、その演算結果を表示部１９に向けて出力し、表示部１９はその基準角度位置Ｑからの絶対角度位置θを画面に表示する。

また、マイクロコンピュータ１２は、設定時間ｔ毎に前回分保存回路に保存されている光電変換信号列と今回分保存回路に保存されている光電変換信号列とのずれ量を相関法により検出するために、制御タイミング信号ＳＴによって、保存回路１４Ａ、保存回路１４Ｂに保存されている各光電変換信号列を相関検出回路１５に向けて出力させる。

相関検出回路１５は、例えば、保存回路１４Ａに保存されている５１２個の光電変換信号列ｔｒ１（図５（ａ）参照）と、保存回路１４Ｂに保存されている光電変換信号列ｔｒ２（図５（ｂ）参照）とを相関法に基づいて比較し、ずれ量Δを検出する。この図５では、図５（ａ）の符号ｘ１で示す光電変換信号は、図５（ｂ）の符号ｘ２に示す光電変換信号に対応しており、８素子（画素）分だけずれている状態が示されている。従って、ここでは、Δ＝８である。

そのずれ量はマイクロコンピュータ１２に入力される。内挿演算回路１５Ｂで得られた内挿値もマイクロコンピュータ１２に入力される。

内挿演算回路１５Ｂは増幅回路１６から出力された光電変換信号列から以下に説明する内挿値（絶対角度相当値）を算出する。

図６はその内挿値を算出するためのパターンの模式的説明図である。その図６には、絶対演算角度を算出した時点から次の絶対演算角度を算出する時点までの間に受光素子１０の回転方向中心を横切るパターンが示されている。

ここで、パターン間のピッチ間隔Ｐは例えば１４画素に相当し、このピッチ間隔Ｐは角度に換算すると１０２９秒（約７３秒×１４画素＝約１０２２秒）。ここでは、内挿演算回路１５Ｂは、０．１秒又は１秒単位で内挿値を演算する。例えば、ずれ量Δ＝８の場合、内挿値Ａは（８／１４）×１０２９秒に相当する値である。また、ずれ量Δが１４以上の場合、ずれ量Δの数値（画素数）を符号Ｍで表すとしてこの数値Ｍ×７３秒を１０２９で除した値（ピッチ個数）Ｍ’の剰余を符号Ｍ”で表す。この符号Ｍ”は、Ｍ’番目のパターンと（Ｍ’＋１）番目のパターンとの間の画素の個数であってＭ’番目のパターンから数えた値を示している。従って、Ｍ’番目のパターンと（Ｍ’＋１）番目のパターンとの間の内挿値Ａ’は、Ａ’＝（Ｍ”／１４×７３）の式を用いて求められる。

従って、絶対角度取得時点からの内挿値Ａは、
Ａ＝（１０２９×Ｍ’）＋Ａ’
すなわち、
Ａ＝（１０２９×Ｍ’）＋（Ｍ”／１４×７３）
の式を用いて求められる。

この内挿値Ａのデータはマイクロコンピュータ１２に入力される。マイクロコンピュータ１２は内挿値Ａに基づいて内挿角度φを演算する。そして、マイクロコンピュータ１２は、前回得られた絶対角度位置θに今回得られた内挿角度φを加算して、現在の絶対角度位置（θ＋φ）を求める。この例では、Δ＝８であるので、内挿角度φは５８８．８（秒）である。なお、この例では、０．１秒単位で内挿値Ａを求めている。

以下、この絶対角度演算装置の角度演算フローの一例を図７を参照しつつ説明する。

ロータリーエンコーダ３が回転中であるとして、マイクロコンピュータ１２は、例えば１００ｍｓ毎（なお、この時間は任意に設定可能である。）にアブソリュート演算（絶対角度位置演算）を実行する（Ｓ．１）。マイクロコンピュータ１２は、ついで、カウント値をクリアし（Ｓ．２）、カウントを開始する（Ｓ．３）。ついで、マイクロコンピュータ１２は、カウント値を例えば５００μｓ（なお、この時間は任意に設定可能である。）で除算し（Ｓ．４）、その除算値Ｎが整数であるか否かを判断する（Ｓ．５）。

除算値Ｎが整数でない場合、Ｓ．３からＳ．５の処理を繰り返す。Ｓ．５において、除算値Ｎが整数と判定された場合、切り換え信号をスイッチ素子１７に向けて出力する。

アブソリュート演算実行直後である場合、すなわち、Ｎ＝１の場合には、スイッチ素子１７は増幅回路１６と保存回路１４Ａとが接続されている状態から増幅回路１６と保存回路１４Ｂとが接続されている状態に切り換えられる（Ｓ．６）。また、スイッチ素子１８は、スイッチ素子１７が接続されている保存回路とは接続されていない保存回路に切り換えられている。

アブソリュート演算の際に用いられた５１２個の光電変換信号列ｔｒ１は前回分の光電変換信号列ｔｒ１として保存回路１４Ａに保存される。保存回路１４Ｂには今回分の光電変換信号列ｔｒ２が保存される（Ｓ．７）。

相関検出回路１５には、前回分の光電変換信号列ｔｒ１のデータと今回分の光電変換信号列ｔｒ２のデータとが入力され、相関検出回路１５はその光電変換信号列ｔｒ１、ｔｒ２に基づいて相関演算法によりずれ量Δを検出する。

そのずれ量Δはマイクロコンピュータ１２に入力され、マイクロコンピュータ１２は、そのずれ量Δと内挿値Ａとに基づいて内挿角度φを演算し、先に求められた前回分の絶対角度位置θ０に今回得られた内挿角度φを加算して、絶対角度位置θ１（θ１＝θ０＋φ）を求める（Ｓ．９）。

ついで、マイクロコンピュータ１２は、Ｎが２０であるか否かを判断し（Ｓ．１０）、Ｎが２０でない場合には、Ｓ．３に移行して、カウントを続行し、再び除算値Ｎが整数であるか否かを判断する（Ｓ．５）。例えば、Ｎ＝２の場合、マイクロコンピュータ１２は、スイッチ素子１７の切替を実行する。

これにより、増幅回路１６と保存回路１４Ｂとが接続されている状態から増幅回路１６と保存回路１４Ａとが接続されている状態に切り換えられる。このＮ＝２の場合、保存回路１４Ｂは、前回分の光電変換信号列ｔｒ１のデータを保存する役割を有し、保存回路１４Ａは今回分の光電変換信号列ｔｒ２を保存する役割を有する。

この保存回路１４Ｂに保存されている前回分の光電変換信号列ｔｒ１のデータと保存回路１４Ａに保存されている今回分の光電変換信号列ｔｒ２のデータとは同様に相関検出回路１５に入力され、相関検出回路１５はこれらのデータに基づいて相関演算法によりずれ量Δを同様に検出する。そのずれ量Δはマイクロコンピュータ１２に入力され、マイクロコンピュータ１２は、そのずれ量Δと内挿値Ａとに基づいて角度φを演算し、先に求められた前回の絶対角度位置θ１に今回得られた角度φを加算して、絶対角度位置θ２（θ２＝θ１＋φ）を求める（Ｓ．９）。

マイクロコンピュータ１２は、この処理をＮ＝２０になるまで繰り返す。ここでは、除算値Ｎが偶数の場合、保存回路１４Ａは今回分の光電変換信号列を保存する機能を果たし、かつ、保存回路１４Ｂは前回分の光電変換信号列を保存する機能を果たすことになる。また、除算値Ｎが奇数の場合、保存回路１４Ａは前回分の光電変換信号列を保存する機能を果たし、かつ、保存回路１４Ｂは今回分の光電変換信号列を保存する機能を果たすことになる。マイクロコンピュータ１２は、保存回路１４Ａ又は１４Ｂに保存されている光電変換信号列に基づいて、１００ｍｓ毎に空間変調成分に基づいて基準角度位置Ｑからの絶対角度位置θを演算することを繰り返す。

マイクロコンピュータ１２は、Ｎ＝２０であると判断すると、Ｓ．１１に移行して、ロータリエンコーダ３のスイッチがオフされたか否かを判断し、スイッチがオンの場合には、Ｓ．１に移行して、Ｓ．１ないしＳ．１１の処理を続行する。

この絶対角度演算装置を用いた回転レーザ装置１によれば、ターゲット２からの反射光ＢＰ’を受光した時点での基準角度位置Ｑからの絶対角度位置θが精密に求められる。従って、測距を行う場合、基準角度位置Ｑから何度の角度回転した時点で、測距レーザー光を射出させれば良いかが求まり、回転レーザー装置１が無人の場合でも、ターゲット２までの距離が求まる。

この実施例では、５１２個の素子を用いて得られた５１２個の光電変換信号を用いて、絶対角度位置を補間して求めることにしたが、この５１２個の素子を全て使用する必要はなく、例えば、５１２個の素子の中央の素子２５６番目の素子を中心にして前後３２個、すなわち、６４個の素子を用いて、絶対角度位置を相関検出法により補間するようにしても良い。

このように６４個の素子を用いた場合でも、１素子のずれ角度は７３秒であり、６４素子を用いると６０７２秒となり、これに対して、５００μｓの間に、回転板４が回転する角度は、０．５４度（２０１６秒）程度であるので、回転板４の回転数が変動したとしても、補間演算に支障を来すことはないと考えられる。

この発明の実施例では、相関検出回路１５は、生の光電変換信号列ｔｒ１、ｔｒ２を用いて、相関検出を行ったが、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、６４個の光電変換信号を閾値Ｑｒを用いて二値化して得られた二値化後の光電変換信号列ｔｒ１’、ｔｒ２’をしてずれ量Δを検出する構成としても良い。

回転レーザー装置の使用方法の一例を示す説明図である。 図１に示す回転レーザー装置に組み込まれているロータリーエンコーダの一例を示す説明図であって、（ａ）はその概略構成を示す平面図、（ｂ）はその概略構成を示す側面図、（ｃ）はその透過スリットのパターンの一例を示す展開図である。 本発明に係わる絶対角度演算装置の一例を示すブロック回路図である。 本発明に係わる絶対角度演算装置による角度演算時間の説明図である。 図４に示す光電変換信号列保存部に保存されている光電変換信号列の一例を示す説明図であって、（ａ）は前回分の光電変換信号列を示し、（ｂ）は今回分の光電変換信号列を示す。 本発明に係わる内挿演算の説明図である。 本発明に係わる絶対角度演算装置の処理手順を示すフローチャートの一例である。 二値化された光電変換信号列の一例を示す説明図であって、（ａ）は前回分の光電変換信号列を示し、（ｂ）は今回分の光電変換信号列を示す。

符号の説明

６…受光部
１１…演算回路
１４…光電信号変換列保存部
１５…相関検出回路

Claims (3)

1. 空間変調されたパターンを有する回転板と、前記パターンの回転域に臨む発光部と、前記パターンを介して得られた前記発光部からの光を受光して光電変換信号列に変換する受光部と、該受光部から出力される光電変換信号列に含まれている空間変調成分に基づいて基準角度位置からの絶対角度位置を演算する演算回路とを有する絶対角度演算装置において、
   前記演算回路は前記絶対角度位置を補間するために演算に要する絶対角度演算時間よりも短い設定時間の間で前記受光部から出力された前回の光電変換信号列と今回の光電変換信号列とを保存する光電変換信号列保存部と、該光電変換信号列保存部に保存されている前回の光電変換信号列と今回の光電変換信号列との相関を検出してそのずれ量を検出する相関検出回路と、今回得られたずれ量に基づいて前記パターン間の絶対角度位置相当値を内挿する内挿演算回路とを有し、
   前記演算回路は、該ずれ量と前記絶対角度位置相当値に基づき内挿角度を算出して、前回得られた絶対角度位置に今回得られた内挿角度を加算して、現在の絶対角度位置を求めることを特徴とする絶対角度演算装置。
2. 前記演算回路は、前記信号列を閾値を用いて二値化してずれ量を検出することを特徴とする請求項１に記載の絶対角度演算装置。
3. 前記パターンが、透過スリットであり、前記発光部と前記受光部とは前記透過スリットの回転域を挟んで対向されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶対角度演算装置。

Images