JP2013538347A - デバイス用の傾斜センサ及びデバイスの傾斜を決定するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体の媒体（４）を収容する容器（３）と、電磁放射源（２ａ，２ｂ，２ｃ）と、少なくとも二つの検出器（５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅ）と、評価ユニット（１２）とを有するデバイス用の傾斜センサ（１）に関する。容器に対する媒体の状態は傾斜に依存している。容器は角を有する底面、特に三角形の底面、又は楕円の底面、特に円形の底面を有している。電磁放射源は、媒体の境界面（８）の少なくとも一部の複数の投影（９ａ，９ｂ）を形成する。少なくとも二つの検出器は、複数の投影の内の一つをそれぞれ検出し、複数の信号に変換する。検出器はそれぞれ一つの検出方向を有しており、検出方向は相互に角度が付けられて配置されている。評価ユニットは、複数の信号から二つの軸における傾斜を決定する。二つの軸に関する傾斜を共通して、複数の信号の結合から決定する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されているデバイス用の傾斜センサと、請求項７の上位概念に記載されているデバイスの傾斜を決定するための方法とに関する。

傾斜センサは、種々の測定機器に使用されており、また、それらの測定機器と接続されて、測定機器の配向を検出するため、もしくは、デバイスの要求される状態ないし姿勢に固定するため、又は、その状態ないし姿勢を達成するために使用される。特に、土木建築及び測地の分野においてその種のセンサが使用されている。ターゲットマークの座標検出が正確に行なわれること、またその際に測定機器の状態が考慮されることを保証するために、デバイスの位置の他に、地球の重力場に対するデバイスの姿勢を正確に検出できなければならない。そのようにしてデバイスの傾斜を決定するために、構造様式の異なる多数のセンサが既に公知である。

特許文献１においては、ＣＣＤアレイを備えている傾斜センサが検出器として使用されている。アレイの複数のセンサは容器の壁に設けられており、この容器には部分的に液体が充填されている。アレイにおける個々のＣＣＤセンサの信号が読み出され、相互に比較されることによって傾斜が決定される。

このセンサの欠点は、傾斜の測定を一方向でしか実施できない点にある。水平線に対する二つの軸における絶対的な傾斜を決定するためには、センサの位置変化に応じて更なる測定を実施する必要があるか、又は、同じ構造様式の付加的な第２のセンサを使用しなければならない。

特許文献２からは、傾斜を検知し光線を偏向させるセンサを介してリニアアレイに幾何学模様が結像される、二軸式傾斜測定装置が公知である。センサは液体を含んでおり、デバイスに対する液体の状態は、リニアアレイにおける模様の結像に影響を及ぼすか、又は、結像を屈折させる。

その構造が複雑であることによって生じる欠点の他に、この構造様式の傾斜測定装置は、二つの部分放射のための放射路に必要とされる最低長に起因して、制限的にしか小型化できない。

特許文献３には光学的な傾斜測定装置が開示されており、この傾斜測定装置においては放射源による放射の放出が行なわれ、また、この放射が特に液体を含んでいる記録素子を通過した後にカメラに結像される。傾斜センサ又はカメラに対する液体水平面の状態から、この配置構成において、傾斜測定装置の傾斜が推定される。更には、カメラによる媒体の状態の記録により、多数の特徴、特に境界層の形状、膨張及び状態を評価することができる。

この実施の形態における欠点は、一方向における傾斜（長手方向傾斜とも称される）しか正確に行なうことができず、第２の方向における傾斜（横断方向傾斜）は境界層のイメージの拡張に基づき行なわれることである。このイメージ幅の変化は、横断方向傾斜の僅かな変化に対して行なわれない可能性があり、従って制限的にしか正確に分解及び評価することができない。

US 2002/0014590 A1 DE 41 10 858 EP 1 511 971

本発明の課題は、空間内のデバイスの絶対的な傾斜を正確に求めることができ、また、改善された測定精度並びに空間角度にわたる可能な限り大きい測定領域を有している、傾斜センサ及び方法を提供することである。

本発明の別の課題は、簡単且つ小型の実施の形態によって、より良好に測定デバイスに組み込むことができる傾斜センサを提供することである。

これらの課題は、独立請求項１及び７の特徴部分に記載されている特徴的構成を実現することによって解決される。本発明を択一的又は有利なやり方で発展させる特徴的構成は従属請求項に記載されている。

本発明による傾斜センサは少なくとも一つの放射源を有しており、この放射源を用いて容器内の液体が照射され、それと共に、この照射によって液体の境界層のイメージが二つ又は複数のカメラにおいて形成される。このために、放射源は視覚的に認識可能な波長領域にある光を放出することができるが、視覚的に認識できない領域にある放射が放出されるように放射源を構成することもできる。目下存在している傾斜に対応しているその都度のイメージをカメラにおいて検出できるようにするために、液体は容器に対して傾斜に依存し、その際に容器の形状及び大きさに依存して、十分に均整の取れた境界面、特に水平線を形成する特性を有している。カメラは、それぞれが液体の境界層の少なくとも一部を検出し、それと同時にその視線方向に関して相互に角度が付けられて位置決めされるように配置されている。付加的に、それらのカメラを、検出された画像を信号に変換するために設けることができ、またそのために、例えばＣＣＤアレイ又は面状センサとして実施することができる。更には、傾斜センサは評価ユニットを有しており、この評価ユニットを用いて、カメラの信号が相互に結合され、それにより地球の重力場に対するセンサの絶対的な傾斜、即ち、二方向における傾斜が正確に検出されることによって、カメラの信号から傾斜を検出することができる。このような傾斜の検出を、カメラの立体的な配置構成によって、二つの方向に対して共通して実施することができる。例えば、これによって、本発明によるセンサを用いた僅か一回の測定でもって、デバイスの状態と地球の重力場に対する状態のずれを、相互に直交する二つの方向において検出することができる。

本発明による傾斜センサは、例えば測量の分野において使用される。ある地帯の複数の地点を測量するために、測量機器、例えばトータルステーションが使用される。測量地点として使用されるターゲットマークの座標が決定される場合、既知の地点を基礎として、測定放射を用いて距離が決定され、それと同時にその地点に対する角度も決定される。地点の座標の正確な決定を保証できるようにするためには、角度の決定に関して、地球の重力場に対する測定機器の傾斜角度も一緒に考慮する必要がある。

このために、測定装置には本発明による傾斜センサを組み込むことができる。有利には、センサを簡単にデバイスに組み込むことができ、それと同時にデバイスの二つの方向における、又はデバイスの二つの軸に関するデバイスの傾斜を正確に決定することができる。オーバーヘッド測定の場合に関しても、この傾斜センサの機能は維持されるので、従って、測定装置をその種のタスクのために使用することができる。このことは、カメラの本発明による配置構成によって、例えば三角形の底面に対してカメラが垂直であり、それらカメラの視線方向が容器内で交差し、またそれにより必要な信号を検出できるようにカメラを配置することによって実現される。更には、三角形の底面を用いることによって、センサを実装するために必要とされる空間を小さく維持することができる。このセンサの測定データはトータルステーションの角度測定データ及び距離測定データを組み合わされ、それによりターゲットマークの正確な空間座標が決定される。

傾斜センサのための代替的な使用分野は、関節アームを備えている座標測定器である。それらのデバイスは、高い精度で行なわれる対象表面の測定のために使用され、特に、加工品の表面の測定及び検査が非常に重要である製造業において使用される。関節アームの両端部間には、相互に可動に接続されている複数のメンバ又はアームセクションが配置されており、それにより、サンプリングメンバを有しているアームの一方の測定端部は空間内で自由に動くことができ、アームの他方の端部はベース部分と接続されている。更には、アームの関節に状態測定装置を対応付けることができ、それによりメンバ相互の位置及び配向、即ち、それぞれのメンバ間の相対的な状態をそれぞれ測定することができる。例えばこのために、測定量として長さ、回転角又は揺動角を求める、角度測定器及び／又は長さ測定器が使用される。更には、対象を正確に測定するために、ベース部分の状態も既知である必要がある。この状態検出のために、本発明による傾斜センサをベース部分に設けることができ、その測定データがここでもまた、座標測定器の角度測定器及び／又は長さ測定器のデータと組み合わされ、それによりサンプリングメンバの空間内の正確な位置を導出することができる。

センサの容器は、三角形の底面以外にも、四角形の底面又は楕円の形状、特に円形の形状を有することもでき、その場合にも容器壁、またカメラをこの底面に対して垂直に配置することができる。それらの実施の形態を用いることによって、センサに必要とされる空間を、センサの使用分野に応じて更に最適化することができる。いずれの実施の形態においても、液体の境界面のイメージ又は投影を記録するためのカメラを直接的に容器壁に組み込むことができるか、又は容器壁、特に透明な容器壁に平行に設けることができる。そのような楕円又は他の多角形の容器の構成において形成されるイメージは、投影された境界層の直線ではない経過ないし延び具合を生じさせる可能性がある。その種の容器は、例えば簡単な金属性の容器又はアクリルガラスから製造された小型の多角形のボックスで良い。

傾斜を決定するためには、容器の形状及び寸法の他にも容器壁に関するカメラの状態が重要となる。従って、特に、カメラの視線方向が容器の底面に対して平行に配向されており、それに伴い、イメージの正確な検出並びに、その検出と結び付けられた傾斜の決定も実施できるようにカメラは配置されている。

このために、それぞれ異なる構造様式の検出器としてカメラを実施することができる。例えば、ラインセンサ又は面状センサは、それぞれの検出器の大きさに関して、相応の面積を検出し、個々の点に分解して検出することができるという利点を提供する。付加的に、面状センサのそれぞれの大きさ、またそれぞれの形状を容器壁に応じて構成することができ、それによって、可能な限り大きい記録面を提供することができる。特に、このために、容器をカバーする寸法を有するカメラを選択することができる。

より多くのデータを検出及び評価できるようにするため、また傾斜の決定の精度の向上を達成するために、必要とされる二つのカメラの他に一つ又は複数の別のカメラを追加することができる。そのような第３のカメラの視線方向は、他の二つのカメラの視線方向によって形成される平面内に位置することができる。これに択一的に、第３のカメラの視線方向を、形成された平面に対して所定の角度で配向させることができる。

境界面の一部、特に共通の部分を検出するために、カメラの視線方向又は面法線がセンサの中心を通り一つの点で交差するようにそれらのカメラを配置することができ、またその点は特に容器内に存在しており、且つ、底面上方の所定の高さに見出すことができる。特に、この交点は容器の底面の重心から垂直に上方に延びた位置にある。つまり、三角形の底面と垂直な壁を備えている容器では、検出器をそれぞれ、例えば壁の中心に且つ壁に平行に取り付けることができ、その場合、それらの検出器は底面の重心の上方にある共通の交点を有している。

大抵の場合、シリコーンオイルは低粘性であり、また余り不活性でないことから迅速な測定を実現するので、このシリコーンオイルを適切な液体として特に本発明による傾斜センサに使用することができる。これによって、液体の考えられる運動、例えば液体表面における波形成又は渦形成を緩和させることができ、また他の液体に比べて、連続的な高速な測定を高い精度で行なうことができる。

傾斜の決定は本発明による方法を使用して行なわれる。カメラにおいて液体表面のイメージを形成した後にそれらのイメージは信号に変換される。カメラはその視線方向に関して相互に角度が付けられて配置されており、それにより境界線を種々の方向から記録することができる。続いて、信号は相互に結合されて、その結合から傾斜の決定に必要とされる情報を既に導出できるように更に処理される。特に、カメラにおいて検出された液体の状態を決定することができ、またカメラの状態に関係付けることができ、それらの相対的な位置から、センサ、又はセンサと接続されているデバイスの絶対的な状態又は傾斜を推定することができる。個々の軸に関する傾斜の決定に関しては、傾斜の導出に使用される信号を供給するカメラが一つだけ設けられていれば十分である。

液体表面に対する前述のカメラの相対的な位置を決定するために、カメラが検出した複数のイメージから一つの面を導出することができ、この面はここでもまた、イメージが記録された状態における、液体の境界層の少なくとも一部を表している。この場合、カメラは記録の際に異なる視野角から境界面に配向されている。

それらの面を導出するために、カメラにおいて複数のイメージが検出され、それらのカメラにおいて特に個々の画像点に分解される。カメラの実現可能な分解能が高くなればなるほど、即ち、面単位毎により多くの画像点を記録できるようになればなるほど、それに基づく面の導出をより高い精度で行なうことができる。分解されたイメージは信号に変換され、それらの信号はその都度検出された境界線を二次元の点群として表し、また各信号においては、各カメラに関して事前に記録された液体の境界線のイメージを再構成できるようにする情報が含まれている。このことは、曲線回帰の種々の方式を使用して、例えば「最小二乗法」を用いて、例えば形成された各点群に対して一つの最適曲線が算出され、それらの曲線の内の少なくとも二つからやはり相応の一つの面が導出されることによって実現することができる。一つの曲線を導出するために面単位毎により多くの画像点が提供されるようになると、この曲線をより正確に算出することができる。何故ならば、各画像点に対しては、カメラにおけるその座標に基づいて、仮想曲線に対する二乗偏差を算出することができるからである。続いて、全ての画像点の二乗偏差が最小値に達するまで、曲線の状態、即ち形状を適合させることができる。この状態においては、曲線が点群又は境界線の経過、即ち延び具合を最も正確に表しており、また、そこから更に計算された面は液体の表面の延び具合を非常に良好に表している。面のそのような算出の精度に関しては、付加的な各曲線によって面を前述の構成に応じて更に補償調整できる限りは、この算出のために使用される曲線の数が重要となる。

面を決定するための代替的な方式としては、この決定のために先行の曲線算出を使用しない、同様に少なくとも二つ以上のカメラの点群に基づく曲線回帰による直接的な導出が考えられる。このために、二つ又はそれ以上のカメラから供給される点群が直接的に使用され、面がそれらの全ての点に適合される。算出の精度に関しては、ここでもまた、算出に導入される情報の数が多くなればなるほど精度が向上することが当てはまる。曲線又は面の決定を、複数の部分曲線又は部分面を算出し、それらの部分を段階的に一つの全体曲線又は全体面へと結合させることによって、及び／又は、それらの部分曲線又は部分面の配向が使用されることによって行なうこともできる。

更には、イメージが不鮮明である場合には、液体表面の境界線を、一つの線に十分に相応する一連の点によって表すのではなく、むしろ、鮮明な輪郭を有していない、散乱した複数の画像点から成る拡張された面によって表すことができる。例えばカメラによる検出時に生じる可能性があるその種のイメージの不鮮明に由来して、境界線の経過を点群の分解された複数の画像点の統計的な分布に基づき導出することができ、また曲線及び面の算出を行なうことができる。その限りにおいて、結像とは光学的に鮮明なイメージの形成を必ずしも意味しているのではなく、検出器によって検出及び評価可能な投影であると解される。

付加的に、液体表面における障害、例えば発泡、膨張又は汚染の発生もしくは振動に起因する障害の発生が境界線の光学的に鮮明なイメージ形成を妨害する可能性がある。これによって、境界線の経過をもはや一義的に検出することができず、むしろ散在性の面しかカメラに結像されないことが考えられるが、そのような散在性の面からは同様に、点群の分解された画像点の統計的な分布によって境界線の経過を導出することができ、つまり、曲線及び面の算出を行なうことができる。特に、その種の泡の形成は曲線の経過における不均一な部分又は湾曲部の補償に寄与することが考えられ、その場合には、境界線のこのような拡張によって、例えば液体の経過における波の形成又は湿潤作用を既に少なくとも部分的に補償調整することができるか、又は、液体の汚染をカバーすることができる。

傾斜センサがより小型になると、それと同時に、液体容器の縁部において発生する可能性がある湿潤作用が、境界線の経過の検出部分により強く作用し、またセンサの非常に小さい実施の形態に関しては、少なくとも部分的に直線的な境界線経過の形成を支配し、特に完全に阻止する。大きい容器に関してカメラの記録された画像が液体表面のほぼ平坦で水平な経過を示す場合、直線はもはや投影されずに、湾曲した線が投影される。従って、正確な面の決定及び傾斜の決定のためには、この作用によって生じる液体表面の湾曲も一緒に考慮しなければならない。

これに択一的に、曲線決定及び／又は面決定を、液体表面の経過及び表面における液体の湿潤特性、特に容器表面において生じるメニスカスの経過を表すモデルの算出に使用されるように行うことができる。これによって、生じる湿潤作用が考慮されており、また場合によっては生じる湾曲部、特に縁部領域における湾曲部が曲線経過によって表されているように、液体表面の経過を表す曲線又は面を決定することができる。更には、一つの曲線経過又は一つの面経過が一つの直線又は一つの平面に対応するように、その曲線経過又は面経過を、湾曲した曲線又は面を表す点群から直接的に決定し、それにより、少なくとも縁部領域におけるメニスカスによって生じる湾曲部の影響を計算により除去するメニスカス補正が行われるようにするために相応のモデルを使用することができる。これに関して、例えば曲線又は面のその縁部における補償調整が行われる。この補償調整は、既存の湾曲部がモデルベースで計算されて直線化され、そのようにして湿潤の作用が計算から除外されるか、もしくは、算出された曲線又は面の経過が直線状の経過又は均整の取れた経過に適合されるように行われる。経過の直線の計算を以下のようにして統計的に行うこともできる。即ち、点又は点群に関して、特に、湾曲した線が存在する領域における点に関して、例えば「最小二乗法」を用いて最良適合直線を検出することによって勾配が算出され、点の位置が勾配に基づき補正される。更には、例えば点群についての部分直線が検出され、それにより、部分直線の勾配に基づき、境界線の経過を一つの直線について補正することができるか、又は、部分直線を統合することができ、この直線の勾配をここでもまた、境界線の経過の補正のためにも使用することができることによって、境界線の経過の段階的な線形の近似を行うことができる。それらの算出に関して、また点群の形成のために、付加的に、複数の直線の勾配差に関する閾値を考慮することができる。

モデルに基づいた線経過又は面経過の直線の算出によって、又は、統計的な算出によって、記録された点群から直接的に（又は、そこから算出された直線の使用によって）平面を算出することができ、この平面を用いることにより、傾斜を検出するための別のステップ、特に、平面に対する法線ベクトルの算出を行うことができる。

これに対して、湾曲部の更なる補正を行うことなく、面が点群、又は点群から導出されている曲線から直接的に算出される場合には、傾斜の更なる検出のために、その面に対する近似された接平面の算出を行うことができ、それに基づき、ここでもまた更なる計算ステップを行うことができる。

接平面を検出するために異なる方式を使用することができる。特に、面経過において極値、センサの配向に応じて、とりわけ極小値又は極大値を探索することができ、また発見された極値の位置において、面に接触している、もしくは接している平面を構成することができる。更には、一つの平面が、事前に算出された面との最大数の接触点を有するようにその平面を算出することができ、つまり、表面全体にわたり異なる大きさの湾曲部を有している面経過に関して、この可能性を用いて、水平方向に配向されている平面を形成することができる。

更には、接平面を点群から直接的に算出することもでき、その際に、このために既に算出された面又は曲線を使用する必要はない。例えば、一つの点群の複数の画像点の分布を考察することができ、またこの分布から、個々の点の位置の重み付け又は補正によって水平化が達成されるように平面を適合させることができる。このために、ここでもまた、点群の点ペア又は複数の点に関して最良適合直線を算出することができ、また、この直線の勾配に基づいて、複数の点の位置、特に、導出された境界線が直線的な経過を有していない領域における複数の点の位置を補正することができ、それらの点は補正後に点群に対する接平面を表す。

更には、そのようなモデルを、重力場に平行に配向されている法線ベクトルを点群から直接的に検出するために使用することができる。既述の統計的な方式を用いても、特に点群の各点及び／又は点グループに対する方向の寄与が特に傾斜の決定によって検出され、一つのベクトルに対応付けられることによって、法線ベクトルのこの直接的な導出を実施することができる。これに関しては付加的に、複数の点が累積された領域を、それに相対的に少ない数の点を有している領域よりも大きく考慮することができる。

これに択一的に、法線ベクトルを事前に決定された接平面に基づき算術的に決定することができ、これによって法線ベクトルは常に平面に対して垂直に延びている。算出された接平面が存在しており、従って、この平面が水平方向の配向を有しているという条件を満たしている場合には、法線ベクトルは地球の重力場の方向を示す。カメラ又は検出器に関するベクトルの相対的な向きを、この計算ステップの後は、既知のものとみなすことができるか、又は算術的に正確に決定できるものとみなすことができる。ベクトルの座標を導出することによって、またそれぞれの検出器と関連付けることによって、水平線に関する検出器の状態を求めることができる。少なくとも二つの検出器に関するこの共通したやり方でもって、傾斜センサ又はこのセンサが組み込まれているデバイスの配向を二つの軸に関して共通して、従って絶対的に決定することができる。このシーケンスに応じて、ただ一つの軸に関する傾斜の決定を、単一の検出器を使用して実現することができる。

このような傾斜の決定以外にも、択一的又は補完的に、二つのベクトルの比較から傾斜を導出することができる。このために、センサに関して、又はこのセンサを有しているデバイスに関して、水平方向の配向において、液体に対して同様に法線を示す参照ベクトルの座標を規定することができる。傾斜を決定するために、ここもまた、上記と同様にして導出された法線ベクトルが使用され、この法線ベクトルの算出された方向が参照ベクトルの方向と比較される。この比較において場合によっては生じる方向の差異から、あらゆる任意の空間方向におけるセンサの傾斜を直接的に求めることができる。

算出された曲線、面、直線又は平面に関しては、付加的に品質値を求めることができる。この品質値は例えばどれ程の精度で算出が行なわれており、また、この精度の考えられる不正確性がどれ程大きいかを表している。傾斜センサを備えているデバイスのユーザが実施された測定の精度又は正確性を求めることができるようにするために、このパラメータを使用することができる。更には、傾斜センサの個々の制御パラメータを自動的又は手動で適合させるために、この算出された品質値を使用することができる。例えば、品質値が悪いことに基づき、媒体の照明強度又は検出器の感度を変更することができ、それにより後続の測定時には、検出器における投影を例えば十分なコントラストでもって検出することができる。

付加的に、信号の検出と変換が連続的に行なわれ、特に信号が評価ユニットにおいて累積されることによって、傾斜の検出の精度を高めることができる。累積された信号から、ここでもまた上述のように曲線、面、直線、平面及び法線ベクトルを導出することができる。本発明による傾斜センサを備えている測定器が例えば所定の位置に固定されている場合には、信号の累積によって信号の平均値を求めることができるか、又は、それらの信号に属する点群における、例えば複数の点の集合を表す領域を規定することができる。平均値を使用することによって、又は点の集合の重み付けによって、連続的に且つ精度を高めながら、曲線、面、直線又は平面を導出することができる。

本発明の付加的な態様（容器の縁部における液体の湿潤作用）は本発明による別の実施の形態によって考慮される。このために、デバイス用の傾斜センサは液体の媒体を収容する容器を有しており、媒体の状態は容器に相対的に傾斜に依存し、容器は角を有する底面、特に三角形の底面、又は楕円の底面、特に円形の底面を有することができる。更には、媒体の境界面の少なくとも一部の投影を形成するための電磁放射源と、それらの投影の内の一つをそれぞれ検出し、信号に変換するための少なくとも二つの検出器とが設けられており、検出器はそれぞれ検出方向を有しており、且つ、検出器の検出方向は相互に角度が付けられて配置されている。付加的に、少なくとも二つの検出器の信号から、二つの軸における傾斜を決定するための評価ユニットが設けられている。傾斜は信号の結合から二つの軸に関して共通して検出され、面、特に湾曲した面が点群から導出される。

媒体を収容する容器に相対的な状態を傾斜に依存して有する液体の媒体を用いる、デバイスの傾斜を検出するための相応の方法は、媒体の境界面の少なくとも一部、特に共通の部分の少なくとも二つの投影を形成するステップを備えている。更には、それぞれの投影を、それぞれに対応付けられている少なくとも二つの検出器の内の一方によって検出し、検出された投影を信号に変換し、相互に角度付けられた二つの検出方向から境界面を検出するステップと、傾斜をそれらの信号から検出するステップとが設けられている。信号の結合から、二つの軸における傾斜が共通して検出され、この傾斜の検出の際に、信号から面、特に湾曲した面が検出されるように信号が結合される。面は媒体の境界面を表し、特に境界面の経過を近似的に表す。

以下では、本発明による方法及び本発明による装置を、図面に概略的に示した複数の具体的な実施例に基づき、単なる例示を目的として詳細に説明し、その際に、本発明の別の利点についても検討する。

三角形の底面を備えている本発明による傾斜センサの第１の実施の形態を示す。 傾斜センサの第２の実施の形態の側面図を示す。 斜めの容器壁を備えている傾斜センサの第３の実施の形態の側面図を示す。 傾斜した状態にある、本発明による傾斜センサの第４の実施の形態の斜視図を示す。 算出された面と本発明による傾斜センサの検出器とを示す。 導出された面と所属の法線ベクトルとを示す。 傾斜した状態にある、本発明による傾斜センサの第５の実施の形態の斜視図を示す。 傾斜した状態にある、本発明による傾斜センサの第５の実施の形態の斜視図を示す。 本発明による傾斜センサ用の検出器を備えている容器の第４の実施の形態を示す。 本発明による傾斜センサ用の検出器を備えている容器の第４の実施の形態を示す。 本発明による傾斜センサの第６の実施の形態の平面図を示す。 円形の底面を備えている本発明による傾斜センサの第７の実施の形態の平面図を示す。 五角形の底面を備えている本発明による傾斜センサの第８の実施の形態の平面図を示す。 本発明による傾斜センサを備えている、トータルステーションとして構成されている測量機器を示す。 本発明による傾斜センサを備えている、トータルステーションとして構成されている測量機器を示す。 本発明による傾斜センサを備えている座標測定器を示す。

図１には、二つの軸におけるデバイスの傾斜を検出するための本発明による傾斜センサ１が示されている。傾斜センサ１は、三角形の底面を備えている容器３を有しており、この容器３の壁は底面に対して垂直に延びており、またそれらの壁には、それぞれ一つの投影を検出し、信号に変換するための検出器５ａ，５ｂ，５ｃが配置されている。容器３は部分的に、この容器３に関して傾斜に依存する流動性の媒体４でもって満たされているので、それにより、検出器５ａ，５ｂ，５ｃは水平の配向において少なくとも部分的にこの媒体４によって覆われており、且つ、媒体４の境界面の少なくとも一部の形成された投影を検出することができる。評価ユニット１２は、二つの軸におけるセンサ１の傾斜を、その検出方向に関して相互に角度が付けられて配置されている検出器５ａ，５ｂ，５ｃの信号から検出するために設けられている。二つの軸に関する信号を結合することにより傾斜を共通して決定することができる。

図２には、傾斜センサ１の第２の実施の形態が側面図で示されている。二つの検出器５ａ，５ｂはそれぞれの容器壁１３の中央に配置されており、また部分的に媒体４によって覆われている。付加的に、電磁放射源２ａ，２ｂ，２ｃが配置されており、それらの電磁放射源２ａ，２ｂ，２ｃは検出器５ａ，５ｂ，５ｃにおける媒体４の境界面の少なくとも一部の投影を形成する。

図３には、傾斜センサ１の第３の実施の形態が側面図で示されている。検出器５ａ，５ｂ，５ｃはそれぞれの容器壁１３の中央に配置されており、また部分的に媒体４によって覆われている。前述の実施の形態とは異なり、容器壁１３はここでは容器の底面に対して垂直に延びているのではなく、この底面に対して角度φを有するように延びている。

図４ａには、傾斜した状態にある、傾斜センサ１の第４の実施形態が斜視図で示されている。容器３は三角形の底面と、それぞれが容器壁に配置されている二つの検出器５ａ，５ｂとを有しており、それらの検出器において媒体のその都度形成される投影を検出できるように、流動性の媒体の境界面８は容器３内に存在している。

図４ｂには、面センサとして実施されている、図４ａによる検出器５ａ，５ｂが、前述の実施の形態と同様に傾斜された状態で示されている。検出器５ａ，５ｂにはそれぞれ、媒体の境界面において生じる投影９ａ，９ｂが存在しており、これらの投影９ａ，９ｂが信号に変換される。更には、それらの信号から一つの面１５が検出されることによって、それらの信号を結合することができ、この面１５はやはり媒体の境界面を表し、特に、境界面の延び具合を近似している。その上、投影はそれぞれの検出器５ａ，５ｂによって画像点に分解され、それにより信号は境界面を二次元の点群として表す。面１５を検出器５ａ，５ｂの点群から直接的に、特に曲線回帰によって導出することができる。面１５の検出の他に、点群からその都度一つの曲線を導出することができ、この導出をやはり曲線回帰によって実現することができる。更には、点群から面１５及び／又は曲線を算出するための品質値を求めることができ、特に、少なくとも二つの投影を形成するためのパラメータ、例えば照明輝度を適合させることができる。

図４ｃには、傾斜の検出時に算出される、導出された面１５に対する法線ベクトル１６が示されている。このベクトル１６に基づき、二つの軸におけるセンサ１の傾斜を、検出器５ａ，５ｂに対する法線ベクトル１６の相対的な位置によって、即ち、ベクトル１６の位置と検出器５ａ，５ｂの位置とを比較することによって決定することができる。更には、センサ１の水平の配向に関する参照ベクトルが規定され、算出された法線ベクトルの位置を参照ベクトルと比較することによって傾斜が導出されることによって、センサ１の傾斜を決定することができる。

説明のために、図５ａ及び図５ｂには、図２に類似するが電磁放射源は設けられていないセンサが傾斜された状態で示されている。媒体４はセンサ１の傾斜に応じた水平の配向を有しており、従って、容器３及び検出器５ａ，５ｂに相対的な変化した配向を有している。検出器５ａと検出器５ｂは、傾斜された状態において、媒体４によって異なる度合いで覆われており、これによって、水平の状態とは異なる投影を検出する。図５ｂにおいては、媒体４の境界面８及び所属の法線ベクトル１６が示されている。ここでは、検出器５ｂに対するこのベクトル１６の相対的な位置の変化がはっきりと見て取れる。即ち、ベクトルの方向がこの状態においては、もはや検出器５ｂに対して平行ではない、又は、この検出方向に対してもはや垂直ではない。つまり、ベクトル１６の方向と検出器５ｂの位置を比較することによって、一つの軸におけるセンサ１の傾斜を導出することができる。この比較を別の検出器に関しても共通して、従って、少なくとも一つの第２の軸に関しても行うことができ、そこから傾斜を二つの軸に関して共通して決定することができる。更には、投影の検出及び信号への変換並びに傾斜の決定を、連続的に行うことができ、特に検出された信号の累積によって行うことができる。

図６ａには、傾斜センサのための容器３，３ａの二つの実施の形態が示されており、これら二つの実施の形態はその大きさに関して実質的に相互に異なっている。媒体４の境界面８は容器３，３ａの縁部において湾曲した経過を示しており、この湾曲した経過は媒体４による容器３，３ａの湿潤に起因している。この効果は、容器３の小型化が進むに連れて居界面８の延び具合により強く作用するので、容器３ａの小さい実施の形態に関しては、媒体４の少なくとも部分的に直線的な境界線の経過の形成を比較的支配し、特に完全に阻止する。これによって、検出器を同じ大きさに維持した場合には、検出器５ａに投影される湾曲した境界線の経過の割合は同様に多くなるので、傾斜の決定の際に考慮しなければならない。

図６ｂに示されているように、検出器５ａの寸法を適合させることができる。傾斜の決定時の精度を向上させるために、検出器５ａの大きさを容器３の寸法に適合させることができ、従ってその視野を最適化することができる。これによって、例えば、境界面８の均整の取れた経過を有する比較的大きい領域を検出することができる。これに対して、容器３ａに関しては、例えば縁部領域において大きく湾曲した境界線の投影を排除するために、小型化された検出器５ｂを設けることができる。

図７ａから図７ｃには、センサの底面に対して垂直の方向における、本発明による傾斜センサ１の平面図がそれぞれ示されている。図７ａにおいては、傾斜センサ１の実施の形態が、三角形の底面と、この底面に対して垂直に延びる容器壁１３とを備えている容器を有しており、媒体４は容器の体積の一部を占めている。ここで三つの検出器５ｄ，５ｅ，５ｆは、容器壁１３の面全体をカバーするその寸法に対応するように、またその際に各検出器５ｄ，５ｅ，５ｆが一つの検出方向６ｄ，６ｅ，６ｆを規定するように実施されている。それらの検出方向６ｄ，６ｅ，６ｆは一つの点Ｐ、特に底面の重心の上方の所定の高さにおいて容器内の一つの点Ｐにおいて交差している。更に、検出器５ｄ，５ｅ，５ｆはその検出方向６ｄ，６ｅ，６ｆに関して相互に所定の角度で配置されているので、検出方向６ｆを有する検出器５ｆは検出方向６ｄ，６ｅによって張られている平面内に存在している。

図７ｂには本発明による傾斜センサ１の別の実施の形態が示されており、この実施の形態では傾斜センサ１が円形の底面を有するように実施されており、また容器壁１３はここでもまたこの底面に対して垂直に延びている。この実施の形態においても、容器は部分的に媒体４で充填されており、検出器５ａ，５ｂ，５ｃはその検出方向６ａ，６ｂ，６ｃが一つの点において交差するように容器壁１３に配置されている。更には、検出器５ａ，５ｂ，５ｃはそれぞれ、容器壁の形状、ここでは特に湾曲部の形状に相当する形状を有している。これによって、この配置構成においても、媒体４の境界面の検出器５ａ，５ｂ，５ｃへの正確で良好な投影を検出することができる。検出器５ａ，５ｂ，５ｃはこの実施例において異なる角度間隔を有するように容器壁にわたり分散されている。つまり、検出方向６ａ，６ｂ，６ｃの間には異なる角度α及びβが生じるが、このセンサ１の別の実施の形態では検出方向６ａ，６ｂ，６ｃの間の角度α、βを同じ角度にすることもできる。更には、検出器の内の一つの検出器５ｃの検出方向６ｃを、他の二つの検出器５ａ，５ｂによって張られる面に対して所定の角度を設けて配置することができる。

図７ｂに示されている実施の形態は特別なケースである。何故ならば、検出器５ａ，５ｂ，５ｃの画像センサへの流動平面の投影は湾曲した線の一部を表すからである。

図７ｃにはセンサの第３の実施の形態が示されている。このヴァリエーションは底面が五角形である点において前述の実施の形態とは異なっている。容器壁１３はここでもまた底面に対して垂直に延びており、また媒体４によって容器は部分的に充填されている。付加的に、二つの検出器５ａ，５ｂはその検出方向６ａ，６ｂが容器の内側で、所定の角度でもって一つの点Ｐにおいて交差するように配置されている。検出器の内の一つ又は両方を線形検出器として実施することができ、それらの検出方向６ａ，６ｂを底面に対して平行に配向することができる。容器壁１３は更に透明に実施されており、二つの検出器５ａ，５ｂは容器壁１３の外面に設けられているので、生じる投影の検出は、この投影がこの透明な容器壁１３を通過した後に行われる。

図８ａ及び図８ｂにはそれぞれ、間隔を空けて設けられている目標対象物に対する水平角度、垂直角度及び距離を測定するための、トータルステーションとして構成されている測量機器２０が示されている。

トータルステーションは三脚に配置されており、トータルステーションの底面２１が直接的且つ固定的に三脚に接続されている。上側部分２２とも称される、トータルステーションの主体は底面２１に相対的に、垂直軸Ｖを中心に回転可能である。上側部分２２は、例えば二つの支柱によって形成されている支持部２３と、支柱間において水平方向の傾斜軸Ｈを中心に回転可能に支持されている照尺装置２４と、電子表示制御ユニット２５とを有している。表示制御ユニット２５は公知のやり方で、測量機器２０を制御するため、また測定データを処理、表示及び記憶するために構成することができる。トータルステーションの配向を検出するために、付加的に、本発明による傾斜センサ１をこのトータルステーションに配置することができる。図８ａに示されている実施の形態においては、センサ１が例えば支持部２３の側方に取り付けられている。傾斜センサ１を備えている、トータルステーションの別の実施例が図８ｂに示されている。この実施例では、傾斜センサ１が測量機器２０底面２１の下方に設けられている。いずれの実施の形態においても、傾斜センサ１から供給されるデータをトータルステーションの角度測定データ及び距離測定データと組み合わせて、更に処理することができる。それらの検出された測定データは表示制御ユニット２５に供給され、この表示制御ユニット２５によって処理され、それにより、トータルステーションに相対的な目標点の位置を表示制御ユニット２５によって求め、光学的に表示し、また記憶することができる。

図９には、ベース部分３１と、重力ベクトルＧＶに相対的な、このベース部分３１の傾斜を測定するための本発明による傾斜センサ１とを有する座標測定器３０が示されている。測定器３０が立っている基底部３２は水平線に対して傾斜しており、それにより測定器３０は水平には配向されていない。重力ベクトルＧＶに相対的な、又は水平線に相対的なベース部分３１の正確な傾斜を本発明により検出することによって、この傾斜を、関節アーム３４端部に配置されているサンプリング素子３３を用いて測定される複数の点の座標の算出に導入し、算出時の位置補正に使用することができる。

Claims (15)

1. 液体の媒体（４）を収容する容器（３）と、電磁放射源（２ａ，２ｂ，２ｃ）と、少なくとも二つの検出器（５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅ）と、評価ユニット（１２）とを有するデバイス用の傾斜センサ（１）であって、
   前記容器（３）に対する前記媒体（４）の状態は傾斜に依存しており、
   前記容器（３）は角を有する底面、特に三角形の底面、又は楕円の底面、特に円形の底面を有しており、
   前記電磁放射源（２ａ，２ｂ，２ｃ）は、前記媒体（４）の境界面（８）の少なくとも一部の複数の投影（９ａ，９ｂ）を形成し、
   前記少なくとも二つの検出器（５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅ）は、前記複数の投影（９ａ，９ｂ）の内の一つをそれぞれ検出し、複数の信号に変換し、
   前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅ）はそれぞれ一つの検出方向（６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ）を有しており、前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅ）の前記検出方向（６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ）は相互に角度が付けられて配置されており、
   前記評価ユニット（１２）は、前記少なくとも二つの検出器（５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅ）の前記複数の信号から、二つの軸における傾斜を決定する、傾斜センサ（１）において、
   前記二つの軸に関する前記傾斜を共通して、前記複数の信号の結合から決定することを特徴とする、傾斜センサ（１）。
2. 前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）は、該検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）の検出方向（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ）を用いて、前記底面に平行に配置されている、請求項１に記載の傾斜センサ。
3. 前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）は、ラインセンサ又は面状センサとして実施されており、特に、前記容器（３）をカバーする寸法を有している、請求項１又は２に記載の傾斜センサ。
4. 第３の検出器（５ｆ）が設けられており、該第３の検出器（５ｆ）の検出方向（６ｆ）は、前記少なくとも二つの検出器（５ｄ，５ｅ）の検出方向（６ｄ，６ｅ）によって形成される平面内にある、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の傾斜センサ。
5. 第３の検出器（５ｃ）が設けられており、該第３の検出器（５ｃ）の検出方向（６ｃ）は、前記少なくとも二つの検出器（５ａ，５ｂ）の検出方向（６ａ，６ｂ）によって形成される平面に対して所定の角度で配向されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の傾斜センサ。
6. 前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）の検出方向（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ）が一つの点（Ｐ）において交差するように、特に前記容器（３）の内側において、該容器（３）の前記底面の重心の上方の所定の高さにおいて交差するように、前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）は配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の傾斜センサ。
7. 液体の媒体（４）を収容する容器（３）に対して、傾斜に依存する状態を有する前記媒体（４）を用いることにより、デバイスの傾斜を決定する方法であって、
   前記媒体（４）の境界面（８）の少なくとも一部、特に共通部分の少なくとも二つの投影（９ａ，９ｂ）を形成するステップと、
   それぞれの投影（９ａ，９ｂ）を、それぞれに対応付けられている少なくとも二つの検出器（５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅ）の内の一つによって検出し、検出されたそれぞれの投影（９ａ，９ｂ）を複数の信号に変換し、相互に角度が付けられた二つの検出方向（６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ）から前記境界面（８）を検出するステップと、
   前記傾斜を前記複数の信号から検出するステップとを備えている、デバイスの傾斜を決定する方法において、
   二つの軸に関する前記傾斜を共通して、前記複数の信号の結合から決定することを特徴とする、デバイスの傾斜を決定する方法。
8. 前記傾斜の決定の際に前記複数の信号を結合し、該信号から一つの面（１５）、特に一つの平面を決定し、
   前記面（１５）は前記媒体（４）の前記境界面（８）を表し、特に前記境界面（８）の経過を近似的に表す、請求項７に記載の方法。
9. 前記傾斜の決定の際に、前記面（１５）についての法線ベクトル（１６）を算出し、二つの軸における前記傾斜を、前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）に対する前記法線ベクトル（１６）の相対的な状態に基づき決定する、請求項８に記載の方法。
10. 前記投影（９ａ，９ｂ）を前記検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）それぞれによって複数の画像点に分解し、前記複数の信号は前記境界面（８）を二次元の点群として表す、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記点群から、特にメニスカス補正を行い、とりわけ曲線回帰によって、それぞれ一つの直線を導出する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記少なくとも二つの検出器（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ）の前記点群から、特に曲線回帰によって、一つの共通の面（１５）を直接的に導出する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記点群から、前記面（１５）及び／又は前記直線を算出するための品質値を求め、特に、該品質値に依存して、前記少なくとも二つの投影（９ａ，９ｂ）を形成するためのパラメータ、特に照明強度を適合させる、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記デバイスの水平方向の配向に関する参照ベクトルを規定し、算出された前記法線ベクトル（１６）の向きと前記参照ベクトルとの比較によって前記傾斜を決定する、請求項７乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記投影（９ａ，９ｂ）の検出及び複数の信号への変換と前記傾斜の決定を、特に検出された複数の信号を累加しながら連続的に行なう、請求項７乃至１４のいずれか一項に記載の方法。

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