JP3863567B2 - 相対角度の光学的測定方法及び装置 - Google Patents

Description

〔技術分野〕
本発明は、測定装置から放射され帯として扇状に展開され、測定点に設置された反射手段によって測定装置にもどされ測定装置によって受光される光束によって、測定装置と測定装置から離れた測定点との間の相対角度を光学的に測定する方法、及び該方法を実施する測定装置に関する。より詳しくは、本発明は、放射光束を測定装置の軸線のまわりに旋回または回転させ、光束が測定装置に関して定められた角度範囲の始点を通過する際に、任意の計数クロックで計数を開始し、光束が角度範囲の終端に達するまで計数を行い、反射されもどされる光束を受光した際に各カウンタレベルを記憶し、カウンタレベルの比の評価によって相対角度を計算する形式のものに関する。
〔背景技術〕
この種の方法は、例えば、ＰＣＴ出願国際公開ＷＯ９４／００７７８から既知である。この出願には、測定プラットフォームと測定点との間の角度を測定する方法が開示されている。この場合、平坦な帯として扇状に展開された光束を測定プラットフォームの垂直軸線のまわりに旋回させ、測定点に設置した反射手段によって測定プラットフォームにもどす。測定プラットフォームには、扇状に展開された光束が所定の始端位置を通過する際に、任意の計数クロックで計数を開始し、反射光束を受光した際にカウンタレベルを記憶する計数装置が設けてある。カウンタレベル相互の比から、反射手段と測定プラットフォームの出発位置との間の相対角度を計算できる。
さて、特に、上記既知の方法の精度は、測定プラットフォームの条件が異なる場合、特に、測定プラットフォームが反射手段に関して移動する場合、要求に対応する十分に正確な結果を与えないということが判明している。更に、測定プラットフォームと反射手段との間の距離の直接的計算は、従来の方法または既知の装置によっては不可能であり、別の手段によって行わなければならない。
〔発明の開示〕
さて、本発明の課題は、一方では、距離の直接測定が可能であり、他方では、測定プラットフォームの条件、特に、反射手段に対する測定プラットフォームの速度が絶えず変化する場合も、測定結果の精度が向上されるよう、既知の方法を改善することにある。
この課題は、本発明の方法にもとづき、請求の範囲１の特徴によって解決される。
本発明の好ましい実施の形態を請求の範囲２〜５に示した。
該方法実施のため、本発明にもとづき、請求の範囲６に対応する測定装置を提案する。
測定装置の好ましい実施の形態は、請求の範囲７〜１０から明らかとなろう。
回転軸線に関して半径方向に配置するかわりに、接線方向に光を放射するよう回転軸線と同心の円軌道上に発光器を配置することによって、基準マークまでの距離を直接に測定できる。更に、複数の発光器を配置することによって、精度が向上される。なぜならば、複数の測定値にもとづき、角度値および距離値の平均値を求めることができるからである。
本発明に係る配置にもとづき、更に、測定装置のハウジング内に発光器および受光器を問題なく設置できる。なぜならば、発光器および受光器を共にハウジングの中心点に組込む必要がないからである。
本発明に係る方法および本発明に係る装置は、走行するプラットフォーム（例えば、軌条車輌）の測定に特に好適である。
図面を参照して、以下に、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の測定装置の縦断面図である。
第２図は、従来の方法にもとづく測定プロセスを示す略図である。
第３図は、本発明に係る方位角測定プロセスを示す略図である。
第４図は、本発明に係る仰角測定プロセスを示す略図である。
第５図は、本発明に係る距離測定プロセスを示す略図である。
第６図は、本発明に係る測定装置の発光器の角度範囲を示す略図である。
第７図は、角度および距離を計算する際の測定装置の運動を示す略図である。
〔発明を実施するための最良の形態〕
さて、第１図に、測定装置１と測定装置から離れた基準マーク６との間の相対角度を光学的に測定する従来の測定装置を示した。垂直軸線２のまわりに回転自在の円筒形ハウジング３内には、例えば、２つの発光器４，５が、垂直軸線２に直角に半径方向に設置してある。上記発光器４，５は、平面内に扇状に展開された光束Ｌ₁を垂直軸線に関して半径方向に放射する。このような光束Ｌ₁は、基準マーク６にぶつかると、反射光束Ｒ₁として反射され、レンズ７およびオプティカルファイバ８を介して光感性センサ９に受光される。
扇状光束Ｌ₁，₂は、水平面に関して４５°の角度で展開するのが好ましく、この場合、発光器４，５によって形成された双方の扇状光束は、相互に垂直になる。
さて、第２図に模式的に示した如く、この種の装置によって、基準マークに対する測定装置の相対角度を計算できる。ハウジング３の回転毎に、所定位置において、カウンタは、ゼロ、即ち、Ｔ₀にセットされ、所定の計数クロックで計数を開始する。カウンタのこの始動は、例えば、測定装置のハウジング３の電気的／光学的スイッチ１０によって行われる。例えば、扇状光束Ｌ₁が基準マーク６を通過した際、反射された信号をセンサ９が受信すると直ちに、対応するカウンタレベルＴ₁が記憶される。第２扇状光束Ｌ₂の通過時も同様であり、この場合は、カウンタレベルＴ₂が記憶される。カウンタは、所定の回転角度Ｚ_Tに達すると、停止され、Ｔ_Tが記憶される。さて、上記数値にもとづき、カウンタレベルＴ₁，₂とカウンタレベルＴ_Tとの比によって所定の基準方向Ｒに関する相対角度Ｚ₁，₂を簡単に計算できる。この計算は、回転速度と無関係であり、即ち、回転速度の変動は自動的に補償されるという利点がある。
相互に所定角度（例えば、９０°）に傾いている２つの扇状光束Ｌ₁，Ｌ₂を使用すれば、発光器４，５またはレンズ７に関する双方の立体角、即ち、仰角および方位角を計算できる。これは、第２図において、基準マーク６を通る相互に垂直な直線として双方の扇状光束Ｌ₁，Ｌ₂を示すことによって表してある。この場合、中心２から出る破線は、光信号Ｌ₁，Ｌ₂が基準マーク６で反射される角度値を示す。図示の実施の形態の場合、基準マーク６は、発光器４，５を配置した回転軸線２に対して垂直な平面の僅か下方にある。この計算プロセスは、冒頭に述べたＰＣＴ出願の国際公開ＷＯ９４／００７８に詳述してある。
さて、第３図に、本発明に係る発光器配置による測定プロセスを模式的に示した。この場合、例として、円軌道１１上に対称に配置された４つの発光器を有する実施の形態を示した。この場合、隣接する発光器毎に、円軌道１１に対して逆の接線方向へその光束または扇状光束Ｌ_A，．．，_Dが放射される。同一方向に放射される各発光器の扇状光束Ｌ_A，_BまたはＬ_C，_Dは、相互に角度（例えば、９０°）をなすよう配置するのが好ましい。これは、同じく第３図において、基準マーク６を横切る相互に垂直な２つの直線で示してある。矢印を付した孤Ｂは、発光器を配置した水平面を示す。
さて、各扇状光束が基準マーク６で反射される瞬間における発光器の扇状光束を破線Ｌ_A，Ｌ_B，Ｌ_C，Ｌ_Dで示した。この場合、上記扇状光束の角度またはカウンタレベルは、同じく、基準線Ｒに関して検知される。この実施の形態の場合、これは、上述の方法にもとづきカウンタレベルから計算される角度Ｚ_A，Ｚ_B，Ｚ_C，Ｚ_Dである。さて、測定装置１から基準マーク６までの方位角Ａを計算するため、上記角度の平均値を下記の如く形成できる：
Ａ₁＝（Ｚ_A＋Ｚ_B）／２ （１）
Ａ₂＝（Ｚ_C＋Ｚ_D）／２ （２）
次いで、方位角Ａは次の如く形成できる：
Ａ＝（Ａ₁＋Ａ₂）／２ （３）
仰角、即ち、発光器の平面Ｂに関して測定した基準マーク６の角度は、第４図に模式的に示した如く、下記にもとづき計算できる：
Ｅ₁＝（Ｚ_B−Ｚ_A）／２ （４）
Ｅ₂＝（Ｚ_C−Ｚ_D）／２ （５）
次いで、仰角Ｐは次の如く計算できる：
Ｐ＝（Ｅ₁＋Ｅ₂）／２ （６）
本発明に係る装置によって、更に、第５図に模式的に示した如く、距離計算を簡単に実施できる。この場合、同じく、第３図または（１）式および（２）式の方位角データを使用する。中間角度Ｗを計算し、発光器相互間隔の半分ｒを組入れることによって、測定装置１から基準マーク６までの距離Ｄを下記の如く簡単に計算できる：
Ｗ＝ｒ／ｓｉｎ（Ｗ／２） （７）
但し、Ｗ＝Ａ₁−Ａ₂
従って、本発明に係る装置は、１回転中に、有利なことには、仰角、方位角および距離の計算に必要なすべての測定値を与える。
４つのすべての発光器で反射信号を受信した場合に限り、数値を計算、処理するのが好ましい。これは、計算値の簡単な点検によって確認できる。なぜならば、方位角Ａ₁，₂および仰角Ｅ₁，₂の中間計算値は、実際上、等しくなければならず、反射信号の１つが欠如した場合は、大きい偏差を示すからである。
本発明によれば、発光器から出る扇状光束Ｌ_A，．．，_Dは、それぞれの角度値の計算の基準となる所定の個々の角度範囲内においてのみ、放射するのが好ましい。これは、例えば、測定装置１のハウジング３の上面図を模式的に示した第６ａ）図〜第６ｈ）図から明らかである。第６ａ）図において、矢印Ｐは測定出発点Ｏ′を示す。この出発点において、例えば、扇状光束Ｌ_Aを放射する第１発光器が賦活される。この場合、上記出発点に関する扇状光束Ｌ_Aの放射角度は、一定に定められ、上に述べた如く、角度値の計算に使用できる。所定角度値に達すると、第６ｂ）図に示した如く、扇状光束Ｌ_Aはスイッチオフとなる。更に回転すると、第６ｃ）図〜第６ｈ）図から明らかな如く、扇状光束Ｌ_B〜Ｌ_Dの他の発光器がスイッチオフされる。ここに例示された上記角度範囲は、測定装置１に関して実質的に同一の角度範囲が、４つのすべての発光器によってカバーされるように選択されている。
上図および上式に示した計算の場合、４つの基本値Ｚ_A，．．，Ｚ_Dの測定中に、基準マーク６と測定装置１との間に相対運動が全然起こらないか又はほんのわずかな運動のみで、そのため円１１の図示のジオメトリが適合するということを想定している。この想定は、想定装置１の回転速度が高速である場合および測定装置１と基準マーク６との間の間隔が比較的大きい場合、正しいことが判明している。しかしながら、上記間隔が比較的小さく、同時に、無視できないような相対運動が存在する場合は、本発明にもとづきこの状態を補償しなければならない。
この種の補償の把握または計算を第７図に模式的に示した。第７ａ）図は、測定装置１の運動軸線Ｖ上の位置ＷＭ_A〜ＷＭ_Dにおける基準マーク６によって反射された扇状光束Ｌ_A〜Ｌ_Dを示す。位置ＷＭ_A〜ＷＭ_Dは、それぞれ、測定装置１の中心点または軸線２によって決定され、従来の構造によるストローク測定装置によって検知される。しかしながら、運動方向Ｖと基準マーク６との間の間隔Ｄの計算のため、第７ｂ）図に示した区間Ｗ₁〜Ｗ₄が必要である。上記区間は、既知の三角法で下記にもとづき計算できる。この場合、基準点としてのＷ１の数値をゼロと置く：
Ｗ₁＝０ （８）
Ｗ₂＝ＷＭ_C−ＷＭ_B−Ｒ／ｃｏｓＺ_C−Ｒ／ｃｏｓＺ_B （９）
Ｗ₃＝ＷＭ_A−ＷＭ_B−Ｒ／ｃｏｓＺ_A−Ｒ／ｃｏｓＺ_B （１０）
Ｗ₄＝ＷＭ_D−ＷＭ_B−Ｒ／ｃｏｓＺ_D−Ｒ／ｃｏｓＺ_B （１１）
さて、上記数値から下式にもとづき距離Ｄを計算できる：
Ｄ＝Ｗ₄／ｓｉｎ（Ｚ_D−Ｚ_B）・ｃｏｓＺ_B・ｃｏｓＺ_D （１２）
Ｄ＝（Ｗ₃−Ｗ₂）／ｓｉｎ（Ｚ_A−Ｚ_C）・ｃｏｓＺ_C・ｃｏｓＺ_A（13）
さて、同じく、上記双方の数値の平均値を形成できる。
さて、上記数値から出発して、同じく既知の三角法計算によって仰角値を求めることができる。
使用分野に対応して、各発光器について、第６図に例示した角度部分以外の角度部分も求め得ることは明らかである。場合によっては、測定サイクルの進行中、上記角度値を動的に変更するか、適合させることもできる。
発光器を１つの平面Ｂに設けるのみならず、例えば、２つまたはより多数の平面に発光器を設ける方策が、特に好ましい。

Claims (8)

1. 測定装置（１）から放射され帯として扇状に展開され、測定点に設置された反射手段（６）によって測定装置（１）にもどされ測定装置（１）によって受光される光束（Ｌ₁、Ｌ₂）によって、測定装置（１）と測定装置（１）から離れた測定点との間の相対角度を光学的に測定する方法であって、放射光束（Ｌ₁、Ｌ₂）を測定装置（１）の軸線（２）のまわりに旋回または回転させ、光束（Ｌ₁、Ｌ₂）が測定装置（１）に関して定められた角度範囲の始点を通過する際に、任意の計数クロックで計数を開始し、光束が角度範囲の終端に達するまで計数を行い、反射されもどされる光束（Ｒ１）を受光した際に各カウンタレベル（Ｔ₁、Ｔ₂）を記憶し、カウンタレベル（Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ_T）の比の評価によって相対角度（Ｚ₁、Ｚ₂）を計算する測定方法において、回転軸線（２）に関してそれぞれ９０°の間隔をおいて配された４つの光束（Ｌ _A 、・・・、Ｌ _D ）を、回転軸線（２）に関して同心に配置された円弧（１１）上で接線方向に放射し、この場合、交互に並ぶ光束（Ｌ _A 、Ｌ _B ）を回転方向の接線方向に放射し、光束（Ｌ _C 、Ｌ _D ）を回転方向と逆の接線方向に放射することを特徴とする測定方法。
2. 回転中、各光束（Ｌ_A，．．，Ｌ_D）を所定の角度範囲内において個々に放射することを特徴とする請求の範囲１に記載の測定方法。
3. 前記角度（Ｚ_A，．．，Ｚ_D）の計算において、反射手段（６）に関する測定装置（１）の相対運動（Ｖ）を、反射信号の各受信時点までに通過した距離（ＷＭ₁，．．，ＷＭ₄）の形で扱うことを特徴とする請求の範囲１または２に記載の測定方法。
4. 前記測定装置（１）の回転中、反射された光信号（Ｌ_A，．．，Ｌ_D）の角度位置（Ｚ_A，．．，Ｚ_D）を求め、仰角および／または方位角および／または距離の計算に使用することを特徴とする請求の範囲３に記載の測定方法。
5. 請求の範囲１〜４のいずれかに記載の測定方法を実施する測定装置であって、少なくとも１つの発光器（４、５）と、光感性センサ（７）と、計数・評価手段とを有し、発光器（４、５）およびセンサ（７）を測定装置（１）の回転軸線（２）のまわりに回転自在に設置した測定装置において、回転軸線（２）に関して軸線対称に４つの発光器発光口がそれぞれ９０°の間隔をおいて設けられ、隣接して交互に並ぶ発光器発光口同志は互いに逆の発光口方向を有し、かつ、発光器（４、５）の発光口および付属するセンサ（７）が、回転軸線（２）に関して同心に配置された円軌道（１１）上の接線方向に配置されていることを特徴とする測定装置。
6. すべての前記発光器発光口が、回転軸線（２）に垂直な同一平面（Ｂ）内に配置されていることを特徴とする請求の範囲５に記載の測定装置。
7. 前記発光器発光口およびセンサが、回転軸線（２）に関して垂直な少なくとも２つの平行平面上に設けてあることを特徴とする請求の範囲５に記載の測定装置。
8. 前記発光器または発光器発光口が、レーザ発光器であることを特徴とする請求の範囲５〜７のいずれかに記載の測定装置。

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