JP4463949B2

JP4463949B2 - 測量機の測角装置

Info

Publication number: JP4463949B2
Application number: JP2000241606A
Authority: JP
Inventors: 正敏桜井; 孝徳谷内; 新一鈴木; 智之田嶋
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: JP2002054923A

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、受光部からの出力信号から所定の内挿演算式に基づき演算処理を行い、内挿量を算出して測角を行う測量機の測角装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】
測量機の測角装置に使用するロータリエンコーダとして、等間隔で同一パターンの目盛りを持つインクリメンタル方式のものや、方位角や高度角に対応して全円周上の目盛りのパターンが相互に異なり、方位角や高度角と目盛り位置とが１：１で対応付けられたアブソリュート方式のものが知られている。そして、このアブソリュート方式のロータリエンコーダとしては、例えば、全周に亙り広狭異なる２種類の目盛りを全て等間隔であるが、相互に異なる固有のパターンで設けた構成のものが知られている。
【０００３】
通常、このアブソリュート方式の測角装置では、例えば図３に示すように、ロータリエンコーダ１と、このロータリエンコーダ１の目盛りに向けて読取り光を出射するＬＥＤなどの発光部２と、この発光部２からの光のうちロータリエンコーダ１の目盛り１Ａ、１Ｂ部分で反射したり（反射型）、透過したもの（透過型）を受光するＣＣＤなどの受光部３と、この受光部３から出力される信号データに基づき所定の内挿演算式から内挿量を演算して測定角度の内挿を行う演算部(図略)と、この演算結果から測角データを表示する表示部(図略)とを備えている。
【０００４】
ここで、この測角装置での内挿演算式を用いた測角方法について、図４を参照しながら説明する。
例えば、このロータリエンコーダ１には、等間隔だが広狭２種類の異なる幅で設けたＭ本の目盛り１Ａ、１Ｂが周縁部に設けられており、そのうち任意の連続するｋ本の目盛り１Ａ、１Ｂの情報によって位置Ｊ（ただし、Ｊは正数）が求まる。
つまり、測定する角度θｃとしては、
θｃ＝３６０°×（Ｊ／Ｍ）・・・（１）
ただし、（３６０°／Ｍ）ステップ（目盛りピッチ）が求められる。
【０００５】
ここで、さらに、目盛り間の角度、内挿量θＩを測定するため、目盛りのピッチを２πとしたときの位相角ψが算出される。これにより、内挿量θＩは、
θＩ＝（３６０°／Ｍ）×（ψ／２π）・・・（２）
となる。
従って、一度読み込んだＣＣＤから出力される出力信号により、求められる角度θは、
θ＝θｃ＋θＩ・・・（３）
となる。
【０００６】
次に、目盛り間の内挿量θＩについて説明する。
フーリエ変換による式の展開を行えば、

ここで、位置ｘをｎについての離散化させたものに対応させると、

ここで、ｎの範囲を、区間[−∞，＋∞]から区間[−Ｎ，＋Ｎ]に変更したために、重みＷｎを乗じて、

となる。
【０００７】
ところで、ある周期Ｔ０から求められる空間周波数ω０では、（６）式が

となる。
ただし、ω０＝（１／Ｔ０）×２π ・・・（８）
さらに、（７）式を展開すると、

となる。
【０００８】
そして、（８）式を（９）式に代入して、展開すると、

ここで、

とおくと、（１０）式は、
Ｆ（ω０）＝Ｃ−ｊＳ・・・（１３）
となる。
【０００９】
次に、この展開式（１０）又は（１３）と、測角装置の構成との関係について図５を参照しながら説明する。
（５）式から（１２）式におけるｆ[ｎ]は、位置を変数とする関数（位置の関数）であり、発光部２により受光部３であるＣＣＤに投影された目盛りの投影像Ｚが、ＣＣＤの画素位置からそれぞれ出力される出力信号データの数列ａｎと等価である。

但し、ａｎはＣＣＤの出力信号のうちで、角度算出に寄与する２Ｎ＋１個のデータを示すものであり、ａ０はＣＣＤ上の座標原点とする。
【００１０】
ところで、ロータリエンコーダ１が回動することにより、このＣＣＤとロータリエンコーダ１との位置関係が変化すると、ＣＣＤ上での目盛りの投影像Ｚは、例えば図６から図７のように変化する。これにより、位置の関数ｆ[ｎ]も変化するが、空間周波数ωや周期Ｔは変化しない。
【００１１】
このロータリエンコーダからの目盛りに関するデータが、ＣＣＤからの出力信号として一定時間隔で採取されるので、このデータの採取毎に出力信号ａｎが更新される。そして、この更新されたデータから、逐次最新の角度θ（＝θｃ＋θＩ）が算出されるが、この演算には、（１１）式及び（１２）式が用いられる。
【００１２】
例えば、余弦波成分（１１）式について考えてみると、

同じく、正弦波成分（１２）については、

となる。
【００１３】
ところで、ロータリエンコーダ１には、等ピッチの目盛りが刻設されており、この目盛りの間隔が周期Ｔ０に対応している。また、センサの設置状況によりＣＣＤ上での投影像Ｚの周期が変動するが、目盛りの周期Ｔ０に対応した空間周波数ω０が支配的になる。
従って、（７）式の右辺の絶対値について、ω０を変化させて演算し、このとき最大となるω０が目盛りの周期に対応する空間周波数となる。なお、空間周波数ωと周期Ｔの関係については、（８）式で関係つけられている。
【００１４】
このように、内挿量θＩを求める演算式（２）は、位相角度ψを用いて算出されるが、この位相角度ψは、
ψ＝ｔａｎ^-1（Ｓ／Ｃ）・・・（１５）
を用いて、別言すれば、正弦成分Ｓ及び余弦成分Ｃからなる三角関数から算出されるが、この三角関数内には周期Ｔが入り込んでいる。
【００１５】
これにより、この内挿量θＩは、（２），（１１），（１２），（１５）式から、次の内挿演算式
θＩ＝（３６０°／Ｍ）・（１／２π）・ｔａｎ^-1（Ｓ／Ｃ）・・・（１６）
により、逆正接関数内を例えば２Ｎ＋１個の項数に展開し、それぞれの項について三角関数を演算する。換言すれば、逆正接関数内において、各ＣＣＤの各素子ごとに出力信号ａｎと正弦波成分又は余弦波成分とについての乗算を行うとともにそれらの和をそれぞれ求め、その後にこれらを除算して逆正接関数値を得るようになっている。
【００１６】
このように、この内挿演算式には、三角関数を各項毎に含んでいるが、特に三角関数部分の演算は面倒で時間を要しており、不都合を生じている。
【００１７】
ところで、このような内挿演算式には、周期Ｔが、空間周波数ωの正弦波成分中及び余弦波成分中の三角関数内部に入り込んでいるが、この周期Ｔは一旦決定されれば後は不変のものではなく、例えば経時変化などによって周期Ｔが変動する場合もある。
【００１８】
そこで、高精度の測角を行おうとすると、測角のたびにこの周期Ｔを算出するとともに、その算出した周期Ｔに応じて毎回内挿演算式から測角を行うことが考えられるが、このように周期Ｔの算出を内挿量の算出毎に行うと、一層時間を要し、実用に耐えられない。
【００１９】
【発明の目的】
そこで、上記した事情に鑑み、内挿量を容易に、かつ、迅速に、しかも、長期間に亙って精度を維持できるようにすることを目的とする。
【００２０】
【発明の概要】
この発明による測量機の測角装置は周方向に等ピッチで目盛りが設けられ、回動するロータリエンコーダ；前記ロータリエンコーダの目盛りに向けて読取光を出射する発光部；前記読取光のうち前記目盛りからの透過光又は反射光を受光する受光部；前記目盛りからの透過光又は反射光の前記受光部における受光周期を固定周期として記憶するとともに、この固定周期を用いて定数化した三角関数部分を含む内挿演算式の処理プログラムを記憶する記憶部；及び前記受光部からの出力信号に基づいて、前記記憶部に記憶された内挿演算式に従い前記三角関数部分を定数とする積和演算により、内挿量の演算処理を行う演算部；を有することを特徴としている。
【００２１】
上記構成において、さらに、内挿量を演算して測角を行う際に、前記目盛りからの透過光又は反射光の前記受光部における受光周期を取得し、この取得した受光周期と前記記憶部に記憶された固定周期との差が所定の値を上回っている場合には、取得した受光周期を新たな固定周期として前記記憶部に記憶させるとともに、この新たな固定周期を用いて定数化した三角関数部分を含む内挿演算式の処理プログラムを前記記憶部に記憶させる更新制御部を有することが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について添付図面に基づき説明する。
図１は、この発明に係る測量機の測角装置を示すものであり、ロータリエンコーダ１と、発光部２及び受光部３と、一部が演算部を構成する制御部４と、記憶部５と、表示部６とを備えている。
【００２４】
ロータリエンコーダ１は、測定する方向に沿った回動角度に合わせて回動する円盤状のものが使用されており、全外周縁部に沿って透光部（又は遮光部）からなる広狭二種類の幅を有する目盛りを設けている。
【００２５】
発光部２は、このロータリエンコーダの目盛りを設けた外周縁部に向けて光を出射するものであり、この実施形態ではＬＥＤ（発光ダイオード）が使用されている。そして、この発光部２は、制御部４により制御されたＬＥＤドライバ２１によってその点灯動作が制御されている。
【００２６】
一方、受光部３は、ロータリエンコーダ１を挟んでこの発光部２とは逆側において正対するように配置されており、外周縁部の目盛りである透光部を透過した透過光を受光するＣＣＤ（電荷結合素子）が使用されている。この受光部３は、制御部４により制御されたＣＣＤドライバ３１によってその動作が制御されている。また、この受光部３は、その出力がＡ／Ｄ変換部３２の入力に接続されており、ＣＣＤから出力されるアナログ信号がデジタル信号に変換されて制御部４へ出力されるようになっている。なお、この受光部３としては、この実施形態のものの他に、例えば適宜の反射部材で光路を変更させることにより、ロータリエンコーダ１に対して発光部２と同じ側に配置する構成であってもよい。
【００２７】
制御部４は、このＡ／Ｄ変換部３２からの出力信号データａ_nに基づき、この出力信号データａ_nと等価な位置の関数ｆ[ｎ]及び後述する「固有周期」Ｔ０を用いて記述した先の内挿演算式（１６）、即ち、

に基づき演算処理を行い、内挿量θＩを算出して測角を行う。
【００２８】
特に、この実施形態では、ＣＣＤを組み付け後に、このＣＣＤの組み付け状態によって微妙に異なる内挿演算式（１６）における周期Ｔを算出し、これを「固有周期」Ｔ０として予め算出して記憶部５に記憶させておくとともに、内挿演算式（１６）における以下の定数部分α，βもこの「固有周期」Ｔ０を用いて演算し、予め記憶部５に記憶させておく。
【００２９】
即ち、上述の内挿演算式（１６）において、空間周波数の余弦成分については、

同じく、正弦成分（１２）については、

である。
【００３０】
このうちＣＣＤからの出力信号ａ_-N，…，ａ₀，…，ａ_Nにそれぞれ乗算させる各乗数部分について、即ち

を予め演算して数値として算出し、その算出結果の数値を定数として記憶部５に記憶させておく。
【００３１】
従って、以下のような簡易化された内挿演算式（以下、実内挿演算式とよぶ）、つまり三角関数の演算が必要のない次式、

から内挿量θＩが算出できる。
【００３２】
記憶部５は、「固有周期」Ｔ０を記憶しておくとともに、（１７），（１８）に示す係数α、βを定数として「固有周期」Ｔ０とともに記憶しておくようになっている。
【００３３】
従って、この実施形態に係る測角装置によれば、その記憶させてある「固有周期」Ｔ０と、この「固有周期」Ｔ０を用いて計算して定数化させた三角関数部分α及びβとを，予め記憶部に記憶させておくようになっている。これにより、その後は、毎回、実内挿演算式（１６´）に基づいて内挿量θＩを算出させるようになるので、厄介で時間を要する三角関数の演算を毎回行う必要がない。
【００３４】
次に、この発明にかかる測量機の測角装置の制御部４による自己診断、即ち周期Ｔの定期的な確認作業について、以下に説明する。
この制御部４による測量機の測角方法では、第１ステップＳ１から第８ステップＳ８までの工程で構成されている。
【００３５】
第１ステップＳ１では、電源を投入すると毎回若しくは一定の頻度で、制御部４が自己故障診断、つまり経時変化によって周期Ｔが「固有周期」Ｔ０に対して変動したか否かの診断を開始する。
【００３６】
第２ステップＳ２では、ＣＣＤからの出力信号ａ_nをＡ／Ｄ変換部３２でデジタル信号に変換した後、このデジタル信号を制御部へ出力する。
【００３７】
第３ステップＳ３では、このデジタル信号を入力した制御部では、内部に設けたメモリに記憶された演算方法に従って、周期Ｔを算出する。
【００３８】
第４ステップＳ４では、予めＣＣＤの組み付け時に制御部４で算出されて記憶部５に記憶されていた周期Ｔ、つまり「初期設定周期」Ｔ_mと、毎回測角作業に先立ち行う「実測周期」Ｔ_cとについて、「相対誤差」ｄＴを算出する。
ｄＴ＝|Ｔ_m-Ｔ_c|
【００３９】
第５ステップＳ５では、第４ステップＳ４で求めた相対誤差ｄＴが以下のような確認式を満足するか否か、つまりその「相対誤差」ｄＴが「許容値」Ｔｍａｘ内に収まるか否かを判断する。
ｄＴ＜Ｔｍａｘ・・・（１９）
つまり、「相対誤差」ｄＴが確認式（１９）を満足しないと判断された場合には、次の第６ステップＳ６へ移行する。一方、「相対誤差」ｄＴが確認式（１９）を満足すると判断された場合には、第８ステップＳ８へ移行する。
【００４０】
第６ステップＳ６では、「相対誤差」ｄＴが確認式（１９）を満足しないと判断されたので、今まで使用していた周期、つまり「初期設定周期」Ｔｍでは精度の高い内挿量θＩが得られないことがわかる。そこで、今回新たに算出された「実測周期」Ｔｃを、今後の測角作業に先立って行う「実測周期」との比較に使用する。そのため、この今回算出された「実測周期」Ｔｃ（以下、これを「後期設定周期」Ｔｍ´とよぶ）を記憶部へ格納する。
【００４１】
第７ステップＳ７では、制御部４により、三角関数の演算を毎回行う必要のない簡略化された実内挿演算式（１６´）において、第６ステップＳ６で設定した「後期設定周期」Ｔｍ´を「固有周期」Ｔ０に変更させ、この新しい「固有周期」Ｔ０に基づいて、再度、三角関数内の空間周波数ω０、余弦係数α_-N，…，α₀，…，α_N、正弦係数β_-N，…，β₀，…，β_Nなどを算出する。そして、記憶部５内に格納されていたこれらの因子のデータを新しいデータに交換して記憶し直しておくとともに、これらの新しいデータに基づいて三角関数の演算が必要のない新たに簡素化された実内挿演算式（１６´）を作り直して更新しておく。
【００４２】
第８ステップＳ８では、「固有周期」Ｔが、「初期設定周期」Ｔ_mから「後期設定周期」Ｔｍ´に更新されたこの新しい実内挿演算式（１６´）を用いて、所望の高度角や水平角が高い精度で測定されることとなる。
【００４３】
一方、第５ステップＳ５において、「相対誤差」ｄＴが確認式（１９）を満足すると判断された場合には、「初期設定周期」Ｔ_mが今回の測角測定作業においても有効であるので、第８ステップＳ８に移行して、従前どおりの周期を用いた実内挿演算式により、内挿量θＩが計算される。
【００４４】
以下、毎回測角測定作業を行う際に、これに先立ち毎回（或は一定の頻度でもよい）、上述した自己故障診断作業を同様の方法で行う。
【００４５】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、演算部が、内挿演算式中に含む三角関数を予め演算して定数の配列として記憶部に記憶させておくとともに、演算部が、毎回、内挿演算式から内挿量を演算する際に、その三角関数の各定数化された部分を内挿演算式に係数として組み込ませてある。従って、この発明によれば、面倒で多くの時間を要する三角関数の因子が予め算出されて定数化されているので、毎回測角作業の際に、三角関数の演算を行わずに済む分、内挿量の算出時間を短縮化でき、延いては精度の高い測角作業を短時間で行うことができる。
【００４６】
しかも、この発明では、記憶部にスリットの投影像の周期を記憶しておくとともに、周期が変動した場合にこれを制御部で検出すると、記憶部に記憶されていた周期を変動後の新しい周期に記憶し直すとともに、この周期を含んだ三角関数の各定数部分を演算し直して記憶部に記憶し直すように構成されている。従って、この発明によれば、例えば経時変化などによって周期Ｔが変動する場合でも、この周期Ｔが変化したことを制御部が自己診断などによって検出すると、その変動後の新しい周期Ｔを用いて、内挿演算式での三角関数部分に相当する係数部分を新たに算出し直すようになっているから、長期間に亙り測角を行う場合にあっても、常時一定の精度が維持できるようになり、便宜である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る測量機の測角装置を示す概略構成図である。
【図２】この発明に係る測量機の測角方法を示すフローチャートである。
【図３】ロータリエンコーダによる測角を行う測角装置の要部を示す概略斜視図である。
【図４】内挿方法を説明するための模式図である。
【図５】この発明に係るロータリエンコーダでの透過光による投影像と受光部の各画素からの出力信号の関係を示す説明図である。
【図６】ロータリエンコーダによる投影像と受光部の画素との位置関係を示す説明図である。
【図７】ロータリエンコーダの回動に伴う投影像と受光部の画素との位置関係の変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１ロータリエンコーダ
２発光部
３受光部
４制御部
５記憶部
θＩ内挿量
ψ 位相角
ａｎ（ＣＣＤの第ｎ番目の素子の）出力信号
Ｃ余弦波成分
ｆ[ｎ] 位置の関数
Ｓ余弦波成分
ＮＣＣＤの総個数
Ｔ周期
Ｗｎ重さ関数
Ｚ投影像
α_-N 余弦係数
α₀ 余弦係数
α_N 余弦係数
β_-N 正弦係数
β₀ 正弦係数
β_N 正弦係数
ω 空間周波数

Claims

周方向に等ピッチで目盛りが設けられ、回動するロータリエンコーダ；
前記ロータリエンコーダの目盛りに向けて読取光を出射する発光部；
前記読取光のうち前記目盛りからの透過光又は反射光を受光する受光部；
前記目盛りからの透過光又は反射光の前記受光部における受光周期を固定周期として記憶するとともに、この固定周期を用いて定数化した三角関数部分を含む内挿演算式の処理プログラムを記憶する記憶部；及び
前記受光部からの出力信号に基づいて、前記記憶部に記憶された内挿演算式に従い前記三角関数部分を定数とする積和演算により、内挿量の演算処理を行う演算部；を有することを特徴とする測量機の測角装置。
請求項１記載の測量機の測角装置において、さらに、
内挿量を演算して測角を行う際に、前記目盛りからの透過光又は反射光の前記受光部における受光周期を取得し、この取得した受光周期と前記記憶部に記憶された固定周期との差が所定の値を上回っている場合には、取得した受光周期を新たな固定周期として前記記憶部に記憶させるとともに、この新たな固定周期を用いて定数化した三角関数部分を含む内挿演算式の処理プログラムを前記記憶部に記憶させる更新制御部を有する測量機の測角装置。