TWI782511B - 角度計算系統及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明為一種角度計算系統及其方法，角度計算系統包含定點裝置、基準裝置及終端裝置，其中定點裝置及基準裝置分別測量基準點及定點的慣性，而獲得定點資料及基準資料，再由終端裝置將定點資料及基準資料轉換為水平角及轉動角，並計算定點與基準點之間的相對水平角及相對轉動角，藉以達到測量遙遠二端水平及轉動角之目的。
Description
本發明屬於測量領域，尤其是一種基於慣性裝置的水平角及轉動角量測裝置。
在各種工程領域中，為避免成品或建物因為工程上的誤差而無法正常用作，水平角度及轉動角度的量測一直是工程師們在製造或施工時所關心的課題，而工程師們常以氣泡水平儀或雷射水平儀進行水平的測量。
然而，不論是氣泡水平儀或雷射水平儀，二者皆僅能量測成品或建物與地面的水平誤差，且皆是透過人眼進行判斷，難免有所誤差，且無法應付非以地面為水平基準之情境。
再者，在面對橫跨數百公尺以上之建築的水平誤差量測時，例如：橋梁二端的量測，不論是氣泡水平儀及雷射水平儀皆無法應付，故有經緯儀或全站儀等先前技術的提出，但經緯儀或全站儀皆為大型水平量測儀器，體積龐大、價格昂貴且需要專業的人員操作，因此如何提輕便、簡單且精準地量測大型建物水平誤差，仍一項亟待解決之問題。
本案發明人鑑於上述先前技術所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本發明之角度計算系統及其方法。
為解決上述先前技術之問題，本發明提供一種角度計算系統及方法，其目的在於：1.提供一種測量遙遠二端水平的水平儀；2.提供一種輕巧且好操作的轉動角測量儀；3.提供一種具即時監控功能的水平角及轉動角測量儀。
本發明為一種角度計算系統，包含定點裝置、基準裝置及終端裝置，其中定點裝置及基準裝置分別測量基準點及定點的慣性，而獲得定點資料及基準資料後，傳送至終端裝置，其中終端裝置包含接收單元、處理模組及顯示模組，而處理模組則更包含傾角換算單元、水平角轉換單元、相對水平角計算單元、轉動角轉換單元及相對轉動角計算單元。
其中，傾角換算單元依據斜面加速度公式及標準重力(standard gravity)，將定點資料轉換為定點傾斜角，以及將基準資料轉換為基準傾斜角。
其中，斜面加速度公式為：
其中，g0代表標準重力，θ axis 代表各軸向的定點傾斜角或基準傾斜角，A axis 代表各軸向的定點加速度或基準加速度。
其中，水平角轉換單元依據水平軸向的定點傾斜角等於定點水平角之幾何關係，以及水平軸向的準傾斜角等於基準水平角之幾何關係，將基準傾斜角轉換為基準水平角，定點傾斜角換為定點水平角。
最後，相對水平角計算單元，再將定點水平角與基準水平角相減，而獲得相對水平角。
其中，轉動角轉換單元依據定點傾斜角定點轉動角之幾何關係，以及基準傾斜角等於基準轉動角之關係，將基準傾斜角轉換為基準轉動角，定點傾斜角換為定點轉動角。
最後，相對轉動角計算單元，再將定點轉動角與基準轉動角相減，而獲得相對轉動角。
其中，本發明之定點裝置及基準裝置為加速度儀、陀螺儀或二者以上之組合。
其中，定點資料及基準資料為加速度資料。
其中，中繼裝置為無線存取點(Wireless Access Point)。
其中，中繼裝置為非必要元件，終端裝置亦可利用接收單元直接與定點裝置及基準裝置連線。
綜上所述，本發明藉由定點裝置、基準裝置及處理裝置的系統搭配，獲得定點水平角、基準水平角、定點轉動角、基準轉動角，並據以計算定點與基準點之間的相對水平角及相對轉動角。
1:基準裝置
1h:水平基準裝置
100:基準點
101:基準資料
2:定點裝置
2a:第一定點裝置
2b:第二定點裝置
2h:水平定點裝置
200:定點
200a:第一定點
200b:第二定點
201:定點資料
3:終端裝置
31:接收單元
32:處理模組
321:傾角換算單元
322:水平角轉換單元
323:相對水平角計算單元
324:轉動角轉換單元
325:相對轉動角計算單元
33:顯示模組
4:中繼裝置
5:水平面
6:定點水平角
6x:X軸向定點水平角
7:軸向
7x:X軸向
7y:Y軸向
7z:Z軸向
8:原軸向
8x:原X軸向
8y:原Y軸向
8z:原Z軸向
9:定點傾斜角
9x:X軸向定點傾斜角
9y:Y軸向定點傾斜角
9z:Z軸向定點傾斜角
10:標準重力
11:基準資料
12:定點轉動角
13:基準傾斜角
14:基準水平角
15:基準轉動角
16:相對水平角
17:相對轉動角
18:測機器手臂
181:轉軸
181a:第一轉軸
181b:第二轉軸
181c:第三轉軸
182:夾爪
19:目標桌面
S301-S305:步驟
S601-S605:步驟
圖1 為本發明之角度計算系統示意圖；圖2 為定點裝置的示意圖；圖3 為本發明之相對水平角計算方法步驟圖；
圖4 為定點裝置的轉動示意圖；圖5 為定點裝置的多軸轉動示意圖；圖6 為本發明之相對轉動角計算方法步驟圖；圖7 為本發明之第一實施例的示意圖；圖8 為本發明之第二實施例的示意圖；圖9 為本發明之顯示模組示意圖。
為利 本領域具有通常知識者了解本創作之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
請參閱圖1，其係為本發明之角度計算系統示意圖，如圖所示，本發明之角度計算系統包含基準裝置1、定點裝置2、終端裝置3及中繼裝置4，其中基準裝置1僅有一個，而定點裝置2有二個，基準裝置1及各定點裝置2皆透過中繼裝置4與終端裝置3連線。
其中，基準裝置1偵測基準點的慣性，而獲得基準資料101，並傳送至終端裝置3。
其中，各定點裝置2分別偵測各定點的慣性，而獲得定點資料201，並傳送至終端裝置3。
其中，終端裝置3包含接收單元31及處理模組32及顯示模組33，而處理模組32更包含傾角換算單元321、水平角轉換單元322、相對水平角計算單元323、轉動角轉換單元324及相對轉動角計算單元325。
當基準裝置1及定點裝置2分別透過中繼裝置4將基準資料11及定點資料201傳送至終端裝置3時，接收單元31接收基準資料101及定點資料201，並傳送至處理模組32，再由處理模組32利用傾角換算單元321，獲得定點傾斜角9及基準傾斜角13。
當使用者欲獲得定點與基準點之間的相對水平角16時，水平角轉換單元322先將定點傾斜角9轉換為定點水平角6，以及將基準傾斜角13轉換為基準水平角14，再由相對水平角計算單元323將定點水平角6相減於基準水平角14而獲得定點與基準點之間的相對水平角16。
當使用者欲獲得定點與基準點之間的相對轉動角17時，轉動角轉換單元324先將定點傾斜角9換算為定點轉動角12，且將基準傾斜角13轉換為基準轉動角15，再由相對轉動角計算單元325將定點轉動角12相減於基準轉動角15而獲得定點與基準點之間的相對轉動角17。
請參閱圖2，其係為定點裝置的示意圖，如圖所示，當定點裝置傾斜，而使定點裝置2與水平面5，在X軸向7x上夾有X軸向定點水平角6，且X軸向7x與原X軸向8x之間夾有X軸向定點傾斜角9x時，定點裝置2因為標準重力10的關係，會在定點裝置2的X軸向7x上測量到X軸向定點加速度11x。
其中，傾角轉換單元321，藉由斜面加速度公式：θ axis =
，獲得X軸向7x的X軸向定點傾斜角9x，在本發明實施例中，g0代表
標準重力10、θ axis 代表各軸向7的定點傾斜角9、A axis 代表各軸向7的定點加速度11。
其中，水平角轉換單元322再依據原X軸向8x與水平面5互為平行的關係，推知X軸定點傾斜角9x相等於X軸向水平角6x，進而獲得X軸向水平角6x。
請參閱圖3，其係為本發明之相對水平角計算方法步驟圖，本發明之相對水平角計算方法從步驟S301開始，提供基準資料101及定點資料201，其中定點資料201係由定點裝置2所提供，其包含在定點上X軸、Y軸及Z軸的加速度；相應地基準資料101係由基準裝置1所提供，其包含基準點上X軸、Y軸及Z軸的加速度。
在步驟S302中，本發明將一校正算子(operator)作用於基準資料101及定點資料201，藉以消除基準裝置1及定點裝置2的機械誤差。
其中，校正算子為一個矩陣，若以(A x ,A y ,A z )的向量表示在水平面測到之定點資料201或基準資料101，以Ô表示校正算子，以(0,0,g0)表示標準重力，則可以獲得關係式：Ô(A x ,A y ,A z )=(0,0,g0)。
在步驟S303中，本發明利用斜面加速度公式將定點資料201轉換為定點傾斜角9，以及將基準資料101轉換為基準傾斜角13，斜面加速度公式：
，其中g0代表標準重力、θ axis 代表在各軸向7的定點傾斜角12或基準傾斜角15、A axis 代表在各軸向7的定點加速度11或基準加速度。
在步驟S304中，本發明依據幾何關係，推知各軸向7的定點傾斜角9等於定點水平角6，且各軸向7的基準傾斜角等於基準水平角，進而獲得各軸向的定點水平角6及基準水平角。
其中，基準傾斜角13與基準水平角的獲得方式與定點傾斜角9及定點水平角6的方式相同，故不再贅述。
在步驟S305中，本發明將定點水平角減去基準水平角，而獲得相對傾斜角。
請參閱圖4，其係為定點裝置的轉動示意圖，如圖所示，當定點裝置2朝逆時鐘方向轉動定點轉動角12，而使一軸向7與原軸向8之間夾有定點傾斜角9時，定點裝置2因為標準重力10的關係，會在定點裝置2的該軸向7上測量到一軸向定點加速度11。
其中，傾角轉換單元321，藉由斜面加速度公式：θ axis =
，獲得該軸向7的定點傾斜角9，其中g0代表標準重力10、θ axis 代表該軸向7的定點傾斜角9、A axis 代表該軸向7的定點加速度11。
其中，轉動角轉換單元324再依據原水平軸8與標準重力10的方向互為垂直的關係，推知定點傾斜角9相等於定點轉動角12，進而獲得定點轉動角12。
請參閱圖5，其係為定點裝置的多軸轉動示意圖，如圖所示，定點裝置2因為多軸方向的轉動，而使X軸向7x與原X軸向8x之間夾有X軸向定點傾斜角9x，Y軸向7y與原Y軸向8y之間夾有Y軸向定點傾斜角9y，Z軸向7z與原Z軸向8z之間夾有Z軸向定點傾斜角9z。
其中，轉動角轉換單元324利用斜面加速度公式：θ axis =
，獲得X軸向定點傾斜角9x、Y軸向定點傾斜角9y及Z軸向定點傾斜角9z，再由定點傾斜角9相等於定點轉動角12之幾何關係，獲得各軸向的定點轉動角12。
請參閱圖6，其係為本發明之相對轉動角計算方法步驟圖，本發明之相對轉動角計算方法的步驟包含：S601：提供基準資料及定點資料；S602：對基準資料及定點資料進行校正；S603；利用斜面加速度公式將計算定點資料轉換為定點傾斜角，以及將基準資料轉換為基準傾斜角；S604：將基準傾斜角轉換為X軸向基準轉動角、Y軸向基準轉動角及Z軸向基準轉動角，以及將定點轉換為X軸向定點轉動角、Y軸向定點轉動角及Z軸向定點轉動角；S605：將X軸向定點轉動角減去X軸向基準轉動角，而獲得X軸向相對傾斜角，將Y軸向定點轉動角減去Y軸向基準轉動角，而獲得Y軸向相對傾斜角，將Z軸向定點轉動角減去Z軸向基準轉動角，而獲得Z軸向相對傾斜角。
請參閱圖7，其係為本發明之第一實施例的示意圖，如圖所示，在沿山坡建造之建築，或特殊的室內設計等場景中，常有一樓平面非為水平的斜坡階梯，其可利用本發明之角度計算系統，以一樓平面為基準點100，一樓階梯為第一定點200a，二樓階梯為第二定點200b，並將基準裝置1放置於基準點100，第一定點裝置2a放置於第一定點200a，第二定點裝置2b放置於第二定點200b，再由中繼裝置4收集基準裝置1測得之基準資料101、第一定點裝置2a測得之定點資料及第二定點裝置2b測得之定點資料後，傳送至終端裝置3。
終端裝置3經過傾角換算單元及水平角轉換單元的分析後，得到基準水平角、第一定點水平角、第二定點水平角，再藉由相對水平角計算單元
求得基準點100與第一定點200a之間的第一相對水平角，以及基準點100與第二定點200b之間的第二相對水平角，其中：第一相對水平角=第一定點水平角-基準水平角；第二相對水平角=第二定點水平角-基準水平角。
藉由第一相對水平角及第二相對水平角，建築師及土木工程技師可以對階梯進行調整，或其他工程施工之變形量檢測。
請參閱圖8，其係為本發明之第二實施例的示意圖，如圖所示，本發明之角度計算系統適用於檢測機器手臂18良率的應用場景，其中機器手臂18共有三個轉軸181，分別為第一轉軸181a、第二轉軸181b、第三轉軸181c，且基準裝置1放置於第一轉軸181a，第一定點裝置2a放置於第二轉軸181b，第二定點裝置2b放置於第三轉軸181c。
在第二實施例中，當第一轉軸18a轉動時，第二轉軸18b及第三轉軸18c亦隨之轉動，而位於各轉軸18上的基準裝置1、第一定點裝置2a及第二定點裝置2b，以及位於目標桌面19上的第三定點裝置2c則會偵測慣性而產生基準資料及定點資料，並直接傳送至終端裝置3，再計算出在第二轉軸18b之各軸向的定點轉動角與基準轉動角之間的相對轉動角，第三轉軸18c之各軸向的定點轉動角與基準轉動角之間的相對轉動角，以及目標桌面19與夾爪182之間的相對水平角。
藉由了解第二轉軸181b的相對轉動角，以及第三轉軸181c的相對轉動角，檢測機器手臂良率的品檢人員，可以了解機械手臂在各轉軸181之間的轉動角誤差，進而調整角機械手臂18。
除此之外，本發明之角度計算系統還可以應用於橋樑的水平即時檢測，例如在橋梁的二端分別放置基準裝置及定點裝置，持續監測橋梁二端的相對水平角，有利於即早發現橋梁因颱風或其他風災所造成之損壞，達到預防勝於治療的效果。
另一方面，在實際應用時，還可以爪182上放置水平基準裝置1h，且在目標桌面19上放置水平定點裝置2h，藉以量測機器手臂18的夾爪182與目標桌面19之間的水平關係。
本發明亦可應用於半導體製造領域，其中當晶圓片在各機台之間傳遞時，設備工程師可將基準裝置放置於目標機台上，並將定點裝置放在終端效應器的夾抓上，藉以確保夾抓與目標機台之間的相對水平角，以避免晶圓在轉移過程中因水平誤差而有破損之情形。
請參閱圖9，其係為本發明之顯示模組示意圖，如圖所示，本發明之顯示模組33，將各軸的相對水平角及相對轉動角透過雷達圖的形式，傳達給使用者，使用者可以跟著雷達點331的移動，以及數值表332的更動，而得知相對水平角及相對轉動角。
其中，本發明之定點裝置及基準裝置為加速度儀、陀螺儀或二者以上之組合。
其中，本發明之中繼裝置為無線存取點(Wireless Access Point)。
其中，本發明之中繼裝置為非必要元件，本發明之終端裝置亦可利用接收單元直接與定點裝置及基準裝置連線。
綜上所述，本發明利用定點裝置、終端裝置及執行角度計算方法的處理模組之搭配，達到測量遙遠二端水平角及轉動角之目的，且本發明之定
點裝置及基準裝置體積輕小，僅有一個銅板般的體積，方便工程師們攜帶，亦可長期安裝於被待測物上，而不會造成待測物的負擔，以達到即時監控水平角及轉動角之目的。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍；如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
1:基準裝置
101:基準資料
2:定點裝置
201:定點資料
3:終端裝置
31:接收單元
32:處理模組
321:傾角換算單元
322:水平角轉換單元
323:相對水平角計算單元
324:轉動角轉換單元
325:相對轉動角計算單元
33:顯示模組
4:中繼裝置
6:定點水平角
9:定點傾斜角
12:定點轉動角
13:基準傾斜角
14:基準水平角
15:基準轉動角
16:相對水平角
17:相對轉動角
Claims (10)
- 一種角度計算系統，包含：一定點裝置，係用於偵測一定點的慣性，而獲得一定點資料；一基準裝置，係用於偵測一基準點的慣性，而獲得一基準資料；一終端裝置，包含：一接收單元，用於接收該基準資料與該定點資料；一處理模組，與該接收單元連接，且該處理模組包含一傾角換算單元，係用於將該定點資料換算為該定點的定點傾斜角，且將該基準資料轉換為該基準點的基準傾斜角；其中，該定點資料包含在該定點上多個軸向的加速度訊號；其中，該基準資料包含在該基準點上多個軸向的加速度訊號。
- 如請求項1所述之角度計算系統，更包含：一水平角轉換單元，係用於將該定點傾斜角轉換為定點水平角，且將該基準傾斜角轉換為基準水平角；一相對水平角計算單元，係用於計算該基準傾斜角與該定點傾斜角之間的差值，而獲得該定點與該基準點之間的相對水平角。
- 如請求項1所述之角度計算系統，其中該處理模組更包含：一轉動角轉換單元，係用於將該定點傾斜角換算為該定點轉動角，且將該基準傾斜角轉換為基準轉動角；一相對轉動角計算單元，係用於計算該定點轉動角與該基準轉動角之間的差值，而獲得該定點與該基準點的相對轉動角。
- 如請求項1或2所述之角度計算系統，更包含一中繼裝置與該定點裝置、基準裝置及該終端裝置連接，其中該中繼裝置係用於接收該基準資料與該定點資料，再將該基準資料與該定點資料傳送至該終端裝置。
- 如請求項1所述之角度計算系統，其中該定點裝置或基準裝置為加速度儀、陀螺儀或二者以上之組合。
- 一種角度計算方法，包含：提供一定點資料，包含在一定點上多個軸向的定點加速度；提供一基準資料，包含在一基準點上多個軸向的基準加速度；利用斜面加速度公式及標準重力(standard gravity)，將各軸向的該定點加速度轉換為該定點在各軸向的定點傾斜角；利用斜面加速度公式及標準重力，將各軸向的該基準加速度轉換為該基準點在各軸向的基準傾斜角。
- 如請求項6所述之角度計算方法，其中該斜面加速度公式為：
- 如請求項6所述之角度計算方法，更包含：提供一標準資料，包含在一標準水平面上多個軸的標準加速度： 依據該標準加速度與標準重力(standard gravity)之間的誤差，產生一校正算子；將該校正算子(operator)作用於該定點資料及該基準資料；其中，該標準資料被該校正算子作用後，各軸向的標準加速度之和相等於標準重力。
- 如請求項6所述之角度計算方法，更包含：利用各軸向的該定點傾斜角等於各軸向的定點水平角之關係，獲得該定點在各軸向的該定點水平角；利用各軸向的該基準傾斜角等於各軸向的基準水平角之關係，獲得該基準點在各軸向的該基準水平角；計算該基準水平角與該定點水平角之間的差值，而獲得該定點與該基準點之間的相對水平角。
- 如請求項6所述之角度計算方法，更包含：利用各軸向的該定點傾斜角等於各軸向的定點轉動角之關係，獲得該定點在各軸向的該定點轉動角；利用各軸向的該基準傾斜角等於各軸向的基準轉動角之關係，獲得該基準點在各軸向的該基準轉動角；計算各軸向的該基準轉動角與各軸向的該定點轉動角之間的差值，而獲得該定點與該基準點之間在各軸向的相對轉動角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110115549A TWI782511B (zh) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | 角度計算系統及其方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| TW110115549A TWI782511B (zh) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | 角度計算系統及其方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI782511B true TWI782511B (zh) | 2022-11-01 |
| TW202242349A TW202242349A (zh) | 2022-11-01 |
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ID=85793247
Family Applications (1)
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| TW110115549A TWI782511B (zh) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | 角度計算系統及其方法 |
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| TW (1) | TWI782511B (zh) |
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2021
- 2021-04-29 TW TW110115549A patent/TWI782511B/zh active
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