JP4812170B2 - 位置測定装置、光学的送信方法、及び光学トランスミッタ - Google Patents
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Description
【0001】
本出願は、本出願に先行して1999年3月22日に出願され、本出願の譲受人に譲受された米国特許仮出願番号60/125,545、及び1999年10月13日に米国から出願されたPCT出願番号PCT/US99/23615の「位置測定システム回転ヘッド光学トランスミッタ」に基づく優先権を主張する。両先出願をここに引用し、本出願に盛り込むものとする。
【発明の背景】
【0002】
(1.発明の技術分野)
本発明は、概して、位置測定に関し、更に詳しくは、位置関連情報を供給するために改良された装置または方法に関する。
【0003】
(2.発明の背景技術)
位置測定の技術分野においては、測量手法や世界測位衛星システム(GPS)など様々な技法が知られている。
【0004】
これらの技術の多くは、高精度で複雑な装置を製造する複雑性に伴い、装置が高価になるという制約がある。しかも、それらの技術の多くは大がかりな訓練を要するため、本技術分野で訓練を受けていない者は利用することができない。
【0005】
本発明の目的は、改良された低コストな光学トランスミッタを提供し、従来の位置測定システムにまつわる問題点の多くを克服することである。
【0006】
また、本発明のさらなる目的は、位置測定用の低コストで安定した光学トランスミッタを製造するための、より簡便に改良された方法を提供することにある。
【発明の概要】
【0007】
本明細書で開示されるシステムは、高レベルにおいては、複数のトランスミッタ及び受信機器を含む。トランスミッタはその静止位置から信号を送信し、レシーバはそれらの信号を受信する。本システムでは、レーザビーム及びLEDを信号として用いる。次に、受信機器は座標システムを特定し、その位置を計算して受信信号から目的とする他の情報を類別する。そして、レシーバはその情報をユーザインターフェースを介して表示する。この場合の情報とは、たとえば受信機器の位置または受信機器から他の場所までの距離などである。
【0008】
本明細書から明らかなように、本発明は種々の異なる分野、用途、産業、及びテクノロジーに応用することが可能である。本発明は、位置関連情報の特定を必要とするシステムであれば、限りなくあらゆるシステムに用いることができる。たとえば、運動、寸法測定、位置及び方向の追跡などが挙げられるが、その限りではない。また、ありとあらゆる産業において、限りなく多くの様々な製法や用途に対して用いることができる。これらの産業及びそれらに関わる製法または用途として挙げられるのは、映画製作(デジタル化モデル、撮影セット、カメラ追跡、自動焦点)、建設業(電動工具、測量、CAD、設備制御、建築寸法の計測及びレイアウト)ロボット工学(ロボットキャリブレーション、ワークセル配置、モバイルロボット操縦、危険廃棄物の掘削)、法令施行(事故現場のマッピング、犯行現場のマッピング、事件の再現)、コンピュータ(3D入力装置、ビデオゲーム)、バーチャルリアリティ(オーグメンテッドリアリティ/増補現実?、仮想商店街、3Dインターネット体験)、製造業(工場自動化、設備廃棄、部品検査、設備の保守点検、製造のツーリング及び検査、製造計測)、医療(手術のナビゲーション、コンピュータ制御手術室、医療機器)、防衛(兵器モデリング、模擬訓練、航空機の整備点検、船舶の改造や修理、用地改善)などである。
【0009】
本発明を開示するにあたり、多種多様な概念、複数のサブシステムの構成要素、製法、及び複数のサブシステムのアセンブリを、様々な図面を用いて説明する。
【0010】
(1.トランスミッタ)
本発明は、本出願の譲受人に譲受され、1998年10月13日に出願され、本出願にて参照、統合される同時系属中のPrattの米国特許仮出願番号60/104,115で説明された手法及び装置と併せて用いることができる。以下、本章では、この統合される仮出願のある特定の特徴を強調して説明する。さらなる詳細は、「ローター/ベアリングハウジングアセンブリ」の図、「レーザアセンブリ」の図、「非対称パルス効果」の図を含めた添付図面に示されている。また、追加の図面は、(1)トランスミッタの構成要素 (2)トランスミッタの部品の製法 (3)トランスミッタに関わるビーム拡散、追跡、数学を含めた動作概念 を説明したものである。
【0011】
<A.光路の単純化>
本出願に統合される先願の内容からも明らかなように、アークセカンド社のトランスミッタの重要な利点の一つは、ヘッドで回転するレーザに例示されるように、光路を単純化できることである。さらに、実施形態のトランスミッタには窓がまったくない。したがって、窓を横切るレーザの動きによって歪みが生じることもない。上述のように、本実施形態では、レンズまたはレーザと共に回転する他の装置を利用する。たとえば、可変窓の特性、入射角、または回転レンズと固定レーザとの間の角度によって歪みが生じることはない。また、固定窓をなくすことにより製造や保守、操作が簡略化される。固定窓をなくすためには、トランスミッタに回転シールを付加することが必要となる。
【0012】
<B.回転速度とパラメータ保存>
本出願に統合される先願でも説明されるように、回転ヘッドとそれに付随するレーザは、一定の速度で360度フル回転する。ただし、その速度は自由に設定することが可能である。回転の中心を簡単に定量化できることで、位置特定のアルゴリズムが単純化され、システムのセットアップが簡略化される。また、この位置特定は、本実施形態では、回転ヘッドの1回転につき1回発する同期信号を利用することで簡易化される。位置測定システムで精度を確保するには、回転ヘッドの角速度がヘッドの回転ごとに変化しないようにすることが必要である。
【0013】
回転ヘッドの速度は、本実施形態では、書替え可能ゲートアレイ(FPGA)の利用によって設定可能である。このように速度制御の設定を変更できるので、トランスミッタの各々の回転速度に基づき、複数のトランスミッタを1台のレシーバで区別することが可能となる。当業者には理解されているように、トランスミッタの複数使用により位置検出を向上させることができる。また、書替え可能電子回路(FPGA、フラッシュメモリなど)を用いても有利である。モータ速度を制御する位相同期ループにクロックを切り換えることによって所望の速度を設定できるだけでなく、対象となる速度におけるパフォーマンスが最大となるように制御ループの全体的な利得をプログラムすることができる。
【0014】
<C.ビームのタイプと数>
また、本出願に組み入れられた仮出願にも記載され、当業者にも知られているように、複数のビームを用いてそれらの形状を制御することにより、位置検出が向上する。これらのビームは、同一の回転ヘッドアセンブリにあっても、それぞれ別々の回転ヘッドアセンブリにあってもよい。
【0015】
回転ヘッドアセンブリ1台ごとのビームの数は2つが好ましいが、それより多くのビームを用いてもよい。特に、4つのビームを用い、そのうち2つは短距離用、残り2つは長距離用とした実施形態もある。2つの短距離ビームは、可能な限り広い拡散角度を有するようにする。それにより、ユーザがトランスミッタの近く、たとえば室内で操作することが可能となる。長距離の場合は、ユーザは通常、トランスミッタから離れて操作する。したがって、そうした環境ではビームの垂直度は低下し、システムの距離は最大化する。ビームは、好ましくはタイプ3のレーザがよい。しかし、ビームは回転することで固定観測者に対する光度を下げるため、タイプ1のレーザに分類される。装置に搭載された安全性機能によって、回転ヘッドが動いていないときはレーザが作動しないようになっている。本実施形態では、少なくとも2つの連動式安全装置を利用する。1つは、位相同期ループによるもので、システムが少なくとも1024位相クロック周期(およそ32回転)の位相同期の状態になるまでレーザは作動しない。もう1つは、1回転1回のインデックスを用い、エンコーダにおいて絶対速度を監視するものである。公差はシステム内にプログラムされており、現在では1000分の1である。速度がその枠外にあるとき、レーザは作動不可となる。
【0016】
<D.ビームの形状>
トランスミッタは、用途に応じてビームの設定を自由に変えることができる。1つの利点は、ビームの形状を用途に応じて修正できることである。重要なのは、所望する作業量を正確に満たすようにビームの形状を合わせることである。建設業の場合、これは20m×20m×5mの大きさの部屋に相当する。建設機械の制御の場合は、100m×100m×10mの大きさの空間に相当する。ビームの形を修正することで、エネルギーを適切な方向に導くことができる。
【0017】
また、ビームの形状を制御してビームを区別することもできる。これは、1台の任意のトランスミッタまたは複数のトランスミッタにおいて、複数のビームに対して可能である。1台の任意のトランスミッタの場合、第1ビーム及び第2ビームを区別しなければならない。これには、時間内のストロボに対する両ビームの相対位置を用いる手法がある。または、ビームの幅(「ビーム幅」または「広がり角」)を互いに異なるようにする手法もある。その場合、たとえば2本のビームのうちの広いほうを第1ビームとする。
【0018】
ビームの拡散は、本技術分野の様々な公知の方式によって行うことができる。たとえば、ロッドレンズ、パルレンズ、円柱レンズなどがあるが、その限りではない。ロッドレンズの使用は比較的簡単な方法ではあるが、パルレンズの使用はエネルギー分布に対する制御がより大きい。ビームは通常、光源から円錐ビームとして出射され、コリメータレンズがビームを円柱に整形し、拡散レンズがその円柱形となったビームを拡散して扇形にする。
【0019】
ロッドレンズを用いると、拡散に対する制御を大きくすることができる。ライン生成用ロッドレンズの大きな利点の1つは、測定方向(ビーム方向)におけるビームの質に直接的な影響を及ぼさないことである。したがって、ロッドレンズはコリメート光学で設定されたレーザビームの扇形拡散に影響を及ぼしてはならない。
【0020】
パルレンズを用いると、扇形拡散方向へのエネルギー分布に対する制御を大きくすることができる。「パル」タイプのレンズは、「均一な」分布を作り出すことができ、エネルギーは扇形拡散面の方向に均一となる。多くの場合、均一な分布は非効率的であるが、それは電位レシーバが拡散面全体に沿って均一に分布していない場合のことである。いくつかの実施例においては、レンズの前方に焦点を合わせなくてはならない。そのような実施例でパルレンズ方式を用いると、測定方向に影響が出る恐れがある。
【0021】
また、ガウスビームを用いると、レシーバのパフォーマンスを最大限にすることができる。ガウスビームは、拡散角度またはビーム幅にわたるエネルギー分布が対称形をなすという点で、対称的なビームである。レシーバにおいて単純な閾値手法を用いる場合、パルスが対称で、しかも張り出しまたは側面の突出部がないことが重要である。また、距離によって分布形が変わらないとよい。これらの条件の多くを満たすパルス波形はいくつかあるが、ガウシアン分布はこれら全ての条件に合致する。張り出しや側面の突出部がない対称形のパルスを用いることで、レシーバによってビームの中心を検出することが可能になる。反対に、非対称パルスでは、レシーバはビーム中心がレシーバの光検出器を交差する時間を誤認してしまう。
【0022】
<E.ストロボ>
本明細書で開示される一実施形態では、ストロボのパルスは対称で、フラッシュ/ストロボパルス生成器におけるパルス整形が必要である。単純な閾値手法を用いる場合には、ストロボパルスは対称形であることが重要である。上昇と下降の回数が等しい方形パルスは、望ましいパルス波形の一つである。LEDの光出力は、LEDを流れる電流に直接向けられる。ストロボパルスの生成に伴って電流が高くなるため、パルス形成ネットワークを用い、電流がダイオードを通過する際に方形波となるようにしなくてはならない。レシーバの光検出器の中に、レーザパルスと一致するパルス波形を生み出すストロボパルスが理想的である。
【0023】
<F.通信と制御>
本発明で開示するシステムは、シリアルポートを使用して通信及び制御を行う。これにより、キャリブレーションデータ及び制御パラメータを容易に転送することができる。前述したように、トランスミッタはその速度によって区別されるので、速度調整を簡便にするための手法が必要となる。また、トランスミッタのパラメータは、レシーバからでも利用できるようにしなくてはならない。簡便で信頼性があり一元化された手法を実現するために、本実施形態においてはトランスミッタとレシーバまたは試験機との間でシリアル通信を用いる。試験用には、シリアル接続はよく知られたRS−232接続とする。実地での使用には、赤外線シリアルポートを介した接続とする。これにより、トランスミッタがシールされても外部との通信が可能となる。測定手法との干渉を防ぐため、このポートはレーザがオフの間のみアクティブになる。
【0024】
<G.VHDL>
本実施形態のデジタル設計の多くは、書替え可能ゲートウェイ(FPGA)で実行される。これらの装置により、多数のベンダから入手可能な汎用ハードウェアに複雑な設計をプログラムすることができる。これらの装置のプログラムは、特殊なコンピュータ認識言語VHDL(VHSIC[very high−speed integrated circuit] Hardware Description Language−超高速集積回路ハードウェア記述言語)で記述される。これは、マイクロプロセッサや他の半導体装置の設計に用いる言語と同じであり、現在では「IEEE 1076」として標準化されている。
【0025】
<H.レーザヘッドへの電源供給>
本出願に統合された先出願において説明されるように、本実施形態によれば、モータ、及び回転ヘッドアセンブリへの電源供給はトランスミッタにとって重要な構成要素である。
【0026】
回転式変圧器を用いる。回転ヘッド内の装置に電源を供給するためには、いくつかの手法が利用できる。最も一般的なのは、スリップリングの使用である。あいにく、スリップリングを用いる場合には「ブラシ」と「スリップリング」との間に物理的な接触が要求される。それにより、システム内にほこりが生じ、摩擦トルクによって変化するモータ速度にバラツキが生じる。したがって、回転式変圧器を用いる手法が好ましい。変圧器を用いる手法では、モータの抵抗を最小限に抑えることができる。また、フラット信号変換器を電源変圧器として用いれば、非常に簡単な処理で済む。
【0027】
変圧器の固定子側でフライバック制御を用いる。回転ヘッドの構成要素の数を最小限にするため、変圧器の固定子側で電圧制御を実行する。効率を最適化するために、フライバック駆動の手法を用いる。
【0028】
<I.回転の安定性と精度>
速度制御システム及び駆動モータの安定性については、本出願に組み込まれた先出願でも論じている。当業者が認識するように、正弦波駆動モータは低コストで、本来的に安定性の高い内部回転を行うため、一定速度の回転を得るのに有用である。
【0029】
最適な結果を得るには、軸受を互いに可能な限り離れた状態にしなくてはならない。 摂動や揺動(ターンテーブル内の回転速度ムラ)が少しでもあると、それがシステム内のエラーの原因となり、そのままz方向の誤差を招く。2つの精密軸受を用いてそれらの間の距離を最大限にすると、こうした誤差を最小限にするることができる。
【0030】
ストロボパルスは、モータシャフトに固定された1回転1回のインジケータによって開始される。このシャフト位置インデックスを作成するには色々な方法がある。最も単純で好まれる手法は、光学エンコーダが通常備えるインデックスを用いることである。エンコーダのこうした分離出力は、そのままシャフト位置インデックスに相当する。
【0031】
また、光学エンコーダディスクを用いて回転情報を得る。その他の装置、たとえばタコメータやシンクロスコープなどを用いてもよいが、その限りではない。光学エンコーダディスクは通常ガラス製で、ディスクが回転する際に検知される一連のラジアルマークが付いている。また、一般的に、そうしたディスクには、半径の異なる「インデックス」マークが1つあり、それを用いてディスクが完全に回転したことを検知する。ディスクシステムから出る方形パルス波の周波数は、ラジアルマークの通過速度によって決まる。たとえば、ディスクが毎秒1回転で回転する場合、1000個のマークが付いたディスクのシステムは、1000Hz(1回転につき1000ラジアルマーク×毎秒1回転=1000Hz)の方形パルス波を出す。
【0032】
モータ速度の制御は、フィードバック位相同期ループ(PLL)システムを介して行う。ディスクシステムの方形パルス波が1つの入力データ、トランスミッタシステムのクロックがもう1つの入力データである。トランスミッタクロックの周波数は選択可能である。PLLの出力データを利用してモータの回転速度を制御し、PLLが選択された周波数とのロックを保つようにする。
【0033】
また、ディスクのインデックスマークを、1回転につき1回の頻度でストロボパルスを開始するために用いることも可能である。
【0034】
<J.製造コストの低さ>
キャリブレーション機能の考察後に更に詳述するように、トランスミッタには安定性が必要である。また、受信機器によってトランスミッタの動作パラメータを正確に把握することが重要である。本発明のトランスミッタの製法では、こうした動作パラメータを特定する際の精度が、受信機器に必要とされる程には高くない。そのため、この製法は比較的安上がりである。後述のキャリブレーション機能を利用した特性化プロセスを経ることにより、必要な精度が確保される。
【0035】
(2.キャリブレーション)
後述するように、キャリブレーション機能はトランスミッタの幾つかの重要なパラメータを特定するプロセスを説明するものである。、受信機器によって位置算出が行われるためには、それらのパラメータを受信機器に供給することが必要である。これらのパラメータは、位置算出エンジン(PCE)内のメモリに保存され、必要に応じて更新できるようにするのが好ましい。たとえば、新しいトランスミッタがシステムに追加された場合、新しい一連のパラメータをPCEにロードすることが必要である。また、別の例としては、トランスミッタの回転スピードが変更された場合、それに関する情報をPCE内で更新することが必要である。
【0036】
(3.受信機器)
本システムにおいて好ましい受信機器は、ワンド(ペン型のリーダー)であり、図18Aに示すような「携帯型レシーバ」である。ワンドの一方の先端には、図19に示すように、「バルカンレシーバ(Vulcan Receiver)」と呼ばれる手持ち用で銃の形をした装置が付いている。これらの計器はともに、旧式のものが市販されていたが、その発売元はバージニア州ダレスに本社を置くアークセカンド株式会社である。このワンドは、2つの検出器/レシーバを備えている。
【0037】
図18の「バルカンレシーバ」は、受信機器の演算の大部分を実行する位置算出エンジン(PCE)を示す。以下に説明するPCEは、セットアップ手順、追跡、位置算出、及び情報表示に不可欠なものである。
【0038】
また、各スマートチップ(Smart Tip−コンピュータ内蔵先端部)の中にFPGA(書替え可能ゲートアレイ)や「iボタン」があることからも分かるように、スマートチップも演算を実行する。このスマートチップは、本システムの両端のいずれの側に置いてもよく、「Tip Present」信号は、スマートチップがどちら側にあるのかを知らせるものである。
【0039】
ワンドは、軽量で携帯可能な受信機器である。以下、ワンドの操作に加え、ワンドの構成やワンド先端部の位置特定について、更に詳しく説明する。
【0040】
(4.位置測定システム)
以下に説明するように、トランスミッタ及び位置特定におけるトランスミッタの使用について数学的な詳細を述べるが、これは主にPCEによって実行される関数である。
【0041】
本発明の特徴の1つは、本明細書で開示される機能性が、ハードウェア、ソフトウェア、及び/またはそれらの組み合わせによって実行されることである。ソフトウェアを実現するには、C++などの高レベルなプログラム言語や中間レベル及び低レベル言語、アセンブリ言語、特定のアプリケーションまたは装置に対応する言語など、あらゆる言語の中から適切な言語を用いて記述するとよい。そうしたソフトウェアは、486またはペンティアムなどの汎用コンピュータや、特定用途向けハードウェア、またはその他の適切な装置で実行可能である。論理回路においてそれぞれ独立したハードウェアコンポーネントを用いることに加え、特定用途向け集積回路(ASCI)やプログラム済み書替え可能ロジカルデバイス(PLD)、または他の装置によって、必要な論理を実行してもよい。また、本システムでは、当業者によく知られた種々のハードウェアコンポーネント、たとえばコネクタやケーブルなどを含んでもよい。さらに、こうした機能性の少なくとも一部は、コンピュータ読み取り可能媒体(以下、コンピュータプログラム製品とも呼ぶ)において実現してもよい。そうした媒体は、本発明による情報処理装置で実行するためのプログラミングで使用され、たとえば磁気媒体、磁気光学媒体、及び光学媒体などを用いることができる。また、こうした機能性は、情報や機能を伝送する際に用いる伝送波形などのコンピュータ読み取り可能媒体、つまりコンピュータプログラム製品において実現してもよい。
【0042】
以上、本発明の原理、好適な実施形態、及び動作方式について説明した。開示された特定の形態は限定的なものではなく、むしろ例示するためのものであり、本発明はそれらの形態に限らない。また、本発明の精神や範囲を逸脱しなければ、当業者によって様々な変型例を実施することも可能である。
【0043】
【発明の実施の形態】
(1.トランスミッタ)
<A.物理的な説明>
アークセカンド社トランスミッタ10は、回転するレーザ11と物理的に類似する装置であるが、レーザ11が回転する一本のスポットビーム12を発射する代わりに、図の1で示すとおり、2本の回転するファンビーム14及び16をトランスミッタ10は発射する。
【0044】
図2は、トランスミッタヘッド10の好ましいアセンブリを示す。図にはθoff、φ、φ2という重要な角度が示されている。回転するヘッドを上部から見下ろした時、二つのレーザモジュールの間の分離角をθoffは示す。レーザは通常90度の間隔を置き、φとφ2はそれぞれレーザ1及びレーザ2の拡散面の傾きを表す。図で示すとおり、これらの2つの角度は垂直方向に測定され、通常はビーム1には−30°が、ビーム2には+30°が設定される。それらの角度の記号の記述方法については、次のセクションで説明する。θoff、φ、φ2の実際の値は、後述されるファクトリーキャリブレーションプロセスで求められる。
【0045】
トランスミッタヘッド10が回転し、14と16の二つの光の面で測定領域をスキャンするが、その方法については、さらに詳しく後述される。ヘッドが1回転する間に、各レーザの拡散型の面で図示のない測定ツールは、1回のみ照らされる。このスキャニングオペレーションに加え、またヘッドの回転において一定の位置で、トランスミッタは光学ストロボを発光させる。測定ツールはストロボにより照らされ、ヘッドの回転にゼロの基準値を与えるために使用される。このスキャニング処理によって、レシーバシステムによる計測の基礎が成されることになり、これについては、さらに詳しく後述する。
【0046】
最後に、位置測定システムの各トランスミッタは、既知であるが独自の速度で回転する。この独特な回転速度によりレシーバシステムのソフトウェアが、測定容量を取り巻くトランスミッタ間を区別することができる。
【0047】
<B.低価格トランスミッタの詳しい説明>
図3の論理的なブロック図において、本願発明のいくつかの新しい特徴に従った、3次元測定システムで実用性のある、改良された低価格の光学トランスミッタが示されている。明細書及び図において一貫して同一の番号が同一の要素を指すようになっている。
【0048】
低価格の光学トランスミッタ及び方法を得るために、本出願の生産プロセスにおいては、かなり高価で正確なアセンブリのプロセスを実行するのではなく、生産/アセンブリプロセスでキャリブレーション手続きを実行し、各光学トランスミッタ10を特徴づける独自のデータを生成する。これについては、さらに詳しく後述する。本願発明の一つの特徴によると、図1及び2でさらに詳しく説明されているように、角度のキャリブレーションデータは生産/アセンブリプロセスにおいて生成され、トランスミッタが操作のために水平にされた時、各トランスミッタの第1第2の放射ファンビームそれぞれの角度及びそれらのビーム間の角度を定める。この角度キャリブレーションデータはキャリブレーションデータメモリ2で記憶されることが望ましい。また、所望の回転速度を定めるデータを生産プロセス中に予めロードしておくことが可能であり、また同様に、キャリブレーションデータメモリ2もしくは可変モータ制御メモリ4へロードすることもできる。さらに詳しく後述するが、レシーバ/検出器24(図12を参照)は、放射ビームと複数の独立したトランスミッタ10とを区別することができ、各トランスミッタ10の変更可能な回転速度の機能として、一つの測定領域内でトランスミッタ10の操作が可能である。ブロック図から解るように、キャリブレーションデータをキーボードもしくはメモリユニット2及び4に接続するデータプロセッサ3の光ポートによりメモリ2またはメモリ4に入力することができる。同様に、メモリ2及び4のケーブルポートもしくは光出力ポートを介して測定システムの光学レシーバ/検出器24へメモリ2及び4からのキャリブレーションデータを出力することもできる。図示のように、光学トランスミッタ10はトランスミッタモータドライブ5並びにストロボリファレンス及びレーザアセンブリ6と7を含む。さらに詳しく後述するが、トランスミッタ10が測定システムに導入されると、図12で示すように、各トランスミッタ10のカリブレーションデータはレシーバ24に伝達またはロードされる。また、可変モータ制御メモリ4のフィールドセットアップデータを使用して、トランスミッタアセンブリの回転速度キャリブレーションデータを選択的に変更することができ、そしてシステムレシーバ検出器24はその速度キャリブレーションデータと交信する。この伝達は、メモリ2及び4のケーブルポートもしくは光ポート、またはデータプロセッサ3のキーボード入力によって行われる。
【0049】
<C.数値演算の説明>
トランスミッタの物理的なスキャニングオペレーションについて、数値演算モデルを用いて説明する。次のセクションでは、位置算出アルゴリズムを得るためにこのモデルを使用する。
【0050】
物理的に、トランスミッタ10のスキャニングオペレーションは2つのレーザファンビームのよって行われる。図1及び2のファンビーム14並びに16を数値演算モデルにおいて個別に考察する。このモデルを作り上げるために、図4に示すとおり、まず最初に、トランスミッタの基準枠を定義する。それぞれのトランスミッタは各々の基準枠をもち、それらの基準枠は後述するユーザの基準枠とは異なる。説明は後述するが、それらの基準枠はユーザの基準枠に関連する。
図4から解るように、右手の法則に従ってZ軸周りを正の方向にヘッドは回転する。
【0051】
ファンビームのスキャンを説明するにあたり、垂直面をy=0、すなわちX−Z軸面からはじめる。数学的に、平面はその表面に対し標準的なベクトルによって表される。垂直方向に向いたファンレーザにより発せられる光の面とこの平面は一致する。図5では、平面が無限であるように描かれているが、実際には点線で示されるように特定の角度を持つ広がりのみを示す。この角度を持つ広がりは数値演算モデルに影響を及ぼすものではなく、トランスミッタの角度のある領域に影響を及ぼす。
【0052】
【0053】
次に、この垂直面がX軸の周りを角度φで回る。この新しい平面はトランスミッタのヘッドに組み込まれたファンレーザを表し、前セクションで説明したように、φは物理的な傾斜角度である。図6で示すように、正のφはX軸の周りで右手の法則方向の回転を示す。
【0054】
【0055】
最後に、この新しい平面がZ軸周りを角度θで回る。実質的にこの角度は時間の関数であり、トランスミッタヘッド10がZ軸周りを回転すると、この角度がファンビームの位置を示すからである。すなわち図7及び13が示すように時間tにおけるスキャンの角度はθ(t)で表される。
【0056】
【0057】
後述される位置算出アルゴリズムでは、図8に示すように、レーザ拡散面が検出器と交わる時の位置をこのベクトル表記は示す。
【0058】
【0059】
トランスミッタヘッドの各回転について、後述されるレシーバシステムは2通りの^ベクトル、^1及び^2を算出する。それらは、検出器24との交点における2つのファンビームの位置を示す。φはファクトリーキャリブレーションにより定められた定数であるため、各^ベクトルはそのスキャン角度θに唯一依存することになり、そしてθはレシーバシステムにより成されたタイミング計測に依存することとなる。
【0060】
(1.位置算出)
測定ツールに取り付けられた検出器24の位置を計算するには、2通りの方法を用いることができる。1つはセオドライトネットワークメソッドで、もう1つはアークセカンド社の非セオドライトトランスミッタメソッドである。図9で示される24のレシーバシステムにおいては、より迅速であり、トランスミッタ独自の構成により適しているアークセカンドメソッドを用いる。アークセカンドメソッドを説明する前に、セオドライトネットワークメソッドについて簡単に説明する。
【0061】
セオドライトネットワークメソッドを利用するにあたり、図10に示すように、各トランスミッタから所望する検出器への、測定された方位角及び仰角のベクトル間の交点をレシーバシステムは算出する。
【0062】
図9は、検出器24との交差点における26及び28の両拡散面を示している。拡散面26及び28は直線上で次々と交差し、この線は検出器24を通過するベクトルr(倍角rはアッパーライン付きのrと同意である)で表される。
【0063】
【0064】
さらに、rが検出器24を通過する一方、ベクトル^1及び^2からのrの長さに関する情報が全く得られない。したがって、図10に示すようにトランスミッタの基準枠に関するこのベクトルの方位角及び仰角を下記の式を用いて算出する。
【0065】
【0066】
図9及び10はセオドライトメソッドの限界を示す。すなわち、1つのトランスミッタから2次元を求めることのみ可能となる。検出器24に対して、2つの角度をもとめることはできるが、距離を求めることはできない。
【0067】
セオドライトネットワークメソッドの次の工程は、ワークスペース内のすべてのトランスミッタのベクトルrを計算し、そしてそれらのベクトルの交点を求める。このメソッドの数値演算はアークセカンド社の位置算出アルゴリズムよりもさらに多くの計算を要し、アークセカンド社独自のトランスミッタの構造に適していないので、ここでは説明を省略するが、要するに、2つのセオドライトとレシーバに対する角度の間のベースラインが解っていれば、センサの位置を算出することができる。
【0068】
アークセカンド社の非セオドライトメソッドにおいては、セオドライトのようにトランスミッタを扱うのではなく、トランスミッタのスキャニングオペレーションを直接利用することができる。図11では、検出器と交差する1つの拡散面が示されている。ベクトルa(倍角aはアッパーバー付のaと同意である)はトランスミッタの原点に関する検出器の位置を示す。図11からは、重要な数学的考察をすることができる。
【0069】
【0070】
ビーム面が検出器と交差すると、それらのベクトルがその場所で互いに直交するので、交差する小点の積はゼロになる。定義上、面に対してベクトル^は直角に交わり、面が検出器と交差するとき、面内でaが含まれる。図9で示されるように、^1と^2で表される2つの拡散面があり、各トランスミッタ毎に2つの数式を得ることができる。
【0071】
【0072】
ベクトルaは3つの未知数(x,y,z)を含み、これでは十分な情報がないため、第3の次元を算出することはまだできない。トランスミッタに第3のファンビームを取り付けることにより、数式に第3の行を加えることができる。しかし、この数式は最初の2つから線形的には独立していない。したがって、少なくとももう1つトランスミッタを追加しなくてはならない。
【0073】
図12では、原点にトランスミッタ10−1を、X軸に沿って第2の10−2を、Y軸に沿って第3の10−3をそれぞれ設置する。この軸上での設定は幾分任意のものであるが、トランスミッタはある共有の基準枠において互いに関連を持つようにする。前述のように、この共有の枠はユーザの基準枠と呼び、前述のトランスミッタの基準枠とは異なる。
【0074】
ユーザの基準枠での検出器の位置を算出するため、ユーザの基準枠について各トランスミッタの基準枠を決めなければならない。これは各トランスミッタの位置ベクトルPtx(倍角Pはアッパーライン付のPと同意である)と回転マトリックスRtxとで決められる。下記のように数式を書き換えることができる。
【0075】
【0076】
この新しい数式において、Pはユーザの基準枠における検出器の位置を示し、この値を求めることになる。Rtx^V(^Vは^がVの上に付いたものと同意である)はユーザの基準枠におけるレーザ拡散面を示すベクトルである一方、^はこれのみでトランスミッタ基準枠でのレーザ拡散面を示す。P−Ptxは、ユーザの基準枠においてトランスミッタの原点から検出器の位置までを表すベクトルである。n≧2トランスミッタの場合は、次の数式群を使用する。
【0077】
【0078】
第1の下付文字はトランスミッタの数であり、^の第2の下付文字はレーザビームの数である。Pを解くためにマトリックスフォームでこれらの数式群を書くためには、次のように数式群を配列し直す必要がある。
【0079】
【0080】
(Rtx^V)Tは1X3ベクトルであり、下記の*とRtx^V・Ptxは定数である。これでマトリックスフォームにこれらの数式を下記のように置き換えることができる。
【0081】
【0082】
【0083】
簡易表記は次のようになる。
【0084】
【0085】
この数式において下付文字はマトリックスの次元を表す。ユーザの基準枠における検出器の位置を算出するために、この数式を解いてPの値を出す。このようにして、両側をATで乗算することによって、最小二乗法による換算をマトリックスに応用することができる。そして、Pの値を求めるため、LU分解等の標準正方行列解法を使う。または、直接Pの値を求めるために、特異値分解(SVD)を使うこともできる。マトリックスがうまく設定できない場合は、最小二乗値を求めるにあたって、SVDは好ましい方法であり、より多くのトランスミッタを備えることによりこの方法の実現性は大きくなる。
【0086】
(2.タイミング計測を使用したスキャン角度の算出)
前述のように、各トランスミッタ10からの2つの^ベクトルは、トランスミッタ10内の2つのレーザファンビーム14及び16に対応するスキャン角度であるθ1(t)及びθ2(t)に基づく。これより、どのようにしてレシーバシステム24(図12参照)が2つのスキャン角度を算出するかを説明する。特に、1つの検出器の位置算出にはワークスペース30内の各トランスミッタのθ1(t)及びθ2(t)が必要になる。
【0087】
図18A及び18Bを参照して後述される典型的なレシーバシステムは、計測先端部を備えた実際のツール及びフォトダイオード検出器24の回路、位置算出エンジン(PCE)、並びにユーザインターフェースを含む。ワークスペース30内でユーザがツールを動かすと、光の平面の1つもしくは光ストロボの1つが検出器24を照らすたびに、フォトダイオード検出器78及び80が電気パルスまたはストライクを受ける。好ましくは、PCE90内に備えられる図示のない高速タイマーを用いて、パルス間で異なるタイミング計測をシステムは行う。そして、これらのタイミング計測は、スキャン角度を算出するのに用いられる。
【0088】
図13は、トランスミッタヘッド10の回転1回の典型的なパルスシーケンスを示す。Tで表される基準パルス間の時間はトランスミッタヘッドの1回転の時間である。図13において、基準パルス36は光ストロボ6により発生させられることが望ましい。トランスミッタヘッド10のそれぞれの回転における、ΔtとΔt2で表される2つの異なるタイミング計測をレシーバシステムは行う。
【0089】
図14は角度の違いに対するこれらのパルス時間の違いを示す。時間で上記のプロットをすると、トランスミッタヘッドの1回転を示す2πラジアンの円として表される。2つの角度計測をαとα2とし、それぞれは、光基準パルスとレーザビーム1のパルスそしてレーザビーム2のパルスとの間の角度を示す。実際に回っているトランスミッタヘッドとこの円を混同しないようにしなければならない。検出器から見た時間におけるプロットと各角度をこの円は示す。ΔtとΔt2で表される計測された時間間隔と、数秒間でトランスミッタが1回転を終えるということを利用し、図15で示すように、この円を百分率で換算することにより、α及びα2を求めることができる。
【0090】
百分率とトランスミッタヘッドの1回転に2πラジアンが含まれていることを利用して、α及びα2を求めるために次の数式を使う。
【0091】
【0092】
時間間隔が、基準パルスからではなく、ビーム1から計測されているのは、トランスミッタの他のバージョン用のレシーバシステムソフトウェアにおいて下位互換性を提供するためであるが、所望するようにこれを変えることができる。
【0093】
上述のトランスミッタモデルにおいて説明されたθ1及びθ2の角度と、α及びα2が厳密に一致しないのには、2つの理由がある。まず、そのモデルにおいて、2つのビームは 方位角で分かれていない。むしろ、図9で示すように、それらのビームが重なり合いながら共にスキャンする。実際のトランスミッタでは、ヘッドにおいて2つのビームは方位角で分けられており、それによって、レシーバシステムはそれらのビーム間の違いを区別する。上述のこの分離角をθoffと定義し、α2をαに合わせるため、α2からθoffを差し引くこととなる。前述のように、ファクトリーキャリブレーションによってθoffは求められる。
【0094】
次に、図14に示すように、αとα2の角度は基準パルスに関して計測される。トランスミッタモデルにこの計測を関連づけるとすると、トランスミッタの正面、つまりそのX軸は、基準パルス36の発生時のヘッドの回転における地点である。そして、基準パルス36は方位角ゼロの面を定義するが、これは方位角がトランスミッタのX軸から計測されているからである。1つのトランスミッタが方位角と仰角の算出に用いられる場合は、検出器の方位角がゼロになるトランスミッタの位置を設定することが望ましいこともある。θRPで示されるファクトリーキャリブレーション定数をこの設定位置として定義する。図16で示すように、トランスミッタの所望する正面と基準パルスの発生との間の分離角がθRPとなる。θRPの記号は図で示されるように定義される。ほとんどのトランスミッタについては、1つのトランスミッタに関する方位−仰角計測の必要がいため、θRPはゼロに設定される。そして、次の2つの数式を用いて、αとα2をθ1及びθ2で示す所望のスキャン角度に変換する。
【0095】
【0096】
要約すると、検出器24を照らす各トランスミッタのθ1及びθ2の値を算出するためにこれらの数式を用いる。したがって、ワークスペースに2つのトランスミッタが設置されている場合は、各検出器につき4つのθ角度を算出することになり、よって4つの^ベクトルが計算される。3つのトランスミッタであれば、6つの^ベクトルが計算さることとなる。計算されたすべての^ベクトルを用いて、ツールの各検出器24に関して、前述のマトリックス解法をレシーバシステムは行う。
【0097】
(3.トランスミッタキャリブレーション機能)
改良されたアークセカンド3次元計測システムを使用するには、4つのトランスミッタ10のパラメータがレシーバ24にとって必要となる。
1.トランスミッタのスピード
2.第1ファンビームの角度(Φ1)
3.第2ファンビームの角度(Φ2)
4.トランスミッタが水平な時のビーム間の角度(Θoff)
図3で概略的に示すように、位相同期ループモーターコントローラを制御することにより、トランスミッタ10のスピードをユーザは調節することができる。しかし、アセンブリもしくは生産プロセスの一部として、前述の3つの角度パラメータを得ることが好ましい。これには2つのオプションがあり、1つは生産プロセスから角度を推測できるように精密にトランスミッタを作成する方法で、もう1つは、適度な精度を持つトランスミッタを作りキャリブレーションプロセスにより角度を求める方法である。後者は前者に比べ、さらに費用効率よい。
【0098】
数値を得るには、幾つかの重要な特徴を持つキャリブレーション機能を備えるトランスミッタが必要になる。
1.キャリブレーションの結果得られる数値は、力学的な、実質的に
使用中のパラメータを表す必要がある。これには、センサ40、
42、及び44がトランスミッタより幾らかの距離を置く必要
があり、その距離は通常1メートルである。
2.キャリブレーション機能は簡単に使用できるものでなければならな
い。このためには、繰り返し行われる計測を確実なものにするため
のゲージブロックの使用に加え、技術を備えそれを集中とするトラ
ンスミッタの開発が必要になる。
3.キャリブレーション機能は厳密に数値を出さなくてはならず、具
体的に言うと、1秒角より高い精度でなければならない。その必須
条件を満たすには正確に、また十分に平均値を出すような測定を行
わなければならない。これはまた、残留偏差を取り除くため(セオ
ドライトで用いられる「スコープを突き刺す」という有名なプロセ
スに類似している)、トランスミッタに関して+/−180度で測
定を行う必要がある。
4.キャリブレーション機能は基準化される必要がある。言い換えれ
ば、適応可能な全国基準に機能の基準化は起因しなければならな
い。
本出願のキャリブレーション機能のプロセスは、これらすべての実行困難な条件を満たしているといえる。
【0099】
<A.詳細な説明>
上記のすべての条件を満たすため、過去の経験に基づいて、図17A及び17Bで示されるキャリブレーション機能が開発された。最良の光学計測は光学テーブルを用いて成されることはよく知られている。安定した計測基盤を得るため、みかげ石でこれらのテーブルは作られる。ニューポート社等の光学製品を取り扱う企業は、適当な代用品である光学棒材を開発している。これらの棒材は開放型構造を設計するためにデザインされたもので、光学テーブルの計測特徴に類似する。本発明の目的について、図示のない棒材は、オープンフレームを形成するという明白な利点も持つ。光学テーブルに基づく設計では、負の仰角の測定が困難であり、テーブルが障害をもたらすこともよくある。光学棒材を用いれば、正と負の両方の仰角を簡単に計測することがでる。また、光学棒材の使用によって、1メートルよりも大きくなければいけないという条件を満たすことができる。
【0100】
図17Bに示すように、タワー50の上部にトランスミッタ10が備えられるのが好ましい。タワーの基盤はターンテーブル52であり、それによりコンピュータ制御でタワー全体が回転する。ターンテーブル上部にある層状構造54は、トランスミッタを中央に位置づける高精度のXYテーブルである。次の層は、ゲージブロック56であり、測定領域の中心にトランスミッタを位置づける役割をする。このブロック56は異なる高さのトランスミッタに対応する。最後の層は、取付装置58アダプタであり、測量に用いられる。このアダプタにより、3つの隅のそれぞれにおいてスクリュを用いて正確にトランスミッタを傾かせることができる。
【0101】
トランスミッタ10が搭載された後は、図示のない光学レベルを使い、取付具を位置合わせする。このレベルによってレーザのセンターラインが検出器アレイの中央検出器40と同位になる。この計測を容易にするため、トランスミッタの回転ヘッドとアレイの両方に印をつけておくことが望ましい。調整が必要な場合は、アレイの最下部でZ調整テーブル60を用いて、垂直のアレイを動かすこともできる。
【0102】
トランスミッタの回転するヘッドを力学的に中央に位置づけることは、図示のない2つの誘導探子が互いに90度に位置するよう備え付けられる。トランスミッタが回転している間、探子が適所に動くようにシステムが構成されている。トランスミッタが中央からずれている場合は、XYテーブル54が適切な調節をする。
【0103】
これらの調整後は、キャリブレーションのためのトランスミッタの準備が完了する。検出器アレイ39は、レーザビームがアレイを通り過ぎると、時間−ストライクの測定に用いられるアレイ39の少なくとも3つの検出器40,42、44を使用し、拡散角度を適切に測定することが好ましい。2つの検出器のみが正確な計測システムでは必要になるが、もう1つの検出器は残りの位置合わせ不良について調整をする。当業者にはよく知られているオシロスコープを使用して計測を行う。検出器は検出器アレイに正確に取り付けられ、そして検出器の正確な位置を求めるため検出器は測定される。検出器による偏差を最小限にするためには、窓をすべて撤去する。スコープのサンプルレートを最適化し、最近のオシロスコープの時間遅延機能を使えば、要求される精度は向上する。計測における精度の条件を満たすために、平均値算出が用いられる。
【0104】
<B.キャリブレーションソフトウェアアルゴリズム>
キャリブレーションソフトウェアの目的は、光センサ間ののレーザストライクのデジタル波形を分析することであり、テストにおいて、トランスミッタについての次の項目を求める。
1.トランスミッタの速度(Speed)
2.第1レーザファンビームの角度(Φ1)
3.第2レーザファンビームの角度(Φ2)
4.トランスミッタが水平時のビーム間の角度(Θoff)
すべての必要なパラメータは次の3つの工程により求めることができる。
1.垂直リニアアレイにおける3つの光センサの2つのレーザビーム
からの波形を捕える。
2.2つのレーザの相対関係において、レーザの中心点の時間的相違
を計測する。
3.上述のように、それらの時間的計測と、トランスミッタの中心か
ら中間部光センサへの距離と上部光センサから下部光センサの距
離である一定の測定距離とを用いて、所望する角度を計算する。
【0105】
15MHz以上で作動する3つのチャンネルを持つ市販のデジタイザを利用し第1の工程は行われる。レーザ1のパルス、レーザ2のパルス、そして次のレーザ1のパルスをデジタル化し、各チャンネルはトランスミッタの1回転すべてを捕える。次に挙げられる相関する測定値を求めるため、すべてのチャンネルのすべてのパルスは、時間的に一致する点を基準にしなくてはならない。
1.各レーザストライクが波形において起こる概算時間を求める。
2.各パルスのさらに正確な時間計測値を得るため、それらの概算時
間だけオシロスコープを遅らせ、40nsの解像度で各レーザパ
ルスを捕える。
3.他のパルスに対する各パルスの中心の相対時間を求める。
第2工程では、次の時間を求めることが必要になる。
・ topLaser1 = 上部センサレーザ1の時間
・ topLaser2 = 上部センサレーザ2の時間
・ topPeriod = 上部レーザ1から上部レーザ1の時間
・ midLaser1 = 中間部センサレーザ1の時間
・ midLaser2 = 中間部センサレーザ2の時間
・ midPeriod = 中間部レーザ1から中間部レーザ1の時間
・ lowLaser1 = 下部センサレーザ1の時間
・ lowLaser2 = 下部センサレーザ2の時間
・ lowPeriod = 下部レーザ1から下部レーザ1の時間
・ Period = (topPeriod + midPeriod + lowPeriod) / 3
測定された距離と上述のパラメータから第3工程を実行する。
DISTANCE = レーザ軸でのトランスミッタの中心から中間部センサまでの距
離
HEIGHT = (上部センサから下部センサまでの距離)/2
【0106】
(4.低コスト生産)
モータ65には、ブラシレス式のサイン波形ドライブモータを使用するのが望ましい。ビデオカセットデッキなどで使われるサイン波形ドライブモータは、優れた固有の内部回転安定性を持つ低コストモータであり、一定速度の回転を確実にするのに役立つものである。これにより方位角分離が最大限になり良い結果を得ることができる。精度と、ターンテーブルのワウフラッタに似た振動はシステムの誤差の元となり、「Z」方向の誤差に直接影響する。2つの精度ある方位角を用い、方位角間の距離を最大にすることで、これらの誤差を最小限に抑えることができる。また、回転ヘッドの慣性は、各回転において一定角の速度を維持するのに役立つ。
【0107】
オプティカルエンコーダディスクは回転の情報を得るのに用いられる。タコメータやシンクロ等の他の装置も制約なしに利用できる。通常、オプティカルエンコーダディスクはガラスでできており、ディスクの回転として検出される一連の1000ものラジアルクロムマークをディスク上に持つ。また、ディスクの異なる半径に1つの「インデックス」マークを一般的なディスクは持ち、1回転を終えたことを検出する。ディスクシステムは矩形波を発し、その矩形波はラジアルマークが通り過ぎるスピードにより要求される周波数をもつ。たとえば、1秒1回転でディスクが回る場合は、ディスクシステムは1000Hzの矩形波(1000ラジアルマーク/回転x1回転/秒=1000Hz)を発する。
【0108】
トランスミッタの速度はフィードバック位相同期ループ(PLL)システムで制御される。ディスクシステム矩形波は1つのインプットであり、トランスミットシステムからのクロックは別のインプットである。トランスミッタクロックは選択可能な周波数を持つ。PLLのアウトプットは、回転速度の制御に用いられ、それによりPLLは選択した周波数を維持することができる。このような回路を用いることにより、1:200000より高い、1:1000000までの速度安定性を得ることができる。これは、50Hzの回転レートについて、1シグマの速度安定性が1:200000の速度安定性の100n秒となることを意味する。
【0109】
キャリブレーション機能について詳しく前述したが、トランスミッタ10が安定することが必要である。また、受信機器がトランスミッタ10のオペレーションパラメータを正確に捕えることも重要である。トランスミッタ10のこの生産プロセスはそれらのオペレーションパラメータを特定する。たとえば、受信機器24により要求される適度な精度を持つレーザポジショニングと傾斜角度を特定する。こうすることにより、生産プロセスが比較的安価になる。要求される精度はキャリブレーションプロセスにおいて得られ、それには前述のキャリブレーション機能が用いられる。
【0110】
(5.レシーバ/検出器)
図18A、18B、19を参照し、一般的なレシーバ/検出器24を説明する。光学レシーバユニットにはいろいろな種類があり、それらは、図12で概略的に示されるタイプの位置測定システムを構成する本発明の改良された低価格光学トランスミッタ10として使用することもできる。その他のタイプの使用可能なレシーバ/検出器ユニットの他の例については、本発明の譲受者により所有される米国特許番号第5,247,487もしくは5,110,202を参照されたい。
【0111】
図12で示される空間位置測定システムにおいて、データ収集器を含むレシーバ24は、図18Aに示される杖状のポータブルレシーバ70を備えており、上述のレシーバ70はバルカン持ち歩き用レシーバである。レシーバ70はロッドもしくは杖状部72とハンドル部74を含む。ロッド部72の先にはセンサポイント76があり、測定領域ないのある位置に接触し、XYZデータを得る。
【0112】
図18Bで示すように、ロッド部72には間隔を置いた2つの球形状の光学検出器78及び80、そして電子回路部82を含む。センサポイント76の検出器78及び80との適切なアライメント及びポジショニングは次のように数式で表される。
【0113】
【0114】
この数式では、
PTIP = 先端部76の位置であり、
PDET1 = 杖状ハンドル82に最も近い検出器80の位置であり、
PDET2 = 先端部76に最も近い検出器78の位置であり、
dTIP = 検出器78から先端部76までの距離72である。
【0115】
図18Bで示すように、センサ先端部76に関して、検出器78及び80を投射線84に沿って適切にアライメントし間隔を空けることは、本発明の改良された位置測定システムの重要な特徴である。これにより、トランスミッタの基準面(図12を参照)もしくは特定のユーザ基準面に対してレシーバ24を正確に垂直に指示しなくても、測定範囲または空間内で正確な測定を、図示にないユーザは行うことができる。実際には、上述のように構成されている杖状の先端部76を用いると、特別なアライメントなしにレシーバ/検出器の杖状の先端部76とレシーバ/検出器24を指示することができる。
【0116】
図19を参照し、図18Aに示されるポータブルレシーバ70のハンドグリップ部74について説明する。レシーバハンドル部74は、トリガスイッチ88を含み、これはレシーバ70を起動させ、2つ以上のトランスミッタ10により照明された検出器78及び80に反応し、XYZデータ生成を始める。検出器78及び80から発せられる電気信号が内部プログラムコンピュータ90を起動させたり、またはコンピュータ90に電気信号が入力されたりすると、このXYZデータが生成される。トリガ88が起動すると、センサポイント76の位置にXYZデータは対応する。データプロセスの分野に関わる当業者は理解できると思われるが、この位置データは表示パネル92に表示されたり、出力データポート94を介して、図示のない別のデータプロセッサへと転送される。
【0117】
【産業分野における利用】
本開示により明白なように、様々な分野、用途、産業、及び技術に本発明を応用することができる。本発明は位置に関する情報を得るためのどんなシステムにおいても制限無く利用が可能であり、それは動きの制約なしに行う次元的測定や位置づけ及び方位づけのトラッキングを含む。これは多くの異なるプロセス及び無数の産業分野に関する応用を無制限に含む。これらの産業及び関係するプロセスをいくつか挙げると、映画製作(デジタル化されたモデル、仮想のセット、カメラのトラッキング、自動フォーカス)、建築(取引、電動工具、測量、CAD、器機制御、建築の測定及びレイアウト)、ロボット工学(ロボットキャリブレーション、ワークセルの配置、モバイルロボットナビゲーション、有害廃棄物の掘削)、法律の執行(事故現場のマッピング、犯罪現場のマッピング、事件の再現)、コンピュータ(3D入力器、ゲーム)、バーチャルリアリティー(写実性の向上、バーチャルアーケード、インターンネットでの3D体験)、製造(ファクトリーオートメーション、設備撤去、部品検査、設備維持、製造器具の整備及び検査、製造における計測)、医学(外科医のナビゲーション、スマートオペレーティングルーム、医療機器工学)、また防衛(軍事品の模型作成、シュミレーショントレーニング、航空機適合検査、船舶の改装及び修理、用地の改善)などである。
【0118】
本発明の特徴及び実用的な応用について最大限に説明するためにこの発明の実施の形態を選択した。考え得る様々な形態を用い様々な変更を加えて本発明を個々の利用に適した状態にし、最良な形で本発明を他の当業者に利用してもらうことを目的として、前述の本発明を説明してきた。本発明の範囲は請求項により定義されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 先行技術のレーザスポットビームと比較して出願人によって改良された光学トランスミッタを説明する図である。
【図2】 出願人による新型の光学トランスミッタ装置の好適な実施形態の概略上面図及び断面図である。
【図2A】 出願人による新型の光学トランスミッタ装置の好適な実施形態の概略上面図及び断面図である。
【図2B】 出願人による新型の光学トランスミッタ装置の好適な実施形態の概略上面図及び断面図である。
【図3】 出願人によって位置特定装置及び方法用に改良された光学トランスミッタの様々な新しいキャリブレーションデータ手段のブロック図である。
【図4】 出願人による光学ヘッドアセンブリ基準枠を説明する図である。
【図5】 出願人の改良によるファンビームを図形化して表したものである。
【図6】 x軸を中心に回転するファンビームを図形化して表したものである。
【図7】 さらにz軸を中心に回転するファンビームを図形化して表したものである。
【図8】 検出器に交差するファンビーム面を図形化して表したものである。
【図9】 検出器に交差する2つのファンビーム面を図形化して表したものである。
【図10】 互いに交差するファンビーム面を表すベクトルの直交座標である。
【図11】 検出器を照明する単一のファンビーム面を図形化して表したものである。
【図12】 出願人による新しい装置及び方法の特徴を具体化した3個組トランスミッタ位置測定システムを説明する図である。
【図13】 出願人によって改良された光学トランスミッタ及び方法用の代表的なパルスシーケンスの直線時間図である。
【図14】 出願人によって改良された装置及び方法による光学トランスミッタが1回転する間のパルスシーケンスの時間図である。
【図15】 出願人によって改良された装置及び方法で1回転する間に発せられるパルスを図示したものである。
【図16】 出願人によって改良されたトランスミッタにおけるトランスミッタ正面とゼロ方位角面との好ましいポジショニングを図示した改良型トランスミッタの上面図である。
【図17A】 出願人の発明の特徴に従って用いることのできるキャリブレーション機能の概略図である。
【図17B】 出願人の発明の特徴に従って用いることのできるキャリブレーション機能の概略図である。
【図18A】 出願人の発明に従って利用されるレシーバ/検出器の組み合わせの斜視図である。
【図18B】 出願人の発明に従って利用されるレシーバ/検出器の組み合わせの斜視図である。
【図19】 出願人の発明によって利用可能な位置算出システムのブロック図である。
【符号の説明】
8 フィールドセットアップデータポート
10 アークセカンド社のトランスミッタ(トランスミッタヘッド)
12 単一回転スポットビーム
14 ファンビーム1
16 ファンビーム2
24 レシーバ/検出器(測定先端部及び光ダイオード検出器)
26、28 拡散面
30 ワークスペース
39 検出器アレイ
40、42、44 検出器
70 携帯ワンド型レシーバ
72 ロッド部(ワンド形状部)
74 ハンドル部(手持ち部)
76 センサー部(ワンド先端部)
78、80 球形光検出器
82 電子回路部
88 トリガスイッチ
90 位置算出エンジン(PCE)
Claims (29)
- 測定場所内でのx−y−zデータを生成するための位置測定装置であって、
前記測定場所において相互に離れた状態にある複数の、回転可能に支持されたトランスミッタと、
前記測定場所内に検出手段が位置する際に、ビームの1つまたは光学ストロボが検出手段を照明するたびに電気信号を発する、少なくとも1人のユーザが動かすことのできる検出手段と、
を含み、
各トランスミッタは、
前記測定場所内における基準枠を介して連動するように関連づけられており、
回転し実質的に扇形をなす少なくとも2つのビームを生成するためのレーザ手段と、
各トランスミッタの回転の所定の位置で各トランスミッタ用にストロボパルスを発生させるためのストロボ手段と、
前記ファンビームの所定の角度パラメータを一意に特定するキャリブレーションデータを保存する記憶手段と、
前記ファンビームの1つが前記検出手段の1つを照明するたびに、前記ファンビームのスキャン角度を算出する算出手段と、
前記トランスミッタのスキャニングオペレーションを直接利用する非セオドライト処理を利用して測定場所内での前記検出手段の位置に対応したx−y−zデータの算出を行う手段と、を備えた位置測定装置。 - 請求項1に記載の位置測定装置において、
前記保存されたキャリブレーションデータは、前記レーザ手段と、前記トランスミッタの垂直線から測定された前記ファンビームの各々の傾斜角との間の分離角を一意に特定することを特徴とする位置測定装置。 - 請求項2に記載の位置測定装置において、
前記ストロボ手段は、前記トランスミッタの回転用のゼロ基準を定めることを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1に記載の位置測定装置において、
更に、各トランスミッタの回転速度を独自に定義するキャリブレーションデータを保存するための記憶手段を含むことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項4に記載の位置測定装置において、
前記キャリブレーションデータは、システム内の各トランスミッタごとに特有であり、前記トランスミッタごとの速度キャリブレーションデータを用い、前記測定場所内で動作するトランスミッタを前記位置測定装置によって区別することが可能になることを特徴とする位置測定装置。 - 請求項5に記載の位置測定装置において、更に、前記検出手段の1つによって発せられた電気信号の間の差動タイミングを測定する高速タイマ手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
- 請求項6に記載の位置測定装置において、更に、前記差動タイミング測定に対応して、前記トランスミッタの1つの1回転につき、前記光学ストロボパルスと前記レーザファンビームとの間の角度データを算出する手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
- 請求項7に記載の位置測定装置において、
前記複数の光学トランスミッタは、2個またはそれ以上のトランスミッタを含み、 前記角度算出手段は、前記測定場所で動作可能な各検出手段ごとに、6つまたはそれ以上の関連するベクトルを算出する手段を含むことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項9に記載の位置測定装置において、
前記マトリックスは、最小二乗約分の数学的手法を利用して択一的に解を求めることができることを特徴とする位置測定装置。 - 請求項9に記載の位置測定装置において、
前記マトリックスは、一価分解の数学的手法を利用して解を求めることができることを特徴とする位置測定装置。 - 請求項1に記載の位置測定装置において、
該装置は、更に、
前記検出手段のうちの幾つかから順次入来する電気信号を蓄積するための複数の追跡装置と、
前記入来する電気信号に、前記追跡装置のうちの個々の幾つかを個々に対応させるための同期手段と、
含むことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項12に記載の位置測定装置において、
更に、1つの送信期間に由来した3つの関連する電気信号の1組と、ある特定の送信手段とを対応させるためのパルス追跡調整手段を含むことを特徴とする位置測定装置。 - 請求項12に記載の位置測定装置において、更に、前記検出手段を照明する前記電気信号のうちの幾つかが反射であって視準線ビーム衝突ではないかどうかを決定するためのマルチパスパルス追跡手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
- 測定場所内でのx−y−z位置データの生成を容易にするための光学的送信方法であって、
前記測定場所において、少なくとも2つの回転式支持光学送信装置が、相互に間隔を空けた状態で所定の場所に位置し、前記測定場所、及び前記送信手段からの照明を検出する少なくとも1つの照明検出手段を照明し、
該方法は、
前記測定場所を全面的に照らすように、実質的に平面をなす第1及び第二の光学ビームを各送信手段から放射する工程と、
前記ビーム用の方位角基準信号を伝送する工程と、
前記測定場所内に前記検出手段の1つを選択的に位置させる工程と、
各送信手段に対して前記ビームの所定の角度パラメータを定義するためのキャリブレーションデータを、前記検出手段に対応して動作可能な記憶手段に保存する工程と、
前記ビームの1つが前記検出手段の1つを照明するたびに前記ビームのスキャン角度を算出し、前記ビームに照明される前記検出手段の1つの位置に対応したx−y−zデータ、及び前記測定場所内の前記方位角基準を、前記トランスミッタのスキャニングオペレーションを直接利用する非セオドライト処理を利用して算出する工程と、
から構成されることを特徴とする光学的送信方法。 - 請求項15に記載の光学的送信方法において、各送信手段を独自に特性化する回転速度キャリブレーションデータを、前記検出手段に対応して動作可能なデジタルメモリに保存する付加的な工程を含むことを特徴とする光学的送信方法。
- 請求項16に記載の光学的送信方法において、前記送信手段ごとの前記保存された回転速度キャリブレーションデータの関数として、測定場所内で動作する前記送信手段のうちの幾つかを区別する付加的な工程を含むことを特徴とする光学的送信方法。
- 請求項15に記載の光学的送信方法において、前記送信手段の幾つかの各回転について、前記方位角基準信号と前記ファンビームの間の角度データの差動タイミング測定値を算出する付加的な工程を含むことを特徴とする光学的送信方法。
- 請求項19に記載の光学的送信方法において、
前記マトリックス式によって表される方程式を解く工程は、最小二乗約分の数学的処理を伴うことを特徴とする光学的送信方法。 - 請求項19に記載の光学的送信方法において、
前記マトリックスによって表される方程式を解く工程は、一価分解の数学的処理を伴うことを特徴とする光学的送信方法。 - 定められた測定場所内でのx−y−zデータを生成するための位置測定システム用の光学トランスミッタにおいて、
前記測定場所の全体を照らすように、実質的に扇形をなす2つで1組のビームを所定の位置から放射するレーザ手段と、
所定の切換え可能な速度で前記ファンビームを回転させるモータ手段と、
前記ファンビームの回転の所定の間隔で方位角基準信号を伝送する基準信号手段と、
前記ファンビームの所定の角度パラメータを一意に特定するキャリブレーションデータを保存するための記憶手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。 - 請求項22に記載の光学トランスミッタにおいて、更に、前記システム内で動作可能な光学レシーバに前記キャリブレーションデータを通信する出力データポート手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
- 請求項22に記載の光学トランスミッタにおいて、更に、前記ファンビームの回転速度を切り換える前記モータ手段を選択的に制御するための回転制御手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
- 請求項24に記載の光学トランスミッタにおいて、
前記回転制御手段は、位相同期ループフィードバック手段によって制御可能な回転式変圧器を有することを特徴とする光学トランスミッタ。 - 請求項22に記載の光学トランスミッタにおいて、
前記キャリブレーション手段は、前記ファンビームと各ファンビームの垂直傾斜角の間の分離角を一意に特定するキャリブレーションデータを保存するデジタルメモリ保存手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。 - 請求項22に記載の光学トランスミッタにおいて、更に、前記ファンビーム用に特定の回転速度を定義するキャリブレーションデータを保存するデータ保存手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
- 請求項22に記載の光学トランスミッタにおいて、
前記基準信号は、前記ファンビーム回転の開始基準を定義することを特徴とする光学トランスミッタ。 - 請求項25に記載の光学トランスミッタにおいて、 前記回転制御手段は書替え可能ゲートアレイを有することを特徴とする光学トランスミッタ。
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