JPH06505807A - 相対角度の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 相対角度を測定する方法及び測定装置 〔技術分野〕 本発明は、光ビームが、測定点に取り付けられた反射手段によって測定プラット ホームに戻るように反射され、かつ測定プラットホームに設けられた受信手段に よって受信され、かつ処理される、測定プラットホームから送出された光ビーム によって測定プラットホームの基準方向とそこから離れた測定点との間の相対角 度を測定する方法、及びこの方法を実施する測定装置に関する。

〔背景技術〕

例えば既知の位置を有する基準点に対する測定プラットホームの位置を判定する ため、測定プラットホームと基準点の間の距離が計測される。それにより測定プ ラットホームの位置が判定できる。距離の測定の代わりに、基準点に対する測定 プラットホームの角度位置を計測することもできる。このことは、計測構想に基 づいて同様に測定プラットホームの位置を判定することになる。これらの角度は 、測定プラットホームから又はそれぞれ個々の基準点から測定できる。その場合 、通常角度は定義された基準方向に対して測定される。これら相対角度の測定の ため、従来はしばしば手動操作すべき光学角度測定装置が使用されていた。

これら相対角度の自動的な測定のため、測定プラットホームにおける光送信機と 基準点における反射器により作業する方法及び装置が周知である。その場合従来 は、収束された光ビームが基準点に向けら演その場合、この光ビームの方向が、 ５１点に対するめられる相対角度を直接表している。したがって既存の測定構想 により、測定プラットホームの位置が判定できる。

〔発明の開示〕

本発明の課題は、著しく自動化して行なわれかつ迅速かつ正確にこれら相対角度 を判定する、相対角度を測定する簡単な方法を提供することにある。

本発明によれば、この課題は次のようにして解決される。すなわち送出された光 ビームが、光学的に平らな帯になるように扇形に広げられ、この帯が、測定プラ ントホームの軸線の回りにおいて所定の角度範囲内に揺動され、その場合、測定 プラットホームの評価装置に複数のカウンタが設けられており、そのうち１つが 、角度範囲の始めから最後まで計数クロ７クによって動作させられ、かつ別のも のが、角度範囲の始めにおいて同じ計数クロックによって計数を開始し、かつ測 定点からその都度衣に続く反射信号を受信した際に、それぞれ順に計数を停止し 、かつ角度範囲のカウンタと別のカウンタとの間のカウンタ状態の関係から、測 定プラットホームの角度範囲の始めと測定点の間の相対角度位置が計算される。

光ビームを扇形に広げることによって、扇形幅内の測定点からの反射信号を得る ために、例えば垂直軸線の回りでこの光陽形を一度だけ巡回させればよい。従来 はそのため光ビームは、正確に反射手段の方に向けなければならなかった。はと んどの場合の用途に対して相対す忘測定点は、測定プラットホームから見て、比 較的狭い水平帯内に位置決めされている。角度の判定のためにカウンタ状態の比 を使用することによって、それにより得られる角度値は、光ビームの巡回速度に 依存しない。その結果、きわめて正確な角度測定が行なわれる。

本発明の有利な構成は、次の点で優れている。すなわち有利には互いに直角に整 列した測定プラントホーム軸線の回りで揺動可能な扇形光ビームが設けられてお り、かつそれぞれこれら光ビーム扇形に対して１つのカウンタグループが存在し 、かつカウンタ状態から、基準方向に対する測定点の相対角度位置が計算される 。回転軸線に対して異なった角度位置を有する２つの扇形を使用することによっ て、測定プラットホームの回転軸線に対して垂直になった平面における基準方向 に関する測定点の２つの角度、及び回転軸線自体に対する角度が判定できる。

これら角度表示により、測定点に対する測定プラットホームの位置が、正確に判 定できる。

本発明の別の有利な構成は、次のことを考慮している。すなわち測定点の検出の ため、測定点の場所の粗い予備判定に基づいて選択すべき所定の角度範囲だけが 考慮される。したがって１つより多くの測定点が存在する場合に生じるあいまい さを排除することができる。例えば角度範囲は、選ばれた角度範囲内だけにおい て反射された信号を受け入れることによって、すでに検出の際に制限することが でき、その場合、とくにこれら角度範囲は、個々のカウンタに対して別個に定義 でき、又は角度測定の評価の際に初めてこれら角度範囲が考慮される。選択すべ き角度範囲が、測定プラットホーム内のメモリブロックに記憶されるようにする と有利である。それによりこれらデータは、自動評価のため例えばコンピュータ によって利用できる。

この方法を実施するため、本発明によれば、少なくとも１つの光送信機、及びさ らに計数又は評価手段に結合された感光センサを有する装置が設けられている。

扇形形成レンズを有する少なくとも１つの光送信機が、軸線の回りで回転可能な ハウジング内に、回転軸線に対して光軸が垂直になるように配置されており、か つそれぞれの光送信機の前に、光送信機の光用形用の開口を有する転向ミラーが 設けられており、この転向ミラーが、場合によっては追加的に干渉フィルタを有 するレンズ光学系を介して回転軸線内に配置された感光センサへ入射した光を案 内するように配置されている装置を設けると有利である。

扇形形成レンズを有する少なくとも１つの光送信機が、軸線の回りで回転可能な ハウジング内に、回転軸線に対して光軸が垂直になるように配置されており、か つそれぞれの光送信機の前に、レンズ対が設けられており、このレンズ対の光軸 が、光送信機の光用形の扇形面内に、光送信機の光軸の両側に同じ間隔を置いて 配置されており、その場合、それぞれのレンズに対して、レンズの焦点内にライ トガイドの始端が設けられており、このライトガイドが、入射する光を回転軸線 内に配置された感光センサに案内する装置を設けるとさらに有利である。この構 成において、きわめてコンパクトな構成によりハウジング内に多数の光送信機を 配置することができる。したがってデータ流通量はかなり増加でき、このことは 、とくに測定装置を取り扱う間の測定の精度を上昇させる。

さらに本発明によれば、軸線の回りで回転可能な転向ミラー、及び光送信機と転 向ミラーの間に配置された扇形形成レンズ、及び光送信機の光ビーム用の開口を 有する別の定置の転向ミラーを有する装置が設けられている。ここでは唯一の可 動部品として、回転可能な転向ミラーが設けられている。すなわち比較的小さな 質量を動かずだけでよく、このことは、測定精度に有利な作用を及ぼす、この装 置の有利な構成は、次の点で優れている。すなわち２つの光送信機が設けられて おり、これら光送信機が、両面で反射する回転可能な転向ミラーのそれぞれ一方 の面に両方の光送信機の扇形に広げられた光を当てるように配置されており、か つ転向ミラーが、その回転軸線に対して有利には４５°の角度に傾斜して取り付 けられている。

本発明によれば、有利にはレーザー光送信機が使われる。

本発明によるこれら装置は、基準方向に関して測定点に対する測定プラットホー ムの関連の相対角度を精密に測定することを可能にし、かつそれにより例えば１ つの計測構想により測定プラットホームの正確な位置判定を可能にする。

本発明は、レールの計測にとくに有利に適している。その場合、反射手段は、そ のため設けられたレール縁の位置に取り付けられ、かつ測定プラットホームは、 計測車上に配置される。水平面に対する測定プラットホームの位置の判定は、周 知のように行なわれ、それに反して本発明にしたがって測定点に対する角度が測 定される。その後レールに対する既存の計測構想により、測定プラットホームの 、したがってレールの位置が判定できる。とくに大きな利点は、従来の手段では 実際には実現できなかった連続的な測定にある。

本発明の実施例を以下図面により詳細に説明する。

〔図面の簡単な説明〕

図１は測定プラントホームと２つの測定点を有する測定装置の平面図である。

図２は図１の側面図である。

図３は２つの光用形を有する測定装置の平面図である。

図４は図３による測定の概略評価を示す図である。

図５は本発明による角度測定装置の概略横断面図である。

図６は本発明による別の角度測定装置の概略横断面図である。

図７は本発明によるさらに別の角度測定装置の概略横断面図である。

（発明を実施するための最良の形態〕 まず光用形を使用した測定により、本発明による方法の基本方式を示す、０゜か ら１８０°迄の測定をするように角度範囲を決めた測定プラットホームを前提と し、その場合、基準方向Ｒは、直線によって角度範囲の始めをも示している。そ の角度範囲内には、図１に概略的に示すように、反射手段を有する２つの測定点 Ａ及びＢが配置されている。光ビーム扇形ｌは、測定プラットホームＭにより垂 直軸線の回りで反時計方向に揺動される。その場合、ここでは例えば光用形は、 扇形面が回転軸線に対して平行に整列されているように、扇形に広げられている 。

扇形幅は、図２の側面図によって、破線で示されている。

光用形が基準方向Ｒを通過するとき、カウンタＺ、及び別の２つのカウンタＺ。

及びＺ、が、所定の一定の計数クロックにより計数を開始する。光用形が角度α だけ揺動するとすぐに、光は測定点Ａによって反射され、したがってカウンタＺ ２が停止される。光用形ｌはさらに角度βまで揺動するとすぐに、測定点Ｂによ る反射に基づいて、カウンタＺ、も停止される。角度範囲の最後に、ここでは１ ８０゜のところで、最終的にカウンタＺ１が同様に停止される。さらに多数の測 定点を評価するため、測定プラットホームＭになお別のカウンタが存在してもよ いことは明らかである。Ｚｌ及びＺ７、又はＺ、及びＺ、のカウンタ状態と所定 の角度範囲の関係から、角度αとβは正確に判定できる。

α−１８０°＊ｚｚ／ｚ＋ 又はβ−１８０”　＊　Ｚ３　／　Ｚｌその場合、精度は光用形ｌの回転速度に は無関係である。たとえば計数クロックが１８０．０００／ｓｅｃであり、かつ 光用形の回転速度が０．５回転／ｓｅｅであるものとすると、カウンタＺ、のカ ウンタ状態は、理想的な場合１８０，０００である。この時回転速度がわずかに 変化し、例えばカウンタＺ、のカウンタ状態がまだ１６０．０００にしかならな かったとしても、カウンタＺ２及びＺ、のカウンタ状態も同じ割合で変化し、か つ計算された角度値は同しである。

通常クロック周波数は、きわめて高い精度で動作する電子構成ブロックにより発 生されるので、この測定方法の精度はきわめて高い。光用形の回転速度変動は、 それにより実質的に完全に補償される。

図１及び２によれば、１つだけの光用形により、測定プラットホームを中心とし た回転軸線に対して鉛直方向に広がった平面内にある角度だけが測定できること は明らかである。

完全な相対角度を必要とする用途に対して、本発明によれば、有利には互いに直 角になった２つの光用形を設けることができる。このような装置は、図１及び２ に示したものと同じ測定点Ａ及びＢによって、図３に概略的に示されている。

水平面に対して４５°の角度だけ傾斜した光用形！、は、ここでも前に説明した ように、測定プラットホームの軸線の回りで反時計方向に揺動する。

角度α１に達した際、測定点へから光の一部が反射されて戻り、したがって該当 の第一〇カウンタ状態が停止する。その場合、図３において、水平面と光用形ｐ １の交差線はＸ印によって中断された線によって示されている。

角度α２に達した際、それに応じて測定点Ｂから光が反射されて戻り、かつ次の カウンタＺ３が停止する。この時なお第二の光用形２．は、同じ軸線の回りで同 し方向に揺動する。このことは、同時に又は時間的にずらして行なうことができ る。この光用形は、有利には第一の光用形ρ、の方向に対して直角をなしている 。有利には第二の光用形りは、１８０°の間隔を置いて光用形１１に追従する。

その場合、光用形Ｐｔの角度位置β、及びβアにおいて、測定点Ａ及びＢからの 反射が行なわれる。これら位置は、同様に前に説明したように別の３つのカウン タＺａ　Ｌによって検出される。

これら角度位置の評価は、図４にグラフによって示されている。測定点は、グラ フによりそれぞれ反射信号を受信した際にグラフに記入される光扇形線１１及び ｈの交差点をなしている。この時１つより多くの測定点が存在する場合、有効測 定点が存在するより多くのこれらの線の交差点が生じるので、これら余分の誤り 位置を除去しなければならない。このことは、このような交差点を判定すべき角 度範囲内だけにおいて許容することによって行なうと有利である。これら角度範 囲は、これら測定点の位置の粗い予備判定に基づいて決められる。例えばレール を計測する場合、そのため測定点の場所を記入した所属の計測構想が利用される 。

角度位置に基づいて測定点を分類する代わりに（基礎：粗い構想）、このことは 、反射した光の強度にしたがって選択することによって、プラットホームに対す るその距離にしたがって行なってもよい。

総合評価は、例えばコンピュータによって行なうことができ、その場合、例えば メモリ内の測定点の位置の粗い予備判定が、評価のために利用できる。

本発明による方法によれば、とくに定常的に移動する測定プラットホームから角 度測定を連続的に行なうこともできる。このことは、ちょうどレールの前記測定 の際、例えば修理又は更新作業の場合にきわめて大きな利点である。

光源としてレーザー光送信機を使用すると有利である。それにより比較的小さな エネルギー需要により、遠く離れたところでも十分な反射出力が達成できる。

適当な光学系内に、太陽光の幻惑により生じることがある妨害信号を除去するフ ィルタを設けると有利である。

測定のために２つの光量形を使用する本発明による角度測定装置の概略断面図が 、図５に示されている。ここには２つの光送信機ｌ及び２、有利にはレーザー光 送信機が設けられており、これら光送信機は、それぞれ１つの収束された光ビー ムｌ、及びｉ８を送出する。光ビームは、転向ミラー３及び４にある開口を通っ て扇形形成レンズ５及び６に到達する。これら扇形形成レンズ５，６は、シリン ダレンズとして形成されており、かつ収束された光ビームｌｌ及びｈを、平らな 光帯ｆ１及びｆ３になるように扇形に広げる。その場合両方の扇形形成レンズは 、互いに直角に整列されているので、両方の光帯ｆ１及びｆ２は、同様に互いに 直角をなしている。

両面を反射面とした転向ミラー７を介して光帯は、９０°だけ転向され、かつ角 度測定装置のハウジング部分８から出る。ハウジング部分８は、駆動モータ９に よって回転可能である。したがって光帯ｆ、及びｒｔは、常に回転を維持できる 。

光帯の幅は、扇形形成レンズ及びハウジング寸法によって制限されるが、検出す べきすべての測定点をそれによりカバーできるような大きさに維持される。

測定点から反射された信号は、ハウジング部分８内に侵入し、かつ両方の転向ミ ラー７及び３又は４を介して集光レンズ１０又は１１へ転向され、これら集光レ ンズは、感光センサ１２又は１３上に信号を収束させる。最終的にこれらセンサ は、前に説明したようにカウンタを停止する信号を供給する。

光経路内にさらに種々のフィルタが設けれており、それにより例えば太陽の幻惑 によって引き起こされる妨害信号の誤った判断を防ぐようにする。

本発明による装置の別の有利な構成は、図６に示されている。ここでは、軸線に 回転可能に支持された円筒形ハウジング１４が、電気モータ１５によって、例え ばヘルド駆動装置を介して回転させられる。その場合、感光センサ１６は、評価 電子装置１７と共にハウジングの支持フレームにおいて、ハウジング１４の回転 軸線に固定的に配置されている。

ハウジング１４内において、回転軸線に対して垂直に光送信機１８が、有利には レーザー光送信機が配置されており、この光送信機は、光量形１９を送出する。

この光量形１９は、前記説明に相応して傾斜している。

測定点２０から反射した光２世（破線で示す）、転向ミラー２２及びレンズ装置 ２４゜２５を介してセンサ１６に収束される。その場合例えば、妨害を除去する ため、追加的に干渉フィルタ２３が設けられている。

有利にはハウジング内に複数の、例えば４つの光送信機１８が設けられており、 その場合、隣接する光送信機１８の光扇形面は、互いに直角に整列されていると を利である。ハウジングの駆動装置は、測定範囲、すなわち、光送信機１８の照 射範囲が、全範囲にわたって保証されるように配置できる。

図７に、さらに本発明による測定装置の有利な構成が示されている。構成は、実 質的に図６に示した装置におけるものと同じである。唯一受信機が、ここでは転 向ミラーの代わりに２つのレンズ２６　、２７を配置し、これらレンズをライト ガイド繊維２８．２９の始端に直接収束させるようにすることによって、変更さ れている。

最終的にライトガイド繊維は、受信された光信号をセンサ１６に案内する。ここ では例えばフィルタ３０が、センサ１６の直前に配置されている。この装置の利 点は、特に次の点にある。すなわち多数の送信機１８が配置でき、それによりデ ータ流通量が、したがって測定精度が上昇できる。その他の利点は、ここで使用 したレンズ２６及び２７の焦点距離が短い点にある。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．光ビームが、測定点に取り付けられた反射手段によって測定プラットホーム に戻るように反射され、かつ同測定プラットホームに設けられた受信手段によっ て受信され、かつ処理される、前記測定プラットホームから送出された光ビーム によって前記測定プラットホームの基準方向とそこから離れた前記測定点との間 の相対角度を測定する方法において、送出された光ビームが、光学的に平らな帯 になるように扇形に広げられ、この帯が、前記測定プラットホームの軸線の回り において所定の角度範囲内に揺動され、その場合、前記測定プラットホームの評 価装置に複数のカウンタが設けられており、そのうち１つが、角度範囲の始めか ら最後まで計数クロックによって動作させられ、かつ別のものが、角度範囲の始 めにおいて同じ計数クロックによって計数を開始し、かつ前記測定点からその都 度次に続く反射信号を受信した際に、それぞれ順に計数を停止し、かつ角度範囲 のカウンタと別のカウンタとの間のカウンタ状態の関係から、前記測定プラット ホームの角度範囲の始めと前記測定点の間の相対角度位置が計算されることを特 徴とする、相対角度を測定する方法。
2. ２．有利には互いに直角に整列され前記測定プラットホーム軸線の回りで揺動可 能な２つの扇形を形成する光ビームが設けられており、かつそれぞれこれら光ビ ーム扇形に対して１つのカウンタグループが存在し、かつそのカウンタ状態から 、基準方向に対する前記測定点の相対角度位置が計算されることを特徴とする、 請求の範囲１記載の方法。
3. ３．前記測定点の検出のため、同測定点の場所の粗い予備判定に基づいて選択す べき所定の角度範囲及び／又は距離範囲だけが考慮されることを特徴とする、請 求の範囲１又は２記載の方法。
4. ４．前記選択すべき角度範囲が、前記測定プラットホーム内のメモリブロックに 記憶されることを特徴とする、請求の範囲３記載の方法。
5. ５．少なくとも１つの光送信機、及びさらに計数又は評価手段に結合された感光 センサが設けられていることを特徴とする、請求の範囲１から４までの１つに記 載の方法を実施する測定装置。
6. ６．扇形形成レンズを有する少なくとも１つの光送信機が、軸線の回りで回転可 能なハウジング内に、回転軸線に対して光軸が垂直になるように配置されており 、かつそれぞれの光送信機の前に、その光送信機の光扇形用の開口を有する転向 ミラーが設けられており、この転向ミラーが、場合によっては追加的に干渉フィ ルタを有するレンズ光学系を介して前記回転軸線内に配置された感光センサへ入 射した光を案内するように配置されていることを特徴とする、請求の範囲５記載 の測定装置。
7. ７．扇形形成レンズを有する少なくとも１つの光送信機が、軸線の回りで回転可 能なハウジング内に、回転軸線に対して光軸が垂直になるように配置されており 、かつそれぞれの光送信機の前に、レンズ対が設けられており、このレンズ対の 光軸が、前記光送信機の光扇形の扇形面内に、同光送信機の光軸の両側に同じ間 隔を置いて配置されており、その場合、それぞれのレンズに対して、レンズの焦 点内にライトガイドの始端が設けられており、このライトガイドが、入射する光 を前記回転軸線内に配置された感光センサに案内することを特徴とする、請求の 範囲５記載の測定装置。
8. ８．軸線の回りで回転可能な転向ミラー、及び光送信機と同転向ミラーの間に配 置された前記扇形形成レンズ、及び前記光送信機の光ビーム用の開口を有する別 の定置の転向ミラーが設けられていることを特徴とする、請求の範囲５記載の測 定装置。
9. ９．２つの光送信機が設けられており、これら光送信機が、両面で反射する回転 可能な転向ミラーのそれぞれ一方の面に両方の前記光送信機の扇形に広げられた 光を当てるように配置されており、かつ前記転向ミラーが、その回転軸線に対し て有利には４５°の角度に傾斜して取り付けられていることを特徴とする、請求 の範囲８記載の測定装置。
10. １０．前記光送信機として、レーザービーム送信機が設けられていることを特徴 とする、請求の範囲５から９の１つに記載の測定装置。
11. １１．請求の範囲１から４までの１つに記載の方法を利用したレールの計測方法 。