倾斜检测方法和设备的制作方法

专利名称：倾斜检测方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测倾斜的方法及设备，特别是用于检测例如全
站仪(total station)的测地仪的倾斜的方法和设备。
背景技术：
某些倾斜检测器4吏用容器中的流体通过测量重力矢量来确定相对于真 实垂直的偏移。来自光源的光束在流体的表面上祐反射。所述^L^射的光 束入射到检测器上。入射在所述检测器上的位置随着容器倾斜而改变。
利用CCD线作为传感器，可以提供反射光束撞击到检测器上的位置 作为输出信号。如美国专利6088090中所述，利用在人字形图案内彼此正 交的两个这种检测器，可以检测沿两个正交方向的倾斜。
WO 99/57513示出了一种具有两个光源和两条CCD线并带有单个大 的平凸球透镜的双轴倾斜检测器。对于许多应用来说，该结构的直径和高 度太大。
DE 19610941A1示出了一种利用面传感器的倾斜检测器。
美国专利4159422示出了一种利用发光二极管和光电池的位移传感
器，所述光电池与从一池水银反射的辐射成比例地产生输出信号。
需要对倾斜传感器进行改进，使其提供更小的整体尺寸、低的整体高
度、低成本、与现代传感器和数据接口技术的兼容性、用于在工作范围、
精度和尺寸方面具有不同要求的各种应用中的可量测性和/或半自动化的生产。

发明内容
基于本发明的实施例，用于检测倾斜的设备和方法，其使用点光源， 光从所述点光源通过透镜朝向容纳在容器内的流体的反射表面发射。从所
i^面反射的光通过所述透镜在检测器元件的二维阵列上形成所述点光源 的散焦图像。从所述阵列获取的数据表示入射在每个检测器元件上的光的 强度。根据所述数据确定表示所述容器的倾斜的重心。
基于本发明的设备的实施例可以包括容器，其包含具有反射表面的 流体；透镜，位于所述反射表面和所述透镜的焦平面之间的光路上；点光 源，通过所述透镜朝向所述流体表面发光；检测器元件的二维阵列，其定 位为使得从所述反射表面反射的光通过所iiit:镜到达所述检测器元件上， 每个检测器元件产生与入射光的幅度相对应的值；以及处理器，其响应于 所述检测器元件产生的值计算形成在所述检测器元件上的所述图像的重 心，其中所述计算的重心依赖于所述容器的倾斜。
基于本发明的实施例的设备可以包括一个或更多个附加特征。所述光 可以在所述检测器元件上形成所述点光源的图像。所述光源和所述阵列中 的一个或两者可以基本位于所iiit:镜的所述焦平面之外，使得形成在所述 检测器元件上的所述图像是所述点光源的散焦图像。所述处理器可以以子 像素精度计算重心。计算的重心可以依赖于所i^器绕两个正交轴的倾斜。 所述透镜可以具有与所述流体接触的非平面表面.可以将一棱镜定位在所 述点光源和所述反射表面之间的光路上并用于将来自所述点光源的光朝向 所述流体表面导引。所述棱镜可以用于将来自所述反射表面的光朝向所述 二维阵列导引。
所述处理器可以响应于所述检测器元件产生的超过一阈值的值用于计 算形成在所述检测器元件上的所述图像的重心。所述设备还可以包含依赖 于环境温度而产生信号的传感器，其中在计算形成在所述检测器元件上的 所述图《象的所述重心时，所述处理器响应于所述信号来进行温度校正。所 述处理器可以响应于所述检测器元件在预定时间间隔上产生的所述值计算 在所述预定时间间隔上取平均的形成在所述检测器元件上的所述图像的重 心。所述处理器可以响应于所述预定时间间隔的用户选择。所述处理器可
以控制所述点光源的光发射。所述检测器元件可以包括CMOS光电二极 管。
基于本发明实施例的设备还可以包括底座、安装在所述底座上用于绕 支撑轴转动的照准仪、以及可转动地安装在所述照准仪上用于绕仰角轴转
动的望远镜单元。所述i殳备还可以包括用于检测所述照准仪的转动取向的 方位角传感器和用于检测所述望远镜单元的转动取向的仰角传感器。所述 处理器还可以响应于所述方位角传感器和所述仰角传感器产生转动控制信 号，并响应于所述转动控制信号进行驱动用于使所述照准仪和所述望远镜 单元取向。
所述处理器可以利用所述计算的重心确定下列至少一项(i)对所述 设备的轴的铅垂偏移进行校正，以及(ii)对准直误差进行校正。所述处理 器可以利用所述计算的重心确定下列至少一项(i)瞄准补偿，(ii)垂 直线延伸，以及(iii)水平线延伸。所述望远镜单元可以包含用于测量距 远离所述设备的目标的距离的距离测量模块.所述望远镜单元可以包含望 远镜和用于对所述望远镜进行光学聚焦的伺服聚焦模块。所述望远镜单元 可以包含用于检测所述望远镜单元相对于远处目标的取向的跟踪器，其中 所述处理器响应于所述跟踪器产生转动控制信号，以使所述照准仪和所述 望远镜单元取向，4吏得所述望远镜单元沿所述望远镜的iW保持所述远处 目标。所述设4^还可以包含用于在所述处理器和远处控制单元之间传递信 息的无线电装置。所述i殳备还可以包含至少一个输A^置和至少一个显示 器。
基于本发明的实施例确定倾斜的方法可以包括从点光源通过透镜向 包含在容器内的反射流体表面发射光；检测入射在检测器元件的阵列上的 光，所述光从所述流体表面反射并通过所^:镜在所述阵列上形成所述点 光源的散焦图像，以获取表示入射在每个检测器元件上的光的检测强度的 数据；以及根据所述数据确定重心，所述重心表示所述容器的倾斜。
基于本发明的实施例的方法可以包括一个或更多个附加特征。可以获 取表示环境温度的温度值，并且根据所述数据确定重心可以包括将所述温
度值用于确定针对环境温度被校正的重心。检测光以获取数据可以包括从 数据组中获取数据并且收集多个数据组以获得一帧数据，并且确定重心可 以包括根据一帧数据计算重心。确定重心包括对在所选择的时间间隔上获 取的数据取平均。所述方法还可以包括产生重心的显示用于表示所述容器 绕两个正交轴的倾斜。所述方法还可以包括对于环境温度校正倾斜灵敏度。


图1示意性地示出了基于本发明的实施例的倾斜检测器；
图2示出了基于本发明的实施例的入射在检测器阵列上的离焦光斑；
图3示出了来自与入射在检测器阵列上的光赠目交的一行检测器阵列
元件的检测器信号的幅度；
图4是表示对应于图2和图3的检测幅度分布的三维透视图5示出了基于本发明的倾斜检测器的第二实施例；
图6是基于本发明实施例的倾斜检测器模块的截面图7是图6的倾斜检测器模块的部分被切去的透视图8是用于基于本发明的实施例的倾斜检测器的信号处理电路800的
示意图9示出了基于本发明实施例的全站仪的局部截面正视图； 图IO是图9的全站仪的功能框图；以及
图11示出基于本发明的实施例的倾斜检测器和全站仪的操作的流程
图，
具体实施例方式
图1示意性地示出了基于本发明实施例的倾斜检测器100。图1没有 按任何特定的比例绘制，并且夸大了相对尺寸以示出操作原理。流体105 包含在容器110中，容器110具有装配有透镜120的底115。光源125位 于透镜120的焦距135处的焦平面140内。检测器阵列145位于透镜120 的焦平面140之夕卜。倾斜检测器100例如安装在测地仪器的中心线150上，
图1中未示出所述测地仪。
流体105例如是具有大约1.4的折射率ns的硅油。透镜120例如是具 有大约1.5的折射率iig的玻璃，其将来自光源125的光准直到无穷远。光 源125是点光源，例如具有大约150^1111直径的发射区域的发光二极管。
来自光源125的光线155通过透镜120和流体105，在液体105的上 表面被^Jlt，并通过流体105和透镜120到达检测器阵列145。入射在检 测器阵列145上的光线被检测并转换为检测器信号，
在静止状态下，流体105的上表面与重力矢量正交。当倾斜检测器100 水平时，流体105的上表面如160所示并且重力矢量的相对取向如G所示。 从流体105的上表面反射的光线165被聚焦为在透镜120的焦平面140上 的点。当检测器阵列145位于透镜120的焦平面之外时，入射在检测器阵 列145上的光线产生光源125的散焦图像(不是点的光斑)，其实例示于 图2。
当倾斜检测器100以角度a倾斜时，流体105的上表面相应地在容器 IIO内倾斜，如虚线170所示，并且重力矢量的相对取向用G'表示。流体
^Jt角的偏移，使得如虚线175所示的入射在检测器阵列145上的光线 产生在检测器阵列145的表面上位置偏移的光源125的散焦图像。在图1 中示意性地用180表示位置偏移。检测器阵列145上的图像的位置偏移可 以在两个正交方向中的一个或两个上产生.
在实施例中，检测器阵列145是N行和M列检测器元件的二维阵列， 例如256行和256列检测器元件。图2示出了入射在检测器阵列145上的 光斑，所迷光斑为光源125的散焦图像，因为检测器阵列145位于透镜120 的焦平面140之外。在图2的图像中，光斑的中心定位在检测器阵列的中 心，例如在256行的第128行和256列的第128列.当倾斜检测器100的 倾斜角a改变时，光斑的中心在检测器阵列上移动。
图3示出了来自与入射在检测器阵列上的光斑相交的一行检测器阵列 的检测器信号的幅度。例如，入射在位于光斑中心附近的一行(例如，256
行的第128行)检测器阵列145的各个检测器元件上的光的检测幅度(A/D 电平)具有基本上如310所示的分布。入射在位于光斑外侧的一行(例如， 256行的第1行或第256行)检测器阵列的各个检测器元件上的光的检测 幅度(A/D电平)具有基本上如320所示的分布，所述电平是由于例如在 透镜120和流体105之间的界面上反射的光的因素引起的，并由此被认为 是背景噪声。背景噪声也可以由其它因素引起。优选来自检测器阵列145 的信号通过使用阈值330进行过滤，使得表示光斑的检测器信号130的部 分被保持而背景噪声被去除。#测器阵列140获取信号并对所述信号进 行处理的实例在下面给出。
图3还示出了强度分布的最大强度Imax，强度分布的最小强度Imin 以及最大强度Imax和最小强度Imin之间的差厶I。线110对应于Imin以 上10%厶1的强度(A/D电平)，而线190对应于Imin以上卯。/。Al的强 度(A/D电平)，或Imax以下10 % AI。 Dmax表示具有超过190的强度 的那部分强度分布的直径，而Dmin表示具有超过110的强度的那部分强 度分布的直径。由于形成在检测器元件阵列上的光源的图像是散焦图像， 因此Dmax基本小于Dmin，例如Dmax<0.95*Dmin。在更散焦的图像的 情况下，可以满足Dmax<0.90*Dmin或Dmax<0.80*Dmin ， 甚至 Dmax<0.60*Dmin。特别是，线310的形状可以是高斯形。
图4示出了对应于图2和图3的检测幅度分布的三维透视图400。
图5示出了基于本发明的倾斜检测器500的实施例，其使用棱镜，以 通过将光束折射、并将光源和检测器阵列放置在容器的侧面来减小所述i殳 备的高度。图5没有画出任何比例，并且夸大了相对尺寸以示出操作原理。 所述构造具有横向小尺寸，同时保持了测量绕两个正交轴的倾斜的能力。 流体505包含在容器510中，容器510具有装配有透镜520和棱镜525的 底515。光源530位于透镜520的焦距处的焦平面535内。检测器阵列540 位于透镜520的焦平面535之外。例如，安装倾斜检测器500，使其光学 铅垂路径545基本与测地仪的中心线550对准，图5中未示出所述测地仪。
流体505例如是具有大约1.4的折射率ns的硅油。透镜520和棱镜525
例如是具有大约1.5的折射率nG的玻璃。透镜520将来自光源530的光准 直到无穷远。光源530是点光源，例如具有大约150pm直径的发射区域的 发光二极管。
来自光源530的光线555通过棱镜525，从棱镜525的表面560 M 射并通过透镜520和流体505到达流体505的上表面。从流体505的上表 面反射的光线565通过流体505、透镜520和棱镜525，在棱镜525的表面 56(MiL^射，并通过棱镜525到逸睑测器阵列540。入射在检测器阵列540 上的光线被检测并转换为检测器信号。
在静止状态下，流体505的上表面与重力矢量正交。当倾斜检测器500 水平时，流体505的上表面如575所示，并且重力矢量的相对取向如G所 示。从流体505的上表面反射的光线565被聚焦为在透镜520的焦平面535 上的点。当检测器阵列540位于透镜520的焦平面之外时，入射在检测器 阵列540上的光线产生光源530的散焦图像(不是点的光斑)，其实例示 于图2。
当倾斜检测器500以角度a倾斜时，流体505的上表面相应地在容器 510内倾斜，如虚线570所示，并且重力矢量的相对取向用G'表示。流体
^^射角的偏移，4吏得入射在检测器阵列540上的i线产生在检测器阵列 540的表面上位置偏移的光源530的散焦图像。所述位置偏移示意性的在 图5中用580表示。检测器阵列540上的图像的位置偏移可以在两个正交 方向中的一个或两个上产生。
在图5的实施例中，光源530和检测器阵列540安装在具有例如585 和590所示的各种信号处理元件的电路板582上。
图6是基于本发明实施例的倾斜检测器模块的截面图。 图7是图6的倾斜检测器模块的部分被切去的透视图。 图8是用于基于本发明的实施例的倾斜检测器的信号处理电路800的 示意图.例如发光二极管805的点光源响应于来自微控制器810的控制信 号发光。来自二极管805的光线如上所述从容器内的流体表面被反射，并
且所述,iLA射的光线在检测器阵列815上形成二极管805的发光区域的散 焦图像。微控制器810通过控制线820、数据线825和集成电路间(I2C) 总线830与检测器阵列815通信。温度传感器835和通用串行总线(USB) 接口 840也通过I2C总线830与微控制器810通信。电源850提供电力以 使微控制器810和二极管805、检测器阵列815、温度传感器835和USB 接口 840运行。USB接口 840允许将倾斜测量信号通过USB连接器855 传送到外部处理器或显示器，图8中未示出。例如通过USB连接器从图8 中未示出的外部电源向电源850供电。
检测器阵列815可以是任何合适的图像传感器，其中的许多是可从市 场获得的，例如由Agilent技林PIU^司在商业上提供的ADCS系列Agilent CMOS图像传感器。它们将灵敏的光电二极管元件阵列与计时控制和板上 樣数(A/D)转换器集成在一起。可以对窗口尺寸进行编程，以使其从全 阵列(例如，640x480像素)降低到4x4像素，或者在例如256x 256像 素之间的某个值.集成的计时控制提供行和列寻址以及可编程的啄光控制、 帧速率和数据速率。微控制器810可以是任何合适的装置，例如由Atmd 公司在商业上可提供的AVR 8-bit RISC装置。发光4管805可以是任何 合适的装置，例如由ELCOS有限责任公司在商业上可提供的点光源二极 管型号PL15-R。
倾斜检测器的倾斜通过计算入射在检测器阵列上的光斑的重心来确 定，沿检测器阵列的光电二极管元件的行方向的倾斜例如根据下面的关系 来确定
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，C/(。是沿行方向的倾斜，C/。(0是沿行方向的测平点误差，p(。是 沿行方向的灵敏度，r是行的序数，c是列的序数，j(c力是在第c行和第r列 处的像素的A/D值，以及[...l是所有像素之和。沿检测器阵列的光电二极
管元件的列方向的倾斜例如4艮据下面的关系来确定
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，t/(c)是沿列方向的倾斜，t/。(c)是沿列方向的测平点误差，p(c)是
沿列方向的灵敏度，r是行的序数，c是列的序数，伞力是在第c行和第r列 处的像素的A/D值，以及[...]是所有像素之和。
倾斜灵敏度M小；^)依赖于光学元件的焦距和像素间隔。例如将对入 射光强的灵敏度调整到150 (在8位构造中256级的情况下)的等级，以 便利用光电二极管对入射光的灵敏度的线性范围。
例如，通过仅使用来自光电二极管元件的超过合适极限的值(A/D电 平)，而使用阈值来去除噪声。
可选择地^供温度传感器835用于对倾斜检测器电路校准。流体的折 射率随着温度而改变，造成倾斜检测器的测平点t/。(。、 t/。(c)改变；由此， 希望的是提供温度校准，以便在宽的环境温度范围下使用所述倾斜检测器. 用温度校正倾斜灵敏度W)、々)同样是可能的。校正常数可以在人工气候 室内测量并存储在微控制器810内，以便当使用倾斜检测器时，微控制器 810能够从温度传感器635获得环境温度，并根据对应于环境温度的测平
点误差值C/。(。、 C/。(c)来计算倾斜值C/(0、 C/(c)。
微控制器810通过I2C总线830控制检测器阵列815的操作模式，并 且还通过I2C总线830将计算得到的倾斜值传送到USB接口 840。微控制 器810通过控制发光二极管805的电流和/或通过控制膝光时间来控制光强 水平。如果需要，发光二极管805可以持续发光，或者可以是脉冲式的以 对光输出提供更精细的控制。例如，如果^t控制器810允许15的电流分级， 那么通过对发光二极管805的电流进行脉冲调制获得光输出的中间等级， 从而获得更精细的电流控制是可能的.一种可能的方案是用8-10ms的周期 进行脉冲调制并在每个电流等级之间提供8级(从0个on脉冲和8个off 脉冲，到8个on脉冲和0个off脉冲)。
在实施例中，微控制器810通过I2C总线830发i^始命令到检测器 阵列815。在操作中，检测器阵列815通过被编程的光电二极管阵列(例 如，256 x 256)连续循环，并通过数据总线825将每个光电二极管的8位 等级值传送到微控制器810。当微控制器810获得信息帧时，其计算倾斜 值并将所述计算的倾斜值通过I2C总线830传送到USB接口 840用于通过
USB缆线855转发。
在实施例中，微控制器810由此连续地接收来自检测器阵列815的数 据，并将新一组计算的倾斜值作为每个新的数据帧传送。对于在恶劣环境 条件下的仪器中使用，例如在仪器受到振动和摇摆的工地，倾斜测量的经 常更新是希望的。
在恶劣环境条件下，希望的是，将检测器阵列编程为具有高曝光时间， 以避免信息的损失。在实施例中，通过调节施加到发光二极管805的电流 来调节啄光强度，使得曝光时间与检测器阵列815传送一帧数据(例如， 256线)所需要的时间匹配。在实施例中，膝光时间是在通过将一条线上 的光电二极管的电荷重置为起始电平来对所述条线清零、与读取多个线中 的所述条线的光电二极管的lt据的时间之间的时间。所述固定数量的线可 以为一至更大数量，例如五条或更多条线，的范围。
在实施例中，倾斜值的计算是滚动的过程，其中采用延迟一帧或延迟 一个膝光时间间隔来对数据进行处理.在实施例中，以每帧0.2秒的速率 获取数据，并且^t控制器810每秒计算五组倾斜值。在实施例中，在微控 制器810将倾斜值计算为在膝光时间(例如0.2秒)上的平均值的同时持 续地获取数据。在实施例中，在一个周期的多个帧上取平均来计算倾斜值， 在微控制器810内或者在包含基于本发明的倾斜检测器的仪器的分立控制 器(未示出)内进行计算。
在实施例中，根据计划的用途、预期的振动条件、环境温度、预期的 扰乱容器内的流体的静止状态的仪器的运动和/或其它需要考虑的事项，来 选捧例如二极管电流、膝光时间、平均间隔等参数。例如，当人工^Mt员 手工对仪器调平时，不希望在长的周期上对倾斜测量取平均，因为人工操
作员想要看到测量随着手工调平的进行的即时改变。 一旦完成了手工调平 操作，人工操作员可能希望改变为在多个帧(例如，在三秒的周期上)上
取平均的模式用于提高测量精度。因此仪器可以提供不同的操作模式供人 工操作员选择。
基于本发明的实施例可以具有一个或更多个下面的特性。首先，光束
以接近90度的角度入射在流体表面上。利用CCD线检测器的现有技术的 配置对于所有入射光的反射具有大约45度的入射角，以便提供更大的光 能。例如CMOS光电二极管阵列的面传感器需要较少的能量，因此大约 2.5 %的反射能量就足够了 。较大的入射角允许更紧凑的倾斜检测器结构，
第二，光源是点光源。可以使用点光源是因为检测器阵列包含高灵敏 度元件(例如，CMOS 二极管)和提供数据的内置格数转换器，由此能够 以子像素的精度计算被检测信号的重心。像素尺寸(光电二极管间隔)例 如是7拜。
第三，检测器阵列上的点的图像通过将检测器阵列设置在透镜的焦平 面以外来散焦。例如，来自大约150jun直径的点光源的点的检测器阵列上 的图傳^L散焦为大约250jxm的区域。为了高精度地计算所述图像的重心， 有利的是没有锐利的图像边缘。将像素幅度(光电二极管等级)的高斯分 布的边缘用于计算具有子像素精度的点图像的重心。利用在传感器封装内 的处理器(微控制器)实时计算图像的重心。
第四，与流,触的透4^面(例如，与流体105接触的透镜120的 上表面和与流体505接触的透镜520的上表面)是非平面的。当来自点光 源的光以与流体的上表面近似正交的角度入射时，由于低反射率(例如， 大约2.5% )而使信号低。平坦的上透^4面^it成在透衛流体界面处的 反射，容易增加入射在检测器阵列上的点的中心区域内的噪声.凸或凹的 上透4^面容易在更大的区域内^IML透镜-流体界面处发生的反射，而容 易在关注的区域(入射在检测器阵列上的光斑的中心)内产生更高的信噪 比。透镜的作用聚焦表面是凸的，并且与流体接触的非作用表面是凸的(如 图l那样)或凹的(如图5那样).
在实施例中，焦平面位于在透镜之后的单个焦距处。在实施例中，光 源和检测器阵列中的至少一个位于焦平面之外，以俊^^射在检测器阵列 上的光源的图像散焦，例如，具有高斯分布。在实施例中，使用整个孔径。
在实施例中，透镜并不与流体接触而是靠近流体放置，并且提供窗口 用于供来自点光源的光通过透镜和窗口 iiA流体并通过窗口和透镜射出而
到ii^r测器阵列。如果提供窗口，那么在实施例中与流体接触的窗口表面 是非平面的(例如，凸的或凹的)。
基于本发明的实施例包括包含倾斜检测器的测地仪。例如，图9示出 了基于本发明的实施例的全站仪的局部截面正视图，以及图IO是这种全站 仪的功能框图。
参考图9，全站仪卯0具有安装在可调节三角台904上用于绕支撑轴 卯6转动的照准仪902，当照准仪卯2水平时所述支撑轴是垂直的。安装具 有带有光学中心线(瞄准线)912的望远镜910的望远镜单元卯8,使其绕 与支撑轴906正交的仰角轴914转动。
可控制的水平驱动器196响应于控制信号4吏照准仪卯2绕支撑轴906 转动。随着照准仪卯2转动，通过水平角度传感器920检测相对于三角台 904固定的有刻度的环918的标记。可控制的垂直驱动器922响应于控制 信号使望远镜单元908绕仰角轴914转动。随着望远镜单元908转动，通 过垂直角度传感器926检测相对于望远镜单元908固定的有刻度的环924 的标记。具有可手工操作^L的水平控制器928和具有可手工操作a的 垂直控制器930分别为用户提供用于控制水平驱动器916和垂直驱动器 922的输入。
照准仪902可绕支撑轴卯6转动到任意合适的角度，并且望远镜单元 卯8可绕仰角轴914转动到任意合适的角度，甚至超过360度的角度，用 于将望远镜910瞄准任意定位的外部目标，提供集电环932用于将电力从 外部电源(图10中示出)传输到照准仪902和/或在照准仪902和外部控 制单元(图10中示出)之间进行数据和命令通信。提供集电环934用于将 电力从照准仪卯2传输到望远镜单元908，并且在照准仪卯2和望远镜单 元908之间进行数据和命令的通信。
照准仪902包括手柄936以便于运输。提供光学铅垂938,以便通过 将与支撑轴906同轴的光束垂直向下发射、或在选定的点通过小的望远镜 在938观察，而在测量标石或其它选定的点上对全站仪900手工定位。例 如参考图1-8所述的倾斜检测器940提供表示照准仪902沿两个相互正交
的方向的倾斜的信号，并由此能够设立全站仪使得支撑轴906铅垂并且仰 角轴水平。如果倾斜传感器940具有图5、 6、 7的形状，那么优选不将传 感器安装在照准仪侧面而是安装在中心，光学铅垂938旁边，并与支撑轴 906同轴，以使得在仪器转动期间的扰动最小。
提供具有天线944的无线电模块942,用于在全站仪900和外部无线 电控制单元(图IO所示)之间进行数据和命令的通信。提供电池946,用 于为全站仪900提供电力。全站仪900还具有可移动的控制单元和显示屏 (图10中示出)，所述控制单元具有小键盘和/或其它输入装置。
参考图10的框图1000，虚线表示设置了各个元件的物理单元。在照 准仪902内，电源1002连接到电池946用于为主处理器1004和全站仪的 其它元件供电.主处理器1004包括相关联的存储器、程序存储装置等，未 示出。未示出电源连接线以免遮盖元件的功能关系。通it^电源1002到全
用串行总线(USB)的总线传输提供电能。类似的，主处理器1004和全站 仪的其它元件之间的通信通过各个连接线和/或例如通用串行总线的共用 总线1006进行。集电环932将电连接提供到具有电源1010和/或外部控制 单元1012的外部单元1008。 "R供集电环934用于在主处理器1004和望远 镜单元卯8的元件之间进行数据通信，以及用于将电能提供到望远镜单元 908的元件。每个功能元件都在主处理器1004的控制下并能够被命令将测 量结果传送到主处理器1004。
4^供水平控制器928、垂直控制器930和聚焦控制器1014,用于命令 的手工输入以设置照准仪902的方位角取向、望远镜单元卯8的仰角和望 远镜910的光学焦点。所述命令通过接口 1016传输到主处理器1004。可 移动控制台1018提供显示屏1020和例如小键盘和/或触摸屏的输入装置 1022。控制台1018用于在人工操作员和全站仪之间的通信，以便能够进行 命令和数据的手工输入以及用户菜单和数据的显示。控制台1018包括用于
对与主处理器1004的通信进行管理以及用于支持其它例如测地计算的任 务的输"输出处理器1024。控制台1018通过连接器1026与主处理器1004 和电源1002连接。
无线电模块942通过总线1006与主处理器1004通信，通过天线944 与具有天线1028的无线电控制单元1026通信。例如，当位于测量目标处 时，全站仪可以由无线电控制单元1026进行远程控制。
望远镜单元908包括距离测量模块1030、伺服聚焦模块1032、跟踪器 模块1034和跟踪辅助模块1036。
距离测量模块1030例如通过朝向目标发光并检测反射光的相位改变、 或通过朝向目标发射光脉冲并确定反射脉沖的飞行时间，来测量从全站仪 到目标的距离。距离测量计算在距离测量模块1030的电路内和/或主处理 器1004内进行。
才艮据来自主处理器1004的信号响应于聚焦控制器1014的手工调节和/ 或响应于伺服聚焦模块1032内的自动聚焦电路，伺服聚焦模块1032提供 对望远镜光学元件的可控聚焦。
跟踪器模块1034使全站仪能够自动地使望远镜瞄准目标并随着目标 移动而跟踪目标。跟踪器模块1034通过望远镜光学元件发射窄的光束。当 所述光被从目标反射时，被传感器检测，传感器发射跟踪信号到主处理器 1004以指示方位角和仰角的需要改变。
跟踪辅助模块1034通过发光来辅助人工操作员将可移动的目标放置 在望远镜的光轴上，当被定位在望远镜的瞄准线的一侧或另一侧时，所述 光被导引为使人工操作员看到各种不同颜色。
根据从水平角度传感器920接收的信号，将照准仪902的方位角取向 通知主处理器1004。照准仪卯2的方位角取向由主处理器1004发送到水 平驱动控制器1040的信号来控制。水平驱动器916响应于水平驱动控制器 1040，使照准仪902绕支撑轴906转动。根据从垂直角度传感器926接收 的信号将望远镜单元卯8的仰角通知主处理器1004。望远镜单元908的仰 角由从主处理器1004发送到垂直驱动控制器1042的信号来控制.垂直驱 动器922响应于垂直驱动控制器1042 4吏望远镜单元908绕仰角轴914转动。
主处理器1004根据下列若干来源中的一个确定合适的方位角和仰角
控制器928和930的手动i殳置；通过输入装置1022进行的数据的手工输入； 来自无线电控制单元1028的远程命令；以及当允许跟踪功能时来自跟踪器 1036的自动信号。
图11示出了示出基于本发明实施例的倾斜检测器和例如全站仪的测 地仪的操作的流程图1100。为了便于理解，图11的流程首先在人工操作 员执行的功能和仪器执行的功能之间进行划分。在仪器内执行的功能被划 分为由仪器的主处理器，例如主处理器1004，执行的功能，和由仪器的倾 斜检测器，例如倾斜检测器940,执行的功能。在倾斜检测器内执行的功 能被进一步划分为由倾斜检测器的微控制器，例如微控制器810，执行的 功能，和由倾斜检测器的检测器阵列，例如检测器阵列815，执行的功能。
人工操作员采用起始命令1102启动仪器。主处理器在1104启动操作 并在1106发送命令以启动微控制器。微控制器在1108启动IMt，在1U0 发送命令以启动检测器阵列，并在1112发送电力以点亮点光源LED。检 测器阵列在1114启动操作并在1116开始获取数据，当获取了数据组(例 如一个光电检测器的A/D值)时，检测器阵列在1120将获取的数据组1118 传输到微控制器。检测器阵列在1124对检测器元件加1。只要检测器阵列 保持在操作状态，其就持续获取并传输数据。
在1126，将微控制器接收的数据组1118存储在存储器中。微控制器 在1128检查是否已经获取了完整的数据帧(例如，表示点光源LED的完 整散焦图像的完整数据组)。微控制器在1130可选地获取用于计算温度校 正倾斜测量的温度值。在1132可选地根据人工输入和/或从预编程或默认 的^t提供取平均的^t。主处理器在1134可选地设置合适的^和/或 可选地将取平均的参数1136传送到微控制器。^t控制器因此可选地i殳置其 取平均的M。
微控制器在1140计算倾斜测量，可选地进行温度校正并可选地在多个 数据组和/或多个数据帧上取平均。微控制器在1142将计算的倾斜测量传 输到主处理器并等待另 一帧数据。主处理器在1146可选地在设计的时间间 隔上对倾斜测量取平均。主处理器在1150将倾斜测量信号传输到显示器。
显示屏或其它合适的输出装置显示对应于人工操作员的信息的倾斜测量。 不仅将角度传感器设计为显示和存储角度数据，而且支持具有角度计
算的快速数据的伺服系统。另外，角度测量系统对下列进行补偿 铅垂轴的偏移的自动校正。
准直误差的自动校正。
枢轴倾斜的自动校正。
减少瞄准误差的取算数平均。
在由于不稳定的地面或地面粘度改变，例如道路柏油路面材料受热， 而导致一个或多个三角架腿移动时，铅垂轴可能发生偏移。对此移动的校 正确保了精确的测量。
最现代化的全站仪装配有双轴补偿器，其对由于测平误差 (mislevelment)而导致的铅垂轴的任何偏移自动进行水平和垂直角度校 正。基于本发明的实施例，水平##器传感器安装在仪器的中心以使对仪 器的振动和转动的敏感性降到最低。优选将安装设^^殳计为用于能够提供 绝对水平补偿器值的最高稳定性，以便补偿器能够在使仪器加电之后直接 以完4Ht^作用。另外，可以为#^器的常恥艮准提供自动过程.校准 过程包括在仪器的360度旋转过程中相对于仪器的平衡垂直轴建立水平参 考平面。参考平面的取向可能随着大的温度变化或其它;Wfe应力而稍微改 变。
除了针对测平误差校正水平和垂直角度之外，基于本发明的实施例还 校正由于测平误差而产生的瞄准误差。将测平误差校正施加到祠服驱动器
上以^^仪器重新瞄准。例如，当延长垂直线以确保能够获得真正的垂直线 时就能够校正瞄准。结果是针对测平误差校正水平和垂直角度，同时将仪 器精确地瞄准校正位置。所述能力确保校正测平误差以提供精确的角度测 量。
基于本发明的实施例还校正对测量的水平和垂直角度有影响的准直误 差。水平准直误差是瞄准线和垂直于水平轴的平面之间的差；垂直准直误 差是竖盘(vertical circle)零度线与铅垂轴之间的差。按照惯例，通过在
仪器两面上对角度进行观察来消除准直误差。基于本发明的实施例，准直 误差可以通过进行预先测量准直测试来预先确定。在仪器两面上观察角度 测量以便能够计算准直误差并将各个误差值存储在仪器中。然后将准直误 差值施加到随后的所有角度测量中。因此对在单面上观察的角度校正准直 误差，由此避免需要在仪器的两面上进行测量。跟踪器单元使自动锁定和 跟踪目标成为可能。由于通过仪器进行对目标的瞄准，因此水平和垂直准 直的影响类似于在手工瞄准中的影响。为了在跟踪器单元中校正准直误差， 可以进行自动锁定准直测试。自动锁定准直测试自动地在仪器的两面观察 对目标的角度测量。然后计算自动锁定准直误差，并将各个校正值存储在 仪器中。然后将自动锁定准直误差值施加到所有在允许自动锁定时观察的 角度测量中。因此对在单面上观察的角度校正准直误差，由此避免需要在 仪器的两面上进行测量。
基于本发明的实施例自动校正水平轴倾斜误差。水平轴倾斜误差是水 平轴和垂直于铅垂轴的平面之间的差。水平轴倾斜误差可以通过进行预先 测量水平轴倾斜测试来确定。在仪器的两面上观察角度测量，以便能够计 算水平倾斜轴误差，并将各个校正值存储在仪器内.然后将水平倾斜轴校 正值施加到所有随后的水平角度中。
也可以基于本发明的实施例进行测平误差的瞄准补偿。常规的全站仪 使用双轴##器以针对测平误差的影响校正水平和垂直角度。然而，角度 校正并未补偿由于测平误差而引起的瞄准误差。基于本发明的实施例，不 仅将倾斜传感器输出用于针对测平误差校正水平和垂直角度，而且校正由 于测平误差引起的瞄准误差.将测平误差校正施加到伺服驱动器以将仪器 重新瞄准到校正位置。结果是针对水平误差校正了水平和垂直角度，同时 仪器仍然精确地瞄准校正位置。
向上或向下延伸垂直线的能力。所述能力要求对仪器完全测平，并且对所 有的轴理想地调节。实际上，垂直转动仪器，水平角会稍微改变。为了获 得真实的垂直线，不得不调节水平角。基于本发明的实施例，将补偿和误
差信息用于自动调节水平角度，并在旋转垂直控制按钮时对准固定值。因 此，能够通过简单旋转垂直控制按钮延长理想的垂直线。
与用于延长垂直线的技术类似，沿与给定的水平方向精确相对的方向 设置水平直线的传统方式是，通过简单地旋转垂直控制按钮将望远镜移动
180度。对于常规的仪器，为了精确的结果，所述技术需要不存在水平准 直误差的精确调节轴。基于本发明的实施例，将准直和补偿器误差信息用 于在旋转垂直控制按钮时将水平角度自动调节到固定值。通过仅旋转垂直 控制掩組调节所述水平角度以提供精确的直线方向。
为了清ft^见，未示出和描述此处所描述的实施方式的所有常规特征。 应当理解，在这种实际实施方式的开发中，必须进行大量实施特定判断以 实现开发者的特定目标，例如与应用和商业相关限制相匹配，并且这些特 定目标会从一个实施方式到另一个以M—个开发者到另一个而改变。另 外，应当理解，开发的努力可能是复杂的并且耗时的，但是尽管如此，这 是从>^/>开的内容获得好处的本领域技术人员的常规技术任务。
尽管已经示出和描述了基于本发明的实施例和应用，但是从t&开的 内容获得好处的本领域技术人员应当清楚，在不脱离此处的发明构思的情 况下，比上面所述更多的改进是可能的。因此，除了所附权利要求书的精 神之外，本发明并不受到限制.
权利要求
1.一种设备，包括容纳有流体(105)的容器(110)，所述流体具有反射表面(160)；透镜(120)；点光源(125)，其通过所述透镜(120)朝向所述流体表面(160)发光；检测器元件的二维阵列(145)，其被定位为使得，从所述反射表面(160)反射的光通过所述透镜(120)到达所述检测器元件上，每个检测器元件产生对应于入射光的幅度的值；以及处理器(810)，所述处理器响应于所述检测器元件产生的值，计算在所述检测器元件上形成的图像的重心，其中所述计算的重心依赖于所述容器(110)的倾斜。
2. 根据权利要求l的设备，其中所述光在所述检测器元件上形成所述 点光源(125)的图像，
3. 根据权利要求1或2的设备，其中所述点光源(125)和所述阵列 (145)相对于所i^it镜(120)和所述反射表面(160)定位，使得在所述检测器元件上形成的所述图像是所述点光源(125)的散焦图像。
4. 根据权利要求1至3之一的设备，其中所述点光源(125)基本位 于所述透镜(120)的焦平面(140)内，并且所述阵列(145) ^位于所 iiit:镜(120)的所述焦平面(140)之外，使得在所述检测器元件上形成 的图像是所述点光源(125)的散焦图像.
5. 根据权利要求1至3之一的设备，其中所述阵列(145)基本位于 所i4it镜(120)的焦平面(140)内，并且所述光源(125)基本位于所述 透镜(120)的焦平面(140)之外，使得在所述检测器元件上形成的所述 图像是所述点光源(125)的散焦图像。
6. 根据权利要求1至5之一的设备，其中所述点光源(125)和所述 二维阵列(145)的至少一个基本位于所述透镜(120 )的焦平面(140 )之2 外。
7. 根据权利要求1至6之一的设备，其中所述处理器以子像素精度计 算所述重心。
8. 根据权利要求1至7之一的设备，其中所述计算的重心依赖于所述 容器(110)绕两个正交轴的倾斜。
9. 根据权利要求1至8之一的设备，其中所述透镜(520 )具有与所 述流体(505)接触的非平面表面。
10. 根据权利要求1至9之一的设备，还包括棱镜(525)，其位于所 述点光源(530)和所述反射表面(575)之间的M上、并用于将来自所 述点光源(530)的光朝向所述流体表面(575)导引。
11. 根据权利要求10的设备，其中所述棱镜(525)用于将光从所述 反射表面(575)朝向所述二维阵列(540)导引。
12. 根据权利要求1至11之一的设备，其中所述处理器(810 )响应 于所述检测器元件产生的超出阈值(330)的值，计算在所述检测器元件上 形成的所述图像的重心，
13. 根据权利要求1至12之一的设备，还包括根据环境温度产生信号 的传感器(835)，并且其中，当计算在所述检测器元件上形成的所述图像 的重心时，所述处理器(810)响应于所述信号进行温度校正。
14. 根据权利要求1至13之一的设备，其中所述处理器(810 )响应 于所逸险测器元件在预定时间间隔上产生的值，计算在所述预定时间间隔 上取平均的在所述检测器元件上形成的所述图像的重心.
15. 根据权利要求14的设备，其中所述处理器响应于由用户选择的所 述预定的时间间隔。
16. 根据权利要求1至15之一的设备，其中所述处理器(810 )控制 来自所述点光源(805)的发光。
17. 根据权利要求1至16之一的设备，其中所述检测器元件包括 CMOS光电二极管。
18. 根据权利要求1至17之一的设备，还包括底座(904);照准 仪(902)，其被安装在所述底座(卯4)上以绕支撑轴(卯6)转动；以及 望远镜单元(卯8),其被可旋转地安装在所述照准仪(卯2)上以绕仰角 轴(914)转动。
19. 根据权利要求18，还包括用于检测所述照准仪(卯2)的转动取 向的方位角传感器(920)、和用于检测所述望远镜单元(卯8)的转动取 向的仰角传感器(926)。
20. 根据权利要求19的设备，还包括处理器，其响应于所述方位角 传感器(920)和所述仰角传感器(926)产生转动控制信号；以及驱动器(916, 922)，其响应于所述转动控制信号使所述照准仪(902)和所述望 远镜单元(908 )取向。
21. 根据权利要求19和20之一的设备，其中所述处理器使用所述计 算的重心确定下列至少一个(0对所述设备的轴的铅垂偏差的校正，以及 (ii)对准直误差的校正。
22. 根据权利要求20的设备，其中所述处理器使用所述计算的重心确 定下列至少一个(i) 瞄准补偿，(ii) 垂直线延伸，以及(iii) 水平线延伸。
23. 根据权利要求18至22之一的设备，其中所述望远镜单元(908) 包括距离测量模块(1030)，其用于测量距远离所述设备的目标的距离.
24. 根据权利要求18至23之一的设备，其中所述望远镜单元(908) 包括望远镜和用于所述望远镜的光学聚焦的伺服聚焦模块(1032),
25. 根据权利要求18至24之一的设备，其中所述望远镜单元包括跟 踪器(1034)，其用于检测所述望远镜单元相对于远处目标的取向，并且 其中所述处理器(1004)响应于所述跟踪器(1034)产生转动控制信号， 以使所述照准仪(902 )和所述望远镜单元取向，使得所述望远镜单元(908) 沿所述望远镜的光路保持所述远处目标。
26. 根据权利要求1至25之一的设备，还包括无线电设备(942)， 其用于在所述处理器(1004)和所述远程控制单元之间传递信息。
27. 根据权利要求1至26之一的设备，还包括至少一个输入装置(1022 ) 和至少一个显示器(1020)。
28. —种检测倾斜的方法，包括从点光源(125)通过透镜(120)朝向容纳在容器(110)内的反射流 体表面(160 )发光；检测入射在检测器元件的阵列(145)上的光，所述M所述流体表面 (160)被^^射并通过所iiit:镜(120)在所述阵列(145)上形成所述点光 源(125)的散焦图像，以获取表示入射在每个检测器元件上的光的检测强 度的数据；以及根据所述数据确定重心，所述重心表示所述容器(110)的倾斜。
29. 根据权利要求28的方法，还包括获^示环境温度的温度值，其 中根据所述数据确定重心包括应用所述温度值确定针对环境温度被校正的 重心。
30. 根据权利要求28至29之一的方法，其中检测光以获取数据包括 获取数据组中的数据并收集多组数据组以获得一帧数据，并且其中确定重 心包括根据一帧数据计算重心，
31. 根据权利要求28至30之一的方法，其中确定重心包括对在选定 时间间隔上获取的数据取平均。
32. 根据权利要求28至31之一的方法，还包括产生对所述重心的显 示，用于表示所述容器绕两个正交轴的倾斜。
33. 根据权利要求28至32之一的方法，还包括针对环境温度校正倾 斜灵敏度。
全文摘要
用于检测倾斜的设备和方法，其使用点光源(125)，光从所述点光源通过透镜(120)朝向容纳在容器(110)内的流体(105)的反射表面(160)发射。从所述表面反射的光通过所述透镜在检测器元件的二维阵列(145)上形成所述点光源的散焦图像。从所述阵列获取的数据表示入射在每个检测器元件上的光的强度。根据所述数据确定表示所述容器的倾斜的重心。
文档编号G01C1/02GK101103249SQ200680002088
公开日2008年1月9日 申请日期2006年1月12日 优先权日2005年1月12日
发明者A·格利姆 申请人:特里伯耶拿有限公司