專利名稱：電子水準儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子水準儀，該水準儀自動地識別或辨別標記在對準的水準標尺(或塔尺)上的刻度數(shù)值，由此得到對準位置。
作為上述類型常規(guī)電子水準儀，至今已知，在日本公開的未審查專利申請No.272970/1993中有一種如下類型的電子水準儀。即，該電子水準儀包括一個用來對準一個水準標尺的望遠鏡，其中在水準標尺的豎直方向(或縱向)帶有以預(yù)定間距布置的刻度(或分度)圖案，并且其中還有單一種類尺寸的刻度數(shù)值，刻度數(shù)值對應(yīng)于刻度圖案布置；及一個二維傳感器，用來把望遠鏡對準的水準標尺的圖象轉(zhuǎn)換成圖象信號。該圖象信號與預(yù)先存儲的圖象數(shù)據(jù)相比較，由此辨別或識別刻度數(shù)值。因而自動地得到水準標尺上的對準位置。
在上述的常規(guī)電子水準儀中，如果不實現(xiàn)下述過程，就不能進行測量。即，為了在圖象信號中測定或定位刻度圖案和刻度數(shù)值的位置，必須在水準標尺的橫向(或側(cè)向)的某一地方設(shè)置一個基準位置。然后必須進行對準，從而使該基準位置正確地位于視場的中心。因此，有這樣的缺點水準標尺的對準需要很長時間，并且由于震動等之類的干擾或擾動使測量結(jié)果變得不穩(wěn)定。
此外，在上述的常規(guī)電子水準儀中，表示了僅一種尺寸的刻度數(shù)值。因此，如果望遠鏡與水準標尺之間的距離很大，則圖象信號中的刻度數(shù)值太小而不能辨別。另一方面，如果使要表示在水準標尺上的刻度數(shù)值較大，則在望遠鏡與水準標尺之間的距離很大的情況下沒有問題。但是，在望遠鏡與水準標尺之間的距離很小的情況下，刻度數(shù)值將位于視野之外，結(jié)果不能辨別刻度數(shù)值。
鑒于上述問題，本發(fā)明的一個目的在于，提供一種能夠辨別刻度數(shù)值而與望遠鏡與水準標尺之間距離無關(guān)的電子水準儀。
為了實現(xiàn)以上和其他目的，本發(fā)明的電子水準儀包括一個用來對準水準標尺的望遠鏡，該水準標尺帶有在水準標尺豎直方向上以預(yù)定間距布置的刻度圖案、和對應(yīng)于刻度圖案布置的刻度數(shù)值；一個二維的傳感器，用來把那些望遠鏡對準的水準標尺的圖象轉(zhuǎn)換成圖象信號；其中把圖象信號與預(yù)先存儲的圖象數(shù)據(jù)相互比較，以辨別刻度數(shù)值，由此自動地計算在水準標尺上的對準位置。本發(fā)明的特征在于由圖象信號確定刻度圖案；及根據(jù)刻度圖案的位置辨別圖象信號中的刻度數(shù)值。
根據(jù)本發(fā)明，當在布置刻度圖案的方向上觀察圖象信號時，注意下述問題。即，對應(yīng)于刻度圖案的信號以預(yù)定頻率展現(xiàn)，而對應(yīng)于其中指示刻度數(shù)值的區(qū)域的信號、以及對應(yīng)于其余部分的信號的頻率較低。根據(jù)這些特征，能把對應(yīng)于刻度圖案的信號同對應(yīng)于其余部分的信號辨別開，由此確定或識別他們。只要對應(yīng)于刻度圖案的信號能如此確定，根據(jù)對應(yīng)于刻度圖案的信號就能辨別對應(yīng)于刻度數(shù)值的信號。
作為用來確定對應(yīng)于刻度圖案的信號的具體方法，考慮在布置刻度圖案的方向上把圖象信號進行傅里葉變換。用傅里葉級數(shù)展開能把周期性函數(shù)表示為一組基波頻率整倍數(shù)的正弦波。頻譜由此變成不連續(xù)譜，并且譜頻率的最大值較高。另一方面，非周期性函數(shù)的頻譜將成為連續(xù)譜，并且譜頻率的最大值較低。因此，根據(jù)頻譜中頻率的最大值，能把對應(yīng)于刻度圖案的信號同對應(yīng)于其余部分的信號識別或區(qū)分開。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種電子水準儀，它包括一個用來對準水準標尺的望遠鏡，該水準標尺帶有在水準標尺豎直方向上以預(yù)定間距布置的刻度圖案、和對應(yīng)于刻度圖案布置的刻度數(shù)值；一個二維的傳感器，用來把那些望遠鏡對準的水準標尺的圖象轉(zhuǎn)換成圖象信號；其中把圖象信號與預(yù)先存儲的圖象數(shù)據(jù)相互比較，以識別刻度數(shù)值，由此自動地計算在水準標尺上的對準位置。本發(fā)明的特征在于水準標尺已經(jīng)在其上表示了尺寸彼此不同的多種刻度數(shù)值；由圖象信號中刻度圖案的間距大小計算望遠鏡與水準標尺之間的距離；及根據(jù)該距離確定識別哪一種尺寸的刻度數(shù)值。
根據(jù)本發(fā)明，以預(yù)定的恒定間距表示刻度圖案。因此，當望遠鏡與水準標尺之間的距離較大時，圖象信號中刻度圖案的間距較小。另一方面，當望遠鏡與水準標尺之間的距離較小時，圖象信號中刻度圖案的間距較大。那么，如果這樣進行布置，從而根據(jù)望遠鏡與水準標尺之間的距離識別或辨別不同尺寸刻度數(shù)值中最恰當尺寸的刻度數(shù)值，則能識別刻度數(shù)值，而與望遠鏡與水準標尺之間的距離是小還是大無關(guān)。
作為用來得到刻度圖案間距的具體方法，最好在布置刻度圖案的方向上把圖象信號進行傅里葉變換。用傅里葉級數(shù)展開能把周期性函數(shù)表示為一組基波頻率整倍數(shù)的正弦波。頻譜由此變成不連續(xù)譜，并且譜頻率的最大值較高。換句話說，當圖象信號中刻度圖案的間距較小時，譜頻率的最大值較高。另一方面，當圖象信號中刻度圖案的間距較大時，譜頻率的最大值較低。因此，由頻率的最大值能得到望遠鏡與水準標尺之間的距離。
另一方面，較小刻度數(shù)值不會超出視場的范圍，不管望遠鏡與水準標尺之間的距離是小還是大。因此，最好優(yōu)先識別較小的刻度數(shù)值。在由于圖象信號中刻度數(shù)值太小不能識別較小刻度數(shù)值的情況下，作出望遠鏡與水準標尺之間距離太大的確定。然后依次把識別目標變成較大的刻度數(shù)值。
當聯(lián)系附圖進行考慮時，通過參照如下詳細描述，將使本發(fā)明的以上和其他目的及伴隨的優(yōu)點易于理解，其中

圖1是方塊圖，表示本發(fā)明一個實施例的布置；圖2表示一種水準標尺上的一個讀數(shù)例子；圖3是曲線圖，表示通過傅里葉變換得到的最大頻率的一個例子；圖4是曲線圖，表示最大頻率在水準標尺整個側(cè)向?qū)挾鹊淖兓粓D5是示意圖，解釋內(nèi)插一個對準位置的方法；及圖6是流程圖，表示本發(fā)明另一個實施例中的處理。
參照圖1，標號1表示用來對準一個水準標尺2的望遠鏡，水準標尺2在位于望遠鏡1前方的一個測量點處豎直地布置。望遠鏡1把水準標尺2的圖象轉(zhuǎn)換成作為電信號的圖象信號，并在運算部分或運算模塊3中輸出它。本發(fā)明的一種電子水準儀由望遠鏡1和運算部分3組成。在望遠鏡1內(nèi)，以從前端所述的順序布置有如下元件，即，一個物鏡11、一個聚焦透鏡12、一個補償器13、一個聚焦板14、和一個目鏡15。即使望遠鏡1稍微前后傾斜(即，相對于水平線)，補償器13也能起補償傾斜的作用，從而能對準水準標尺2。盡管沒有表明，聚焦透鏡12在其上帶有一個十字對準線。此外，望遠鏡1在其中在補償器13與聚焦板14之間布置有一個光束分離器16。如此布置光束分離器16，從而能把水準標尺2的圖象分離進入用作一個二維傳感器的電荷偶合器件(CCD)攝象機17中，該二維傳感器相對于望遠鏡1的光軸布置在一側(cè)。CCD攝象機17把對準的水準標尺2的圖象轉(zhuǎn)換成作為電信號的圖象信號，并把它輸出到運算部分3。來自CCD攝象機17的圖象信號由一個模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器31數(shù)字化，并存儲在一個圖象存儲器32中。在運算部分3中，除上述的圖象存儲器32外，還經(jīng)一根總線把一個只讀存儲器(ROM)33和一個隨機存取存儲器(RAM)34連接到一個進行運算處理的中央處理單元(CPU)30上。此外，運算系統(tǒng)3中的運算結(jié)果和水準標尺2的圖象經(jīng)一個驅(qū)動器電路35顯示在一個液晶顯示器36上。作為二維傳感器，還可以用一個金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(MOSFET)來代替CCD攝象機。
如圖2中所示，水準標尺2在其表面上帶有一個相鄰布置的刻度圖案M1、M2的標志或標記。以預(yù)定間距以彼此相等的距離使刻度圖案M1、M2的每一個中的刻度在水準標尺的豎直方向或縱向。在本實施例中，把刻度圖案M1的刻度間距設(shè)置為刻度圖案M2的間距的一半。此外，在刻度圖案M1、M2的右側(cè)，標志或標記有3位刻度數(shù)值B。這些刻度數(shù)值B在縱向(即，高度方向)的尺寸為4毫米，并且以每10毫米為間隔表示。例如，標志300意味著它位于離開水準標尺2底端的300厘米處。在刻度圖案M1、M2的左側(cè)，表示有大于刻度數(shù)值B的刻度數(shù)值A(chǔ)?？潭葦?shù)值A(chǔ)在縱向(即，高度方向)的尺寸為4厘米，并且其中表示有刻度數(shù)值A(chǔ)F和刻度數(shù)值A(chǔ)R，刻度數(shù)值A(chǔ)F為黑色并且表示每10厘米的量級，刻度數(shù)值A(chǔ)R為黑底反襯的白色并且表示每1毫米的量級。換句話說，黑底反襯的白色刻度數(shù)值A(chǔ)R“3”表示3米的位置，而在“3”上方標記的黑色刻度數(shù)值A(chǔ)F“1”表示3米10厘米的一個位置。水準標尺2的這種圖象作為數(shù)字化的圖象信號存儲在圖象存儲器32中。CPU30根據(jù)ROM33中的計算程序，沿布置刻度圖案M1、M2的豎直方向，進行圖象信號的傅里葉變換。當把周期性函數(shù)進行傅里葉變換時，能得到一個高頻率的頻譜。另一方面，由非周期性函數(shù)，僅能得到一個低頻率的頻譜。因此，當就高周期性的刻度圖案M1部分進行傅里葉變換時，能得到一個高頻率f1的頻譜，如圖3中所示。當就刻度圖案M2進行傅里葉變換時，能得到一個頻率f2(是頻率f1的1/2)的頻譜，因為M2的間距是M1的兩倍。其中標記有刻度數(shù)值A(chǔ)、B的部分的周期性較低，并且因此僅能得到低頻組f0的頻譜。如果就水準標尺2的圖象信號從左側(cè)到右側(cè)連續(xù)地進行這種傅里葉變換，則由傅里葉變換能得到的頻譜頻率的最大值如圖4中所示。從圖4可以看出，通過在水準標尺2的整個寬度上重復(fù)傅里葉變換，就能得到刻度圖案M1、M2的位置。只要已經(jīng)如此得到刻度圖案M1、M2的位置，就根據(jù)位置，在刻度數(shù)值A(chǔ)和B之一的圖象信號與存儲在ROM33中的數(shù)值圖案數(shù)據(jù)比較，由此以字符形式辯認或識別刻度數(shù)值。當望遠鏡1與水準標尺2之間的距離較大時，對應(yīng)于刻度圖案M1、M2的圖象信號的間距比較細小，結(jié)果頻率f1、f2都較高。另一方面，當望遠鏡1與水準標尺2之間的距離較短時，頻率f1、f2較低。因此，由頻率f1、f2得到望遠鏡1與水準標尺2之間的距離。換句話說，只要知道頻率f1，就能得到刻度圖案M1的圖象信號間距，并且借助于一個視距系統(tǒng)由間距能得到至水準標尺2的距離。以類似的方式就頻率f2也能得到望遠鏡1與水準標尺2之間的距離。最后使就頻率f1、f2的距離的平均值成為望遠鏡1與水準標尺2之間的距離。如果該距離比已經(jīng)預(yù)先設(shè)置的預(yù)定距離長，則識別刻度數(shù)值A(chǔ)。如果該距離比預(yù)定距離短，則識別刻度數(shù)值B。以這種方式，能夠提高字符識別精度。
如圖5中所示，最終必須得到的對準位置是水平對準線K的位置。因此，當使用刻度圖案M1時，插入在水準標尺2上的間距P1(例如，5毫米)，而當使用刻度圖案M2時，插入在水準標尺2上的間距P2(例如，10毫米)，由此得到尺寸L。假定尺寸L是2.5毫米，那么把2.5毫米加到通過刻度數(shù)值B的自動讀出已經(jīng)識別的302厘米上，由此得到作為對準線K的對準位置的302.25厘米。
除了上述實施例外，如下實施例也是可能的。即，如圖6中所示，優(yōu)先識別較小的刻度數(shù)值B(S1)，來代替得到望遠鏡與水準標尺2之間的距離。只要已經(jīng)識別，就對參照圖5在上文解釋的插入，進行計算操作(S3)，由此得到對準位置的高度。當因為望遠鏡與水準標尺2之間的距離太大不能識別刻度數(shù)值B時，就把識別目標切換到刻度數(shù)值A(chǔ)，由此識別刻度數(shù)值A(chǔ)(S2)。此后，也進行用于插入的計算操作(S3)。
顯而易見，上述的電子水準儀滿足上述的所有目的，并且還具有廣泛工業(yè)用途的優(yōu)點。應(yīng)該理解，上文所述的具體發(fā)明形式并不意味著僅僅是代表性的，因為對于熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在這些論述范圍內(nèi)的某些修改是顯而易見的。
因而，在確定本發(fā)明的完整范圍時應(yīng)該參照如下的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種電子水準儀，包括一個用來對準水準標尺(2)的望遠鏡(1)，所述水準標尺帶有在水準標尺(2)豎直方向上以預(yù)定間距布置的刻度圖案(M1、M2)、和對應(yīng)于刻度圖案布置的刻度數(shù)值；一個二維的傳感器(17)，用來把那些望遠鏡(1)對準的水準標尺(2)的圖象轉(zhuǎn)換成圖象信號；其中把所述圖象信號與預(yù)先存儲的圖象數(shù)據(jù)相互比較，以辨別刻度數(shù)值，由此自動地計算在水準標尺(2)上的對準位置。其特征在于由圖象信號確定所述刻度圖案；及根據(jù)所述刻度圖象的位置辨別所述圖象信號中的所述刻度數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子水準儀，其中由通過在布置所述刻度圖案的方向?qū)λ鰣D象信號進行傅里葉變換得到的譜頻率，確定所述刻度圖案。
3.一種電子水準儀，它包括一個用來對準水準標尺(2)的望遠鏡(1)，所述水準標尺(2)帶有在所述水準標尺(2)豎直方向上以預(yù)定間距布置的刻度圖案(M1、M2)、和對應(yīng)于刻度圖案布置的刻度數(shù)值；一個二維的傳感器(17)，用來把那些望遠鏡(1)對準的水準標尺(2)的圖象轉(zhuǎn)換成圖象信號；其中把所述圖象信號與預(yù)先存儲的圖象數(shù)據(jù)相互比較，以識別刻度數(shù)值，由此自動地計算在水準標尺(2)上的對準位置。其特征在于水準標尺(2)已經(jīng)在其上表示了尺寸彼此不同的多種刻度數(shù)值(A、B)；由圖象信號中刻度圖案(M1、M2)的間距大小計算望遠鏡(1)與水準標尺(2)之間的距離；及根據(jù)該距離確定識別哪一種尺寸的刻度數(shù)值(A、B)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子水準儀，其中根據(jù)通過所述刻度圖案(M1、M2)的傅里葉變換得到的頻譜，計算所述距離，所述傅里葉變換是在布置所述刻度圖案的方向上進行的。
5.一種電子水準儀，它包括一個用來對準水準標尺(2)的望遠鏡(1)，所述水準標尺(2)帶有在所述水準標尺(2)豎直方向上以預(yù)定間距布置的刻度圖案(M1、M2)、和對應(yīng)于刻度圖案布置的刻度數(shù)值；一個二維的傳感器(17)，用來把那些望遠鏡(1)對準的水準標尺(2)的圖象轉(zhuǎn)換成圖象信號；其中把所述圖象信號與預(yù)先存儲的圖象數(shù)據(jù)相互比較，以識別刻度數(shù)值，由此自動地計算在水準標尺(2)上的對準位置。其特征在于水準標尺(2)已經(jīng)在其上表示了尺寸彼此不同的多種刻度數(shù)值(A、B)；優(yōu)先識別較小的刻度數(shù)值；及在識別較小刻度數(shù)值不可能的情況下，依次把識別目標變到較大的刻度數(shù)值。
全文摘要
一種電子水準儀,其中對準一個水準標尺2以把對準結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號形式的圖象信號,然后自動地把刻度數(shù)值作為字符識別,由此計算對準位置,當望遠鏡1與水準標尺2之間的距離較大時,不能用較小的刻度數(shù)值識別。如果加大刻度數(shù)值,則當距離較小時就不能進行識別。把兩種大的和小的刻度數(shù)值A(chǔ)、B表示在水準標尺2上。由圖象信號中圖案M1、M2的間距,得到望遠鏡1與水準標尺2之間的距離。然后,從刻度數(shù)值A(chǔ)、B中選出要識別的刻度數(shù)值。
文檔編號G01C15/02GK1191302SQ98104318
公開日1998年8月26日 申請日期1998年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日
發(fā)明者木下真之 申請人:株式會社索佳