(57)【要約】  トータルステーションなどの機器（６００）内で角度変位の補償された測定を行なうための方法および装置が開示されている。改良され且つ補償された角度変位の測定値は、例えば角度リゾルバ（１４５）と慣性センサ（６４５）との組み合わせを使用することにより得られる。補償された角度位置測定値は、角度リゾルバおよび慣性センサのそれぞれから得られる出力信号の少なくとも一部を組み合わせることにより生成される。
2008527356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１の構成要素（１０５，１１５）と、
ｂ）前記第１の構成要素によって支持され、第１の軸（１２０，１３０）を中心に前記第１の構成要素に対して回転する第２の構成要素（１１５，１２５）と、
ｃ）前記第２の構成要素を前記第１の軸を中心に回転させるための第１のドライブ（１４０，１６０）と、
ｄ）第１の基準（２０５，４１０）に対する前記第１の軸を中心とする前記第２の構成要素の角度位置（φ１，α１）を表わす第１の角度位置信号（７０５，１００５，１３０５，１６０５）を生成するための第１の角度センサ（１４５，１６５）と、
ｅ）第２の基準（２００，４０５）に対する前記第１の基準の角度変位（φ２，α２）および前記第２の基準（２００，４０５）に対する前記第１の軸を中心とする前記第２の構成要素の角度位置（φ３，α３）のうちの一方を表わす第２の角度位置信号（７２５，１０１５，１３２５，１６２５）を生成するための第２の角度センサ（６４５，９４５，１２４５，１５４５）と、
ｆ）前記第１の角度位置信号および前記第２の角度位置信号の少なくとも一部を組み合わせることにより前記第２の基準に対する前記第２の構成要素のための第１の補償済み角度位置測定値（４５，１０３５，１３４５，１６４５）を生成する信号プロセッサ（７４０，１０３０，１３４０，１６４０）と、
を備える機器。
【請求項２】
ａ）前記第２の構成要素（１１５）によって支持され、第２の軸（１３０）を中心に前記第２の構成要素に対して回転できる第３の構成要素（１２５）と、
ｂ）前記第３の構成要素を前記第２の軸を中心に回転させるための第２のドライブ（１６０）と、
ｃ）第３の基準（４１０）に対する前記第２の軸を中心とする前記第３の構成要素の角度位置（α１）を表わす第３の角度位置信号（１３０５，１６０５）を生成するための第３の角度センサ（１６５）と、
ｄ）第４の基準（４０５）に対する前記第３の基準の角度変位（α２）および前記第４の基準（４０５）に対する前記第２の軸を中心とする前記第４の構成要素の角度位置（α３）のうちの一方を表わす第４の角度位置信号（１３２６，１６２５）を生成するための第４の角度センサ（１２４５，１５４５）と、
を更に備え、
前記信号プロセッサは、前記第３の角度位置信号および前記第４の角度位置信号の少なくとも一部を組み合わせることにより前記第４の基準に対する前記第３の構成要素のための第２の補償済み角度位置測定値（１３４５，１６４５）を更に生成する、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
機器（１００）は、前記第１の構成要素がベース（１０５）であり且つ前記第２の構成要素がアリダード（１１５）である測地測定機器である、請求項１または２に記載の機器。
【請求項４】
機器（１００）が測地測定機器であり、前記第３の構成要素がテレスコープ（１２５）である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の機器。
【請求項５】
機器（１００）が測地測定機器であり、前記第１の構成要素がアリダード（１１５）であり、前記第２の構成要素がテレスコープ（１２５）である、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
第１の基準（２０５）が前記ベースに対して固定されている、請求項３または４に記載の機器。
【請求項７】
前記第２の基準（２００）が前記ベースの外側にある、請求項３、４、または６に記載の機器。
【請求項８】
前記第１の角度センサ（１４５，１６５）がアングルリゾルバを備えている、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の機器。
【請求項９】
前記第１の角度センサ（１４５，１６５）は、光学角度エンコーダ、磁気アングルリゾルバ、容量アングルリゾルバのうちの１つを備えている、請求項８に記載の機器。
【請求項１０】
前記第２の角度センサ（６４５，９４５，１２４５，１５４５）が慣性センサを備えている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１１】
前記第２の角度センサ（６４５，９４５，１２４５，１５４５）は、加速度計（２２５０，２３５０，２３５５）およびジャイロ（２４４５）のうちの一方を備えている、請求項１０に記載の機器。
【請求項１２】
前記第１の角度位置信号（７０５，１００５，１３０５，１６０５）は、高周波帯域よりも低周波帯域において高い精度を有している、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１３】
第２の角度位置信号（７２５，１０１５，１３２５，１６２５）は、高周波帯域よりも低周波帯域において高いノイズを有している、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１４】
前記第１の基準（２０５，４１０）は、前記第１の軸（１２０，１３０）を中心とする前記第２の構成要素（１１５，１２５）の加速度と共に前記第１の構成要素（１０５，１１５）に作用する反動トルク（Ｔ２，Ｔ４）に起因して角度変位され、それにより、対応するエラーが第１の角度位置信号にもたらされる、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１５】
前記第２の角度センサ（６４５，９４５，１２４５，１５４５）が前記第１の構成要素（１０５，１１５）上に取り付けられ、前記第２の角度位置信号（７２５，１０１５，１３２５，１６２５）が第２の基準（２００，４０５）に対する第１の基準（２０５，４１０）の角度変位（φ２，α２）を表わしている、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１６】
前記第２の角度センサ（６４５，９４５，１２４５，１５４５）が前記第２の構成要素（１１５，１２５）上に取り付けられ、前記第２の角度位置信号（７２５，１０１５，１３２５，１６２５）は、第２の基準（２００，４０５）に対する前記第１の軸（１２０，１３０）を中心とする前記第２の構成要素の角度位置（φ３，α３）を表わしている、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１７】
前記信号プロセッサは、第１の周波数フィルタ（７１０，１３１０）と、第２の周波数フィルタ（７３０，１３３０）と、コンバイナ（７４０，１３４０）とを備え、前記第１の角度位置信号（７０５，１３０５）が前記第１の周波数フィルタに通されることによりフィルタ処理済み第１角度位置信号（７０５，１３０５）が生成され、前記第２の角度位置信号（７２５，１３２５）が前記第２の周波数フィルタ（７３０，１３３０）に通されることによりフィルタ処理済み第２角度位置信号（７３５，１３３５）が生成され、前記コンバイナは、フィルタ処理済み第１角度位置信号とフィルタ処理済み第２角度位置信号とを組み合わせることにより第１の補償済み角度位置測定信号（７４５，１３４５）を生成する、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１８】
前記信号プロセッサは、周波数フィルタ（１０２０，１６３０）とコンバイナ（１０３０，１６４０）とを備え、前記第２の角度位置信号（１０１５，１６２５）が前記周波数フィルタ（１０２０，１６３０）に通されることによりフィルタ処理済み第２角度位置信号（１０２５，１６３５）が生成され、前記コンバイナは、第１の角度位置信号とフィルタ処理済み第２角度位置信号とを組み合わせることにより第１の補償済み角度位置測定信号（１０３５，１６４５）を生成する、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の機器。
【請求項１９】
前記第１の周波数フィルタがローパスフィルタであり、前記第２の周波数フィルタがハイパスフィルタである、請求項１５に記載の機器。
【請求項２０】
前記第１の周波数フィルタおよび前記第２の周波数フィルタのうちの少なくとも一方がアナログフィルタ要素（２４５０，２５３０）を備えている、請求項１５または１６に記載の機器。
【請求項２１】
前記第１の周波数フィルタおよび前記第２の周波数フィルタのうちの少なくとも一方がデジタルフィルタ要素（２４１０，２４６５）を備えている、請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の機器。
【請求項２２】
前記デジタルフィルタ要素は、汎用デジタルプロセッサ（６５０，９５０，１２５０，１５５０，２８０４）においてプログラム命令として実施される、請求項１８に記載の機器。
【請求項２３】
前記第１の周波数フィルタの伝達関数および前記第２の周波数フィルタの伝達関数は、組み合わせられると、周波数全体にわたって一定である（８１０，１４１０）請求項１５乃至１９のいずれか一項に記載の機器。
【請求項２４】
前記第１の周波数フィルタおよび前記第２の周波数フィルタが適応フィルタである、請求項２０に記載の機器。
【請求項２５】
第１の構成要素（１０５，１１５）と、
前記第１の構成要素によって支持され、第１の軸（１２０，１３０）を中心に前記第１の構成要素に対して回転できる第２の構成要素（１１５，１２５）と、
制御信号（ＤＡ，ＤＥ）に応じて前記第２の構成要素を前記第１の軸を中心に回転させるための第１のドライブ（１４０，１６０）と、
を有する機器を制御する方法であって、
ｉ）第１の基準（２０５，４１０）に対する前記第１の軸を中心とする前記第２の構成要素の角度位置（φ１，α１）を表わす第１の角度位置信号（７０５，１００５，１３０５，１６０５）を第１の角度センサ（１４５，１６５）から得るステップと、
ｉｉ）第２の基準に対する前記第１の基準の角度変位（φ２，α２）および前記第２の基準（２００，４０５）に対する前記第１の軸を中心とする前記第２の構成要素の角度位置（φ３，α３）のうちの一方を表わす第２の角度位置信号（７２５，１０１５，１３２５，１６２５）を第２の角度センサ（６４５，９４５，１２４５，１５４５）から得るステップと、
ｉｉｉ）前記第１の角度位置信号および前記第２の角度位置信号の少なくとも一部を組み合わせることにより第１の補償済み角度位置測定値（４５，１０３５，１３４５，１６４５）を生成するステップと、
ｉｖ）前記第１の補償済み角度位置測定値から得られた制御信号を前記第１のドラブに印加するステップと、
を含む方法。
【請求項２６】
前記機器は、
前記第２の構成要素（１１５）によって支持され、第２の軸（１３０）を中心に前記第２の構成要素に対して回転できる第３の構成要素（１２５）と、
前記第３の構成要素を前記第２の軸を中心に回転させるための第２のドライブ（１６０）と、
を更に備え、
ｉ）第３の基準（４１０）に対する前記第２の軸を中心とする前記第３の構成要素の角度位置（α１）を表わす第３の角度位置信号（１３０５，１６０５）を第３の角度センサ（１６５）から得るステップと、
ｉｉ）第４の基準（４０５）に対する前記第３の基準の角度変位（α２）および前記第４の基準（４０５）に対する前記第２の軸を中心とする前記第４の構成要素の角度位置（α３）のうちの一方を表わす第４の角度位置信号（１３２６，１６２５）を第４の角度センサ（１２４５，１５４５）から得るステップと、
ｉｉｉ）前記第３の角度位置信号および前記第４の角度位置信号の少なくとも一部を組み合わせることにより第２の補償済み角度位置測定値（１３４５，１６４５）を生成するステップと、
ｉｖ）第２の補償済み角度位置測定値から得られる制御信号を前記第２のドライブに印加するステップと、
を更に含む、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で与えられる本発明の思想は、角度変位を検出するための方法および装置に関し、特に、例えばトータルステーションなどの測地機器の１つ以上の構成要素の角度変位を検出するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トータルステーションは、特にトータルステーションと測定点との間の距離および角度を決定するために自然環境および構造の電子測量で使用される機器である。
【０００３】
トータルステーションのテレスコープ（望遠鏡）を測定の目標点へ向けるため、テレスコープのアジマス方向および仰角方向を制御するドライブ制御装置が設けられる。トータルステーションは、一般に、三脚などのベース構造上に回転可能に取り付けられて垂直軸を中心に回転できるアリダード（照準儀）を含んでいる。また、トータルステーションは、水平軸を中心とするテレスコープの仰角回転のための支持構造を備えている。
【０００４】
トータルステーションにおけるテレスコープの現在のアジマス方向および仰角方向を監視するため、アジマス方向および仰角方向で角度測定信号を取得するための手段が設けられる。
【０００５】
アジマス角度測定信号は、基準信号によって表わされる任意の所望のアジマス方向へアリダードを回転させるべくドライブを制御するために使用される。
【０００６】
図１は、三脚１１０上に取り付けられたベース１０５と、ベース上に取り付けられてアジマス軸１２０を中心に回転できるアリダード１１５と、アリダード上に取り付けられて仰角軸１３０を中心に回転できるテレスコープ１２５とを有するトータルステーション１００の簡略化された正面図を示している。テレスコープ１２５は照準軸１３５を有している。制御可能なドライブ１４０は、アジマス制御信号に応じてアリダード１１５を、軸１２０を中心に回転させる。角度エンコーダまたは磁気或いは容量アングルリゾルバなどの角度センサ１４５は、ベースに対するアリダードの角度位置を表わすアジマス測定信号を生成する。プロセッサ１５０を含む信号処理回路は、アジマス制御信号を生成するためにアリダード１１５の所望のアジマス方向を表わすアジマス基準およびアジマス測定信号に応答する。アジマス基準は、例えば、キーパッドまたはノブを使用するオペレータからの入力によって、あるいは、トータルステーション１００内のトラッキングサブシステム１５５によって与えられる。
【０００７】
制御可能なドライブ１６０は、仰角制御信号に応じてテレスコープ１２５を仰角軸１３０を中心に回転させる。角度エンコーダまたは磁気或いは容量アングルリゾルバなどの角度センサ１６５は、アリダードに対するテレスコープ１２５の仰角位置を表わす仰角測定信号を生成する。プロセッサ１５０を含む信号処理回路は、仰角制御信号を生成するためにテレスコープ１２５の所望の仰角方向を表わす仰角基準および仰角測定信号に応答する。仰角基準は、例えば、キーパッドまたはノブを使用するオペレータからの入力によって、あるいは、トータルステーション１００内のトラッキングサブシステム１５５によって与えられる。
【０００８】
作業時には、磁北などの機器の外部のアジマス基準２００に対して所望の角度方向で且つアジマス回転軸１２０を伴ってベース１０５が三脚１１０上に取り付けられる。ドライブ１４０がアリダード１１５を回転させると、アジマス測定信号は、ベース１０５に対するアリダード１１５の瞬間角度方向を示す。アリダード１１５の低角加速では、外部アジマス基準２００に対するアリダード１１５の実際の方向を表わすためにアジマス測定信号も考慮することができる。一方、アリダード１１５の高角加速は、三脚１１０のねじれ反動およびベース１０５の対応する角回転を引き起こす。アリダード１１５のトルクＴ１とベース１０５および三脚１１０に課される反対のトルクＴ２が図１に示されている。角度センサ１４５がベース１０５に対するアリダード１１５の角度位置を検出すると、アジマス測定信号は、アリダード１１５が高い角加速度にさらされるときの外部基準２００に対するアリダード１１５の角度方向を正確に表わさない。同様のねじれ反動は、仰角軸１３０を中心とする高角加速中に仰角測定値をゆがめてしまう。
【０００９】
そのため、高い角加速度にさらされる構成要素の角回転を測定する際にそのようなねじれ反動を捕らえる機器および方法、特にそのような改良を組み込む測地機器（例えばトータルステーション）が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高角加速中における角回転の測定時にねじれ反動を捕らえる機器および機器を制御するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の背後にある原理を完全に理解するため、この文脈においては高角加速度の更に詳しい解析およびその効果が導入部により与えられる。
【００１２】
図２ａはトータルステーション１００の概略平面図を示している。図には、三脚１１０に取り付けられたベース１０５と、ベース１０５上に取り付けられたアリダード１１５とが示されている。アリダード１１５は、垂直軸を中心に回転できるように取り付けられている。アリダード１１５を回転させることにより、テレスコープ１２５の照準軸１３５が任意の所望のアジマス角度に設定されても良い。図２ａ中、テレスコープは、外部基準２００と平行な照準軸１３５と共に回転される。
【００１３】
図２ｂは、アリダード１１５が反時計周り方向で加速されるときに導入されるエラーを概略的に表わしているトータルステーション１００の概略平面図を示している（図面参照）。角度センサ１４５は、アリダード１１５（例えば、照準軸１３５によって表わされる）とベース１０５上の基準２０５との間の角度φ１を表わす角度測定信号φ３ｍｅａｓを生成する。アリダード１１５の反時計周りの加速度に対するねじれ反動により、ベース１０５は、外部基準２００とベース上の基準２０５との間のエラー角度φ２によって表わされる幾らかの量だけ時計周り方向に回転する。これが起こると、角度センサ１４５によって測定される角度φ１は、エラー角度φ２と、アリダード１１５と外部基準２００との間の所望の角度測定値φ３との和になる。
【００１４】
図３ａは、低角加速度（φ２がほぼ０に近い）でのアリダード１１５のアジマス回転のための理想的な制御ループ３００を概略的に示している。角度センサ１４５は、アリダード１１５と基準２０５との間の瞬間角度φ３を検出する。結果として得られるアジマス測定信号φ３ｍｅａｓは、３１５で概略的に示されるように、信号源３１０からのアジマス基準信号ＲＡと組み合わせられる。結果として得られる差分信号ＤＡは、ドライブ１４０を制御するレギュレータ３２０に対して供給される。ドライブ１４０は、３３０で示されるように、差分信号ＤＡがゼロになるまでアリダード１１５を回転させる。
【００１５】
図３ｂは、アリダード１１５の加速中に導入されるエラー（φ２＞０）を考慮に入れる更に現実的な制御ループ３５０を概略的に示している。アリダード１１５を加速させるためにドライブ１４０がトルクＴ１を加える。アリダード１１５が加速されると、等しい反対の反動トルクＴ２がベース１０５に作用し、それにより、ベース１０５は、３６５で示されるように角度φ２だけ反対方向に回転する。角度センサ１４５は、３７０で表わされるように角度φ２および角度φ３の和である全角度φ１を測定するとともに、アジマス（方位角）測定信号φ３ｍｅａｓを供給する。したがって、アジマス測定信号φ３ｍｅａｓは角度φ２の大きさのエラーを含んでおり、一方、測定されるべき角度は、エラー角度φ２の影響を伴わないφ３である。
【００１６】
図４ａは、仰角軸１３０を中心とするテレスコープの方向を示すためにアリダード１１５が部分的に切り取られたトータルステーション１００の概略側面図を示している。作業時には、ベース１０５およびアリダード１１５が、垂直（鉛直）基準などの機器の外部の仰角基準４００に対して所望の角度方向で三脚１１０上に取り付けられる。また、図４ａには、垂直基準４００と直交する水平基準４０５が示されている。ドライブ１６０がテレスコープ１２５を回転させると、角度センサ１６５からの仰角測定信号は、アリダード１１５に対するテレスコープ１２５の瞬間角度方向を示す。テレスコープ１２５の低角加速では、外部仰角基準４００に対する、したがって水平基準４０５に対するテレスコープ１２５の実際の方向を表わすために仰角測定信号も考慮することができる。それにひきかえ、テレスコープ１２５の高角加速は、三脚１１０のねじれ反動およびベース１０５の対応する角回転を引き起こす。テレスコープ１２５のトルクＴ３およびアリダード１１５、ベース１０５および三脚１１０に課される反対のトルクＴ４が図４ａに示されている。角度センサ１６５がアリダード１１５に対するテレスコープ１２５の角度位置を検出すると、仰角測定信号は、テレスコープ１２５が高い角加速度に晒されるときの外部基準４００に対するテレスコープ１２５の角度方向を正確に表わさない。
【００１７】
図４ｂは、テレスコープ１２５が反時計周り方向に加速されるときに導入されるエラーを概略的に表わしているトータルステーション１００の部分断面図を示している（図面参照）。角度センサ１６５は、テレスコープ１２５（例えば照準軸１３５によって表わされる）とアリダード１１５上の基準４１０との間の角度α１を表わしている角度測定信号を生成する。テレスコープ１２５の加速度に対するねじれ反動により、ベース１０５は、外部基準４０５とアリダード基準４１０との間のエラー角度α２によって表わされる幾らかの量だけ時計周り方向に回転する。これが起こると、角度α１は、エラー角度α２と、テレスコープ１２５と外部基準４００との間の所望の角度測定値α３との和になる。
【００１８】
図５ａは、低角加速度（α２がほぼ０に近い）でのテレスコープ１２５の仰角回転のための理想的な制御ループ５００を概略的に示している。角度センサ１６５は、テレスコープ１２５と基準４０５との間の瞬間角度α３を検出する。結果として得られる仰角測定信号α３ｍｅａｓは、５１５で概略的に示されるように、信号源５１０からのアジマス基準信号ＲＥと組み合わせられる。結果として得られる差分信号ＤＥは、ドライブ１６０を制御するレギュレータ５２０に対して供給される。ドライブ１６０は、５３０で示されるように、差分信号ＤＥがゼロになるまでテレスコープ１１５を回転させる。
【００１９】
図５ｂは、テレスコープ１２５の加速中に導入されるエラー（α２＞０）を考慮に入れる更に現実的な制御ループ５５０を概略的に示している。テレスコープ１２５を加速させるためにドライブ１６０がトルクＴ３を加える。テレスコープ１２５が加速されると、等しい反対の反動トルクＴ４がアリダード１１５に作用し、それにより、アリダード１１５は、５６５で示されるように角度α２だけ反対方向に回転する。角度センサ１６５は、５７０で表わされるように角度α２および角度α３の和である全角度α１を測定するとともに、仰角測定信号α３ｍｅａｓを供給する。したがって、仰角測定信号α３ｍｅａｓは角度α２の大きさのエラーを含んでおり、一方、測定されるべき角度は、エラー角度α２の影響を伴わないα１である。
【００２０】
特に高角加速中におけるねじれ反動に関連する前述した問題は、添付の請求項に記載された機器および方法によって軽減される。
【００２１】
したがって、本発明は、特定の軸を中心とする回転を測定するために例えばトータルステーションなどの機器内に第１および第２の角度センサの両方を有し、第１の角度センサがアングルリゾルバであり、第２の角度センサが慣性センサであるという思想に基づいている。２つの角度センサからの測定信号を組み合わせることにより、ねじれ反動に相当する補償された角度測定信号が得られる。したがって、外部基準に対する角度位置の迅速で且つ正確な測定を得ることができるとともに、改善された制御ループを実施できる。
【００２２】
一般に、本発明によれば、アングルリゾルバは、トータルステーションのベースに対するアリダードの角度位置、または、アリダードに対するテレスコープの角度位置を測定するという目的を有している。したがって、アングルリゾルバは、機器内における相対的な角度位置の正確な測定値を与える。また、慣性センサは、一般に、機器の構成要素と対応する外部基準との間の相対的な角度位置を測定するという目的を有している。
【００２３】
アングルリゾルバだけを使用する場合には、特に高い角加速度でのねじれ反動に起因するトータルステーションの他の構成要素の任意の角度変位を考慮に入れない。一方、角度位置を決定するために慣性センサのみを使用すると、精度が低下し、長期にわたって不安定となる。
【００２４】
本発明は、アングルリゾルバの利点と慣性センサの利点とが組み合わされることにより、特に機器内の構成要素の高角加速中に角度位置に関する精度および制御性が大きく改善される改良された機器を提供する。
【００２５】
本発明の特に好ましい実施形態は、外部基準に対するテレスコープの真のアジマス角位置および仰角位置を決定するために組み合わされた角度リゾルバおよび慣性センサが利用されるトータルステーションなどの測地機器である。アジマス角位置は、磁北などの外部アジマス基準に対して高い精度をもって決定される。仰角位置は、垂直軸などの外部仰角基準に対して高い精度をもって決定される。従来技術において測定値を悪化させたねじれ反動に起因する三脚、機器装着装置などの理想的に静止部分の任意のスキューは、補償済み角度測定信号を与えることにより本発明に係るトータルステーションにおいて考慮に入れられる。補償済み角度測定信号は、所望の視野方向を示す基準信号にしたがってテレスコープの仰角位置およびアジマス角位置を制御するために対応するドライブに対して供給される。
【００２６】
ここで説明される本発明の方法および機器を実施することにより、改善された制御ループおよび高角加速度の使用が容易になる。実際に、新たな視野方向への再配置（例えば、トータルステーションにおいて）は、従来のテクノロジーで可能であったことよりもかなり高速で且つ安定した態様で達成できる。そのため、精度が向上する以外に、ここに開示された本発明思想の実施は制御ループの安定化を促進し、それにより、高速制御が得られる。
【００２７】
本発明の更なる態様、特徴、利点は、以下の詳細な説明を読んで理解すれば十分に分かる。
【００２８】
前述した導入部および以下に与えられる詳細な説明では添付図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図６は、本発明に係るトータルステーション６００の一実施形態の簡略化された正面図を示している。図６のトータルステーションは、第２の角度センサ６４５と、アリダード１１５の加速中に制御エラーの減少をもたらす例えばプロセッサ６５０を含む改良された処理回路とを有しているという点で、図１のトータルステーションとは異なっている。
【００３０】
本発明の実施形態において、第２の角度センサ６４５は、１つのジャイロ、１つの加速度計、または、一群の加速度計を制限無く含んでも良い慣性センサである。慣性センサは、アリダードなどの構成要素の回転の真の角度を測定し、したがってベースなどの第２の構成要素のねじれ反動からの高周波エラーに影響され難いという望ましい特性を有している。この点において、慣性センサは、一般にトータルステーションなどの測地機器で使用される角度エンコーダ、磁気アングルリゾルバ、容量アングルリゾルバに優る利点を享受する。しかしながら、慣性センサは、低周波領域において顕著な例えばセンサおよびセンサエレクトロニクスにおける熱的および電子的な固有ノイズからの低周波ノイズに影響され易いという望ましくない特性を有している。それにひきかえ、一般にトータルステーションなどの測地機器で使用される角度エンコーダ、磁気アングルリゾルバ、容量アングルリゾルバは、そのような低周波ノイズに影響され難いという望ましい特性を有している。
【００３１】
図７は、アリダード１１５が角加速されるときにベース１０５の逆回転を補償する図６の実施形態のアリダード制御ループを概略的に示している。アリダード１１５を加速させるためにドライブ１４０がトルクＴ１を加える。アリダード１１５が加速されると、等しい反対の反動トルクＴ２がベース１０５に作用し、それにより、ベース１０５は、３６５で示されるように角度φ２だけ反対方向に回転する。角度センサ１４５は、３７０で表わされるように角度φ２および角度φ３の和である全角度φ１を測定するとともに、第１のアジマス（方位角）測定信号７０５を供給する。角度センサ１４５は、例えば、角度エンコーダ、磁気アングルリゾルバまたは容量アングルリゾルバである。第１のアジマス測定信号７０５はローパスフィルタ７１０に通され、それにより、フィルタ処理済み第１アジマス測定信号７１５が生成される。
【００３２】
固有低周波ノイズを伴う第２の角度センサ６４５は、角度φ３と想定し得る低周波ノイズＮ１との和（７２０で示されている）である第２のアジマス測定信号７２５を供給する。角度センサ６４５は例えば慣性センサである。第２のアジマス測定信号７２５はハイパスフィルタ７３０に通され、それにより、フィルタ処理済み第２アジマス測定信号７３５が生成される。フィルタ処理済み第１アジマス測定信号７１５およびフィルタ処理済み第２アジマス測定信号７３５は７４０で表わされるように組み合わされ、それにより、補償済みアジマス測定値７４５が生成される。補償済みアジマス測定値７４５（φ３ｃａｌｃとして特定される角度φ３における計算値）は、３１５で概略的に示されるように、信号源３１０からのアジマス基準信号ＲＡと組み合わせられる。結果として得られる差分信号ＤＡは、ドラブ１４０を制御するレギュレータ３２０に対して供給される。ドライブ１４０は、差分信号ＤＡがゼロになるまで３３０で示されるようにアリダード１１５を回転させる。
【００３３】
第１のアジマス測定信号の特徴は、センサおよびセンサエレクトロニクスに固有の熱的および電子的なノイズに起因するような低周波ノイズが殆ど無いという点である。アリダード１１５の回転加速に起因するその高周波エラーは、フィルタ処理済み第１アジマス測定信号７１５を生成する際にローパスフィルタ７１０によって除去される。第２のアジマス測定信号の特徴は、アリダード１１５の回転加速に対するベース１０５のねじれ反動に起因するような高周波ノイズが殆ど無いという点である。センサおよびセンサエレクトロニクスに固有の熱的および電子的なノイズに起因するようなその低周波ノイズは、フィルタ処理済み第２アジマス測定信号７３５を生成する際にハイパスフィルタ７３０によって除去される。
【００３４】
図８ａは、８００においてローパスフィルタ７１０の、また、８０５においてハイパスフィルタ７３０の伝達関数（利得と周波数特性との間の関係として表わされている）を示している。本発明の実施形態において、フィルタ７１０およびフィルタ７３５はそれぞれ以下のようなｚ変換で表わされる伝達関数Ｙを有するように設計される。
【数１】
2008527356.tif 000003
ここで、Ｕは入力信号（例えば、入力信号Ｕは、フィルタ７１０の場合には第１のアジマス測定信号７０５であり、フィルタ７３０の場合には第２のアジマス測定信号７２５である）であり、Ｙは出力信号（例えば、出力信号Ｙは、フィルタ７１０の場合にはフィルタ処理済み第１アジマス測定信号７１５であり、フィルタ７３０の場合にはフィルタ処理済み第２アジマス測定信号７３５である）である。フィルタ係数Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ａ１，Ａ２，Ａ３は、ローパスフィルタ７１０およびハイパスフィルタ７３０に関してそれぞれ異なった値を有している。
【００３５】
図８ｂは、組み合わせフィルタ７１０，７３０の伝達関数８１０（利得と周波数特性との間の関係として表わされている）を示している。フィルタ７１０，７３０は、伝達関数８１０が周波数の全体にわたって一定となるように形成されることが好ましい。例えば、適したローパスフィルタ７１０においてフィルタ係数が選択されると、組み合わせ伝達関数８１０が周波数の全体にわたって一定となるようにハイパスフィルタ７３０に関して係数が選択される。両方のフィルタにおけるカットオフ周波数範囲は例えば５−３０Ｈｚである。
【００３６】
図９は、本発明に係るトータルステーション９００の一実施形態の簡略化された正面図を示している。図９のトータルステーションは、（アリダード１１５ではなく）ベース１０５にある第２の角度センサ９４５と、アリダード１１５の加速中に制御エラーの減少をもたらす例えばプロセッサ９５０を含む改良された処理回路とを有しているという点で、図６のトータルステーションとは異なっている。
【００３７】
図１０は、アリダード１１５が角加速されるときにベース１０５の逆回転を補償する図９の実施形態のアリダード制御ループを概略的に示している。アリダード１１５を加速させるためにドライブ１４０がトルクＴ１を加える。アリダード１１５が加速されると、等しい反対の反動トルクＴ２がベース１０５に作用し、それにより、ベース１０５は、３６５で示されるように角度φ２だけ反対方向に回転する。角度センサ１４５は、３７０で表わされるように角度φ２および角度φ３の和である全角度φ１を測定するとともに、第１のアジマス測定信号１００５を供給する。角度センサ１４５は、例えば、角度エンコーダ、磁気アングルリゾルバまたは容量アングルリゾルバである。図６−７の実施形態とは異なり、第１のアジマス測定信号１００５はローパスフィルタ処理されない。
【００３８】
固有低周波ノイズを伴う第２の角度センサ９４５は、角度φ３と想定し得る低周波ノイズＮ１との和（１０１０で示されている）である第２のアジマス測定信号１０１５を供給する。すなわち、角度センサ９４５はベース１０５上に取り付けられているため、その出力は、ベース１０５の回転角度φ２＋任意の適用できる低周波ノイズＮ１の直接的な測定値である。角度センサ９４５は例えば慣性センサである。第２のアジマス測定信号１０１５はハイパスフィルタ１０２０に通され、それにより、フィルタ処理済み第２アジマス測定信号１０２５が生成される。第１のアジマス測定信号１００５およびフィルタ処理済み第２アジマス測定信号１０２５は１０３０で表わされるように組み合わされ、それにより、補償済みアジマス測定信号１０３５が生成される。この実施形態において、当該信号は、第１のアジマス測定信号１００５からフィルタ処理済み第２アジマス測定信号１０２５を差し引くことにより組み合わされる。補償済みアジマス測定値１０３５（φ３ｃａｌｃとして特定される角度φ３における計算値）は、３１５で概略的に示されるように、信号源３１０からのアジマス基準信号ＲＡと組み合わせられる。結果として得られる差分信号ＤＡは、ドラブ１４０を制御するレギュレータ３２０に対して供給される。ドライブ１４０は、差分信号ＤＡがゼロになるまで３３０で示されるようにアリダード１１５を回転させる。
【００３９】
第１のアジマス測定信号の特徴は、センサおよびセンサエレクトロニクスに固有の熱的および電子的なノイズに起因するような低周波ノイズが殆ど無いという点である。アリダード１１５の回転加速に起因するその高周波エラーは、この実施形態では、角度センサ９４５によって測定されるエラーを差し引くことにより除去される。
【００４０】
この実施形態における第２のアジマス測定信号の特徴は、アリダード１１５の加速に対するベース１０５の回転反動に起因するような高周波ノイズが殆ど無いという点である。センサおよびセンサエレクトロニクスに固有の熱的および電子的なノイズに起因するようなその低周波ノイズは、フィルタ処理済み第２アジマス測定信号１０２５を生成する際にハイパスフィルタ１０２０によって除去される。
【００４１】
図１１は、ハイパスフィルタ１０２０の伝達関数（利得と周波数特性との間の関係として表わされている）を１１０５で示している。本発明の実施形態において、フィルタ１０２０は以下のようなｚ変換で表わされる伝達関数Ｙを有するように設計される。
【数２】
2008527356.tif 000004
ここで、Ｕは入力信号（例えば、入力信号Ｕは第２のアジマス測定信号１０１５である）であり、Ｙは出力信号（例えば、出力信号Ｙは、フィルタ１０２０の場合にはフィルタ処理済み第２アジマス測定信号１０２５である）である。フィルタにおけるカットオフ周波数範囲は例えば５−３０Ｈｚであり（好ましくは高い方の限界）、利得は伝達関数のフラットな形態において１となるべきである。
【００４２】
図１２は、本発明に係るトータルステーション１２００の一実施形態の簡略化された正面図を示している。図１２のトータルステーションは、第２の角度センサ１２４５と、テレスコープ１２５の回転加速中に制御エラーの減少をもたらす例えばプロセッサ１２５０を含む改良された処理回路とを有しているという点で、図１のトータルステーションとは異なっている。本発明の実施形態において、第２の角度センサ１２４５は、１つのジャイロ、１つの加速度計、または、一群の加速度計を制限無く含んでも良い慣性センサである。
【００４３】
図１３は、テレスコープ１２５が角加速されるときにアリダード１１５の逆回転を補償する図１２の実施形態のテレスコープ制御ループを概略的に示している。テレスコープ１２５を加速させるためにドライブ１６０がトルクＴ３を加える。テレスコープ１２５が加速されると、等しい反対の反動トルクＴ４がアリダード１１５に作用し、それにより、アリダード１１５は、５６５で示されるように角度α２だけ反対方向に回転する。角度センサ１６５は、５７０で表わされるように角度α２および角度α３の和である全角度α１を測定するとともに、第１の仰角測定信号１３０５を供給する。角度センサ１６５は、例えば、角度エンコーダ、磁気アングルリゾルバまたは容量アングルリゾルバである。第１の仰角測定信号１３０５はローパスフィルタ１３１０に通され、それにより、フィルタ処理済み第１仰角測定信号１３１５が生成される。
【００４４】
固有低周波ノイズを伴う第２の角度センサ１２４５は、角度α３と想定し得る低周波ノイズＮ２との和（１３２０で示されている）である第２の仰角測定信号１３２５を供給する。角度センサ１２４５は例えば慣性センサである。第２の仰角測定信号１３２５はハイパスフィルタ１３３０に通され、それにより、フィルタ処理済み第２仰角測定信号１３３５が生成される。フィルタ処理済み第１仰角測定信号１３１５およびフィルタ処理済み第２仰角測定信号１３３５は１３４０で表わされるように組み合わされ、それにより、補償済み仰角測定値１３４５が生成される。補償済み仰角測定値１３４５（α３ｃａｌｃとして特定される角度α３における計算値）は、５１５で概略的に示されるように、信号源５１０からの仰角基準信号ＲＥと組み合わせられる。結果として得られる差分信号ＤＥは、ドラブ１６０を制御するレギュレータ５２０に対して供給される。ドライブ１６０は、差分信号ＤＥがゼロになるまで５３０で示されるようにテレスコープ１３５を回転させる。
【００４５】
第１の仰角測定信号の特徴は、センサおよびセンサエレクトロニクスにおける熱的および電子的なノイズに起因するような低周波ノイズが殆ど無いという点である。テレスコープ１２５の回転加速に起因するその高周波エラーは、フィルタ処理済み第１アジマス測定信号１３１５を生成する際にローパスフィルタ１３１０によって除去される。第２の仰角測定信号の特徴は、テレスコープ１２５の回転加速に対するアリダード１１５のねじれ反動に起因するような高周波ノイズが殆ど無いという点である。センサおよびセンサエレクトロニクスに固有の熱的および電子的なノイズに起因するようなその低周波ノイズは、フィルタ処理済み第２仰角測定信号１３３５を生成する際にハイパスフィルタ１３３０によって除去される。
【００４６】
図１４ａは、１４００においてローパスフィルタ１３１０の、また、１４０５においてハイパスフィルタ１３３０の伝達関数（利得と周波数特性との間の関係として表わされている）を示している。本発明の実施形態において、フィルタ１３１０およびフィルタ１３３０はそれぞれ以下のようなｚ変換で表わされる伝達関数Ｙを有するように設計される。
【数３】
2008527356.tif 000005
ここで、Ｕは入力信号（例えば、入力信号Ｕは、フィルタ１３１０の場合には第１の仰角測定信号１３０５であり、フィルタ１３３０の場合には第２の仰角測定信号１３２５である）であり、Ｙは出力信号（例えば、出力信号Ｙは、フィルタ１３１０の場合にはフィルタ処理済み第１仰角測定信号１３１５であり、フィルタ１３３０の場合にはフィルタ処理済み第２仰角測定信号１３３５である）である。フィルタ係数Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ａ１，Ａ２，Ａ３は、ローパスフィルタ１３１０およびハイパスフィルタ１３３０に関してそれぞれ異なった値を有している。
【００４７】
図１４ｂは、組み合わせフィルタ１３１０，１３３０の伝達関数１４１０（利得と周波数特性との間の関係として表わされている）を示している。フィルタ１３１０，１３３０は、伝達関数１４１０が周波数の全体にわたって略一定となるように形成される。例えば、適したローパスフィルタ１３１０においてフィルタ係数が選択されると、組み合わせ伝達関数１４１０が周波数の全体にわたって一定となるようにハイパスフィルタ１３３０に関して係数が選択される。両方のフィルタにおけるカットオフ周波数範囲は例えば５−３０Ｈｚである。
【００４８】
図１５は、本発明に係るトータルステーション１５００の一実施形態の簡略化された正面図を示している。図１５のトータルステーションは、（テレスコープ１２５ではなく）アリダード１１５にある第２の角度センサ１５４５と、テレスコープ１２５の加速中に制御エラーの減少をもたらす例えばプロセッサ１５５０を含む改良された処理回路とを有しているという点で、図１２のトータルステーションとは異なっている。
【００４９】
図１６は、テレスコープ１２５が角加速されるときにアリダード１１５の逆回転を補償する図１５の実施形態のテレスコープ制御ループを概略的に示している。テレスコープ１２５を加速させるためにドライブ１６０がトルクＴ３を加える。テレスコープ１２５が加速されると、等しい反対の反動トルクＴ４がアリダード１２５に作用し、それにより、アリダード１１５は、５６５で示されるように角度α２だけ反対方向に回転する。角度センサ１６５は、５７０で表わされるように角度α２および角度α３の和である全角度α１を測定するとともに、第１の仰角測定信号１６０５を供給する。角度センサ１６５は、例えば、角度エンコーダ、磁気アングルリゾルバまたは容量アングルリゾルバである。図１２−１３の実施形態とは異なり、第１の仰角測定信号１６０５はローパスフィルタ処理されない。
【００５０】
固有低周波ノイズを伴う第２の角度センサ１５４５は、角度α２と想定し得る低周波ノイズＮ２との和（１６２０で示されている）である第２の仰角測定信号１６２５を供給する。すなわち、角度センサ１５４５はアリダード１１５上に取り付けられているため、その出力は、アリダード１１５の回転角度α２＋任意の適用できる低周波ノイズＮ２の直接的な測定値である。角度センサ１５４５は例えば慣性センサである。第２の仰角測定信号１６２５はハイパスフィルタ１６３０に通され、それにより、フィルタ処理済み第２仰角測定信号１６３５が生成される。第１の仰角測定信号１６０５およびフィルタ処理済み第２仰角測定信号１６３５は１６４０で表わされるように組み合わされ、それにより、補償済み仰角測定信号１６４５が生成される。この実施形態において、当該信号は、第１の仰角測定信号１６０５からフィルタ処理済み第２仰角測定信号１６３５を差し引くことにより組み合わされる。補償済み仰角測定値１６４５（α３ｃａｌｃとして特定される角度α３における計算値）は、５１５で概略的に示されるように、信号源５１０からの仰角基準信号ＲＥと組み合わせられる。結果として得られる差分信号ＤＥは、ドライブ１６０を制御するレギュレータ５２０に対して供給される。ドライブ１６０は、差分信号ＤＥがゼロになるまで５３０で示されるようにテレスコープ１２５を回転させる。
【００５１】
第１の仰角測定信号１６０５の特徴は、センサおよびセンサエレクトロニクスに固有の熱的および電子的なノイズに起因するような低周波ノイズが殆ど無いという点である。テレスコープ１２５の回転加速に起因するその高周波エラーは、この実施形態では、角度センサ１５４５によって測定されるエラーを差し引くことにより除去される。
【００５２】
この実施形態における第２の仰角測定信号の特徴は、テレスコープ１２５の加速に対するアリダード１１５の回転反動に起因するような高周波ノイズが殆ど無いという点である。センサおよびセンサエレクトロニクスに固有の熱的および電子的なノイズに起因するようなその低周波ノイズは、フィルタ処理済み第２仰角測定信号１６３５を生成する際にハイパスフィルタ１６３０によって除去される。
【００５３】
図１７は、ハイパスフィルタ１６３０の伝達関数（利得と周波数特性との間の関係として表わされている）を１７０５で示している。本発明の実施形態において、フィルタ１６３０は以下のようなｚ変換で表わされる伝達関数Ｙを有するように設計される。
【数４】
2008527356.tif 000006
ここで、Ｕは入力信号（例えば、入力信号Ｕは第２の仰角測定信号１６２５である）であり、Ｙは出力信号（例えば、出力信号Ｙは、フィルタ１６３０の場合にはフィルタ処理済み第２仰角測定信号１６３５である）である。フィルタにおけるカットオフ周波数範囲は例えば５−３０Ｈｚであり（好ましくは高い方の限界）、利得は伝達関数のフラットな形態において１もしくはそれに近くなるべきである。
【００５４】
言うまでもなく、周波数フィルタは適応フィルタとして実施されても良い。
【００５５】
慣性センサおよび角度センサからの出力を組み合わせるためにハイパスフィルタおよびローパスフィルタを使用する代わりに、カルマンフィルタが使用されても良い。センサにおける既知の信号対雑音比を用いると、カルマンフィルタはセンサ出力融合に最適な解決策を生み出す。カルマンフィルタは、周波数フィルタおよびフィルタ出力のためのコンバイナの代わりに使用されても良く、それにより、基準信号と組み合わされてレギュレータへ供給される出力がカルマンフィルタから与えられる。あるいは、カルマンフィルタが基準信号も受けるための更なる入力を有していても良く、それにより、アリダードドライブに対して直接に供給するための出力が生成される。本明細書の利益を享受する当業者は、カルマンフィルタの使用に基づく本明細書で与えられる本発明の思想の実施方法を承知している。
【００５６】
図１８は、図６の実施形態の場合のような第２のアジマス角センサ６４５と図１２の実施形態の場合のような第２の仰角センサ１２４５とを組み合わせる本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図を示している。プロセッサ１８５０を有する処理回路は、ドライブ１４０の制御で使用される補償済みアジマス測定値７４５を生成するための図６乃至図８に関連して説明した機能と、ドライブ１６０の制御で使用される補償済み仰角測定値１３４５を生成するための図１２乃至図１４に関連して説明した機能とを含んでいる。
【００５７】
図１９は、図６および図１５の実施形態の特徴を組み合わせる本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図を示している。プロセッサ１９５０を有する処理回路は、ドライブ１４０の制御で使用される補償済みアジマス測定値７４５を生成するための図６乃至図８に関連して説明した機能と、ドライブ１６０の制御で使用される補償済み仰角測定値１６４５を生成するための図１５乃至図１７に関連して説明した機能とを含んでいる。
【００５８】
図２０は、図９および図１２の実施形態の特徴を組み合わせる本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図を示している。プロセッサ２０５０を有する処理回路は、ドライブ１４０の制御で使用される補償済みアジマス測定値１０３５を生成するための図９乃至図１１に関連して説明した機能と、ドライブ１６０の制御で使用される補償済み仰角測定値１３４５を生成するための図１２乃至図１４に関連して説明した機能とを含んでいる。
【００５９】
図２１は、図９および図１５の実施形態の特徴を組み合わせる本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図を示している。プロセッサ２１５０を有する処理回路は、ドライブ１４０の制御で使用される補償済みアジマス測定値１０３５を生成するための図９乃至図１１に関連して説明した機能と、ドライブ１６０の制御で使用される補償済み仰角測定値１６４５を生成するための図１５乃至図１７に関連して説明した機能とを含んでいる。
【００６０】
本発明の実施形態によれば、第２の角度センサ（角度センサ６４５，９４５，１２４５，１５４５のそれぞれ）は慣性センサである。慣性センサは、ジャイロ、１つ以上の加速度計、または、レーザジャイロさえをも制限無く備えていても良い。選択される慣性センサのタイプは、サイズ、重量、コスト、性能などのファクタに依存していても良い。トータルステーションでの使用に適しているものは、例えば、米国のニューヨーク州のデピューにあるＩＭＩセンサから市販されている「シリーズ６６０」埋込式加速度計である。
【００６１】
必要に応じて単一の加速度計を使用することができるが、単一の加速度計は、回転軸に対して垂直な直線的変位に起因するエラーに晒される。図２２は、本発明の一実施形態に係る単一の加速度計２２５０を備える第２のアジマス角センサ２２４５がアリダード１１５に設けられているトータルステーション２２００の平面図を概略的に示している。加速度計信号は回転加速度と回転軸までの距離との積に比例し、そのため、加速度計が回転軸に正確に配置された場合には、信号が得られない。回転軸１２０の横方向の変位がアリダード１１５の回転中に起こる場合、加速度計２２５０は、アリダード１１５の回転に起因する力２２６０を受けるだけでなく、軸１２０の横方向の変位によって引き起こされる力２２６５の一成分も受け、それにより、加速度計２２５０からの信号にノイズが現れる。加速度計は、加速度、数学的には速度の一次時間微分および変位の二次時間微分に応答するため、加速度計からの信号は、最初に、角速度を得るために２２８０で概略的に示されるように積分され、２回目に、角度変位を得るために２２８５で示されるように積分される。
【００６２】
図２３は、本発明の一実施形態に係る一対の加速度計２３５０，２３５５を備える第２のアジマス角センサ２３４５がアリダード１１５に設けられているトータルステーション２３００の平面図を概略的に示している。回転軸１２０の横方向の変位がアリダード１１５の回転中に起こる場合、加速度計２３５０は、アリダード１１５の回転に起因する力２３６０を受けるだけでなく、軸１２０の横方向の変位によって引き起こされる力２３６５の一成分も受け、それにより、加速度計２３５０からの信号にノイズが現れる。同時に、加速度計２３５５は、アリダード１１５の回転に起因する力を受けるとともに、軸１２０の横方向の変位によって引き起こされる力の一成分を受け、それにより、加速度計２３５５からの信号にノイズが現れる。加速度計２３５０，２３５５が図示のように回転軸の両側に配置される場合には、それらの信号を加えることにより、それらの信号が反対の位相を有しているときにはそれらの信号の横方向変位（ノイズ）成分がキャンセルされ、また、それらの信号が互いに同じ位相であるときにはそれらの信号の角度変位（望ましい情報）成分が合計される。２３８０で概略的に示されるように加速度計２３５０，２３５５からの信号を組み合わせた後、組み合わせ信号は、最初に、角速度を得るために２３８５で概略的に示されるように積分され、２回目に、角度変位を得るために２３９０で示されるように積分される。
【００６３】
処理の機能的特徴を示すために信号処理方式について概略的に説明する。これらの機能的特徴は様々な既知の技術を使用して得ることができる。例えば、信号処理は、完全にアナログの信号処理要素を使用して行なうことができる。例えば、信号処理は、信号を要望通りにアナログ形式からデジタル形式へ変換するとともにデジタル信号処理要素を使用することにより行なうことができる。デジタル信号処理要素は、特殊用途の構成要素及び／又は１つ以上のプログラムされた汎用プロセッサまたはマイクロコントローラまたはこれらの任意の組み合わせであっても良い。トータルステーションは、一般に、様々な機能を実行するようにプログラムされ且つ本発明の実施形態にしたがって前述した信号処理機能の一部または全てを実行するようにプログラムされたメインプロセッサを有している。
【００６４】
図２４は、本発明の実施形態に係る信号処理回路機能２４００の更なる実施例を示している。この実施例では、２つの部分でハイパスフィルタリング機能が行なわれる。光学角度エンコーダ２４０５（例えば、アジマス角センサ１４５または仰角センサ１６５としての機能を果たす）は、デジタルの第１の角度位置信号をデジタルローパスフィルタ２４１０に対して供給する。ジャイロ２４４５はアナログの第２の角度位置信号を供給し、この第２の角度位置信号は、アナログハイパスフィルタ２４５０に通された後に増幅器２４５５を通過して、アナログ−デジタル変換器２４６０に対して供給される。結果として得られる第２のデジタル角度位置信号はデジタルハイパスフィルタ２４６５に通される。デジタルローパスフィルタ２４１０からのフィルタ処理済み第１角度位置信号は、加算機能２４７０においてデジタルハイパスフィルタ２４６５からのフィルタ処理済み第２角度位置信号と組み合わせられ、それにより、例えばアジマスドライブ１４０または仰角ドライブ１６０を制御する際に使用される補償済み角度位置測定値２４７５が生成される。デジタルローパスフィルタ２４１０、デジタルハイパスフィルタ２４６５、加算機能２４７０のそれぞれは、例えば汎用プロセッサまたはマイクロコントローラ及び／又は他の適したデバイスで実行されるプログラム命令として実施される。
【００６５】
図２５は、本発明の一実施形態に係る信号処理回路機能２５００の更なる実施例を示している。この実施例では、２つの部分でハイパスフィルタリング機能が行なわれる。光学角度エンコーダ２５０５（例えば、アジマス角センサ１４５または仰角センサ１６５としての機能を果たす）は、デジタルの第１の角度位置信号をデジタルローパスフィルタ２５１０に対して供給する。一対の加速度計２５１５，２５２０からのアナログ信号がアナログ加算機能２５２５において組み合わされ、結果として得られる組み合わせ加速度計信号は、アナログ一次ハイパスフィルタ２５３０に通された後に増幅器２５３５を通過して、アナログ−デジタル変換器２５４０に対して供給される。アナログ−デジタル変換器２５４０からのデジタル信号は、その後、デジタル三次ハイパスフィルタ２５４５に通されてプロセス２５５０において二重積分され、それにより、フィルタ処理済み第２角度位置信号が生成される。フィルタ処理済み第１角度位置信号およびフィルタ処理済み第２角度位置信号はデジタル加算機能２５５５においてと組み合わせられ、それにより、例えばアジマスドライブ１４０または仰角ドライブ１６０を制御する際に使用される補償済み角度位置測定値２５６０が生成される。デジタルローパスフィルタ２５１０、デジタルハイパスフィルタ２５４５、二重積分機能２５５０、加算機能２５５５のそれぞれは、例えば汎用プロセッサまたはマイクロコントローラ及び／又は他の適したデバイスで実行されるプログラム命令として実施される。
【００６６】
図２６は、例えば図２４の実施形態において有用なフィルタの伝達特性を示している。曲線２６１０は、デジタルローパスフィルタ２４１０の特性を表わしている。曲線２６３５は、アナログハイパスフィルタ２４５０の特性を表わしている。曲線２６８０は、デジタルハイパスフィルタ２４６５の特性を表わしている。
【００６７】
本発明に係る実施形態は、前述した１つ以上の慣性センサを組み込む測地機器を含んでいる。例えば、図２７は本発明の一実施形態に係るトータルステーションの部分断正面図を概略的に示しており、図２８はそのようなトータルステーションの機能ブロック図である。
【００６８】
図２７を参照すると、トータルステーション２７００はアリダード２７０２を有しており、アリダード２７０２は、当該アリダード２７０２が水平のときに垂直となる支持軸２７０６を中心に回転できるように調整可能なトリブラック２７０４上に取り付けられている。光学中心線（視野方向）２７１２を持つテレスコープ２７１０を有するテレスコープユニット２７０８が、支持軸２７０６と直交する仰角軸２７１４を中心に回転できるように取り付けられている。
【００６９】
制御可能な水平ドライブ２７１６は、制御信号に応じて支持軸２７０６を中心にアリダード２７０２を回転させる。トリブラック２７０４に対して固定された目盛り付きリング２７１８のマーキングは、アリダード２７０２が回転されるときに水平角度センサ２７２０によって検出される。慣性センサ２７８０はアリダード２７０２のアジマス方向を検出する。この場合、慣性センサ２７８０は、アリダード２７０２に装着されて示されているが、前述したようにベース２７０４に装着されていても良い。制御可能な垂直ドライブ２７２２は、制御信号に応じて仰角軸２７１４を中心にテレスコープユニット２７０８を回転させる。テレスコープユニット２７０８に対して固定された目盛り付きリング２７２４のマーキングは、テレスコープユニット２７０８が回転されるときに垂直角度センサ２７２６によって検出される。慣性センサ２７９０はテレスコープユニット２７０８の仰角方向を検出する。この場合、慣性センサ２７９０は、アリダード２７０２に装着されて示されているが、前述したようにテレスコープユニット２７０８に装着されていても良い。手動操作可能なノブを有する水平制御装置２７２８および手動操作可能なノブを有する垂直制御装置２７３０は、水平ドライブ２７１６および垂直ドライブ２７２２をそれぞれ制御するためのユーザ入力を与える。
【００７０】
テレスコープ２７１０の照準を任意に位置決めされた外部ターゲットに定めるため、アリダード２７２０は任意の所望の角度まで支持軸２７０６を中心に回転することができ、テレスコープユニット２７２０は３６０度を越える角度であっても任意の所望の角度まで仰角軸２７１４を中心に回転することができる。スリップリング２７３２は、外部電源（図２８に示される）からアリダード２７０２への電力の伝送及び／又はアリダード２７０２と外部制御ユニット（図２８に示される）との間のデータおよびコマンドの通信を行なう。スリップリング２７３４は、アリダード２７０２からテレスコープユニット２７０８への電力の伝送およびアリダード２７０２とテレスコープユニット２７０８との間のデータおよびコマンドの通信を行なう。
【００７１】
アリダード２７０２は、輸送を容易にするためのハンドル２７３６を含んでいる。支持軸２７０６と同軸な光ビームを垂直下方に放射することにより測量標識上または他の選択されたポイント上にわたってトータルステーション２７００を手動で容易に位置決めするために光学錘２７３８が設けられている。図１乃至図８を参照して説明したような勾配検出器２７４０は、アリダード２７０２の勾配を表わす信号を２つの互いに垂直な方向で供給し、それにより、支持軸２７０６が垂直になり且つ仰角軸が水平になるようにトータルステーションをセットすることができる。
【００７２】
アンテナ２７４４を有する無線モジュール２７４２は、トータルステーション２７００と外部無線制御ユニット（図２８に示される）との間でデータおよびコマンドの通信を行なう。トータルステーション２７００に電力を供給するためにバッテリ２７４６が設けられている。また、トータルステーション２７００は、キーパッド及び／又は他の入力デバイスおよびディスプレイスクリーン（図２８に示される）を備える取り外し可能な制御ユニットを有している。
【００７３】
図２８のブロック図２８００を参照すると、破線は、それぞれの要素が内部に配置されて成る物理ユニットを示している。アリダード２７０２内においては、メインプロセッサ２８０４およびトータルステーションの他の要素に給電するため、電源２８０２がバッテリ２７４６に対して接続されている。メインプロセッサ２８０４は、図示しない関連するメモリやプログラム記憶装置などを含んでいる。構成要素の機能関係を分かり難くしないように、給電接続は図示されていない。電力は、個々の接続部を介して電源２８０２からトータルステーションの構成要素へ供給され及び／又は配電とデータ通信とを組み合わせるユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）などのバスを介して供給される。同様に、メインプロセッサ２８０４とトータルステーションの他の構成要素との間の通信は、個々の接続部を介して及び／又はユニバーサルシリアルバスなどの共通バスを介して行なわれる。スリップリング２７３２は、電源２８１０及び／又は外部制御ユニット２８１２を有する外部ユニット２８０８への電気的な接続を行なう。スリップリング２７４３は、メインプロセッサ２８０４とテレスコープユニット２７０８との間のデータ通信を行なうとともに、テレスコープユニット２７０８の構成要素への電力の供給を行なう。各機能要素はメインプロセッサ２８０４の制御下にあるとともに、測定結果をメインプロセッサ２８０４へ送信するように各機能要素に命令することができる。
【００７４】
水平制御装置２７２８、垂直制御装置２７３０、フォーカス制御装置２８１４は、アリダード２７０２のアジマス方向、テレスコープユニット２７０８の仰角、テレスコープ２７１０の光学焦点を設定するためにコマンドの手動入力を行なう。コマンドは、インタフェース２８１６を介してメインプロセッサ２８０４へ通信される。取り外し可能なコンソール２８１８は、ディスプレイスクリーン２８２０と、キーパッド及び／又はタッチスクリーンなどの入力デバイス２８２２とを備えている。コンソール２８１８は、人間のオペレータとトータルステーションとの間の通信を担い、それにより、コマンドおよびデータの手動入力が可能になるとともに、ユーザメニューおよびデータの表示が可能になる。コンソール２８１８は、メインプロセッサ２８０４との通信を管理し且つ測地計算などの他のタスクをサポートするための入力／出力プロセッサ２８２４を含んでいる。コンソール２８１８は、メインプロセッサ２８０４および電源２８０２とコネクタ２８２６によって接続されている。
【００７５】
無線モジュール２７４２は、メインプロセッサ２８０４とバスを介して通信するとともに、アンテナ２８２８を有する無線制御ユニット１０２６とアンテナ２７４４を介して通信する。トータルステーションは、例えば測定ターゲットに位置されると、無線制御ユニット１０２６から遠隔的に制御できる。
【００７６】
テレスコープユニット２７０８は、距離測定モジュール２８３０と、サーボフォーカスモジュール２８３２と、トラッカモジュール２８３４と、トラッキングアシスタントモジュール２８３６とを含んでいる。
【００７７】
距離測定モジュール２８３０は、例えばターゲットへと光を放射して反射光の位相変化を検出することにより、あるいは、ターゲットへと光パルスを放射して反射パルスの飛行時間を決定することにより、トータルステーションからターゲットまでの距離を測定する。距離測定計算は、距離測定モジュール２８３０の回路内及び／又はメインプロセッサ２８０４内で行なわれる。
【００７８】
サーボフォーカスモジュール２８３２は、フォーカス制御装置２８１４の手動調整に応じた及び／又はサーボフォーカスモジュール２８３２内のオートフォーカス回路に応じたメインプロセッサ２８０４からの信号に基づいてテレスコープ光学素子の制御可能なフォーカスを行なう。
【００７９】
トラッカモジュール２８３４により、トータルステーションは、テレスコープの照準を自動的にターゲットに定めることができるとともに、ターゲットが移動されるときにターゲットに追従することができる。トラッカモジュール２８３４はテレスコープ光学素子を介して狭ビーム光を放射する。この光は、ターゲットから反射されると、アジマスおよび仰角の必要な変化を知らせるためにトラッキング信号をメインプロセッサ２８０４へ送るセンサにより検出される。
【００８０】
トラッキングアシスタントモジュール２８３６は、テレスコープの視野方向の一方側または他方側に位置されるときに人間のオペレータがそれぞれの異なる色を見るように方向付けられる光を放射することにより、人間のオペレータが可動ターゲットをテレスコープの光軸に配置するのを助ける。
【００８１】
アリダード２７０２のアジマス方向は、水平角度センサ２７２０から受けられる信号からメインプロセッサ２８０４に知られている。アリダード２７０２のアジマス方向は、メインプロセッサ２８０４から送られる信号により水平ドライブコントローラ２８４０に対して命令される。水平ドライブ２７１６は、支持軸２７０６を中心にアリダード２７０２を回転させるために水平ドライブコントローラ２８４０に応答する。テレスコープユニット２７０８の仰角は、垂直角度センサ２７２６から受けられる信号からメインプロセッサ２８０４に知られている。テレスコープユニット２７０８の仰角は、メインプロセッサ２８０４から送られる信号により垂直ドライブコントローラ２８４２に対して命令される。垂直ドライブ２７２２は、テレスコープユニット２７０８を仰角軸２７１４を中心に回転させるために垂直ドライブコントローラ２８４２に応答する。
【００８２】
メインプロセッサ２８０４は、幾つかのソースのうちの１つから、すなわち、制御装置２７２８，２７３０の手動設定、入力デバイス２８２２によるデータの手動入力、無線制御ユニット１０２６からの遠隔コマンド、トラッキング機能が有効にされるときのトラッカ２８３４からの自動信号のうちの１つから、所望のアジマスおよび仰角を決定する。
【００８３】
明確にするため、ここで説明した実施の決まりきった特徴の全てが図示されて記載されているものではない。任意のそのような実際の実施の開発においては、用途関連およびビジネス関連の制約とのコンプライアンスなどの開発者の特定の目的を達成するために多くの実施特有の決定がなされなければならず、また、これらの特定の目的が実施毎および開発者毎に異なっていることは言うまでもない。また、そのような開発努力は、複雑であり時間がかかる場合があるが、それにもかかわらず、この開示内容の利益を享受する当業者にとってエンジニアリングの決まりきった仕事であることは言うまでもない。
【００８４】
本発明に係る実施形態および用途について図示して説明してきたが、この器味内容の利益を享受する当業者であれば分かるように、本発明の概念から逸脱することなく前述したものよりも多くの改良が可能である。したがって、本発明は、添付の請求項の思想を除いて限定されるべきではない。
【００８５】
結論
トータルステーションなどの機器内で角度変位の補償された測定を行なうための方法および装置が開示されている。改良され且つ補償された角度変位の測定値は、角度リゾリバと慣性センサとの組み合わせを使用することにより得られる。補償された角度位置測定値は、角度リゾルバおよび慣性センサのそれぞれから得られる出力信号の少なくとも一部を組み合わせることにより生成される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】従来技術のトータルステーションの簡略化された正面図。
【図２ａ】図１のトータルステーションの平面図。
【図２ｂ】アリダードが加速されるときに導入されるエラーを表わしている図１のトータルステーションの平面図。
【図３ａ】図１のトータルステーションのアリダードのアジマス回転のための理想的な制御ループを概略的に示す図。
【図３ｂ】図１のトータルステーションのアリダードの加速中に導入されるエラーを考慮に入れる更に現実的な制御ループを概略的に示す図。
【図４ａ】図１のトータルステーションの概略の側面図。
【図４ｂ】テレスコープが加速されるときに導入されるエラーを概略的に示す図１のトータルステーションの部分断面図。
【図５ａ】図１のトータルステーションのテレスコープの仰角回転のための理想的な制御ループを概略的に示す図。
【図５ｂ】図１のトータルステーションのテレスコープの加速中に導入されるエラーを考慮に入れる更に現実的な制御ループを概略的に示す図。
【図６】本発明に係るトータルステーションの一実施形態の簡略化された正面図。
【図７】図６の実施形態のアリダード制御ループを概略的に示す図。
【図８ａ】図７のフィルタの伝達関数を示す図。
【図８ｂ】図７の組み合わせフィルタの伝達関数を示す図。
【図９】本発明に係るトータルステーションの一実施形態の簡略化された正面図。
【図１０】図９の実施形態のアリダード制御ループを示す図。
【図１１】図１０のフィルタの伝達関数を示す図。
【図１２】本発明に係るトータルステーションの一実施形態の簡略化された正面図。
【図１３】図１２の実施形態のテレスコープ制御ループを概略的に示す図。
【図１４ａ】図１３のフィルタの伝達関数を示す図。
【図１４ｂ】図１３の組み合わせフィルタの伝達関数を示す図。
【図１５】本発明に係るトータルステーションの一実施形態の簡略化された正面図。
【図１６】図１５の実施形態のテレスコープ制御ループを概略的に示す図。
【図１７】図１６のフィルタの伝達関数を示す図。
【図１８】図６および図１２の実施形態の特徴を組み合わせた本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図。
【図１９】図６および図１５の実施形態の特徴を組み合わせた本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図。
【図２０】図９および図１２の実施形態の特徴を組み合わせた本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図。
【図２１】図９および図１５の実施形態の特徴を組み合わせた本発明に係る一実施形態の簡略化された正面図。
【図２２】本発明の一実施形態に係るトータルステーションの概略的な平面図。
【図２３】本発明の一実施形態に係るトータルステーションの概略的な平面図。
【図２４】本発明の一実施形態に係る信号処理回路機能の一実施例を示す図。
【図２５】本発明の一実施形態に係る信号処理回路機能の一実施例を示す図。
【図２６】例えば図２５の実施形態において役立つフィルタの伝達特性を示す図。
【図２７】本発明の一実施形態に係るトータルステーションの部分断正面図。
【図２８】図２７のトータルステーションの機能ブロック図。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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