位置确定装置、测量机和位置确定方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及位置确定装置、测量机、位置确定方法和计算机程序产品。位置确定装置用于确定两个部件相对于彼此的位置，其包括具有与编码协作的读取头的至少一个位置编码器，以在第一测量频率下产生第一位置确定数据。至少一个惯性测量单元布置为用于确定两个部件中的至少一个部件的平移加速度和/或旋转加速度并且还用于在高于第一测量频率的第二测量频率下产生与该位置相关的第二位置确定数据。为了由评估单元实现位置确定，现在规定获取由至少一个位置编码器产生的第一位置确定数据和由至少一个惯性测量单元产生的第二位置确定数据，将位置确定数据相互关联，并且在至少高于第一测量频率的第三测量频率下从位置确定数据确定位置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于确定目标物体的位置且用在测量机中尤其是用在坐标测量机或大地测绘系统中的位置确定装置，涉及配备有这种位置确定装置的测量机，以及涉及测量方法和相关联的计算机程序产品。
技术介绍
在许多应用领域中需要作为位置确定方向、角度和长度，例如像大地测绘和用于工业测量。角度计量学的进展经由机械读取过程已导致全自动化位置测量，尤其是根据当前现有技术的角度测量或路径测量。已知的自动化位置确定装置通常包括编码载体和扫描仪。在角度测量装置(即所谓的角度编码器)的情况下，编码载体通常实施成可绕轴线相对于扫描仪旋转，其中，编码载体的角度位置因此构成待测变量。例如，编码载体可具有分度或编码以用于确定位置，其中，编码可被施加至编码载体的表面或侧向面。为了自动获取所述位置，可相对于扫描仪移动的编码载体由读取头通过各种技术来扫描。已知的扫描方法包括电磁方法、电子方法和光电方法(即基于电感、基于电容和基于光学)。例如，位置确定装置被用在坐标测量设备或坐标测量机(CMM)中。如WO2008/019835中所述的角度编码器的用于读取可光学读取的编码载体的光学探测器例如是光电探测器、CCD线阵列或者CCD面阵列。通常，编码载体呈圆盘或者圆环状构成并且沿其周向承载有可以光学方式获取的位置编码，编码的片段在探测器上被成像。如在例如WO2007/051575中所述的，已知的角度测量设备通常包括所谓的圆弧和扫描装置。该圆弧以编码载体的形式构成并具有用于确定圆上的位置的分度或编码。该编码被施加到编码载体的表面(即圆形面或侧面)。WO2008/141817披露了一种位置确定装置，其具有线性编码器和/或角度编码器。编码载体和扫描装置如此布置，即：可以在编码载体与扫描装置之间实现按一个自由度的相对运动且尤其是相对旋转运动或者沿一个轴线的相对纵向运动。已知的尤其用于坐标测量机或大地测绘机(如总站)的位置确定装置具有截然不同的优点和缺点。已知的位置编码器如线性编码器和角度编码器的特点是具有用于提供相对(即增量)或绝对的位置确定数据的高测量精度，但测量速度相对低，例如在1Hz到20Hz的数量级内，结果，可能的读取速度也相对低。具有较高的可能测量速度的设计比较昂贵，尤其因为为此需要更复杂的机械电子装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种改进的尤其用在坐标测量机或大地测绘机中的位置确定装置。确切地说在此情况下，旨在实现更高的测量速度，其中，尤其只需接受测量精度方面的微小损失，或者没有这样的损失。本专利技术的另一个目的在于能够使这种改进的位置确定装置在最小可行的生产支出下来获得。这些目的通过独立方面的特征部分的实施来实现。以另选或有利方式改进本专利技术的特征可以由从属方面和包括附图说明的说明书中得到。根据本专利技术，用于测量机尤其是坐标测量机或大地测绘系统的可相对于彼此移动的两个部件的位置确定装置被实施成用于确定所述两个部件的相对于彼此的位置。该位置确定装置包括至少一个位置编码器，这至少一个位置编码器具有与编码协作的读取头。该位置编码器被实施成用于在第一测量频率(rate)下产生与所述位置相关的第一位置确定数据。根据本专利技术，所述位置确定装置还包括至少一个惯性测量单元，这至少一个惯性测量单元用于确定所述两个部件中的至少一个部件的平移加速度和/或旋转加速度，并且因此用于在高于所述第一测量频率的第二测量频率下产生与所述位置相关的第二位置确定数据。为了由评估单元实施的所述位置的确定，现在该评估单元被实施和构造成获取由所述至少一个位置编码器产生的第一位置确定数据和由所述至少一个惯性测量单元产生的第二位置确定数据，将这些位置确定数据相互关联，并且在至少高于所述第一测量频率的第三测量频率下从这些位置确定数据确定所述位置。尤其是，所述评估单元此时被实施和构造成针对在位于所述第一测量频率的连续测量时间之间的中间时间窗口内的时间基于所述第二位置确定数据来确定所述位置。在这里，确切地说，所述第二位置确定数据仅能总是被用于所述中间时间窗口，并且所述位置针对所述第一测量频率的测量时间仅基于所述第一位置确定数据来确定。有利地，所述评估单元被实施和构造成关于针对所述第一位置确定数据的相应最新的可用值总是相应地重新参照所获取的第二位置确定数据。为此，例如，由所述惯性测量单元所接收的第二位置确定数据作为(更准确的)参照可以按照预定的时间间隔被修正为预先由位置编码器接收的第一位置确定数据，并且因此可以针对在该时间过程中要接收的其它第二位置确定数据设置相应的新初始值，从而当确定所述位置时，经过该中间时间窗口内的时间所产生的第二位置确定数据的漂移可以总是随着第一测量频率的节拍被重设为零。尤其是，所述评估单元可以被实施成借助限定算法尤其是卡尔曼滤波器或分差滤波器使所述第一位置确定数据和所述第二位置确定数据相互关联，所述第一位置确定数据和所述第二位置确定数据被馈送至所述卡尔曼滤波器或所述分差滤波器并且所述卡尔曼滤波器或所述分差滤波器以一定的频率计时进行操作，该频率至少与所述第三测量频率一样高，尤其是其中该频率等于所述第三测量频率。结果，提供一种改进的位置确定装置，其实现在与所设立的位置编码器的测量精度相当的测量精度下增大的测量速度。在此，通过使用位置编码器来确保高测量精度，并且通过借助位置编码器的测量与借助惯性测量单元的测量的组合来确保高测量速度。通过由惯性测量单元所确定的数据与位置编码器的测量值的独创性地反复平衡来确保始终高的测量精度(尤其是，其中，该平衡以第一测量频率的节拍来重复)。例如，借助卡尔曼滤波器的数据计算适用于将第一位置确定数据和第二位置确定数据相互关联，如上所述的。这样的算法实现更快速的数据处理。根据本专利技术的在较低测量频率下收集的第一位置确定数据和在较高测量频率下收集的第二位置确定数据的组合因为该协作而实现根据本专利技术的位置确定装置的例如1000Hz以上数量级的高测量频率。有利地，这也使得可以利用以下位置编码器，即，该位置编码器操作相对缓慢(例如只有1Hz)，但更经济划算，这是因为其低测量频率通过与来自具有快速操作模式的惯性测量单元的测量数据相结合而被补偿。根据本专利技术的一个实施方式，至少一个惯性测量单元和一个位置编码器被分别相互对应起来以将所接收的第二位置确定数据修正并重设至先前接收的第一位置确定数据。所述位置编码器可以具有不同的技术实施方式。在一个实施方式中，所述读取头可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量机尤其是坐标测量机(1,2)或大地测绘系统(3)的相对于彼此可移动的两个部件(10,11)的位置确定装置(50)，以确定所述两个部件(10,11)相对于彼此的位置，其中，该位置确定装置(50)包括至少一个位置编码器(60,80)，这至少一个位置编码器具有与编码(61,62,63,82)协作的读取头(71,84)，以在第一测量频率下产生与所述位置相关的第一位置确定数据(110)，其特征在于，该位置确定装置还包括：·至少一个惯性测量单元(51,52,53,54,55,56,57,58,59,59’,59”)，这至少一个惯性测量单元用于确定所述两个部件中的至少一个部件的平移加速度和/或旋转加速度，并且还用于在高于所述第一测量频率的第二测量频率下产生与所述位置相关的第二位置确定数据(120)；以及·评估单元(140)，该评估单元被实施和构造成：获取由所述至少一个位置编码器(60,80)产生的所述第一位置确定数据(110)和由所述至少一个惯性测量单元(51,52,53,54,55,56,57,58,59,59’,59”)产生的所述第二位置确定数据(120)；将这些位置确定数据相互关联；并且在至少高于所述第一测量频率的第三测量频率下从这些位置确定数据确定所述位置。...

【技术特征摘要】
2013.07.08 EP 13175564.71.一种用于测量机尤其是坐标测量机(1,2)或大地测绘系统(3)的相对于彼此可移
动的两个部件(10,11)的位置确定装置(50)，以确定所述两个部件(10,11)相对于彼此的
位置，其中，该位置确定装置(50)包括至少一个位置编码器(60,80)，这至少一个位置
编码器具有与编码(61,62,63,82)协作的读取头(71,84)，以在第一测量频率下产生与
所述位置相关的第一位置确定数据(110)，其特征在于，该位置确定装置还包括：
·至少一个惯性测量单元(51,52,53,54,55,56,57,58,59,59’,59”)，这至少一个
惯性测量单元用于确定所述两个部件中的至少一个部件的平移加速度和/或旋转加速
度，并且还用于在高于所述第一测量频率的第二测量频率下产生与所述位置相关的第
二位置确定数据(120)；以及
·评估单元(140)，该评估单元被实施和构造成：获取由所述至少一个位置编码
器(60,80)产生的所述第一位置确定数据(110)和由所述至少一个惯性测量单元(51,52,
53,54,55,56,57,58,59,59’,59”)产生的所述第二位置确定数据(120)；将这些位置确
定数据相互关联；并且在至少高于所述第一测量频率的第三测量频率下从这些位置确
定数据确定所述位置。
2.根据权利要求1所述的位置确定装置(50)，其特征在于，所述评估单元(140)
被实施和构造成针对在位于所述第一测量频率的连续测量时间之间的中间时间窗口
内的时间基于所述第二位置确定数据(120)来确定所述位置，尤其是其中，所述第二
位置确定数据(120)总是仅被用于所述中间时间窗口，并且所述位置针对所述第一测
量频率的测量时间仅基于所述第一位置确定数据(110)来确定。
3.根据权利要求1或2所述的位置确定装置(50)，其特征在于，所述评估单元(140)
被实施和构造成总是与针对所述第一位置确定数据(110)的相应最新的可用值相关地
参照所获得的第二位置确定数据(120)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的位置确定装置(50)，其特征在于，所述评
估单元(140)被实施成借助限定算法尤其是卡尔曼滤波器或者分差滤波器使所述第一
位置确定数据(110)和所述第二位置确定数据(120)相互关联，所述第一位置确定数据
(110)和所述第二位置确定数据(120)被馈送至所述卡尔曼滤波器或者所述分差滤波器
并且所述卡尔曼滤波器或者分差滤波器以一定的频率计时进行操作，该频率至少与所

\t述第三测量频率一样高，尤其是其中该频率等于所述第三测量频率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的位置确定装置(50)，其特征在于，所述第
三测量频率至少是1000Hz。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的位置确定装置(50)，其特征在于，
·所述读取头具有光学读取传感器尤其是线型传感器或面型传感器，并且所述
编码通过由多个光学编码元件构成的可光学读取的图案形成；或者
·所述读取头具有尤其带有一个或多个电容器的电容读取传感器，并且所述编
码通过由具有特定电容率的多个编码元件尤其是结构化板或塑料条构成的可电容读
取的图案形成；或者
·所述读取头具有电感读取传感器尤其是一个或多个线圈，并且所述编码通过
由具有特定磁导率的多个编码元件尤其是磁条构成的可电感读取的图案形成。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：克努特·西尔克斯，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH