位置确定装置、测量机、位置确定方法和计算机程序产品

摘要

本发明涉及位置确定装置、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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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发明 的特征可以由从属方面和包括附图说明的说明书中得到。

根据本发明，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。

根据本发明，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。

根据本发明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发明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。

根据本发明的一个实施方式，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 可以具有光学读取传感器尤其是线型传感器或面型传感器，并且所述编码可以通过由 多个光学编码元件(例如具有特定的透光性、反射性、折射性或衍射性，如本领域技 术人员本身已知的)所构成的可光学读取图案形成。在另一个实施方式中，所述读取 头可以具有尤其带有一个或多个电容器的电容读取传感器，并且所述编码可以由具有 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。在又一个不同的实施方式中，所述读取头可以具有电感读取传感器(尤其是一个 或多个线圈)，并且所述编码可以由具有特定导磁性的多个编码元件(尤其是磁条) 构成的可电感读取的图案形成。

根据本发明的位置确定装置的一个实施方式，所述位置编码器被实施成线性编码 器，该线性编码器具有用于读取线性编码的读取头。根据另一个实施方式，所述位置 编码器被实施成角度编码器，所述角度编码器具有用于读取以基本圆形或圆弧形方式 布置的编码的读取头。

因此，根据本发明的位置确定装置可以配备有传统的、可广泛获得的位置编码器。

根据一个实施方式，所述惯性测量单元具有加速度传感器和/或陀螺仪传感器， 并且被实施成MEMS微系统或者MOEMS微系统(即“微机电系统”或者“微光机电系 统”)。在此重要的是，所述惯性测量单元使得可以确定在每个方向上的加速度或者绕 每个轴的旋转速率，旨在确定其相对位置的所述两个部件在所述轴上可相对于彼此移 动(从而所述惯性测量单元能测量与可由位置编码器产生的测量数据对应的位置数 据)。

然而，即使这对本发明而言不是必须遵守的，但所述惯性测量单元也可被实施成 与尤其彼此正交的三个空间方向相关地确定加速度测量值并且确定绕尤其相对于彼 此正交的三个轴的旋转的速率。

如本领域技术人员已知的，通过适当地组合惯性测量单元的多个惯性传感器，可 以在该过程中基于以下类型的传感器大致测量六个自由度的加速度：

三个正交布置的加速度传感器(也称为平移传感器)检测沿x轴、y轴或者z轴的 线性加速度。由此可以计算平移运动(和相对位置)。三个正交布置的速率传感器(也称 为陀螺仪传感器)测量绕x轴、y轴或者z轴的角度加速度。由此可以计算旋转运动(和 相对对准)。

通常，这样的惯性传感器此时不适用于连续精确地确定位置，这是因为它们只提 供基于加速度的测量值，而不提供绝对位置确定数据。其结果是，从这种传感器的测 量值得出的位置确定数据尤其是基于在加速度或位置变化的测量中的扩散和因此累 积的误差而经受连续漂移。然而，由于根据本发明在位置确定单元中的嵌入，因此该 缺点对于位置确定的整体结果没有显著的不利影响。

这种依据基于MEMS部件并且被实施成小型化机器或部件的惯性测量单元已由 现有技术公开。

本发明的主题也涉及测量机尤其是坐标测量仪CMM(具有门型设计或关节臂设 计，或者实施成激光跟踪器)或者大地测绘系统(如经纬仪或视距仪)以确定目标物体的 位置，所述测量机包括根据本发明的上述其中一个实施方式的本发明的位置确定装 置。于是，该位置确定装置被用于确定铰接部中的角度(参见关节臂CMM、激光跟踪 器、经纬仪或视距仪)或者线性移位机构中的长度(例如参见门型CMM)。

根据一个优选实施方式，至少一个惯性测量单元被分配给测量机的每个可动的和 /或可分离地移动的部件以确定加速度或位置变化。

本发明的主题还涉及用于利用根据本发明的位置确定装置来确定目标物体的位 置的测量方法，该位置确定装置包括带有与编码协作的读取头的至少一个位置编码器 和至少一个惯性测量单元。尤其是其中，该测量方法包括以下步骤：确定目标物体的 绝对位置并且借助至少一个位置编码器在第一测量频率下产生第一绝对位置确定数 据，并且确定该位置确定装置的可动部件的平移加速度和/或旋转加速度和/或位置变 化并借助至少一个惯性测量单元在第二测量频率下产生目标物体的位置的第二位置 确定数据。

根据本发明，该测量方法包括以下其它步骤：借助评估单元读取由至少一个位置 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，借助该评估单元及时地将所读取的第一位置确定数据和第二位置确定数据相互关 联，按预定的时间间隔将由该惯性测量单元接收的第二位置确定数据修正成预先由位 置编码器所接收的绝对第一位置确定数据，并且由此为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。

优选地，第一位置确定数据和第二位置确定数据此时利用卡尔曼滤波器被关联起 来。

有利地，根据本发明的测量方法在1000Hz以上的测量频率下进行。

本发明的主题还涉及具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码存储在机器 可读介质上，尤其是如果所述程序代码在根据本发明的位置确定装置的评估单元上执 行，则所述计算机程序产品用于实施根据本发明的测量方法。

附图说明

以下，将以单纯举例方式基于附图中示意性地示出的特定示例性实施方式来更加 详细描述根据本发明的位置确定装置、配备有这种位置确定装置的坐标测量机或者大 地测绘系统以及根据本发明的相关联的测量方法，也同时讨论了本发明的其它优点， 其中：

图1a、1b和1c示出可利用根据本发明的位置确定装置实施的测量方法的图示；

图2示出根据本发明的坐标测量机，该坐标测量机以示例性方式实施为门式坐标 测量机并且配备有根据本发明的位置确定装置；

图3以对应于图2的门式坐标测量机的放大图示出了根据本发明的位置确定装置 的线性编码器和惯性测量单元之间的协作；

图4示出配备有根据本发明的位置确定装置的机械手；

图5示出根据本发明的大地测绘机，该大地测绘机以示例性方式实施为经纬仪并 且配备有根据本发明的位置确定装置；

图6示出在根据本发明的位置确定装置的角度编码器和惯性测量单元之间的协 作。

具体实施方式

图1a、1b和1c示出了可利用根据本发明的位置确定装置来实施的测量方法。

在此，图1a示意性地示出了在时间t的过程中所获取的第一位置确定数据110， 所述第一位置确定数据作为绝对第一确定值111按照时间间隔112由根据现有技术的 位置编码器(例如像线性编码器或角度编码器)来测量。所获取的确定值111通常对 应于期望的最高精度135并且超过由最高精度135和最低精度136之差137所限定的 预定最低精度136。在这里，在按顺序获取的绝对第一确定值之间的时间间隔112较 大，或者相应的数据获取频率较低，一般相当于1Hz到20Hz的数量级的测量频率。

图1b示意性地示出了第二位置确定数据120的典型时间曲线t，该第二位置确定 数据120通过由惯性测量单元所测量的该位置确定装置的可动部件的加速度数据或 位置变化数据而产生。所分配的第二确定值121以相对短的时间间隔122或以相对高 的相应数据获取频率被按顺序记录。

在初始时间t0，第二位置确定数据的确定值121例如因为初始校准而对应于相应 的最高精度135的值。然而，按顺序记录下的其它确定值121显示出暂时漂移，如图 1b中示意性所示的，其中显著降低到预定最低精度136以下。这由以下情况引起， 即，惯性测量单元的传感器只提供基于加速度或位置变化的测量值，而不提供绝对位 置确定数据。其结果是，由这种传感器的测量值得出的位置确定数据尤其是基于加速 度测量或位置变化测量中的扩散的和因此累积的误差而经受连续漂移。

因此，惯性测量单元对于以例如50Hz至2000Hz的数量级的高测量频率获取数 据是有利的，但不适于仅作为以连续充足的精度来产生位置确定数据的装置。

基于图1c示出了根据本发明的方案。根据本发明，评估单元140被分配给该位 置确定装置，该评估单元被构造成读取由所述至少一个位置编码器产生的第一位置确 定数据110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120以及它们相 应的确定值111、121，以使这些确定数据在时间上相互关联并且以预定时间间隔112 将由惯性测量单元接收的第二位置确定数据120或第二确定值121修正成预先由位置 编码器接收的绝对第一位置确定数据110或第一确定值111，并且由此总是为在该时 间过程中继续接收的第二位置确定数据120或第二确定值121设置新初始值133。

结果，利用惯性测量单元以对应于时间间隔122的很短的时间间隔122产生组合 的位置确定数据130，然而，所述位置确定数据因为总是按时间间隔132进行的第二 位置确定数据修正而被固定在最高精度135和预定的充足精度136之间的预定偏差 137内。

根据一个实施方式，评估单元140被构造成用于实现对所接收的第二位置确定数 据120按时间间隔122所进行的修正和重设，该时间间隔可由位置确定装置的使用者 通过相对于在由第一位置确定数据产生的绝对值和由第二位置确定数据产生的偏离 的第二确定值121之间的可预先限定的偏差137的间隔来限定。

图2示出了根据本发明的坐标测量机1，其以示例性方式实施成门式坐标测量机1。

坐标测量机1具有基座10，门14如此布置在该基座上，即，该门可以在纵向方 向(Y方向)上移动。门14具有两个门支撑件11，所述门支撑件通过桥接部17在它们 的上端处相互连接。

X托架12被布置在桥接部17上，所述X托架可沿桥接部17移动，即，在连接 两个门支撑件11的空间方向(X方向)上移动。杆或Z柱13可沿第三空间方向(Z方向) 移动并且在X托架12的承座内被引导。对于沿Z方向的该移动，Z柱13由作为托 架12的部件的支承件被引导。这三个空间方向X、Y和Z优选地相互垂直取向，但 这不是本发明的前提条件。

坐标测量机1设置为用于确定物体5上的一个或多个测量点6，因此具有三个线 性引导机构以实现测量头15的运动，该测量头布置在Z柱13的面向基座10的下部 自由端处并且例如被实施成用于在三个空间方向X、Y和Z上相对于基座10进行触 感测量。

每个线性引导机构都具有相关联的引导件(沿X方向、Y方向和Z方向)。另外， 所述线性引导机构中的每一个都具有所分配的位置编码器，该位置编码器在此例子中 呈线性编码器的形式，用于确定在所分配的引导方向上的位置，其中，各线性编码器 都与呈测量刻度62、61、63的形式的相关联的编码61、62、63协作以确定在X方 向、Y方向和Z方向上的位置。

根据本发明，该坐标测量机还具有：惯性测量单元51，该惯性测量单元51用于 测量带有门支撑件11的门14在Y方向上的加速度和位置变化；惯性测量单元52， 该惯性测量单元52用于测量托架12在X方向上的加速度和位置变化；以及惯性测 量单元53，该惯性测量单元53用于测量带有采样头15的Z柱13在Z方向上的加速 度和位置变化。

在此例子中由具有测量刻度61、62、63的位置编码器与惯性测量单元51、52、 53的组合构成的位置确定装置的功能和工作方法与以上根据图1a至1c所述的情况 相似。

本发明不局限于如图2中所示的门式坐标测量机。相反，任何已知类型的坐标测 量机都适用于本发明，尤其是例如能够借助适当的测量头进行物体表面测量的所谓的 “关节臂式坐标测量机”。

在对应于图2的门式坐标测量机1的放大视图中，图3示出了根据本发明的位置 确定装置50的线性编码器60和惯性测量单元51之间的协作。线性编码器60包括用 于读取编码载体64的编码61的读取头71。读取头71布置在门支撑件11的下端处， 适当地接近附接至基座10的编码载体64，从而能读取编码载体的编码61。用于测量 门支撑件11相对于基座10的加速度或位置变化的惯性测量单元51设置在门支撑件 11上。

为了控制或监视机械手2的可动部件的位置变化，根据本发明的位置确定装置也 可以安装有用于加工物体7的由该位置确定装置引导的工具25，如在图4以示例性 方式所示的。在此例子中，待被加工的物体7是汽车门。以示意性和示例性方式所示 的机械手2包括多个部段20、21、22、23、24，这些部段可通过铰接部26、27、28 相对于彼此被调节或旋转。通常，这样的机械手例如作为机床的部件由评估、监视和 控制单元(在此未示出)遥控。铰接部26、27、28配备有位置编码器(在此也未示出)， 这些位置编码器被实施成角度编码器以用于在此情况下确定部段20、21、22、23、 24相对于彼此的旋转。为了确定加速度并实现高测量频率，惯性测量单元54、55、 56和57被分别附接至机械手的部段21、22、23和24。

作为应用的另一例子，图5示出了大地测绘机，该大地测绘机示范性地实施成配 备有根据本发明的位置确定装置的总站仪或经纬仪3。

在此例子中，经纬仪3包括呈三脚架形式的基座41，在该基座上以可旋转的方 式安装有上部42。以可枢转的方式安装在上部42上的瞄准单元43通常配备有被实 施成用于发出激光束的激光源和激光探测器，因此该瞄准单元提供用于确定目标物体 的位置的测距功能。

瞄准单元43相对于基座41的空间对准可通过两个角度测量单元或角度编码器 (在此未示出)来获得。

为了确定加速度并实现高测量频率，惯性测量单元57、58和59被分别附接至基 座41、上部42和瞄准单元43。

图6示出了根据本发明的位置确定装置50的角度编码器80和惯性测量单元59’ 和59”之间的协作。两个臂状部段31和32通过铰接部29相互连接并可围绕该铰接 部29在箭头83方向上相对于彼此枢转。两个部段31和32之间的角度设置值借助角 度编码器80来测量。角度编码器80包括用于读取编码82的读取头84，其中在编码 载体81上具有多个同心编码轨。为了确定加速度并实现高测量频率，在可相对于彼 此枢转的两个部段31、32上布置有惯性测量单元59’和59”。