КОДОВАЯ РЕЙКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГО НИВЕЛИРА Российский патент 2014 года по МПК G01C15/06 

Предлагаемое изобретение относится к нивелирным рейкам и приборам определения уровня, например, геодезическим электронным приборам, предназначенным для геометрического нивелирования поверхностей.

Более конкретно, изобретение относится к нивелирной рейке для автоматического определения высоты (положения) коллимированного фрагмента рейки, используемой в сочетании с электронным нивелиром.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в геометрическом электронном нивелировании, а также в прецизионных бесконтактных датчиках линейного положения.

Разница высот, как правило, измеряется с помощью реек и прибора (станции). В случае обычных инструментов геометрического выравнивания или уровня, которые используют телескопическую систему, оператору необходимо считывать шкалу по удаленной нивелирной рейке. Точное считывание удаленного отсчета по шкале высоты с помощью зрительной трубы зависит от опыта и степени концентрации оператора, что, зачастую, является источником ошибок измерения.

Для устранения человеческих ошибок чтения оператора и ускорения процесса измерения были предложены различные подходы. Одним из них является использование машинного считывания коллимированного фрагмента нивелирной рейки. Прибор в этом случае содержит многоэлементный фотоприемник для регистрации коллимированного фрагмента рейки и устройство обработки электронной информации, а рейка-графический код, определяющий текущее значение высоты.

Известна кодовая рейка для электронного нивелира [патент US-A-5 537 201 (Topcon)). Рейка содержит кодовые штриховые элементы, расположенные вдоль длины рейки с постоянным шагом, что дает частоту для определения дистанции. Дополнительно используется двухфазовая модуляция сигнала, широко распространенная из радиолокационной техники и позволяющая достичь высокого разрешения. Каждый из двух сигналов бинаризован и графически нанесен на рейку с использованием модуляции ширины штриха на определенном интервале постоянной длины. Для возможности разделения интервалов при обработке на рейку нанесен третий тип штрихового символа (символ-разделитель). Штриховые элементы сигналов двухфазовой модуляции (А_Х, В_Х) и символ-разделитель (R_Х) циклически повторяются по всей длине кодовой рейки. Использование постоянного шага между штриховыми элементами при обработке в частотной области позволяет определить дистанцию до рейки. Значение высоты вычисляется на основе анализа сигнала двухфазной модуляции с учетом текущего значения дистанции.

Однако указанная кодовая рейка обладает рядом недостатков, основным из которых является ограничение рабочего диапазона дистанций в случаях, когда на больших дистанциях разрешения многоэлементного фотоприемного устройства (МФПУ) или оптики прибора недостаточно для регистрации коллимированного фрагмента кода. С другой стороны, на близких дистанциях участка штрихового кода, спроецированного на фотоприемник, может быть недостаточно для однозначного определения текущей высоты. Еще одним недостатком данного вида кодовой рейки является тот факт, что символ-разделитель неизменен на всей длине кода рейки и сам не несет какой-либо информации о высоте. Другими словами, использование одинакового символа-разделителя сокращает эффективность кодирования высоты.

Кроме того, известна кодовая рейка (патент ЕР 1593934 A1 (Leica)), являющаяся прототипом предлагаемого изобретения и содержащая штриховой код со множеством штрихов, служащих для выражения позиции вдоль рейки; каждый штрих, имеет ширину (Ш_хВ), взятую из предопределенного набора значений ширины.

Шаг между двумя соседними штрихами является переменной величиной, и выбирается из набора заданных значений шага (P1, P2), так что положение вдоль нивелирной рейки выражается через следующие два параметра:

- Ширину (Ш_хВ) одного наименьшего штриха, и

- По крайней мере значение одного шага, разделяющего смежные штрихи.

Уровень (высота) представляется набором кодированных высотой штриховых блоков, которые обеспечивают цифровую индикацию высоты. Каждый блок включает в себя три штриховых символа, которые ориентированы с двумя различными интервалами между символами.

Для кодирования меток высоты, наборы штриховых символов группируются вместе, чтобы сформировать полную шкалу штрихкода рейки. Штрихкод в совокупности состоит из параллельных штрихов и пробелов, где черные штрихи различной ширины представляют последовательности из двоичных нулей, а пробелы различной ширины представляют строки бинарных единиц. Конкретное расположение элементов определяют данные, закодированные в соответствии с набором правил и определенные в соответствии с типом кодировки. Общая бинарная последовательность кода рейки является псевдослучайной апериодической и выбрана такой, что фрагмент кода более определенной длины является уникальным, т.е. не повторяется.

Однако указанная кодовая рейка не позволяет корректировать ошибки машинного чтения штрихового кода рейки при их возникновении, например, вследствие недостатка оптического разрешения прибора или присутствия в области измерений помех (деревьев, теней на рейке от посторонних предметов). Это ведет к ограничению рабочего диапазона дистанций, а также повышенным требованиям к освещенности и отсутствию названных помех во время измерений.

Задачей предлагаемого изобретения является создание кодовой рейки для электронного нивелира, имеющей более широкий рабочий диапазон дистанций.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве код нивелирной рейки представляет собой графическое представление псевдослучайной последовательности, не обладающей свойством коррекции ошибок, а в предлагаемом изобретении штриховой код рейки представляет собой суперпозицию основного и дополнительного кодов, причем элементы основного кода представлены белыми и черными штриховыми символами постоянной ширины Р1 и расположены с постоянным интервалом, также равным Р1, и элементы дополнительного кода на рейке представлены черными и белыми штриховыми символами с шириной, выбираемой из набора значений {Р2, Р3, Р4}. Значения ширины Р2, Р3, Р4 значительно меньше Р1. Информация о высоте представлена во фрагментах основного кода рейки, любые семь соседних штриховых символов основного кода являются таким фрагментом, достаточным для однозначной идентификации высоты на дистанциях более 8 метров. Каждый фрагмент из семи соседних штриховых символов основного кода присутствует на рейке в единичном экземпляре. Фрагмент из любых семи соседних штриховых символов основного кода рейки является графическим представлением кодовой комбинации бинарного циклического кода и, как следствие, обладает свойством коррекции ошибок. Штриховые символы дополнительного кода рейки нанесены поверх штриховых символов основного кода рейки и служат для графического разделения элементов основного кода, а также для идентификации высоты на дистанциях менее 8 метров.

На чертеже приведена предлагаемая кодовая рейка для электронного нивелира, где позиции 1, 2, 3 - кодовые комбинации (метки высоты). Позиции 4, 5 - это крупные и малые штриховые символы кода соответственно.

Нивелирная рейка представляет собой брусок прямоугольного сечения с нанесенным на одну из сторон (продольную) подложку изображением штрихового черно-белого кода. Графические элементы кода изображены в виде последовательности черных и белых прямоугольников, параллельных друг другу и ориентированных поперек продольного направления рейки.

Штриховой код рейки включает в себя черные и белые штриховые символы двух типов:

1. Крупные штриховые символы поз.4 шириной Р1 (не менее 12 мм);

2. Малые штриховые символы поз.5, ширина которых выбирается из набора предопределенных значений Р2, Р3, Р4 (1-3 мм).

Кодовая рейка для электронного нивелира работает следующим образом.

Общий штриховой код рейки представляет собой суперпозицию двух кодов: основного и дополнительного.

Основной код нивелирной рейки графически представлен крупными штриховыми символами поз.4 белого и черного цвета ширины Р1, расположенными с постоянным интервалом, также равным Р1.

Основной код нивелирной рейки содержит информацию о высоте (метки высоты), которая используется для измерений на дистанциях более 8 метров. Минимальный фрагмент штрихового кода рейки, который необходим для определения высоты, составляет семь полных штриховых символов основного кода рейки (7 P1).

Штриховые символы основного кода нивелирной рейки являются графическим представлением двоичной последовательности, основанной на циклическом коде и полученной следующим образом:

1. С помощью выбранного порождающего полинома g(x) степени (N-K) известными методами получена кодовая комбинация бинарного циклического кода (исходная) длиной N (N=7) и количеством информационных разрядов К (К=4).

2. Полученная кодовая комбинация циклически сдвинута N-1 раз влево (вправо). При этом все промежуточные значения сдвигов записаны в некоторую последовательность, например:

(К1 К2 К3 К4 Х5 Х6 Х7)->…->(Х7 К1 К2 К3 К4 Х5 Х6),

где Кх и Хх - элементы двоичного кода, 1 или 0;

Для данного примера последовательность будет:

К1 К2 К3 К4 Х5 Х6 Х7 К1 К2 К3 К4 Х5 Х6

Любые смежные N элементов такой последовательности являются разрешенными кодовыми комбинациями выбранного циклического кода и не повторяются. На чертеже приведена такая последовательность, цифрами (поз.1, 2, 3) обозначены кодовые комбинации.

3. В несколько последних элементов кода полученной последовательности внесено преднамеренное искажение (замена «1» на «0» или наоборот).

4. На основе К последних элементов кода последовательности, полученной в п.2 и с внесенными искажениями п.3, составлена новая исходная комбинация циклического кода с параметрами кодирования N, К, g(x) - принятыми в п.1.

5. Действия пп.2, 3, 4 повторно произведены до получения суммарной основной кодовой последовательности рейки нужной длины.

Общая кодовая последовательность основного кода рейки будет, таким образом, иметь вид: {К1 К2 К3 К4 Х5 Х6 Х7 К1 К2 К3(К2-1) К4(К2-2) Х5(К2-3) Х6(К2-4) Х2-5 Х2-6 Х2-7 К2-1 К2-2…}. Любые соседние N элементов кода являются кодовой комбинацией циклического кода, не повторяются и обладают корректирующим свойством. Вследствие этого каждая такая кодовая комбинация может являться независимой штриховой меткой высоты определенного фрагмента рейки. Двоичные элементы основного кода на рейке представляются в виде крупных штриховых символов черного или белого цвета одинаковой ширины.

Полученное штриховое представление основного кода рейки совмещено с дополнительным кодом, графическое представление элементов которого выполнено штриховыми символами малого размера (поз.5). Задача дополнительного кода - разделение одинаковых близлежащих элементов основного кода, а также обеспечение идентификации высоты на ближних дистанциях (менее 8 метров).

Электронный нивелир анализирует регистрируемый фрагмент штрихового кода рейки. В случае, когда поле зрения прибора менее геометрического размера одной кодовой комбинации основного кода (т.е. менее 7 P1), производится считывание текущего значения высоты по дополнительному коду. В остальных случаях производится попытка считывания основного кода - метки высоты (кодовой комбинации), приходящейся на визирную ось прибора.

Использование предлагаемой кодовой рейки позволит расширить диапазон дистанций. Это достигается тем, что код предлагаемой кодовой рейки составлен таким образом, что любые семь соседних штриховых символов основного кода рейки являются графическим представлением кодовой комбинации бинарного циклического кода, а значит обладают свойством коррекции ошибок. На предельных дистанциях, когда чтение штрихового кода ограничено оптическим разрешением нивелира, часть штриховых символов кода рейки может быть первично считана неверно, однако такие ошибки будут исправлены за счет свойства помехозащищенности кода на этапах последующей обработки сигнала рейки.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в геометрическом электронном нивелировании, а также в прецизионных бесконтактных датчиках линейного положения. Кодовая рейка для электронного нивелира содержит подложку с нанесенным на ее рабочую поверхность штриховым одномерным кодом вдоль направления рейки, фрагменты которого включают информацию о высоте, выраженную штриховыми символами черного и белого цвета переменной ширины. Штриховой код рейки представляет собой суперпозицию основного и дополнительного кодов, причем элементы основного кода представлены белыми и черными штриховыми символами постоянной ширины Р1 и расположены с постоянным интервалом, также равном P1, a элементы дополнительного кода на рейке представлены также черными и белыми штриховыми символами, но с шириной, выбираемой из набора значений {Р2, Р3, Р4}, и нанесены поверх штриховых символов основного кода. Значения ширины Р2, Р3, Р4 значительно меньше Р1. Информация о высоте представлена во фрагментах основного кода рейки, любые семь соседних штриховых символов основного кода являются таким фрагментом, достаточном для однозначной идентификации высоты на дистанциях более восьми метров. Каждый фрагмент из семи соседних штриховых символов присутствует на рейке в единичном экземпляре, любые семь соседних штриховых символов основного кода рейки являются графическим представлением кодовой комбинации бинарного циклического кода и обладают свойством коррекции ошибок. Штриховые символы дополнительного кода рейки предназначены для графического разделения штриховых символов основного кода и идентификации высоты на дистанциях менее 8 метров. Технический эффект заключается в расширении рабочего диапазона дистанций электронного нивелира. Предложенная штрихкодовая рейка позволяет использовать электронный нивелир, имеющий более широкий рабочий диапазон дистанций. 1 ил.

Кодовая рейка для электронного нивелира, содержащая подложку с нанесенным на ее рабочую поверхность штриховым одномерным кодом вдоль направления рейки, фрагменты которого включают информацию о высоте, выраженную штриховыми символами черного и белого цвета переменной ширины, отличающаяся тем, что штриховой код рейки представляет собой суперпозицию основного и дополнительного кодов, причем элементы основного кода представлены белыми и черными штриховыми символами постоянной ширины Р1 и расположены с постоянным интервалом, также равным Р1, а элементы дополнительного кода на рейке представлены также черными и белыми штриховыми символами, но с шириной, выбираемой из набора значений {Р2, Р3, Р4}, и нанесены поверх графического представления элементов основного кода, значения ширины Р2, Р3, Р4 значительно меньше Р1, информация о высоте представлена во фрагментах основного кода рейки, любые семь соседних штриховых символов основного кода являются таким фрагментом, достаточным для однозначной идентификации высоты на дистанциях более 8 метров, каждый фрагмент из семи соседних штриховых символов присутствует на рейке в единичном экземпляре, любые семь соседних штриховых символов основного кода рейки являются графическим представлением кодовой комбинации бинарного циклического кода, штриховые символы дополнительного кода рейки предназначены для графического разделения штриховых символов основного кода и идентификации высоты на дистанциях менее 8 метров.