JP2004513374A

JP2004513374A - Non-contact measurement device for accurate angle measurement in vertical and horizontal directions

Info

Publication number: JP2004513374A
Application number: JP2002541416A
Authority: JP
Inventors: アルフレッド・エイ・ピース
Original assignee: Perceptron Inc
Current assignee: Perceptron Inc
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2004-04-30
Also published as: EP1337880A1; CA2428373A1; AU2002231237A1

Abstract

本発明による手持ち式のまたはツール組込型の測定デバイス（１０）は、家庭内または商業的作業領域内における様々な対象物に関しての寸法や角度の迅速かつ正確な非接触測定をもたらす。測定デバイス（１０）は、使用者入力部材（１８）と、非接触センサ（２２）と、画像プロセッサ（２４）と、重力参照デバイス（３０）と、ディスプレイ（２６）とを、携帯式ハウジングアセンブリ（１２）内にパッケージングした状態で、具備している。使用時には、使用者は、使用者入力部材（１８）によって測定を開始する。非接触センサ（２２）は、画像データを収集する。重力参照デバイス（３０）は、重力ベクトルデータを収集する。画像プロセッサ（２４）は、画像データを、測定対象物の表面が重力ベクトルデータに対してなす角度に関する角度測定データへと、変換する。A hand-held or tool-integrated measuring device (10) according to the present invention provides fast and accurate non-contact measurement of dimensions and angles for various objects in a home or commercial work area. The measurement device (10) includes a user input member (18), a non-contact sensor (22), an image processor (24), a gravity reference device (30), and a display (26), a portable housing assembly. It is provided in the state packaged in (12). In use, the user starts the measurement with the user input member (18). The non-contact sensor (22) collects image data. The gravity reference device (30) collects gravity vector data. The image processor (24) converts the image data into angle measurement data relating to the angle that the surface of the measurement object makes with respect to the gravity vector data.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、２００１年３月９日付けで出願された米国特許出願シリアル番号第０９／８０３，５３５号の一部継続出願であり、米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づき、２０００年１１月１０日付けで出願された米国特許予備出願第６０／２４７，２７０号の優先権を主張するものである。これら文献の記載内容は、参考のため、ここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は、大まかには、非接触測定デバイスに関するものである。より詳細には、表面が鉛直方向や水平方向に対してなす角度の非接触測定を迅速にかつ正確に行うための、手持ち式のまたはツール一体型の測定デバイスに関するものである。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、木製品および木工道具の寸法および角度の測定は、様々な機械的なまた電気的なキャリパや直角定規や分度器やスチール製定規や巻尺や水平器や直接弾道距離測定デバイスを使用することによって、行われてきた。これら様々なデバイスにおいては、機械的誤差および人の視覚的限界（例えば、視差）が不可避である。また、それらデバイスは、測定対象物との物理的直接接触を必要とするため、測定が、時には困難であったり不可能であったりする。加えて、多くの場合、例えばフラット表面の角度といったような、鉛直方向に対してのおよび／または水平方向に対しての角度測定を行うことが要望される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明の目的は、精度を改良することであり、測定結果を人が判断する必要性の大部分を排除することであり、機械的に実行不可能な測定を可能とすることであり、さらに、従来の測定デバイスよりも、より快適なかつより高速な測定をもたらすことである。さらに、本発明の目的は、鉛直方向に対してのおよび／または水平方向に対しての角度測定をもたらすことである。
【０００５】
本発明においては、手持ち式のまたはツール組込型の測定デバイスは、家庭内または商業的作業領域内における様々な対象物に関しての角度の迅速かつ正確な非接触測定をもたらす。本発明による測定デバイスは、使用者入力部材と、非接触センサと、重力参照デバイスと、画像プロセッサと、ディスプレイ部材とを、携帯式ハウジングアセンブリ内にパッケージングした状態で、具備している。動作時には、使用者は、測定デバイスに付属した使用者入力部材を駆動することによって、測定を開始する。非接触センサは、使用者入力部材からトリガー信号（開始信号）を受領することによって、測定対象物の表面の少なくとも一部を表す画像データを収集するように動作する。同様に、重力参照デバイスは、使用者入力部材からトリガー信号（開始信号）を受領することによって、局所的重力ベクトルを決定するように動作する。画像プロセッサは、非接触センサから画像データを受領するとともに、重力参照デバイスから局所的重力ベクトルを受領する。画像データは、測定対象物の表面が鉛直方向に対してなす角度に関する角度測定データへと、変換される。ディスプレイ部材は、その角度測定データを使用者に対して視覚的に表示するように動作する。
【０００６】
本発明およびその目的さらにはその利点のより明瞭な理解のために、以下の説明および添付図面を参照されたい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による携帯式測定デバイス（１０）の一例が、図１に示されている。携帯式測定デバイス（１０）は、使用者が手持ち式で使用するのに適したサイズとされたハウジングアセンブリ（１２）内に、収容されている。ハウジングアセンブリ（１２）が、測定デバイス（１０）の携帯を容易とするための他の構成的特徴点（例えば、ハンドルすなわち人手になじむ把持領域）を有することができることは、理解されるであろう。測定デバイスの動作は、ハウジングアセンブリ（１２）内に組み込まれた使用者インターフェース部材によって、制御することができる。この好ましい実施形態においては、１つまたは複数の押しボタン（１４）を使用することによって、使用者からの入力を受け取ることができ、さらに、ディスプレイ（１６）を使用することによって、測定データを使用者に対して視覚的に出力することができる。
【０００８】
図２においては、携帯式測定デバイス（１００）は、様々な市販の非接触センサにおいて従来より使用されてきた周知のレーザー三角測量技術を基本原理としている。一般に、非接触センサ（１００）は、対象物（１０２）に向けて、レーザー光からなる１つまたは複数の面（１０１）を投影する。複数のレーザー面（１０１）は、複数の光源アセンブリ（１０７）によって投影される。各光源アセンブリは、好ましくは、レーザーダイオードと、レーザー投影レンズアセンブリと、光源アセンブリの制御に必要な付属電子回路と、を備えている。投影されたレーザー面と対象物との間の交差ポイント（１０３）が、電気的カメラアセンブリ（１０４）によって、画像化される。電気的カメラアセンブリ（１０４）は、好ましくは、画像化アレイ（例えば、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳ）と、レンズアセンブリと、電気的カメラアセンブリの制御に必要な付属電子回路と、を備えている。
【０００９】
レーザー面に対して垂直に配向したフラット対象物に関する画像データは、挿入図（１０５）に示すように、本来的に直線である。光源と電気的カメラアセンブリとの間の三角測量関係に基づいて、センサ（１００）に対しての対象物（１０２）の接近離間方向の位置ズレは、画像データを上下方向に変位させる。画像内における鉛直方向位置ズレ（Ｖ）の分解能は、レーザーラインの厚さや、電気的カメラ内の画素数や、画像システムの全体に関しての信号雑音比、に依存する。当業者には自明なように、（視野の中央における）三角測量角度は、典型的には、１５°〜２５°である。非接触センサの例に関するさらなる詳細については、米国ミシガン州Ｐｌｙｍｏｕｔｈ所在のＰｅｒｃｅｐｔｒｏｎ社によって製造されたＴｒｉＣａｍセンサ（登録商標）を参照することができる。
【００１０】
本発明においては、携帯式測定デバイスは、さらに、重力参照デバイスを備えている。携帯式測定デバイス（２００）は、図３に示すように、２つの投影レーザー面でもって、対象物の表面（２０１）を照射する。測定デバイス（２００）は、好ましくは、少なくとも２つの投影レーザー面を使用することによって、測定データの精度を改良する。当業者であれば、第２レーザー面を使用することにより、測定対象物の表面に対しての投影レーザー面の非直交入射角度によって引き起こされた誤差を除去することができることは、容易に理解されるであろう。このようにして、測定デバイス（２００）は、測定対象物に対して必ずしも垂直である必要はなく、その場合にでも、測定対象物の表面に関しての正確な角度測定データを得ることができる。
【００１１】
挿入図（２０２）は、センサによって記録された、２つのレーザー面と表面（２０１）との交差に関する画像（２０４）を示している。対象物の被測定表面（２０１）と、センサに対しての法線ベクトルと、の間の角度（２０３）が、画像（２０４）内の角度に対応する。画像（２０４）内における２本のライン間の相対間隔を使用することにより、レーザー面（２０６）と対象物の被測定表面（２０１）との間の角度（２０５）を、数学的に求めることができる。内部重力参照は、局所的重力ベクトル（２０９）を生成する。よって、センサの法線ベクトル（２０８）と重力ベクトル（２０９）との間の角度（２０７）も、また、既知となる。最後に、これら様々な角度に関するデータを使用することにより、被測定表面（２０１）が重力ベクトル（２０）に対してなす角度（２１０）を、計算することができる。
【００１２】
図４は、本発明による携帯式測定デバイス（１０）に関連した基本構成要素を示している。携帯式測定デバイス（１０）は、一般に、１つまたは複数の使用者入力部材（１８）と、コントローラ（２０）と、非接触センサ（２２）と、画像プロセッサ（２４）と、ディスプレイ（２６）と、重力参照デバイス（３０）と、電力供給源（例えば、バッテリ）と、を備えている。非接触センサの例からの１つまたは複数のサブ構成要素（センサユニット全体ではなく）を、携帯式測定デバイス（１０）内に組み込み得ることは、理解されるであろう。
【００１３】
１つまたは複数の使用者入力部材（１８）は、測定デバイスの使用者から、入力命令を受け取る。入力命令には、電源オン／オフ命令、測定開始命令、測定モード命令、測定基点オフセット命令、等がある。入力命令は、コントローラ（２０）へと送出される。使用者入力部材（１８）は、押しボタンや回転式ノブやタッチ式スクリーンディスプレイやこれらの組合せといったように、様々な形態とすることができる。
【００１４】
コントローラ（２０）は、測定デバイス（１０）の動作全体を制御する。例えば、コントローラ（２０）は、非接触センサ（２２）と通信することにより、測定対象物に関する画像データの取得を行うことができる。特に、コントローラ（２０）は、電源オン／オフ命令および／または電源設定命令を、非接触センサ（２２）に関連した光源に対して、送出することができる。また、コントローラ（２０）は、電源オン／オフ命令や、測定開始命令や、露光命令や、解像度設定命令や、データ搬送命令を、非接触センサ（２２）に関連した画像アレイに対して、送出することができる。
【００１５】
また、コントローラ（２０）は、重力参照デバイス（３０）と通信することにより、局所的重力ベクトルデータの取得を行うことができる。本発明において使用するのに適した重力参照デバイスの一例は、米国ニュージャージー州Ｌｉｎｄｅｎ所在のＡｄｖａｎｃｅｄＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ社によって製造され、ＥＺ−ＴＩＬＴ３０００（登録商標）という商標名で市販されているデバイスである。
【００１６】
さらに、コントローラ（２０）は、画像プロセッサ（２４）と通信することができる。画像プロセッサ（２４）は、非接触センサ（２２）から画像データを取り出し得るように、また、重力参照デバイス（３０）から重力ベクトルデータを取り出し得るように、構成されている。画像プロセッサ（２４）は、画像データを、測定対象物に関する測定データへと、変換するように動作することができる。画像プロセッサ（２４）は、当該技術分野においては周知なように、生の（未処理の）画像データを測定データへと変換するための１つまたは複数のソフトウェアアルゴリズムを備えている。デバイスが実行すべき測定のタイプ（例えば、対象物の幅、２つの隣接面間の角度、等）に応じて、様々なアルゴリズムを使用し得ることが想定される。
【００１７】
特に興味深い点として、画像プロセッサ（２４）は、さらに、画像データを、測定対象物の表面に関する角度測定データへと変換するように、動作することができ、その後、その表面が重力ベクトルに対してなす角度を決定することができる。画像プロセッサ（２４）は、重力ベクトルに対しての角度を決定するための様々なソフトウェアアルゴリズムを使用する。表面がなす角度の決定は、鉛直（鉛直方向）に関するものとして、また、水平（水平方向）に関するものとして、使用者に対して提供することができる。
【００１８】
測定デバイスのハウジング内に埋め込まれた（あるいは、嵌め込まれた）ディスプレイ（２６）を使用することにより、使用者に対して、測定データを視覚的に表示することができる。これを行うために、ディスプレイ（２６）は、画像プロセッサ（２４）から測定データを受領し得るように構成されている。加えて、ディスプレイ（２６）は、使用者に対して寸法データを表示する際の表示態様に関して、コントローラから入力命令を受領することができる。ディスプレイ（２６）は、グラフィック表示を行うこともまた数値表示を行うこともでき、また、例えばＬＥＤやＬＣＤといったように様々な形態のものとすることができる。
【００１９】
携帯式測定デバイス（１０）は、付加的に、外部通信ポート（２８）（例えば、ＲＳ−３２２、ＵＳＢ、無線ポート、等）を備えることができる。コントローラ（２０）が、通信ポート（２８）を介して、外部ソースに対して測定データを伝送し得ることが想定される。加えて、コントローラ（２０）は、外部ソースから通信ポート（２８）を介して、遠隔起動命令を受領したり、あるいは、ソフトウェアアルゴリズムを更新したり、することができる。
【００２０】
上記測定デバイス（１０）に関する典型的な測定サイクルが、図５Ａおよび図５Ｂに示されている。初期的には、デバイス準備ステップが、使用者によって行われる。ステップ（４００）において、使用者は、デバイスに関して、測定モードを選択する。測定モードとは、デバイスによって行うべき測定のタイプ（例えば、対象物の幅、２つの隣接面間の角度、表面が重力ベクトルに対してなす角度、等）のことである。当業者には自明なように、測定モードは、画像データを測定データへと変換するために使用するアルゴリズムを決定するとともに、使用者に対しての測定データの表示方法を決定する。加えて、センサが、ステップ（４０２）において、使用者によって起動される。その結果、測定レーザー面と、場合によっては補助的位置合わせビームとが、測定デバイス（１０）から投影される。
【００２１】
次に、使用者は、ステップ（４０４）において、測定デバイスを、測定対象物へと向ける。特に、測定デバイスは、測定対象物が非接触センサの視野内に収まるようにして、配置される。補助的レーザー光源を使用することによって、使用者が測定対象物をセンサの視野の中央位置に位置させることを補助し得ることが、想定される。
【００２２】
ステップ（４０６）に示すように、使用者は、測定を開始する（トリガーする）ことができる。使用者入力部材を駆動させることにより、開始命令（トリガー命令）が生成されて、コントローラへと送出される。開始命令に応答して、コントローラは、カメラ露光を所定値に設定し、その後、カメラを起動することによって、ステップ（５０８）において画像データを取得する。また、使用者入力部材を介することによって、上記デバイス準備プロセスの一部として、使用者がカメラ露光を設定することもできることが想定される。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態においては、ステップ（４１０）に示すように、画像データを部分的に処理することによって、露光設定が適正がどうかを決定することができる。当業者であれば、露光設定が、例えば入射角度や測定対象物の材質といったような様々な要因に依存することは、容易に理解されるであろう。ステップ（４１２）においては、露光の適正度合いが評価される。カメラに対する露光設定が適切でなければ、コントローラは、ステップ（４１６）において、適切な設定を評価し、ステップ（４１８）において、露光設定を調節することができる。その後に、カメラが、他の画像を取得することとなる。このプロセスは、適切な露光設定サイクルが得られるまで、繰り返すことができる。適切な露光設定を得るに際し、典型的な応用においては、２回を超えないサイクルが必要とされることが想定される。さらに、この繰返しプロセスに要する時間が、１秒よりもずっと短いことが望ましい。所定回数の繰返し操作後においてもまたは所定時間後においても適切な露光設定が得られなかった場合には、ステップ（４１４）において、不良インジケータが、使用者に対してもたらされる。
【００２４】
露光設定が許容可能であると思われる場合には、ステップ（４２０）において、画像データのすべてが処理される。これを行うために、画像データは、センサから画像プロセッサへと移送される。画像プロセッサは、利用可能なアルゴリズムを使用することによって画像データを測定データへと変換し、重力センサのデータを適用する。ステップ（４２２）においては、測定データが、使用者に対して視覚的に表示される。測定データに加えて、測定モードの視覚的インジケータと、測定対象物の視覚的表示と、使用者に対して表示することができる。ステップ（４２４）においては、その後の処理のために、あるいは場合によっては、コンピュータに対しての移送のために、デバイス上に存在するメモリスペース内に測定データを格納することができる。上記測定サイクルは（あるいは、その一部は）、付加的な測定データを得るために繰り返すことができる。
【００２５】
最後に、測定デバイスは、ステップ（４２６）において、測定サイクル終了後には、パワーダウンすることができる。所定時間にわたって駆動されなかった時点で、センサを、待機モードへとパワーダウンすることが想定される。待機モードにおいては、測定デバイスが完全に電源オフされるまでは、ディスプレイは、読み取ることができる。測定サイクルに関連する各ステップについてのみ上述したけれども、他のソフトウェア実施命令を実行することによって、携帯式測定デバイスの動作全体を制御して管理することができることは、理解されるであろう。
【００２６】
測定デバイス（１０）の携帯特性により、この測定デバイス（１０）を、デバイスのハウジングアセンブリが測定データに対する参照平面として機能するようにして、任意のフラットな表面上に（例えば、作業台上に、あるいは、床上に）配置したり、スタンド内に設置したり、あるいは、典型的な作業環境の他の領域内に配置することができることは、理解されるであろう。
【００２７】
本発明による手持ち式測定デバイスの典型的な応用には、限定するものではないが、例えば木製の支柱や梁や構成壁が設置された時にこれらが地表面に対して垂直であるかどうかを決定するといったような、近隣対象物の角度測定；例えばテーブル上面といったような近隣フラット対象物が地表面に対して直接的に水平であるかどうかの決定；あるいは、静止しているものや移動しているものも含めてすべての近隣対象物が鉛直方向に対してなす角度の決定；がある。よって、本発明による測定デバイスは、機械的バブル式水平器や電気機械的水平器が使用されるようなすべての応用において、使用することができる。加えて、本発明による測定デバイスは、スペース的な制限のためにあるいは対象物が高温すぎることのためにあるいは対象物が接触によって壊れやすいことのために、そのような従来的水準器が使用できないような応用であっても、使用することができる。他のタイプの特定の応用には、限定するものではないが、冷凍ユニットの水準測量；キャビネットの垂下；屋内ドアおよび屋外ドアの取付；窓の取付；床の水準測量；傾斜および勾配の決定；および、屋根ピッチの決定；がある。
【００２８】
上記により、本発明が、携帯式測定デバイスの分野において有意義な前進を提供するものであることが理解されるであろう。本発明は、家庭内におけるまたは商業的作業領域内における様々な対象物に関する寸法および／または角度の非接触測定を、迅速かつ正確に行う。特に重要な点として、本発明は、対象物の表面が鉛直方向または水平方向に対してなす角度の測定データを決定する。本発明について、現時点での好ましい実施形態について説明したけれども、本発明は、特許請求の範囲において規定した本発明の精神を逸脱することなく、変形可能なものであることは、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による携帯式非接触測定デバイスを示す斜視図である。
【図２】非接触センサの一例において使用されるレーザー三角測量技術を示す説明図である。
【図３】本発明による非接触測定デバイスによって使用されるレーザー三角測量技術を示す説明図である。
【図４】本発明による非接触測定デバイスの主要構成要素を示すブロック図である。
【図５Ａ】本発明による非接触測定デバイスに関する測定サイクルの一例を示すフローチャートである。
【図５Ｂ】本発明による非接触測定デバイスに関する測定サイクルの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０　携帯式測定デバイス（手持ち式測定デバイス）
１２　ハウジングアセンブリ
１４　押しボタン（使用者入力部材）
１６　ディスプレイ
１８　使用者入力部材
２２　非接触センサ
２４　画像プロセッサ
２６　ディスプレイ
３０　重力参照デバイス
１００　非接触センサ
１０２　測定対象物
２００　携帯式測定デバイス（手持ち式測定デバイス）
２０１　表面（被測定表面）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application Serial No. 09 / 803,535, filed March 9, 2001, which is incorporated herein by reference under 35 U.S.C. 119 (e). No. 60 / 247,270, filed Nov. 10, 2010. The contents of these documents are incorporated herein by reference.
[0002]
The present invention relates generally to non-contact measurement devices. More particularly, the present invention relates to a hand-held or tool-integrated measuring device for quick and accurate non-contact measurement of an angle between a surface and a vertical or horizontal direction.
[0003]
2. Description of the Related Art
Traditionally, the measurement of dimensions and angles of wood products and woodworking tools has been achieved by using various mechanical and electrical calipers, right angle rulers, protractors, steel rulers, tape measures, levelers and direct ballistic distance measuring devices. Has been done. In these various devices, mechanical errors and human visual limitations (eg, parallax) are inevitable. In addition, these devices require physical direct contact with the object to be measured, making measurement sometimes difficult or impossible. In addition, it is often desirable to make angle measurements relative to vertical and / or horizontal, such as the angle of a flat surface.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, it is an object of the present invention to improve accuracy, to eliminate most of the need for human judgment of measurement results, and to enable measurements that cannot be performed mechanically. And also provide a more comfortable and faster measurement than conventional measuring devices. It is a further object of the present invention to provide an angle measurement with respect to a vertical direction and / or a horizontal direction.
[0005]
In the present invention, a hand-held or tool-integrated measuring device provides fast and accurate non-contact measurement of angles for various objects in a home or commercial work area. A measurement device according to the present invention comprises a user input member, a non-contact sensor, a gravity reference device, an image processor, and a display member, packaged in a portable housing assembly. In operation, a user initiates a measurement by driving a user input member associated with the measurement device. The non-contact sensor operates to collect image data representing at least a part of the surface of the measurement target by receiving a trigger signal (start signal) from the user input member. Similarly, the gravity reference device operates to determine a local gravity vector by receiving a trigger signal (a start signal) from a user input member. The image processor receives image data from the non-contact sensor and receives a local gravity vector from the gravity reference device. The image data is converted into angle measurement data relating to the angle formed by the surface of the measurement object with respect to the vertical direction. The display member operates to visually display the angle measurement data to a user.
[0006]
For a clearer understanding of the invention, its objects and its advantages, reference is made to the following description and the accompanying drawings.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An example of a portable measuring device (10) according to the present invention is shown in FIG. The portable measurement device (10) is contained in a housing assembly (12) sized for hand-held use by a user. It will be appreciated that the housing assembly (12) can have other structural features (eg, a handle or a gripping area that fits in the hand) to facilitate carrying the measurement device (10). . Operation of the measurement device can be controlled by a user interface member incorporated within the housing assembly (12). In this preferred embodiment, input from the user can be received by using one or more push buttons (14), and further, by using the display (16), the measurement data can be used. Can be visually output to the user.
[0008]
In FIG. 2, the portable measuring device (100) is based on the well-known laser triangulation technique conventionally used in various commercially available non-contact sensors. Generally, the non-contact sensor (100) projects one or more surfaces (101) of laser light towards the object (102). The plurality of laser surfaces (101) are projected by the plurality of light source assemblies (107). Each light source assembly preferably includes a laser diode, a laser projection lens assembly, and ancillary electronics necessary to control the light source assembly. The intersection point (103) between the projected laser surface and the object is imaged by the electronic camera assembly (104). The electrical camera assembly (104) preferably includes an imaging array (eg, CCD or CMOS), a lens assembly, and the associated electronics required to control the electrical camera assembly.
[0009]
Image data for a flat object oriented perpendicular to the laser plane is essentially a straight line, as shown in the inset (105). Based on the triangulation relationship between the light source and the electrical camera assembly, a displacement of the object (102) in the direction away from the sensor (100) displaces the image data vertically. The resolution of the vertical displacement (V) in the image depends on the thickness of the laser line, the number of pixels in the electric camera, and the signal-to-noise ratio for the entire imaging system. As will be apparent to those skilled in the art, the triangulation angle (at the center of the field of view) is typically between 15 ° and 25 °. For further details on examples of non-contact sensors, reference may be made to the TriCam Sensor® manufactured by Perceptron, Inc., Plymouth, Michigan, USA.
[0010]
In the present invention, the portable measurement device further includes a gravity reference device. The portable measuring device (200) illuminates the surface (201) of the object with two projection laser surfaces, as shown in FIG. The measurement device (200) preferably improves the accuracy of the measurement data by using at least two projection laser surfaces. One skilled in the art will readily appreciate that the use of a second laser surface can eliminate errors caused by non-orthogonal angles of incidence of the projection laser surface with respect to the surface of the measurement object. Will be. In this way, the measuring device (200) does not necessarily have to be perpendicular to the measuring object, and can still obtain accurate angle measurement data for the surface of the measuring object.
[0011]
Inset (202) shows an image (204) of the intersection of the two laser surfaces and the surface (201) recorded by the sensor. The angle (203) between the measured surface (201) of the object and the normal vector to the sensor corresponds to the angle in the image (204). Mathematically determining the angle (205) between the laser surface (206) and the measured surface (201) of the object by using the relative spacing between the two lines in the image (204) Can be. The internal gravity reference generates a local gravity vector (209). Thus, the angle (207) between the sensor normal vector (208) and the gravity vector (209) is also known. Finally, using the data for these various angles, the angle (210) that the measured surface (201) makes with respect to the gravity vector (20) can be calculated.
[0012]
FIG. 4 shows the basic components associated with the portable measuring device (10) according to the invention. The portable measurement device (10) generally comprises one or more user input members (18), a controller (20), a non-contact sensor (22), an image processor (24), and a display (26). , A gravity reference device (30), and a power supply (eg, a battery). It will be appreciated that one or more sub-components (rather than the entire sensor unit) from the example of a non-contact sensor may be incorporated into the portable measurement device (10).
[0013]
One or more user input members (18) receive input instructions from a user of the measurement device. The input commands include a power on / off command, a measurement start command, a measurement mode command, a measurement base point offset command, and the like. The input command is sent to the controller (20). The user input member (18) can take various forms, such as a push button, a rotary knob, a touch screen display, or a combination thereof.
[0014]
The controller (20) controls the entire operation of the measuring device (10). For example, the controller (20) can acquire image data on the measurement target by communicating with the non-contact sensor (22). In particular, the controller (20) can send a power on / off command and / or a power setting command to the light source associated with the non-contact sensor (22). The controller (20) sends a power on / off command, a measurement start command, an exposure command, a resolution setting command, and a data transfer command to the image array related to the non-contact sensor (22). can do.
[0015]
The controller (20) can acquire local gravity vector data by communicating with the gravity reference device (30). One example of a gravity reference device suitable for use in the present invention is the device manufactured by Advanced Orientation Systems, Linden, NJ, USA, and sold under the trade name EZ-TILT 3000®.
[0016]
Further, the controller (20) can communicate with the image processor (24). The image processor (24) is configured to retrieve image data from the non-contact sensor (22) and retrieve gravity vector data from the gravity reference device (30). The image processor (24) is operable to convert the image data into measurement data for the measurement object. The image processor (24) comprises one or more software algorithms for converting raw (raw) image data into measurement data, as is well known in the art. It is envisioned that various algorithms may be used depending on the type of measurement the device is to perform (eg, object width, angle between two adjacent surfaces, etc.).
[0017]
Of particular interest, the image processor (24) may further be operable to convert the image data into angular measurement data relating to the surface of the measurement object, after which the surface may be moved relative to the gravitational vector. The angle to be made can be determined. The image processor (24) uses various software algorithms to determine the angle with respect to the gravity vector. The determination of the angle made by the surface can be provided to the user as relating to vertical (vertical direction) and as to horizontal (horizontal direction).
[0018]
By using a display (26) embedded (or fitted) within the housing of the measurement device, the measurement data can be displayed visually to the user. To do this, the display (26) is configured to receive measurement data from the image processor (24). In addition, the display (26) can receive an input command from the controller regarding a display mode when displaying the dimensional data to the user. The display (26) can perform both graphic display and numerical display, and can take various forms such as an LED or an LCD.
[0019]
The portable measurement device (10) may additionally include an external communication port (28) (eg, RS-322, USB, wireless port, etc.). It is envisioned that the controller (20) may transmit measurement data to an external source via the communication port (28). In addition, the controller (20) can receive a remote activation command or update a software algorithm from an external source via the communication port (28).
[0020]
A typical measurement cycle for the measurement device (10) is shown in FIGS. 5A and 5B. Initially, a device preparation step is performed by a user. In step (400), the user selects a measurement mode for the device. The measurement mode refers to the type of measurement to be performed by the device (eg, the width of the object, the angle between two adjacent surfaces, the angle that the surface makes with respect to the gravity vector, etc.). As will be appreciated by those skilled in the art, the measurement mode determines the algorithm used to convert the image data into measurement data and determines how the measurement data is displayed to the user. In addition, the sensor is activated by the user in step (402). As a result, a measuring laser surface and possibly an auxiliary alignment beam are projected from the measuring device (10).
[0021]
Next, in step (404), the user points the measurement device at the measurement target. In particular, the measuring device is arranged such that the measuring object falls within the field of view of the non-contact sensor. It is envisioned that the use of an auxiliary laser light source may assist the user in positioning the measurement object in the center of the sensor's field of view.
[0022]
As shown in step (406), the user can initiate (trigger) the measurement. By driving the user input member, a start command (trigger command) is generated and sent to the controller. In response to the start command, the controller sets the camera exposure to a predetermined value, and then acquires the image data in step (508) by activating the camera. It is also envisioned that the user may be able to set the camera exposure as part of the device preparation process via the user input member.
[0023]
In a preferred embodiment of the present invention, it is possible to determine whether the exposure setting is appropriate by partially processing the image data, as shown in step (410). One of ordinary skill in the art will readily appreciate that the exposure setting depends on various factors, such as, for example, the angle of incidence and the material of the object being measured. In step (412), the appropriateness of exposure is evaluated. If the exposure settings for the camera are not appropriate, the controller can evaluate the appropriate settings in step (416) and adjust the exposure settings in step (418). After that, the camera will acquire another image. This process can be repeated until a suitable exposure setting cycle is obtained. In obtaining a suitable exposure setting, it is assumed that in typical applications no more than two cycles are required. Further, it is desirable that the time required for this iterative process be much less than one second. If an appropriate exposure setting is not obtained after the predetermined number of repetitive operations or after the predetermined time, in step (414), a bad indicator is provided to the user.
[0024]
If the exposure settings are deemed acceptable, at step (420) all of the image data is processed. To do this, image data is transferred from the sensor to an image processor. The image processor converts the image data into measurement data by using available algorithms and applies the data of the gravity sensor. In step (422), the measurement data is visually displayed to the user. In addition to the measurement data, a visual indicator of the measurement mode, a visual display of the measurement object, and a display to the user. In step (424), the measurement data may be stored in memory space residing on the device for subsequent processing, or in some cases, transport to a computer. The above measurement cycle (or part of it) can be repeated to obtain additional measurement data.
[0025]
Finally, the measuring device can be powered down in step (426) after the end of the measuring cycle. It is assumed that the sensor is powered down to the standby mode when not driven for a predetermined time. In the standby mode, the display is readable until the measuring device is completely turned off. Although described above only for each step involved in the measurement cycle, it will be appreciated that by executing other software-implemented instructions, the overall operation of the portable measurement device can be controlled and managed.
[0026]
Due to the portable nature of the measuring device (10), the measuring device (10) can be placed on any flat surface (for example on a workbench, such that the housing assembly of the device acts as a reference plane for the measurement data). It will be appreciated that they can be placed (alternatively, on the floor), placed in a stand, or located in other areas of a typical work environment.
[0027]
Typical applications of the hand-held measuring device according to the invention include, but are not limited to, determining whether, for example, when wooden columns, beams, or component walls are installed, they are perpendicular to the ground surface. Angle measurement of a nearby object, such as to determine whether a nearby flat object, such as a table top, is directly horizontal to the ground; or stationary or moving Determination of the angle that all nearby objects, including those that are present, make with respect to the vertical. Thus, the measuring device according to the invention can be used in all applications where a mechanical bubble level or electromechanical level is used. In addition, the measuring device according to the invention does not allow such a conventional level to be used because of space restrictions or because the object is too hot or because the object is fragile by contact. Such an application can be used. Other types of particular applications include, but are not limited to, refrigeration unit leveling; cabinet drooping; indoor and outdoor door mounting; window mounting; floor leveling; And determination of the roof pitch.
[0028]
From the above, it will be appreciated that the present invention provides a significant advance in the field of portable measurement devices. The present invention provides quick and accurate non-contact measurement of dimensions and / or angles for various objects in a home or commercial work area. Of particular importance, the present invention determines measured data of the angle that the surface of the object makes with respect to the vertical or horizontal direction. Although the present invention has been described in terms of the presently preferred embodiments, it is to be understood that the invention can be modified without departing from the spirit of the invention as defined in the appended claims. Would.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a portable non-contact measurement device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a laser triangulation technique used in an example of a non-contact sensor.
FIG. 3 is an illustration showing a laser triangulation technique used by the non-contact measurement device according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing main components of a non-contact measurement device according to the present invention.
FIG. 5A is a flowchart illustrating an example of a measurement cycle for a non-contact measurement device according to the present invention.
FIG. 5B is a flowchart illustrating an example of a measurement cycle for the non-contact measurement device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Portable measuring device (handheld measuring device)
12 Housing assembly 14 Push button (user input member)
16 Display 18 User input member 22 Non-contact sensor 24 Image processor 26 Display 30 Gravity reference device 100 Non-contact sensor 102 Measurement object 200 Portable measurement device (handheld measurement device)
201 surface (measured surface)

Claims

A handheld measurement device for determining angle measurement data for a surface of a measurement object,
A portable housing assembly;
A user input member incorporated within the housing assembly and for generating a trigger signal for initiating measurement of the measurement object;
Being disposed within the housing assembly and configured to receive the trigger signal from the user input member, further operable to collect image data representing the surface of the measurement object. A non-contact sensor;
A gravity reference device disposed within the housing assembly and operable to determine a local gravity vector;
Being located within the housing assembly and configured to retrieve image data from the non-contact sensor, and further configured to retrieve the local gravity vector from the gravity reference device; An image processor operable to convert the surface of the object to be measured into angle measurement data with respect to the angle the surface makes with respect to the local gravitational vector;
It is incorporated within the housing assembly and is configured to receive the angle measurement data from the image processor, and is operable to visually display the angle measurement data to a user. A display;
A hand-held measuring device comprising:

The handheld measuring device according to claim 1,
A hand-held measuring device, wherein the non-contact sensor projects at least two planes composed of light onto the object to be measured.

The handheld measuring device according to claim 1,
The non-contact sensor projects light having a predetermined planar shape onto the measurement target, and receives image data related to an intersection between the light and the surface of the measurement target. A hand-held measuring device.

The handheld measuring device according to claim 1,
When defining the measurement mode as the type of measurement to be performed by the measuring device,
A hand-held measurement device, wherein the user input member and the display cooperate to facilitate selection of a measurement mode by a user.

The handheld measuring device according to claim 4,
The measurement mode includes measuring an angle between any two surfaces, measuring a composite angle with respect to any two surfaces, measuring an object height, measuring an object width, measuring an object diameter, A handheld device selected from the group consisting of measuring an angle formed by the measured surface with respect to the vertical direction and measuring an angle formed by the measured surface with respect to the horizontal direction. Type measuring device.

The handheld measuring device according to claim 4,
The handheld measurement device, wherein the display is operable to display at least one of a visual indicator for the measurement mode and a visual display of the measurement object.

A method for determining dimensional measurement data for a measurement object,
Preparing a hand-held measuring device;
Initiating a measurement on the measurement object by driving a user input member attached to the measurement device;
Collecting image data representing the surface of the measurement object by using a non-contact sensor;
Collecting gravity vector data;
Converting the image data into angle measurement data relating to the angle the surface of the measurement object makes with respect to the gravitational vector data by using an image processor attached to the measurement device;
Visually displaying the angle measurement data on a display device attached to the measuring device;
A method comprising:

The method of claim 7, wherein
Prior to the start of the measurement, orienting the measuring device towards the measuring object such that the measuring object fits in the non-contact sensor.

The method of claim 7, wherein
When defining the measurement mode as the type of measurement to be performed by the measuring device,
Prior to the start of the measurement, selecting a measurement mode for the measurement device.

The method of claim 9,
The measurement modes include measuring an angle between any two surfaces, measuring a composite angle with respect to any two surfaces, measuring an object height, measuring an object width, measuring an object diameter, A method of selecting from a group consisting of measuring an angle formed by a surface to be measured with respect to a vertical direction and measuring an angle formed by a surface to be measured with respect to a horizontal direction.

The method of claim 7, wherein
In collecting the image data, at least two planes of light are projected onto the object to be measured, and image data related to the intersection between the two light planes and the surface of the object to be measured. Receiving.

The method of claim 7, wherein
The method of visually displaying the measurement data, wherein at least one of a visual indicator related to the measurement mode and a visual display of the measurement object is displayed.