Die Erfindung betrifft eine Vermessungseinrichtung mit Theodolit und Distanzmesser zur Koordinatenfeinbestimmung eines Zielpunktes, der zuvor eine koordinatenmässige Grobbestimmung erfahren hat, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Bestimmung räumlicher Zielkoordinaten für die Erfüllung von Vermessungsaufgaben innerhalb eines Zielpunktnetzes ist mit einem erheblichen Zeit-und Personal-Aufwand verbunden. Neuere Entwicklungen gehen in die Richtung von weitgehend automatisierten Messstationen, welche die Messungen in erheblich kürzerer Zeit als bisher üblich sowie mit einer höheren Präzision durchführen können. Zu diesem Zweck sind Systeme zur koordinatenmässigen Grobbestimmung markierter Zielpunkte vorgeschlagen worden, die einen programmgesteuerten und damit automatisierbaren Betrieb zulassen, deren Genauigkeit für Präzisionsvermessungen jedoch unzureichend ist. Grobgenauigkeit bedeutet eine Auflösung, die etwa in der Grössenordnung des Zielpunktkörpers liegt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vermessungseinrichtungen der eingangs definierten Art dahingehend zu verbessern, dass sie mit den erwähnten Geräten zur Grobbestimmung im Hinblick auf eine möglichst schnelle Ermittlung hochpräziser Zielpunktkoordinaten kombinierbar sind. Die Einrichtung soll kompakt sein und einfache Bauelemente enthalten, die eine Serienfabrikation mit vertretbarem Aufwand ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vermessungseinrichtung gemäss dem Patentanspruch 1 gelöst.
Der hauptsächliche Vorteil dieser Einrichtung besteht in der sehr hohen Messgenauigkeit von typisch 10<-><5> pro 3 mm auf 300 m. Ein weiterer Vorteil liegt in der Vermeidung bewegter Teile. Ausserdem erreicht die Einrichtung eine sehr hohe Rauschunterdrückung, so dass mit relativ geringen Senderleistungen, z.B. mit Laserdioden und Strah lungsleistungen im Rahmen von Sicherheitsvorschriften, auch auf mittleren Distanzen von typisch 300 m gearbeitet werden kann. Eine stufenartige Aufteilung des Messablaufes in eine Grob- und eine anschliessende Feinmessung vereinfacht die Einrichtung. Die Grobmessung kann relativ schnell und mit einfachen Mitteln durchgeführt werden, während die anschliessende Feinmessung keinen Zielsuchvorgang erfordert und die Einrichtung für die Präzisionsvermessung des durch die Grobmessung identifizierten Ziels besonders effektiv ausgelegt werden kann.
Insgesamt wird dadurch die Messeinrichtung vereinfacht und die Messzeit reduziert.
Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Vermessungseinrichtung gemäss dieser Beschreibung,
Fig. 2 die schematische Darstellung der Verbindung zwischen Baugruppen des Messgerätes 1 gemäss Fig. 1,
Fig. 3 die Erläuterung des Sendeprinzips für den Sendeteil im Messgerät 1 nach Fig. 1,
Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung des Empfängerteils für die Feindetektion von Zielpunkten,
Fig. 5 die mit einem Sender ergänzte Einrichtung nach Fig. 4,
Fig. 6 eine Einrichtung zur kombinierten Grob- und Feindetektion von Zielpunkten, und
Fig. 7 ein weiteres Beispiel für die kombinierte Grob- und Feindetektion von Zielpunkten.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Bestandteile der Vermessungseinrichtung, nämlich eine als Basisstation bezeichnete Messstation 1, bestehend aus einem Theodoliten mit kombiniertem Distanz messer zur Messung von Azimut, Elevation und Distanz. Am Gehäuse 7 der Messstation 1 ist ein drehbarer Messkopf 5 mit einem Sende- und Empfangskopf 8 angebracht. Das komplette Gerät steht auf einem Stativ 6.
Ferner sind an mehreren Zielpunkten Zielpunktgeräte 2 aufgestellt, die im Beispiel aus einer Messlatte 11 mit aufgesetztem Strahlungsreflektor 10 bestehen. Die Zielpunktgeräte 2 können beweglich oder stationär sein. Von stationären, z.B. fest installierten, Zielpunktgeräten sind auch Referenzmessungen zu weiteren Zielpunkten möglich.
Mit der Messstation 1 ist eine Datenstation 3 verbunden, wobei die Verbindung über eine Datenübertragungseinrichtung 4 erfolgen kann. Alternativ kann die Datenstation 3 auch direkt an der Messstation 1 angeordnet oder mit dieser verbunden sein. Die Datenstation 3 enthält mindestens einen Steuerrechner oder zusätzlich einen Rechner zur Verarbeitung der Messdaten sowie Ein- und Ausgabeeinrichtungen. Vorzugsweise ist die Datenstation mit einer Schnittstelle zur Verbindung mit anderen Datenverarbeitungseinrichtungen versehen.
Aufgabe der gesamten Messeinrichtung ist es, die dreidimensionalen Koordinaten der Zielpunkte an den Positionen der Zielpunktgeräte relativ zur Messstation 1 zu ermitteln, um sie in ein Gesamt-Koordinatennetz übertragen zu können.
Die eigentliche Positionsbestimmung von Zielpunkten 2 mit Hilfe der Messstation 1 erfolgt automatisch, wobei während des Messverfahrens das angezielte Zielpunktgerät 2 vorzugsweise identifiziert wird. Dadurch lassen sich Gebiete mit im voraus nicht bekannten Messpunkten netzwerkartig erfassen. Der Messvorgang erfolgt in zwei Phasen, einer Horizontal- oder Azimut-Erkennung und einer Vertikalerkennung unter Messung der Elevation. Dieser Grobdetektion folgt eine Feindetektion zur hochpräzisen Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten einer in der Grobdetektionsphase erfassten Zielpunktgerätes 2.
Die Ansteuerung der Laserdiode 30 erfolgt derart, dass sie Lichtimpulse von gegebener Zeitdauer und mit einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz erzeugt. Bei einer angenommenen Messbereichsgrenze von 300 m beträgt die Laufzeit eines Lichtimpulses vom Sender zum Zielpunktgerät 2 und zurück ca. 2 Mikrosekunden. In praktischen Versuchen hat es sich als zweckmässig erwiesen, für die angegebenen Distanzen Impulslängen von etwa 2 Nanosekunden zu wählen. Der Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Sendeimpulsen wird unter diesen Voraussetzungen mindestens 2 Mikrosekunden betragen.
Der Empfänger ist mit dem Sender derart gekoppelt, dass während eines bestimmten Abschnittes innerhalb der genannten Zeitspanne der Empfang gesperrt ist, wodurch Störimpulse, die aus dem Umfeld des Zielpunktgerätes 2 stammen, eliminiert werden. Vorzugsweise ist diese Sperrzeitspanne im Empfänger entsprechend der gemessenen Distanz zwischen der Messstation 1 und dem Zielpunktgerät 2 einstellbar, so dass eine zweite oder weitere Messungen mit einer nachgeregelten Sperrzeitspanne durchgeführt werden können, wenn bei einer ersten Messung Störimpulse überlagert sind und zu einer nicht eindeutigen Messung führen sollten.
Gemäss einer weiteren Massnahme zur Unterdrückung von Störungen kann vorgesehen sein, dass nur jene reflektierten Lichtimpulse zur Weiterverarbeitung durch den Empfänger angenommen werden, deren Amplitude einen Mindestwert aufweist, z.B. zwischen 60 und 100% der erwarteten Amplitude der Empfangsimpulse beträgt. Lichtimpulse, deren Amplitude ausserhalb dieses Bereiches liegt, werden als Störimpuls betrachtet und für die Weiterverarbeitung unterdrückt. Als weitere Störunterdrückungsmassnahme können im Empfänger jene empfangenen Impulse unterdrückt werden, deren Impulslänge um mehr als eine vorgegebene Grenzabweichung von der Sendeimpulslänge abweicht.
Zum Lokalisieren eines Zielpunktgerätes 2 werden Lichtimpulse ausgesendet, während der Sende-Empfangskopf 8 um seine vertikale Drehachse in einer horizontalen Ebene dreht. Der Sendestrahl ist dabei vertikal soweit als Fächer 24 aufgespreizt, dass das Fernfeld 34, beispielsweise in einer Entfernung von 300 m eine Höhe von ebenfalls 300 m aufweist. Die Breite des Sendefächers 24 beträgt dabei nur etwa 6 cm. Damit werden auch jene Zielpunktgeräte 2 erreicht, welche sich weit über oder unter dem Horizont der Messstation 1 befinden. Sobald während der Schwenkbewegung einer der Lichtimpulse auf ein Zielpunktgerät 2 auf trifft, erfolgt an dessen Reflektor 10 eine Reflexion des Sendestrahls. Der Sende-Empfangskopf 8 empfängt den reflektierten Impuls und löst programmgesteuert eine Unterbrechung der Suchbewegung aus.
In einer darauf folgenden Vertikal-Detektionsphase wird der Sende-Empfangskopf 8 bei konstanter horizontaler Position in vertikaler Richtung geschwenkt. Gelangt ein vom Zielpunkt kommender Impuls auf den entsprechenden elektrooptischen Wandler, wird die vertikale Schwenkbewegung des Kopfes 8 unterbrochen, und der empfangene Impuls wird hinsichtlich der vertikalen Winkelinformation auf entsprechende Weise ausgewertet, wie für die horizontale Detektion beschrieben. Damit stehen die grobe azimutale und vertikale Lage des Zielpunktgerätes 2 fest. Ergänzt wird diese Messung durch eine Distanzmessung mit dem Distanzmesser 14 zu dem grob angepeilten Zielpunktgerät 2.
Aufgrund des Ergebnisses der Distanzmessung werden die Sende- und Empfangsoptiken 29 und 35 so nachfokussiert, dass am elektrooptischen Wandler 32, der z.B. aus einer Kamera mit einem lichtempfindlichen Array bestehen kann, ein scharfes Bild des Zielpunktgerätes entsteht. Sind die Zielpunktgeräte 2 mit unterscheidungsfähigen, vom elekrooptischen Wandler 32 lesbaren Merkmalen versehen, lässt sich eine Identifikation durch Auswertung solcher Merkmale im Auswertegerät oder im Computer 15 durchführen.
Anhand der Figur 2 werden im folgenden Einzelheiten sowie die Arbeitsweise der Messstation 1 beschrieben. Der Messkopf 5 ist in der horizontalen Ebene schwenkbar, wobei seine Lage von einem horizontalen Teilkreis 16 mit Hilfe einer Ableseeinrichtung, z.B. einer photoelektrischen Vorrichtung mit einer Lichtquelle 17 und einem Photoelement 18, erfasst wird. Diese Positionsdaten über die Lage des Messkopfes 5 werden über eine Leitung 19 an den Computer 15 weitergeleitet. Über eine Leitung 21 werden entsprechende Nachführsignale über einen Motorverstärker 22 an einem Stellantrieb 23 gegeben, der z.B. aus einem Schrittschaltmotor bestehen kann. Der Stellantrieb 23 dient zur Positionierung des Messkopfes 5 in der horizontalen Ebene. Er stellt damit den Azimutantrieb dar. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet ein Elevati onsantrieb, der in Figur 2 nicht dargestellt ist.
Durch ihn ist der Sende-Empfangskopf 8 in der vertikalen Ebene bewegbar.
Der Sende-Empfangskopf 8 enthält einen elektronischen Theodolit 13 und einen Distanzmesser 14. Unter Einfluss eines Steuerungsprogramms im Computer 15 wird der Sende-Empfangskopf 8 so lange in der horizontalen und vertikalen Ebene bewegt, bis der Sendestrahl S auf ein Zielpunktgerät 2 trifft und der von diesem reflektierte Strahl vom Empfangsteil des Theodoliten 13 detektiert wird. Das empfangene Signal wird über eine Leitung 25 und einen Empfangsverstärker 26 dem Computer 15 zugeleitet.
Dort werden die empfangenen Signale mit den Nachführwerten für Azimut und Elevation aus der Positionssteuerung des Sende-Empfangskopfes 8 in Beziehung gebracht. Schliesslich werden daraus die gewünschten Messwerte abgeleitet. Zur Vervollständigung der Positionssteuerung für den Sende-Empfangskopf 8 ist in Figur 2 ein Verbindungspfad 27 zwischen den Leitungen 21 und 25 angedeutet, der zur Übertragung von Stoppimpulsen dient, sobald ein zugelassenes Empfangssignal festgestellt wurde.
Vom Distanzmesser 14 wird nun die Distanz zwischen dem Messkopf 5 und dem angepeilten Zielpunktgerät 2 erfasst. Die gewonnenen Daten werden ebenfalls über Leitung 25 an den Computer 15 übermittelt.
In Figur 3 sind die wesentlichen Elemente des Sendeteils aus dem Sende-Empfangskopf 8 dargestellt. Der Sendeteil enthält eine Lichtquelle, im Beispiel eine Laser-Lichtquelle 30 zur Aussendung eines stark gebündelten Strahls. Der Lichtstrahl passiert eine anamorphotische Optik 29, welche eine starke Auffächerung des Lichtstrahls in einer Richtung, in diesem Fall in vertikaler Richtung, bewirkt. In horizontaler Richtung behält der Lichtstrahl seine ursprüngliche Fächerbreite im wesentlichen bei. Das Auffächerungsverhältnis beträgt im Beispiel 1:20. Der entstehende Fächer 24 ist aus der perspektivischen Darstellung in Fig. 3 zu erkennen.
Die wirksame Fläche 31 der Laserlichtquelle 30, wie sie vom angepeilten Zielpunkt 2 aus gesehen wird, ist in Figur 3 in einem Bild 28 gezeigt. Die Fläche 31 hat die Form eines hochkant gestellten Rechtecks. Des weiteren sind in Figur 3 das vom Fächer 24 erfassbare Nahfeld 33 sowie das Fernfeld 34 angedeutet, welche die äusseren Begrenzungen für eine sichere Zielpunkterkennung darstellen. Das Nahfeld 33 ist im dargestellten Beispiel etwa 3 m von der Optik 29 entfernt, während die Distanz zwischen dem Nahfeld 33 und dem Fernfeld 34 im Beispiel etwa 300 m beträgt. Der Pfeil H deutet die horizontale Schwenkbewegung des Sende-Empfangskopfes 8 an.
Ausser diesem Teil für die Horizontaldetektion weist der Empfangsteil des Sende-Empfangskopfes 8 einen Vertikaldetektor auf, welcher ähnlich aufgebaut ist. Zur Bildung eines horizontalen Sendefächers, der die Form des Objektfeldes bestimmt, dient der bereits besprochende Sender gemäss Figur 3. Wird dieser Sender um 90 Grad gedreht, sind der Sendefächer 24 und damit das Objektfeld horizontal aufgefächert. Dieser Fächer wird zur Bestimmung der Elevation vertikal geschwenkt. Empfängerseitig ist die Anordnung richtungsempfindlicher Teile entsprechend angepasst. Diese Anordnung zur vertikalen Detektion wird sonst gleich eingesetzt wie die zuvor beschriebene Anordnung für die horizontale Grobdetektion. Auch der vertikale Detektor ist im Sende-Empfangskopf 8 eingesetzt.
Von einer derartigen Einrichtung, lassen sich durch aufeinander folgende Winkelmessungen Azimut und Elevation für bestimmte Zielpunkte grob bestimmen. Eine ergänzende Distanzmessung erlaubt die automatische Errechnung der groben Zielpunktkoordinaten. Mit der gleichen Einrichtung ist auch eine Zielidentifikation möglich, wodurch ein unbemannter Betrieb der Messstation 1 ermöglicht wird.
Für die im folgenden beschriebene Vermessungseinrichtung geht es darum, grob ermittelte Koordinaten durch eine Feinmessung zu ergänzen und damit die Messgenauigkeit um einige Grössenordnungen zu erhöhen.
Figur 4 zeigt wesentliche Teile des Sende-Empfangskopfes 8, welche zur empfängerseitigen Feindetektion eines Zielpunktgerätes 2 geeignet sind. Sie dienen der Feinbestimmung eines vom Zielpunktgerät 2 reflektierten Strahls 36. Der Empfänger ist mit einer Empfangsoptik 35 versehen. Ihr ist als elektrooptischer Wandler eine Kamera 40 mit einem Array 41 aus lichtempfindlichen Elementen 42 nachgeordnet.
In der Bildebene der Kamera 40 bildet sich der empfangene Strahl 36 als Lichtfleck 39 ab. Sobald dieser Lichtfleck 39 auf dem Array 41 erscheint, bedeutet dies für eine dem Computer 15 zugeordnete Erkennungsschaltung grundsätzlich, dass ein Zielpunktgerät 2 durch Bewegung des Sende-Empfangskopfes 8 in der horizontalen Ebene angezielt worden ist. Dem schliesst sich später, nach vollständiger Azimut-, Elevations- und Distanz-Grobmessung in einer zweiten Stufe eine Feinerkennung an.
Wie in Fig. 4 angedeutet, ist die Fläche des Arrays 41 grösser als die Fläche des Lichtflecks 39, damit der empfangene Strahl 36 auch dann auf dem Array 41 vollständig abgebildet wird, wenn der Empfangsstrahl um einen gewissen Betrag aussermittig auf dem Array 41 auftrifft.
Die Photoelemente 42 sind mit identifizierbaren Anschlüssen an eine Auswerteschaltung in der Messstation 1 versehen, die zur Verarbeitung der elektrischen Signale von den Elementen 42 dienen. Aus der bekannten Lage jedes der Photoelemente 42 innerhalb des Arrays 41 lässt sich die Lage des Lichtflecks 39 auf dem Array 41 ermitteln. Ausserdem lässt sich auch die Form des Lichtflecks 39 ermitteln, indem Paare von benachbarten Photoelementen 42 gesucht werden, von denen das eine Photoelement 42 beleuchtet und das andere nicht beleuchtet wird. Eine derartige Kontrastdetektion gibt Auskunft über den Verlauf der Kontur des Lichtflecks 39. Die erhaltenen Signale werden in einer Auswerteschaltung bzw. direkt im Computer 15 ausgewertet.
Mit Hilfe der Empfangsoptik 35 lässt sich das auf die Bildfläche 41 der Kamera 40 fallende Licht derart fokussieren, dass auf der Bildfläche 41 der Kamera die aktive Fläche 31 der Lichtquelle 30 abgebildet wird. Dabei ist die aktive Fläche 31 der Lichtquelle 30 mitbestimmend für die Form des Lichtflecks 39 auf dem Array 41.
In Figur 5 ist eine weitere Anordnung zur Feindetektion gezeigt, welche im wesentlichen derjenigen nach Figur 4 entspricht, welche jedoch die Sende-Lichtquelle 30 im kombinierten Sende-Empfänger-Strahlengang enthält. Die Lichtquelle 30 befindet sich zwischen der Empfangsoptik 35 und dem Zielpunktgerät 2, so dass der Sendestrahl S zunächst direkt zum Zielpunktgerät 2 gelangt. Von diesem wird der Strahl zum Sende-Empfangskopf 8 der Messstation 1 reflektiert. Dort trifft der reflektierte Strahl 36, nachdem er die Empfangsoptik 35 passiert hat, auf das Array 41 der Kamera 40.
Der geschilderte Detektionsablauf geschieht in zwei Sequenzen: die erste dient zur Erfassung des Azimuts bei Drehung der Geräteachse in der horizontalen Ebene mit einem vertikal aufgefächerten Sendestrahl, und in einer zweiten Phase zur Erfassung der Elevation mit horizontal aufgefächertem Strahl. Um das Auftreffen des Lichtflecks 39 auf den Empfangsarray 41 auch bezüglich des Höhenwinkels sicherzustellen, ist es erforderlich, die Geräteachse auf den Reflektor 10 des horizontal angepeilten Zielpunktgerätes 2 auch vertikal nachzuführen.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Sende-Empfangskopf 8 gezeigt, der mit relativ wenigen Bauteilen durch Mehrfachausnutzung einzelner Elemente eine kombinierte Horizontal wie auch Vertikal-Grobbestimmung und eine anschliessende Feinbestimmung ermöglicht. In der Figur ist die Objektebene 45 in einer in die Zeichenebene gedrehten Stellung dargestellt. Die Grenzen der Objektebene 45 sind durch die Querschnittsform des Sendefächers 24 bestimmt. In der spiegelnden Oberfläche des Zielpunktgerätes 2 wird ein Ausschnitt 311 aus der den Lichtstrahl abstrahlenden Oberfläche 31 gemäss Figur 3 der Laserlichtquelle 30 reflektiert. Dieser Ausschnitt 311 erzeugt den Empfangsstrahl 36 im Sende-Empfangskopf 8.
Ein halbdurchlässiger Spiegel 51 steht unter einem Winkel von etwa 45 Grad zur optischen Achse des Kopfes 8. In der Verlängerung der Richtung des Empfangsstrahls 36, der mit der optischen Achse des Kopfes 8 zusammenfällt, befinden sich hinter dem Spiegel 51 die Empfangsoptik 35 und dann ein zweiter halbdurchlässiger Spiegel 52, der ebenfalls unter einem Winkel von etwa 45 Grad zur optischen Achse steht. Der zweite Spiegel 52 spaltet das ankommende Strahlenbündel 36 in eine direkte Komponente 361 und in eine um 90 Grad abgelenkte Komponente 362. Die direkte Komponente 361 gelangt zu der Kamera 40 für die Feindetektion hinter dem zweiten Spiegel 52. Der abgelenkte Strahl 362 passiert eine Empfangsblende 37V und gelangt zum Wandler 32V der Anordnung für die vertikale Grobdetektion.
Über den ersten halbdurchlässigen Spiegel 51 ist ein weiterer Zweig des Sende-Empfangskopfes 8 angeschlossen. Dieser Zweig beginnt mit der Optik 29, die im Beispiel als Anamorphot ausgebildet ist. Auf diese anamorphotische Optik 29 folgt ein dritter halbdurchlässiger Spiegel 53, der ebenfalls unter 45 Grad zur optischen Achse steht. Über diesen dritten Spiegel 53 wird die Lichtquelle 30 eingeblendet. Die Laserlichtquelle 30 erzeugt den Sendestrahl S, welcher durch die anamorphotische Optik 29 vertikal aufgefächert wird. Hinter dem dritten halbdurchlässigen Spiegel 53 befinden sich eine Empfangsblende 37H und ein optoelektrischer Wandler 32H für die horizontale Grobdetektion. Die beiden Wandler 32V und 32H sowie die Kamera 40 sind an die Auswerteschaltung der Einrichtung angeschlossen.
Vorteilhaft ist dabei, dass der gleiche Empfangsstrahl 36, der zunächst für die Grobdetektion ausgewertet wird, anschliessend in der Auswertekamera 40 zur Herleitung von Signalen für die Feindetektion herangezogen wird.
In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem strahlauffächernden Objektiv gezeigt. Es handelt sich um ein Fischauge-Objektiv, welches im vorliegenden Fall mit zwei optoelektrischen Wandlern 60 und 61 kombiniert ist. Der erste Wandler 60 für die Grobdetektion enthält in einer Ebene 62 ein photoelektrisches Array 63. Das Array 63 besteht aus ringförmig um ein Zentrum 64 angeordneten lichtempfindlichen Elementen. Aus der bekannten Lage jedes der lichtelektrischen Elemente auf dem Array 63 lässt sich mit einer angeschlossenen Auswerteschaltung die Lage von Lichtsignalen auf dem Array ermitteln. Das Fischauge-Objektiv 65 befindet sich über dem Array und parallel dazu.
Das von einem Zielpunktgerät 2 kommende Licht wird vom Objektiv 65 auf das Array 63 projiziert, wie dies durch die Strahlen 69 angedeutet ist. Der Azimutwinkel alpha des Messpunktes vom Zielpunktgerät 2 relativ zur Messstation 1 liegt auf dem Array zwischen einer Bezugslinie 76 und einer Linie, welche durch die Mitte 64 des Array 63 und durch den von der Laserlichtquelle 30 erzeugten Lichtfleck 70 auf dem Array 63 hindurchgeht. Die Bezugslinie geht durch das Zentrum 64 des Arrays 63 sowie durch einen Bezugspunkt ausserhalb der Messstation 1, auf den man sich vor Beginn der Messung eingemessen hat. Der Wert für den Winkel alpha wird in der angeschlossenen Auswerteschaltung bzw. im Computer 15 anhand der vom Array 63 gelieferten Signale errechnet.
Die Entfernung R des Lichtflecks 70 vom Zentrum 64 des Arrays 63 liefert die Elevation beta des Zielpunktgerätes 2 in Bezug auf die Messstation 1. Auch dieser Wert wird durch Auswertung des beleuchteten Musters auf dem Array 63 in nachgeschalteten Auswerteschaltungen gewonnen.
Der Feindetektor 61 enthält beispielsweise eine Einrichtung nach Fig. 4, welche schwenkbar in einer horizontalen Ebene angeordnet ist, was durch die Achse 66 angedeutet ist. Um die Anordnung auch in vertikaler Richtung schwenkbar zu machen, ist eine horizontal verlaufende strichpunktiert eingezeichnete Schwenkachse 67 vorgesehen.
Aufgrund der zuvor grob ermittelten Werte alpha für den Azimut und beta für die Elevation des anvisierten Zielpunktes werden in der Figur nicht eingezeichnete Stellantriebe des Feindetektors 61 aktiviert, so dass sich der Feindetektor 61 auf das betreffende Zielpunktgerät 2 ausrichtet. Mit Hilfe des Distanzmessers 14 wird die Distanz zwischen Messstation 1 und dem Zielpunktgerät 2 gemessen. Aufgrund des gemessenen Distanzwertes wird die Empfangsoptik 35 so eingestellt, dass der Zielreflektor 10 bzw. mit dem nächsten Laserimpuls die Lichtquelle 30 auf dem Array 41 des Feindetektors abgebildet wird. Der Lichtimpuls erscheint als Lichtfleck 71. Nach Auswertung der entstehenden Wandler-Signale ergibt sich das Resultat der Feinmessung aus der Lage des Lichtflecks 71 auf dem Array 41. Diese Resultate werden als Korrekturwerte mit den zuvor ermittelten Werten für die Grobmessung verknüpft.
Daraus werden auf dem Wege der Signalverarbeitung die präzisen Angaben über die Position des anvisierten Zielpunktgerätes 2 gewonnen.
Der in diesem Beispiel mit dem Feindetektor gekoppelte Distanzmesser 14 ist nicht nur zur Messung der Distanz zwischen dem Messgerät 1 und dem Zielpunktgerät 2 ausgebildet, sondern zusätzlich zur Identifikation der Zielpunktgeräte 2 anhand bestimmter Zielgeräte-Merkmale. Der Distanzmesser ist dazu mit einem Lichtempfänger ausgestattet, der zum Erkennen von charakteristischen Merkmalen dient, die den Messimpulsen z.B. vom Reflektor am Zielpunktgerät 2 aufgeprägt werden.
The invention relates to a measuring device with theodolite and a distance meter for fine coordinate determination of a target point, which has previously been subjected to a coarse coordinate determination, according to the preamble of patent claim 1.
The determination of spatial target coordinates for the fulfillment of measurement tasks within a target point network is associated with a considerable expenditure of time and personnel. More recent developments are moving in the direction of largely automated measuring stations, which can carry out the measurements in a considerably shorter time than previously customary and with greater precision. For this purpose, systems for co-ordinate coarse determination of marked target points have been proposed, which permit program-controlled and thus automatable operation, but whose accuracy is inadequate for precision measurements. Coarse accuracy means a resolution that is approximately in the order of magnitude of the target point body.
It is an object of the present invention to improve measuring devices of the type defined at the outset in such a way that they can be combined with the aforementioned devices for rough determination with a view to determining highly precise target point coordinates as quickly as possible. The device should be compact and contain simple components that enable series production with reasonable effort.
This object is achieved according to the invention by a measuring device according to claim 1.
The main advantage of this device is the very high measurement accuracy of typically 10 <-> <5> per 3 mm over 300 m. Another advantage is the avoidance of moving parts. In addition, the device achieves a very high noise suppression, so that with relatively low transmitter powers, e.g. with laser diodes and radiation power within the framework of safety regulations, even at medium distances of typically 300 m. A step-by-step division of the measurement process into a rough and a subsequent fine measurement simplifies the setup. The rough measurement can be carried out relatively quickly and with simple means, while the subsequent fine measurement does not require a search for a target and the device for the precision measurement of the target identified by the rough measurement can be designed particularly effectively.
Overall, this simplifies the measuring device and reduces the measuring time.
Details and further advantages of the invention are explained in more detail in the following description using exemplary embodiments with the aid of the drawings. Show it:
1 is a schematic diagram of the measuring device according to this description,
2 shows the schematic representation of the connection between assemblies of the measuring device 1 according to FIG. 1,
3 the explanation of the transmission principle for the transmission part in the measuring device 1 according to FIG. 1,
4 shows a basic illustration of the receiver part for the fine detection of target points,
5 shows the device according to FIG. 4 supplemented with a transmitter,
Fig. 6 shows a device for combined rough and fine detection of target points, and
Fig. 7 shows another example of the combined rough and fine detection of target points.
Figure 1 shows a schematic representation of the components of the measuring device, namely a measuring station 1, referred to as a base station, consisting of a theodolite with a combined distance meter for measuring azimuth, elevation and distance. A rotatable measuring head 5 with a transmitting and receiving head 8 is attached to the housing 7 of the measuring station 1. The complete device is on a tripod 6.
Furthermore, target point devices 2 are set up at several target points, which in the example consist of a measuring stick 11 with a radiation reflector 10 attached. The target point devices 2 can be movable or stationary. From stationary, e.g. permanently installed, target point devices, reference measurements to other target points are also possible.
A data station 3 is connected to the measuring station 1, the connection being able to take place via a data transmission device 4. Alternatively, the data station 3 can also be arranged directly at the measuring station 1 or connected to it. The data station 3 contains at least one control computer or additionally a computer for processing the measurement data and input and output devices. The data station is preferably provided with an interface for connection to other data processing devices.
The task of the entire measuring device is to determine the three-dimensional coordinates of the target points at the positions of the target point devices relative to the measuring station 1 in order to be able to transfer them into an overall coordinate network.
The actual position determination of target points 2 with the aid of the measuring station 1 takes place automatically, the targeted target device 2 preferably being identified during the measuring method. This allows areas with previously unknown measurement points to be recorded in a network-like manner. The measuring process takes place in two phases, a horizontal or azimuth detection and a vertical detection while measuring the elevation. This coarse detection is followed by a fine detection for the highly precise determination of the three-dimensional coordinates of a target point device 2 detected in the coarse detection phase.
The control of the laser diode 30 takes place in such a way that it generates light pulses of a given duration and with a predetermined pulse repetition frequency. With an assumed measuring range limit of 300 m, the transit time of a light pulse from the transmitter to the target point device 2 and back is approx. 2 microseconds. In practical tests, it has proven to be expedient to choose pulse lengths of approximately 2 nanoseconds for the specified distances. Under these conditions, the time interval between two successive transmission pulses will be at least 2 microseconds.
The receiver is coupled to the transmitter in such a way that reception is blocked during the specified period of time, thereby eliminating interference pulses that originate from the surroundings of the target point device 2. This blocking period can preferably be set in the receiver according to the measured distance between the measuring station 1 and the target point device 2, so that a second or further measurement can be carried out with a readjusted blocking period if interference pulses are superimposed during a first measurement and lead to an ambiguous measurement should.
According to a further measure to suppress interference, it can be provided that only those reflected light pulses are accepted for further processing by the receiver, the amplitude of which has a minimum value, e.g. is between 60 and 100% of the expected amplitude of the received pulses. Light pulses whose amplitude lies outside this range are considered an interference pulse and suppressed for further processing. As a further interference suppression measure, those received pulses can be suppressed in the receiver, the pulse length of which deviates from the transmitted pulse length by more than a predetermined limit deviation.
To locate a target point device 2, light pulses are emitted while the transceiver head 8 rotates about its vertical axis of rotation in a horizontal plane. The transmission beam is spread vertically as far as fans 24 that the far field 34, for example at a distance of 300 m, also has a height of 300 m. The width of the transmission fan 24 is only about 6 cm. This also means that those target point devices 2 are reached which are far above or below the horizon of the measuring station 1. As soon as one of the light impulses hits a target point device 2 during the swiveling movement, the transmitted beam is reflected at its reflector 10. The transceiver head 8 receives the reflected pulse and triggers a program-controlled interruption of the search movement.
In a subsequent vertical detection phase, the transceiver head 8 is pivoted in the vertical direction at a constant horizontal position. If a pulse coming from the target point reaches the corresponding electro-optical converter, the vertical pivoting movement of the head 8 is interrupted and the received pulse is evaluated with respect to the vertical angle information in a corresponding manner, as described for the horizontal detection. The rough azimuthal and vertical position of the target point device 2 are thus fixed. This measurement is supplemented by a distance measurement with the distance meter 14 to the roughly aimed target point device 2.
On the basis of the result of the distance measurement, the transmitting and receiving optics 29 and 35 are refocused in such a way that the electro-optical converter 32, e.g. can consist of a camera with a light-sensitive array, a sharp image of the target device is created. If the target point devices 2 are provided with distinguishable features that can be read by the electro-optical converter 32, identification can be carried out by evaluating such features in the evaluation device or in the computer 15.
Details and the mode of operation of the measuring station 1 are described below with reference to FIG. 2. The measuring head 5 can be pivoted in the horizontal plane, its position being determined by a horizontal pitch circle 16 with the aid of a reading device, e.g. a photoelectric device with a light source 17 and a photo element 18 is detected. These position data about the position of the measuring head 5 are forwarded to the computer 15 via a line 19. Corresponding tracking signals are given via a line 21 via a motor amplifier 22 to an actuator 23 which e.g. can consist of a stepper motor. The actuator 23 is used to position the measuring head 5 in the horizontal plane. It thus represents the azimuth drive. An elevator drive works according to the same principle, which is not shown in FIG. 2.
Through it the transceiver head 8 is movable in the vertical plane.
The transceiver head 8 contains an electronic theodolite 13 and a distance meter 14. Under the influence of a control program in the computer 15, the transceiver head 8 is moved in the horizontal and vertical plane until the transmission beam S hits a target point device 2 and that of this reflected beam is detected by the receiving part of the theodolite 13. The received signal is fed to the computer 15 via a line 25 and a reception amplifier 26.
There, the received signals are related to the tracking values for azimuth and elevation from the position control of the transceiver head 8. Finally, the desired measurement values are derived from it. To complete the position control for the transmit / receive head 8, a connection path 27 between the lines 21 and 25 is indicated in FIG. 2, which is used for the transmission of stop pulses as soon as an approved receive signal has been determined.
The distance between the measuring head 5 and the targeted target point device 2 is now detected by the distance meter 14. The data obtained are likewise transmitted to the computer 15 via line 25.
FIG. 3 shows the essential elements of the transmitting part from the transmitting / receiving head 8. The transmitting part contains a light source, in the example a laser light source 30 for emitting a highly focused beam. The light beam passes through an anamorphic optic 29, which causes the light beam to fanned out strongly in one direction, in this case in the vertical direction. In the horizontal direction, the light beam essentially maintains its original fan width. The fan-out ratio is 1:20 in the example. The resulting fan 24 can be seen from the perspective illustration in FIG. 3.
The effective area 31 of the laser light source 30, as seen from the targeted target point 2, is shown in FIG. 3 in an image 28. The surface 31 has the shape of an upright rectangle. Furthermore, the near field 33 and the far field 34, which can be detected by the fan 24, are indicated in FIG. 3, which represent the outer limits for reliable target point detection. In the example shown, the near field 33 is about 3 m away from the optics 29, while the distance between the near field 33 and the far field 34 is about 300 m in the example. The arrow H indicates the horizontal pivoting movement of the transceiver head 8.
In addition to this part for horizontal detection, the receiving part of the transceiver head 8 has a vertical detector, which is constructed similarly. The already discussed transmitter according to FIG. 3 is used to form a horizontal transmission fan, which determines the shape of the object field. If this transmitter is rotated by 90 degrees, the transmission fan 24 and thus the object field are fanned out horizontally. This fan is pivoted vertically to determine the elevation. The arrangement of direction-sensitive parts on the receiver side is adjusted accordingly. This arrangement for vertical detection is otherwise used in the same way as the arrangement for horizontal coarse detection described above. The vertical detector is also used in the transceiver head 8.
Such a device can be used to roughly determine azimuth and elevation for certain target points by successive angle measurements. A supplementary distance measurement enables the coarse target point coordinates to be calculated automatically. With the same device, target identification is also possible, which enables unmanned operation of the measuring station 1.
For the measuring device described below, it is a matter of supplementing roughly determined coordinates by a fine measurement and thus increasing the measuring accuracy by a few orders of magnitude.
FIG. 4 shows essential parts of the transceiver head 8 which are suitable for fine detection of a target point device 2 on the receiver side. They serve for the fine determination of a beam 36 reflected by the target point device 2. The receiver is provided with an optical receiver 35. As an electro-optical converter, it is followed by a camera 40 with an array 41 of light-sensitive elements 42.
In the image plane of the camera 40, the received beam 36 is shown as a light spot 39. As soon as this light spot 39 appears on the array 41, this basically means for a detection circuit assigned to the computer 15 that a target point device 2 has been aimed in the horizontal plane by moving the transceiver head 8. This is followed later, after complete azimuth, elevation and distance rough measurement in a second stage, a fine detection.
As indicated in FIG. 4, the area of the array 41 is larger than the area of the light spot 39, so that the received beam 36 is completely imaged on the array 41 even if the received beam hits the array 41 off-center by a certain amount.
The photo elements 42 are provided with identifiable connections to an evaluation circuit in the measuring station 1, which are used to process the electrical signals from the elements 42. The position of the light spot 39 on the array 41 can be determined from the known position of each of the photo elements 42 within the array 41. In addition, the shape of the light spot 39 can also be determined by searching for pairs of adjacent photo elements 42, of which one photo element 42 is illuminated and the other is not illuminated. Such a contrast detection provides information about the course of the contour of the light spot 39. The signals obtained are evaluated in an evaluation circuit or directly in the computer 15.
With the aid of the receiving optics 35, the light falling on the image surface 41 of the camera 40 can be focused such that the active surface 31 of the light source 30 is imaged on the image surface 41 of the camera. In this case, the active surface 31 of the light source 30 also determines the shape of the light spot 39 on the array 41.
FIG. 5 shows a further arrangement for fine detection, which essentially corresponds to that according to FIG. 4, but which contains the transmitter light source 30 in the combined transmitter-receiver beam path. The light source 30 is located between the receiving optics 35 and the target point device 2, so that the transmission beam S initially reaches the target point device 2 directly. From this, the beam is reflected to the transceiver head 8 of the measuring station 1. There, the reflected beam 36 strikes the array 41 of the camera 40 after it has passed through the receiving optics 35.
The described detection process takes place in two sequences: the first is used to detect the azimuth when the device axis rotates in the horizontal plane with a vertically fanned out transmission beam, and in a second phase to detect the elevation with a horizontally fanned out beam. In order to ensure that the light spot 39 also hits the receiving array 41 with respect to the height angle, it is necessary to also vertically track the device axis on the reflector 10 of the horizontally aimed target point device 2.
FIG. 6 shows an exemplary embodiment for a transceiver head 8 which, with relatively few components and multiple use of individual elements, enables a combined horizontal and vertical rough determination and a subsequent fine determination. In the figure, the object plane 45 is shown in a position rotated into the plane of the drawing. The limits of the object plane 45 are determined by the cross-sectional shape of the transmission fan 24. A cutout 311 from the surface 31 emitting the light beam according to FIG. 3 of the laser light source 30 is reflected in the reflecting surface of the target point device 2. This cutout 311 generates the receive beam 36 in the transmit / receive head 8.
A semi-transparent mirror 51 is at an angle of approximately 45 degrees to the optical axis of the head 8. In the extension of the direction of the receiving beam 36, which coincides with the optical axis of the head 8, the receiving optics 35 are located behind the mirror 51 and then on second semi-transparent mirror 52, which is also at an angle of approximately 45 degrees to the optical axis. The second mirror 52 splits the incoming beam 36 into a direct component 361 and into a component 362 deflected by 90 degrees. The direct component 361 arrives at the camera 40 for fine detection behind the second mirror 52. The deflected beam 362 passes through a receiving aperture 37V and arrives at the converter 32V of the arrangement for the vertical coarse detection.
Another branch of the transceiver head 8 is connected via the first semi-transparent mirror 51. This branch begins with the optics 29, which in the example is designed as an anamorphic. This anamorphic optic 29 is followed by a third semitransparent mirror 53, which is also at 45 degrees to the optical axis. The light source 30 is faded in via this third mirror 53. The laser light source 30 generates the transmission beam S, which is fanned out vertically by the anamorphic optics 29. Behind the third semitransparent mirror 53 there is a receiving aperture 37H and an optoelectric converter 32H for horizontal coarse detection. The two converters 32V and 32H and the camera 40 are connected to the evaluation circuit of the device.
It is advantageous that the same received beam 36, which is initially evaluated for the rough detection, is then used in the evaluation camera 40 to derive signals for the fine detection.
7 shows a further exemplary embodiment with a beam-spreading objective. It is a fish-eye lens, which in the present case is combined with two optoelectric converters 60 and 61. The first converter 60 for the coarse detection contains a photoelectric array 63 in a plane 62. The array 63 consists of photosensitive elements arranged in a ring around a center 64. The position of light signals on the array can be determined from the known position of each of the photoelectric elements on the array 63 with a connected evaluation circuit. The fisheye lens 65 is over and parallel to the array.
The light coming from a target point device 2 is projected by the lens 65 onto the array 63, as is indicated by the rays 69. The azimuth angle alpha of the measuring point from the target point device 2 relative to the measuring station 1 lies on the array between a reference line 76 and a line which passes through the center 64 of the array 63 and through the light spot 70 generated by the laser light source 30 on the array 63. The reference line passes through the center 64 of the array 63 and through a reference point outside the measuring station 1, to which one had calibrated before the start of the measurement. The value for the angle alpha is calculated in the connected evaluation circuit or in the computer 15 on the basis of the signals supplied by the array 63.
The distance R of the light spot 70 from the center 64 of the array 63 provides the elevation beta of the target point device 2 with respect to the measuring station 1. This value is also obtained by evaluating the illuminated pattern on the array 63 in downstream evaluation circuits.
The enemy detector 61 contains, for example, a device according to FIG. 4, which is arranged pivotably in a horizontal plane, which is indicated by the axis 66. In order to make the arrangement also pivotable in the vertical direction, a horizontally running pivot axis 67 is shown in dash-dot lines.
On the basis of the previously roughly determined values alpha for the azimuth and beta for the elevation of the targeted target point, actuators of the enemy detector 61, which are not shown in the figure, are activated so that the enemy detector 61 aligns itself with the target device 2 concerned. The distance between measuring station 1 and target point device 2 is measured with the aid of distance meter 14. On the basis of the measured distance value, the receiving optics 35 are set such that the target reflector 10 or, with the next laser pulse, the light source 30 is imaged on the array 41 of the enemy detector. The light pulse appears as a light spot 71. After evaluating the resulting converter signals, the result of the fine measurement results from the position of the light spot 71 on the array 41. These results are linked as correction values with the previously determined values for the rough measurement.
From this, the precise information about the position of the targeted target point device 2 is obtained by way of signal processing.
The distance meter 14, which is coupled to the enemy detector in this example, is not only designed to measure the distance between the measuring device 1 and the target point device 2, but also to identify the target point devices 2 on the basis of certain target device features. For this purpose, the distance meter is equipped with a light receiver, which is used to recognize characteristic features that the measuring impulses e.g. be impressed on the target device 2 by the reflector.