DE102006009404B3 - Arrangement for relative position determination of photoelectric receiver system, has receiver system which consists of equilateral carrier, which is obtuse angled within cross section in form of roof edge prism - Google Patents

Arrangement for relative position determination of photoelectric receiver system, has receiver system which consists of equilateral carrier, which is obtuse angled within cross section in form of roof edge prism Download PDF

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Abstract

The arrangement has a receiver system (1) which consists of an equilateral carrier (2) which is obtuse angled within cross section in form of a roof edge prism (delta ). The two equal photoelectric receivers (FE1, FE2) are arranged adjacent at the base plane (3) on side surfaces (4,5) parallel to roof edge (6). The carrier is supported so as to rotate around an axis (DP), which runs parallel to the roof edge and halves base plane. An independent claim is also included for the method for determination of the relative position.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein erfahren zur relativen Positionsbestimmung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1, und 9.The The invention relates to an arrangement and an experienced relative Position determination with the features of the preambles of claims 1, and 9th

Aus DE 699 14 533 T2 ist es bekannt, mit einem Rotationslaser eine Lichtebene zu erzeugen und an Baumaschinen oder Landmaschinen einen optischen Empfänger zur Höhenmessung oder Höhennivellierung mit der Lichtebene als Referenz anzubringen. Die fotoelektrischen Empfänger können dabei zur Messung der relativen Höhenlage als senkrechte Fotoempfängerzeilen ausgebildet sein.Out DE 699 14 533 T2 It is known to produce a light plane with a rotary laser and to attach to construction machinery or agricultural machinery, an optical receiver for height measurement or leveling with the light plane as a reference. The photoelectric receiver can be designed to measure the relative altitude as a vertical photoreceiver lines.

Zur Messung der relativen Position der fotoelektrischen Empfänger gegenüber der Drehachse des Rotationslasers ist zusätzlich eine Entfernungsmessung erforderlich. Fluchtend mit der Drehachse des Rotationslasers kann diesem ein optischer Entfernungsmesser und fluchtend mit der Empfängerebene des fotoelektrischen Empfängers kann diesem ein Reflektor für die Strahlung des Entfernungsmessers zugeordnet sein. Probleme entstehen bei der Ausrichtung des Entfernungsmessers zu dem Reflektor.to Measurement of the relative position of the photoelectric receiver with respect to Rotary axis of the rotary laser is additionally a distance measurement required. Aligning with the axis of rotation of the rotary laser can this is an optical rangefinder and in alignment with the receiver plane of the photoelectric receiver can this a reflector for be associated with the radiation of the rangefinder. Problems arise in the orientation of the rangefinder to the reflector.

Aus der bereits genannten DE 699 14 533 T2 ist es bekannt, die Positionen der Baumaschine und des Rotationslasers mit Hilfe eines GPS-Empfängers zu bestimmen. Durch Funkverbindung zwischen den GPS-Empfängern kann auch der Abstand zwischen Rotationslaser und Baumaschine bestimmt werden.From the already mentioned DE 699 14 533 T2 It is known to determine the positions of the construction machine and the rotary laser with the aid of a GPS receiver. The distance between the rotating laser and the construction machine can also be determined by radio link between the GPS receivers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, allein unter Verwendung eines handelsüblichen Rotationslasers und eines neuartigen fotoelektrischen Empfängersystems eine relative Positionsbestimmung durchführen zu können.Of the Invention is based on the object alone using a commercial Rotation laser and a novel photoelectric receiver system to perform a relative position determination.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung der relativen Position des fotoelektrischen Empfängersystems ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 9.These Task is in accordance with the invention in an arrangement of the type mentioned the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous embodiments emerge from the features of the subclaims. A suitable procedure for determining the relative position of the photoelectric receiver system arises from the features of claim 9.

Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung und des sich daraus ergebenden Verfahrens ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigenOne embodiment the arrangement and the resulting method is in the drawing shown schematically and will be described in more detail below. Show

1a das Empfängersystem im Querschnitt, 1a the receiver system in cross-section,

1b das Empfängersystem in perspektivischer Ansicht, 1b the receiver system in perspective view,

2 eine Seitenansicht des Empfängersystems, 2 a side view of the receiver system,

3 die geometrischen Zusammenhänge in der vom Rotationslaser erzeugten Lichtebene, 3 the geometric relationships in the light plane generated by the rotation laser,

4 einen Signalverlauf, 4 a waveform,

5 das Empfängersystem in unterschiedlichen Positionen zum Rotationslaser. 5 the receiver system in different positions to the rotating laser.

1a zeigt das Empfängersystem 1 im Querschnitt. Der Träger 2 bildet ein stumpfwinklig gleichschenkliges Dreieck mit einem Dachwinkel δ. In der Draufsicht nach 1b ist erkennbar, daß der Träger 2 die Form eines Dachkantprismas hat. Angrenzend an die Basisfläche 3 sind auf den Seitenflächen 4, 5 fotoelektrische Empfänger FE1, FE2 angeordnet. In der Mitte der Basisfläche 3 liegt parallel zur Dachkante 6 eine Drehachse DP für den Träger 2. 1a shows the receiver system 1 in cross section. The carrier 2 forms an obtuse-angled isosceles triangle with a roof angle δ. In the plan view 1b it can be seen that the carrier 2 has the shape of a roof prism. Adjacent to the base area 3 are on the side surfaces 4 . 5 Photoelectric receiver FE1, FE2 arranged. In the middle of the base area 3 lies parallel to the roof edge 6 a rotation axis DP for the carrier 2 ,

2 zeigt eine Seitenansicht auf das Empfängersystem 1 mit den Seitenflächen 4, 5 und der Dachkante 6. Die fotoelektrischen Empfänger FE1, FE2 erstrecken sich parallel zur Dachkante 6. Sie können als Fotodiodenzeilen mit einzelnen Fotodioden FD ausgebildet sein. 2 shows a side view of the receiver system 1 with the side surfaces 4 . 5 and the roof edge 6 , The photoelectric receivers FE1, FE2 extend parallel to the roof edge 6 , They can be designed as photodiode rows with individual photodiodes FD.

Zur senkrechten Ausrichtung der Drehachse DP ist dem Empfängersystem 1 ein Neigungssensor NS zugeordnet. Anstelle einer Neigungsregelung der Drehachse DP kann auch die weiter unten beschriebene Messung neigungskorrigiert werden. Das Empfängersystem 1 ist auf einer ersten Plattformebene E1 angeordnet und in dieser mit Hilfe eines Motors M1 drehbar. Dem Motor M1 ist z.B. ein absolut kodierter Drehgeber D zur Drehwinkeleinstellung zugeordnet.For vertical alignment of the rotation axis DP is the receiver system 1 an inclination sensor NS assigned. Instead of a tilt control of the rotation axis DP and the measurement described below can be tilt correction. The receiver system 1 is arranged on a first platform level E1 and rotatable in this by means of a motor M1. The motor M1, for example, is assigned an absolutely coded rotary encoder D for adjusting the angle of rotation.

Die erste Plattformebene E1 ist auf einer zweiten Plattformebene E2 gelagert und relativ zu dieser drehbar. Auch die zweite Plattformebene E2 ist mit Hilfe eines Motors M2 drehbar. Die zweite Plattformebene E2 kann auf einer Maschine oder z.B. einem Stativ befestigt sein. Die Drehung der zweiten Plattformebene E2 erfolgt in Abhängigkeit von den Signalen eines elektronischen Kompaß EK. Die Plattformebenen E1, E2 sind parallel zueinander. Die Drehachse DP steht senkrecht auf den Plattformebenen.The first platform level E1 is on a second platform level E2 stored and rotatable relative to this. Also the second platform level E2 is rotatable by means of a motor M2. The second platform level E2 may be on a machine or e.g. be attached to a tripod. The rotation of the second platform level E2 is dependent from the signals of an electronic compass EK. The platform levels E1, E2 are parallel to each other. The rotation axis DP is perpendicular the platform levels.

3 zeigt die geometrischen Zusammenhänge zwischen Empfängersystem 1 und Rotationslaser im Ursprung 0/0 der von ihm erzeugten Lichtebene x/y. Die nachfolgenden Winkel und Längenbezeichnungen sind unmittelbar aus der 3 in ihrer geometrischen Bedeutung zu entnehmen. 3 shows the geometric relationships between the receiver system 1 and rotation laser at the origin 0/0 of the light plane x / y generated by it. The following angles and length designations are directly from the 3 to take in their geometric meaning.

Ein von dem Rotationslaser mit geregelter Winkelgeschwindigkeit

Figure 00030001
bei nivellierter Strahllage ausgestrahltes Lichtbündel hat eine konstante Strahlweite ε, die in der 3 durch die vom Ursprung 0/0 ausgehenden Striche dargestellt ist.One of the rotational laser with controlled angular velocity
Figure 00030001
at leveled beam position emitted light beam has a constant beam width ε, which in the 3 is represented by the lines starting from the origin 0/0.

Das Empfängersystem 1 ist konstruktiv festgelegt durch eine gleiche Empfängerbreite b für beide Empfänger FE1, FE2. Der Dachwinkel δ ist bekannt. Ebenso ist der mittlere Abstand d der beiden Empfänger FE1, FE2 bekannt.The receiver system 1 is structurally determined by a same receiver width b for both receivers FE1, FE2. The roof angle δ is known. Likewise, the mean distance d of the two receivers FE1, FE2 is known.

Bei einer Ausrichtung der Seitenflächen 4, 5 des Empfängersystems 1 mit α1 = α2 gilt φ12 – φ11 = φ22 – φ21 und somit

Figure 00040001
sowie γ = φ.With an orientation of the side surfaces 4 . 5 of the receiver system 1 with α 1 = α 2 we have φ 12 - φ 11 = φ 22 - φ 21 and thus
Figure 00040001
and γ = φ.

Für α1 ≠ α2 gilt entsprechend

Figure 00040002
For α 1 ≠ α 2 applies accordingly
Figure 00040002

Für konstante Winkelgeschwindigkeit ω werden die Empfänger FE1, FE2 proportional zu den Winkeln φii belichtet. Es gilt

Figure 00040003
bei Strahlweite ε = konst.For constant angular velocity ω, the receivers FE1, FE2 are exposed proportionally to the angles φ ii . It applies
Figure 00040003
at beam width ε = const.

Mit Hilfe einer elektronischen Regelung wird das Empfängersystem 1 durch den Motor M1 auf den Sollwert

Figure 00040004
gedreht. Wenn die Reglerabweichung zu Null wird (Istwert = Sollwert), folgt die Bedingung γ = φ, d.h. der relative Winkel des Empfängersystems 1 zum Ursprung 0/0 (Standort des Rotationslasers) bezogen auf die Plattformebene E1 ist damit bekannt.With the help of an electronic regulation becomes the receiver system 1 through the motor M1 to the setpoint
Figure 00040004
turned. If the controller deviation becomes zero (actual value = setpoint), the condition follows γ = φ, ie the relative angle of the receiver system 1 to the origin 0/0 (location of the rotary laser) with respect to the platform level E1 is thus known.

Die Winkelgeschwindigkeit ω kann ermittelt werden, indem die Periodendauer der Belichtung der Empfänger FE1, FE2 gemessen wird. Es gilt

Figure 00040005
Die Strahlweite ε hat keinen Einfluß auf die Messung.The angular velocity ω can be determined by measuring the period of the exposure of the receivers FE1, FE2. It applies
Figure 00040005
The beam width ε has no influence on the measurement.

Aus 4 ist zu entnehmen, wie aus der Messung der Zeitdifferenz td = t21 – t11 = t22 – t12 die winkelproportionale Zeitspanne ermittelt wird, die der Laserstrahl für die mittlere Entfernung d der Empfänger FE1, FE2 bei konstanter Winkelgeschwindigkeit benötigt. Dadurch läßt sich die Entfernung l des Empfängersystems 1 unter Berücksichtigung des Dachwinkels δ, bzw. der Höhe des Dreiecks l' wie folgt berechnen:

Figure 00050001
Out 4 It can be seen how from the measurement of the time difference t d = t 21 - t 11 = t 22 - t 12, the angle-proportional time interval is determined, which requires the laser beam for the average distance d of the receivers FE1, FE2 at a constant angular velocity. This allows the distance l of the receiver system 1 taking into account the roof angle δ, or the height of the triangle l ', calculate as follows:
Figure 00050001

Diese Beziehung gilt für eine exakt lotrechte Ausrichtung des Empfängersystems 1. Mit dem eingebauten Neigungssensor NS kann das Ergebnis bei einer Schiefstellung des Empfängersystems 1 korrigiert werden.This relationship applies to an exactly vertical orientation of the receiver system 1 , With the built-in tilt sensor NS, the result can be a misalignment of the receiver system 1 Getting corrected.

Wenn die Empfänger FE1, FE2 als Fotodiodenzeilen ausgebildet sind, kann über die Lage der jeweils belichteten Fotodioden FD in üblicher Weise die relative „Höhen"-Lage zur Lichtebene des Rotationslasers bestimmt werden.If the recipients FE1, FE2 are formed as Fotodiodenzeilen, via the Location of each exposed photodiodes FD in the usual way the relative "height" position to the light plane of the rotary laser can be determined.

Mit dem Motor M2 wird das Empfängersystem in eine bekannte Vorzugsrichtung, z.B. Norden, gedreht. Der eingebaute elektronische Kompaß EK mißt den Istwert der Richtung. Mit Hilfe einer elektronischen Regelung wird die Plattformebene E2 auf den Sollwert Norden gedreht. Dadurch gehen die relativ großen Meßungenauigkeiten innerhalb des gesamten Meßbereichs handelsüblicher Kompaßmodule nicht in die Messung ein.With the motor M2 becomes the receiver system in a known preferred direction, e.g. North, turned. The built-in electronic compass EK measures the actual value the direction. With the help of an electronic regulation becomes the platform level E2 turned to the setpoint north. As a result, the relatively large measurement inaccuracies go within the entire measuring range commercial Kompaßmodule not in the measurement.

Der mit dem Drehgeber D gemessene Raumwinkel φ hat nun einen absoluten Bezug zum Ursprung 0/0, weil die Plattformebene E2 einen konstanten Drehwinkel β hat.Of the solid angle φ measured with the rotary encoder D now has an absolute reference to the origin 0/0 because the platform plane E2 has a constant angle of rotation β.

Mit den dargestellten geometrisch-optischen und opto-elektronischen Meßparametern ist nachgewiesen, daß mit dem erfindungsgemäß aufgebauten Empfängersystem eine Positionsbestimmung ohne Zuhilfenahme einer besonderen Entfernungsmessung möglich ist. Die Anordnung mit zwei relativ zueinander drehbaren Plattformebenen und die Einstellung einer konstanten Bezugsrichtung dienen einer Erhöhung der Meßgenauigkeit.With the illustrated geometric-optical and opto-electronic measurement parameters is proven that with the receiver system constructed according to the invention a position determination without the aid of a special distance measurement possible is. The arrangement with two relatively rotatable platform levels and the setting of a constant reference direction serve to increase the Measurement accuracy.

Die Vermessung einer Fläche ist in 5 dargestellt. Sie erfolgt z.B. durch Anfahren von drei Eckpunkten mit dem Empfängersystem, Speichern der Meßwerte (Koordinaten) und Berechnung der Fläche. Durch die Verwendung des elektronischen Kompasses EK sind die Koordinaten direkt einsetzbar bei der Landvermessung.The measurement of a surface is in 5 shown. It takes place, for example, by approaching three corner points with the receiver system, saving the measured values (coordinates) and calculating the area. By using the electronic compass EK, the coordinates can be directly used for land surveying.

Claims (9)

Anordnung zur relativen Positionsbestimmung eines fotoelektrischen Empfängersystems gegenüber der Drehachse eines Rotationslasers, dessen rotierendes Laserstrahlenbündel von dem Empfängersystem detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängersystem (1) aus einem im Querschnitt stumpfwinklig gleichschenkligen Träger (2) in Form eines Dachkantprismas (Dachwinkel δ) besteht, wobei angrenzend an die Basisfläche (3) auf den Seitenflächen (4, 5) parallel zur Dachkante (6) zwei gleiche fotoelektrische Empfänger (FE1, FE2) angeordnet sind und der Träger (2) um eine parallel zur Dachkante (6) verlaufende, die Basisfläche halbierende Achse (DP) drehbar gelagert ist.Arrangement for the relative positioning of a photoelectric receiver system gegenü above the axis of rotation of a rotary laser whose rotating laser beam is detected by the receiver system, characterized in that the receiver system ( 1 ) of a cross-sectionally obtuse isosceles carrier ( 2 ) in the form of a roof prism (roof angle δ ), wherein adjacent to the base surface ( 3 ) on the side surfaces ( 4 . 5 ) parallel to the roof edge ( 6 ) two identical photoelectric receivers (FE1, FE2) are arranged and the carrier ( 2 ) around a parallel to the roof edge ( 6 ) extending, the base surface bisecting axis (DP) is rotatably mounted. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Empfänger (FE1, FE2) als Diodenzeilen (FD) ausgebildet sind.Arrangement according to claim 1, characterized that the Photoelectric receiver (FE1, FE2) are designed as diode rows (FD). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängersystem (1) auf einer ersten drehbar gelagerten Plattformebene (E1) angeordnet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the receiver system ( 1 ) is arranged on a first rotatably mounted platform level (E1). Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Plattformebene (E1) auf einer zweiten drehbar gelagerten Plattformebene (E2) relativ zu dieser drehbar angeordnet ist.Arrangement according to claim 3, characterized that the first platform level (E1) on a second rotatably mounted platform level (E2) is rotatable relative thereto. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehwinkelausrichtung der zweiten Plattformebene (E2) ein elektronischer Kompaß (EK) vorgesehen ist.Arrangement according to claim 4, characterized that to Rotation angle orientation of the second platform level (E2) an electronic Compass (EK) provided is. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung der Plattformebenen (E1, E2) steuerbare elektrische Antriebe (M1, M2) vorgesehen sind.Arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized that to Rotation of the platform planes (E1, E2) controllable electric drives (M1, M2) are provided. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Neigungskorrektur der ersten Plattformebene (E1) dieser ein Neigungssensor (NS) zugeordnet ist.Arrangement according to claim 3, characterized that to Tilt correction of the first platform level (E1) of this a tilt sensor (NS) is assigned. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung der Winkelstellungen der beiden Plattformen in Abhängigkeit von den Signalen des elektronischen Kompasses (EK) und der fotoelektrischen Empfänger (FE1, FE2) und zur Bestimmung der relativen Position des Empfängersystems (1) gegenüber der Drehachse des Rotationslasers vorgesehen ist.Arrangement according to one of claims 3 to 7, characterized in that a device for controlling and regulating the angular positions of the two platforms in dependence on the signals of the electronic compass (EK) and the photoelectric receiver (FE1, FE2) and for determining the relative position of the receiver system ( 1 ) is provided opposite the axis of rotation of the rotary laser. Verfahren zur Bestimmung der relativen Position eines mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8 ausgestatteten fotoelektrischen Empfängersystems gegenüber der Drehachse eines Rotationslasers, dadurch gekennzeichnet, daß a) bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ω des Rotationslasers über eine elektronische Regelung die Stellung des Empfängersystems so ausgerichtet wird, daß die Bestrahlungszeiten der fotoelektrischen Empfänger gleich sind, b) die winkelproportionale Zeitspanne zwischen den Bestrahlungszeiten der fotoelektrischen Empfänger ermittelt wird und c) daraus unter Berücksichtigung der bekannten Konstruktionsparameter Basislänge d und Dachkantwinkel δ die Richtung und Entfernung des Empfängersystems zur Drehachse des Rotationslasers berechnet wird.Method for determining the relative position of a equipped with the features of one of claims 1 to 8 Photoelectric receiver system across from the axis of rotation of a rotary laser, characterized in that a) at a constant angular velocity ω of the rotary laser over a electronic regulation the position of the receiver system is aligned so that the Irradiation times of the photoelectric receivers are the same b) the Angle proportional time interval between the irradiation times of the Photoelectric receiver determined will and c) taking into account the known design parameters base length d and roof angle δ the Direction and distance of the receiver system is calculated to the rotation axis of the rotary laser.
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