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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, insbesondere für die Fernerkundung, wobei die Messeinrichtung ein Messinstrument und eine Vorrichtung zur beweglichen Lagerung des Messinstrumentes aufweist.
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In der luftgestützten Fernerkundung ist die Sensorik bzw. allgemein das Messinstrument üblicherweise senkrecht nach unten (nadir) gerichtet. Daraus lassen sich beispielsweise Orthomosaike und Oberflächenmodelle ableiten. Eine besondere Konfiguration stellen so genannte Oblique-Systeme dar, welche mindestens einen schräg schauenden Sensor (z. B. eine Matrixkamera) besitzen (Photogrammetrische Schrägluftbilder mit dem Aerial Oblique System AOS, Albert Wiedemann, DGPF Tagungsband 18/2009). Die Daten solcher angestellten Sensoren können entweder zur Erstellung/Verbesserung von Orthofotos oder zur Texturierung von in die Höhe ragenden Flächen (insbesondere Häuserfassaden) verwendet werden. Es existiert eine Reihe von Systemen mit einem oder mehreren fest montierten Sensoren, welche in verschiedene Richtungen blicken. Bei diesem Ansatz entsteht ein bedeutender Zielkonflikt: Sollen mit möglichst geringem fliegerischen Aufwand Daten erhoben werden, so wird von den Herstellern die Anzahl der gleichzeitig aktiven Sensoren erhöht Es existieren Lösungen, welche für alle vier Hauptrichtungen je einen schrägblickenden Sensor, z. B. eine Kamera, mitführen. Dies hat zur Folge, dass die Systeme groß, schwer und kostenintensiv sind sowie entsprechend große Träger erfordern. Messsysteme mit weniger Sensoren besitzen diese Nachteile nicht in diesem Maße, erfordern allerdings erheblich mehr Befliegungsaufwand, damit die Messung flächendeckend ist.
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Luftgestützte Fernerkundungssysteme mit sich bewegenden Sensoren existieren u. a. für Matrix-Kameras. Sie sind aufgrund ihrer bisherigen Nachteile nur vereinzelt vorhanden und werden im Folgenden erläutert.
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Ein Pendelkamerasystem ist beispielsweise Visionmap A3 (VisionMap A3 – The New Digital Aerial Survey and Mapping System; M. Pechatnikow et al., FIG Working Week 2009 Surveyors Key Role in Accelerated Development, Eilat, Israel, 3–8 May 2009), welche um die Roll-Achse des Flugzeugs schwenkt. Dabei werden lediglich die beiden Schrägansichten quer zur Flugrichtung abgebildet. Voraus- und Nachschauansichten und eine Orientierung zwischen den Hauptrichtungsachsen sind nicht möglich. Solche Ansichten erfordern zusätzlichen Befliegungsaufwand.
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Ein azimutal bewegliches Kamerasystem ist beispielsweise Azicam von GetMapping Plc. (Getmapping Reveals New 'AZICAM' Oblique Camera System, PressRelease June 2009). Hierbei wird die schräg schauende Kamera motorisch in eine der vier Hauptrichtungen gedreht. Des Mitdrehen des Kameragehäuses um die optische Achse hat jedoch zwei gravierende Nachteile. Zum einen ist ohne technische Speziallösungen wegen der Kabeltorsion keine kontinuierliche 360°-Drehung möglich, was zu zeitintensiver Rückstellung in die Ausgangslage führt, zum anderen erfährt das Kamerabild eine Drehung um alle drei möglichen Winkel ω, φ und κ. Dies erschwert die perspektivische Darstellung im photogrammetrischen Prozess, da das Bild um seine optische Achse (κ) zu drehen ist. Die lange Azimut-Welle birgt erhebliches Verbiegungspotenzial, was zu ungenauer Orientierung in Bezug auf ein inertiales Navigationssystem bzw. einer weiteren Kamera führt.
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Weiter ist ein schwenkbares Kamerasystem um die Azimut-Achse unter Verwendung von zwei Kameras bekannt. Das Prinzip des Schrägblickes ist dabei, dass die beiden Kameras auf einer vertikalen Ebene angeordnet sind und einen Winkelversatz haben. Zu einem Zeitpunkt schaut eine Kamera schräg nach vom und die zweite Kamera schräg nach hinten. Durch Drehung des Messaufbaus um 90° schauen die Kameras in beide Richtungen quer zur Flugbewegung. Auf diese Weise werden mithilfe zweier Kameras alle vier Hauptrichtungen abgedeckt. Auch hier sind die Probleme bezüglich kontinuierlicher Volldrehung (Stoppen des Aufbaus und rückwärts wieder Anfahren kostet Zeit) sowie Drehung um alle drei Winkel mit seinen bereits angesprochenen Konsequenzen vorhanden.
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Aus der
US 6 536 724 B2 ist eine kardanische Aufhängung eines Messinstrumentes bekannt, wobei die Messeinrichtung durch zwei Antriebe in eine definierte Bewegung versetzt wird. Eine ähnliche Messeinrichtung ist aus der
FR 2 363 084 A bekannt.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Messeinrichtung, insbesondere für die Fernerkundung, zu schaffen, mittels derer verschiedene Blickrichtungen mit geringem Steuerungsaufwand erzielbar sind.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Messeinrichtung weist dabei ein Messinstrument und eine Vorrichtung zur beweglichen Lagerung des Messinstruments auf, wobei die Vorrichtung zwei nicht parallele Drehachsen aufweist, wobei die beiden Drehachsen ungleich einer Längsachse des Messinstruments sind, wobei das Messinstrument über ein Kraftübertragungselement mit einem rotierbaren Antriebselement verbunden ist. Dies erlaubt einen sehr einfachen und kompakten Aufbau, wobei das Antriebselement durch einen einfachen einachsigen Antrieb bewegt wird, um so das Messinstrument in der Vorrichtung in eine definierte Teumelbewegung zu versetzen, d. h. die Längsachse des Messinstruments durchläuft eine definierte Bahnkurve, die je nach Ausgestaltung von Null bis unendlich sein kann. Bei Null wird das Antriebselement entsprechend nicht angetrieben und bei unendlich führt das Antriebselement eine vollständige Umdrehung aus, so dass sich eine geschlossene Bahnkurve, vorzugsweise eine Kreisbahn, ergibt. Dabei wird eine Rotation um die Längsachse des Messinstruments vermieden und gleichzeitig alle relevanten Blickrichtungen durchlaufen. Dabei sei angemerkt, dass, wenn das Messinstrument eine Kamera ist, die Längsachse gleich der optischen Achse ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine kardanische Aufhängung, bei der die beiden Drehachsen zueinander rechtwinklig stehen. Kardanische Aufhängungen haben den Vorteil einer sehr einfach zu beschreibenden Taumelbewegung.
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In einer Ausführungsform weist die kardanische Aufhängung eine Basisaufhängung auf, die einen einachsig drehbar gelagerten Innenring trägt, wobei der Innenring das einachsig gelagerte Messinstrument trägt. Die Basisaufhängung ist dabei vorzugsweise starr an einem geeigneten Träger, beispielsweise in einem Fluggerät, angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Antriebselement als Antriebsscheibe ausgebildet.
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Das Antriebselement ist vorzugsweise mit einer Welle fest verbunden, die von einer Antriebseinheit rotierbar antreibbar ist. Die Antriebseinheit ist dabei vorzugsweise unbeweglich und außerhalb der sich bewegenden Teile angeordnet. Dieses vermeidet einen notwendigen Masseausgleich sowie Kabelführungen im Vergleich zu Ausführungen, wo eine Antriebseinheit (Motor) am Innenring montiert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein starres Führungselement für das Antriebselement vorgesehen, das unkontrollierte Bewegungen des Antriebselements und/oder der Welle verhindert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Führungselement starr mit der Basisaufhängung verbunden. Prinzipiell kann das Führungselement aber auch beispielsweise an der starren Antriebseinheit oder an einem anderen starren Träger befestigt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Messeinrichtung eine Sensorik zur Erfassung oder Ermittlung eines Rotationswinkels des Antriebselements auf, wobei aus dem Rotationswinkel des Antriebselements die Winkel der Drehachsen und daraus die Blickrichtung des Messinstruments bestimmbar sind. Die Sensorik kann dabei an dem Antriebselement direkt den Winkel erfassen. Es ist aber auch alternativ oder kumulativ möglich, an der Antriebseinheit die Rotorlage zu erfassen und aus der Rotorlage auf den Winkel der Welle zu schließen, die das Antriebselement antreibt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Kraftübertragungselement als starre Verbindung ausgebildet. Dabei muss die Verbindung bei der Rotation des Antriebselements geeignet mitgeführt werden. In einer Ausführungsform ist dabei die starre Verbindung als Verbindungsstange ausgebildet, die vorzugsweise über ein Kugelkopflager mit dem Antriebselement verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Messinstrument als Kamera ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform führt das Antriebselement eine n × 360°-Drehung aus, wobei n > 1 gilt. Aufgrund der Tatsache, dass es zu keiner Kabeltorsion kommen kann, da das Messinstrument selbst nicht rotiert, kann das Antriebselement kontinuierlich in eine Richtung gedreht werden. Daher muss das Messinstrument auch nicht abgebremst werden, um in seine Ausgangslage zurückkehren zu können. Daher kann die Antriebseinheit kleiner dimensioniert werden und der Energiebedarf reduziert werden, was wiederum zu einem kleineren und leichteren Gesamtsystem führt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Darstellung einer Messeinrichtung für die Fernerkundung.
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Die Messeinrichtung 1 umfasst ein Messinstrument 2 in Form einer Kamera sowie eine Vorrichtung zur beweglichen Lagerung des Messinstruments 2. Hierzu umfasst die Vorrichtung eine Basisaufhängung 3, die Basisaufhängung 3 ist als quadratische oder rechteckförmige Platte ausgebildet, die eine vorzugsweise kreisförmige Öffnung 4 aufweist. An einem Innenrand 5 der Basisaufhängung 3 ist ein Innenring 6 über eine erste Drehachse 7 drehbar gelagert. An einer Innenwand 8 des Innenrings 6 ist das Messinstrument 2 über eine zweite Drehachse 9 drehbar gelagert. Die beiden Drehachsen 7, 9 stehen dabei senkrecht aufeinander und bilden eine kardanische Aufhängung. Des Weiteren weist die Messeinrichtung 1 ein Antriebselement 10 in Form einer Antriebsscheibe auf. Die Antriebsscheibe ist mit einer Welle 12 verbunden, die von einer nicht dargestellten Antriebseinheit rotierbar antreibbar ist. Die Antriebseinheit ist dabei beispielsweise als Schrittmotor ausgebildet. Durch eine Drehung der Welle 12 wird somit auch das Antriebselement 10 gedreht. Die Welle 12 ist dabei durch ein Führungselement 11 geführt, das oberhalb des Antriebselements 10 angeordnet ist. Das Führungselement 11 ist dabei über Verbindungsstege 13 starr mit der Basisaufhängung 3 verbunden. Somit führt das Führungselement 11 einerseits die Welle 12 und andererseits das Antriebselement 10. Das Messinstrument 2 ist über eine starre Verbindungsstange 14 und ein Kugelkopflager 15 mit dem Antriebselement 10 verbunden, wobei die Anbindung nicht zentrisch ist. Die Verbindungsstange 14 ist dabei fluchtend mit der Längsachse des Messinstruments.
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Wird nun die Welle 12 angetrieben, so dreht sich die Antriebsscheibe mit. Über die Verbindungsstange 13 wird dann diese Rotation auf das Messinstrument 2 übertragen, das eine definierte Taumelbewegung in der kardanischen Aufhängung durchführt, wodurch sich die Blickrichtung des Messinstruments 2 sich ebenfalls permanent definiert ändert.
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Eine nicht dargestellte Auswerteeinheit kann dabei die jeweilige Blickrichtung aus der Winkellage der Welle 12 bzw. Antriebsscheibe bestimmen, da ein fester Zusammenhang zwischen dem Winkel der Welle 12 und den Winkeln an den Drehachsen 7, 9 besteht. Die Blickrichtung kann dabei simultan mit den aufgenommenen Daten des Messinstruments 2 abgespeichert werden. Allerdings kann auch vorgesehen sein, zusätzlich Sensoriken zur Erfassung der Winkel der Drehachsen 7, 9 zu verwenden, beispielsweise um die Blickrichtung genauer zu erfassen bzw. für Redundanzzwecke.
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Neben Luftbildbefliegungen mit Kameras aller Arten kann die Messeinrichtung beispielsweise für 3D-Stadtmodellierungen, Kartierungen oder Mappings eingesetzt werden. Die Messeinrichtung kann auch beispielsweise für ein Laser-Scanning oder für Schalldruckuntersuchungen verwendet werden.
