DE102017116095B4

DE102017116095B4 - Method and device for measuring a height profile of a surface along a measuring direction

Info

Publication number: DE102017116095B4
Application number: DE102017116095.7A
Authority: DE
Inventors: Jost Engels
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: DE102017116095A1

Abstract

Verfahren zum Vermessen eines Höhenprofils einer Oberfläche (4) entlang einer Vermessungsrichtung (7),- wobei eine bewegliche Einheit (2) gegenüber einer stationären Einheit (1) ohne mechanische Führung an der stationären Einheit (1) in der Vermessungsrichtung (7) über die Oberfläche (4) verfahren wird,- wobei von einer der Einheiten zu der anderen der Einheiten mindestens ein Lichtstrahl (6) längs der Oberfläche (4) ausgesandt wird, der in Höhenrichtung eine definierte Ausrichtung zu der Vermessungsrichtung (7) aufweist,- wobei der Lichtstrahl (6) von der anderen der Einheiten mit einem in der Höhenrichtung ausgedehnten optischen Positionssensor (10) empfangen wird,- wobei eine Höhenlage der Oberfläche (4) gegenüber dem Lichtstrahl (6) an der beweglichen Einheit (2) festgehalten oder erfasst wird, und- wobei der Lichtstrahl (6) von der anderen der Einheiten direkt mit dem Positionssensor (10) empfangen wird, so dass der Positionssensor (10) für eine Relativlage der anderen der Einheiten und des Lichtstrahls (6) in der Höhenrichtung empfindlich ist, wobei der Positionssensor (10) in der Höhenrichtung über mindestens 10 cm ausgedehnt ist, dadurch gekennzeichnet, dass von der einen der Einheiten mehrere unterscheidbare Lichtstrahlen (6, 8, 9) zu der anderen der Einheiten ausgesandt werden, die in der Höhenrichtung übereinander angeordnet sind.Method for measuring a height profile of a surface (4) along a measuring direction (7), - wherein a movable unit (2) compared to a stationary unit (1) without mechanical guidance on the stationary unit (1) in the measuring direction (7) over the Surface (4) is moved, - wherein at least one light beam (6) is emitted along the surface (4) from one of the units to the other of the units, which beam has a defined height direction to the measuring direction (7), - the Light beam (6) is received by the other of the units with an optical position sensor (10) extended in the height direction, - a height position of the surface (4) in relation to the light beam (6) on the movable unit (2) being held or detected, and - wherein the light beam (6) from the other of the units is received directly with the position sensor (10), so that the position sensor (10) for a relative position of the other of the unit en and the light beam (6) is sensitive in the height direction, the position sensor (10) being extended in the height direction over at least 10 cm, characterized in that several distinguishable light beams (6, 8, 9) from one of the units to the other of the units are sent out, which are superposed in the height direction.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen eines Höhenprofils einer Oberfläche entlang einer Vermessungsrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 10.The invention relates to a method and a device for measuring a height profile of a surface along a measuring direction. In particular, the present invention relates to a method having the features of the preamble of independent claim 1 and to a device having the features of the preamble of independent claim 10.

Bei Roll-, Start- und Landeoperationen eines Luftfahrzeugs wird dieses durch Unebenheiten des Bodens Belastungen ausgesetzt. Bei großen Unebenheiten können diese Belastungen so groß werden, dass die Struktur des Luftfahrzeugs überlastet wird. Um dies zu vermeiden, wird die Längswelligkeit aller Start- und Landebahnen vermessen. Dies gilt insbesondere für unbefestigte Start- und Landebahnen ohne Asphalt- und/oder Betonoberfläche, da sich solche Start- und Landebahnen durch Umwelteinflüsse verändern können. Daher muss ihre Vermessung regelmäßig wiederholt werden.During taxi, take-off and landing operations, an aircraft is exposed to stresses due to unevenness in the ground. In the case of large bumps, these loads can become so great that the structure of the aircraft is overloaded. To avoid this, the longitudinal undulation of all runways is measured. This applies in particular to unpaved runways without asphalt and / or concrete surface, since such runways can change due to environmental influences. Therefore, their measurement must be repeated regularly.

Für militärische Operationen ist es zudem wichtig, dass eine Start- und Landebahn von Einheiten vermessen werden kann, die in der Regel nachts durch Fallschirmsprung ausgesetzt werden, um die Vermessung aus taktischen Gründen unentdeckt durchzuführen. In diesem Fall ist auch eine schnelle Vermessung erstrebenswert, um zeitnah nach dem Absetzen der Einheiten eine Entscheidung darüber treffen zu können, ob eine Operation mit einem Flugzeug auf der vermessenen Start- und Landebahn möglich ist. Ein entscheidender Aspekt dieser Vermessung ist die Längswelligkeit der Oberfläche. Die Längswelligkeit einer Start- und Landebahn ist aber nur ein Beispiel für ein relevantes Höhenprofil einer Oberfläche entlang einer Vermessungsrichtung, dessen Vermessung von Interesse ist.For military operations, it is also important that a runway can be surveyed by units that are usually skydive at night in order to carry out the survey undetected for tactical reasons. In this case, a quick measurement is also desirable in order to be able to make a decision promptly after the units have been set down as to whether an operation with an aircraft is possible on the measured runway. A decisive aspect of this measurement is the longitudinal waviness of the surface. The longitudinal undulation of a runway is only one example of a relevant height profile of a surface along a measurement direction, the measurement of which is of interest.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die DE 198 56 510 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zur Ermittlung von Unebenheiten und Schadstellen in der Oberfläche einer Verkehrsfläche mittels einer mitbewegten Prüfeinrichtung. Die Oberfläche wird abschnittsweise messtechnisch erfasst. In jedem Abschnitt wird die globale Position der Prüfeinrichtung anhand eines Ortungssystems ermittelt. Benachbarte Abschnitte werden durch Erfassung einer diesen Abschnitten gemeinsamen Oberflächenmarkierung miteinander korreliert. Anhand des Längs- und Querprofils sowie der Neigung der Anschnitte zueinander und aus den Positionsdaten der Abschnitte wird ein deckungskorreliert zusammengesetztes Oberflächenrelief der gesamten Oberfläche, wie beispielsweise einer mehrspurigen Fahrbahn, ermittelt. Das bekannte System weist einen ersten Messbalken zur Messung des Querprofils der Oberfläche und einen quer zu diesem angeordneten zweiten Messbalken zur Messung des Längsprofils der Oberfläche, ein Bildaufzeichnungsgerät zur Aufnahme der Oberfläche mit der Oberflächenmarkierung und einen Trägheitsnavigationsmesser zur Erfassung von Vertikalbewegungen der Prüfeinrichtung auf. Die gesamte Prüfeinrichtung wird mit einem Fahrzeug über die Oberfläche verfahren.The DE 198 56 510 A1 discloses a method and a system for determining unevenness and damaged areas in the surface of a traffic area by means of a test device that moves with it. The surface is measured in sections. In each section, the global position of the test facility is determined using a positioning system. Adjacent sections are correlated with one another by detecting a surface marking common to these sections. On the basis of the longitudinal and transverse profile as well as the inclination of the gates to one another and from the position data of the sections, a surface relief of the entire surface, such as a multi-lane roadway, composed with correlation to coverage, is determined. The known system has a first measuring bar for measuring the transverse profile of the surface and a second measuring bar arranged transversely to this for measuring the longitudinal profile of the surface, an image recording device for recording the surface with the surface marking and an inertial navigation meter for detecting vertical movements of the test device. The entire test facility is driven over the surface with a vehicle.

Aus der US 4 422 322 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Straßenprofils mit Hilfe eines Messfahrzeugs bekannt. An der gefederten Masse des Fahrzeugs sind Wandler gelagert, um den Abstand zur Straßenoberfläche und die Beschleunigung normal zur Straßenoberfläche zu messen, während das Fahrzeug über die Straße verfahren wird. Ein dritter Wandler erfasst den von dem Fahrzeug auf der Straße zurückgelegten Weg. Aus dem Abstand, der Beschleunigung und dem Weg wird das Straßenprofil ermittelt.From the U.S. 4,422,322 A a device and a method for measuring a road profile with the aid of a measuring vehicle are known. Transducers are mounted on the sprung mass of the vehicle to measure the distance to the road surface and the acceleration normal to the road surface as the vehicle travels across the road. A third transducer detects the path covered by the vehicle on the road. The road profile is determined from the distance, the acceleration and the route.

Aus der DE 101 55 488 A1 ist ein Verfahren zur Aufnahme des Oberflächenzustands einer Fahrbahn bekannt, bei dem die Fahrbahn mit einem Fahrzeug in einer vorgegebenen Fahrtrichtung befahren wird. An dem Fahrzeug ist ein Scanner bestehend aus einem Laserstrahlemitter und einem Laserstrahlempfänger über und mit Abstand zu der Oberfläche angeordnet. Laserstrahlen werden von dem Scanner auf die Fahrbahn gerichtet. Der Laserstrahlempfänger erkennt die von der Oberfläche diffus reflektierten Laserstrahlen und erzeugt Empfangssignale. Durch Umformung der Empfangssignale werden Signale erzeugt, die die Lageänderung der Oberfläche und Unebenmäßigkeiten der Oberfläche repräsentieren. Der an einer festen Stelle des Fahrzeugs montierte Scanner führt mit seinem Laserstrahlemitter in einer quer zur Fahrtrichtung ausgerichteten Abtastebene eine Pendelbewegung aus. Die Laserstrahlen werden pulsweise mit vorgegebener Frequenz derart erzeugt, dass in der Abtastebene bei der Pendelbewegung des Scanners in vorgegebenen Winkelschritten jeweils ein Laserpuls erfolgt. Aus den Empfangssignalen des Laserstrahlempfängers wird die Dauer zwischen der Erzeugung jedes Laserstrahlpulses und dem Empfang des an der Oberfläche reflektierten Laserstrahlpulses, d. h. seine Laufzeit, ermittelt. Zur Ermittlung der die Unebenmäßigkeiten der Oberfläche repräsentierenden Signale wird die Laufzeit mit dem Winkel zwischen einer festliegenden Linie und dem jeweiligen Laserstrahlpuls korrigiert.From the DE 101 55 488 A1 a method for recording the surface condition of a roadway is known, in which the roadway is driven on by a vehicle in a predetermined direction of travel. A scanner consisting of a laser beam emitter and a laser beam receiver is arranged on the vehicle above and at a distance from the surface. Laser beams are directed onto the roadway by the scanner. The laser beam receiver detects the laser beams diffusely reflected from the surface and generates received signals. By transforming the received signals, signals are generated that represent the change in position of the surface and unevenness of the surface. The scanner, which is mounted at a fixed point in the vehicle, carries out a pendulum movement with its laser beam emitter in a scanning plane oriented transversely to the direction of travel. The laser beams are generated in pulses at a predetermined frequency in such a way that a laser pulse occurs in the scanning plane with the pendulum movement of the scanner in predetermined angular steps. The duration between the generation of each laser beam pulse and the reception of the laser beam pulse reflected on the surface, ie its transit time, is determined from the received signals of the laser beam receiver. To determine the signals representing the unevenness of the surface, the transit time is corrected with the angle between a fixed line and the respective laser beam pulse.

Aus der US 5 549 412 A ist eine Straßenherstellungsmaschine bekannt, die einen Straßenbelag auf einem Untergrund ausbildet. Die Oberfläche des Untergrunds und die Oberfläche des ausgeformten Belags werden mechanisch abgetastet, um die Straßenmaschine zu steuern. Dabei werden die Abtastwerte mit der Position der Straßenmaschine korreliert, die durch ein GPS-System erfasst werden.From the U.S. 5,549,412 A a paving machine is known which forms a pavement on a ground. The surface of the ground and the surface of the formed pavement are mechanically scanned in order to control the road machine. The Samples correlated with the position of the road machine, which are acquired by a GPS system.

Aus der US 3 026 164 A ist eine Profilerfassungsvorrichtung für das Profil einer Oberfläche bekannt. Die Profilerfassungsvorrichtung weist einen verfahrbaren Tisch und eine daran gelagerte mechanische Neigungsmessanordnung sowie eine mechanische Profilaufzeichnungsanordnung auf.From the U.S. 3,026,164 A a profile detection device for the profile of a surface is known. The profile detection device has a movable table and a mechanical inclination measuring arrangement mounted on it, as well as a mechanical profile recording arrangement.

Aus der US 1 428 520 A ist eine weitere verfahrbare Profilmessvorrichtung bekannt, bei der das zu vermessende Profil überfahren und dabei mechanisch abgetastet sowie ebenfalls mechanisch auf Papier aufgezeichnet wird.From the U.S. 1,428,520 A a further movable profile measuring device is known in which the profile to be measured is traversed and mechanically scanned and also mechanically recorded on paper.

Aus der EP 1 703 300 A1 sind ein Verfahren und ein System zur Bestimmung von Position und Orientierung eines Objekts bekannt. Bei dem Objekt handelt es sich um ein verfahrbares Messgerät, von dem aus weitere Messungen durchgeführt und mit den Lageinformationen des Objekts verknüpft werden. Das Objekt ist eine bewegbare Einheit mit einem Empfänger, der durch eine ortsfeste Abtasteinheit erfasst wird, wobei von der Abtasteinheit wenigstens die Entfernung und eine Richtung zum Empfänger ermittelt werden. Von der Abtasteinheit emittierte Strahlung wird durch den Empfänger erfasst, und die Einfallsrichtung der Strahlung in Bezug auf eine Empfängerachse wird bestimmt. Aus der Entfernung, der Richtung zum Empfänger und der Einfallsrichtung als Lageinformationen werden Position und Orientierung der verfahrbaren Einheit abgeleitet. Der Empfänger weist eine Objektivlinse mit einer strahlungsempfindlichen und bezüglich der Strahlung positionssensitiven Detektorkomponente auf, die hinter der Objektivlinse angeordnet ist. Die verfahrbare Einheit umfasst weiterhin einen insbesondere biaxialen Neigungsmesser.From the EP 1 703 300 A1 a method and a system for determining the position and orientation of an object are known. The object is a movable measuring device from which further measurements are carried out and linked to the position information of the object. The object is a movable unit with a receiver, which is detected by a stationary scanning unit, the scanning unit determining at least the distance and a direction to the receiver. Radiation emitted by the scanning unit is detected by the receiver, and the direction of incidence of the radiation with respect to a receiver axis is determined. The position and orientation of the movable unit are derived from the distance, the direction to the receiver and the direction of incidence as position information. The receiver has an objective lens with a radiation-sensitive and position-sensitive with respect to the radiation detector component, which is arranged behind the objective lens. The displaceable unit also comprises an inclinometer, in particular a biaxial inclinometer.

Aus der EP 2 639 548 A1 ist ein Laserempfänger bekannt, der dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl relativ zu dem Laserempfänger zu lokalisieren. Der Laserempfänger weist einen Laserlichtfotosensor auf, der ein Signal ausgibt, wenn er von einem Referenzlaserstrahl beleuchtet wird. An den Fotosensor ist eine Schaltung angeschlossen, die eine relative Position zwischen dem detektierten Laserstrahl und einer Nullposition des Laserempfängers empfängt. Weiter weist der Laserempfänger einen Beschleunigungssensor auf, um eine Bewegung des Laserempfängers nach Betrag und Richtung zu erfassen. Der Beschleunigungssensor ist ebenfalls an die Schaltung angeschlossen, und die Schaltung ist dazu vorgesehen, die Informationen von dem Beschleunigungssensor zu gewichten. Der Referenzlaserstrahl kann von einem stationären Laseremitter ausgesandt werden. Der Laseremitter kann dabei eine Referenzlaserlichtebene mit Hilfe einer rotierenden Laserkonstruktion oder mit einem aufgefächerten Laserstrahl ausbilden.From the EP 2 639 548 A1 a laser receiver is known which is designed to localize a laser beam relative to the laser receiver. The laser receiver has a laser light photosensor which outputs a signal when it is illuminated by a reference laser beam. A circuit is connected to the photosensor which receives a relative position between the detected laser beam and a zero position of the laser receiver. The laser receiver also has an acceleration sensor in order to detect a movement of the laser receiver in terms of magnitude and direction. The acceleration sensor is also connected to the circuit, and the circuit is provided to weight the information from the acceleration sensor. The reference laser beam can be emitted from a stationary laser emitter. The laser emitter can form a reference laser light plane with the aid of a rotating laser construction or with a fanned-out laser beam.

Aus der DE 10 2008 045 386 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts in einem Raumbereich bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle, eine Lichtlenkeinrichtung, wenigstens einen Referenzsignaldetektor und eine Detektoranordnung. Die Lichtquelle erzeugt eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate. Die Lichtlenkeinrichtung lenkt die Folge von Lichtpulsen in den Raumbereich und als Referenzsignal zu dem wenigstens einen Referenzsignaldetektor. Die Detektoranordnung erfasst eine Mehrzahl von Lichtsignalen, die in dem Raumbereich von dem Objekt durch Reflektion und/oder Streuung der Folge von Lichtpulsen in eine Mehrzahl unterschiedlicher Richtung reflektiert und/oder gestreut werden. Eine Auswerteschaltung ermittelt eine Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und einer Signalkomponente wenigstens eines Lichtsignals. Die Phasendifferenz wird basierend auf der Signalkomponente bestimmt, die eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.From the DE 10 2008 045 386 A1 a device and a method for determining a position of an object in a spatial region are known. The device comprises a light source, a light guide device, at least one reference signal detector and a detector arrangement. The light source generates a sequence of light pulses with a repetition rate. The light-directing device directs the sequence of light pulses into the spatial area and as a reference signal to the at least one reference signal detector. The detector arrangement detects a plurality of light signals which are reflected and / or scattered in the spatial region by the object by reflection and / or scattering of the sequence of light pulses in a plurality of different directions. An evaluation circuit determines a phase difference between the reference signal and a signal component of at least one light signal. The phase difference is determined based on the signal component having a frequency that is a multiple of the repetition rate.

Aus der DE 101 49 206 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kartographieren einer Straße bekannt. Das Kartographieren erfolgt während der Fahrt eines Fahrzeugs, wobei zwei Datenerfassungsmodule an den Seiten des Fahrzeugs angeordnet sind, von denen jedes über einen GPS-Empfänger und eine Antenne verfügt, so dass die Position des Fahrzeugs bestimmt werden kann, und von denen jedes über eine Linearkamera verfügt, die eindimensionale Bilder einer Fläche auf der jeweiligen Seite in einer vertikalen, senkrecht zur Straße verlaufenden Ebene liefert, so dass aus einer senkrecht zur Straße verlaufenden Perspektive Informationen über die Straße geliefert werden. Eine Prozessoreinheit bildet eine kartographische Datenbank der Straße, indem sie die Fahrzeugposition in Korrelation zu den Informationen über die Straße setzt. Anstelle der oder zusätzlich zu den Kameras können Abtast-Laserradars eingesetzt werden, die senkrecht zur Straße nach unten Wellen emittieren und reflektierte Wellen empfangen, woraus Informationen über den Abstand zwischen den Laserradars und dem Boden abzuleiten sind, die bei der Bildung der Datenbank verwendet werden können.From the DE 101 49 206 A1 a method and an apparatus for mapping a road are known. Mapping is done while a vehicle is in motion, with two data acquisition modules located on the sides of the vehicle, each with a GPS receiver and antenna so that the vehicle's position can be determined, and each with a linear camera which supplies one-dimensional images of an area on the respective side in a vertical plane running perpendicular to the road, so that information about the road is supplied from a perspective running perpendicular to the road. A processor unit forms a cartographic database of the road by correlating the vehicle position with the information about the road. Instead of or in addition to the cameras, scanning laser radars can be used, which emit waves downwards perpendicular to the road and receive reflected waves, from which information about the distance between the laser radars and the ground can be derived, which can be used in the formation of the database .

Aus der US 2010 / 0 131 237 A1 ist eine Laserabstandsmess- und -ausrichteinrichtung bekannt.A laser distance measuring and aligning device is known from US 2010/0 131 237 A1.

Aus der WO 2002/ 010 681 A1 sind eine Messanordnung und ein Messverfahren zur Entfernungs- und/oder Positionsbestimmung bekannt. Die Messanordnung umfasst einen Messsender und einen messbar beabstandeten Messempfänger. Der Messsender ist zur Emission von mindestens zwei in bestimmter Beziehung zueinander eine Fläche überstreichenden Sendemessstrahlen ausgebildet. Der Messempfänger ist zum zeitaufgelösten Empfang von Messstrahlen ausgebildet, um aus der Zeitsignatur des Messstrahlenempfangs die Sender-Empfänger-Entfernung zu bestimmen.A measuring arrangement and a measuring method for determining distance and / or position are known from WO 2002/010 681 A1. The measuring arrangement comprises a measuring transmitter and a measurably spaced measuring receiver. The test transmitter is designed to emit at least two in certain relationship to one another formed an area sweeping transmission measuring beams. The measuring receiver is designed for the time-resolved reception of measuring beams in order to determine the transmitter-receiver distance from the time signature of the measuring beam reception.

Aus der US 6 750 953 B1 ist ein positionsdetektierender Laserempfänger bekannt. Eine Ziellichtquelle, wie ein verschwenkter Laserstrahl, wird durch Auswertung des Signals detektiert, das von dem verschwenkten Laserlichtstrahl in einem Fotodetektor hervorgerufen wird. Der Fotodetektor ist als Array von PIN-Dioden ausgebildet und gibt unterschiedliche erste und zweite Detektorsignale aus, je nachdem, wo der verschwenkte Laserstrahl auf das Array auftrifft.From the US 6 750 953 B1 a position detecting laser receiver is known. A target light source, such as a panned laser beam, is detected by evaluating the signal that is produced by the panned laser light beam in a photodetector. The photodetector is designed as an array of PIN diodes and outputs different first and second detector signals, depending on where the pivoted laser beam strikes the array.

Aus der JP 2000- 9 463 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen eines Höhenprofils einer Oberfläche bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 10 aufweisen. Ein Laserleuchtturm strahlt einen Laserstrahl als Höhenreferenz ab, die auf einer Installationshöhe basiert, welche mit einem GPS-Empfänger gemessen wird. Auf einem Fahrzeug ist ein Lichtempfänger zum Empfangen des Laserstrahls montiert, um eine Fahrzeughöhenlage zu bestimmen. Eine Entfernungsmesseinrichtung misst die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und einer Bodenoberfläche, während das Fahrzeug fährt. Diese Entfernung wird von der Fahrzeughöhenlage abgezogen, die von dem Lichtempfänger bestimmt wurde, um das Höhenprofil der Bodenoberfläche zu erhalten.From JP 2000- 9 463 A a method and a device for measuring a height profile of a surface are known which have the features of the preamble of independent claim 1 and the preamble of independent claim 10, respectively. A laser lighthouse emits a laser beam as a height reference, which is based on an installation height, which is measured with a GPS receiver. A light receiver for receiving the laser beam to determine a vehicle altitude is mounted on a vehicle. A distance measuring device measures the distance between the vehicle and a ground surface while the vehicle is traveling. This distance is subtracted from the vehicle elevation determined by the light receiver to obtain the elevation profile of the ground surface.

Aus der US 6 292 258 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kippwinkels eines Laserempfängers bekannt, um den Kippwinkel bei der Bestimmung einer Höhenlage des Laserempfängers gegenüber einem Laserstrahl zu kompensieren. Der Laserstrahl wird von einer Referenzlichtquelle ausgesandt.From the US 6 292 258 B1 a method and a device for determining a tilt angle of a laser receiver are known in order to compensate for the tilt angle when determining an altitude of the laser receiver with respect to a laser beam. The laser beam is emitted from a reference light source.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen eines Höhenprofils einer Oberfläche entlang einer Vermessungsrichtung aufzuzeigen, das einfach durchzuführen bzw. die robust aufgebaut ist, um das Vermessen mit großer Bandbreite der erfassbaren Höhenlagen der Oberfläche auch unter schwierigen Randbedingungen sicher durchführen zu können.The invention is based on the object of providing a method and a device for measuring a height profile of a surface along a measuring direction, which can be carried out easily or which is robust in order to reliably carry out the measurement with a wide range of the ascertainable heights of the surface even under difficult boundary conditions to be able to.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.The object of the invention is achieved according to the invention with the features of the independent patent claims 1 and 10. Further preferred embodiments according to the invention can be found in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen eines Höhenprofils einer Oberfläche entlang einer Vermessungsrichtung wird eine bewegliche Einheit gegenüber einer stationären Einheit ohne mechanische Führung an der stationären Einheit in der Vermessungsrichtung über die Oberfläche verfahren. Von einer der Einheiten wird zu der anderen der Einheiten mindestens ein Lichtstrahl längs der Oberfläche ausgesandt, der in Höhenrichtung eine definierte Ausrichtung zu der Vermessungsrichtung aufweist und insbesondere in der Vermessungsrichtung oder parallel dazu verläuft. Der Lichtstrahl wird von der anderen Einheit mit einem optischen Positionssensor empfangen, der in der Höhenrichtung über mindestens 10 cm ausgedehnt ist. Dabei wird der Lichtstrahl an der anderen der Einheiten direkt, d.h. nicht etwa unter Zwischenschaltung einer Linse, mit dem Positionssensor empfangen, so dass der Positionssensor für eine Relativlage der anderen der Einheiten und des Lichtstrahls in der Höhenrichtung unmittelbar empfindlich ist. An der beweglichen Einheit wird eine Höhenlage der Oberfläche gegenüber dem Lichtstrahl festgehalten oder erfasst. Festgehalten werden kann die Höhenlage der Oberfläche gegenüber dem Lichtstrahl an der beweglichen Einheit allerdings nur dann, wenn die eine der Einheiten, von der der mindestens eine Lichtstrahl ausgesandt wird, die bewegliche Einheit ist. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die eine der Einheiten, von der der mindestens eine Lichtstrahl ausgesandt wird, die stationäre Einheit ist. Dann ist der Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf den Positionssensor, d. h. die Relativlage der anderen der Einheiten und des Lichtstrahls in der Höhenrichtung, für die der Positionssensor empfindlich ist, ein Maß für die Höhenlage der Oberfläche gegenüber dem Lichtstrahl, das an der beweglichen Einheit einfach erfassbar ist. Die stationäre Einheit gibt dabei mit dem Lichtstrahl nur eine Achse für das Bezugssystem vor, in dem das Höhenprofil der Oberfläche vermessen wird. Die Auflösung dieser Vermessung hängt unmittelbar von dem Aufbau des Positionssensors ab. Dieser Aufbau kann grundsätzlich jedem bekannten Position Sensitive Device (PSD) entsprechen.In the method according to the invention for measuring a height profile of a surface along a measuring direction, a movable unit is moved over the surface in the measuring direction with respect to a stationary unit without mechanical guidance on the stationary unit. At least one light beam is emitted from one of the units to the other of the units along the surface, which in the height direction has a defined alignment to the measuring direction and in particular runs in the measuring direction or parallel thereto. The light beam is received by the other unit with an optical position sensor that is expanded in the height direction over at least 10 cm. The light beam is received at the other of the units directly, i.e. not with the interposition of a lens, with the position sensor, so that the position sensor is directly sensitive to a relative position of the other of the units and the light beam in the height direction. The height of the surface in relation to the light beam is recorded or recorded on the movable unit. However, the height of the surface with respect to the light beam on the movable unit can only be recorded if one of the units from which the at least one light beam is emitted is the movable unit. However, it is preferred if one of the units from which the at least one light beam is emitted is the stationary unit. Then the point of incidence of the light beam on the position sensor, i. H. the relative position of the other of the units and the light beam in the height direction to which the position sensor is sensitive, a measure of the height of the surface in relation to the light beam, which can be easily detected on the movable unit. With the light beam, the stationary unit only provides one axis for the reference system in which the height profile of the surface is measured. The resolution of this measurement depends directly on the structure of the position sensor. This structure can basically correspond to any known position sensitive device (PSD).

Von der einen der Einheiten werden mehrere unterscheidbare Lichtstrahlen zu der anderen der Einheiten ausgesandt, die in der Höhenrichtung übereinander angeordnet sind, um die Bandbreite der erfassbaren Höhenlagen der Oberfläche zu vergrößern.A plurality of distinguishable light beams are emitted from one of the units to the other of the units, which light beams are arranged one above the other in the height direction in order to enlarge the bandwidth of the detectable height positions of the surface.

Konkret kann der Positionssensor ein Sensorarray mit in der Höhenrichtung übereinander angeordneten Teilsensoren aufweisen, wobei die Teilsensoren dann über mindestens 10 cm über eine Vielzahl von Höhen, d. h. mindestens fünf oder zehn Höhen, verteilt sind. Dabei hängt die Auflösung der Vermessung des Höhenprofils der Oberfläche von der Anzahl und der Dichte der Teilsensoren in der Höhenrichtung ab. Die einzelnen Teilsensoren des Sensorarrays sollten in der Höhenrichtung zumindest so dicht angeordnet sein, dass der Lichtstrahl auf mindestens immer einen, vorzugsweise mindestens immer zwei der Teilsensoren fällt, soweit er innerhalb des Sensorarrays auf die andere der Einheiten auftrifft.Specifically, the position sensor can be a sensor array with one above the other in the height direction arranged sub-sensors, the sub-sensors then being distributed over at least 10 cm over a plurality of heights, ie at least five or ten heights. The resolution of the measurement of the height profile of the surface depends on the number and density of the partial sensors in the height direction. The individual partial sensors of the sensor array should be arranged at least so densely in the height direction that the light beam always falls on at least one, preferably at least always two of the partial sensors, insofar as it strikes the other of the units within the sensor array.

Die Ausdehnung des Positionssensors in der Höhenrichtung gibt an, wie groß der aktive Bereich des Positionssensors in der Höhenrichtung ist, d. h., wie weit die Höhenlage der Oberfläche schwanken kann, um immer noch mit Hilfe des Positionssensors erfassbar zu sein. Für die praktische Ausmessung des Höhenprofil potentieller Rollbahnen ist es bevorzugt, dass der Positionssensor in der Höhenrichtung über mindestens 20 cm, mindestens 30 cm, mindestens 40 cm oder etwa einen halben Meter ausgedehnt ist.The extent of the position sensor in the height direction indicates how large the active area of the position sensor is in the height direction, i. That is, how far the altitude of the surface can fluctuate in order to still be detectable with the aid of the position sensor. For the practical measurement of the height profile of potential taxiways, it is preferred that the position sensor is extended in the height direction over at least 20 cm, at least 30 cm, at least 40 cm or about half a meter.

Die von der einen der Einheiten ausgesandten mehreren Lichtstrahlen können parallel zueinander und dabei in gleichen Abständen in der Höhenrichtung übereinander angeordnet werden. Weiterhin können die mehreren Lichtstrahlen codiert werden, um sie an der anderen der Einheiten unterscheiden zu können. Dies ist beispielsweise durch Amplitudenmodulation und/oder Pulsweitenmodulation und/oder Frequenzmodulation und/oder unterschiedliche Wellenlängen möglich.The multiple light beams emitted by one of the units can be arranged parallel to one another and at the same intervals one above the other in the vertical direction. Furthermore, the plurality of light beams can be coded in order to be able to distinguish them on the other of the units. This is possible, for example, by amplitude modulation and / or pulse width modulation and / or frequency modulation and / or different wavelengths.

Grundsätzlich kann der mindestens eine Lichtstrahl und auch jeder weitere Lichtstrahl mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängenbereich erzeugt werden und/oder als Laserlichtstrahl erzeugt werden und/oder quer zu der Höhenrichtung parallel oder fächerförmig aufgeweitet werden. Ein sichtbarer Laserstahl erleichtert die Durchführung des Verfahrens, weil er leicht längs der Oberfläche ausgerichtet und leicht auf dem Positionssensor gehalten werden kann. Umgekehrt wird dadurch auch die Durchführung des Verfahrens sichtbar. Es kann also bevorzugt sein, dass die jeweils andere der Einheiten signalisiert, wenn die Gefahr besteht, dass der Lichtstrahl den Positionssensor verlässt und dabei auch die Richtung ausgibt, in der dies wahrscheinlich passiert.In principle, the at least one light beam and also every further light beam with a wavelength in the visible or invisible wavelength range can be generated and / or generated as a laser light beam and / or widened parallel or fan-shaped transversely to the height direction. A visible laser beam facilitates the implementation of the method because it can be easily aligned along the surface and easily held on the position sensor. Conversely, the implementation of the process is also visible. It can therefore be preferred that the respective other of the units signals when there is a risk that the light beam will leave the position sensor and also outputs the direction in which this is likely to happen.

Wenn der Lichtstrahl quer zu der Höhenrichtung aufgeweitet wird, kann auch dies das Halten des Lichtstrahls auf dem Positionssensor erleichtern. Wenn dann der Positionssensor auch quer zu der Höhenrichtung ausgedehnt ist, indem beispielsweise sein Sensorarray in mehrere Einzelsensoren unterteilt ist, kann zudem eine Querneigung der anderen der Einheiten gegenüber dem mindestens einen Lichtstrahl um die Vermessungsrichtung herum erfasst werden, weil je nach dieser Querneigung der Lichtstrahl in einer geneigten Linie über den Positionssensor verläuft.If the light beam is widened transversely to the height direction, this can also make it easier to hold the light beam on the position sensor. If the position sensor is then also extended transversely to the height direction, for example by subdividing its sensor array into several individual sensors, a lateral inclination of the other of the units relative to the at least one light beam around the measurement direction can also be detected because, depending on this lateral inclination, the light beam in an inclined line across the position sensor.

Konkret kann die bewegliche Einheit ein Tastrad aufweisen, das in der Vermessungsrichtung über die Oberfläche gerollt wird. Alternativ kann sie auch ein Paar von Tasträdern aufweisen, die um eine quer zu der Vermessungsrichtung verlaufende Drehachse umlaufend gelagert sind und die in der Vermessungsrichtung über die Oberfläche gerollt werden. In jedem Fall kann das Tastrad oder können die Tasträder einen Drehwinkelgeber aufweisen, mit dem ein von der beweglichen Einheit in der Vermessungsrichtung zurückgelegter Weg erfasst wird. Wenn dann die bewegliche Einheit auch die andere der Einheiten ist, an der der Lichtstrahl mit dem Positionssensor empfangen wird, fallen alle zum Vermessen des Höhenprofils benötigten Daten in der beweglichen Einheit an, und die stationäre Einheit gibt mit dem Lichtstrahl und den Lichtstrahlen ausschließlich die eine Achse des Bezugssystems vor, in dem die Vermessung des Höhenprofils erfolgt. Der mit dem Drehwinkelgeber erfasste, von der beweglichen Einheit in der Vermessungsrichtung zurückgelegte Weg gibt die x-Position an, an der durch den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf den Positionssensor die x-Position der Oberfläche gegenüber dem Lichtstrahl bestimmt wird.Specifically, the movable unit can have a feeler wheel that is rolled over the surface in the measuring direction. Alternatively, it can also have a pair of feeler wheels which are mounted around an axis of rotation running transversely to the measuring direction and which are rolled over the surface in the measuring direction. In any case, the feeler wheel or the feeler wheels can have a rotary encoder with which a path covered by the movable unit in the measuring direction is recorded. If the movable unit is then also the other of the units at which the light beam is received with the position sensor, all of the data required for measuring the height profile are generated in the movable unit, and the stationary unit only provides one with the light beam and the light beams Axis of the reference system in which the height profile is measured. The path covered with the rotary encoder and covered by the movable unit in the measuring direction indicates the x-position at which the x-position of the surface relative to the light beam is determined by the point of impact of the light beam on the position sensor.

Statt die x-Position der beweglichen Einheit mit Hilfe eines Tastrads und eines Drehwinkelgebers zu erfassen, ist auch eine Erfassung des sich ändernden Abstands zwischen der stationären Einheit und der beweglichen Einheit in der Vermessungsrichtung durch Messung der Laufzeit des Lichtstrahls möglich. Dabei kann es sich um eine Messung der Laufzeit von der stationären Einheit bis zu der beweglichen Einheit an der beweglichen Einheit oder um eine Messung der Laufzeit des von der beweglichen Einheit noch einmal zurück zu der stationären Einheit reflektierten Lichtstrahls an der stationären Einheit handeln. Es kann auch die Laufzeit eines anderen Signals als der Lichtstrahl zwischen den beiden Einheiten zur Messung des Abstands der beiden Einheiten verwendet werden. Die Messung der Laufzeit eines reflektierten Signals an der aussendenden Einheit hat in jedem Fall den Vorteil, dass die beiden Einheiten nicht mit exakt synchronisierten Uhren ausgestattet sein müssen.Instead of detecting the x-position of the movable unit with the aid of a feeler wheel and a rotary encoder, it is also possible to detect the changing distance between the stationary unit and the movable unit in the measuring direction by measuring the transit time of the light beam. This can be a measurement of the transit time from the stationary unit to the movable unit on the movable unit or a measurement of the transit time of the light beam reflected from the movable unit back to the stationary unit on the stationary unit. The transit time of a signal other than the light beam between the two units can also be used to measure the distance between the two units. Measuring the transit time of a reflected signal at the emitting unit always has the advantage that the two units do not have to be equipped with precisely synchronized clocks.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die bewegliche Einheit oder ein relevanter Teil davon immer exakt in der Höhenrichtung ausgerichtet werden, dies kann durch Schwerkraft gegenüber einem Chassis der beweglichen Einheit, das über die Oberfläche verfahren wird, erreicht werden. Ein besonders einfache Handhabung der beweglichen Einheit ergibt sich jedoch, wenn hingenommen wird, dass ein Neigungswinkel der beweglichen Einheit gegenüber der Höhenrichtung auftritt, dieser aber erfasst und bei der Ermittlung der Höhenlage der Oberfläche aus dem jeweiligen Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf den Positionssensor berücksichtigt wird. Dazu kann die bewegliche Einheit beispielsweise einen Neigungssensor aufweisen.In the method according to the invention, the movable unit or a relevant part thereof can always be aligned exactly in the height direction; this can be achieved by gravity with respect to a chassis of the movable unit which is moved over the surface. A particularly simple handling of the movable unit results however, if it is accepted that an angle of inclination of the movable unit occurs with respect to the height direction, but this is detected and taken into account when determining the height of the surface from the respective point of incidence of the light beam on the position sensor. For this purpose, the movable unit can have an inclination sensor, for example.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine stationäre Einheit, eine bewegliche Einheit, die gegenüber der stationären Einheit ohne mechanische Führung an der stationären Einheit in einer Vermessungsrichtung über eine Oberfläche verfahrbar ist, eine Lichtquelle an einer der Einheiten, mit der mindestens ein Lichtstrahl längs der Oberfläche so zu der anderen der Einheiten aussendbar ist, dass er in Höhenrichtung eine definierte Ausrichtung zu der Vermessungsrichtung aufweist, einen den Lichtstrahl empfangenden Sensor an der anderen der Einheiten und Einrichtungen auf, die eine Höhenlage der Oberfläche gegenüber dem Lichtstrahl an der beweglichen Einheit festhalten oder erfassen. Dabei ist der Positionssensor in der Höhenrichtung über mindestens 10 cm ausgedehnt und weist beispielsweise ein Sensorarray mit einer Vielzahl von in der Höhenrichtung übereinander angeordneten Teilsensoren auf. Darüber hinaus empfängt der Positionssensor an der anderen der Einheiten den Lichtstrahl direkt und ist so für eine Relativlage der anderen der Einheiten und des Lichtstrahls in der Höhenrichtung empfindlich.A device according to the invention for carrying out the method according to the invention has a stationary unit, a movable unit which can be moved across a surface in a measuring direction in relation to the stationary unit without mechanical guidance on the stationary unit, a light source on one of the units with which at least one light beam can be emitted along the surface to the other of the units in such a way that it has a defined alignment in height direction to the measuring direction, a sensor receiving the light beam on the other of the units and devices, which has a height position of the surface in relation to the light beam on the movable unit hold or capture. The position sensor is extended over at least 10 cm in the height direction and has, for example, a sensor array with a plurality of partial sensors arranged one above the other in the height direction. In addition, the position sensor on the other of the units receives the light beam directly and is thus sensitive to a relative position of the other of the units and the light beam in the height direction.

Die Lichtquelle an der einen der Einheiten sendet mehrere unterscheidbare Lichtstrahlen zu der anderen der Einheiten aus, die in der Höhenrichtung übereinander angeordnet sind, um die Bandbreite der erfassbaren Höhenlagen der Oberfläche zu vergrößern.The light source on one of the units emits a plurality of distinguishable light beams to the other of the units, which are arranged one above the other in the height direction in order to increase the bandwidth of the detectable height positions of the surface.

Auch wenn der Lichtstrahl von der beweglichen der beiden Einheiten ausgesandt wird, die dem Höhenprofil der Oberfläche bei ihrem Verfahren über die Oberfläche folgt, bedeutet, dass der Lichtstrahl in Höhenrichtung eine definierte Ausrichtung zu der Vermessungsrichtung aufweist, insbesondere, dass er immer parallel zu der Vermessungsrichtung verläuft. Wenn der Lichtstrahl von der stationären Einheit ausgesandt wird, weist er vorzugsweise einen festen Verlauf in der Vermessungsrichtung auf.Even if the light beam is emitted by the movable one of the two units, which follows the height profile of the surface as it moves across the surface, this means that the light beam has a defined alignment in height with the measurement direction, in particular that it is always parallel to the measurement direction runs. When the light beam is emitted from the stationary unit, it preferably has a fixed course in the measuring direction.

Hinsichtlich der weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die voranstehenden Erläuterungen der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die nachfolgende Figurenbeschreibung verweisen.With regard to the further preferred embodiments of the device according to the invention, reference is made to the above explanations of the preferred embodiments of the method according to the invention and the following description of the figures.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können einzelne der in einem der abhängigen Patentansprüche aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous further developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention. Without changing the subject matter of the attached claims, the following applies with regard to the disclosure content of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible in a way deviating from the selected back-references of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, some of the features listed in one of the dependent claims can be omitted for further embodiments of the invention.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Lichtstrahl die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Lichtstrahl, zwei Lichtstrahlen oder mehr Lichtstrahlen vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der jeweiligen Anspruchsgegenstand aufweist.The number of features mentioned in the claims and the description are to be understood in such a way that precisely this number or a greater number than the specified number is present without the explicit use of the adverb “at least” being required. For example, when a ray of light is mentioned, it is to be understood that there is exactly one ray of light, two rays of light or more rays of light. The features cited in the claims can be supplemented by other features or be the only features that the respective subject matter of the claim has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not restrict the scope of the subject matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Seitenansicht.
2 zeigt eine bewegliche Einheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer axialen Draufsicht; und
3 ist eine 1 entsprechende Darstellung zu Details bei der Bestimmung des Höhenprofils bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

In the following, the invention is further explained and described with reference to preferred exemplary embodiments shown in the figures.

1 is a schematic representation of the method according to the invention in a side view.
2 shows a movable unit of a device according to the invention in an axial plan view; and
3 is a 1 corresponding representation of details in determining the height profile in the method according to the invention.

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

1 zeigt eine stationäre Einheit 1 und eine bewegliche Einheit 2 einer Vorrichtung 3 zum Bestimmen des Höhenprofils einer Oberfläche 4. Die stationäre Einheit 1 umfasst ein Stativ 11, das eine Lichtquelle fest ausrichtet. Die Lichtquelle 5 sendet einen Lichtstrahl 6 in einer Vermessungsrichtung 7 längs der Oberfläche 4 aus. Die Lichtquelle 5 sendet auch noch zwei weitere Lichtstrahlen 8, 9 aus. Der Lichtstrahl 8 steigt leicht gegenüber dem Lichtstrahl 6 an. Entsprechend fällt der Lichtstrahl 9 leicht gegenüber dem Lichtstrahl 6 ab. Die Lichtstrahlen 6, 8 und 9 sind unterschiedlich kodiert und dadurch unterscheidbar. 1 shows a stationary unit 1 and a movable unit 2 a device 3 to determine the height profile of a surface 4th . The stationary unit 1 includes a tripod 11 that firmly aligns a light source. The light source 5 sends a beam of light 6th in a measurement direction 7th along the surface 4th out. The light source 5 also sends two more rays of light 8th , 9 out. The ray of light 8th rises slightly compared to the light beam 6th at. The light beam falls accordingly 9 slightly opposite the light beam 6th from. The rays of light 6th , 8th and 9 are coded differently and thus distinguishable.

Zumindest einer der Lichtstrahlen 6, 8, 9 wird an der beweglichen Einheit 2 mit einem optischen Positionssensor 10, der längs der Höhenrichtung ausgedehnt ist, empfangen, und der Auftreffpunkt des jeweiligen Lichtstrahls 6, 8, 9 auf den Positionssensor 10 wird erfasst. Unter Berücksichtigung, welcher der Lichtstrahlen 6, 8, 9 auf den Positionssensor 10 auftritt, was anhand deren Kodierung feststellbar ist, ist der Auftreffpunkt ein Maß für die Höhenlage der Oberfläche 4, wie sie aktuell mit einem Tastrad 12 abgetastet wird, das beim Verfahren der verfahrbaren Einheit 2 in der Vermessungsrichtung 7 über die Oberfläche 4 abrollt. Dabei wird die bewegliche Einheit 2 an einem Handgriff 13 von einer hier nicht dargestellten Bedienperson über die Oberfläche 4 gezogen.At least one of the rays of light 6th , 8th , 9 is attached to the movable unit 2 with an optical position sensor 10 , which is extended along the height direction, received, and the point of incidence of the respective light beam 6th , 8th , 9 on the position sensor 10 is recorded. Taking into account which of the rays of light 6th , 8th , 9 on the position sensor 10 occurs, which can be determined using their coding, the point of impact is a measure of the height of the surface 4th as they currently do with a feeler wheel 12th is scanned during the movement of the movable unit 2 in the surveying direction 7th across the surface 4th unrolls. It becomes the movable unit 2 in one handle 13th by an operator, not shown here, via the surface 4th drawn.

2 zeigt, dass der Positionssensor 10 nicht nur in Höhenrichtung, sondern auch in Seitenrichtung ausgedehnt ist. Beispielsweise kann seine Erstreckung in der Höhenrichtung etwa 0,5 m und in der Seitenrichtung etwa 2 dm betragen. Dabei kann durch die zusätzliche seitliche Erstreckung des Positionssensor 10 nicht nur ein im Querschnitt punktförmiger Laserstrahl 6, 8, 9 einfacher auf dem Positionssensor 10 gehalten werden, sondern bei horizontal aufgeweiteten Laserstrahlen 6, 8, 9 kann auch eine Neigung der beweglichen Einheit 2 um die Vermessungsrichtung 7 erfasst werden. Diese Neigung kann bei der Auswertung des Signals des Positionssensors korrigiert werden; oder dann, wenn die Vorrichtung 2 wie in 2 dargestellt über zwei Tasträder 12, die um eine quer zu der Vermessungsrichtung 7 verlaufende Drehachse 14 umlaufen, über die Oberfläche 4 rollt, kann auch eine Querneigung der Oberfläche 4 erfasst werden. 2 shows that the position sensor 10 is extended not only in the height direction but also in the lateral direction. For example, its extension in the vertical direction can be approximately 0.5 m and in the lateral direction approximately 2 dm. The additional lateral extension of the position sensor 10 not just a laser beam with a punctiform cross-section 6th , 8th , 9 easier on the position sensor 10 are held, but with horizontally expanded laser beams 6th , 8th , 9 can also be a tilt of the movable unit 2 around the measurement direction 7th are recorded. This inclination can be corrected when evaluating the signal from the position sensor; or if the device 2 as in 2 represented by two feeler wheels 12th around a transverse to the surveying direction 7th running axis of rotation 14th circulating across the surface 4th rolling can also bank the surface 4th are recorded.

3 stellt dar, dass die Lichtquelle 5 den Lichtstrahl 6 horizontal in einer Höhe I1 oberhalb eines Bezugspunkts 15 aussendet. Die Entfernung x1 des Positionssensors 10 der beweglichen Einheit 2 von der stationären Einheit 1, d. h. die Laufstrecke des Lichtstrahls 6, lässt sich aus der Laufzeit des Lichtstrahls 6 zwischen der stationären Einheit 1 und der beweglichen Einheit 2 bestimmen. Dann ist eine Neigung der beweglichen Einheit 2 um den in 3 eingezeichneten Winkel ϕ zu berücksichtigen, um die wahre Entfernung xP eines Aufstandspunkts P des Tastrads 12 auf der Oberfläche 4 in der Horizontalen zu dem Bezugspunkt 15 zu bestimmen. Es gilt xP = x1-I2*sin(ϕ). 3 that represents the light source 5 the beam of light 6th horizontally at one level I1 above a reference point 15th sends out. The distance x1 of the position sensor 10 the movable unit 2 from the stationary unit 1 , ie the path of the light beam 6th , can be derived from the transit time of the light beam 6th between the stationary unit 1 and the movable unit 2 determine. Then there is an inclination of the movable unit 2 around the in 3 the drawn angle ϕ to be taken into account in order to obtain the true distance xP a point of riot P of the feeler wheel 12th on the surface 4th in the horizontal to the reference point 15th to determine. The following applies: xP = x1-I2 * sin (ϕ).

Hierbei ist I2 ist die Entfernung des Auftreffpunkts des Lichtstrahls 6 auf den Positionssensor 10 zu der Drehachse 14. Die Höhenlage zP des Aufstandspunkts P ergibt sich entsprechend zu zP = r+I2*cos(ϕ)-I1, dabei ist r der Radius des Tastrads 12. Alternativ zu der Bestimmung aus x1 kann xP auch mit Hilfe eines Drehwinkelsensors für das Tastrad 12 erfasst werden, der den von dem Tastrad 12 beim Abrollen über die Oberfläche 4 zurückgelegten Weg erfasst.Here I2 is the distance from the point of incidence of the light beam 6th on the position sensor 10 to the axis of rotation 14th . The altitude zP of the point of uprising P results correspondingly to zP = r + I2 * cos (ϕ) -I1, where r is the radius of the jockey wheel 12th . As an alternative to the determination from x1, xP can also be used with the aid of a rotation angle sensor for the feeler wheel 12th are detected by the jockey wheel 12th when rolling over the surface 4th covered distance recorded.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 können alle Daten, die für die Vermessung des Höhenprofils benötigt werden, in der beweglichen Einheit 2 gesammelt werden. Sie können in der Einheit 2 auch direkt ausgewertet werden. Ein Rückgriff auf irgendwelche externe Systeme wie beispielsweise das GPS ist dabei nicht erforderlich.When using the device according to the invention 3 all data required for measuring the height profile can be stored in the mobile unit 2 to be collected. You can be in the unit 2 can also be evaluated directly. Recourse to any external systems such as GPS is not required.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: stationäre Einheitstationary unit
22: bewegliche Einheitmovable unit
33: Vorrichtungcontraption
44th: Oberflächesurface
55: LichtquelleLight source
66th: LichtstrahlBeam of light
77th: VermessungsrichtungSurveying direction
88th: LichtstrahlBeam of light
99: LichtstrahlBeam of light
1010: PositionssensorPosition sensor
1111: Stativtripod
1212th: TastradFeeler wheel
1313th: HandgriffHandle
1414th: DrehachseAxis of rotation
1515th: BezugspunktReference point
I1I1: Höhe des Lichtstrahls 6 über dem Bezugspunkt 15 Height of the light beam 6th above the reference point 15th
x1x1: Entfernung zwischen der stationären Einheit 1 und dem Positionssensor 10Distance between the stationary unit 1 and the position sensor 10
I2I2: Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Lichtstrahls 6 auf den Positionssensor 10 und der Drehachse 14Distance between the point of incidence of the light beam 6th on the position sensor 10 and the axis of rotation 14
ϕϕ: Neigungswinkel der beweglichen Einheit 2Movable unit inclination angle 2
PP: Aufstandspunkt des Tastrads 12 auf der Oberfläche 4Contact point of the jockey wheel 12th on the surface 4
xPxP: Entfernung des Aufstandspunkts P von der stationären Einheit 1Removal of the point of uprising P from the stationary unit 1
zPzP: Höhenlage des Aufstandspunkts PAltitude of the point of contact P
rr: Radius des Tastrads 12 um die Drehachse 14Radius of the feeler wheel 12th about the axis of rotation 14

Claims

Verfahren zum Vermessen eines Höhenprofils einer Oberfläche (4) entlang einer Vermessungsrichtung (7), - wobei eine bewegliche Einheit (2) gegenüber einer stationären Einheit (1) ohne mechanische Führung an der stationären Einheit (1) in der Vermessungsrichtung (7) über die Oberfläche (4) verfahren wird, - wobei von einer der Einheiten zu der anderen der Einheiten mindestens ein Lichtstrahl (6) längs der Oberfläche (4) ausgesandt wird, der in Höhenrichtung eine definierte Ausrichtung zu der Vermessungsrichtung (7) aufweist, - wobei der Lichtstrahl (6) von der anderen der Einheiten mit einem in der Höhenrichtung ausgedehnten optischen Positionssensor (10) empfangen wird, - wobei eine Höhenlage der Oberfläche (4) gegenüber dem Lichtstrahl (6) an der beweglichen Einheit (2) festgehalten oder erfasst wird, und - wobei der Lichtstrahl (6) von der anderen der Einheiten direkt mit dem Positionssensor (10) empfangen wird, so dass der Positionssensor (10) für eine Relativlage der anderen der Einheiten und des Lichtstrahls (6) in der Höhenrichtung empfindlich ist, wobei der Positionssensor (10) in der Höhenrichtung über mindestens 10 cm ausgedehnt ist, dadurch gekennzeichnet, dass von der einen der Einheiten mehrere unterscheidbare Lichtstrahlen (6, 8, 9) zu der anderen der Einheiten ausgesandt werden, die in der Höhenrichtung übereinander angeordnet sind.Method for measuring a height profile of a surface (4) along a measuring direction (7), - wherein a movable unit (2) compared to a stationary unit (1) without mechanical guidance on the stationary unit (1) in the measuring direction (7) over the Surface (4) is moved, - wherein at least one light beam (6) is emitted along the surface (4) from one of the units to the other of the units, which beam has a defined height direction to the measuring direction (7), - the Light beam (6) is received by the other of the units with an optical position sensor (10) extended in the height direction, - a height position of the surface (4) in relation to the light beam (6) on the movable unit (2) being held or detected, and - wherein the light beam (6) from the other of the units is received directly with the position sensor (10), so that the position sensor (10) for a relative position of the other of the egg units and the light beam (6) is sensitive in the height direction, the position sensor (10) being extended in the height direction over at least 10 cm, characterized in that several distinguishable light beams (6, 8, 9) from one of the units to the other of the units are sent out, which are superposed in the height direction.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine der mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) von der anderen der Einheiten direkt mit dem Positionssensor (10) empfangen wird, der in der Höhenrichtung über mindestens 20 cm oder mindestens 30 cm ausgedehnt ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the at least one of the plurality of light beams (6, 8, 9) is received from the other of the units directly with the position sensor (10) which is extended in the height direction over at least 20 cm or at least 30 cm.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (10) ein Sensorarray mit einer Vielzahl von in der Höhenrichtung übereinander angeordneten Teilsensoren aufweist.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the position sensor (10) has a sensor array with a plurality of partial sensors arranged one above the other in the height direction.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) - parallel zueinander ausgerichtet werden und/oder - in gleichen Abständen in der Höhenrichtung übereinander angeordnet werden und/oder - durch Amplitudenmodulation und/oder Pulsweitenmodulation und/oder Frequenzmodulation und/oder unterschiedliche Wellenlängen codiert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the multiple light beams (6, 8, 9) - are aligned parallel to one another and / or - are arranged one above the other at equal intervals in the height direction and / or - by amplitude modulation and / or pulse width modulation and / or frequency modulation and / or different wavelengths are coded.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) - mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder im unsichtbaren Wellenlängenbereich erzeugt werden und/oder - als Laserlichtstrahlen erzeugt werden und/oder - quer zu der Höhenrichtung parallel oder fächerförmig aufgeweitet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the multiple light beams (6, 8, 9) - are generated with a wavelength in the visible or in the invisible wavelength range and / or - are generated as laser light beams and / or - parallel to the vertical direction or widened in a fan shape.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der Einheiten, von der die mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) ausgesandt werden, die stationäre Einheit (1) ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that one of the units from which the plurality of light beams (6, 8, 9) are emitted is the stationary unit (1).

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der Positionssensor (10) auch quer zu der Höhenrichtung ausgedehnt ist und - dass eine Querneigung der anderen der Einheiten gegenüber dem mindestens einen der mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) um die Messrichtung erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - that the position sensor (10) is also extended transversely to the height direction and - that a transverse inclination of the other of the units with respect to the at least one of the multiple light beams (6, 8, 9) around the measuring direction is captured.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die bewegliche Einheit (2) ein Tastrad (12) aufweist, das in der Vermessungsrichtung (7) über die Oberfläche (4) gerollt wird, oder - dass die bewegliche Einheit (2) ein Paar von Tasträdern (12) aufweist, die um eine quer zu der Vermessungsrichtung (7) verlaufende Drehachse (14) umlaufend gelagert sind und die in der Vermessungsrichtung (7) über die Oberfläche (4) gerollt werden, - wobei das Tastrad (12) oder die Tasträder (12) optional einen Drehwinkelgeber aufweisen, mit dem ein von der beweglichen Einheit (2) in der Vermessungsrichtung (7) zurückgelegter Weg erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the movable unit (2) has a feeler wheel (12) which is rolled over the surface (4) in the measuring direction (7), or - that the movable unit (2) has a pair of feeler wheels (12) which are mounted revolving around an axis of rotation (14) running transversely to the measuring direction (7) and which are rolled over the surface (4) in the measuring direction (7), - wherein the feeler wheel (12 ) or the feeler wheels (12) optionally have a rotary encoder with which a path covered by the movable unit (2) in the measuring direction (7) is recorded.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass ein sich ändernder Abstand zwischen der stationären Einheit (1) und der beweglichen Einheit (2) in der Vermessungsrichtung (7) durch Messung der Laufzeit des Lichtstrahls (6) erfasst wird und/oder - dass ein Neigungswinkel (ϕ) der beweglichen Einheit (2) gegenüber der Höhenrichtung erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a changing distance between the stationary unit (1) and the movable unit (2) is detected in the measuring direction (7) by measuring the transit time of the light beam (6) and / or that an angle of inclination (ϕ) of the movable unit (2) with respect to the height direction is detected.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit - einer stationären Einheit (1), - einer beweglichen Einheit (2), die gegenüber der stationären Einheit (1) ohne mechanische Führung an der stationären Einheit (1) in einer Vermessungsrichtung (7) über eine Oberfläche (4) verfahrbar ist, - einer Lichtquelle (5) an einer der Einheiten, mit der mindestens ein Lichtstrahl (6, 8, 9) längs der Oberfläche (4) so zu der anderen der Einheiten aussendbar ist, dass er in Höhenrichtung eine definierte Ausrichtung zu der Vermessungsrichtung (7) aufweist, - einem den mindestens einen Lichtstrahl (6, 8, 9) empfangenden und in der Höhenrichtung ausgedehnten optischen Positionssensor (10) an der anderen der Einheiten, und - Einrichtungen, die eine Höhenlage der Oberfläche (4) gegenüber dem mindestens einen Lichtstrahl (6, 8, 9) an der beweglichen Einheit (2) festhalten oder erfassen, - wobei der Positionssensor (10) an der anderen der Einheiten den mindestens einen Lichtstrahl (6, 8, 9) direkt empfängt, so dass der Positionssensor (10) für eine Relativlage der anderen der Einheiten und des mindestens einen Lichtstrahl (6, 8, 9) in der Höhenrichtung empfindlich ist, wobei der Positionssensor (10) in der Höhenrichtung über mindestens 10 cm ausgedehnt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) an der einen der Einheiten mehrere unterscheidbare Lichtstrahlen (6, 8, 9) zu der anderen der Einheiten aussendet, die in der Höhenrichtung übereinander angeordnet sind.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims with - a stationary unit (1), - a movable unit (2) which, compared to the stationary unit (1), without mechanical guidance on the stationary unit (1) in a measuring direction (7 ) can be moved over a surface (4), - a light source (5) on one of the units, with which at least one light beam (6, 8, 9) can be emitted along the surface (4) to the other of the units in such a way that it has a defined alignment to the measuring direction (7) in the height direction, - an optical position sensor (10) which receives the at least one light beam (6, 8, 9) and is extended in the height direction on the other of the units, and - devices which provide an altitude hold or detect the surface (4) opposite the at least one light beam (6, 8, 9) on the movable unit (2), - the position sensor (10) on the other of the units at least one Light beam (6, 8, 9) receives directly, so that the position sensor (10) is sensitive to a relative position of the other of the units and the at least one light beam (6, 8, 9) in the height direction, the position sensor (10) in the height direction is extended over at least 10 cm, characterized in that the light source (5) on one of the units emits several distinguishable light beams (6, 8, 9) to the other of the units, which are arranged one above the other in the height direction.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (10) in der Höhenrichtung über mindestens 20 cm oder mindestens 30 cm ausgedehnt ist.Device according to Claim 10 , characterized in that the position sensor (10) is extended in the height direction over at least 20 cm or at least 30 cm.

Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (10) ein Sensorarray mit einer Vielzahl von in der Höhenrichtung übereinander angeordneten Teilsensoren aufweist.Device according to Claim 10 or 11 , characterized in that the position sensor (10) has a sensor array with a plurality of partial sensors arranged one above the other in the height direction.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) - parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder - in gleichen Abständen in der Höhenrichtung übereinander angeordnet sind und/oder - durch Amplitudenmodulation und/oder Pulsweitenmodulation und/oder Frequenzmodulation und/oder unterschiedliche Wellenlängen codiert sind.Device according to one of the Claims 10 to 12th , characterized in that the multiple light beams (6, 8, 9) - are aligned parallel to one another and / or - are arranged one above the other at equal intervals in the height direction and / or - by amplitude modulation and / or pulse width modulation and / or frequency modulation and / or different wavelengths are coded.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) - die mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder im unsichtbaren Wellenlängenbereich aussendet und/oder - mindestens einen Laser aufweist und die mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) als Laserlichtstrahlen aussendet und/oder - eine Aufweiteoptik aufweist, mit der sie die mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) quer zu der Höhenrichtung parallel oder fächerförmig aufweitet.Device according to one of the Claims 10 to 13th , characterized in that the light source (5) - emits the multiple light beams (6, 8, 9) with a wavelength in the visible or invisible wavelength range and / or - has at least one laser and the multiple light beams (6, 8, 9) emits as laser light beams and / or - has expansion optics with which it expands the multiple light beams (6, 8, 9) transversely to the height direction, parallel or in a fan shape.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der Einheiten, die die Lichtquelle (5) aufweist, die stationäre Einheit (1) ist.Device according to one of the Claims 10 to 14th , characterized in that one of the units comprising the light source (5) is the stationary unit (1).

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (10) auch quer zu der Höhenrichtung ausgedehnt ist.Device according to one of the Claims 10 to 15th , characterized in that the position sensor (10) is also extended transversely to the height direction.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, - dass die bewegliche Einheit (2) ein Tastrad (12) aufweist, das in der Vermessungsrichtung (7) über die Oberfläche (4) rollbar ist, oder - dass die bewegliche Einheit (2) ein Paar von Tasträdern (12) aufweist, die um eine quer zu der Vermessungsrichtung (7) verlaufende Drehachse (14) umlaufend gelagert sind und die in der Vermessungsrichtung (7) über die Oberfläche (4) rollbar sind, - wobei das Tastrad (12) oder die Tasträder (12) optional einen Drehwinkelgeber aufweisen.Device according to one of the Claims 10 to 16 , characterized in - that the movable unit (2) has a feeler wheel (12) which can be rolled over the surface (4) in the measuring direction (7), or - that the movable unit (2) has a pair of feeler wheels (12 ), which are mounted circumferentially about an axis of rotation (14) running transversely to the measuring direction (7) and which can be rolled over the surface (4) in the measuring direction (7), - wherein the feeler wheel (12) or the feeler wheels (12 ) optionally have a rotary encoder.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Laufzeiterfassungseinrichtung für die Laufzeit des mindestens einen der mehreren Lichtstrahlen (6, 8, 9) zwischen der stationären Einheit (1) und der beweglichen Einheit (2) vorhanden ist und/oder - dass die bewegliche Einheit (2) einen Neigungssensor aufweist, der einen Neigungswinkel der beweglichen Einheit (1) gegenüber der Höhenrichtung erfasst.Device according to one of the Claims 10 to 16 , characterized in that - that a transit time detection device for the transit time of the at least one of the plurality of light beams (6, 8, 9) is present between the stationary unit (1) and the movable unit (2) and / or - that the movable unit (2 ) has an inclination sensor which detects an inclination angle of the movable unit (1) with respect to the height direction.