DE2021079A1

DE2021079A1 - Beobachtungs- und Vermessungstheodolit fuer bewegliche Objekte

Info

Publication number: DE2021079A1
Application number: DE19702021079
Authority: DE
Inventors: La Roche Dr Ulrich
Original assignee: Oerlikon Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1969-04-30
Filing date: 1970-04-29
Publication date: 1970-11-05
Also published as: JPS514661B1; US3653774A; GB1254400A; FR2040496A1; CH488166A

Description

. W. PAAP 8 MÖNCHEN

bipi.-lng. H. MlTSCNERLiCH iS^JEJj"

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN 29»April 1970

Dr. rer. ndt. W, KORBER PATENTANWÄLTE

GONTRAVES AG.
Schaffhauser Strasse 5öo
Gh 8o52 Zürich / Schweiz

Pat entanme1dung

Beobachtung— und Vermessungstheodolit für bewegliche Objekte

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Beobachtungsund Yermessungstheodolit für bewegliche Objekte mit mindestens einem Bildauswertgerät, das auf jeden Ausschnitt einer den Theodoliten umgebenden Kugelkalotte rieht bar ist·

Bei bekannten Theodoliten dieser Art wird ein mindestens um eine Drehachse drehbares Teleskop als Teleobjektiv für ein Auswertegerät, z.B. eine Televisionskamera, eine Filmkamera und/oder ein optisches Richtgerät, verwendet· Damit müssen also das Teleskop, das Auswertegerät und die Träger dieser Bauteile zur dauernden Richtung auf das fortlaufend zu beobachtbare Objekt bewegt werden. Sofern die beispielsweise servomotorische Bewegung dieser Teile auch schnellen und nicht vorausaehbaren Bewegungen des Ziel» Objektes ohne störende Nachlauf-fehler folgen sollen, sind die entsprechenden trägen Massen bzw.Massenträgheitsmomente· in Bezug auf die Drehachsen nachteilig. Ausreichend rasche ITachfOlgbewegungen können dann nur mit Hilfe von Servoantrieben hoher Leistung und mit entsprechend hohem Eigengewicht bewirkt werden,

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Ausserdem sind zur Auswertung des Teleskopbildes die Ob-"jektive der auf dem Markt käuflichen Auswertegeräte meistens nicht brauchbar und müssen durch Spezialanfertigungen ersetzt werden»

Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, einen Theodoliten der vorstehend genannten, bekannten Art ohne Teleskop so auszubilden, dass alle Auswertegeräte feststehend montiert werden können, wobei nur die Eichtung der optischen Objektachse, nicht aber der Ort des betreffenden Gerätes mit relativ hoher Genauigkeit eingestellt werden muss β

Erfindungsgemäss ist zur Verwirklichung dieses Zieles vorgesehen, dass in einem um eine feststehende, senkrechte Drehachse servomotorisch drehbaren Gehäuse eine um 45° zu dieser Drehachse geneigte Spiegelfläche eingebaut ist und dass dieser Spiegelfläche ,eine zweite, zu einer horizontalen Achse durch das Zentrum der ersten Spiegelfläche ebenfalls um 45° geneigte Spiegelfläche gegenübersteht, welche in einem am genannten Gehäuse um die horizontale Verbindungsachse beider Spiegelzentren servomotorisch drehbaren Anbaugehäuse eingebaut ist, das Ganze derart, dass das Licht aus jedem Kugelkalottenausschnitt, gegen welchen das Lichteintrittäfenster vor der zweiten Spiegelfläche momentan gerichtet ist, in Richtung der horizontalen Verbindungsachsen beider Spiegelzentren und an der ersten Spiegelfläche in Richtung von deren senkrechten Drehachse gespiegelt und mindestens einem feststehend angeordneten Auswertegerät zugeführt wird·

In zweokmässiger Weiterbildung der Erfindung ist in der feststehenden senkrechten Drehachse des Gehäuses der ersten Spiegelfläche unter derselben eine verstellbare

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BAD ORiQiNAL

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Spiegelanordnung eingebaut, um das einfallende Licht wahlweise einem von mehreren feststehenden Auswertegerät en zuzuführen»

Dabei kann eines Her feststehenden Auswertegeräte ein Richtokular für einen Beobachter sein, dem ein von Hand verstellbarer Steuersignalerzeuger zugeordnet ist, dessen Ausgangssignale mindestens mittelbar den beiden Servomotoren zugeführt werden, die so zur fortwährenden Richtung des Lichteintrittsfensters gegen ein bewegliches Objekt entsprechend den vom Beobachter am Steuersignalgeber ausgelösten Signale dienen. Mit Vorteil wird dabei vorgesehen, dass zwischen der verstellbaren Spiegelanordnung und dem Richtokular ein Bildaufrichtprisma eingebaut ist und in Abhängigkeit von den momentanen Drehstellungen des Anbaugehäuses und des um die senkrechte Achse drehbaren Gehäuses fortwährend so gedreht wird, dass das im Richtokular sichtbare Objekt immer aufrecht und seitenrichtig steht.

Es kann aber auch vorgesehen werden, dass eines der feststehenden Auswertegeräte ein Richtwertgeber zur Erzeugung von Steuersignalen ist, welche mindestens mittelbar den beiden Servomotoren zur Drehung der drehbaren Spiegelflächen um ihre horizontale bzw· senkrechte Drehachse zugeführt werden und bewirken, dass nach Erfassung eines bewegliehen Zielobjektes das Lichteintrittsfenster dauernd auf dieses Zielobjekt gerichtet bleibt,

Äusserdem kann eines der feststehenden Auswertegeräte eine Televisionskamera sein, deren Videosignale einer vom Theodolit entfernten Beobachtungs- und Richtstelle zugeführt werden*

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Ausführungsbeispiele des Erf indungsgegensta.ndes und einzelne seiner Bauteile sind in der beigefügten Zeichnung dargestellt.

Es zeigen:

Pig. 1 ein schematisches Prinzip-Bild, Fig. 2 eine vereinfachte Konstruktionsdarstellung mit eingebauten Servomotoren und Winkelwertgebern,

Pig. 3 eine vergrösserte Darstellung des im B_eispiel nach Pig.2 vorgesehenen Schmitt'sehen Drehprismas.

Gemäss Pig.1 ist auf einem Sockel 10 eine hohle Säule 11 für einen Tragring 12 des beweglichen Theodolit-Oberteils und eines dazu koaxialen, feststehenden Hohl— Zylinders 13 aufgebaut. Der feststehende Hohlzylinder 13 dient auch als Träger für Schleifkontaktringe, über welche in an sich bekannter Weise elektrische Verbindungen zum beweglichen Theodolitoberteil führeno Auf dem feststehenden Tragring 12 ist ein Gehäuse 2o derart gelagert, dass es und alle an oder in ihm befestigten oder gelagerten Teile um die senkrechte Mittelachse A der hohlen Säule 11 bzw» des Tragringes 12 drehbar sind»

Zur servomotorisclien Einleitung solcher Drehbewegungen des Theodolit-Oberteiles dient ein mit dem Gehäuse 2o fest verbundener Zahnkranz 21, mit welchem ein Abtriebszahnrad 14 eines Servomotors SMa kämmt. Dieser Servomotor Sma ist feststehend in einem am Tragring 12 befestigten Gehäuseteil 15 eingebaut· Vom Servomotor SMa bzw. vom Zahnkranz 21 wird mittelbar oder unmittelbar auch mindestens ein Winkelwertgeber Ga angetrieben, der dazu bestimmt und ausgebildet ist, in Porm elektrischer Aus-

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gangssignale entweder dauernd die momentane Drehstellung a des Zahnkranzes 21 in Bezug auf eine vorgegebene Bezugsstellung oder zählbare Yeränderungs-Schritte j dieses AzimuthwinkeIs zu erzeugen. Auch dieser Y/inkel— j wertgeber Ga ist im feststehenden Gehäuseteil 15 eingebaut.

j !

Im Innern des Gehäuses 2o ist über dem Hohlzylinder 13 ein zur senkrechten Drehachse A des Theodolit-Oberteiles unter 45° -geneigter, ebener Spiegel 22 eingebaut. An der in Fig. 1 linken Seite des Gehäuses 2o ist koaxial zur horizontalen Achse B durch das Zentrum der Spiegelebene 22 ein Anbaugehäuse 3ο um die Achse B drehbar

\ gelagert»

' Auch dieses Anbaugehäuse 3o ist mit einem Zahnkranz 31 fest verbunden, der über ein Abtriebszahnrad 24 eines

j Servomotors SMA in einem Gehäuseteil 23 drehbar ist» Auöserdem wird vom Zahnkranz 31 mittelbar oder unmittelbar mindestens ein Winkelwertgeber GΛ angetrieben, der in Bezug auf die fortwährende Ermittlung der momentanen Drehstellungλ des um die horizontale Achse B drehbaren Gehause-Anbaues 3ο dieselbe Aufgabe hat, wie der Winkelwertgeber Ga in Bezug auf die fortwährende Ermittlung der momentanen Drehstellung a des ganzen um. die senkrechte Achse A drehbaren Theodolit-Oberteiles.

Im Anbaugehäuse 3o ist ein zweiter ebener Spiegel 32 eingebaut, der unter 45 zur horizontalen Verbindungs— achse E der Zentren der beiden Spiegel 32,22 geneigt 1st. Der Spiegel 32 und ein vor demselben in der Wandung des Anbaugehäuees 3o eingesetztes Lichte int ritts»· fenster 33 können also durch entsprechend· Steuerung der Servomotoren SMa und SMΛauf jeden Ausschnitt

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einer den Theodolit umgebende Kugelkalotte bzw. auf je-'den Ort eines räumlich freibeweglichen Objektes gerichtet werden. Das Licht L vom momentansK beobachteten Objekt wird am Spiegel 32 in Richtung der horizontalen Drehachse E des Anbaugehäuses 3o zum Spiegel 22 reflektiert und wird an diesem in Richtung von dessen senkrechter Drehachse A durch den Hohlzylinder 13 nach unten reflektiert. Dabei tritt das Licht durch eine Glasscheibe 25 unter dem Spiegel 22.

Andere Einwirkungen auf das Licht L, z.Bo Verstärkung oder Verminderung seiner Divergenz durch Linsen oder gekrümmte Spiegel, sind nicht vorgesehen.

In der senkrechten Achse A ist unter dem Hohlzylinder B in der hohlen Säule 11 eine verstellbare Spiegelvorrichtung 16 eingebaut, an welcher je nach deren momentaner Stellung und Orientierung das Licht L wahlweise zu einem von mehreren im Theodolit-Unterteil feststehend a,ngeordneten Auswertegeräten K1,K2,K3 gelenkt werden kann. Die Spiegelvorrichtung 16 kann z.B· einen halbdurchlässigen Spiegel enthalten, dessen Ebene unter 45° zur Achse A geneigt ist, um das empfangene Licht, wie in der Zeichnung dargestellt, auf eine Filmkamera Kl, die koaxial zur Achse A unter der Spiegelvorrichtung 16 montiert ist, und auf ein als Einblickvorrichtung für einen Beobachter ausgebildetes Auswertegerät K2 zu. verteilen. Die Spiegelvorrichtung 16 kann aber ausserdem auch um die Achse A drehbar sowie quer dazu und/oder in Richtung der Achse A translativ verstellbar sein, so dass das Licht beispielsweise auch der Kamera K3 zugeführt werden kann.

Die Einblickvorrichtung K2 ist zur Erleichterung des Einblickens mit einer Okularmuschel 17 und einer darin eingesetzten Okularoptik 18 versehen.

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Ausserdem enthält sie-einen Umlenkspiegel 19». damit der Beobachter von oben in das Okular einblicken kann.. Gegebenenfalls könnte die durch das Zusammenwirken der Spiegel 32,22 bei deren Verdrehung bewirkte Bildverdrehung aus der natürlichen Bildstellung durch entsprechende Drehung eines in der Einblickvorrichtung K2 eingebauten Schmitt * sehen Drehprismas 4- nach Figo 3 kompensiert werden (siehe Fig<>2). Die Filmkamera Kl kann z.Bo in an sich bei anderen Fototheodoliten bekannter Weise dazu dienen, in regelmassigen Zeitabständen ein mit dem Theodolit dauernd verfolgtes Objekt, z.Bo einen Flugkörper zu fotographieren, wobei auf dem Bild auch ein ' , Bezugsfadenkreuz und in codierter Form auch die Aufnahmezeit t sowie die dazugehörigen Werte a+ imd/, . des Azimuthwinkels und des Elevationswinkels der momentanen Blickrichtung des Lichteintrittsfensters 33 festgehalten werden können.

Die Kamera K3 oder eine andere, nicht dargestellte Kamera kann auch als sogenannte Schnellaufnahmekamera zur Erzeugung einer besondere hohen Anzahl von Objektbildern pro Zeiteinheit ausgebildet sein.

Es könnte aber auch eine feststehende T_elevisionskamera feststehend zur Auswertung des ihr zugespie^elten Lichtes If vorgesehen werden. Ihre Videosignale können dann einer entfernten Beobachtungsstelle übermittelt werden.

Weiterhin könnte als Auswertegerät auch ein selbsttätig arbeitendes optisches Richtgerät, z.B. ein automatisches Infrarot-Ortungs- und Richtgerät mit Laserstrahlung zur Erzeugung von Steuersignalen für die Servomotoren SMa und SM in Abhängigkeit von den momentanen Abweichungen der Blickrichtung des Theodoliten von den momentanen

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Yisiergeräten zu einem beweglichen Objekt verwendet werden. Damit wäre es in bekannter Weise möglich, auch den Theodoliten nach Figd fortlaufend und automatisch einem einmal erfassten beweglichen Objekt nachzuführen₀ Überhaupt können alle bei bekannten Typen von Beobachtungs- und Vermessungstheodoliten für bewegliche Objekte vorgesehenen Massnahmen und Hilfseinrichtungen auch beim dargestellten und· beschriebenen neuartigen Theodolit realisiert werden.

Der wesentliche Unterschied liegt aber darin, dass infolge der üfichtverwendung eines mitbeweglichen T_eleskopes die Objektive aller Auswertevorrichtungen dieselben sein können, wie wenn sie direkt auf ein Objekt in entsprechender Entfernung gerichtet wurden.

Ausserdem ergibt sich dadurch eine wesentliche Einsparung an servomotorisch zu bewegender Trägermasse, so dass mit Servomotoren geringer Leistung Objekte ohne störende Nachlauffehler verfolgt werden können, d.h. die gewünscht hohe Servobandbreite realisiert werden kann» Weiterhin müssen nur die Orientierung der optischen Achsen der verwendeten Auswertegeräte, nicht aber deren Positionen genau eingestellt werden, weil ja das empfangene Licht den natürlichen afolkalen Strahlengang bis zum Eintritt in die Objektive der Auswertegeräte beibehält. Selbstverständlich können die Servomotoren SMa und SMA sowie die auf die drehbaren Theodolitteile direkt einwirkenden G-etriebevorriclitun^en weitgehend frei gewählt werden. So können z.B.hydraulische oder pneumatische !

Servoantriebe vorgesehen werdeno Mit Vorteil werden auch ' die momentanen Drehstellungswerte bzw. deren Veränderungen! je durch ein Paar eich diametral gegenüberstehende Winkelmessvorrichtungen ermittelt, um in bekannter Weise die j Exzentrizitätsfehler der drehenden Teile in Bezug auf !

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deren Drehachse A und E zu kompensieren·

In der bezüglich der Darstellung des Theodoliten vereinfachten Fig. 2 sind entsprechende Teile mit den selben Bezugszeichen wie in Fig.1 bezeichnete Unterschiede bestehen in der Ausbildung des TheodolitUnterteiles, der als Dreibeinstativ 11 ausgebildet ist. In der Einblickvorrichtung K2 ist ein Schmitt^sches Drehprisma 4 gemäss Pig*3 eingesetzt. Dieses wird durch einen Servomotor SM- in Funktion der in einem Addierwerk Ad erzeugten Summe a +Ader Winkelwertgeber-Ausgänge zur Kompensation der unerwünschten Bilddrehung im Okular 17 gedrehte Dem Beobachter ist ein in zwei Richtungen a und A von Hand bewegliches Steuergerät SG zugeordnet, dessen Ausgangssignale einem Rechner AR zur Erzeugung der Signale Aa und A/l für die Servomotoren SMa und SMλ zugeführt werden·

Diesem Rechner werden auch Hilfssignale eines Datenrechners DR zugeführt, dem auch die Ausgangssignale und der Winkelwertgeber Ga und G-X zugeführt werden. Vom Datenrechner DR· erzeugte Momentsignale für einen Zeitwert t und entsprechende diskrete Winkelwerte a.,^ + werden der Kamera Kl zur Aufzeichnung auf die Filmbilder zugeführt.

Mit SP ist ein an ein Stromquelle angeschlossener Speisespannungserzeuger für die Hilfsgeräte SG, AR und DR sowie für die Kamera Kl bezeichnet.

Das um die Achse 4o drehbare Schmitt¹sehe Drehprisma 4 ist an sich bekannt. Mögliche Strahlengänge 1 , 1-, 1„ sind eingezeichnet. Die schräge Spiegeleben· SB ist halbdurob- · lässig verspiegelt»

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Claims

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An sprüche

M J Beobachtungs- und Vermessungstheodolit für bewegliche Objekte mit mindestens einem Bildauswertegerät, das auf jeden Ausschnitt einer den Theodoliten umgebenden Kugelkalotte richtbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem um eine feststehende, senkrechte Drehachse (A) servomotorisch drehbaren G-ehäuse (2o) eine um 45° zu dieser Drehachse geneigte Spiegelfläche (22) eingebaut ist, und dass dieser Spiegelfläche eine zweite, zu einer horizontalen Achse (E) durch das Zentrum, der ersten Spiegelfläche (22) ebenfalls um 45° geneigte Spiegelfläche (32) gegenübersteht, welche in einem am genannten Gehäuse (2o) um die horizontale Verbindungsachse (E) beider Spiegelzentren servomotorisch drehbaren Anbaugehäuse (3o) hinter einem Lichteintrittsfenster (33) dieses Anbaugehäuses eingebaut ist, das Ganze derart, dass das Licht (L) aus jedem Kugelkalottenausschnitt, gegen welchen das Lichteintrittsfenster (33) vor der zweiten Spiegelfläche (32) momentan gerichtet ist, in Richtung der horizontalen Verbindungsachse (E) beider Spiegelzentren und an der ersten Spiegelfläche (22) in Richtung von deren senkrechten Drehachse (A) gespiegelt und mindestens einem feststehend angeordneten Auswertegerät (K1 K2 K3)zufuhrbar ist,

2. Theodolit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Servomotoren (SMa, SMX) zur Drehung des Gehäuses (2o) um dessen senkrechte Drehachse (A) und des Anbaugehäuses (3o) um dessen horizontale Drehachse (S) je auf einen Zahnkranz (21, 31) des betreffenden Gehäuses (2o, 3o) treibend einwirken und/oder daas von diesen Zahnkränzen aus je mindestens ein zugeordneter Winkel·« wertgeber (Ga, GA) zur Erzeugung von elektrischen

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Winkelwert signal en (a, \) an -etrieben wird.

3. "Theodolit nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Drehen des Anbaugehäuses (3o) tun die horizontale Drehachse (E) dienende Servomotor (SMyi) sowie die zugeordneten Winkelwertgeber (GrA) an dem um die vertikale Drehachse (A) drehbaren Gehäuse (2o) und der zum Drehen dieses Gehäuses (2o) um die feststehende, senkrechte Achse (A) dienende Servomotor (SMa) sowie die zugeordneten Winkelwertgeber (Ga) in einem feststehenden Theodolit-Teil (15) angebaut sinde

4. Theodolit nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der feststehenden senkrechten Drehachse (A) des Gehäuses (2o) der ersten Spiegelfläche (22) unter derselben eine verstellbare Spiegelanordnung (16) eingebaut ist, um das einfallende Licht (L) wahlweise einem von mehreren feststehenden Auswerte· geräten (K^, Kp» K,) zuzuführen.

5β Theodolit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der feststehenden Auswertegeräte ein Richtokular (17, 18) für einen Beobachter ist, dem ein von Hand . verstellbarer Steuersignal-Erzeuger (SG) zugeordnet ist, dessen Ausgangssignale mindestens mittelbar den beiden Servomotoren (SMa, SMA) zugeführt werden, die so zur fortwährenden Richtung des Lichteintrittsfensters (33) geßen ein bewegliches Objekt entsprechend • den vom Beobachter am Steuersignalgeber (SG) ausgelösten Signale dienen.

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6. Theodolit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass' zwischen der verstellbaren Spiegelanordnung (16) und dem Richtokular (17, 18) ein Bildaufrichtprisma (4) eingebaut ist und in Abhängigkeit von den momentanen Drehstellungen (&,\) des Anbaugehäuses (3o) und des um die senkrechte Achse (A) drehbaren G-ehäuses (2o) fortwährend so gedreht wird, dass das im Richtokular (17> 18) sichtbare Objekt immer aufrecht und seitenrichtig steht ₀

7»Theodolit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der feststehenden Auswertegeräte (K^) ein Richtwertgeber zur Erzeugung von Steuersignalen ist, welche mindestens mittelbar den beiden Servomotoren (SMa, SMjQ zur Drehung der drehbaren Spiegelflächen (22, 52) um ihre horizontale bzw„ senkrechte Drehachse (A, E) zugeführt werden und bewirken, dass nach Erfassung eines beweglichen Zielobjektes das Lichteintrittsfenster (33) dauernd auf dieses Zielobjekt gerichtet bleibt»

8„Theodolit nach Anspruch 4, dadurch .ekennzeichnet, dass eines der feststehenden Auswertegeräte (K₁, K₂, K,) eine Televisionskamera ist, deren Videosignale einer vom Theodolit entfernten Beobachtungs- und Richtstelle zugeführt werden können·

Der Patentanwalt

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