DE3936966A1 - Verfahren und anordnung zur automatischen zielerfassung, insbesondere mit einem theodoliten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Zielerfassung und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens insbesondere mit einem Theodoliten oder solchen Meßinstrumenten, bei denen Ziele in unterschied­ lichen Entfernungen liegen, in Abhängigkeit von den atmosphärischen Be­ dingungen und der Senderlichtquelle.

Es sind eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen zur automatischen Ziel­ erfassung bekannt, wie Einrichtungen zum Erfassen und Positionieren von Nahzielen durch die Erfassung der Struktur eines beleuchteten Zielobjektes (DE-OS 36 16 929, 32 33 013, US-PS 46 50 993, EP-PS 01 57 414) und Einrichtungen zum Erfassen von festen oder beweglichen Objekten (DE-OS 34 24 789, 35 18 036, EP-PS 02 27 999), wobei wie in der DE-OS 35 18 036 beschrieben, das Licht­ bündel eine bestimmte Formung hat, so daß der Empfänger eine spezielle Ortung ausführen kann. Die verwendeten technischen Mittel zur Zieler­ fassung können Quadrantenfotoempfänger, Raster, Matrixanordnungen von Sensoren oder mechanische Blenden in Form von Spiralen oder Streifen sein. Entsprechend dem Positioniersignal erfolgt dann eine Nachsteuerung des gesamten Meßgerätes (DE-OS 34 24 789, 31 28 433), wobei die Abbildung und Fokussierung des Zielbildes in eine Bildebene einen speziellen Aufwand erfordern und die Anwendbarkeit der einzelnen Verfahren einschränken.

Aus der DE-OS 32 43 920 und 34 38 938 sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen Bilder oder Objekte mittels Bildsensoren mit oder ohne Abbildung abgetastet werden, wobei für kurze Objektentfernungen die Fokussierung erhebliche Vorrichtungen und technische Mittel erfordert. Es sind auch Festkörperkameras in Verbindung mit einem Fernrohr bekannt (DE-OS 32 29 771), die eine durch ein Treiberglied geregelte Irisblende verwenden, zur Regelung des Bildkontrastes.

Ziel der Erfindung ist ein technisch-ökonomisch einfaches Verfahren und eine Anordnung zur Zielerfassung, insbesondere mit einem Theodoliten, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigen und eine Basis zur Automati­ sierung schaffen, damit ein Beobachter am Meßgerät weiter entlastet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Zielerfassung insbesondere mit einem Theodoliten zu schaffen, mit denen nur ausgewählte Punkte eines Objektfeldes erfaßt und abgebildet werden, ohne eine Fokussierung durchzuführen, damit die Nachteile einer Fokussierung für die exakte Abbildung der Einzelzielungen vermieden und der Meßprozeß vereinfacht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur automatischen Zielerfassung insbesondere mit einem Theodoliten, wobei die von einer Licht­ quelle des Zielfernrohres eines Theodoliten über einen Teilerspiegel durch das Fernrohrobjektiv ausgesendete Strahlung nach Reflexion in einem Ziel­ punkt von dem Fernrohrobjektiv wieder empfangen und auf in einer ersten Bildebene angeordnete optoelektronische Meßeinrichtung abgebildet und in einer dieser optoelektronischen Meßeinrichtung nachgeordneten Einrichtung ausgewertet, angezeigt sowie gespeichert und die Strahlung durch eine Blende begrenzt wird, dadurch gelöst, daß eine vor oder hinter einem Fernrohr­ objektiv 3 angeordnete Blende 4 von einer Steuereinrichtung 10 nach einem Signal einer optoelektronischen Meßeinrichtung 18 so gesteuert wird, daß ab einer bestimmten Grenzentfernung bei vorgegebener Intensität einer Lichtquelle 17 das Signal der maximalen Blendenöffnung proportional ist, daß dieses Signal für kurze Zielentfernungen eine Verkleinerung des Durch­ messers der Blende 4 bewirkt, damit ein entsprechender Signalpegel, der von der optoelektronischen Meßeinrichtung 18 empfangenen Signale, bei der kürzer werdenden Zielentfernung konstant bleibt, daß die Signale der opto­ elektronischen Meßeinrichtung 18 in einer nachgeordneten Auswerteein­ richtung 20 so verarbeitet werden, daß sie Meßwerte ergeben, die die Lage eines Zielobjektes gegenüber einem Bezugsobjekt 30 darstellen, daß diese Meßwerte auf einem der Auswerteeinrichtung 20 in einem bestimmten Maßstab nachgeordnetem Bildschirm 22 angezeigt oder in einem in der Auswerteein­ richtung vorgesehenen Speicher 20 digital festgehalten werden, wobei das Bezugsobjekt 30 den Durchstoßpunkt einer optischen Achse A-A auf dem Bild­ schirm 22 darstellt. Bei einer Übersteuerung der Blende 4 oder einer zu niedrigen Lichtintensität im Bereich der Grenzentfernung bei kürzeren Ziel­ entfernungen kann die Intensität der Lichtquelle 17 nachgeregelt und bei größeren Zielentfernungen die Intensität der Lichtquelle 17 in Abhängigkeit von dem Signalpegel hochgeregelt werden, wobei eine Grundeinstellung abge­ speichert ist.

Bei einer Anordnung zur automatischen Zielerfassung, insbesondere mit einem Theodoliten, umfassend ein Theodolitzielfernrohr und Mittel zur Bewegung des Zielfernrohres und einer optoelektronischen Meßeinrichtung, der Registrierung, Zählung, Auswertung und Anzeige eines Zielbildes wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die optoelektronische Meßein­ richtung 18 vorzugsweise eine CCD-Matrix oder ein Quadrantenempfänger ist, daß die optoelektronische Meßeinrichtung 18 senkrecht zur optischen Achse A-A des Zielfernrohres 1 in zwei Koordinaten verschiebbar ist, wobei die Verschiebewege durch die Auswerteeinrichtung 20 ermittelt und registriert werden, und daß die Drehung der Theodolitenstütze 35 um die Stehachse C-C und des Zielfernrohres 1 um die Kippachse D-D bei beweglichen Zielobjekten durch die Signale der optoelektronischen Meßeinrichtung 18 nachsteuerbar sind. Die optoelektronische Meßeinrichtung 18 ist vorteilhaft entweder in einer ersten Abbildungsebene 30 des Fernrohrobjektivs 3 in dem Schnittpunkt von Stehachse C-C und Kippachse D-D des Theodolits vorgesehen oder in einer zweiten Bildebene 36 auf der optischen Achse A-A des Fern­ rohrobjektivs 3, wobei ein Zwischenabbildungssystem 31 eine Vergrößerung oder Verkleinerung eines ersten Bildes in die zweite Bildebene 36 bewirkt. Die optoelektronische Meßeinrichtung 18 ist dabei vorzugsweise durch Piezomotoren 32, 33 bewegbar und es werden von ihr mehr als ein im Strahlen­ kegel der Lichtquelle 17 bestehende, durch die Retroreflektion im Ziel­ punkt signalisierte Zielpunkte getrennt geortet und auf dem Bildschirm 22 angezeigt, wobei die Lichtquelle 17 vorzugsweise eine Laser- oder Leucht­ diode ist. Weiterhin enthält die Auswerteeinrichtung 20 eine Zählein­ richtung, die die Abstände zwischen den enzelnen, auf dem Bildschirm 22 angezeigten Zielpunkten in Koordinaten oder direkt ausgemessen von einer Registriereinrichtung erfaßt und/oder den Meßdaten des Theodolits zuordnet. Das Zielfernrohr 1 ist außerdem mit einer Meßeinrichtung zur elektrooptischen Streckenmessung koppelbar und der Bildschirm 22 kann entweder anstelle eines fernrohrokulares vorzugsweise am Zielfernrohr 1 oder an einer Theodolit­ stütze 35 vorgesehen sein. Durch die Erfindung ist es möglich, daß der Aufwand zur Steuerung der Fokussierung bei der Zielung für kurze Ent­ fernungen entfällt, durch die Intensitätssteuerung einer veränderlichen Blende 4. Gleichzeitig wird automatisch geregelt, daß stets nur das Bild der Öffnung des Fernrohrobjektivs 3, auch bis zur kürzesten, meßbaren Entfernung zur Abbildung gelangt und damit eine exakte Messung bei gleichbleibender Zielgenauigkeit gewährleistet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Theodoliten­ zielfernrohres,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Theodoliten­ zielfernrohres,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für den Meßprozeß.

Fig. 1 zeigt ein Zielfernrohr eines Theodoliten, umfassend einen Fernrohr­ körper 1 mit sämtlichen Funktionsbaugruppen und eine Abdeckhülle 2. Der Fernrohrkörper 1 enthält ein Fernrohrobjektiv 3 sowie eine vor dem Objektiv 3 angeordnete, mit dem Objektiv 3 über einen Verschraubring 11 fest mit dem Fernrohrkörper 1 verbundene Irisblende 4 mit den Blenden­ lamellen 5, zur Begrenzung eines ausgestrahlten Lichtbündels. Mit dem Mit­ nehmer der Lamellen 5 ist ein Zahnrad 6 verbunden, das durch ein Zahnrad 7 auf einer Achse 8 eines Motors 10 über ein Getriebe 9 angetrieben wird. Der Motor 10 ist am Fernrohrkörper 1 angeschraubt. In der halben Brenn­ weite des Objektivs 3 ist ein halbdurchlässiger Spiegel 12, 45° zur optischen Achse A-A des Zielfernrohres geneigt, in einem Spiegelhalter 13, der justierbar in dem Fernrohrkörper 1 angeordnet ist, vorgesehen. Am Fern­ rohrkörper 1 ist weiterhin eine Lichtquelle 17 in einem Halter 14 ange­ ordnet, deren Strahlung über einen zweiten Umlenkspiegel 15 in einem Halter 16 über den ersten Spiegel 12 durch das Objektiv 3 auf einen, in einem Zielpunkt aufgestellten Retroreflektor trifft, wieder rückreflektiert wird und durch das Objektiv 3 auf eine optoelektronische Meßeinrichtung 18 abge­ bildet wird, die in der ersten Bildebene des Objektivs 3 vorgesehen ist. Die optoelektronische Meßeinrichtung 18 kann beispielsweise als CCD-Matrix oder als Quadrantenempfänger ausgebildet sein und ist in einem Halter 19 mit einer Auswerteelektronikeinheit 20 befestigt. Auf der optischen Achse A-A des Fernrohrkörpers 1 ist weiterhin ein der Auswerteelektronik 29 nachge­ ordneter LCD-Bildschirm 22 mit einer Ansteuerelektronik 21 angeordnet. Der Fernrohrkörper 1 trägt gleichzeitig Leiterplatten 23 und 24 mit einer nicht näher dargestellten, bekannten Auswerte- und Steuerelektronik für die Regelung des Motors 10. Parallel zur optischen Achse A-A ist eine Achse B-B eines Sucherfernrohres 25 mit einem Okular 26 angeordnet. Für die Eingabe der Signalpegelwerte der optoelektronischen Meßeinrichtung 18 ist eine bekannte, nicht näher dargestellte Eingabevorrichtung 27 vorgesehen. Ein Auslöseknopf 28 dient nach einer Grobeinstellung des Retroreflektors im Ziel­ punkt mit dem Sucherfernrohr 25 zur Auslösung des Zielerfassungsprozesses, dessen Meßergebnis sofort auf dem LCD-Bildschirm 22 angezeigt wird, wobei zur Orientierung des Zielbildes ein Strichkreuz 30 auf dem LCD-Bildschirm 22 sichtbar ist. Das Strichkreuz kann als Zielmarke auf dem Bildschirm 22 vor­ handen sein oder es wird durch die Auswerteelektronikeinheit 21 festgelegt, wobei der Mittelpunkt dieser Bezugsfigur beispielsweise einem Durchstoß­ punkt 30 der optischen Achse A-A auf einer CCD-Matrix 18 entsprechen kann. Ein Blendenschirm 29 dient zur besseren Lesung der Anzeigen des Bild­ schirmes 22.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Zielfernrohres eines Theodoliten, wobei der Theodolit dargestellt wird durch einen Dreifuß 34, eine Theodolitenstütze 35 (Oberteil der Alhidade) mit einer Stehachse C-C, der vertikalen Drehachse des Theodoliten und einer Kippachse D-D, senkrecht zur optischen Achse A-A und dem Sucherfernrohr 25 mit der Zielachse B-B. Die Irisblende 4 ist hinter dem Fernrohrobjektiv 3 angeordnet und der Durch­ stoßpunkt 30 liegt im Schnittpunkt der Stehachse C-C und Kippachse D-D. Ein Zwischenabbildungssystem 31 vergrößert oder verkleinert dann das erste Bild und bildet es in eine 2. Bildebene 36 ab, in der die optoelektronische Meßeinrichtung 18 angeordnet ist und durch an sich bekannte, nicht näher dargestellte Piezomotoren 32, 33 in zwei Koordinaten senkrecht zur optischen Achse A-A verschoben werden kann, wobei die Meßwerte an der optoelektronischen Meßeinrichtung 18 direkt ermittelt werden.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild für den Meßprozeß dargestellt. Die opto­ elektronische Meßeinrichtung 18 beispielsweise eine CCD-Matrix mit einem Bildsensor wird über eine Ansteuerung 37 initialisiert. Die während der Abbildung des Zielbildes in der CCD-Matrix 18 entstehenden Signale werden gespeichert und der Auswerteelektronik 20, die einen Rechner umfaßt, zuge­ führt. Von diesen Signalen wird entweder ein Maximalsignal oder ein Durch­ schnittssignal ermittelt und mit denen an der Eingabeeinrichtung 30 vor­ gegebenen Pegelwert verglichen. Bei Überschreitung des Pegel erfolgt in einem Regler 38 ein Signal zur Steuerung des Motors 10 solange, bis durch eine Verringerung des Blendendurchmessers 4 des Regelniveau erreicht ist, das in Abhängigkeit von der Lichtquelle 17 und den Daten des optischen Systems des Zielfernrohres der optischen Grenzentfernung entspricht. Mit der Regelung der Blende 4 wird erreicht, daß in allen Entfernungen stets die Objektivöffnung 3 entsprechend dem Blendendurchmesser 4 für eine exakte Zielbilderfassung abgebildet wird.

Um eine Übersteuerung der CCD-Matrix 18 für kurze Entfernungen zu ver­ meiden, ist ein Regler 39 vorgesehen, der bei Unterschreitung des Pegel­ niveaus eine Erhöhung der Intensität der Lichtquelle 17 bewirkt, die bei Verkürzung sofort zurückregelt. Die Zielerfassung eines Zielobjektes auf der CCD-Matrix 18 erfolgt nur in ausgewählten Punkten. Dabei können mehrere im Öffnungskegel der Lichtquelle 17 gelegene und signalisierte Zielpunkte gleichzeitig auf die CCD-Matrix 18 abgebildet und wechselseitig zur Anzeige auf dem Bildschirm 22 gelangen. Bei beweglichen Zielobjekten erfolgt gemäß den Änderungen der Größe der Bildpunktkoordinaten durch den Rechner der Auswerteelektronikeinheit 20 eine Ansteuerung von den Schrittmotoren 40 getrennt für Steh- und Kippachse C-C und D-D des Theodoliten. Für kleine Bewegungsbereiche treten an die Stelle der Schrittmotoren 40 die Piezo­ motoren 32 und 33, die die CCD-Matrix 18 direkt in zwei Koordinaten bewegen und die Verschiebebeträge werden, bezogen auf die Brennweite des Objektivs 3 auf dem Bildschirm 22 angezeigt. Die Steuerung erfolgt dabei über die be­ kannten, nicht näher dargestellten Eingabemittel 41. Ist das Zielfernrohr im Theodoliten angeordnet, speziell einem Digitaltheodoliten mit einem internen Rechner, dann besteht eine Datenschnittstelle 42, über die die Meßdaten des Zielfernrohres in den internen Rechner des Theodoliten übernommen werden können. Weiterhin können von dem Theodoliten Steuerwerte vorgegeben werden, um mittels des automatischen Zielfernrohres 1 den Theodolit auf signalisierte Zielpunkte vorzuorientieren. Durch das Zielfernrohr 1 werden dann die Achsen­ drehungen des Theodoliten ausgeführt und mit den Piezomotoren 32, 33 die Feinanzielung. Es ist auch möglich, diese Anordnung zur automatischen Ziel­ erfassung mit einem Tachymeter zu koppeln, dazu muß in dem Strahlengang des Zielfernrohres 1 auf der optischen Achse A-A ein weiterer teilver­ spiegelter Ablenkspiegel angeordnet sein, der die wieder durch das Fern­ rohrobjektiv 3 empfangenen modulierten Sendestrahlen einem elektro­ optischen Streckenmesser zugeführt und/oder gleichzeitig den Zielstrahl dar­ stellt.

Claims (11)

1. Verfahren zur automatischen Zielerfassung, insbesondere mit einem Theodoliten,

• - wobei die von einer Lichtquelle des Zielfernrohres eines Theodoliten über einen Teilerspiegel durch das Fernrohr­ objektiv ausgesendete Strahlung,
• - nach Reflexion in einem Zielpunkt von dem Fernrohrobjektiv wieder empfangen und auf in einer ersten Bildebene ange­ ordnete optoelektronische Meßeinrichtung abgebildet,
• - und in einer dieser optoelektronischen Meßeinrichtung nach­ geordneten Einrichtung ausgewertet sowie angezeigt und ge­ speichert wird,
• - wobei die Strahlung durch eine Blende begrenzt wird,

gekennzeichnet dadurch, daß eine vor oder hinter einem Fern­ rohrobjektiv 3 angeordnete Blende 4 von einer Steuereinrich­ tung 10 nach dem Signal einer optoelektronischen Meßeinrich­ tung 18 so gesteuert wird,

• - daß ab einer bestimmten Grenzentfernung bei vorgegebener Intensität einer Lichtquelle 17 das Signal der maximalen Blendenöffnung proportional ist,
• - daß dieses Signal für kürzere Zielentfernungen eine Ver­ kleinerung des Durchmessers der Blende 4 bewirkt, damit ein entsprechender Signalpegel, der von der optoelektro­ nischen Meßeinrichtung 18 empfangenen Signale, bei der kürzer werdenden Zielentfernung konstant bleibt,
• - daß die Signale der optoelektronischen Meßeinrichtung 18 in einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung 20 so ver­ arbeitet werden, daß sie Meßwerte ergeben, die die Lage eines Zielobjektes gegenüber einem Bezugsobjekt 30 dar­ stellen,
• - daß diese Meßwerte auf einem der Auswerteeinrichtung 20 in einem bestimmten Maßstab nachgeordneten Bildschirm 22 angezeigt oder in einem in der Auswerteeinrichtung 20 vorgesehenen Speicher digital festgehalten werden,
• - wobei das Bezugsobjekt 30 den Durchstoßpunkt einer op­ tischen Achse A-A auf dem Bildschirm 22 darstellt.

2. Verfahren zur automatischen Zielerfassung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Übersteuerung der Blende 4 oder einer zu niedrigen Lichtintensität im Bereich der Grenz­ frequenz bei kürzeren Zielentfernungen die Intensität der Lichtquelle 17 nachregelbar und bei größeren Zielentfernungen die Intensität der Lichtquelle 17 in Abhängigkeit von dem Signalpegel hochregelbar ist, wobei eine Grundeinstellung ab­ gespeichert ist.

3. Anordnung zur automatischen Zielerfassung, insbesondere mit einem Theodoliten, umfassend ein Theodolitzielfernrohr und Mittel zur Bewegung des Zielfernrohres und einer optoelektro­ nischen Meßeinrichtung, der Registrierung, Zählung, Auswertung und Anzeige eines Zielbildes, gekennzeichnet dadurch,

• - daß die optoelektronische Meßeinrichtung 18 vorzugsweise eine CCD-Matrix oder ein Quadrantenempfänger ist,
• - daß die optoelektronische Meßeinrichtung 18 senkrecht zur optischen Achse A-A des Zielfernrohres 1 in zwei Koordinaten verschiebbar ist,
• - wobei die Verschiebewege durch die Auswerteeinrichtung 20 ermittelt und registriert werden,
• - und daß die Drehung der Theodolitstütze 35 um die Stehachse C-C und des Zielfernrohres 1 um die Kippachse D-D bei be­ weglichen Zielobjekten durch die Signale der optoelektro­ nischen Meßeinrichtung 18 nachsteuerbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die optoelektronische Meßeinrichtung 18 vorzugsweise durch Piezo­ motoren 32, 33 bewegt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Abbildungsebene 30 des Fernrohrobjektivs 3 in dem Schnittpunkt von Stehachse C-C und Kippachse D-D des Theo­ doliten vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die optoelektronische Meßeinrichtung 18 in einer zweiten Bild­ ebene 36 auf der optischen Achse A-A des Fernrohrobjektivs 3 vorgesehen ist, wobei ein Zwischenabbildungssystem 31 eine Vergrößerung oder Verkleinerung eines ersten Bildes in die zweite Bildebene 36 bewirkt.

7. Anordnung nach Anspruch 3, 4, 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß von der optoelektronischen Meßeinrichtung 18 mehr als ein im Strahlenkegel der Lichtquelle 17 bestehende, durch die Retroreflektoren im Zielpunkt signalisierte Zielpunkte getrennt geortet und auf dem Bildschirm 22 angezeigt werden.

8. Anordnung nach Anspruch 3, 4, 5, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Auswerteeinrichtung 20 eine Zähleinrichtung umfaßt, die die Abstände zwischen den einzelnen, auf dem Bildschirm 22 angezeigten Zielpunkte in Koordinaten, oder direkt ausgemessen von einer Speichereinrichtung erfaßt und/oder den Meßdaten des Theodolits zugeordnet werden, wobei der Bildschirm 22 anstelle eines Fernrohrokulares vorzugsweise am Zielfernrohr 1 oder an einer Theodolitstütze 35 vorgesehen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 3 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Lichtquelle 17 vorzugsweise eine Laser- oder Leuchtdiode ist, oder die modulierte Strahlung für die Streckenmessung eines Tachymeters darstellt.

10. Anordnung nach Anspruch 3 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Zielfernrohr 1 mit einer Meßeinrichtung zur elektroop­ tischen Streckenmessung koppelbar ist.