Verfahren zur Messung von relativen Winkeln
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mes¬ sung der relativen Winkel zwischen einer Referenzrichtung einer Messplattform und davon entfernten Messpunkten mit¬ tels von der Messplattform ausgehenden Lichtstrahlen, wel- ehe mittels an den Messpunkten angebrachten Reflektions- mitteln zur Messplattform zurückgespiegelt werden und von an der Messplattform vorgesehenen Empfangsmitteln empfan¬ gen und verarbeitet werden sowie Messeinrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Beispielsweise werden für die Bestimmung der Position ei¬ ner Messplattform bezüglich Referenzpunkten mit bekannten Positionen die Distanzen zwischen der Messplattform und den Referenzpunkten vermessen. Daraus lässt sich die Po- sition der Messplattform bestimmen. Anstelle der Messung der Distanzen kann auch die Winkellage der Messplattform in bezug auf die Referenzpunkte vermessen werden. Diese führt aufgrund eines Vermessungsplanes ebenfalls zur Be¬ stimmung der Position der Messplattform. Diese Winkel können sowohl von der Messplattform oder jeweils von den einzelnen Referenzpunkten aus gemessen werden. Üblicher¬ weise werden dabei die Winkel gegenüber einer definierten Referenzrichtung gemessen. Für die Messung dieser Relativ¬ winkel wird herkömmlicherweise häufig ein manuell zu be- dienendes optisches Winkelmessgerät verwendet.
Für die automatisierte Messung dieser Relativwinkel sind Verfahren und Einrichtungen bekannt, welche mit Hilfe von Lichtsendern an der Messplattform und Reflektoren an den Referenzpunkten arbeiten. Dabei wird herkömmlicherweise ein gebündelter Lichtstrahl auf den Referenzpunkt ausge¬ richtet, wobei dann die Ausrichtung dieses Lichtstrahls direkt den gesuchten Relativwinkel gegenüber der Referenz¬ richtung darstellt. Anhand eines bestehenden Vermessungs-
planes kann danach die Position der Messplattform bestimmt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein einfaches Verfahren zur Messung von Relativwinkeln zu finden, das weitestgehend automatisiert abläuft und schnell und genau diese Relativwinkel bestimmen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der ausgehende Lichtstrahl optisch zu einem ebenen Band aufgefächert wird, und dieses Band um eine Achse der Mess¬ plattform in einem vorbestimmten Winkelbereich verschwenkt wird, wobei in der Auswertungseinrichtung der Messplatt¬ form mehrere Zähler vorgesehen sind, wovon einer vom Be- ginn des Winkelbereiches bis zu dessen Ende mit einem Zähltakt betrieben wird, und die anderen beim Beginn des Winkelbereiches mit demselben Zähltakt zu zählen beginnen, und jeweils nacheinander beim Empfangen des jeweils nächstfolgenden Reflektionssignales von einem Messpunkt mit Zählen stoppen, und dass aus den Zählerstandverhält¬ nissen zwischen dem Zähler des Winkelbereiches und den anderen Zählern die relativen Winkelpositionen zwischen dem Beginn des Winkelbereiches der Messplattform und den Messpunkten berechnet werden.
Durch die Auffächerung des Lichtstrahles wird nur noch ein Umgang dieses Lichtfächers beispielsweise um eine vertika¬ le Achse benötigt, um Reflektionssignale von Messpunkten innerhalb der Fächerbreite zu erhalten. Herkömmlicherweise musste der Lichtstrahl dafür genau auf das Reflektionsmit¬ tel ausgerichtet werden. Für die meisten Anwendungen sind die entsprechenden Messpunkte auch in einem relativ schma¬ len horizontalen Band, von der Messplattform aus betrach¬ tet, positioniert. Indem für die Bestimmung des Winkels das Verhältnis von Zählerständen verwendet wird, ist der daraus erhaltene Winkelwert nicht von der Umgangsge-
schwindigkeit des Lichtstrahles abhängig. Daraus resultie¬ ren sehr genaue Winkelmessungen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei um dieselbe Achse der Mess¬ plattform verschwenkbare, fächerförmige Lichtstrahlen vor¬ gesehen sind, welche vorzugsweise in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind, und dass für jeden dieser Lichtstrahlenfächer eine eigene Zählergruppe vorhanden ist, und aus den Zählerständen die relativen Winkelposi¬ tionen der Messpunkte bezüglich der Referenzrichtung be¬ rechnet werden. Durch die Verwendung von zwei Fächern mit unterschiedlicher Winkelstellung bezüglich der Drehachse können die zwei Winkel der Messpunkte sowohl bezüglich der Referenzrichtung in der zur Drehachse der Messplattform senkrecht stehenden Ebene wie auch der Winkel bezüglich der Drehachse selbst bestimmt werden. Durch diese Winkel¬ angaben kann die Position der Messplattform bezüglich der Messpunkte genau bestimmt werden.
Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass nur bestimmte, aufgrund grober Vorausbe¬ stimmung der Messpunktstandorte auszuwählende Winkelberei¬ che für die Erfassung der Messpunkte vorgesehen werden. Damit können Mehrdeutigkeiten, welche beim Vorhandensein von mehr als einem Messpunkt auftreten, ausgeschlossen werden. Beispielsweise kann der Winkelbereich bereits beim Erfassen eingeschränkt werden, indem nur im ausgewählten Winkelbereich reflektierte Signale akzeptiert werden, wo- bei insbesondere diese Winkelbereiche für einzelne Zähler speziell definiert sein können, oder aber es werden diese Winkelbereiche erst bei der Auswertung der Winkelmessung berücksichtigt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die aus¬ zuwählenden Winkelbereiche in einem Speicherbaustein in der Messplattform gespeichert werden. Damit stehen diese Daten für eine automatische Auswertung, beispielsweise mittels eines Computers, zur Verfügung.
Zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäss eine Vorrichtung vorgesehen, welche wenigstens einen Lichtsen¬ der und ferner einen lichtempfindlichen Sensor, welcher mit Zähl- resp. Auswertungsmitteln verbunden ist, auf- weist.
Vorzugsweise ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher wenigstens ein Lichtsender mit Fächerlinse in einem um eine Achse drehbaren Gehäuse derart angeordnet ist, dass die Lichtachse senkrecht zur Drehachse liegt, und dass vor jedem Lichtsender ein Umlenkspiegel mit einer Öffnung für den Lichtfächer des Lichtsenders vorgesehen ist, welcher derart angeordnet ist, dass einfallendes Licht über eine Linsenoptik, welche gegebenenfalls zusätzlich Interferenz- filter aufweist, auf den lichtempfindlichen Sensor, wel¬ cher in der Drehachse angeordnet ist, geführt wird.
Weiter ist vorzugsweise eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher wenigstens ein Lichtsender mit Fächerlinse in ei- nem um eine Achse drehbaren Gehäuse derart angeordnet ist, dass die Lichtachse senkrecht zur Drehachse liegt, und dass vor jedem Lichtsender ein Linsenpaar vorgesehen ist, deren optische Achsen mit gleichem Abstand zu beiden Sei¬ ten der optischen Achse des Lichtsenders in der Fächerebe- ne des Lichtfächers des Lichtsenders angeordnet sind, wo¬ bei für jede Linse in deren Brennpunkt der Anfang eines Lichtleiters vorgesehen ist, welcher einfallendes Licht auf den lichtempfindlichen Sensor, welcher in der Drehach¬ se angeordnet ist, leitet. Bei dieser Ausführungsform kön- nen durch die sehr kompakte Bauform eine Mehrzahl von Lichtsendern im Gehäuse angeordnet werden. Damit lässt sich der Datendurchsatz erheblich steigern, was insbeson¬ dere die Genauigkeit der Messungen während des Verfahrens der Messeinrichtung erhöht.
Weiter ist erfindungsgemäss eine Vorrichtung vorgesehen, welche einen um eine Achse drehbaren Umlenkspiegel und
eine zwischen dem Lichtsender und dem Umlenkspiegel ange¬ ordnete Fächerlinse, sowie einen weiteren, mit einer Öff¬ nung für den Lichtstrahl des Lichtsenders versehenen, feststehenden Umlenkspiegel aufweist. Als einziges beweg- liches Teil ist hier der drehbare Umlenkspiegel vorgese¬ hen. Dies bedeutet, dass nur eine verhältnismässig kleine Masse bewegt werden muss, was sich positiv auf die Mess¬ genauigkeit auswirkt. Eine bevorzugte Ausführungsform die¬ ser Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Lichtsender vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass die aufgefächerten Lichtstrahlen der beiden Lichtsender je auf eine Seite des drehbaren Umlenkspie¬ gels, der beidseitig verspiegelt ist, auftreffen, und dass der Umlenkspiegel vorzugsweise in einem Winkel von 45° zu seiner Drehachse geneigt angebracht ist.
Bevorzugterweise werden erfindungsgemäss Laserlichtsender eingesetzt.
Diese erfindungsgemässen Vorrichtungen erlauben eine prä¬ zise Messung des relativen Winkels der Verbindung der Messplattform zu einem Messpunkt bezüglich der Referenz¬ richtung und daraus die genaue Positionsbestimmung der Messplattform, beispielsweise anhand eines Vermessungspla- nes.
Die vorliegende Erfindung eignet sich bevorzugterweise be¬ sonders vorteilhaft für die Vermessung von Geleisen. Dabei werden die Reflektionsmittel an den dafür vorgesehenen Stellen am Geleiserand angebracht und die Messplattform wird auf einem Vermessungswagen positioniert. Die Bestim¬ mung der Lage der Messplattform bezüglich des Horizonts erfolgt in bekannter Weise, wogegen die Winkel zu den Messpunkten erfindungsgemäss gemessen werden. Anhand eines für die Geleise vorhandenen Vermessungsplanes kann danach die Position der Messplattform und damit der Geleise be¬ stimmt werden. Der grosse Vorteil liegt insbesondere in
einer kontinuierlichen Messung, welche mit herkömmlichen Mitteln praktisch nicht realisiert werden konnte.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an- hand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Aufsicht auf eine Messanordnung mit Mess¬ plattform und zwei Messpunkten;
Fig. 2 die Seitenansicht von Fig. 1;
Fig. 3 die Aufsicht auf eine Messanordnung mit zwei Lichtfächern;
Fig. 4 die schematische Auswertung der Messung nach Fig. 3;
Fig. 5 den schematischen Querschnitt durch ein erfin- dungsgemässes Winkelmessgerät;
Fig. 6 den schematischen Querschnitt durch ein weite¬ res, erfindungsgemässes Winkelmessgerät; und
Fig. 7 den schematischen Querschnitt durch nochmals ein weiteres, erfindungsgemässes Winkelmessgerät.
Zuerst wird das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens anhand der Messung mit einem Lichtfächer dargestellt. Aus¬ gegangen wird von einer Messplattform M, für welche ein Winkelbereich zur Messung von 0° bis 180° bestimmt worden ist, wobei die Referenzrichtung R auch gerade den Winkel¬ bereich-Beginn darstellt. Innerhalb des Winkelbereiches seien zwei Messpunkte A und B mit Reflektionsmitteln an¬ geordnet, wie in Fig. 1 in der Aufsicht schematisch darge- stellt. Der Lichtstrahlfächer 1 wird um eine senkrechte Achse durch die Messplattform M im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt. Dabei ist hier beispielsweise der Lichtfächer
derart aufgefächert, dass die Fächerebene parallel zur Drehachse ausgerichtet ist. Die Fächerbreite ist in der Seitenansicht von Fig. 2 durch gestrichelte Linien ange¬ deutet. Wenn der Lichtfächer die Referenzrichtung R pas- siert, beginnen ein Zähler Z* sowie zwei weitere Zähler Z2 und Z3 mit einem vorbestimmten, konstanten Zähltakt zu zählen. Sobald der Lichtfächer um den Winkel α verschwenkt wurde, wird Licht durch den Messpunkt A reflektiert und damit der Zähler Z2 angehalten. Sobald nun der Lichtfächer 1 weiter bis zum Winkel ß verschwenkt wird, wird auch der Zähler Z3 aufgrund der Reflektion durch den Messpunkt B angehalten. Am Ende des Winkelbereiches, hier bei 180°, wird der Zähler Z^ schliesslich ebenfalls angehalten. Selbstverständlich können noch weitere Zähler in der Mess- plattform M vorhanden sein, um eine grössere Anzahl von Messpunkten auszuwerten. Aus den Verhältnissen der Zähler¬ stände von Z* und Z2 resp. Z^ und Z3 und dem vorbestimm¬ ten Winkelbereich lassen sich die Winkel σ und ß genau be¬ stimmen :
α=l80 *-£
resp. ß=180°*^
Dabei ist die Genauigkeit unabhängig von der Umdrehungs¬ geschwindigkeit des Lichtfächers 1. Wenn beispielsweise der Zähltakt 180'000/sek beträgt und die Umdrehungsge¬ schwindigkeit der Lichtfächer 0,5 Umdrehungen / sek be- trägt, so wäre der Zählerstand des Zählers Z-y idealerweise 180*000. Wenn sich nun die Umdrehungszahl leicht ändert, so dass beispielsweise der Zählerstand des Zählers Zη nur noch 160'000 beträgt, so würden sich auch die Zählerstände
der Zähler Z2 und Z3 im gleichen Verhältnis ändern und die errechneten Winkelwerte bleiben gleich.
Da die Taktfrequenz üblicherweise durch elektronische Bau- steine erzeugt wird, welche mit sehr hoher Genauigkeit arbeiten, ist die Genauigkeit dieses Messverfahrens sehr hoch. Die Drehzahlschwankungen des Lichtfächers können damit praktisch vollständig kompensiert werden.
Aus den Fig. 1 und 2 wird klar, dass, mit nur einem Licht¬ fächer, nur derjenige, in der zur Drehachse senkrecht auf¬ gespannten Ebene mit der Messplattform als Zentrum lie¬ gende Winkel gemessen werden kann.
Für Anwendungen, welche den vollständigen relativen Winkel benötigen, können erfindungsgemäss zwei Lichtfächer vor¬ gesehen werden, welche vorzugsweise in einem rechten Win¬ kel zueinander stehen. Eine derartige Anordnung ist in Figur 3 schematisch mit denselben Messpunkten A und B wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Ein Lichtfächer 11, der um einen Winkel von 45° gegenüber der Horizontalebene gekippt ist, wird wieder, wie vorgängig beschrieben, um die Achse der Messplattform im Gegenuhrzeigersinn ver¬ schwenkt. Beim Erreichen des Winkels α^ wird vom Messpunkt A ein Teil des Lichtes zurückgestrahlt und damit der be¬ treffende erste Zähler Z2 angehalten. In Figur 3 ist dabei die Schnittlinie des Lichtfächers 1*^ mit der Horizontal¬ ebene mit einer durch Kreuze unterbrochenen Linie darge¬ stellt. Beim Erreichen des Winkels α2 wird demgemäss vom Messpunkt B Licht zurückreflektiert und der nächste Zähler Z3 angehalten. Nun wird noch ein zweiter Lichtfächer 12 um dieselbe Achse in derselben Richtung verschwenkt. Dies kann gleichzeitig oder zeitlich versetzt erfolgen. Dieser Lichtfächer steht vorzugsweise in einem rechten Winkel zur Ausrichtung des ersten Lichtfächers l-j_. Vorteilhafterweise folgt der zweite Lichtfächer 12 mit einem Abstand von 180° dem Lichtfächer 1-^. Hierbei erfolgen die Reflektionen von
den Messpunkten A und B bei den Winkelstellungen ß-^ und ß2 des Lichtfächers 12. Diese Positionen werden ebenfalls mit drei weiteren Zählern Z4 bis Zg, wie vorgängig beschrie¬ ben, erfasst.
Die Auswertung dieser Winkelstellungen ist nun graphisch in Figur 4 dargestellt. Die Messpunkte stellen graphisch die Schnittpunkte der Lichtfächerlinien 1^ und 12 dar, welche jeweils bei einem empfangenen Reflektionssignal in die Grafik eingetragen werden. Weil nun bei mehr als einem vorhandenen Messpunkt mehr Schnittpunkte dieser Linien entstehen, als effektiv Messpunkte vorhanden sind, müssen diese überzähligen Fehlstellen eliminiert werden. Dies er¬ folgt vorzugsweise dadurch, dass nur in zu bestimmenden Winkelbereichen solche Schnittpunkte zugelassen werden. Diese Winkelbereiche werden aufgrund einer groben Voraus¬ bestimmung der Lage dieser Messpunkte festgelegt. Bei¬ spielsweise bei der Vermessung von Geleisen wird hierzu der dazugehörige Vermessungsplan verwendet, in welchem die Standorte der Messpunkte eingetragen sind.
Statt die Messpunkte aufgrund der Winkelstellungen zu klassifizieren (Basis: Grobplan), kann dies auch nach de¬ ren Entfernung zur Messplattform erfolgen, indem nach In- tensität des reflektierten Lichtes selektiert wird.
Die gesamte Auswertung kann beispielsweise mittels eines Computers erfolgen, wobei die grobe Vorausbestimmung der Lage der Messpunkte beispielsweise in einem Speicher für die Auswertung zur Verfügung stehen kann.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist es insbesondere auch möglich, die Winkelmessungen von einer sich ständig bewegenden Messplattform aus kontinuierlich durchzuführen. Dies ist gerade bei der erwähnten Vermessung von Geleisen, beispielsweise bei Reparatur- oder Erneuerungsarbeiten, von sehr grossem Vorteil.
Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Laserlichtsender verwendet. Dadurch kann auch mit verhältnismässig kleinem Energiebedarf eine genügende Reflektionsleistung auch bei grösseren Distanzen erzielt werden. Vorteilhafterweise werden in der entsprechenden Optik Filter zur Ausscheidung von Störsignalen vorgesehen, welche durch Sonnenlichtblen¬ dungen hervorgerufen werden können.
Ein schematischer Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Winkelmessgerät, welches zwei Lichtfächer für die Messung verwendet, ist in Fig. 5 dargestellt. Darin sind zwei Lichtsender 1 und 2 , vorzugsweise Laserlichtsender, vor¬ gesehen, welche jeweils einen gebündelten Lichtstrahl 1-^ und 1 aussenden. Die Lichtstrahlen gelangen durch Öffnun- gen in den Umlenkspiegeln 3 und 4 auf die Fächerlinsen 5 und 6. Diese Fächerlinsen 5, 6 sind als Zylinderlinsen ausgebildet und fächern die gebündelten Lichtstrahlen 1^ und 12 zu ebenen Lichtbändern t-y und f2 auf. Dabei sind die beiden Fächerlinsen in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet, so dass die beiden Lichtbänder f., und f2 ebenfalls in einem rechten Winkel zueinander stehen. Über einen beidseitig verspiegelten Umlenkspiegel 7 werden die Lichtbänder um 90° abgelenkt und treten aus dem Gehäuse¬ teil 8 des Winkelmessgerätes aus. Das Gehäuseteil 8 ist mittels eines Antriebsmotores 9 rotierbar. Damit können die Lichtbänder f^ und f ständig in Umlauf gehalten wer¬ den. Die Breite der Lichtbänder ist sowohl durch die Fä¬ cherlinse wie auch durch die Gehäuseabmessungen be¬ schränkt, wird aber so gross gehalten, dass alle zu erfas- senden Messpunkte damit abgedeckt werden können. Ein von den Messpunkten reflektiertes Signal tritt in das Gehäuse¬ teil 8 ein und wird über die beiden Umlenkspiegel 7 und 3 resp. 4 auf die Sammellinsen 10 resp. 11 umgelenkt, welche das Signal auf die lichtempfindlichen Sensoren 12 resp. 13 fokussieren. Diese Sensoren liefern schliesslich das Si¬ gnal zum Anhalten der Zähler, wie vorgängig beschrieben. Im Lichtgang sind noch verschiedene Filter vorgesehen, um
Fehlinterpretationen von Störsignalen, beispielsweise hervorgerufen durch Sonnenblendungen, zu vermeiden.
Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs- gemässen Messgerätes ist in Figur 6 dargestellt. Hier wird ein zylindrisches, axial drehbar gelagertes Gehäuse 14 mittels eines Elektromotores 15 beispielsweise über einen Bandantrieb in Drehung versetzt. Ein lichtempfindlicher Sensor 16 ist dabei in der Drehachse des Gehäuses 14 fest- stehend an dessen Lagerungsrahmen zusammen mit der Auswer¬ tungselektronik 17 positioniert. Im Gehäuse 14 ist sen¬ krecht zur Drehachse ein Lichtsender 18, vorzugsweise ein Laserlichtsender, angeordnet, welcher einen Lichtfächer 19 aussendet. Dieser Lichtfächer 19 ist entsprechend der vor- angegangenen Beschreibung geneigt. Das von einem Messpunkt 20 reflektierte Licht 21 (gestrichelt dargestellt) wird über einen Umlenkspiegel 22 und eine Linsenanordnung 24,25 auf den Sensor 16 fokusiert. Dabei ist beispielsweise zu¬ sätzlich ein Interferenzfilter 23 vorgesehen, um Störungen auszufiltern. Vorzugsweise sind im Gehäuse eine Mehrzahl von Lichtsendern 18 vorgesehen, beispielsweise 4, wobei die Lichtfächerebenen von benachbarten Lichtsendern 18 vorzugsweise rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind. Selbstverständlich lässt sich der Antrieb des Gehäuses 14 auch derart anordnen, dass der Messbereich, d.h. der Aus¬ strahlbereich der Lichtsender 18, auf dem vollem Umfang, gewährleistet ist.
In Figur 7 ist nochmals eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Messgerätes dargestellt. Der Auf¬ bau ist im wesentlichen gleich wie bei dem in Figur 6 be¬ schriebenen Gerät. Einzig der Empfangsteil wurde abgeän¬ dert, indem hier anstelle eines Umlenkspiegels zwei Linsen 26,27 angeordnet sind, welche direkt auf den Anfang von Lichtleiterfasern 28, 29 fokusiert sind. Die Lichtfasern leiten schliesslich die empfangenen Lichtsignale auf den Sensor 16. Hier ist beispielsweise ein Filter 30 direkt
vor dem Sensor 16 angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung ist insbesondere darin zu sehen, dass eine Viehlzahl von Sendern 18 angeordnet werden können, wodurch der Daten¬ durchsatz und damit die Messgenauigkeit gesteigert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt in der kurzen Brennweite der hier verwendeten Linsen 26 und 27.