CH665715A5

CH665715A5 - Verfahren und vorrichtung zur messung der winkelablage eines mit einer zielmarke versehenen objektes.

Info

Publication number: CH665715A5
Application number: CH537284A
Authority: CH
Inventors: Bernhard F Dr Gaechter
Original assignee: Wild Heerbrugg Ag
Priority date: 1984-11-08
Filing date: 1984-11-08
Publication date: 1988-05-31
Also published as: GB8527492D0; GB2166920A; DE3538812A1; JPS61128111A; GB2166920B

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Winkelablage eines Objektes mit Hilfe von objektbezogenen und als optisch strukturierte Rasterscheiben ausgebildeten Zielmarken, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Messung von Winkelablagen, wie sie beispielsweise in geodätischen Instrumenten, wie Theodoliten, Nivellieren und dergleichen vorgenommen werden, wurden bisher im wesentlichen rein optische Methoden eingesetzt. Mit dem Einsatz elektronischer Mittel für die Distanzmessung mit solchen Geräten ergibt sich eine zunehmende Diskrepanz in der Genauigkeit der Messresultate, wie sie einerseits über die elektronischen Mittel erhältlich sind, und andererseits durch rein optische Mittel bei der Winkelmessung anfallen.

Aus der CH-PS 638 057 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung einer Zielmarke durch Bestimmung der Position eines objektivierten Bildes der Zielmarke auf eine Durchlicht-Rasterscheibe bekannt. Dabei ist die Zielmarke als Auflicht-Rasterscheibe mit drehsymmetrischer, im wesentlichen radial gerichteter, abwechseln heller und dunkler Teilung optisch strukturiert. Die Empfangsvorrichtung umfasst im wesentlichen ein auf die Zielmarke gerichtetes Objektiv, eine Durchlicht-Rasterscheibe und hinter der Scheibe angeordnete Strahlungsdetektoren sowie eine Auswerteschaltung. Die Durchlicht-Rasterscheibe hat die gleiche optische Struktur wie die Auflicht-Rasterscheibe. Sie ist um ihr Symmetriezentrum drehbar und von einem Motor angetrieben. Das Zentrum der Durchlicht-Rasterscheibe und das Zentrum der Strahlungsdetektoren sind auf die optische Achse des Objektivs ausgerichtet. Zur Bestimmung der Winkelablage der Zielmarke gegenüber der optischen Achse des Objektivs wird durch Drehung der Durchlicht-Rasterscheibe eine Modulation der von den Strahlungsdetektoren abgegebenen Signale bewirkt. Diese Modulation wird von der Auswerteschaltung ausgewertet, welche die Ablage berechnet und entsprechende Werte zur Verfügung stellt. Diese Werte werden gespeichert, angezeigt oder auf beliebige andere Weise ausgegeben.

Nachteilig ist bei dieser Vorrichtung der grosse Aufwand an mechanischen und elektronischen Vorrichtungen, unter anderem der Antrieb der Durchlicht-Rasterscheibe unter Vermeidung von Erschütterungen und die Regelung der Drehgeschwindigkeit innerhalb eines für die Berechnung zulässigen Bereichs. Nachteilig ist ferner, dass die Rasterscheibe nur umständlich auswechselbar ist, so dass es im praktischen Einsatz nicht möglich ist, mehrere im Sichtfeld der Vorrichtung liegende Zielmarken ohne manuellen Zugriff in die Vorrichtung zu verarbeiten. Damit ist auch der Einsatz der Vorrichtung zur Identifikation mehrerer unterschiedlich markierter Ziele nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahinge2

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hend zu verbessern, dass die Messung der Winkelablage mit höherer Genauigkeit, möglichst unter Ausschaltung von Ablesefehlern erfolgen kann, wobei die Integration des Verfahrens bzw. der Vorrichtung in elektronische Distanzmessgeräte wünschenswert ist. Ausserdem soll es möglich sein, auch an schwer zugänglichen Objekten Messungen hoher Präzision vornehmen zu können und eine Identifikation mehrerer unterschiedlich markierter Ziele vornehmen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen 1 und 4 definierten Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie ohne mechanisch bewegte Teile, z.B. ohne rotierende Teile auskommt und mit einer Dioden-Matrix (diode array) einen besonders einfachen und kostengünstigen Strahlungsdetektor verwendet. Da in einer derartigen Vorrichtung ohnehin Rechner vorhanden sind, verursacht der zusätzliche Rechnerbedarf keinen bedeutsamen Mehraufwand für die vorliegende Vorrichtung. Wird als Zielmarke eine massstabs-invariante Ausbildung gewählt, können auch schief zur optischen Achse stehende Zielmarken an schlecht oder nicht mehr zugänglichen Zielobjekten erfasst werden. Ferner können mehrere Referenzmarken in der Vorrichtung gespeichert werden, wodurch es möglich wird, mehrere im Sichtfeld der Vorrichtung liegende Zielmarken zu verarbeiten, ohne dass ein manueller Eingriff in die Vorrichtung zum Auswechseln von Referenzmarken notwendig ist. Damit ergibt sich die Möglichkeit einer besonders einfachen und zuverlässigen Zielidentifikation bei Mehrfachmessungen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. I die schematische Darstellung einer erfindungsge-mässen. Vorrichtung,

Fig. 2 eine erste Ausbildung einer Zielmarke mit einem zentrisch symmetrischen Muster,

Fig. 3 eine zweite Ausbildung einer Zielmarke mit einem mosaikartigen Flächenraster, und

Fig. 4 eine dritte Ausbildung einer Zielmarke mit einem pseudostochastischen Radialraster.

Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 enthält eine Zielmarke 1, welche mit dem zu vermessenden Objekt verbunden ist und welche in der optischen Achse 2 einer gesamthaft mit 3 bezeichneten Empfangsvorrichtung liegt. Die Empfangsvorrichtung 3 umfasst ein auf die optische Achse 2 ausgerichtetes Objektiv 4, einen positionsempfindlichen Strahlungsdetektor 5 und einen Rechner 6, an den ein Speicher 15 angeschlossen sein kann.

Gemäss dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zielmarke 1 als Auflicht-Rasterscheibe ausgebildet und durch Aufteilung in helle und dunkle Bereiche 7,8 optisch strukturiert. Die Zielmarke kann jedoch auch als Durchlicht-Rasterscheibe ausgebildet sein, ohne dass wesentliche Merkmale des Verfahrens oder der Vorrichtung geändert werden müssten. Eine vorbestimmte Stelle der Zielmarke 1, welche von den hellen und dunklen Bereichen 7, 8 umgeben ist, ist als Zentrum 9 definiert. Die Zielmarke 1 wird von der optischen Achse 2 der Empfangsvorrichtung 3 im anvisierten Punkt 14 geschnitten. Über die geeignete Wahl des Rasters, welches z.B. als Radialraster oder auch als Mosaikraster ausgebildet sein kann, wird an späterer Stelle eingegangen. Ein Bild der zu verarbeitenden Zielmarke ist in dem Speicher 15 zu Vergleichszwecken als Referenzmarke abgespeichert. Die Speicherung kann über das optische Bild der Referenzmarke selbst oder über geeignet aufbereitete charakteristische Werte der Referenzmarke erfolgen. Es können auch Bilder bzw.

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charakteristische Werte von mehreren Zielmarken entsprechenden Referenzmarken abgespeichert sein.

Der Strahlungsdetektor 5 ist beispielsweise vom sogenannten Sektoren-Typ. Er ist in mehrere strahlungsempfindliche Detektionsbereiche 11 unterteilt, welche die strahlungsempfindliche Fläche ausmachen. Die Detektionsbereiche 11 sind in einer Detektionsebene 10 regelmässig, beispielsweise im Kreis oder matrixartig angeordnet.

Im bevorzugten Beispiel sind bei einem solchen Strahlungsdetektor 5 dessen strahlungsempfindliche Detektionsbereiche 11 als eine Matrix von Dioden auf einer Halbleiter-Unterlage ausgebildet. Eine solche Anordnung ist auch als diode-array bekannt. Über Elektrodenanschlüsse ist jede dieser strahlungsempfindlichen Dioden nach aussen geführt. Eine Basiselektrode ist allen Detektionsbereichen gemeinsam. Im bevorzugten Beispiel ist eine bestimmte Stelle der strahlungsempfindlichen Fläche des Strahlungsdetektors 5 als Zentrum 12 definiert, welches von den Detektionsbereichen 11 umgeben ist.

Bei der Bemessung des Objektivs 4 sind die Dimensionen der Zielmarke 1 und des Strahlungsdetektors 5 derart zu berücksichtigen, dass ein vom Objektiv 4 auf die Detektionsebene 10 projiziertes oder objektiviertes Bild der Zielmarke 1 die strahlungsempfindliche Fläche des Strahlungsdetektors 5 hinreichend überdeckt. Liegt das Zentrum 9 der Zielmarke neben der optischen Achse 2, ist es notwendig, dass das Bild der Zielmarke 1 in der Detektionsebene 10 die strahlungsempfindliche Fläche des Strahlungsdetektors 5 zu einem minimalen Prozentsatz, z.B. zu 20 Prozent, überdeckt, um Eindeutigkeit bei der Zielmarkenerkennung zu erreichen und damit eine genügende Präzision der Positionsbestimmung sicherzustellen.

Die Detektionsbereiche 11 sind über Leitungen 13 mit dem Rechner 6 verbunden, der aus den so zugeführten Signalen die Ablage des objektivierten Zentrums 9 der Zielmarke 1 in der Detektionsebene 10 vom Zentrum 12 der strahlungsempfindlichen Fläche des Strahlungsdetektors 5 berechnet. Daraus kann dann die Ablage des Zentrums 9 der Zielmarke 1 vom anvisierten Punkt 14 abgeleitet werden, an welchem die optische Achse 2 die Zielmarke 1 schneidet. Dabei prüft der Rechner die Korrelation zwischen der optischen Struktur der Zielmarke 1 bzw. ihres objektivierten Bildes in der Detektionsebene 10 des Strahlungsdetektors 5 und einem der optischen Struktur der Zielmarke entsprechenden, im Rechner 6 bzw. in dessen Speicher 15 gespeicherten Muster. Die optische Struktur des Bildes der Zielmarke wird dem Rechner durch die Signale der Vielzahl von Detektionsbereichen 11 des Strahlungsdetektors 5 geliefert. Am Ausgang 16 des Rechners 6 werden die Signale für eine Anzeigevorrichtung oder für die Speicherung bzw. Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt.

Die vom Rechner 6 durchgeführte Korrelation zur Ermittlung der gewünschten Winkelablage der Zielmarke bzw. des mit ihm verbundenen Objekts kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise wird die im Speicher 15 abgespeicherte Autokorrelationsfunktion des gespeicherten Musters mit der Korrelationsfunktion zwischen dem Muster und der Zielmarke verglichen. Aus dem Vergleichsergebnis wird dann die Ablage berechnet. Solche Korrelationsberechnungen sind grundsätzlich bekannt und müssen hier nicht weiter erläutert werden. Die Berechnung kann durch entsprechende Programmierung des Rechners 6 durchgeführt werden.

Beispielsweise kann der Rechner gemäss einer weiteren Ausführungsart die Kreuzkorrelation zwischen dem abgespeicherten Bild des Referenzmusters und dem Bild der Zielmarke bilden. Dem Maximum der so erhaltenen Werte, also

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dem empirisch ermittelten Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion, ist dann die gesuchte Winkelablage zugeordnet. Auch diese Berechnung kann durch entsprechende Programmierung des Rechners 6 geschehen.

Für die in Fig. 2 als Beispiel dargestellte Zielmarke l ist das Muster als zentrisch-symmetrisches Radialraster ausgebildet. Die abwechselnd hellen und dunklen Bereiche 7 und 8 sind um das Zentrum 9 als radiale Sektoren angeordnet, welche um definierte Zentriwinkel gegeneinander winkelversetzt sind. Der Vorteil einer solchen einfachen Anordnung liegt in seiner Massstabsinvarianz bei der Korrelationsrechnung im Rechner 6. Das bedeutet, dass die Abbildung der Zielmarke auf den Strahlungsdetektor 5 während des gesamten Messvorgangs mit konstantem Massstab erfolgen kann.

Gemäss einem zweiten, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zielmarke 1 als ein Mosaikraster ausgebildet. Im Beispiel ist die Verteilung der hellen und der dunklen Mosaikelemente 7 bzw. 8 um das Zentrum 9 der Zielmarke 1 stochastisch oder wenigstens pseudo-stochastisch. Damit ergibt sich eine besonders gute Sicherheit und Genauigkeit im Verlauf des Kreuzkorrelations-Vergleichs. Abweichend von der gezeigten Darstellung können die Mosaikelemente auch von unterschiedlicher Grösse sein. Die Auswertung des Zielmarkenbildes im Rechner erfolgt auf die gleiche Weise wie zuvor im Zusammenhang mit der Zielmarke nach Fig. 2 beschrieben. Eine derartige Zielmarke ist besonders dann von Vorteil, wenn die Distanzinformation zur Verfügung steht, da das gewählte pseudo-stochastische Muster nicht massstabsinvariant ist.

Gemäss einem weiteren in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist die Zielmarke 1 als Radialraster mit stochastischer oder pseu-dostochastischer Radialteilung ausgebildet. Die abwechselnd hellen und dunklen Bereiche 7,8 sind um das Zentrum 9 als radiale Sektoren angeordnet, deren Zentriwinkel stochastisch verteilte, nicht regelmässige Werte aufweisen. Das Radialraster nach Fig. 4 ist wie dasjenige gemäss Fig. 2 massstabsinvariant, so dass bei der Auswertung der Messung keine Korrektur entsprechend dem Abstand zwischen der Zielmarke und der Empfangsvorrichtung erforderlich ist.

Die Ausbildung der Zielmarke nach Fig. 4 weist gegenüber den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen einen zusätzlichen, erheblichen Vorteil auf. Wenn die Ebene der Zielmarke 1 schräg statt senkrecht zur optischen Achse liegt, wird durch eine einfache, an sich bekannte Ähnlichkeitstransformation im Rechner die Zielmarke rechnerisch 5 geradegerichtet. Durch eine solche Massstabstransformation in einer durch das Zentrum des Bildes der Zielmarke laufenden Achse wird auf einfache, aber sehr wirkungsvolle Weise eine präzise Winkelmessung auch dann ermöglicht, wenn die Zielmarke schief steht und sie an schwer oder gar io nicht mehr zugänglichen Objekten angebracht ist.

Gemäss einer bereits zuvor erwähnten vorteilhaften Ausgestaltung der beschriebenen Vorrichtung sind im Rechner 6 bzw. in einem diesem zugeordneten Speicher 15 mehrere Referenzmuster A, B, C,... abgespeichert, welche mehreren 15 alternativ verwendeten Zielmarkenmustern entsprechen. Durch einfaches programmiertes Umschalten im Rechner 6 von einem Referenzmuster auf das andere lassen sich mehrere im Sichtfeld der Empfangsvorrichtung 3 liegende Zielmarken verarbeiten, wobei die Vorrichtung in der Lage ist, 20 verschiedene Ziele einwandfrei zu unterscheiden, also zu identifizieren. Die auf eine dieser Zielmarken orientierte Richtungsbestimmung wird durch die anderen sich ebenfalls im Sichtfeld der Empfangsvorrichtung befindlichen Zielmarken während des Vergleichs mit der aus dem Speicher 15 25 ausgesuchten Referenzmarke nicht gestört. Durch die im Rechner vorgenommene Zuordnung zwischen Referenz-und Zielmarke sind die erhaltenen Messungen eindeutig.

Nicht massstabsinvariante Zielmarken, z.B. mosaikartig gegliederte Zieltafeln ähnlich dem in Fig. 3 gezeigten Aus-30 führungsbeispiel, erlauben durch geeignete Wahl der Musterverteilung die Anbringung eines dem Grundmuster überlagerten Feincodes. Dieser Feincode kann von der Empfangsvorrichtung zusätzlich ausgewertet werden. Er enthält im Beispiel Zusatzinformationen über seine relative geome-35 trische Position innerhalb der Zielmarke. Der Feincode kann als Strichcode jeweils auf den dunklen Bereichen 8 gemäss Fig. 3 angebracht sein, so dass diese Bereiche ebenfalls gerastert sind. Dadurch wird einerseits die Eindeutigkeit für die Erkennung der Zielmarke für kurze Distanzen verbessert 40 und andererseits für grössere Distanzen die Erkennung durch unterschiedliche Grauschattierung erleichtert, die durch den Feincode hervorgerufen wird.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Messen der Winkelablage eines Objektes mit Hilfe von objektbezogenen und als optisch strukturierte Rasterscheiben ausgebildeten Zielmarken durch digitale fotoelektrische Auswertung eines Bildes der Zielmarke und Vergleich so erhaltener Informationswerte mit einer der Zielmarke entsprechenden Referenzmarke, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem definierten Zentrum (9) versehene Zielmarke innerhalb einer Empfangsvorrichtung (3) als Zielmarkenbild unmittelbar auf die als Bildebene dienende Detektionsebene (10) eines positionsempfindlichen, in Detektionsbereiche (11) unterteilten fotoelektrischen Detektors (5) abgebildet wird, dass die so erhaltenen Werte einem Korrelationsvergleich mit der Referenzmarke oder mit gespeicherten Werten unterzogen werden, welche für die Referenzmarke charakteristisch sind, und dass aus dem Vergleichsergebnis die Ablage des Zentrums der Zielmarke von der optischen Achse der Empfangsvorrichtung (3) berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreuzkorrelationsvergleich durchgeführt wird, dass das Maximum der Kreuzkorrelation bestimmt wird und dass daraus die gesuchte Winkelablage des Zentrums (9) der Zielmarke von der optischen Achse (2) der Empfangsvorrichtung (3) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren im Gesichtsfeld der Empfangsvorrichtung liegenden Zielmarkenbildern ein Korrelationsvergleich mit einem gespeicherten Vorrat an Referenzbildern bzw. deren charakteristischen Werten vorgenommen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Empfangsvorrichtung (3) mit ihrer optischen Achse (2) ein ebener, mit Detektionsbereichen (11) versehener Strahlungsdetektor (5) fest angeordnet ist, wobei sein Zentrum (12) auf der optischen Achse (2) liegt, dass die Detektionsbereiche (11) über Verbindungsleitungen (13) mit dem Eingang eines Korrelationsrechners (6) in Verbindung stehen und dass an den Korrelationsrechner ein Speicher (15) angeschlossen ist, in welchem der zu vermessenden Zielmarke (1) entsprechende Referenzmarken bzw. charakteristische Werte solcher Referenzmarken abgespeichert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielmarke (1) als Radialraster mit Kreissektoren aus abwechselnd hellen und dunklen Bereichen (7, 8) ausgebildet ist, welche im gemeinsamen Zentrum (9) zusammenlaufen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriwinkel benachbarter Bereiche (7,8) stochastisch gewählte unterschiedliche Werte aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriwinkel benachbarter Bereiche (7, 8) pseudo-stochastisch gewählte Werte aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielmarke ( 1 ) als Mosaikraster mit hellen und dunklen Bereichen (7,8) ausgebildet ist, welche um ein definiertes Zentrum (9) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mosaikraster gemäss einer stochastischen Verteilung der hellen und dunklen Bereiche (7,8) um das Zentrum (9) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mosaikraster gemäss einer pseudo-stocha-stischen Verteilung der hellen und dunklen Bereiche (7,8) um das Zentrum (9) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Teile der Bereiche (8) auf der Zielmarke (1) entsprechend einem eine Zusatzinformation enthaltenden Feincode ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzinformation ein auf den relativen geometrischen Ort innerhalb der Zielmarke bezogener Feincode auf ausgewählten Bereichen (8) der Zielmarke (1) angebracht ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Feincode auf den dunklen Bereichen (8) der Zielmarke (1) derart angebracht ist, dass die dunklen Bereiche durch helle Feincode-Raster unterbrochen sind oder umgekehrt.