CH680621A5

CH680621A5 - Measuring system for shaft or drainage channel condition - uses computer-controlled measuring head to scan inside surface of shaft or channel with monitor display

Info

Publication number: CH680621A5
Application number: CH2464/90A
Authority: CH
Inventors: Heinz Dr Aeschlimann; Bernhard Hauri
Original assignee: Leica Aarau Ag
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1990-07-25
Publication date: 1992-09-30

Description

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CH 680 621 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Messsystem umfassend Vorrichtungen zur Aufnahme und Dokumentation des Zustandes von Hohlräumen, z.B. Schächten oder Kammern von Kanalisationen.

Zu Bestandesaufnahme in vertikalen Schächten zum Einstieg in Kanalisationen wurde bisher Personal eingesetzt, welches unter schwierigen Bedingungen arbeitet und deshalb nur sehr lückenhafte Erhebungen durchführen konnte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Messsystem zur Aufnahme und Dokumentation des Zustandes von Hohlräumen, z.B. Schächten oder Kammern von Kanalisationen zu schaffen, welches es erlaubt, teilautomatisch und ferngesteuert bauliche Einzelheiten, wie Dimensionen, verwedete Norm-Formstücke, Zuleitungen, aber auch den baulichen Zustand, insbesondere Schäden zu erfassen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Messsystem der oben genannten Art durch einen Messkopf mit Mitteln zur Messung der relativen Lage von Punkten der Hohlraumoberfläche bezüglich des Messkopfes, durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage und Orientierung des Messkopfes in einem oberirdischen Bezugssystem, durch eine computergesteuerte Vorrichtung mit Mitteln zur Ausführung von Positionier- und Orientie-rungs-Vorgängen des Messkopfes und durch einen software-gesteuerten Computer zur Berechnung der Koordinaten von Punkten der Hohlraumoberfläche mit mindestens einem Bildschirm am Arbeitsplatz eines Beobachters für grafische und numerische Darstellungen der Resultate und von Informationen über den aktuellen Betriebszustand des Messsystems und damit einer Tastatur zur Steuerung der Computerfunktionen.

Bevorzugte Ausbildungen der Merkmale dieses Messsystems sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Die Erfindung wird nun anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Grobschema eines erfindungsgemässen Messsystems zur Aufnahme und Dokumentation des Zustandes von Hohlräumen von Kanalisationen;

Fig. 2 die Anordnung eines Messkopfes in einem System gemäss Fig. 1 ;

Fig. 3 ein Detailschema des Messkopfes gemäss Fig. 1 und

Fig. 4 ein Blockschema der Funktionseinheiten eines Messsystems gemäss Fig. 1.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst ein erfindungsge-mässes Messsystem einen Messkopf 1, weicher über ein Teleskopgestänge 2 mittels einer Absenkvorrichtung 3 in einen Kanalisationsschacht 4 senkrecht abgesenkt werden soll. Der Messkopf 1 besitzt Antriebsmotoren zur Steuerung seiner räumlichen Orientierung sowie einen Lichtstrahlprojektor und einen Kamerasensor. Damit kann, wie weiter unten genauer beschrieben wird, die relative Lage von Punkten 5 der Oberfläche 6 des Kanalisationsschachtes 4 bezüglich des Messkopfes 1 gemessen werden. Zur Bestimmung der Lage der Punkte 5 in einem oberirdischen Bezugssystem sind in der Absenkvorrichtung 3 Mittel zur Messung der Absenktiefe und ein Sensor 7 zum Anzielen und zur Richtungsmessung eines oberirdischen Orientierungspunktes vorhanden.

Zur Steuerung der Raumlage des Messkopfes 1, zur Anzeige und Speicherung seiner Messwerte und für weitere Aufgaben ist ein software-gesteu-erter Computer 8 vorgesehen. Der Computer 8 ist über eine Steuerleitung 9 und eine Messdatenleitung 10 mit dem Messkopf 1 verbunden. Er ist weiterhin mit einem Steuerknüppel 11 zur Steurung von Positionierfunktionen und mit einer Tastatur 12 zur Bedienung des Messsystems verbunden. Ferner ist ein über eine Leitung 13 mit dem Computer 8 verbundener Arbeitsbildschirm 14 zur Kontrolle der Software und zur Darstellung von grafischen Informationen vorhanden. Zur Orientierung des Sensors 7 ist ein weiterer, mit dem Sensor 7 verbundener Bildschirm 15 und zur Beobachtung der Schachtoberfläche 6 ein mit dem Messkopf 1 verbundener Bildschirm 16 vorgesehen. Die Bilder von den Bildschirmen 15 und 16 können über eine Leitung 17 im Computer 8 abgespeichert werden. Die Bilder der Schachtoberfläche 6 können auf dem Bildschirm 16 mittels eines Zoom-Objektives in einem wählbaren Abbildungsmassstab dargestellt und im Computer 8 abgespeichert werden.

In Fig. 2 ist der Messkopf 1 mit seinen Steuerelementen und Messgrössen genauer gezeigt. Die schon in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Elemente tragen in Fig. 2 wieder die gleichen Bezugszeichen. Der Sensor 7 für die oberirdische Orientierung besitzt eine Zieloptik 20, welche mit einer Abbiidungsoptik 21 für eine CCD-Empfängerfläche 22 des Messkopfes 1 um die Achse 23 des Teleskopgestänges 2 mitdreht und in die gleiche Horizontalrichtung weist wie die Abbiidungsoptik 21. Diese Horizontalrichtung n ist durch den Bogenpfeil 24 bezeichnet und auf einen zu Messbeginn eingestellten (nicht mitdargestellten) oberirdischen Orientierungspunkt bezogen. Der Messkopf 1 ist am Teleskopgestänge 2 um eine horizontale Kippachse 25 schwenkbar und auf einen, durch den Bogenpfeil 26 bezeichneten Vertikalwinkel a einstellbar.

Die Absenktiefe z des Messkopfes 1 wird zwischen dessen Kippachse 25 und der oberen Schachtöffnung mittels an sich bekannter Mittel gemessen, wie dies der Doppelpfeil 27 andeutet. Zur Messung der Distanz d zwischen Kippachse 25 und dem angezielten Punkt 5 der Schachtoberfläche 6 wird mittels eines Projektors 28 ein Lichtpunkt auf den Punkt 5 projiziert und auf dem Bildschirm 16 (Fig. 1) beobachtet. Aus dem Winkel zwischen der Achse des Projektors 28 und der Zielachse 29 der Abbiidungsoptik 21 und aus der Lage des Bildes des Punktes 5 auf der CCD-Empfängerfläche 22 wird mittels des Computers 8 in an sich bekannter Weise die Distanz d berechnet. Die Abbiidungsoptik 21 besitzt eine Fokussiereinrichtung, mit welcher das Bild auf der CCD-Empfängerfläche 22 durch den Benutzer des Messsystems vom Computer 8 her fokus-sierbar ist. Eine in Fig. 2 nicht gezeigte Lampe über5

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nimmt die Beleuchtung der auf dem Bildschirm 16 erscheinenden Zone der Schachtoberfläche 6.

Der Messkopf 1 hat also grundsätzlich zwei Aufgaben: Messen der Distanz d zur Schachtoberfläche 6 und des Neigungswinkels a der Distanz und Übertragen des Bildes einer interessierenden Zone der Schachtoberfläche 6 in einem wählbaren Massstab (Zoom-Objektiv) zum Arbeitsplatz des Benutzers.

Der Sensor 7 zur oberirdischen Orientierung ermöglicht anhand der (bekannten) Koordinaten der Schachtachse 23 die Berechnung der Koordinaten von Punkten 5 der Schachtoberfläche 6 aus den Messwerten Cl, z, a und d. Mit diesen Messwerten wird auch die aktuelle Brennweite des Zoom-Objektives 21 an den Computer 8 geliefert.

Die Vorrichtungen 11 und 12 zur Ausführung sämtlicher Positionierfunktionen (mittels elektrischer Antriebe und einer Hydraulik) erlauben dem Benutzer folgende Steuerungen: Positionieren des Sensors 7 zur oberirdischen Orientierung, Absenken und Heben des Messkopfes 1, Neigen des Messkopfes 1, Fokussieren des Bildes auf CCD-Empfängerfläche 22 und Änderung des Abbildungsmassstabes dieses Bildes (Zoomen). Mit Ausnahme der Fokussierung kann der Benutzer bei allen Positionierfunktionen einen numerisch von ihm selbst oder von der Software vorgebbaren Wert einstellen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das ganze Messsystem mit Hilfe von Computer-Software gesteuert, sowohl manuell durch den Benutzer, als auch automatisch in Funktion von primär zu definierenden Parametern. Alle Funktionen sind über die Tastatur 12 des Computers 8 zugänglich, einzelne auch über den Steuerknüppel 11.

Die Software ist in Module für folgende Funktionen gegliedert: Verwaltungssoftware für Wahl des Betriebsmodus, Verkehr zwischen den Modulen, Hilfe für den Benutzer bei Fehlern (Help-Funktio-nen), Steuern des Messkopfes 1, Erfassen der Messwerte, Bestimmung der Koordinaten von Einzelpunkten 5 und der Geometrie der Schachtoberfläche 6, Katalog der Norm-Formstücke, Kommunikation mit diesem Katalog, Bildschirmgrafik, Datenspeicherung, Datenbank, Speicherung von Bildern. Jedes Softwaremodul enthält Orientierungshilfen für den Benutzer über den aktuellen Stand des Ablaufes und über die mögliche Fortsetzung der Arbeit.

Fig. 3 zeigt ein Detailschema des Messkopfes 1 gemäss Fig. 1 und Fig. 2. Die zu jenen Figuren schon beschriebenen Elemente tragen wieder die bereits genannten Bezugszeichen. Die CCD-Empfängerfläche 22 (Fig. 2) ist in eine CCD-Kamera 30 mit der Zielachse 29 und der Abbiidungsoptik 21 eingebaut. Für die Brennweiteneinstellung der Abbiidungsoptik 21 ist ein Antriebsmotor 31 vorhanden und für deren Fokussierung ein Antriebsmotor 32. Ferner kann die Achse 33 des Lichtpunkt-Projek-tors 28 durch einen Antriebsmotor 34 gegen die Zielachse 29 in vertikaler Richtung geneigt werden, um das Bild des auf den Punkt 5 der Schachtwand 6 projizierten Lichtpunktes auf der CCD-Empfängerfläche 22 (Fig. 2) der Kamera 30 zu halten. Für die bereits erwähnte Beleuchtung der Interessierenden Zone der Schachtwand 6 ist eine Lampe 35 vorgesehen. Die vertikale Winkelstellung des Messkopfes 1 wird durch einen Antriebsmotor 36 eingestellt.

Im Blockschema der Fig. 4 sind die Funktonseinheiten eines Messsystems gemäss Fig. 1 mit ihren Verbindungsleitungen zusammengefasst. Der Messkopf 1 umfasst eine Einheit 40, welche den Antriebsmotor 36 für die vertikale Winkelstellung des Messkopfes 1 und einen Winkeicodierer hierfür vereinigt. Die Einstellgenauigkeit dieses Systems beträgt ±0,1 Grad. Der Messkopf 1 umfasst weiterhin eine Einheit 41 mit der CCD-Kamera 30 und deren Antriebsmotoren 32 und 31 für die Fokussierung und die Zoom-Einstellung. Die Einstellgenauigkeit der Schiebewege der hierzu erforderlichen optischen Elemente der Abbiidungsoptik 21 beträgt ± 0,1 mm. Der Lichtpunkt-Projektor 28 ist in an sich bekannter Weise als ein Laserpen ausgeführt, dessen Antriebsmotor 34 eine Winkel-Einstellgenauigkeit von ± 0,5 Grad erreicht. Schliesslich umfasst der Messkopf 1 noch die Lampe 35 für die Beleuchtung der Schachtwand 6.

Die Absenkvorrichtung 3 (Fig. 1) umfasst, wie Fig. 4 weiterhin zeigt, einen Antriebsmotor 42 für das Teleskopgestänge 2 mit einer Einstellgenauigkeit von ± 5 mm für den Messkopf 1. Sie umfasst weiterhin eine CCD-Kamera 43 für den Sensor 7 (Fig. 1) zum Anzielen und zur Richtungsmessung des oberirdischen Orientierungspunktes, sowie einen hierfür geeigneten Antriebsmotor mit Winkeicodierer 44, welche erlauben, die Horizontalrichtung des Sensors 7 zum Orientierungspunkt mit einer Genauigkeit von ± 0,1 Grad einzustellen. Im Computer 8 sind die Softwaremodule zur Unterstützung der oben beschriebenen Steuer- und Auswertefunktio-nen gespeichert: ein Softwaremodul 45 zur Auswertung der Bilder von den CCD-Kameras 30 und 43, ein Softwaremodul 46 zur Steuerung der Antriebsmotoren 44, 42, 40, 32, 31 und der Beleuchtung 35 mittels des Steuerknüppels 11, ein Softwaremodul 47 zur Steuerung des Laserpen 28 und von dessen Antrieb 34 zur Distanzmessung zur Schachtwand 6, und ein Softwaremodul 48 zur Datenspeicherung in einem Datenspeicher 49.

Dem Computer 8 ebenfalls zugeordnet sind der Arbeitsbildschirm 14, der zur Beobachtung der Schachtoberfläche 6 mit dem Messkopf 1 verbundene Bildschirm 16, welcher auch anstelle des mit dem Sensor 7 verbundenen Bildschirmes 15 (Fig. 1) verwendet wird und die Tastatur 12.

Über das beschriebene Ausführungsbeispiel hinaus umfasst die Erfindung noch weiter im Messkopf 1 montierbare Mittel zur Messung der relativen Lage von Punkten der Hohlraumoberfläche 6.

So kann die hierzu dienende Kamera 30 Mittel zur Aufnahme von Stereobildern der Hohlraumoberfläche 6 umfassen, welche eine indirekte Distanzmessung durch digitale Korrelation und Messung einer Funktion der Distanz ermöglichen. Als Zielkriterium zum Steuern des beschriebenen Laserprojektors 28 lässt sich die Bedingung verwenden, dass das Bild des Laserpunktes in eine eng begrenzte Zone im Zentrum der CCD-Empfängerfläche 22 fallen muss. Zur direkten Messung der genannten Di5

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stanz lassen sich Impulsdistanzmesser oder solche mit kontinuierlicher eiektrooptischer Polarisations-modulation für nicht kooperative Ziele verwenden, wobei der Messstrahl zur Lokalisierung des Bezugspunktes für die Distanz auf die Schachtoberfläche 6 zu fokussieren ist.

Die mit den Kameras 30, 43 aufgenommenen Videobilder des Schachtes können zusammen mit den zugehörigen Orientierungselementen im Speicher 49 gespeichert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Messsystem umfassend Vorrichtung zur Aufnahme und Dokumentation des Zustandes von Hohlräumen, z.B. Schächten oder Kammern (4) von Kanalisationen, gekennzeichnet durch einen Messkopf (1) mit Mitteln (28, 30, 40) zur Messung der relativen Lage von Punkten (5) der Hohlraumoberfläche (6) bezüglich des Messkopfes (1), durch eine Vorrichtung (42, 43, 44) zur Bestimmung der Lage und Orientierung des Messkopfes (1) in einem oberirdischen Bezugssystem, durch eine computergesteuerte Vorrichtung mit Mitteln (40, 42, 44) zur Ausführung von Positionier- und Orientierungs-Vorgängen des Messkopfes (1) und durch einen software-gesteuerten Computer (8) zur Berechnung der Koordinaten von Punkten (5) der Hohlraumoberfläche mit mindestens einem Bildschirm (14) am Arbeitsplatz eines Beobachters für grafische und numerische Darstellungen der Resultate und von Informationen über den aktuellen Betriebs-zustand des Messsystems und mit einer Tastatur (12) zur Steuerung der Computerfunktionen.

2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel des Messkopfes zur Messung der relativen Lage von Punkten der Hohlraumoberfläche (6) Mittel (28, 30, 34) zur Messung von Distanzen zur Hohlraumoberfläche (6) und (40) von Neigungswinkeln der Distanzen umfassen.

3. Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung von Distanzen zur Hohlraumoberfläche und von Neigungswinkeln der Distanzen eine Vorrichtung (28) zur Projektion eines Lichtpunktes auf einen zu messenden Punkt (5) der Holraumoberfläche (6) umfassen sowie eine richtbaren Sensor (30), welcher eine Anzielen des Lichtpunktes mit Hilfe des Bildschirmes (16) am Arbeitsplatz des Beobachters erlaubt.

4. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel des Messkopfes (1) zur Messung der relativen Lage von Punkten (5) der Hohlraumoberfläche (6) Mittel zur Aufnahme von Stereobildern der Hohlraumoberfläche umfassen.

5. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (1) Mittel (22, 30) umfasst zum Übertragen des Bildes einer interessierenden Zone der Hohlraumoberfläche (6) auf den Bildschirm (16) des software-gesteuerten Computers (8) sowie Mittel (35) zur Beleuchtung der interessierenden Zone.

6. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung der Orientierung des Messkopfes (1) in einem oberirdischen Bezugssystem Mittel (7) umfasst zum Anzielen eines oberirdischen Orientierungspunktes unter Verwendung des Bildschirmes (15) des software-gesteuerten Computers (8), ferner Mittel (44) zur Messung der Richtung nach dem eingestellten oberirdischen Orientierungspunkt (42) und der Absenktiefe des Messkopfes (1), sowie zum Lotrechtstellen einer Absenkvorrichtung (3) für den Messkopf.

7. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die computergesteuerte Vorrichtung Mittel (32) zum Fokussieren einer im Messkopf (1) vorhandenen Kamera (30) umfasst sowie Mittel (40, 42, 44, 46) zum Steuern der Bewegungen und zum Erfassen der Messwerte des Messkopfes (1).

8. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Software des Computers (8) Module (45, 47, 48) umfasst zum Steuern des Messkopfes, zum Erfassen der Messwerte, zur Berechnung von Einzelpunkten, zur Erstellung der geometrischen Grössen der Schachtoberfläche, zur Speicherung von Bildern und Daten, zur Darstellung von Bildschirmgrafik, zur Verwaltung eines Kataloges von Norm-Formstücken und zum Zugriff auf denselben, zur Wahl des Betriebsmodus, zum Verkehr zwischen den Softwaremodulen, zur Hilfe bei Bedienungsfehlern am Messsystem und zur Orientierung über den Stand des Ablaufes und über mögliche Fortsetzungen der Arbeit.

9. Messsystem nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (46, 31) zur Ausführung von Positionier- und Orientierungs-Vor-gängen des Messkopfes (1) eine Änderung des Abbildungsmassstabes von dessen Mitteln (30) zur Bildübertragung bewirken können, und dass die Mittel (30) des Messkopfes (1) zum Übertragen des Bildes einer interessierenden Zone der Hohlraumoberfläche (6) die Übertragung in einem wählbaren Massstab erlauben.

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