DE19733491A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zielsuche für geodätische Geräte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zielsuche für geodätische Geräte, insbesondere Tachymeter und Theodolite.

Es sind Trackingvorrichtungen zur Verfolgung eines als Ziel verwendeten Reflektors für geodätische Geräte, insbesondere für Tachymeter, bekannt, welche in der Lage sind, einen im Sehfeld des Fernrohres eines geodätischen Gerätes befindlichen Reflektor zu verfolgen. Eine Zielsuche außerhalb dieses Sehfeldes ist damit nur in sehr beschränktem Maße möglich. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in EP 465 584; JP 5-322 569 und DE 195 28 465 beschrieben.

Eine Vorrichtung zur Anzielung eines Tachymeters von einem Reflektorstandort aus ist durch die DD 1 56 029 bekannt. Durch Übertragung der entsprechenden Winkel vom Reflektorstandort aus über Funk an eine Basisstation, in welcher sich das Tachymeter befindet, und Einstellen der Komplementärwinkel am Tachymeter kann dann der Reflektor gefunden werden. Diese Vorrichtung ist jedoch technisch sehr aufwendig.

Andere Vorrichtungen benutzen vertikal oder horizontal aufgefächerte Laserimpulse, die von den geodätischen Geräten, z. B. Theodoliten, ausgesendet werden. Wird bei der Bewegung des Theodoliten um die Steh- oder Kippachse der an der Zielstation angeordnete Reflektor getroffen, wird durch eine im Fernrohr des Theodoliten angeordnete Fotodiode ein Signal erzeugt, mit Hilfe dessen dann der Antrieb des Fernrohrs gestoppt wird. Nachteilig ist dabei, daß die Drehgeschwindigkeit durch die Impulsfolgefrequenz begrenzt ist und daß das System auf alle sich im Sehfeld des Fernrohrs befindlichen Reflektoren reagiert, so z. B. auch auf Reflexfolien, Rückstrahler von Fahrzeugen oder ähnlichen Gegenständen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der "Zeitschrift für Vermessung, Photogrammetrie und Kulturtechnik", 1991, Heft 8, Seiten 427 bis 431 bekannt.

Weiterhin ist aus der DD 2 77 965 ein Anzielverfahren für Theodolite bekannt, bei welchem nach einer visuellen Anzielung der Zielstation mit dem Theodoliten die eigentliche Winkelmessung dadurch erfolgt, daß ein aktiver Zielstrahl von dem Theodoliten ausgesendet und von einem aktiven Empfänger am Zielstation empfangen wird. Bei Erkennen der genauen Anzielung wird die Drehung des Theodoliten gestoppt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zielsuche für geodätische Geräte zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik beseitigen und welche eine eindeutige Anzielung einer Zielstation unter mehreren Zielstationen mit hoher Genauigkeit ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 dargelegten Merkmale umfaßt.

Vorteilhaft ist es, wenn von der Empfängeranordnung 11 nach einem Treffer eine Meldung an das Meßgerät erfolgt, aufgrund der sich seine Drehrichtung ändert und nach einem zweiten Treffer die Drehung um die Stehachse beendet wird.

Es ist weiterhin vorteilhaft, nachdem das Meßgerät auf den so ermittelten Horizontalwinkel eingefahren ist, die Suche im Vertikalwinkel in gleicher Weise mit einem zweiten moduliertem Lichtstrahl auszuführen, der vom Meßgerät in der Fernrohrzielachse ausgesendet wird und in horizontaler und vertikaler Ausdehnung einen etwa gleichgroßen Suchwinkel umfaßt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Meßanordnung im Überblick

Fig. 2 Die Lichtquelle für die Suche im Horizontalwinkel

Fig. 3 Eine Empfängeranordnung für das erfindungsgemäße Verfahren

Fig. 4 Ein Winkel-Zeitdiagramm

Die Fig. 1 zeigt ein Meßgerät 1, z. B. ausgebildet als Tachymeter 1, das um eine Stehachse 2 drehbar ist. Das Fernrohr 3 ist um eine Kippachse 4 drehbar, wobei das Tachymeter 1 in an sich bekannter und daher nicht dargestellter Weise mit Teilkreisen zur Ablesung der Winkel an den Achsen 2 und 4 und motorischen Antrieben zur Einstellung der Winkel an diesen Achsen ausgerüstet ist. Das Fernrohr enthält weiterhin einen nicht näher dargestellten Streckenmesser, dessen Wirkungsweise aber für die erfindungsgemäße Einrichtung unerheblich ist. Auf das Tachymeter 1 ist eine Sendeeinheit 5 aufgesetzt, deren Aufbau in Fig. 2 näher beschrieben ist. Weiterhin ist am Tachymeter 1 oder an der Sendeeinheit 5 eine hier durch seine Antenne dargestellte Datenfunkeinheit 6 angeordnet.

Am Zielpunkt ist in bekannter Weise ein Reflektorstab 9 mit einem Reflektor 10 vorhanden, der von einem Meßgehilfen auf das Tachymeter ausgerichtet wird, um eine Messung von Winkel und Strecke vom Tachymeter 1 zum Reflektor 10 zu ermöglichen. Mit dem Reflektor 10 ist eine Empfängeranordnung 11 verbunden, deren Aufbau in Fig. 3 näher dargestellt ist. Weiterhin ist am Reflektorstab 9 eine Elektronikeinheit 12 mit einer wiederum durch seine Antenne dargestellten Datenfunkeinheit 13 vorhanden.

In Fig. 2 enthält die Sendeeinheit 5 eine Laserdiode 14, der ein Objektiv 15 sowie eine Zylinderlinse 16 nachgeordnet sind. Der Laser 14 strahlt vorzugsweise infrarotes Licht aus, das mit einer konstanten Frequenz amplitudenmoduliert ist. Das hier der Einfachheit halber als Einzellinse dargestellte Objektiv 15 bildet den Laser 14 genähert nach unendlich ab, es erzeugt somit einen Strahl mit geringem Öffnungswinkel, der in der nachfolgenden Zylinderlinse 16 in vertikaler Richtung aufgeweitet wird. Die Begrenzung des Lichtbündels 17 in der Sendeeinheit 5 ist zur Erläuterung mit angegeben. Das von der Zylinderlinse ausgesendete Lichtbündel 7 hat somit am Punkt einer Empfängeranordnung 11 einen im wesentlichen vertikalen Querschnitt 8. Der Öffnungswinkel in horizontaler Richtung 19 ist daher möglichst klein, während der Öffnungswinkel in vertikaler Richtung 18, der in der Höhe den Suchbereich begrenzt, möglichst groß gemacht wird. Die Sendeeinheit 5 wird so justiert, daß sie horizontal im wesentlichen in dieselbe Richtung strahlt, in die die Zielachse des Tachymeters 1 zeigt.

In Fig. 3 ist eine Empfängeranordnung 11 dargestellt. Einem Filter 20 ist ein Objektiv 21 sowie ein Empfänger 22 nachgeordnet. Das Filter 20 ist nur für einen Lichtwellenlängenbereich um die Sendewellenlänge des Lasers 14 durchlässig. Der Empfänger 22 ist in der Brennebene des Objektivs 21 angeordnet. Die Brennweite des Objektivs 21 wird nach bekannten optischen Gesetzen so gewählt, daß der Empfänger 22 nur Licht aus einem begrenzten Winkel 23 von mehreren Grad empfangen kann, der der Genauigkeit entspricht, mit der üblicherweise ein Reflektor 10 auf das Tachymeter 1 ausgerichtet werden kann. Dem Empfänger 22 ist eine nicht näher dargestellte Elektronikeinheit 12 nachgeordnet, die einen Verstärker enthält, dessen Bandbreite auf einen Bereich um die Modulationsfrequenz des Laser 14 begrenzt ist. Übersteigt das Signal eine Schwelle, so wird durch einen Hupton dem Meßgehilfen der Empfang signalisiert. Weiterhin wird der Empfang an die Datenfunkeinheit 13 weitergeleitet.

Das Verfahren läuft nun in folgender Weise ab: Der Meßgehilfe richtet den Reflektor 10 in horizontaler und vertikaler Richtung auf das Tachymeter 1 aus. Damit wird auch die mit dem Reflektor verbundene Empfängereinheit 11 so auf das Tachymeter 1 ausgerichtet, daß der Empfänger 22 Licht vom Laser 14 empfangen kann, wenn es in seine Richtung ausgesendet wird.

Auf Anforderung einer Zielsuche zu einem bestimmten Reflektor 11 wird vom Tachymeter 1 eine Datenfunkverbindung zur Datenfunkeinheit 13 an diesem Reflektor 10 aufgebaut. Sind mehrere Reflektoren im Einsatz, so wird bereits durch die Datenfunkaufnahme ein Reflektor, bzw. dessen Empfängereinheit 11 ausgewählt und nur diese eingeschaltet. Weitere Reflektoren sowie die an diesen angebrachten Empfängereinheiten können somit nicht versehentlich angezielt werden, da weder ihre Datenfunkverbindungen noch die Empfängereinheiten aktiv sind.

Die Empfängeranordnung 11 sendet über die Datenfunkeinheit 13 ihre Empfangsbereitschaft an das Tachymeter 1. Daraufhin beginnt sich das Tachymeter um die Stehachse 2 zu drehen. Gleichzeitig werden in festen Zeitabständen während der Drehung die jeweiligen Horizontalwinkelwerte gespeichert.

Wenn das Lichtbündel 7 der Sendereinheit 5 während der Drehung des Tachymeters 1 um die Stehachse 2 die Empfängereinheit 11 überstreicht, meldet sie über die Elektronikeinheit 12 und die Datenfunkeinheit 13, daß sie vom Lichtbündel der Sendeeinheit 5 getroffen worden ist. Gleichzeitig wird in einem nicht näher dargestellten Speicher der Elektronikeinheit 12 der Trefferzeitpunkt t₁ gemerkt. Das kann in an sich bekannter Weise mit einem Zeitgeberschaltkreis oder mit Hilfe des Rechnertakts geschehen. Das Tachymeter bremst nach Empfang der Meldung von der Empfängereinheit 11 seine Drehbewegung ab und beginnt eine Drehung in die entgegengesetzte Richtung.

Wenn das Lichtbündel 7 der Sendereinheit 5 zum zweiten Mal (zum Zeitpunkt t₂) den Empfänger trifft, erfolgt wiederum Rückmeldung an das Tachymeter 1. Dazu wird die Zeit, die in der Elektronikeinheit 12 zwischen beiden Treffern vergangen ist (t₂ - t₁), ebenfalls an das Tachymeter gemeldet.

Die Fig. 4 zeigt schematisch ein Winkel- Zeitdiagramm aus den während der Drehbewegung des Tachymeters 1 um die Stehachse 2 abgespeicherten Horizontalwinkelwerten. Der Zeitpunkt t₁ ist dem Tachymeter nicht direkt bekannt, da für die Datenfunkverbindung eine variable und nicht genau bekannte Zeitverzögerung aufgrund des Datenfunkprotokolls angenommen werden muß. Der Horizontalwinkel zu dem Zeitpunkt, zu dem das Tachymeter 1 die erste Treffermeldung empfängt, ist also nicht der Winkel, unter dem der Reflektor 10 mit der Empfängeranordnung 11 zu finden ist. Erst die mit dem zweiten Treffer übertragene Zeitdifferenz t₂ - t₁ ermöglicht eine eindeutige Zuordnung, da es nur ein Paar von Horizontalwinkeln im Zeitabstand t₂ - t₁ gibt, die im Rahmen einer von den Parametern des Meßsystems abhängigen Toleranz gleich sind. Auf diesen Horizontalwinkel 24 wird das Tachymeter 1 eingestellt.

Für die anschließende Suche im Vertikalwinkel wird der Laser 14 der Sendeeinheit 5 ausgeschaltet. Die Suche im Vertikalwinkel wird mit einem zweiten moduliertem Lichtstrahl 25 durchgeführt, der vom Fernrohr 3 des Tachymeters 1 in der Fernrohrzielachse mit einem in horizontaler und vertikaler Ausdehnung einen etwa gleichgroßen Suchwinkel 26 ausgesendet wird. Die Erzeugung eines Lichtbündels in der Fernrohrzielachse ist hier nicht näher dargestellt, da derartige Einrichtungen bekannt sind. Sie werden für bekannte Trackingvorrichtungen oder als Suchscheinwerfer im Tachymeterfernrohr verwendet. Der Öffnungswinkel 26 muß dabei so groß sein, daß die Empfängeranordnung 11 getroffen wird, wenn das Fernrohr 3 um die Kippachse 4 gedreht wird. Dazu sind weniger als ein Grad Öffnungswinkel ausreichend.

Die Suche im Vertikalwinkel erfolgt somit analog zu der im Horizontalwinkel, nur, daß diesmal das Tachymeterfernrohr im Vertikalwinkel verschwenkt wird, die Vertikalwinkelwerte gespeichert werden, und nachdem die Empfängeranordnung 11 zweimal vom Lichtbündel 25 aus dem Fernrohr 3 getroffen wurde, die Auswertung entsprechend Fig 4 erfolgt. Die Verschwenkung des Fernrohres 3 kann dabei auf den Bereich, der durch den Öffnungswinkel 18 der Sendereinheit 5 begrenzt ist, beschränkt werden, da nur in diesem Bereich die Horizontalwinkelsuche erfolgreich sein kann.

Nach der Auswertung kann das Fernrohr 3 auf den errechneten Vertikalwinkel verschwenkt werden, bis Dauersignal an der Empfängeranordnung 11 an liegt. Im weiteren wird das Fernrohr 3 geringfügig im Vertikalwinkel nach unten verstellt, bis anstelle der Empfängeranordnung 11 der unter ihr liegende Reflektor 10 in der Zielachse liegt. Die weitere Feinanzielung des Reflektors 10 kann in an sich bekannter Weise mit einem geeigneten Empfänger im Brennpunkt des Fernrohrs, z. B. einer CCD-Kamera erfolgen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Sendeeinheit 5 kann auch in das Fernrohr 3 integriert sein. Die hätte den Vorteil, daß die Suche nicht auf den durch den Öffnungswinkel 18 beschränkten Vertikalwinkelbereich begrenzt ist.

Wenn die Datenfunkeinheiten eine genügend schnelle Übertragung gewährleisten können, kann das Verfahren nach Fig. 4 vereinfacht werden. Die Drehgeschwindigkeit kann nach einer Treffermeldung bei Umkehrung der Drehrichtung so stark vermindert werden, daß das Tachymeter 3 direkt auf Dauersignal an der Empfängeranordnung 11 eingestellt werden kann.

Weiterhin kann der Horizontal- bzw. Vertikalwinkel, unter dem das Lichtbündel gerade ausgesendet wird, codiert auf das Lichtbündel aufmoduliert werden. In diesem Fall ist die Empfängeranordnung 11 eine Demodulationseinrichtung nachgeordnet, die es gestattet, den Winkel direkt zu bestimmen und über die Datenfunkeinheit 13 an das Tachymeter 1 zu senden.

Es ist weiterhin möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Absteckung zu nutzen. Dazu wird das Tachymeter 1 so um seine Stehachse 2 gedreht, daß das Lichtbündel 7 in die abzusteckende Richtung zeigt. Die Empfängeranordnung 11 wird über die Datenfunkeinheit 13 aktiviert. Der Meßgehilfe bewegt sich nun mit dem Reflektorstab 9 im Gelände, wobei die Empfängeranordnung 11 genähert auf das Tachymeter 1 ausgerichtet wird. Wenn die Empfängeranordnung 11 die Abstecklinie und damit das Lichtbündel 7 erreicht, wird durch die von Empfängeranordnung 11 ausgelösten Hupton dem Meßgehilfen das Erreichen der Abstecklinie signalisiert.

Es ist auch möglich, die Absteckung durchzuführen, indem der ausgewählte Reflektor 10 mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung angezielt und danach die Absteckdifferenz im Tachymeter 1 berechnet wird. Die Absteckdifferenz kann dann über die Datenfunkeinheit 13 an die Elektronikeinheit 12 gesendet und an einer Anzeige an der Elektronikeinheit 12 angezeigt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Zielsuche bei geodätischen Vermessungen,
2. - wobei mindestens ein durch ein Meßgerät erzeugtes, um die Stehachse des Meßgerätes periodisch hin- und hergeschwenktes oder umlaufendes, in senkrechter Ebene aufgefächertes, erstes Lichtbündel einer im Meßgerät angeordneten Lichtquelle mindestens einer in mindestens einer vom Meßgerät entfernt angeordneten Zielstation angeordneten Empfängeranordnung zugesandt und beim Auftreffen des Lichtbündels auf die Empfängeranordnung der mindestens einen Zielstation ein elektrisches Signal erzeugt wird, und
3. - daß diese in der Zielstation erzeugten elektrischen Signale oder die daraus ermittelte Zeitdifferenz durch eine in der Zielstation vorgesehene Sendeeinrichtung an das Meßgerät übermittelt werden,
4. - daß aus der Zeitdifferenz zweier, zeitlich hintereinander erzeugter, elektrischer Signale mit Hilfe von in konstanten Zeitintervallen gemessenen oder gespeicherten Winkeln der Horizontalwinkel zur jeweiligen angezielten Zielstation ermittelt wird,
5. - daß zur Ermittlung des Vertikalwinkels des Meßgerätes ein zweites moduliertes Lichtbündel in senkrechter Ebene um einen Winkel geschwenkt und in Richtung auf die Zielstation ausgesandt wird
6. - und daß beim Auftreffen des zweiten Lichtbündel auf die Empfängeranordnung der Zielstation ein weiteres elektrisches Signal erzeugt und an das Meßgerät gesandt und daraus im Meßgerät der Vertikalwinkel zur jeweiligen Zielstation bestimmt wird.