DE19906771A1 - Meßvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen eines Profils einer Fahrbahn o. ä., mit einer LASER-Lichtquelle und einem Lichtsensor (11), der an einem Träger (10) angeordnet ist, welcher auf einem Fahrwerk (1) befestigt ist. Der Lichtsensor (11) ermittelt durch Aufnahme des LASER-Lichtstrahls an verschiedenen Orten den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Lichtstrahl. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die bei geringen Herstellungskosten das Vermessen von Oberflächen mit großen Höhenschwankungen ermöglicht. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Lichtsensor (11) Aufnahmemittel umfaßt, die ein vertikales Abwandern des Lichtstrahls aus der Mitte des Lichtsensors (11) erfassen, und daß der Lichtsensor (11) an dem Träger (10) mittels eines Hubantriebs (14) vertikal verschiebbar angeordnet ist, wobei eine Steuereinheit (5) den Hubantrieb (14) beim vertikalen Abwandern des Lichtstrahls aktiviert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen des Profils einer Oberfläche, insbesondere einer Fahrbahn oder Rollbahn, mit einer Licht­ quelle zum Abstrahlen eines wenig streuenden Lichtstrahls, insbesondere eines LASER-Lichtstrahls, und einem Lichtsensor, der an einem Träger angeordnet ist, welcher auf einem auf der Oberfläche verfahrbaren Fahrwerk befestigt ist, wobei der Lichtsensor durch Aufnahme des Lichtstrahls an verschiedenen Orten der Oberfläche den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Lichtstrahl ermittelt.

Mehrere verschiedene Systeme zur Vermessung des Profils einer Oberfläche, insbesondere einer Fahrbahn, sind bekannt. Sie arbeiten beispielsweise mit LASER-Abtastsystemen, die mit einer sehr hohen Genauigkeit den Oberflä­ chenverlauf abtasten. Diese Systeme erlauben die Ermittlung des Oberflä­ chenverlaufs relativ zum auf der Fahrbahn positionierten Träger des Meßsy­ stems. Eine absolute Oberflächenvermessung ist nicht möglich, da die Meßsysteme grundsätzlich nur den Oberflächenabstand in bezug auf den Träger der Meßsysteme ermitteln und die vertikale Position dieses Trägers selbst nicht berücksichtigen.

Die japanische Patentanmeldung JP 8054232 (Anmeldenummer 06188078) offenbart ein Oberflächenmeßsystem der eingangs genannten Art, bei dem ein Lichtsensor auf einem vertikalen Träger angeordnet ist. Der Träger befindet sich auf einem Fahrwerk und wird von einem Traktor über eine zu vermessende Oberfläche gezogen. Ein in horizontaler Richtung abgestrahlter LASER-Strahl bildet einen Punkt auf dem Lichtsensor ab, wobei die Lage des Punktes auf dem Lichtsensor den Abstand zwischen dem LASER-Strahl und dem Kontaktbereich des Fahrwerks mit der Oberfläche wiedergibt. Die absolute Höhe des LASER-Strahls (z. B. in Bezug auf Normal-Null) kann einfach ermittelt oder festgelegt werden, so daß an jedem Meßpunkt der absolute Höhenwert der Oberfläche ermittelt werden kann.

Dieses Meßgerät vereinfacht die Vermessung von Oberflächen mit relativ großen absoluten Unebenheiten erheblich. Der LASER-Strahl kann mittels einer Justiervorrichtung, beispielsweise einer Wasserwaage, waagerecht in einer vorgegebenen Höhe ausgerichtet werden, so daß entlang des LASER- Strahls ein Profilverlauf vermessen werden kann.

Die Leistungsfähigkeit des in der genannten Patentanmeldung offenbarten Systems ist jedoch durch die Größe des Lichtsensors begrenzt. Bei einem Abwandern des LASER-Strahls aus dem Meßbereich des Lichtsensor sind keine sinnvollen Meßergebnisse möglich. Eine zu große Abweichung der Höhe der Oberfläche von einem Mittelwert (Mitte des Lichtsensors) kann somit nicht erfaßt werden. Hieraus folgt, daß für sinnvolle Meßgeräte ein Lichtsensor mit recht großer vertikaler Erstreckung vorgesehen werden muß. Zur Vergrößerung des Meßbereiches ist eine kostenintensive Vergrö­ ßerung der vertikalen Erstreckung des Lichtsensors notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei geringen Herstellungskosten das Vermessen von Oberflächen mit großen Höhenschwankungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtsensor Aufnahmemittel umfaßt, die ein vertikales Abwandern des Lichtstrahls aus der Mitte des Lichtsensors erfassen, und daß der Lichtsensor an dem Träger mittels eines Hubantriebs vertikal verschiebbar angeordnet ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, der das Signal des Lichtsensors zugeführt wird und die den Hubantrieb im Falle eines vertikalen Abwanderns des Licht­ strahls aus der Mitte des Lichtsensors aktiviert.

Anstelle des aufwendigen und kostenintensiven Verlängern des vertikalen Meßbereichs des Lichtsensors wird gemäß der Erfindung der Lichtsensor auf einem vertikal verfahrbaren Schlitten angeordnet, der über einen Hubantrieb verschiebbar ist. Eine Steuereinheit bewirkt das Verschieben des Lichtsen­ sors, sobald ein vertikales Abwandern des Lichtstrahls aus der Mitte Lichtsensors erfaßt wird. Der Hubantrieb wird in die erforderliche Betäti­ gungsrichtung (Heben oder Senken) betätigt, möglichst bis der Lichtstrahl wieder auf die Mitte des Lichtsensors trifft. Der Abstand zwischen dem Lichtpunkt auf dem Lichtsensor und dem Fahrwerk wird während der Betätigung des Hubantriebes fortwährend ermittelt und kann abgespeichert werden. Mit einem relativ kleinen und kostengünstigen Lichtsensor lassen sich so sehr große Höhenschwankungen des Oberflächenprofils (in der Größenordnung von 1 m) erfassen, wobei die Meßgenauigkeit im Millime­ terbereich liegt.

Theoretisch sind drei diskrete, im Abstand von einigen mm zueinander angeordnete Lichtsensoren wie z. B. Phototransistoren erforderlich. Fällt das Licht des LASER-Strahls auf den mittleren Phototransistor, so ist der Sollabstand zwischen dem Fahrwerk und dem Lichtsensor erreicht, und der Meßwert wird abgespeichert. Fällt der Lichtpunkt des LASERs auf den oberen Phototransistor, hebt der Hubantrieb den Lichtsensor an, bis der Lichtpunkt auf den mittleren Sensor fällt. Fällt der Lichtpunkt auf den unteren Phototransistor, wird der Lichtsensor entsprechend abgesenkt.

Es wäre zwar möglich, die Höhenwerte beispielsweise über Funk- oder Infrarot-Datenübertragung zu einem zentralen Meß-Computer zu übertragen. Vorzugsweise umfaßt die Steuereinheit der erfindungsgemäßen Meßvorrich­ tung jedoch einen Datenspeicher, in dem die vertikalen Positionen des Lichtsensors, bzw. eines den Lichtsensor tragenden Schlittens, erfaßt werden.

Neben der Entwicklung eines möglichst kostengünstigen Systems für die Erfassung recht großer Höhenänderungen einer Oberfläche ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die möglichst autark und selbständig die Vermessung eines Oberflächenprofils durchführt.

Diese weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem Fahrwerk ein Fahrantrieb zum Bewegen des Fahrwerks in seiner Längsrich­ tung angeordnet ist.

Der Fahrantrieb kann so programmiert werden, daß er bei der Auslösung eines Meßvorgangs durch die Steuereinheit aktiviert wird und nach dem Abfahren einer vorgegebenen Meßstrecke (Soll-Fahrstrecke) deaktiviert wird. Auf diese Weise ist es möglich, daß eine einzige Person die erfin­ dungsgemäße Meßvorrichtung bedient. Zunächst muß der LASER in einer bestimmten mittleren Höhe in bezug auf die Oberfläche, vorzugsweise horizontal, justiert werden. Es ist aber auch beim Vermessen geneigter Oberflächen ein schräger Verlauf des LASER-Strahls möglich. In diesem Fall muß der Neigungswinkel notiert werden, damit der Oberflächenverlauf in absoluten Werten aufgezeichnet wird. Nach dem Justieren des LASER- Strahls wird das Fahrwerk an den Beginn der Meßstrecke gesetzt und die Länge der Meßstrecke durch eine geeignete Eingabevorrichtung (z. B. Tastatur eines Personal-Computers, der über eine Daten-Schnittstelle mit der Steuereinheit der Meßvorrichtung verbunden ist) eingegeben. Nach dem Eingeben der Meßparameter ist im Falle einer Kabel-Verbindung zwischen Steuereinheit und dem Meß-Computer diese Verbindung zu trennen und der Beginn des Meßvorgangs auszulösen (z. B. durch Betätigung eines Tast- Schalters).

Während des Abfahrens der Meßstrecke ist es sinnvoll, automatisch beim Abspeichern der Höhenwerte die zugeordneten jeweiligen Fahrstrecken- Werte abzuspeichern, so daß das Oberflächenprofil (Abstand der Oberfläche zum LASER-Strahl, jeweils dem Wert des Meßortes zugeordnet) abgespei­ chert wird. Hierfür muß ein Wegerfassungsmittel dem Fahrantrieb zugeord­ net sein, welches Signale an die Steuereinheit leitet, die die Länge der Fahrstrecke repräsentieren. Im einfachsten Fall wird als Fahrantrieb ein Schrittmotor verwendet, dessen Umdrehungswinkel in Abhängigkeit von den Antriebsimpulsen genau definiert ist. Die Steuereinheit speichert einfach die Anzahl der an den Schrittmotor weitergeleiteten Antriebsimpulse ab und berechnet hieraus die gefahrene Wegstrecke. Entspricht der Wert der Fahrstrecke der vorgegebenen Soll-Fahrstrecke, wird durch die Steuereinheit der Meßvorgang beendet.

Auf die gleiche Weise kann auch der Verfahrweg des Schlittens mit dem Lichtsensor erfaßt werden. Über einen Bewegungsantrieb (Kettenantrieb oder Riemenantrieb) wird der Schlitten mit dem Lichtsensor, der auf einer Führungsschiene des Trägers vertikal verschiebbar geführt ist, angehoben oder abgesenkt: Die Antriebsimpulse für den ebenfalls als Schrittmotor ausgebildeten Hubantrieb sowie die Drehrichtung des Schrittmotors werden registriert, so daß allein durch die Ansteuerung des Hubantriebs die Be­ stimmung der jeweiligen Höhe des Schlittens mit dem Lichtsensor möglich ist.

Die Verwendung von Schrittmotoren ist jedoch nicht die einzige Antriebsva­ riante sondern nur eine bevorzugte Ausführungsform. Es können beliebige mechanische Antriebe verwendet werden, wobei auch zur Ermittlung der durch diese Antriebe verursachten Bewegungen beliebige Meßelemente verwendet werden können. Beispielsweise können Inkremental-Meßlineale zur Ermittlung der Längsverschiebung des Schlittens mit dem Lichtsensor verwendet werden. Inkremental-Winkelschablonen können zur Ermittlung der Umdrehungen der Räder des Fahrwerks oder der Antriebswelle des Fahrantriebs verwendet werden.

Die Fahrtrichtung während der Messung kann durch eine Linearführung des Fahrwerks, beispielsweise an einer langen, geraden Stange, vorgegeben werden. Diese Lösung ist allerdings aufwendig, da die Stange genau parallel zu dem LASER-Strahl ausgerichtet werden muß. Vorzugsweise definiert die Richtung des LASER-Strahls selbst die Fahrrichtung des Fahrwerks. Damit die Richtung des Fahrwerks eingehalten werden kann, sollte auf dem Fahrwerk ein Lenkantrieb vorgesehen werden, der dem Lenken des Fahr­ werks in Querrichtung dient. Das Fahrwerk kann in diesem Fall in her­ kömmlicher Weise vier Räder an zwei Achsen umfassen, von denen eine Achse starr und die andere Achse (insbesondere Vorderachse) über ein Lenkgestänge durch paralleles Verschwenken der beiden Räder dieser Achse lenkbar ausgebildet ist. Zum automatischen Lenken des Fahrwerks muß der Lichtsensor Aufnahmemittel umfassen, die ein seitliches Abwandern des Lichtstrahls aus der Mitte des Lichtsensors erfassen. Im Falle dieses Ab­ wanderns gibt die Steuereinheit ein Lenksignal an den Lenkantrieb, welcher ein Gegensteuern bewirkt, bis der Lichtstrahl wieder auf die Mitte des Lichtsensors trifft. Eine Erfassung der Bewegungsdaten des Lenkantriebs ist in der Regel nicht notwendig, da durch die Lenkung eine nahezu geradlinige Verschiebung des Fahrwerks entlang des LASER-Strahls bewirkt wird.

Wie bereits erwähnt, kann der Lichtsensor aus mehreren Phototransistoren auf einer Sensorplatte gebildet werden, die vertikal verschiebbar auf einem Schlitten befestigt ist, der auf einer Linearführung des Trägers des Fahr­ werks geführt ist.

Zur Erfassung des Abwanderns des Lichtpunkts in vertikaler Richtung sollte oberhalb und unterhalb eines zentralen Phototransistors jeweils ein weiterer Phototransistor angeordnet sein.

Zur Erfassung des seitlichen Abwanderns des Lichtpunktes auf der Sensor­ platte sollten links und rechts des zentralen Transistors zusätzliche Pho­ totransistoren angeordnet sein, so daß die Gesamtheit der Haupt- Lichtsensoren die Form eines Kreuzes mit fünf Transistoren, nämlich einem auf dem Kreuzungspunkt und vier jeweils an den Enden der zwei Balken des Kreuzes, einnimmt. Damit auch gleichzeitige Abwanderungen in vertikaler und horizontaler Richtung, das heißt ein diagonales Abwandern, des Licht­ punktes erfaßt werden können, sollte auch diagonal (seitlich oberhalb und unterhalb) des zentralen Phototransistors jeweils ein zusätzlicher Phototran­ sistor angeordnet sein, so daß eine quadratische Matrix aus drei Reihen und drei Spalten entsteht, die in jedem ihrer Felder einen Phototransistor aufweist.

Die Meßgenauigkeit der Meßvorrichtung hängt von der Größe der Pho­ totransistoren und dem Abstand der Phototransistoren zueinander ab. Weiterhin wird sie von der Streuung des Lichtstrahls beeinflußt. Je geringer die Streuung des Lichtstrahls ist, desto genauer läßt sich die Position des Lichtstrahls und die Abwanderung des Lichtstrahls aus der Mitte des Lichtsensors erfassen und korrigieren. Der Abstand zwischen den Phototran­ sistoren sollte geringer sein als der Durchmesser des auf die Sensorplatte auftreffenden Lichtstrahls. Dies kann teilweise bei einem geringen Abstand zwischen der Sensorplatte und der Lichtquelle nicht gewährleistet werden, so daß möglicherweise weitere Phototransistoren am Ende der horizontalen oder vertikalen Reihen in der Mitte zwischen zwei benachbarten Reihen angeordnet werden müssen.

Etwas aufwendiger, aber gleichzeitig zuverlässiger ist die Verwendung eines CCD-Bildsensors als Lichtsensor. Da primär ein sehr starker Lichtpunkt durch den CCD-Bildsensor erfaßt werden soll, kann ein beliebiger, wenig empfindlicher Schwarz/Weiß-Sensor verwendet werden. Ein CCD-Bildsensor kann die Abwanderung um nur wenige mm zuverlässig erfassen und die entgegensteuernde Betätigung eines Antriebsmotors veranlassen. Nachteilig bei der Verwendung eines CCD-Bildsensors ist ein erhöhter Aufwand bei der Datenverarbeitung.

Da es bei der Vermessung von Oberflächen mit groben Unebenheiten gelegentlich zu einer Schrägstellung des Fahrwerks in bezug auf die hori­ zontale Ebene kommt, kann es erforderlich sein, den Träger für den Licht­ sensor mittels eines Gelenks schwenkbar an dem Fahrwerk zu befestigen. Dabei erstreckt sich der Träger mit einem Ende über das Gelenk hinaus, wobei an diesem Ende ein Gewicht befestigt ist, welches die vertikale Ausrichtung des Trägers bei einer Neigung des Fahrwerks bewirkt. So wird gewährleistet, daß der Träger bei der gesamten Messung in Richtung eines Erdradius ausgerichtet ist. Die Meßfehler durch eine Schrägstellung des Trägers können somit wirksam vermieden werden.

Wie eingangs erwähnt, muß am Anfang der Messung die Lichtquelle in definierter Position festgelegt werden, wobei der Lichtstrahl sich vorzugs­ weise in horizontaler Richtung erstreckt. Bei schrägem (geneigtem) Oberflä­ chenverlauf sollte der Lichtstrahl mit einem konstanten mittleren Abstand zur Oberfläche verlaufen. Hierbei ist der Neigungswinkel des Lichtstrahls zum Erdradius bzw. zur horizontalen Richtung aufzuzeichnen, damit der absolute Oberflächenverlauf ermittelt werden kann. Unter Ausnutzung der Schwerkraft ergeben sich zwei einfache Möglichkeiten zur Justierung des Lichtstrahls. Beispielsweise kann das Stativ für die Lichtquelle die Libelle einer Wasserwaage umfassen. So kann der Träger der Lichtquelle genau horizontal ausgerichtet werden. Gegebenenfalls kann die Lichtquelle ver­ schwenkbar an diesem ausrichtbaren Träger angeordnet sein, wobei eine Winkelanzeige die Schwenkposition der Lichtquelle wiedergibt, so daß die Lichtquelle um einen definierten Winkel zu dem Träger mit der Libelle verschwenkt werden kann.

Alternativ kann an dem Stativ ein Pendel befestigt werden, wobei der Träger der Lichtquelle eine Winkelskala umfaßt, die zur durch das Pendel vorgege­ benen vertikalen Richtung verstellt werden kann.

Die Erfindung und ihr Einsatzgebiet werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Hierin zeigen

Fig. 1 eine Rückansicht der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Meßvorrichtung aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Signalflußplan zwischen den datentechnisch miteinander gekoppelten Elementen der Meßvorrichtung,

Fig. 4 ein Flußdiagramm des Meßprogramms der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Meßvorgangs mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und

Fig. 6 eine Grafik mit repräsentativen Meßwerten.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Meßvorrichtung besteht aus einem Fahrwerk 1 mit vier Rädern 2, von denen zwei auf einer starren und zwei auf einer lenkbaren Achse angeordnet sind. Die zwei Räder 2 an der Hinter­ achse sind mit einem Schrittmotor 3 gekoppelt, der den Fahrantrieb bildet. Die beiden Räder 2 auf der Vorderachse sind über ein Lenkgestänge mit einem Schrittmotor 4 gekoppelt, der den Lenkantrieb bildet. Beide Motoren werden von einer zentralen Steuereinheit 5 angesteuert, welche den gesam­ ten Meßvorgang steuert und die Meßdaten auf einem Datenspeicher 6 (vgl. Fig. 3) abspeichert.

Auf dem Fahrwerk 1 ist ein Traggestell 7 befestigt, welches bei der darge­ stellten Ausführungsform der Erfindung aus zwei parallelen, dreieckigen Strebenrahmen besteht, die jeweils in den seitlichen Bereichen des Fahr­ werks 1 angeordnet sind. An der oberen Spitze 8 des Traggestells 7 ist eine Gelenkachse 9 angeordnet, an der ein Träger 10 für den Lichtsensor 11 verschwenkbar gehalten ist. Der Lichtsensor 11 befindet sich auf einem Schlitten 12, der vertikal verschiebbar an dem als Führungsschiene ausge­ bildeten Träger 10 gehalten ist. Eine Antriebskette 13 wird über an dem Träger 10 angeordnete Umlenk-Zahnräder zur Verschiebung des Schlittens 12 verwendet. Im unteren Bereich ist an dem Träger 10 der Hubantrieb 14 befestigt, der wiederum von einem Schrittmotor gebildet wird. Zusätzlich zum Hubantrieb 14 sind am unteren Ende des Trägers 10 Gewichte 15 angeordnet, die eine vertikale Lage des um die Gelenkachse 9 verschwenk­ baren Trägers 10 auch bei einer Neigung des Fahrwerks 1 um seine Quer­ achse gewährleisten. Falls eine vertikale Lage des Trägers 10 auch bei seitlichen Verschwenkungen um die Hochachse des Fahrwerks 1 gewünscht ist, sollte der Träger 10 über ein Kugelpfannen-Gelenk oder eine kardani­ sche Aufhängung an dem Fahrwerk 1 befestigt werden.

Auch der Hubantrieb 14 wird über die Steuereinheit 5, die im mittleren Bereich des Traggestells 7 angeordnet ist, angesteuert. Die Verbindung des Hubantriebs 14 mit der Steuereinheit 5 erfolgt über flexible Anschlußkabel. Auch der Lichtsensor 11 ist über flexible Anschlußkabel mit der Steuerein­ heit 5 verbunden.

An dem Fahrwerk 1 ist eine Schnittstelle 16, vorzugsweise eine genormte serielle Schnittstelle, zur Eingabe der Meßparameter wie z. B. der vorgege­ benen Meßstrecke und zur Ausgabe der Meßdaten vorgesehen.

Der Datenfluß zwischen den einzelnen Elementen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist der Fig. 3 zu entnehmen.

Die zentrale Steuereinheit 5 bildet den Kern der Anordnung. Sie wird von einer üblichen Steuerplatine mit Digital-Prozessor, Analog/Digital-Wandlern sowie digitalen Eingängen gebildet. Derartige Steuerplatinen sind für verschiedene Anwendungen als Standardprodukt im Handel erhältlich. Sie können für ihre Meßaufgabe in einer hohen Programmiersprache (z. B. Basic o. ä.) programmiert werden. Sie verfügen über einen Datenspeicher 6, vorzugsweise einen löschbaren Permanentspeicher (EEPROM) mit einer Kapazität von beispielsweise 8 Kilobyte. Diese Speicherkapazität reicht vollkommen zur Aufnahme mehrerer Profilverläufe aus. Weiterhin sind die Meßplatinen mit einer seriellen Schnittstelle 16 zum Anschluß an einen Personal Computer versehen. Die Energieversorgung erfolgt über einen auf dem Fahrwerk 1 (Fig. 1 und 2) der Meßvorrichtung angeordneten Energiespeicher (Batterie oder Akkumulator), der in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Alternativ kann über ein Anschlußkabel Energie zugeführt werden, wenn nur kurze Strecken zu vermessen sind.

Jeweils eine Schnittstelle der Steuereinheit 5 ist über eine Ansteuerkarte 17 mit jeweils einem Schrittmotor, nämlich für den Hubantrieb 14 des Schlit­ tens, für den Fahrantrieb 3 an der Hinterachse des Fahrwerks und für den Lenkantrieb 4 an der Vorderachse des Fahrwerks, verbunden. Die Ansteuer­ karten 17 und die Schrittmotoren 3, 4, 14 können weitgehend ähnliche Bauart aufweisen. Die Ansteuerung des Hubantriebs 14 und des Lenkantriebs 4 erfolgt aufgrund der Meßsignale des Lichtsensors 11.

Der Lichtsensor 11 umfaßt auf einer Sensorplatte 18, die die Vorderseite des Schlittens 12 (vgl. Fig. 1 und 2) bildet, dreizehn Phototransistoren 19-25. Die Schrittmotoren für den Hubantrieb 14 und für den Lenkantrieb 4 werden durch die Steuereinheit 5 jeweils so betätigt, daß der Lichtstrahl der Lichtquelle möglichst fortwährend auf den zentralen Phototransistor 19 trifft. Seitliche Abweichungen, die durch Betätigung des Lenkantriebs 4 ausgeglichen werden können, werden dadurch ermittelt, daß der Lichtstrahl auf einen der seitlichen Phototransistoren 22, 23 trifft. Höhenabweichungen, die durch die Betätigung des Hubantriebs 14 korrigiert werden, werden durch die oberen und unteren Phototransistoren 20, 21 ermittelt. Diagonal oberhalb und unterhalb des zentralen Phototransistors 19 sind weitere Phototransistoren angeordnet, von denen nur derjenige in der linken oberen Ecke mit einem Bezugszeichen 24 versehen ist. Diese Phototransistoren 24 dienen der Ermittlung eines diagonalen Abwanderns des Lichtstrahls, welche zur einer Betätigung der Schrittmotoren sowohl für den Lenkantrieb 4 als auch für den Hubantrieb 14 sorgt.

Weitere Sicherheits-Phototransistoren 25 (nur der oberste rechte ist mit Bezugszeichen versehen) dienen der Vermeidung eines Abwanderns des Lichtstrahls aus dem Meßbereich des Lichtsensors heraus. Insbesondere bei geringem Abstand zwischen der Sensorplatte 18 und der Lichtquelle kann aufgrund des kleinen Durchmessers des durch die Lichtquelle auf der Sensorplatte 18 erzeugten Lichtflecks ein derartiges Abwandern auftreten. Dies ist insbesondere in vertikaler Richtung zu befürchten. Aus diesem Grund sind die Sicherheits-Phototransistoren 25 jeweils mittig am Ende der Leerräumen zwischen den vertikalen Transistor-Spalten angeordnet.

Die Schrittmotor-Ansteuerkarte 17 für den Fahrantrieb 3 wird in Abhängig­ keit von dem Meßfortschritt über die Steuereinheit 5 angetrieben. Die Zahl der Antriebsimpulse an den Hubantrieb 14 und an den Fahrantrieb 3 wird in dem Datenspeicher 6 zur Ermittlung des zu vermessenden Profilverlaufs abgespeichert. Ein Taster 26, der manuell betätigbar ist, dient dem Auslösen des Meßvorgangs sowie der Datenübertragung am Ende der Meßwertauf­ nahme. Ein Lautsprecher 27 ist mit einem Tongenerator der Steuereinheit 5 verbunden und gibt Warnsignale für mögliche auftretende Fehler bei der Meßdatenerfassung aus.

Schließlich ist die Daten-Schnittstelle 16 zu erkennen, über die ein Meß- Computer angeschlossen werden kann, mit dem einerseits die Solldaten für die Messung eingegeben werden können (insbesondere Länge der Meßstrecke) und andererseits die Meßwerte nach Beendigung der Messung ausgelesen werden können.

In den Fig. 4 und 5 ist zum einen der Programmablauf eines Meßvor­ gangs und zum anderen eine schematische Darstellung des Meßvorgangs zu erkennen. Bei Beginn der Messung wird die Lichtquelle 28, insbesondere eine LASER-Lichtquelle, vorzugsweise so auf ihrem Stativ 29 ausgerichtet, daß der Lichtstrahl 30 horizontal verläuft.

Über die Daten-Schnittstelle 16 der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung wird die Länge der Meßstrecke vorgegeben. Wenn die Daten-Schnittstelle nicht zur berührungslosen Datenübertragung (Funk, Infrarot, o. ä.) ausgelegt ist, muß die Daten-Schnittstelle 16 nun von dem Anschlußkabel des Meß- Computers getrennt werden. Durch manuelles Signal (Betätigung des Tasters 26) wird die Messung ausgelöst. Dabei sollte sich das Fahrwerk 1 entweder im geringsten oder größten Abstand zur Lichtquelle 28 befinden.

Als erster Schritt (Fig. 4) erfolgt ein Initialisierungsvorgang. Dabei werden die Schrittmotoren für den Lenkantrieb 4 und den Hubantrieb 14 in eine vorgegebene Referenzposition, in der Regel eine Anschlagsposition der jeweiligen Schrittmotoren 4, 14, verfahren und von dort aus in die Ausgangs­ stellung. Die Ausgangsstellung des Lenkantriebs 4 ist die mittlere Stellung, in der das Fahrwerk 1 geradeaus fährt. Die Ausgangsstellung für den Hubantrieb 14 ist diejenige Stellung, in der der Lichtpunkt auf der zentralen Phototransistor 19 (vgl. Fig. 3) abgebildet ist. Nach der Initialisierung durchläuft das Meßprogramm eine Meßschleife, bis der durch das Fahrwerk 1 zurückgelegte Streckenwert der vorgegebenen Meßstrecke s(max) ent­ spricht. In der Meßschleife werden die Phototransistoren abgefragt und ihre Signale an die Steuereinheit 5 abgegeben. Ermittelt die Steuereinheit 5 eine Höhenabweichung, wird der Hubantrieb 14 aktiviert, bis der Lichtpunkt auf der Höhe des zentralen Phototransistors abgebildet ist. Aufgrund der Steuerimpulse an den Schrittmotor läßt sich die genaue Position des Schlit­ tens 12 mit dem Lichtsensor 11 ermitteln und der Höhenwert abspeichern. Zusammen mit dem Höhenwert ist der gefahrene Streckenwert abzuspei­ chern.

Anschließend wird durch die Steuereinheit 5 festgestellt, ob der Lichtpunkt in seitlicher Richtung abweicht. Ist dies der Fall, so wird eine Lenkbewe­ gung durch den Lenkantrieb ausgelöst. Bei der nachfolgenden Betätigung des Fahrantriebs 3 steuert das Fahrwerk 1 der seitlichen Auslenkung entgegen. Ist die Lenkbewegung nicht ausreichend groß, wird im nächsten Durchlauf der Meßschleife eine weitere Lenkbewegung initiiert. Der Lenkantrieb 4 kann nach einem vorgegebenen Regelalgorithmus betrieben werden, so daß unerwünschte Schwingungen des aus dem Lichtsensor 11 und dem Lenkan­ trieb 4 gebildeten Regelkreises weitgehend vermieden werden und eine möglichst schnelle Rückbewegung auf die vorgegebene Meßstrecke erreicht wird.

Nach dem Betätigen des Fahrantriebs 3 für einen vorgegebenen Streckenab­ schnitt wird überprüft, ob die gesamte gefahrene Strecke der vorgegebenen Meßstrecke s(max) entspricht. Ist dies noch nicht der Fall, wird die Regel­ schleife erneut durchlaufen. Anderenfalls wird der Fahrantrieb deaktiviert und durch manuelle Betätigung die Ausgabe der Meßdaten über die Daten­ schnittstelle zum Meß-Computer bewirkt.

Die Fig. 5 zeigt schematisch den Fortschritt des beschriebenen Meßvor­ gangs. Dabei wird an diskreten Positionen die Meßhöhe h1, h2 und h3 ermittelt. Zusammen mit den Meßhöhen h1, h2, h3 wird der Wert der gefah­ renen Meßstrecke s1, s2 und s3 abgespeichert. Je nach Anforderung an die Genauigkeit der Messung kann der Abstand zwischen den Meßpunkten s1, s2 und s3 verringert werden. Es ist nicht notwendig, daß der Abstand Δs zwischen zwei Meßpunkten in jedem Fall gleich groß ist. Wie bereits erwähnt, wird bei Erreichen der maximalen Meßstrecke s(max) der Fahran­ trieb deaktiviert und anschließend die Meßdaten ausgelesen.

Die über die Strecke S aufgetragene Höhenkurve einer Messung ist in Fig. 6 dargestellt.

Bezugszeichenliste

1

Fahrwerk

2

Rad

3

Schrittmotor, Fahrantrieb

4

Schrittmotor, Lenkantrieb

5

Steuereinheit

6

Datenspeicher

7

Traggestell

8

obere Spitze

9

Gelenkachse

10

Träger

11

Lichtsensor

12

Schlitten

13

Antriebskette

14

Hubantrieb, Schrittmotor

15

Gewichte

16

Schnittstelle

17

Schrittmotor-Ansteuerkarte

18

Sensorplatte

19-25

Phototransistoren

26

Taster

27

Lautsprecher

28

Lichtquelle

29

Stativ

30

Lichtstrahl

Claims (20)

1. Vorrichtung zum Vermessen des Profils einer Oberfläche, insbeson­ dere einer Fahrbahn oder Rollbahn, mit einer Lichtquelle (28) zum Ab­ strahlen eines wenig streuenden Lichtstrahls, insbesondere eines LASER- Lichtstrahls (30), und einem Lichtsensor (11), der an einem Träger (10) angeordnet ist, welcher auf einem auf der Oberfläche verfahrbaren Fahrwerk (1) befestigt ist, wobei der Lichtsensor (11) durch Aufnahme des Licht­ strahls (30) an verschiedenen Orten der Oberfläche den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Lichtstrahl (30) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (11) Aufnahmemittel umfaßt, die ein vertikales Abwan­ dern des Lichtstrahls aus der Mitte des Lichtsensors (11) erfassen, und daß der Lichtsensor (11) an dem Träger (10) mittels eines Hubantriebs (14) vertikal verschiebbar angeordnet ist, wobei eine Steuereinheit (5) vorgese­ hen ist, der das Signal des Lichtsensors (11) zugeführt wird und die den Hubantrieb (14) im Falle eines vertikalen Abwanderns des Lichtstrahls aus der Mitte des Lichtsensors (11) aktiviert.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) einen Datenspeicher (6) zum Abspeichern der vertikalen Positionen des Lichtsensors (11) umfaßt.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Fahrwerk (1) ein Fahrantrieb (3) zum Bewegen des Fahrwerks (1) in seiner Längsrichtung angeordnet ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrantrieb (3) durch die Steuereinheit (5) zu Beginn eines Meßvorgangs aktiviert und beim Erreichen einer vorgegebenen Soll-Fahrstrecke deakti­ viert wird.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fahrantrieb (3) ein Wegerfassungsmittel zugeordnet ist, welches an die Steuereinheit (5) Signale leitet, welche die Länge der Fahrstrecke repräsentieren, wobei die Steuereinheit (5) einen Datenspeicher (6) zum Abspeichern der Signale umfaßt.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Fahrwerk (1) ein Lenkmotor (4) zum Lenken des Fahrwerks in Querrichtung angeordnet ist.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (11) Aufnahmemittel umfaßt, die ein seitliches Abwandern des Lichtstrahls aus der Mitte des Lichtsensors (11) erfassen, wobei im Falle dieses Abwanderns die Steuereinheit (5) den Lenkantrieb (4) aktiviert, bis der Lichtstrahl auf die Mitte des Lichtsensors (11) trifft.

8. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (11) von mehreren Phototransistoren (19-25) auf einer Sensorplatte (18) gebildet wird.

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sensorplatte (18) oberhalb und unterhalb sowie seitlich eines zentralen Phototransistors (19) als Aufnahmemittel zum Erfassen des vertikalen oder seitlichen Abwanderns des Lichtstrahls zusätzliche Phototransistoren (20, 21, 22, 23) angeordnet sind.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sensorplatte (18) zum Erfassen eines diagonalen Abwanderns des Lichtstrahls seitlich oberhalb und seitlich unterhalb des zentralen Phototransistors (19) zusätzliche Phototransistoren (24) angeordnet sind.

11. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Phototransistoren (19-25) geringer ist als der Durchmesser des auf der Sensorplatte (18) auftreffenden Lichtstrahls bei kleinstem Meßabstand zwischen Lichtquelle und Lichtsensor (11).

12. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phototransistoren (19-25) in horizontalen oder vertikalen Reihen angeordnet sind, wobei am Ende der Reihen in der Mitte zwischen zwei Reihen ein Sicherheits-Phototransistor (25) angeordnet ist.

13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtsensor (11) von einem CCD-Bildsensor gebildet wird.

14. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Antriebe, nämlich Hubantrieb (14), Fahrantrieb (3) und Lenkantrieb (4), von einem Schrittmotor gebildet wird.

15. Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag und die Richtung der Umdrehungen eines Schrittmotors, die durch die Steuereinheit (5) veranlaßt werden, in dem Datenspeicher (6) der Steuereinheit (5) abgespeichert werden.

16. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) des Lichtsensors (11) mittels eines Gelenks schwenkbar an dem Fahrwerk (1) gehalten ist und sich mit einem Ende über das Gelenk hinaus erstreckt, wobei an diesem Ende ein Gewicht (15) befestigt ist, welches die vertikale Ausrichtung des Trägers (10) bei Neigung des Fahrwerks (1) zur horizontalen Ebene bewirkt.

17. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) eine Führungsschiene umfaßt, an der die Sensorplatte (18) des Lichtsensors (11) geführt ist und daß der Huban­ trieb (14) über ein flexibles Verbindungsglied, insbesondere eine Antriebs­ kette (13) oder einen Antriebsriemen, mit der Sensorplatte (18) gekoppelt ist.

18. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtquelle (28) auf einem Stativ (29) angeordnet und mit einer Justiervorrichtung zur Einstellung des Winkels des Lichtstrahls zur vertikalen Richtung versehen ist.

19. Meßvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiervorrichtung eine Libelle einer Wasserwaage umfaßt.

20. Meßvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiervorrichtung ein an dem Stativ (29) befestigtes Pendel und eine fest mit der Lichtquelle verbundene Winkelskala umfaßt.