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Elektronisches Tachymeter
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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Tachymeter für die Koordinatenbestimmung
von Festpunkten, welches aus einem elektronischen Theodoliten und Entfernungsmesser
besteht sowie Unendlichfeintrieben zur Bewegung des Theodoliten in einem Horizontalkreis
und einem Vertikalkreis. Elektronische Tachymeter, die aus einem elektronischen
Theodolit und Entfernungsmesser bestehen, werden seit mehr als zehn Jahren im Vermessungswesen
für die Koordinatenbestimmung von Festpunkten eingesetzt. Die Automation des Meßverfahrens,
nach dem das elektronische Tachymeter arbeitet, ist soweit fortgeschritten, daß
von der Aufnahme der Meßwerte im Feld bis zur Dokumentation der Ergebnisse ein vollständiger
Datenfluß erzeugt werden kann.
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So gibt es beispielsweise ein Tachymeter, welches einen Theodoliten
beinhaltet, dessen Horizontal- und Vertikalkreise über Unendlichfeintriebe beliebig
eingestellt werden können. Der Entfernungsmesser dieses bekannten Tachymeters eignet
sich allerdings nur wenig für eine Automatisierung des Meßverfahrens. Diesen Anforderungen
entsprach demgegenüber ein anderes bekanntes Gerät, welches besonders leicht
und
klein ist und ohne größeren Aufwand mechanisch mit dem Theodoliten des bekannten
Tachymeters gekoppelt werden konnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Ausrichtung
des optischen Systems der bekannten Meßgeräte zu schaffen, welche gleichzeitig die
Eigenschaften zur automatisch arbeitenden Überwachung der Meßqeräte beinhaltet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß der Theodolit zur mechanischen Steuerung seiner Bewegungen Schrittmotore aufweist,
die mit dem Horizontal-und Vertikalfeintrieb gekoppelt sind und deren Drehbewegung
durch von einem Mikroprozessor gelieferte Impulse gesteuert wird.
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Ein solches Meßgerät mit einem automatisierten Meßprogramm läßt sich
vorteilhaft dort einsetzen, wo Beobachtungen des Verhaltens z. B. einer Böschung
über einen längeren Zeitraum erforderlich sind. Bei qroßflächigen Böschungen bietet
es sich an, für die Überwachung von einem standsicheren Beobachtungspunkt aus Abstandsänderungen
über eine große Entfernung hinweg zu beobachten. Solche Abstandsänderungen kann
man mit elektronischen Enfernungsmessern über Entfernungen von einigen Kilometern
mit hoher Genauiqkeit
nachweisen. Da die Beobachtungen, insbesondere
an Böschungen, wiederholt auszuführen sind, ist es vortteilhaft, wenn die Messungen
möglichst von einem automatisch gesteuerte System ausgeführt werden. Ein automatischer
Meß- und Auswertevorganq hat den Vorteil, daß bei evtl. gefährdeten Böschungen die
Zeitfolge der Messungsdurchgänqe beliebig kurz gewählt werden kann, und daß bei
einer engeren Zeitstaffelung eine qenauere Voraussaqe von Gefahrensituationen möglich
wird. An das Meßsystem kann ein automatisches Warnsystem angeschlossen werden; Veränderungendes
zeitlichen Ablaufs der Messungen können unabhängig von Personalkosten erfolgen.
Bei der Verbindung eines elektronische Entfernungsmessers mit einem elektronischen
Theodolit ist es möglich, die Optik des Entfernungsmessers in bezug zur Optik des
Theodoliten zu justieren, so daß man ein integriertes Meßsystem erhält.
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Üblicherweise werden Meßsysteme dieser Art nach Abfahren einer vorgegebenen
Bahn in eine Suchstellung gebracht. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann
die Bewequnq der Schrittmotore während des Suchvorganges nacheinaner zwei voneinander
unterschiedliche Bahnen aufweisen. Für einen derartigen Suchvorganq ist eine erste
schneckenförmige Bahn vorgesehen, mit deren Hilfe die Grobsuche eines vorgegebenen
Zieles erfolgen kann. An die schneckenförmige Bahn der Grobsuche schließt sich eine
zweite kreuzförige Bahn an,
welche für die Maximumpeilung vorgesehen
ist. Beide Schrittmotore sind an der ersten und zweiten Bahnsteuerung gleichermaßen
beteiligt und erhalten ihre elektrischen Impulse zur Umsetzung in Drehbewegungen
von dem Mikroprozessor. Der Vorteil dieser Bahnsteuerung besteht darin, daß der
Rechner zunächst einen schneckenförmiqen Grobsuchvorgang startet, den er, sobald
der Entfernungsmesser ein brauchbares Signal erhält, abbricht. Danach geht das Steuerungssystem
in eine kreuzförmige Bahnsteuerung über, die eine Mehrzahl von Horizontal- und Vertikalbewequngen
beinhaltet. Sobald von einem Meßpunkt der kreuzförige Bahn das Maximum des reflektierten
Siqnals ermittelt ist, erfolgt die Koordinatenbestimung.
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Sollte die Grobsuche innerhalt eines vorgegebenen Bereiches erfolgglos
geblieben sein, so sendet der Mikroprozessor eine entsprechene Fehlermeldung an
einen angeschlossenen Rechner. Bei erfolgreicher Suche kann der Rechner mit einem
weiteren Befehl einen nachfolgenden Enfernungsmeßvorgang anfordern.
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Ferner hat sich als vorteilhaft herausqestellt, daß die Bewegung der
Schrittmotoren unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweist. Mit dieser Maßnahme
können die zur Anpeilung von Meßpunkten erforderlichen Bewegungen des Systems zeitsparend
durchgeführt werden; hierbei steuert
der jeweils im Einsatz befindliche
Schrittmotor das System mit höherer Geschwindigkeit, solanqe der von dem Entfernungsmesser
in Richtung des Meßpunktes ausgesandte Zielstrahl noch weit vom Ziel entfernt ist.
Die Geschwindigkeit verringert sich, wenn sich der Zielstrahl dem Ziel nähert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßsystems in Form
eines Blockschaltbildes, Fig. 2 einen ersten Teil der Bahnsteuerung im Schema und
Fig. 3 einen zweiten Teil der Bahnsteuerung im Schema.
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Das erfindungsgemäße Meßsystem besteht aus einem Theodoliten 1, welcher
in einem Instrumentenkopf 2 beweglich gelagert ist. Mit dem Theodoliten 1 fest verbunden
ist ein elektronischer Entfernungsmesser 3. An dem Instrumentenkopf 2 greifen ein
bzw. zwei Schrittmotore 4 an, welche über Unendlichfeintriebe (nicht gezeigt) mit
dem Instrumentenkopf 2 verbunden sind. Daneben weist das System einen Prozeßrechner
5, einen Mikroprozessor 6 und außerdem noch ein Zwischenrelais 7 auf, welches zwischen
dem Theodoliten 1 bzw. dem Instrumentenkopf 2 und dem Eingang 8 des Rechners 5 geschaltet
ist. Der Rechner 5 weist einen weiteren Eingang 9 auf, welcher über eine Leitung
10 mit
dem Mikroprozessor 6 verbunden ist, so daß Signale in Richtung
der Pfeile 11 zwischen dem Rechner 5 und dem Mikroprozessor 6 übertragen werden
können. Daneben besteht eine Verbindung 12, die vom Mikroprozessor 6 zu den Schrittmotoren
4 einführt. Über eine Tastatur 13 kann von außen in das Programm des Mikroprozessors
6 eingegriffen werden.
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Ein Eingangsteil 14 gibt die Zeitdaten des Rechners 5 vor.
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Ein weiterer Eingangsteil 15 vermittelt dem Rechner 5 die äußeren
Einflüsse, beispielsweise des Wetters.
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Der Rechner 5 übernimmt im wesentlichen drei Aufgabe: - die Steuerung
des Meßsystems, - eine Datenverwaltung und Datenverarbeitung, - die Kontrolle des
Meßablaufs.
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Der Rechner 5 ist als Prozeßrechner ausqebildet. Dieser Begriff beinhaltet,
daß es sich dabei um einen freiprogrammierbaren Digitalrechner handelt, der unmittelbar
an einen Prozeß (hier Meßprozeß) angekoppelt ist und die Prozeßdaten in Echtzeit
(real-time) verarbeiten kann. Ein wichtiges Merkmal des Prozeßrechners 5 ist die
Möglichkeit
der Vorrangsunterbrechung, wodurch der Programmablauf
-beispielsweise aufqrund zurückliegender Datenauswertungen -in eine bestimmte Richtung
beeinflußt werden kann.
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Die mechanische Steuerung des Theodoliten 1 erfolqt über die Schrittmotore
4, die mit dem Horizontal- und dem Vertikalfein trieb des Theodoliten gekoppelt
sind. Die Achsen der Schrittmotore 4 drehen sich jeweils um einen kleinen Winkel
(einen Schritt) konstanter Größe, wenn ihnen von dem Mikroprozessor 6 über die Leitung
12 ein Steuerungsimpuls qeliefert wird. Das Vorzeichen des Impluses entscheidet
über die Drehrichtunq. Die Anzahl der Schritte wird von dem Rechner 5 über den Ausgang
9 und die Leitung 10 dem Mikroprozessor 6 vorgegeben.
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Der Rechner 5 benötigt für die Berechnung der Schrittzahl zum Anzielen
eines Meßpunktes den Horizontal- und Vertikalwinkel zwischen der Richtung zu diesem
Punkt und einer Anfangs-<Referenz-)Richtung. Diese Winkel werden für jeden automatisch
anzuzielenden Meßpunkt im Rahmen einer Null-Messung am Anfang des Meßproqramms von
Hand bestimmt und eingegeben. Für jede einzelne Zielung wird die Anzahl der Schritte
zunächst dem Mikroprozessor 6 mitgeteilt. Dieser steuert je nach Schrittzahl die
Motoren 4 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Solange die optische Achse des
Meßsystems noch weit von dem Ziel entfernt ist, steuert der Mikroprozessor 6 die
Motoren 4 mit höherer Geschwindigkeit.
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Dise Geschwindigkeit verringert sich abschnittsweise, je mehr die
optische Achse des Systems dem Ziel näher kommt.
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Die Maximumpeilung wird schließlich von dem vom Infrarot-Entfernungsmesser
ausgesandten Zielstrahl durchgeführt.
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Ist die von dem Rechner vorgegebene Anzahl von Schritten ausgeführt,
wird über den Eingang 8 und das Relais 7 der an dem Theodoliten 1 eingestellte Winkel
abgefragt und qgf.
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über den Ausgang, die Leitung 10, von dem Mikroprozessor 6 über die
Leitung 12 an dem Schrittmotor 4 eine Korrektur veranlaßt. Daraufhin startet der
Rechner 5 einen schneckenförmige Grobsuchvorgang wie er beispielsweise in der Fig.
2 schematisch dargestellt it. Hierbei wird der Instrumentenkopf 2 so bewegt, daß
die von dem Entfernungsmesser 3 ausgesandte Infrarotwelle eine Bewegung ausführt,
welche dem Schneckenmuster 16 der Fig. 2 entspricht. Von einem Zentrum 17 ausgehend,
bewegt sich die Welle in immer größeren Spiralen entlang der Bahn des Musters 16.
Erfährt die Welle im Verlauf dieser Bewegung eine Reflexion, so schaltet der Mikroprozessor
die Bewegungen der Schrittmotore 4 auf eine Bahn 18 um, welche dem in der Fig. 3
dargestellten Muster entspricht. Die Infrarotwelle kommt beispielsweise auf einer
Linie entsprechend dem Buchstabe a an, welche irgendeinem der Linienzüge des Musters
16 entspricht. Bei dieser Bewegung erfährt die Infrarotwelle eine Reflexion mit
unterschiedlicher Intensität. Dies
wirddurch die Dicke der Punkte
19 ausqedrückt. Der Mikroprozessor 6 steuert nun den Schrittmotor 4 derart, daß
er auf der Linie a zu dem Punkt 20 zurückfährt, welcher der Punkt der stärksten
Reflexion in der Reihe der Punkte 19 ist. Von hier ausqehend steuert der Mikroprozessor
6 den Schrittmotor 4 sodann in Richtung der Linie b, worauf sich wiederum eine Intensivierung
der Reflexion im Bereich des Puktes 21 ergibt. Darauf folgt eine Bewegung in Richtung
der Linie c zu einem Punkt 22, der schließlich über die Bahn d zum Zentrum der Reflexion,
d. h. zur Reflexion mit der größten Intensität entsprechend dem Pukt 23 hinführt.
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Der Punkt 23 ist sodann das angesteuerte Ziel.
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Für die Messung des Böschungsverfahrens von tiefen Tagebauen wurde
beispielsweise eine standsichere Beobachtungsstelle eingerichtet, innerhalb derer
das Meßsystem entsprechend der Fig. 1 installiert wurde. Auf der gegenüberliegenden,
mit Hilfe es Meßsystems zu untersuchenden Böschung des Tagebaues wurden etwa 100
- 200 Zielpunkte eingerichtet, welche mit Prismen bestückt sind, die in einem fest
vorgegebenen Zeitabstand beobachtet werden. Zum Zwecke dieser Beobachtung wird von
dem Entfernungsmesser 3 eine Infrarotwelle über die freie Öffnung des Tagebaues,
d. h.
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über eine Entfernung von mehreren Kilometern hinweg nacheinander auf
die Beobachtungspunkte gelenkt und die Enfernung vermessen. Mit Hilfe des Meßsystems
können die
Entfernungen mit großer Genauigkeit bestimmt werden,
die beispielsweise bei Distanzen von 3 - 4 Kilometern unqefähr +/- 6 mm beträgt.
Mit HIlfe dieser Meßgenauigkeit ist es möglich, Veränderungen der Böschung rechtzeitiq
und genau zu ermitteln. Da sich die Messung mit dem vorlieqenden Meßsystem automatisch
und in Zeitabständen wiederholt, ist es möglich, an Stellen der Böschung, welche
ein qroßes Bewegungsverhalten zeien, den Meßvorgang zu intensivieren und sich abzeichnende
Gefahren infolge einer Veränderung der Böschung rechtzeitig zu erkennen. Ein in
den Rechner 5 eingebautes Alarmsystem sorgt sodann dafür, daß an gefährdeten Böschungen
schnelle Abhilfe geschaffen werden kann.
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