DE3542328A1 - Verfahren und vorrichtung zum selbstaendigen ausrichten eines messinstruments auf einen zielpunkt - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM SELBSTAENDIGEN AUSRICHTEN EINES MESSINSTRUMENTES AUF EINEN ZIELPUNKT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selbständigen Ausrichten eines Messinstrumentes auf ein Ziel, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei optischen Distanzmessgeräten, wie sie beispielsweise in der Geodäsie mit Theodoliten, Nivellieren und dergleichen eingesetzt werden, wird in der Regel die Distanz vom Messgerät bis zu einem markierten Zielpunkt gemessen. Dazu wird vom Instrumentenstandort aus, z.B. von einem Theodolit mit aufgesetztem oder integriertem .Distanzmesser, der Zielpunkt visuell angezielt. Bei eletronischen Geräten wird dann mittels Laufzeitmessung eines Lichtimpulses oder durch Phasenmessung eines Lichtv/echselsignals die gesuchte Distanz ermittelt. Als Zielpunkt wird meistens eine Vorrichtung mit einem oder mehreren Tripelprismen, ein sogenannter Retroreflektor, verwendet.

Es wäre nun wünschenswert und vorteilhaft, auch die Ausrichtung des Messinstruments auf den Retroreflektor ohne visuelle Anzielung durchführen zu können. Auf diese Weise Hesse sich die Anzielung des Messpunktes objektiv durchführen. Ferner könnte die Anzielung beschleunigt werden. In unweg-

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samem Gelände oder bei schwierigen Umgebungsbedingungen soll schliesslich der Einsatz des Verfahrens in Verbindung mit einer Fernsteuerung bzw. die Integration in ein automatisches Messverfahren möglich sein.

Erste Ansätze zur Lösung dieser allgemeinen Zielsetzung wurden bereits vorgeschlagen, z.B. in H. XNGENSAND■: "Die Weiterentwicklung der automatischen Zieleinstellung nach dem Intensitätsmaximumprinzip und Entwicklung eines elektromechanischen Stativs für ein "beobachterloses" elektronisches Tachymeter" in BDVI-Forum Heft 4/1983, S.186-192. Gemäss diesem Vorschlag soll die Intensität des vom Retroreflektor zurückkommenden Lichtes als Mass für die gesuchte Richtung benutzt werden. Dabei wird das vom Distanzmesser ausgesendete Licht als Zielstrahl benutzt und z.3. in einer mäander- oder spiralförmigen Abtastbewegung solange über den Ziel-Reflektor geführt, bis das reflektierte und wieder empfangene Lichtsignal ein Maximum erreicht.

Nachteilig ist bei diesem Vorschlag, dass bei einer momentanen Messung kein Anhaltspunkt vorhanden ist, in welcher Richtung sich das Maximum befinden kann. Damit wird der Suchvorgang für den praktischen Einsatz zu langsam. Hinzu kommt, dass das Maximum ein unempfindliches Messkriterium darstellt, da seine erste Ableitung definitionsgemäss Null ist. Dies bedeutet, dass sich die Intensität infinitesimal nicht ändert, wenn man sich vom Maximum entfernt. Insbesondere bei einem flach verlaufenden Maximum wird daher die Richtungsbestimmung unsicher. Schliesslich ändert sich für unterschiedliche Distanzen die Verteilung des Lichtes einer Lichtquelle. So können beispielsweise Nah- und Fernfeld vollkommen unterschiedliche Lichtverteilungan aufweisen. Auch können die in Reflektorprismen gelegentlich vorhandenen Winkelfehler die Symmetrie des reflektierten Lichtkegels zerstören. Solche Fehler können zu Falschbestimmungen der zu messenden Richtung fuhren.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine praktisch brauchbare Lösung zur Ausrichtung des Messinstruments auf den Retroreflektor ohne visuelle Anzielung zu ermöglichen, so dass sich die Anzielung des Messpunktes objektiv und mit höherer Genauigkeit durchführen lässt als es bisher möglich war.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in Patentanspruch 1 definierten Merkmale gelöst.

Durch diese vorteilhafte Lösung ergibt sich eine wesentlich höhere Treffsicherheit beim Ausrichten von Messinstrumenten auf einen Zielpunkt. Der Vorgang lässt sich auf einfache Weise steuern bzw. automatisieren. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung erfüllt, um z.B. Theodolite und ähnliche Messinstrumente in automatische Messstationen zu integrieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines Distanzmessgerates, mit einem auf einen Retroreflektor gerichteten bewegten Zielstrahl,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Ausrichtvorrichtung mit einem Drehprisma,

Fig. 3 den zeitabhängigen Intensitätsverlauf des vom Retroreflektor in die Messvorrichtung reflektierten Lichts,

Fig. 4 den Intensitätsverlauf in räumlicher Darstellung und

Fig. 5A bis 5Ξ weitere Beispiele von Ausrichtvorrichtungen mit gesteuert bewegtem Abtaststrahl.

Fig. 1 zeigt ein Instrument 1, z.B. ein Vermessungsinstrument, einen vom Instrument anvisierten Retroreflektor 2, die Drehachse a, um welche ein vom Instrument 1 ausgesendeter Lichtstrahl rotiert wird, sowie den Zielstrahl b zur Zeit t und nach einer halben Umdrehung, zur Zeit t . Angedeutet ist ferner der um die Drehachse a rotierende Lichtkegel A, der in Wirklichkeit dreidimensional ausgebildet ist.

In Fig. 2 sind nähere Einzelheiten der Vorrichtung zum Ausrichten des Instruments 1 auf den Retroreflektor 2 dargestellt. Ein optischer Sender 10 ist mit seiner Achse b gegenüber der Drehachse a des Sendeteils um einen Winkel alpha geneigt, üeber eine Linse 11 wird der Strahl einem Drehprisma 12 zugeführt, welches von einem Motor 13 mit einer bestimmten Drehzahl in Drehung versetzt wird. Nach Passieren einer zweiten Linse 14 wird der rotierende Sendestrahl über eine Sammellinse 15 als Zielstrahl S ausgesendet. Der Zielstrahl rotiert dabei um die Achse a unter Einschluss des Winkels alpha.

Der empfängerseitige Strahlengang zum Empfang des vom Retroreflektor reflektierten Empfangsstrahls S sieht eine Empfangs-Sammellinse 20 vor, einen nachgeordneten fotoelektrischen Empfänger 21 sowie einen Vorverstärker 22. Auf geeignete Weise wird das verstärkte Empfangssignal einem Demodulator 23 zugeführt. Der Demodulator ist mit einer Phasensteuerung versehen, welche mit der Drehzahlsteuerung für den Motor 13 gekoppelt ist. Wegen der optischen Eigenschaften des Drehprismas 12 dreht der Zielstrahl S um die Achse a mit einer Geschwindigkeit, welche der doppelten Rotationsgeschwindigkeit des Drehprismas entspricht. Aus diesem Grund wird als Koppelfrequenz für den Demodulator

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ebenfalls die doppelte Rotationsfrequenz 2f des Drehprismas gewählt. Nach Amplitude und Phase getrennt werden die demodulierten Signale einem Rechner 24 zugeführt, welcher daraus Koordinaten-Steuersignale V bzw. H für den vertikalen und den horizontalen Antrieb der Messgeräte-Justierung ableitet.

Trifft der Sendestrahl S auf den Retroreflektor 2 gemäss Fig. 1, so wird Lichtenergie reflektiert und als Empfangsstrahl S über die als Teleskop wirkende Sammellinsenanordnung 20 im photoelektrischen Empfänger 21 aufgefangen. Da. der Zielstrahl rotiert, ändert sich die vom Ziel-Reflektor zurückgeworfene Energie mit der Rotationsperiode, wie für ein Beispiel in Fig.3 gezeigt ist. Diese Schwankungen treten jedoch nur solange auf, wie der Reflektor nicht genau in der Achse a des rotierenden Sendestrahls liegt.

Die bei der Demodulation im Demodulator 23 abgeleiteten Phasenwerte enthalten eine Information über die momentanen Drehwinkel des Drehprismas 12, für welche sich die grössten Intensitätsdifferenzen des Empfangssignals S im Verlauf einer Umdrehung ergeben. Im Rechner 24 werden daraus Steuersignale für die motorisch betriebenen Horizontal- und Vertikaltriebe des Messinstrumentes abgeleitet. Gesteuert vom Rechner 24 werden diese zur Nachführng des Messinstrumentes so lange verstellt, bis die Aplitudenschwankungen des demodulierten Empfangssignals verschwinden.

Der entsprechende Signalverlauf ist in Fig. 3 gezeigt. Das Amplitudensignal, welches die Intensität I des vom Retroreflektor 2 zurückgeworfenen Lichts darstellt, unterliegt periodischen Schwankungen, solange die Drehachse a noch nicht exakt auf den Retroreflektor ausgerichtet ist. Das Signal schwankt mit der Drehperiode T = 1/2f des Drehprismas 12 bzw. 1/f des Motors 13. Das erste Intensitätsmaximum I des empfangenen Signals weist gegenüber dem Zeitpunkt to,

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welcher den Beginn der Motor-Drehperiode T bezeichnet, eine Phasendifferenz phi auf. Der Intensitätswert I wird mit einem zweiten Intensitätswert I verglichen, der zu einem Zeitpunkt t erfasst wird, welcher um eine halbe Drehperiode gegenüber dem ersten Zeitpunkt t verschoben ist. Die Differenz der beiden gemessenen Intensitätswerte liefert das erwähnte Kriterium für die Ausrichtung des Sendestrahls auf den Retroreflektor 2. Dies geschieht mit Hilfe der Steuersignale V und H.

Zur Ableitung dieser Steuersignale werden im Rechner 24 die gemessenen Phasenwerte phi abhängig von den Differenzbeträgen zwischen den Intensitätswerten I und I in entsprechende Anteile für das V- bzw. für das Η-Steuersignal umgerechnet. Dabei dient der Zeitpunkt to als Bezugspunkt für eine bestimmte Winkelstellung des Drehprismas 12. Der Winkel phi zeigt dabei an, in welcher Winkelkoordinate, bezogen auf die Drehachse a sich ein Intensitätsmaximum befindet. Entsprechend erfolgt die anteilmässige Bemessung der V- und H-Steuersignale. Aenderungen der gemessenen Intensitätsdifferenzen, z.B. deren erste Ableitung, dienen während dieser Nachführ-Korrektur als Messkriterium.

In Fig. 4 sind die beschriebenen Vorgänge noch einmal verdeutlicht. Der um die Drehachse a rotierende Sendestrahl wird zwar zu einem Teil vom Retroreflektor 2 reflektiert, wobei das Mass der Reflexion in Abhängigkeit vom Drehwinkel bzw. von der Drehphase schwankt. Zur Zeit t wird eine Intensitätsamplitude I gemessen, während zur Zeit t , im Beispiel eine halbe Drehperiode später, eine wesentlich kleinere Amplitude I gemessen wird. Erst wenn beide Amplituden gleich gross sind, d.h. wenn deren Differenz Null ist, liegt der Retroreflektor 2 genau auf der Drehachse a des Sendestrahls.

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Anstelle des in Fig. 2 dargestellten Drehprismas lässt sich jedes beliebige andere optische oder opto-elektrische Bauteil zur gesteuerten Rotation des schräg einfallenden und in Rotation zu versetzenden Sende- oder Zielstrahls verwenden. Im folgenden werden einige weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele mit abgewandelten Mittel zur Drehung des Sendestrahls beschrieben, ohne damit Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Vielmehr können auch andere geeignete Mittel zu diesem Zweck verwendet v/erden. Die Ableitung der Steuersignale für die Nachführung der Sendestrahlachse kann dabei nach ähnlichen Kriterien und mit ähnlichen Mitteln erfolgen wie es oben in Zusammenhang mit dem Drehprisma beschrieben wurde.

Gemäss Fig. 5A ist als optisches Strahlablenksystem ein rotierender optischer Keil 30 vorgesehen, der ähnlich wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel von einem Motor 13 angetrieben ist. Der Keil kann anstelle des Prismas 12 in der Einrichtung nach Fig. 2 angeordnet werden.

Fig. 5B zeigt die Ausführung mit einer planparallelen Platte 40, welche vom Motor 13 angetrieben derart in rotierende 3ewegung versetzt wird, dass die vom optischen Sender 10 ausgehenden Strahlen nach Passieren der Platte einen Kegel um die optische Achse a beschreiben. Der Kegelwinkel lässt sich durch Neigung der Platte relativ zur optischen Achse a bestimmen.

Gemäss einer v/eiteren Variante kann die Bewegung des Sendestrahlenbündels auch durch gesteuerte Verschiebung des optischen Senders selbst hervorgerufen werden. Ein entsprechendes Beispiel ist schematisch in Fig. 5C dargestellt. Eine Strahlungsquelle 50, z.B. eine Leuchtdiode, ist in eine Fassung 51 eingesetzt, in welcher ferner ein optischer Lichtleiter 52 befestigt ist. Ausgangsseitig ist der Lichtleiter 52 um den Winkel alpha gegenüber der optischen Achse

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a geneigt in einer rotierenden Scheibe 53 rait einem zur Drehachse 54 der Scheibe exzentrischen Führungsloch 55 gelagert. Die Drehachse 54 ist vorzugsweise mit der optischen Achse a gemäss dem Beispiel nach Fig. 2 identisch. Angetrieben ist die Scheibe 53 wiederum von einem schematisch als Motor 13 bezeichneten Antriebselement.

Die gesteuerte Bewegung des geführten rechten Endes des Lichtleiters 52 kann auch auf beliebige andere Weise erzeugt werden. So kann geraäss Fig. 5D das der Strahlungsquelle abgewandte Ende des Lichtleiters 52 mit einem magnetisierbaren Endstück 56 versehen sein. Dieses Endstück ist in einem Magnetfeld angeordnet, welches durch kreuzweise angeordnete Elektromagneten 57/ 58 erzeugt wird. Von einer Steuereinrichtung 59 lassen sich die Elektromagneten zur Erzeugung einer-"sich drehenden Magnetfeldkomponente anregen, so dass sich das Endstück 56 und mit ihm das Ende des Lichtleiters 52 in eine drehende Bewegung um die optische Achse der Vorrichtung versetzen lassen.

In Abwandlung dieses Antriebsprinzips können anstelle der Ablenkmagnete auch Piezogeber 60, 61 gemäss Fig. 5Ξ vorgesehen sein, welche auf das freie Ende des Lichtleiters 52 ablenkend einwirken. Eine entsprechende Anregungssteuerung der Piezogeber ist an sich bekannt und daher nicht im einzelnen dargestellt.

Ausser den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen lassen sich auch andere gesteuerte drehende Elemente, z.3. optoelektrische Elemente verwenden. Entsprechned diesen Ausführungsbeispielen für verschiedenartige Bewegungsantriebe können auch in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2, 5A und 5B anstelle des dort beschriebenen Motorantriebs andere geeignete Antriebsmittel zur Erzeugung einer gesteuerten Suchbewegung des Sendestrahls verwendet werden.

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PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN PZ 4-3628 WILD HEERBRUGG AG, Heerbrugg / Schweiz Verfahren und Vorrichtung zum selbständigen Ausrichten eines Messinstruments auf einen Zielpunkt PATENTANSPRUECHE

1. Verfahren zum selbständigen Ausrichten eines Messinstrumentes auf ein Strahlung reflektierendes Ziel/ dadurch gekennzeichnet, dass vom Messinstrument aus ein richtungsmodulierter Zielstrahl ausgesendet wird, dass ein vom Ziel reflektierter Strahl abhängig von den Modulationskriterien des Sendestrahls demoduliert und bezüglich seiner Phasenlage ausgewertet wird und dass das Ergebnis dieser Auswertung zur Ableitung eines Steuersignals für die Richtungsnachführung des Messinstrumentes herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf das Ziel gerichteter Zielstrahl (S ) bezüglich einer Hauptstrahlachse nach einer bestimmten Gesetzmässigkeit abgelenkt wird und dass der vom Ziel reflektierte Strahl empfangen und entsprechend den Ablenkgesetzmässigkeiten demoduliert wird und dass das demodulierte Signal bezüglich seiner Phase und seiner Amplitude zur Ableitung von Steuersignalen zur Richtungsnachführung des Zielstrahls ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Ziel (2) gerichtete Zielstrahl (S ) gegenüber seiner Drehachse (a) mit einer bestimmten Frequenz und mit einem Ablenkwinkel (alpha) um die Drehachse (a) rotiert wird und dass das vom Ziel (2) reflektierte Empfangssignal (S) in einem Demodulator (23) mit der Drehfrequenz des Zielstrahls (S ) oder einem Vieliachen derselben demoduliert wird.

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4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sendestrahlengang ein die Strahlrichtung gesteuert modulierendes Element (12) vorgesehen ist und dass im Empfangsstrahlengang ein Demodulator (23) angeordnet ist, welcher mit der Modulationsfrequenz des strahldrehenden Elementes (12) synchronisiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als strahldrehendes Element ein motorgetriebenes Drehprisma (12) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als strahldrehendes Element ein rotierender optischer Keil (30) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als strahldrehendes Element eine periodisch bewegte planparallele Platte (40) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (13, 53) zum gesteuerten Verschieben eines optischen Senders (50) und damit zum gesteuerten Bewegen des vom Sender ausgehenden Zielstrahls (S ) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlablenkende Element (12; 52) berührungslos mit Bewegungsmodulatoren (57,58;60,61) in Wirkverbindung steht.

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10_o Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Demodulator (23) Signalwerte, welche für die Phase und für die Amplitude des empfangenen Signals charakteristisch sind, an einen Rechner (24) liefert, wobei der Rechner mit Ausgängen zur Abgabe von Nachführsignalen (V,H) für die Richtungsposition des Messinstruments versehen ist, und wobei im Rechner Mittel zum Verknüpfen der vom Demodulator gelieferten Phasenwerte mit Amplitudensignalen enthalten sind.