DE3916385A1

DE3916385A1 - Verfahren und anordnung zur geometrischen hoehenmessung

Info

Publication number: DE3916385A1
Application number: DE19893916385
Authority: DE
Inventors: Wieland Dr Ing Feist; Klaus Dipl Ing Guertler
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Trimble Jena GmbH
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1989-05-19
Publication date: 1990-01-18
Anticipated expiration: 2009-05-20
Also published as: CH678975A5; DD273886A1; DE3916385C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geometrischen Höhenmessung und Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens, das eine automatisierte Kompensation der Geräteneigung ermöglicht. Das Verfahren ist zur Durchführung des automatisierten Nivellements, des Präzisionsnivellements und zur Kompensation des Höhenindexfehlers bei Theodoliten anwendbar.

Es sind für das geometrische Nivellement eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen zur Automatisierung und Objektivierung des Meßprozesses und der Meßdatenerfassung bekannt, die beispielsweise Meßlattenteilungen durch Fotoempfängerzeilen ersetzen und den von einem Nivellier ausgesendeten Laserstrahl als Index auf der Meßlatte verwenden (US-PS 37 90 277, 40 29 415 und 40 30 832, DE-AS 19 15 891, 19 23 055 und 27 56 364) oder es sind wie in der DE-OS 32 13 860 beschrieben, auf der Meßlatte in Längsrichtung der Latte in vorbestimmten Abständen LEDs, die kodierte Lichtstrahlen aussenden und in dem Nivellier eine lichtempfindliche Meßanordnung sowie eine elektrische Schaltungsanordnung zum Bestimmen jener LEDs angeordnet, von der das auf den fotoelektrischen Sensor einfallende Licht ausgeht. Nachteilig bei diesen technischen Lösungen ist der hohe technische Aufwand und die Begrenzung des Meßbereiches durch die lineare Auslegung mit Fotoempfängern. Aus der DE-OS 34 27 067 ist ein optoelektronisches Längenmeßverfahren mit kodiertem Absolutmaßstab, bei dem der Absolutmaßstab in Meßrichtung abgestattet und ein Skalenausschnitt auf einem optoelektronischen Zeilensensor (CCD-Zeile) abgebildet wird, bekannt und aus dem WP G01B/29 90 293 ein Längenmeßverfahren, bei dem ein Absolutmaßstab auf einen Zeilensensor abgebildet, die Sensorsignale digitalisiert und in Mikrorechner ausgewertet werden. Für die Genauigkeit dieser Längenmeßverfahren ist die Flankensteilheit der Signale der durch die CCD-Zeile abgebildeten Teilstriche sehr wichtig, wobei ein durch Pendelschwingungen des Meßgerätes hervorgerufenes Bildzittern die Flankensteilheit der Signale der Teilstriche sehr nachteilig beeinflußt.

Ziel der Erfindung ist eine Erhöhung der Meßgenauigkeit bei der automatisierten geometrischen Höhenmessung durch eine mit einfachen Mitteln und geringem technischen Aufwand realisierte automatische Neigungskomponenten des Meßgerätes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Höhenmeßverfahren, bei dem ein in Abtastrichtung kodierter Absolutmaßstab und ein Meßgerät, vorzugsweise ein Nivellier mit einer Sensorzeilenanordnung im Fernrohr, einem Neigungsmesser, einem Mikrorechner und Mitteln zur Eingabe, Ausgabe, Anzeige und Speicherung von Meßdaten verwendet wird sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens so zu gestalten, daß eine automatische Neigungskompensation für das Meßgerät erhalten wird, bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl der abbildenden und reflektierenden Glas-Luftflächen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur geometrischen Höhenmessung dadurch gelöst, daß analog den Signalen eines Neigungsmessers 4, der unabhängig von einem Fernrohr 3 in einem Meßgerät angeordnet ist, der Bezugspunkt für die horizontale Lage des Meßgerätes auf dem Mittelpixel einer CCD-Zeile 8 vorgesehen ist und daß bei geneigtem Meßgerät der Bezugspunkt auf der CCD-Zeile 8 so verschoben wird, daß seine der jeweiligen Neigung des Meßgerätes entsprechende Lage den Durchstoßpunkt der horizontalen Zielachse für einen Pixel oder den Bereich zwischen zwei Pixel der CCD-Zeile 8 bestimmt.

Bei einer ersten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Planplatte und einem Positionssteller wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Strahlengang zwischen dem Fernrohrobjektiv 6 und der CCD-Zeile 8 in der optischen Achse eine mit einem Positionssteller 26 verbundene Planplatte 25 so angeordnet ist, daß analog den Signalen des Neigungsmessers 4 ein Mikroprozessor 33 den durch den Positionssteller 26 vorzugebenden Drehwinkel γ der Planplatte 25 berechnet, damit der in das Fernrohrobjektiv 6 eintretende, horizontale Zielstrahl in den Mittelpixel der CCD-Zeile 8 abgelenkt wird. Bei einer zweiten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Meßschraube und einem Positionssteller wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die CCD-Zeile 8 durch eine mit einem Positionssteller 26 verbundene Meßschraube 25 um einen Verschiebebetrag h _z gesteuert wird, der analog den Signalen des Neigungsmessers 4 durch den Mikroprozessor 33 berechnet wird, damit der horizontale Zielstrahl in den Mittelpixel der CCD-Zeile 8 abgelenkt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung eines Nivelliers in zwei Ausführungsformen,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Neigungskompensation,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Elektronik.

Beim 1. Ausführungsbeispiel in Fig. 1 besteht das Nivellier aus einem Unterteil 1, dem Dreifuß und einem um eine Stehachse StA drehbaren Oberteil 2. Das Oberteil 2 enthält ein horizontales Meßfernrohr 3 mit der optischen Achse A-A, umfassend ein Objektiv 6 mit den Objektivgliedern 7 zur Telewirkung, damit der analaktische Punkt in der Nähe der Stehachse liegt, sowie eine CCD-Zeile 8 in einer Fassung 27, einem Neigungsmesser 4 und eine Elektronikbaueinheit 5. Ein rhombisches Prisma 9 teilt die optische Achse A-A in eine optische Achse A′-A′ für ein visuelles Beobachtungsfernrohr, umfassend das Objektiv 6/7, das Prisma 9, eine Strichplatte 11 und ein Okular 12. Das Prisma 9 in einer Fassung 10 ist mit einer Achse 14 verbunden, in einem Lager 15. Durch Drehen eines Hebels 13 um eine Achse B-B wird das Prisma 9 in den Strahlengang A-A geschwenkt. Die Strichplatte 11 und die CCD-Zeile 8 sind auf einem Schlitten 18 auf einer Führung 16 angeordnet, die in einem Lager 17 ruht und die Achse C-C bildet. Der Schlitten 18 wird durch eine Spindel 20 in einem Lager 19 angetrieben, um eine Achse E-E über die Zahnräder 21 und 22 und durch einen Triebknopf 23 um eine Achse D-D gedreht, damit das Meß- und Beobachtungsfernrohr auf eine Bildweite fokussiert sind.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist im Strahlengang A-A zwischen dem Fernrohrobjektiv 6/7 und der CCD-Zeile 8 zusätzlich ein Bauelement 24, umfassend eine Planplatte 25, um eine Achse F-F drehbar und senkrecht zur optischen Achse A-A in Verbindung mit einem Positionssteller 26 angeordnet, wobei der Positionssteller 26 die Planplatte 25 in der Sollage dreht, damit der horizontale Zielstrahl auf den Mittelpixel der CCD-Zeile 8 fällt. Anstelle der Planplatte 25 kann auch eine mit dem Positionssteller 26 verbundene nicht näher dargestellte Meßschraube 25 verwendet werden, die die CCD-Zeile 8 senkrecht zur optischen Achse A-A so verschiebt, daß der horizontale Zielstrahl auf den Mittelpixel der CCD-Zeile 8 fällt, der den Bezugspunkt des Meßvorganges darstellt.

In Fig. 2 ist das Verfahren der Neigungskompensation graphisch dargestellt. Bei der Neigung des Meßgerätes mit der optischen Achse A-A um einen Winkel ϕ gegen eine Horizontale ist auch die Stehachse StA um den Winkel ϕ zur Lotrichtung geneigt. stellt den vorderen Brennpunkt des Objektivs 6 und F′ den hinteren Brennpunkt dar, in dem die CCD-Zeile 8 bei der Zieleinstellung im unendlichen liegt, mit f′ für die Brennweite des Objektivs 6. Der von der nicht dargestellten Meßplatte durch führende horizontale Zielstrahl ist die Horizontale, die durch das Objektiv 6 abgelenkt und im Punkt P ϕ die CCD-Zeile 8 trifft, wo ein Ausschnitt der Meßlatte abgebildet ist. Der Neigungsmesser 4 mißt dann den Winkel ϕ des Meßgerätes und ein Mikroprozessor 33 berechnet aus der gespeicherten Brennweite f′, dem Neigungswinkel ϕ den Verschiebebetrag h _z=f′ · tan ϕ und formt diesen in Pixeleinheiten um, um den der Bezugspunkt verschoben ist und so in seiner neuen Lage den Durchstoßpunkt der horizontalen Zielachse auf der CCD-Zeile 8 bestimmt. Dabei kann der Bezugspunkt auf einem Pixel oder in dem Bereich zwischen zwei Pixel fallen. In dem Ausführungsbeispiel 2 mit der Planplatte 25 und dem Positionssteller 26 im Strahlengang des Fernrohrobjektivs 6/7 berechnet der Mikroprozessor 33 aus dem Verschiebebetrag h _z den Drehwinkel γ für kleine Winkel näherungsweise nach der Beziehung:

Der Positionssteller 26 dreht die Planplatte 25 um den Winkel γ so lange, bis der horizontale Zielstrahl zum Mittelpixel der CCD-Zeile 8 abgelenkt ist, der den festen Bezugspunkt darstellt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die CCD-Zeile 8 um den Verschiebebetrag h _z über eine Meßschraube 25 in Verbindung mit dem Positionssteller 26 direkt verschoben werden und der Mittelpixel der CCD-Zeile 8 ist ebenfalls fester Bezugspunkt. Verwendet man für das Meßfernrohr 3 ein Objektiv 6 ohne Telezentrierung, liegt der analaktische Punkt im vorderen Brennpunkt des Objektivs 6 und verursacht in Abhängigkeit vom Neigungswinkel ϕ einen Höhenmeßfehler. An den von einem Mikroprozesser 33 nach dem WP G01B/29 90 293 an der Meßlatte automatisch abgelesenen Höhenwert muß dann zusätzlich ein Korrekturwert h _A=s _A · tan ϕ angebracht werden, wobei s _A die Strecke zwischen und der Stehachse StA darstellt. Das Vorzeichen h _A richtet sich nach dem Vorzeichen des Neigungswinkels ϕ.

Fig. 3 stellt das Blockschaltbild der Elektronik 5 des Nivelliers dar. In einer Stromversorgungseinheit 32 werden die Betriebsspannungen für die analogen und digitalen Baugruppen in Abhängigkeit von den Steuersignalen des Mikrorechners 33 erzeugt, d. h. das nur die Baugruppen mit Spannung versorgt werden, die für den aktuellen Meßablauf notwendig sind. Ein Arbeitsspeicher 34 des Mikrorechners 33 wird separat mit Spannung versorgt. Eine Stromversorgungseinheit 35 enthält eine eigene Stützbatterie zur Sicherung von Daten bei ausgeschalteter Meßanordnung und in den Abschaltphasen des Mikrorechners 33. In dem Arbeitsspeicher 34 werden auch alle Geräte- bzw. Meßsystemkonstanten gespeichert, die über eine Tastatur 37 eingegeben werden. Außerdem dienen die Tastaturlogik 36 und die Tastatur 37 dazu, den Mikrorechner 33 über die Stromversorgungseinheit zu aktivieren. Über die Ein/Ausgabeports 40, 41 und 42 wird das Meßsystem gesteuert, wobei der Ein/Ausgabeport 40 das Abtasten der CCD-Zeile 8 steuert und die Übernahme der Meßwerte aus den Meßdaten RAM 44 in den Mikrorechner 33. Mit RESET wird der Adreßzähler 48 zurückgesetzt. Ein Signal 47 schaltet dann den Meßdaten RAM 44 so, daß die Übernahme der Meßdaten in den Mikrorechner 33 und des Bildes der CCD-Zeile 8 in den Meßdaten RAM 44 erfolgt. Gleichzeitig wird mit diesem Signal der Takt für den Zähler 48 zwischen Lese- und Schreibtakt umgeschaltet. Die Wandler 45 und 46 dienen zur Anpassung der Spannungspegel des Mikrorechners 33 an die Regelerfordernisse der CCD-Zeile 8 und ein Komparator 43 bewertet das Ausgangssignal der CCD-Zeile 8 nach beleuchteten und unbeleuchteten Bildpunkten. Eine Baugruppe 20 erzeugt das Abtastsignal für die CCD-Zeile 8, wodurch eine neue Übernahme des Bildes auf die CCD-Zeile 8 in das untere Schieberegister ausgelöst wird. Über den Eingabeport 42 erreichen den Mikrorechner 33 die digitalen Signale des Neigungsmessers 4 und über den Ausgabeport 41 steuert der Mikrorechner 33 einen D/A-Wandler, der den Positionssteller 26 aussteuert. Über die Displays 38 und 39 werden dann die Meßergebnisse angezeigt.

Bei der geometrischen Höhenmessung wird von einem Beobachter zuerst das Meßgerät mit den Fußschrauben 31 des Dreifußes 1 nach einer Dosenlibelle 29 grob horizontiert. Danach wird durch Drehen eines Hebels 13 das Beobachtungsfernrohr eingestellt und die Meßlatte im Zielpunkt angezielt. Dabei fokussiert der Beobachter das Lattenbild genau auf die Strichplatte 11 mit der Meßschraube 23. Gleichzeitig ist automatisch das Lattenbild auf der CCD-Zeile 8 eingestellt. Der Beobachter zielt dann mit einem Seitenfeintrieb 30 die nicht näher dargestellte Meßlatte an, schaltet das Prisma 9 aus und das Meßgerät ist meßbereit, in dem über eine Tastatur 37 die Meßdaten und die Daten des Neigungsmessers 4 in den Mikrorechner 33 eingegeben werden, zur Steuerung des Auslesens der CCD-Zeile 8 und der Übernahme des Bildes in den Arbeitsspeicher 34. Danach wird der Verschiebungsbetrag h _z in Pixeleinheiten umgerechnet, um den Bezugspunkt vom Mittelpixel auf den neuen Pixel oder Bereich der CCD-Zeile 8 zu verschieben. Weiterhin erfolgt die Auswertung des im Meßdaten RAM 44 abgelegten Lattenbildes bezüglich des neuen Bezugspixels zum Meßwert und der Korrekturwert h _A zur Berücksichtigung des Einflusses des analaktischen Punktes wird berechnet und der Meßwert angezeigt und gespeichert.

Claims

1. Verfahren zur geometrischen Höhenmessung, mit einer kodierten Meßlatte im Zielpunkt, mit einem Meßgerät, vorzugsweise ein Nivellier im Standpunkt, umfassend ein horizontal angeordnetes Fernrohr mit einer Sensorzeilenanordnung (vorzugsweise eine CCD-Zeile) in einer ersten Bildebene des Fernrohrobjektivs, deren Pixel ein Bezugspunkt zugeordnet ist, eine Strichplatte in einer zweiten Bildebene des Fernrohrobjektivs, in die das Lattenbild nach Einschwenken eines Prismas in den Strahlengang zur Sensorzeilenanordnung reflektiert wird, einen Neigungsmesser, einen Mikroprozessor sowie Speicher zur Auswertung und Speicherung von Meßdaten und Mittel zur Eingabe, Ausgabe und Anzeige von Meßdaten und Gerätekonstanten, gekennzeichnet dadurch, daß analog den Signalen eines Neigungsmessers 4, der unabhängig von einem Fernrohr 3 in einem Meßgerät angeordnet ist, der Bezugspunkt für die horizontale Lage des Meßgerätes auf dem Mittelpixel einer CCD-Zeile 8 vorgesehen ist und daß bei geneigtem Meßgerät der Bezugspunkt auf der CCD-Zeile 8 so verschoben wird, daß seine der jeweiligen Neigung des Meßgerätes entsprechende Lage den Durchstoßpunkt der horizontalen Zielachse für einen Pixel oder den Bereich zwischen zwei Pixel der CCD-Zeile 8 bestimmt.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang zwischen einem Fernrohrobjektiv 6/7 und der CCD-Zeile 8 in der optischen Achse A-A eine mit einem Positionssteller 26 verbundene Planplatte 25 so angeordnet ist, daß analog den Signalen des Neigungsmessers 4 ein Mikroprozessor 33 den durch den Positionssteller 26 vorzugebenden Drehwinkel γ der Planplatte 25 berechnet, damit der in das Fernrohrobjektiv 6/7 eintretende horizontale Zielstrahl in den Mittelpixel der CCD-Zeile 8 abgelenkt wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die CCD-Zeile 8 durch eine mit dem Positionssteller 26 verbundene Meßschraube 25 um einen Verschiebebetrag h _z gesteuert wird, der analog den Signalen des Neigungsmessers 4 durch den Mikroprozessor 33 berechnet wird, damit der in das Fernrohrobjektiv 6/7 eintretende horizontale Zielstrahl in den Mittelpixel der CCD-Zeile 8 abgelenkt wird.