DE3916385A1 - Verfahren und anordnung zur geometrischen hoehenmessung - Google Patents
Verfahren und anordnung zur geometrischen hoehenmessungInfo
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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 (3)
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.
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
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Owner name: ZSP GEODAETISCHE SYSTEME GMBH, 07745 JENA, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: TRIMBLE JENA GMBH, 07745 JENA, DE |