DE69005105T2

DE69005105T2 - Anordnung zur ortsbestimmung.

Info

Publication number: DE69005105T2
Application number: DE69005105T
Authority: DE
Inventors: Leif Andersson; Olle Engdahl; Lars Ericsson; Mikael Herztman; Rudolf Wiklund
Original assignee: Geotronics AB
Current assignee: Geotronics AB
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1990-04-06
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2010-04-07
Also published as: SE8901221L; WO1990012284A1; DE69005105D1; EP0465584A1; EP0465584B1; US5313409A; JPH04504468A; JP3039801B2; SE8901221D0; SE500856C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 bezeichneten Art.
Es ist bei der geodätischen Vermessung, d.h. der Geodäsie, bekannt, Entfernungen und Winkel unter Verwendung elektrooptischer Verfahren zu messen, um die Positionen von Meßpunkten in einem relvanten Koordinatensystem zu bestimmen. Bei einem herkömmlichen Verfahren sendet ein elektrooptisches Entfernungsmeßinstrument (EDM) zum Zwecke einer Meßdurchführung einen modulierten Lichtstrahl infraroten Lichtes, welches von einem Prisma mit kubischer Gestalt reflektiert wird, das im Zielpunkt plaziert wird. Das von dem Prisma reflektierte Licht wird empfangen und in seiner Phase erfaßt, womit die Entfernung mit großer Genauigkeit bestimmt werden kann. Der Vertikalwinkel und die horizontale Richtung zum Zielpunkt können ebenfalls elektrisch oder elektro-optisch erfaßt werden. Es ist bekannt, daß das Meßinstrument die Möglichkeit bietet, wiederholte Messungen durchzuführen und die Position eines beweglichen Zieles kontinuierlich zu bestimmen, wobei das Meßinstrument manuell auf das Ziel ausgerichtet wird.
Es ist auch schon bekannt, daß ein Meßinstrument einem Ziel automatisch nachfolgt bzw. dieses verfolgt, und zwar mit Hilfe eines Servoantriebes, welcher durch ein von dem Ziel ausgesandtes oder reflektiertes Signal gesteuert wird.
Eine Beschreibung des Standes der Technik ist in US-A- 3 865 491 enthalten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und zuverlässige Anordnung zu schaffen, mittels der das Meßinstrument seine Ausrichtung zum Zielpunkt findet und den Zielpunkt schnell und zuverlässig verfolgt, unabhängig davon, ob dieser Zielpunkt nahe beim oder fern vom Meßinstrument liegt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die bei einem Zielsuchmodus dagegen gesperrt werden kann, daß sich das Meßinstrument an einem falschen Ziel verriegelt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung vorzusehen, welche während eines Zielverfolgungsmodus auch dann an dem Ziel verriegelt werden kann, wenn das Ziel in Bewegung ist.
Die zuerst erwähnte Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Anordnung gelöst, welche die im nachfolgenden Anspruch 1 beschriebenen Merkmale hat. Die anderen Aufgaben sowie weitere Merkmale der Erfindung werden in abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft demnach eine Anordnung, welche das Instrument befähigt, den Zielpunkt zu suchen und, nachdem es entsprechend geschaltet ist, sich an dem Ziel zu verriegeln und alle weiteren Bewegungen desselben zu verfolgen. Das Meßinstrument basiert vorzugsweise auf einer bestehenden, sogenannten Totalstation, d.h. einer Station mit dem eingetragenen Warenzeichen Geodimeter , welche Entfernungen und Winkel wie vorstehend beschrieben mißt. Die Anordnung zum Einstellen der Station ist so aufgebaut, daß der gesamte Meßvorgang einschließlich der Ausrichtung des Instrumentes, des Startens des Meßverfahrens, der Datenspeicherung und -verarbeitung in einfacher Weise automatisch ausgeführt und die Absteckarbeit durch eine einzige Person durchgeführt werden kann, die mit einer auf den Zielpunkt aufgesetzten Einheit operiert. Bisher war es erforderlich, Meßvorgänge mit einer person, die für die Handhabung des Meßinstrumentes und der Datenregistrierung verantwortlich war, und einer Person, die zum Aufsetzen einer Reflektoreinheit auf den Meßpunkt verantwortlich war, durchzuführen.
Die Anordnung des Meßinstrumentes und des Zielpunktes wird vom tatsächlichen Zielpunkt selbst aus gesteuert, wo die wichtigen Informationen vorliegen und wo die Entscheidungen während des Meßvorganges getroffen werden.
Die Erfindung wird jetzt mehr im einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Steueranordnung, die Teile der vorliegenden Erfindung bildet;
Fig. 2 eine Meßanordnung während des Einsatzes im offenen Gelände;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Meßstation;
Fig. 4 eine andere Ausführungsform eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Anordnung;
Fig. 5 eine erste Ausführungsform eines Detektors;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Detektors;
Fig. 7 eine schematische Darstellung möglicher Strahlverläufe;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Koaxialsystems;
Fig. 9 ein Diagramm für Kompensationswerte.
Die Erfindung umfaßt eine Meßinstrumenteneinheit, die allgemein mit 1 bezeichnet ist, und eine Zieleinheit, die allgemein mit 2 bezeichnet ist. Nur die Anordnung zum Ausrichten des Instrumentes zur Zieleinheit hin ist in Fig. 1 dargestellt, d.b. nicht der Instrumententeil selbst, der beispielsweise ein EDM-Meßgerät mit Vertikal- und Horizontalwinkel-Meßgeräten sein könnte. Wie aus dem in Fig. 1 dargestellten Blockdiagramm ersichtlich ist, ist die Meßinstrumenteneinheit mit zwei Servomotoren 3 bzw. 4, jeweils mit einem individuellen Treiber 5 bzw. 6, für eine Drehung in vertikaler bzw. horizontaler Richtung ausgestattet. Die Instrumenteneinheit umfaßt außerdem eine Detektoreinheit 7, die so aufgebaut ist, daß sie die Position eines Signals, welches von einem auf der Zieleinheit montierten Lichttransmitter 8 ausgesandt wird, erkennen und bestimmen kann. Die Detektoreinheit 7 ist außerdem so aufgebaut, daß sie ein Lichtsignal erkennen kann, welches von einem auf der Meßinstrumenteneinheit aufgesetzten Lichttransmitter 9 ausgesandt wird, wobei dieses Licht von einem auf die Zieleinheit aufgesetzten Reflektor 11 reflektiert wird. Eine Steuerungseinheit 12 auf der Meßinstrumenteneinheit 1 ist mit dem Lichtdetektor 7 über eine Konvertereinheit 13 verbunden; sie empfängt Signale, die zur Auswertung der Ausrichtung der Meßeinheit zum Ziel geeignet sind, wobei diese Signale und der Aufbau des Detektors nachstehend mehr im einzelnen beschrieben werden. Jede der Zieleinheiten 2 und die Meßinstrumenteneinheit 1 sind mit einer Antenne 15 bzw. 16 und mit einer Kommunikationseinheit 27 bzw. 17 ausgestattet. Das Bezugszeichen 10 in Fig. 3 bezeichnet ein Teleskop, welches zum Einsatz kommt, wenn die Meßintrumenteneinheit 1 zur Zieleinheit manuell ausgerichtet wird, nämlich in den Fällen, in denen eine manuelle Ausrichtung erwünscht ist, und bildet demnach keine in den Rahmen des tatsächlichen Erfindungskonzeptes selbst fallende Einheit.
Das Bezugszeichen 51 bezeichnet eine EDM-Einrichtung von herkömmlichem Typ. Das Entfernungsmeßgerät ist auch auf das Würfeleckenprisma 11 gerichtet. Es wird demnach ein Parallaxenfehler bezüglich der Instrumentenrichtung in das System eingeführt, wenn das Ziel und damit das Prisma 11 zu nahe an die Meßinstrumenteneinheit 1 herankommt. Es ist jedoch möglich, zwei unterschiedliche Prismensätze vorzusehen, und zwar einen Prismensatz 11 für den Zielsuch- und Verfolgungsstrahl und einen anderen Prismensatz 50 (siehe Fig. 2) für die EDM-Einrichtung, wenn der Zielsuch- und Verfolgungsstrahl und der EDM-Einrichtungsstrahl unterschiedliche Wellenlängen haben und die Prismen mit Wellenlängenfiltern versehen sind, die auf die Wellenlänge des jeweiligen Lichtstrahls abgestimmt sind, die sie reflektieren sollen. Es ist jedoch eine ziemlich teure Anordnung, wenn man zwei derartige Reflexionssysteme an der Zieleinheit hat, und die Filter werden außerdem eine Dämpfung des reflektierten Lichtstrahles bewirken. Man bevorzugt deshalbkeine gesonderte Prismenanordnung 50 für die EDM-Einrichtung zu haben, sondern nur ein und dasselbe Prisma 11 sowohl für die Instrumenten- als auch für die Zielsuch- und Verfolgungseinrichtung zu haben.
Der Lichttransmitter 8 und das Prisma 11 werden vorzugsweise unmittelbar nebeneinander aufgestellt, womit eine Parallaxe beim Ubergang von der Zielverfolgungsausrichtung mit Hilfe des Lichttransmitters 9, des Würfeleckenprismas 11 und des Lichtdetektors 7 zu einer Ausrichtung mittels des Lichttransmitters 8 und des Lichtdetektors 7 in der nachfolgend mehr im einzelnen beschriebenen Weise minimiert wird.
Anstatt einen einzelnen Detektor 7 zu verwenden, welcher in der Weise arbeitet, daß er sowohl das vom Lichttransmitter 8 als auch das vom Lichttransmitter 9 kommende Licht anzeigt, kann der Detektor 7 dazu ausgelegt sein, daß vom Transmitter 9 kommende Licht festzustellen, und es kann eine weitere Detektoreinheit (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um das vom Lichttransmitter 8 kommende Licht festzustellen. Beispielsweise können die Lichttransmitter 8 und 9 so aufgebaut sein, daß sie Licht in voneinander abweichenden Wellenlängenbereichen senden; die Detektoren können mit Lichtfiltern versehen sein, die auf die Wellenlängenbereiche der jeweiligen Transmitter 8 bzw. 9 abgestimmt sind.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform umfaßt die Zieleinheit 2 einen Stab 20, welcher die Antenne 15 trägt, sowie eine Visiereinrichtung, welche ein Teleskop 21 umfaßt, welches mit einem Vertikalwinkel-Indikator 22 von der Art ausgestattet ist, der automatisch ein für die Winkelposition des Teleskops bezüglich der Vertikalen kennzeichnendes elektrisches Signal erzeugt.
Ein Vertikalwinkel-Indikator vom Pendeltyp hat auch diese Einrichtung. Der Vertikalwinkel-Indikator 22 ist mit einem Steuerungskasten 23 verbunden, welcher am Stab befestigt ist und welcher eine mit einem Bedienungspult 25 (siehe Fig. 1) verbundene Steuerungseinheit aufnimmt, die von einer neben dem Stab 20 stehenden Bedienungsperson 26 betätigt werden kann. Die Bedienungsperson richtet das Teleskop 21 zum Meßinstrument auf der Meßinstrumenteneinheit aus und drückt einen Bedienungsknopf entweder an der Visiereinrichtung 21, 22 oder an dem Kasten 23, wenn er der Meinung ist, daß die Ausrichtung korrekt ist. Ein Niederdrükken des Bedienungsknopfes bewirkt, daß die Steuerungseinheit den Vertikalwinkel-Indikator abliest und ein Steuerungssignal erzeugt. Das digitale Winkelanzeigesignal wird zur Kommunikationseinheit 27 übertragen. Diese Einheit kann beispielsweise eine Funkeinheit mit Schaltkreisen zum Modulieren und Senden von Winkelinformationen, beispielsweise auf Funkfrequenzen, und von Synchronisier- -und Steuerungssignalen für die Übertragung über die Antenne 15 sein. Andere Arten von Ubertragungssystemen sind ebenfalls vorstellbar, beispielsweise für eine Übertragung mittels Mikrowellen-Gliedern.
Eine Kommunikationseinheit 17 (Fig. 1) zum Empfangen und Demodulieren der von der Antenne 16 kommenden Signale ist mit der Steuerungseinheit 12 verbunden. Diese Einheit empfängt die Winkelinformation und berechnet den Vertikalwinkel entsprechend dem Winkelwert, den man vom Indikator 22 erhält, und um den das optische System der Instrumenteneinheit ausgerichtet werden soll, bevor man ein Signal vom Lichttransmitter oder dem Reflektor 11 aufnimmt. Dieser Winkel ist π rad (200 gon) minus dem Winkelwert, den man vom Indikator 22 erhält. Die Steuerungseinheit steuert den Servomotor 3 entsprechend dem berechneten Winkel über den Treiber 5 auf der Basis der Information, die man vom Vertikalwinkel-Indikator 18 erhält (mit dem digital erzeugten Signal)
Diese Einstellung muß nur mit einer solchen Genauigkeit durchgeführt werden, daß sichergestellt ist, daß das Signal vom Lichttransmitter 8 und dem Reflektor 11 innerhalb des Öffnungswinkels des Detektors 7 einfällt. Der Treiber 6 bewirkt sodann, daß der Servomotor 4 das Instrument horizontal dreht, während gleichzeitig ein Horizontalwinkel- Indikator 19 mit einem digital erzeugten Signal abgelesen wird.
In Fig. 2 ist der Lichttransmitter 8 der Zieleinheit 2 als an der Visiereinheit 21, 22 montiert dargestellt, obwohl dieser Transmitter genauso gut direkt am Stab 20 angeordnet sein kann. Der Lichttransmitter 8 kann beispielsweise eine IR-Diode oder eine Rotlichtdiode sein. Der Detektor 7 in der Meßinstrumenteneinheit 1 kann in einer praktisch ausgeführten Ausgestaltung des Detektors ein optisches Blickfeld von einem oder mehreren Graden haben. Der Lichttransmitter 8 kann einen Streuwinkel von einigen Zehntel Graden haben. Diese Werte sind nur annähernd. Die Werte sind vollständig vom erwünschten Bereich des Systems abhängig, d.h. von den praktischen Anwendungen, für die das System eingesetzt wird.
Um die Instrumenteneinheit 1 zu befähigen, die Zieleinheit zu suchen und zu finden, wird die Einheit demnach vertikal auf den Winkel eingestellt, welcher dem von der Visiereinrichtung 21, 22 angezeigten Winkel entspricht, wie weiter vorne beschrieben wurde. In diesem Fall muß die Instrumenteneinheit durch den Servoantrieb nur in einer Ebene um ihre vertikale Achse verdreht werden, bis die Detektoreinheit 7 das Steuerungssignal von der Lichtsender-Einheit 8 und das reflektierte Signal von der Einheit 11 aufnimmt, worauf der Servoantrieb in der horizontalen Richtung gestoppt wird. Wenn diese Drehung sehr schnell erfolgt, wird die Instrumenteneinheit über das Ziel hinausschießen, wenn auch die Position dieses Zieles durch die Steuerungseinheit 12, die zunächst stoppt und dann die Instrumenteneinheit 1 zurück zum Ziel dreht, gefluchtet werden kann. Die Steuerungseinheit 12 geht dann zu ihrem Zielverfolgungsmodus über und steuert die Servomotoren 3 und 4 der Instrumenteneinheit in einer Weise, die mehr im einzelnen weiter unten beschrieben wird, um auf diese Weise das Ziel zu verfolgen.
Sowohl das Signal von der Lichtsender-Einheit 8 als auch das reflektierte Signal von der Einheit 11 müssen von dem Detektor 7 während der Zielsuchsequenz festgestellt werden, um das Instrument dagegen zu sperren, sich an falschen Zielen zu verriegeln, wie nachfolgend mehr im einzelnen diskutiert wird. Während der Zielverfolgungssequenz, wenn das Ziel sich gegenüber dem Instrument bewegt und die Zielverfolgung normalerweise auf dem Signal von der Lichtsender-Einheit 8 basiert, da die Zieleinheit der Instrumenteneinheit ziemlich nahe ist, ist es auch wesentlich, daß das reflektierte Signal vom Prisma 11 durch die Steuerungs- -und Recheneinheit 12 detektiert wird, auch wenn dieses für die tatsächliche Verfolgung nicht verwendet wird, da in diesem Fall die Verfolgung unmittelbar zu einer auf dem reflektierten Strahl vom Prisma 11 basierenden Verfolgung umgeschaltet werden könnte, wenn das Signal von der Einheit 8 verlorengehen sollte. Der Stab der Zieleinheit könnte schwanken, wenn er bewegt wird. Dabei besteht das Risiko, daß die Lichtsender-Einheit so verdreht wird, daß ihr Lichtkegel außer Kontakt mit dem Detektor 7 gerät. Die Richtung des vom Prisma reflektierten Lichtstrahles wird auch bei ziemlich extensiver Verdrehung des Stabes im wesentlichen antiparallel zum Lichtstrahl des Lichttransmitters 9 gehalten, zumindest im Vergleich dazu, was für die Einheit 8 zulässig ist. Wenn jedoch aktuelle Messungen von Meßpunkten gemacht werden sollen, d.h. nicht nur Messungen während der Bewegung, um Positionswerte für die Steuerungs- und Recheneinheit 12 auf einen neuen Stand zu bringen, dann sollte das Ausrichten des Instrumentes vorzugsweise auf dem Signal basieren, welches von der Lichtsender-Einheit 8 auf den Detektor 7 fällt, d.h. falls dieses in ausreichender Weise zur Verfügung steht.
Wie im Blockdiagramm der Fig. 4 gezeigt ist, besteht ein weiteres Verfahren darin, den Suchsektor und damit die Suchzeit zu reduzieren, und die Visiereinrichtung 21, 22 der Zieleinheit mit einem Horizontalrichtungs-Indikator 28 zu versehen, beispielsweise mit einem Indikator nach Art eines Digitalkompasses. Wenn die Visiereinrichtung der Zieleinheit auf die Instrumenteneinheit gerichtet wird, gibt der Kompaß eine Information bezüglich der gegenseitigen Richtung im Verhältnis zur Nordrichtung des Kompasses. Dieser Meßwert wird über die Kommunikationsverbindung 15, 16 zur Instrumenteneinheit 1 gesandt, wie das auch mit dem Steuersignal und dem Vertikalwinkelsignal geschieht. In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Vertikalwinkel-Indikator 22', welcher ein digitales Ausgangssignal erzeugt, und der Horizontalrichtungs-Indikator 28 direkt mit der Steuerungseinheit 30 verbunden, welche die empfangenen Werte über eine Kommunikationseinheit 29 an die Antenne 15 übergibt.
Wenn der Lichtdetektor 7 den Empfang eines Signals vom Lichttransmitter 8 und dem Reflektor 11 angezeigt hat, geht die Steuerungseinheit 12 in ihren Zielverfolgungsmodus über, d.h. sie geht zu einer Programmschleife für eine servogesteuerte Nachstellung des optischen Systems der Instrumenteneinheit auf das Ziel üher. Zwei Hauptanwendungen können unterschieden werden: Erstens die Anwendung zum Messen und Bestimmen der Position der stationären Ziele, und zweitens die Anwendung zum Messen und Bestimmen der Position von bewegten Zielen. Im ersteren Fall, in welchem das Ziel stationär ist, verriegelt sich die Instrumenteneinheit von selbst an der Zieleinheit 2, die in dem betreffenden Punkt positioniert und geradegerichtet ist, wonach Entfernung und Winkel gemessen und die Position berechnet wird. Wenn Messungen bezüglich beweglicher Ziele durchgeführt werden, d.h. wenn bei Bauarbeiten abgesteckt wird oder wenn hydrographische Messungen durchgeführt werden, verfolgt die Instrumenteneinheit 1 die Bewegung der Zieleinheit 2 und übergibt die mittels wiederholter Entfernungs- und Winkelmeßvorgänge erhaltenen Meßwerte, so daß die Position relativ zur gewünschten Position durch den Instrumentenrechner berechnet und Informationen an das Personal gegeben werden können, welches die Absteckarbeit durchführt, oder zu einem Fahrzeug, beispielsweise einem Boot, abhängig von den jeweils besonderen Umständen. Gegenwartige Meßeinrichtungen sind in der Lage, etwa drei Positionswerte pro Sekunde zu erzeugen.
Mehrere zum Teil einander widersprechende Anforderungen werden in der Praxis an das oben beschriebene System gestellt. Beispielsweise muß das System in der Lage sein, Messungen sowohl kurzer Entfernungen als auch langer Entfernungen durchzuführen. Ziemliche Anforderungen werden auch an die Genauigkeit gestellt, mit der das Meßinstrument zu der Zieleinheit ausgerichtet werden kann, insbesondere wenn die Zieleinheit sich während der Messungen bewegt. Verfolgungssysteme, die unter bestimmten Umständen funktionieren, sind im Stand der Technik bekannt. Ein derartiges System verwendet Drehmodulation in der Peripherie um den eigentlichen Meßstrahl des Instrumentes herum und ist im schwedischen Patent 8402723-4 beschrieben. Obwohl dieses System zufriedenstellend funktioniert, ist es für eine Einbeziehung in eine Ausrüstung für Absteckzwecke und dergleichen verhältnismäßig teuer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Verfolgungssystem so aufgebaut, daß es exakte Messungen erlaubt und gleichzeitig die Arbeit der Bedienungsperson sowohl im Falle kurzer Entfernungen als auch langer Entfernungen vereinfacht. Die Anordnung ist mit einem sogenannten Aktivsystem und mit einem sogenannten Passivsystem ausgebildet. Mit aktiven bzw. passiven Systemen sind Systeme gemeint, in denen die Zieleinheit 2 entweder aktiv oder passiv als Transmitter wirkt.
Das aktive System umfaßt den Lichtdetektor 7, welcher mit dem Lichttransmitter 8 zusammenwirkt, der auf die Instrumenteneinheit 1 gerichtet ist. Sein Kegelwinkel, d.h. sein Lichtstreuwinkel kann in der Praxis beispielsweise ± 10 gon betragen, um einen Bereich von einigen hundert Metern bei normaler Empfindlichkeit und normalem Signal/Geräusch-Verhältnis für existierendes Detektormaterial zu erreichen.
Infolgedessen muß die Bedienungsperson die Zieleinheit 2 mit der Instrumenteneinheit 1 innerhalb etwa ± 1,6 rad (± 10 gon) ausrichten.
Das Aktivsystem wird vorteilhafterweise bei verhältnismäßig kurzen Entfernungen eingesetzt, da das System parallaxfrei gemacht werden kann, da es eine gute Punktdefinition bietet, d.h. der Illuminationspunkt auf den die Instrumenteneinheit ausgerichtet wird, kann eine kleine Ausbreitung erhalten.
Das von der Detektoreinheit 7 in der Instrumenteneinheit 1 empfangene Licht wird auf einen Halbleiter-Detektor gebündelt. Dieser Detektor hat eine ausgebreitete Oberfläche und es ist der Auftreffpunkt der einfallenden Strahlung auf dieser Fläche, die detektiert wird. Beispielsweise wird ein sogenannter SITEC-Detektor verwendet, dessen Ausgangssignal direkt die kartesischen Koordinaten des Auftreffpunktes liefert.
Andere Detektortypen, die den Ort des Auftreffpunktes erfassen, können ebenfalls verwendet werden. Zwei Ausführungen derartiger Detektoren sind in den Fig. 5 bzw. 6 dargestellt. Der Detektor in der in Fig. 5 dargestellten Ausgestaltung ist mit mehreren Segmenten 31, 32, 33, 34 ausgestattet, so daß er in der Lage ist, die Position des Instrumentenlichtes zu bestimmen. Wenigstens drei Segmente sind erforderlich, um Abweichungen zu erfassen, und zwar seitliche sowie vertikale Abweichungen, obwohl es einfacher ist, vier Segmente zu verwenden, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Jedes Segment ist in Sektoren aufgeteilt, nämlich 32a, 32b, 32c mit Bezug auf den Sektor 32,die sich radial nach außen aneinander anschließen, so daß die Steuerungseinheit 12 in der Lage ist, den Grad der Abweichung nach außen festzustellen. Wenn der Verfolgungsmodus eingestellt worden ist und das einfallende Licht auf dem zentralen Teil des Detektors zentriert gehalten wird, können die äußeren Segmente 32c usw. abgekoppelt werden. Man erhält dann ein verbessertes Signal/Geräusch-Verhältnis. Ein Fehlersignal wird als Messung des Ausrichtfehlers der Instrumenteneinheit zur Zieleinheit erzeugt, wobei dieses Signal von der Steuerungseinheit 2 dazu verwendet wird, die Instrumenteneinheit 1 mit einer Servosteuerung auf die Zieleinheit 2 auszurichten, so daß das Lichtsignal vom Lichttransmitter 8 so zentrisoh wie möglich auf den Lichtdetektor 7 fällt.
In der Ausgestaltung der Fig. 6 hat der Detektor eine quadratische Form, wobei er auch eine längliche Form haben könnte, und umfaßt vier innere Detektoreinheiten 35-38, die um einen Mittelpunkt C herum angeordnet sind und jeweils außen von einer entsprechenden äußeren Detektoreinheit 39-42 umfaßt werden. Dieser Detektortyp steuert ebenfalls die Kontrolleinheit 12 in der Instrumenteneinheit 1 mittels Servosteuerung auf die Zieleinhett, so daß das Lichtsignal vom Lichttransmitter 8 so zentrisch wie möglich auf den Detektor fällt.
Die in Fig. 1 dargestellte Einheit 13 ist so aufgebaut, daß sie das Segment und den Sektor innerhalb dieses Segmentes erfaßt, auf den das Licht auftrifft, und daß er an die Steuerungseinheit ein dieses Segment und diesen Sektor bezeichnendes Signal sendet.
Im Falle des Passivsystems wird der Lichtransmitter 9 an der Instrumenteneinheit 1 eingesetzt, wobei dieser Transmitter geeigneterweise eine Lichtemitter-Diode ist. Das vom Lichttransmitter 9 ausgesandte Licht wird von dem Würfeleckenprisma 11 an der Zieleinheit 2 reflektiert, die in diesem Fall die Passiveinheit ist. Das Prisma reflektiert das Licht innerhalb eines Raumwinkels von etwa ± 3,9 rad (± 25 gon), welcher die Ausrichtanforderungen bestimmt. In diesem Fall kann die Transmitterdiode 9 einen engen Kegel haben, welcher einen längerer Bereich bietet.
Die von dem Passivsystem gebotenen Vorteile sind demnach, daß es bei längeren Bereichen einsetzbar ist und daß es verhältnismäßig unempfindlich bezüglich der Ausrichtung ist, da der übertragene und der empfangene Lichtstrahl fast parallel zueinander innerhalb eines weiten Raumwinkelbereiches sind, wenn Reflexionen des Lichtes an der Zieleinheit 2 an einem Würfelprisma erfolgen.
Die Passiv- und Aktivsysteme können auch gleichzeitig eingesetzt werden. Das von den Transmitterdioden 8 und 9 ausgegebene Licht kann mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden und es kann der gleiche, in Fig. 1 dargestellte Detektor 7 verwendet werden, da die beiden Steuerungssignale dann aus den Ausgangssignalen des Detektors ausgewählt werden können. Die beiden Systeme werden demnach nicht gleichzeitig für Steuerungsaufgaben verwendet, sondern dazu, daß ein Vergleich der beiden System oder eine Diskriminierung von einem der Systeme kontinuierlich stattfindet. Der Vorteil des gleichzeitigen Einsatzes beider Systeme zu Detektierzwecken ist, daß es fast sichergestellt werden kann, daß ein korrektes Ziel gefunden wurde, wenn Signale gleichzeitig von beiden Systemen empfangen werden. Das ermöglicht es, Reflexionen von anderen Quellen der Umgebung, die keine Reflexionen der Zieleinheit 2 sind, auszuschließen.
Wie oben bereits erwähnt wurde, werden das Aktivsystem und das Passivsystem vorzugsweise zumindest während des Zielsuchmodus gleichzeitig eingesetzt. Wenn nur eines der Systeme eingesetzt wird, besteht offensichtlich ein Risiko, daß die Zielsuch- und -verfolgungsanordnung sich an einem falschen Ziel verriegelt. Das ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Der Lichttransmitter 8 und das Prisma 11 sind vor einer Wand angeordnet, die reflektierende Orte 52 hat. Eine Reflexionsfläche 53, beispielsweise ein Fenster, ist neben dem Verlaufsweg zwischen den Einheiten 8, 11 sowie dem Lichttransmitter 9 und dem Detektor 7 angeordnet. Mit 54, 55 ist der Verlauf 9, 11, 7 des geradlinigen Strahls bezeichnet. Mit 56 ist der Verlauf des geradlinigen Strahls von der Einheit 8 zum Detektor 7 bezeichnet.
Wenn jedoch nur das Passivsystem im Einsatz und das Aktivsystem 8 abgekuppelt wäre, dann könnte das Such- und Verfolgungssystem sich leicht an einem falschen Reflektor 52 verriegeln, was mit dem Strahlverlauf 57, 58 dargestellt ist. Wenn nur das Aktivsystem im Einsatz und das passive System 9, 11 abgekuppelt wäre, dann könnte sich das Such- -und Verfolgungssystem leicht an einem raschen Reflexionslichttransmitter 8' verriegeln, wie durch den Strahlverlauf 59, 60 dargestellt ist. Das Risiko für eine Verriegelung an falschen Zielen wird minimiert, wenn sowohl das Aktivsystem als auch das Passivsystem gleichzeitig eingesetzt werden.
Es trifft zu, daß auch das Passivsystem einen von der reflektierenden Fläche 53 reflektierten Strahlverlauf haben könnte, wie sich aus den gestrichelten Strahlverläufen 61, 62, 63, 64 ergibt; in einem solchen Fall wird dieser jedoch zweifach geschwächt, d.h. einer quadratischen Schwächung unterworfen, wenn er durch die Oberfläche 53 reflektiert wird. Der Lichtstrahl 59, 60 vom Lichttransmitter 8 über die reflektierende Fläche 53 wird nur einer Schwächung unterworfen. Demnach werden die Signalpegel vom Detektor 7 ebenfalls angezeigt und diskriminiert, wenn sie unter erwarteten Werten liegen oder wenn der Unterschied ihrer jeweiligen Signalpegel einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Fig. 8 zeigt schematisch, daß das Aktivsystem und das Passivsystem koaxial angeordnet sein könnten. Das an der Zieleinheit angeordnete Würfeleckenprisma 70 ist an seiner Würfelecke mit einem Lichttransmitter 71 ausgestattet. Ein zur optischen Achse 74 schräg angeordneter halbtransparenter Spiegel 73 reflektiert den von einem Lichttransmitter 72 kommenden Strahl für das Passivsystem über eine Linseneinheit 75 so, daß er durch das Prisma 70 reflektiert wird. Der vom Lichttransmitter 71 kommende Strahl und der vom Prisma 70 reflektierte Strahl gehen durch die Linseneinheit 5 und den halbtransparenten Spiegel hindurch und fallen auf den Flächendetektor 76.
Fig. 8 zeigt auch, daß der Strahlverlauf für die EDM-Einrichtung ebenfalls koaxial zum Such- und Verfolgungssystem angeordnet sein könnte, falls es erwünscht ware. Ein modulierter Lichtstrahl von einem Transmitter 77 wird von einem Spiegel 78 zu einem anderen, schräg zur optischen Achse 74 stehenden Spiegel 79 reflektiert. Der Spiegel könnte ein halbtransparenter Spiegel sein; wenn jedoch das von den Lichtquellen 72 und 77 kommende Licht unterschiedliche Wellenlängen haben, könnte er statt dessen ein dichroischer (zweifarbiger) Spiegel sein. In jedem Falle werden die Modulationsfrequenzen der beiden Lichtquellen so gewählt, daß sie sehr unterschiedlich sind, so daß sie beim Detektieren leicht ausgefiltert werden könnten. Der Meßstrahl wird vom Prisma 70, vom Spiegel 79 und einem weiteren Spiegel 80 reflektiert und fällt dann auf einen Meßdetektor 81.
Fig. 9 zeigt, daß die Richtung zum Ziel auch dann vom Auftreffpunkt auf der Oberfläche des Flächendetektors 7 bzw. 76 abgeleitet werden könnte, wenn das Such- und Verfolgungssystem nicht exakt auf das Ziel ausgerichtet ist. Es ist nicht erforderlich, die Motoren 3 und 4 durch Servosteuerung hin und her in eine exakte Ausrichtung einzustellen, da dieses die Motoren und das System nur belastet. Das Diagramm in Fig. 9 zeigt entlang der Y-Achse unterschiedliche Kurven des Signalpegels U des auftreffenden Strahls in Abhängigkeit von der Entfernung zum Ziel und die Winkelabweichung β von der optischen Achse des Detektors 7 bzw. 76 entlang der X-Achse. Der Signalpegel des jeweils einfallenden Strahls wird detektiert und er wird analog/digital gewandelt sowie der Steuerungs- und Recheneinheit 12 zugeführt, welche den Signalpegelwert mit einer Konstanten multipliziert, die für die gemessene Entfernung zum Ziel spezifisch ist und die aus einer Tabelle entnommen wird, die in einem nicht löschharen Speicher innerhalb der Einheit 12 gespeichert ist, wobei der Entfernungswert oder eine konvertierte Form desselben als Adresse verwendet wird.
Durch Bestimmen der Neigung der Kurve kann demnach eine Umformung von einem Spannungsausgangswert in einen zugeordneten Winkelfehler dem tatsächlichen Winkelwert hinzugefügt werden, welcher von den Winkelübertragern 18, 19 der Meßstation gelesen werden. Um die Neigung der Detektorkurve zu kalibrieren (d.h. Änderungen infolge Alterns und des Temperatureinflusses zu kompensieren), könnten die Servomotoren veranlaßt werden, kleine Winkeldrehungen auszuführen, die von den Winkelübertragern erfaßt werden; die zugeordnete Detektor-Spannungsänderung kann gemessen und die Neigung der Kurve berechnet werden.
Es sei bemerkt, daß die horizontalen und vertikalen Richtungen, auf die oben Bezug genommen wird, ihre Plätze tauschen können.

Claims

1. Anordnung zur Durchführung von Positionsbestimmungen und/oder Absteckarbeiten im Rahmen einer Ein-Mann-Vermessung, wobei die Anordnung eine Meßstation (1) umfaßt, die mit einem Instrument versehen ist, das mit Hilfe eines steuerbaren Vertikalwinkel-Motors (3) um eine horizontale Achse und mit Hilfe eines steuerbaren Horizontalwinkel-Motors (4) um eine vertikale Achse gedreht werden kann und das eine Steuerungs- und Recheneinheit (12) umfaßt, die einen Speicher aufweist und mit den Motoren (3, 4) verbunden ist, und wobei die Anordnung weiterhin eine Zieleinheit (2) umfaßt, die mit wenigstens einer Visier-Markierungs-Vorrichtung (8, 11) einer Visier-Markierungs-Anordnung (8, 9, 11) versehen ist, wobei diese Vorrichtung von einer Indikatoranordnung (7) an der Meßstation detektiert werden kann, wenn das Instrument mit der Zieleinheit ausgerichtet ist, und wobei die Anordnung dann, wenn die Indikatoranordnung (7) die Visier-Markierungs- Anordnung nicht detektiert, in einen Ziel-Suchmodus, in dem die Steuerungs- und Recheneinheit die Motoren so steuert, daß sie die Meßstation so drehen, daß sie auf die Zieleinheit (2) gerichtet wird, und dann, wenn die Indikatoranordnung die Zieleinheit anzeigt, in einen Ziel-Verfolgungsmodus mit einer Servosteuerung gebracht werden kann, um auf die Zieleinheit ausgerichtet zu sein, dadurch gekennzeichnet, daß die Visier-Markierungs-Anordnung eine Kombination aus einer ersten und einer zweiten Visier-Markierungs-Einheit umfaßt, von denen

a. die erste eine Lichtquelle (8) aufweist, die an der Zieleinheit (2) angeordnet und so ausgebildet ist, daß sie auf die Meßstation (1) gerichtet werden kann, wobei diese Lichtquelle eine erste Lichtcharakteristik besitzt und das von ihr ausgesandte Lichtbündel von der Indikatoranordnung (7) an der Meßstation detektiert werden kann, und von denen

b. die zweite eine Lichtquelle (9) aufweist, die an der Meßstation (1) angeordnet ist und eine zweite Lichtcharakteristik besitzt, sowie einen Reflektor (11) als besagte Visier-Markierungs-Vorrichtung, der an der Zieleinheit (2) angeordet ist, und wobei das vom Reflektor (11) reflektierte Lichtbündel von der Indikatoranordnung (7) an der Meßstation detektiert werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Recheneinheit (12) so ausgebildet ist, daß sie im Ziel-Suchmodus die Signale sowohl von der ersten als auch der zweiten Visier- Markierungs-Einheit gleichzeitig anzeigt und die Visier- Markierungs-Anordnung nur dann als gefunden bestätigt, wenn Signale von beiden Visier-Markierungs-Einheiten vorhanden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Recheneinheit (12) während einer Ziel-Verfolgungssequenz in der Weise arbeitet, daß sie von der Indikatoranordnung Signale empfängt, die die Signaleigenschaften sowohl der ersten als auch der zweiten Visier-Markierungs-Einheit darstellen, und daß sie das Auftreten einer Differenz betreffend die Auftreffpunkt-Positionen des Lichtdetektors (7) der Indikatoranordnung oder bezüglich der Signalstärke zwischen Signalen anzeigt, die von dem oder den Lichtdetektoren in der Indikatoranordnung bezüglich der beiden Visier- Markierungs-Einheiten angezeigt werden, und auch in der Weise arbeitet, daß sie Visiersignale von der zuerst erwähnten Visier-Markierungs-Einheit verwendet, um die Motoren des Instrumentes kontinuierlich für eine Ausrichtung mit der Zieleinheit servo-anzusteuern, wenn die angezeigte Differenz einen vorbestimmten Wert übersteigt, und andernfalls die von der anderen Visier-Markierungs-Einheit erhaltenen Visiersignale verwendet, um diese Servosteuerungsfunktion zu bewirken.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Recheneinheit (12) so ausgebildet ist, daß sie im Zielverfolgungsmodus nur die Signale von der ersten Visier-Markierungs-Einheit anzeigt, wenn die Meßstation eine Messung zum Ziel ausführen soll, wenn sie auf einen Punkt gesetzt ist, zu dem hin eine Messung auszuführen ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Lichtdetektoren (7) der Indikatoranordnung in verschiedene Segmente (31-34; 35-42) unterteilt ist und daß die Servosteuerung während der Zielverfolgungs-Sequenz so ausgeführt werden kann, daß alle Segmente zumindest in der Nähe eines zentralen Punktes in etwa im gleichen Ausmaß von der Lichtquelle (8; 9) deojenigen Visier- Markierungs-Einheit beleuchtet werden, deren Visiersignal für die Ausrichtzwecke in diesem Augenblick verwendet wird.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente in Sektoren vom zentralen Punkt nach außen unterteilt sind und daß die Servosteuerung in der Weise durchgeführt wird, daß das Licht von der Lichtquelle (8, 9) der zu diesem Zeitpunkt für die Ausrichtung verwendeten Visier-Markierungs-Einheit am stärksten auf die am dichtesten beim zentralen Punkt liegenden Sektoren auftrifft.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtdetektor einen SITEC-Detektor umfaßt.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- -und Recheneinheit mit einer Information bezüglich eines begrenzten Rotationsfeldes versehen wird, innerhalb dessen die Zieleinheit gefunden werden soll, und daß sie dann, wenn sie sich im Ziel-Suchmodus befindet, in der Weise arbeitet, daß sie die Motoren des Instrumentes veranlaßt, das Instrument lediglich innerhalb des begrenzten Rotationsfeldes zu drehen.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- -und Recheneinheit (12) so ausgebildet ist, daß sie beim Fehlen eines Signals von den Visier-Markierungs-Einheiten der Indikatoranordnung an der Meßstation in einen Ziel- Suchmodus gesetzt wird, in dem die Einheit die Motoren des Instrumentes so ansteuert, daß sie das Instrument in Ausrichtung mit Absteck-Stöcken drehen, was durch die Anzeige einer der Visier-Markierungs-Einheiten durch die Indikatoranordnung angezeigt wird.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Recheneinheit (12) im Ziel-Suchmodus in der Weise arbeitet, daß sie die Motoren veranlaßt, sich so schnell zu bewegen, daß das sich drehende Instrument daran gehindert wird, zwischendurch anzuhalten, wenn die Indikatoranordnung eine Visier- Markierungs-Einheit anzeigt, und daß die Steuerungs- -und Recheneinheit in der Weise arbeitet, daß sie die Rotationsstellung des Instrumentes zu dem Zeitpunkt anzeigt, in dem die Visier-Markierungs-Einheit angezeigt wird, um die Motoren zum Stillstand zu bringen und dann die Motoren zu veranlassen, das Instrument in die Rotationsstellung zurückzudrehen, in der die Visier-Markierungs-Einheit angezeigt worden war.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstation einen ersten Winkelmesser (18) umfaßt, der in der Weise arbeitet, daß er die Drehung des Instrumentes um eine der erwähnten Achsen mißt, daß die Zieleinheit (2) eine Visier-Einheit (21), wenigstens einen zweiten Winkelmesser (22) zum Messen der Ausrichtung der Visier- Einheit mit der Meßstation in der gleichen Richtung wie der erste Winkelmesser, eine Sendeeinheit, die mit dem zweiten Winkelmesser (22) verbunden ist, und eine Aktivierungseinrichtung umfaßt, um die vorherrschende Einstellung des zweiten Winkelmessers (22) bei einer Betätigung der Aktivierungsvorrichtung zu übertragen, und daß die Meßstation (1) einen Empfänger besitzt, der in der Weise arbeitet, daß er von der Sendeeinheit übertragene Signale empfängt und den Winkel berechnet, auf den der erste Winkelmesser (18) der Meßstation eingestellt werden muß, damit das optische System der Meßstation mit der Visier-Markierungs-Mordnung der Zieleinheit in irgendeiner Rotationsstellung um die zweite der besagten Achsen in Ausrichtung ist, und der dann, wenn er ein Signal empfängt, um die Steuerungs- und Recheneinheit (12) zu aktivieren, die Steuerungs- und Recheneinheit (12) so aktiviert, daß sie den Winkelmotor (3) des Instrumentes für eine Drehung um die durch den ersten Winkelmesser angezeigte Achse für eine Drehung zu der berechneten Richtung einstellt und dann den Winkelmotor (4), der nicht dem ersten Winkelmesser zugeordnet ist, zu veranlassen, daß er das Instrument dreht, bis die Indikatoranordnung der Meßstation die Visier-Markierungs-Anordnung anzeigt.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Neigung einer speziellen Detektorkurve bezüglich der exakten Ausrichtung der Meßstation zur Zieleinheit und in Bezug auf den tatsächlich gemessenen Abstand zur Zieleinheit, wobei diese Kurve für den Signalpegelwert in Abhängigkeit von der Winkelabweichung von der optischen Achse gegeben ist, gespeicherte Konstanten, von denen jede für einen gemessenen Abstand zur Zieleinheit spezifisch ist, wie er von der Meßstation gemessen wird, in einer Tabelle in einem nicht löschbaren Speicher gespeichert werden, wobei der Abstandswert oder eine umgewandelte Form des Abstandswertes als Adresse verwendet wird (Fig. 9).

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung der Neigung einer jeden solchen Detektorkurve die Steuer- und Recheneinheit so ausgebildet ist, daß sie die Servomotoren in der Weise steuert, daß sie kleine Winkeldrehungen ausführen, die von Winkelübertragern gemessen werden, um eine Messung der entsprechenden Detektorsignalpegel- Änderung zu liefern, und daß sie die Neigung der Kurve für den in Rede stehenden Abstand berechnet.