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Dokumentenidentifikation DE102004013072B4 20.07.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt
Anmelder Technische Universität Dresden, 01069 Dresden, DE
Erfinder Eng, Lukas, 01219 Dresden, DE;
Fuhrland, Matthias, 01159 Dresden, DE;
Möser, Michael, 01731 Kreischa, DE
Vertreter Hempel, H., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 01159 Dresden
DE-Anmeldedatum 13.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004013072
Offenlegungstag 06.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse G01S 11/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01S 5/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01B 9/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01C 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt zwischen einer lasergestützten Sendeeinheit und einer Empfangseinheit sowie eine dazu gehörige Vorrichtung.

Einerseits basieren herkömmliche ingenieurgeodätische Streckenmessverfahren fast ausschließlich auf dem Prinzip der elektrooptischen Zweiwegstreckenmessung mittels Lasertechnik.

Dabei steht eine aktive Einheit, die aus einem Sender und einem Empfänger besteht, einer passiven Einheit gegenüber, die den ausgesandten Zielstrahl zurück zur aktiven Einheit reflektiert. Gemessen wird die Laufzeit des Signals über dem Hin- und Rückweg.

Lediglich großräumige Positionierungsverfahren, wie die Satellitenpositionierung, z.B. GPS oder die Hyperbelortung, z.B. Loran C, basieren auf dem Prinzip der Einwegstreckenmessung, auch Pseudostreckenmessung genannt.

Ein Problem besteht darin, dass die Überlegungen, das Prinzip der Einwegstreckenmessung auf die Lasertechnik anzuwenden, sogenannte aktive Ziele bedingt, die ein gewisses Maß an Kommunikation zwischen dem Sender und dem Empfänger im Rahmen der Zielerfassung ermöglichen.

Ein Problem besteht auch darin, dass Schwierigkeiten vorhanden sind, Strecken zu einem verdeckten Objekt zu messen bzw. dessen Koordinaten zu bestimmen.

Es sind auch Standpunkt- oder Zielpunktexzentrizitäts-Bestimmungen in der Trigonometrie bekannt. Auch die Messverfahren zu einem vorgeschobenen Standpunkt, z.B. einem polaren Anhänger der tachymetrischen Vermessung sind bekannt.

Des Weiteren sind mechanische und optische, mit einem Laser durchgeführte Lotungsverfahren in der Druckschrift: Handbuch Ingenieurgeodäsie, Band 3, Grundlagen, Wichmann-Verlag Heidelberg beschrieben, die für die vertikale Punktübertragung im Tunnelbau angewandt werden. Es wird dabei optisch bei Schachttiefen ab 60 m und mechanisch ab 200 m in mehreren Stufen gelotet, was die Genauigkeit beeinträchtigt und den Messaufwand erhöht. Die Übertragung der Horizontalrichtung wird durch eine Doppellotung realisiert. Alternativ dazu kann die Horizontalrichtung unter Tage durch einen Kreiseltheodoliten bestimmt werden. Wenn der Schacht schräg abgeteuft ist, so ist es erforderlich, die Lotung in mehreren Stufen durchzuführen.

Durch die Komplexität und Kompliziertheit vieler Bausituationen beschränken sich Anwendungsfälle für indirekten Sichtkontakt, z.B. in der Industrievermessung nicht nur auf den horizontalen Fall, sondern betreffen auch stark geneigte Visuren und die vertikale Richtungsübertragung.

Andererseits gibt es für die zweiachsige Winkelmessung in der Geodäsie, der Photophysik und in der industriellen Messtechnik diverse instrumentelle Realisierungen.

Für die Nutzung des gesamten Winkelmessbereiches von 360° auf beiden Drehachsen haben sich Präzisionsteilkreise durchgesetzt, wie sie auch in elektronischen Theodoliten zum Einsatz kommen, Messungenauigkeiten von &sgr; ≥ 0,1 mgon für den direkten Rchsabgriff sind damit erreichbar.

Ein weiteres Verfahren für den direkten Rchsabgriff ist das Rund-InductoSyn-Verfahren, welches bei Drehung der Achse die Änderung eines Induktionsstromes misst.

Ein auf Sichtverbindung basierendes Messsystem ist in der Druckschrift von Nejat, Heerah, Benhabib: Line-of-Sight Task-Space Sensing for The Localization of Autonomous Mobile Devices, Proceedings of the 2003 IEEE, Conference of Intelligent Robots and Systems, October 2003, beschrieben, wobei das Messsystem in ein Mehrfach-Sichtverbindungs-System eingebracht ist, um Messdaten für eine geführte Bewegung bzw. Ablenkung zur Ortsfeststellung von mobilen Mitteln – Robotern – oder Fahrzeugen, die in einem Bereich frei verschiebbar oder rotierbar sind, bereitzustellen.

Das Sichtverbindungs-Modul besteht im Wesentlichen aus einem Laser, einem Galvonometerspiegel und einem Detektor, wobei der Galvanometerspiegel als Ablenkeinheit in einem oder in zwei Freiheitsgraden mechanisch bewegbar ist.

Das Minimum der erforderlichen Anzahl und die Arten der Sichtverbindungen in dem Aufbau des Mehrfach-Sichtverbindungs-Messsystems hängt von der Mobilität der Anforderungen an die Anschlussprobleme einerseits und zweitens vom Bewegungsbereich der mobilen Mittel oder des Fahrzeuges andererseits ab.

Ein Problem besteht darin, dass mit dem Galvanometerspiegel eine einfach funktionsfähige Ablenkeinheit für ein Laserstrahlenbündel vorliegt, mit der sowohl lasergestützte Streckenmessungen als auch lasergestützte Winkelmessungen nicht durchführbar sind. Auch ist es erforderlich, dass zwischen der Empfangseinheit und der Sendeeinheit immer ein Sichtkontakt vorhanden ist. Infolge des einfach funktionsfähigen Galvonometerspiegels kann des Weiteren eine differentielle Streckenmessung der Pseudostreckenortung zur Positionsbestimmung von Punkten nicht zum Einsatz kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Genauigkeit der Vermessungen verbessert werden kann. Außerdem sollen die Messungen in einfacher Weise und zeitsparend durchgeführt werden. Dabei sollen die Messungen auch bei ungünstigen Messbedingungen und schlechten Beobachtungsgeometrien, insbesondere bei einer Nichtsichtverbindung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit möglich sein.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Im Verfahren zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt zwischen einer lasergestützten Sendeeinheit und einer Empfangseinheit werden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Sendeeinheit ein Objektpunkt und der Empfangseinheit vier positionsfestgelegte Empfangspunkte zugeordnet und eine Kombination von Streckenmessungen und von Winkelmessungen zwischen der Empfangseinheit und der Sendeeinheit mit unterschiedlichem &xgr;&psgr;&zgr; und XYZ-Koordinatensystem mit Hilfe einer zwischen der Empfangseinheit und der Sendeeinheit platzierten, mit einem kardanisch aufgehängten Ablenkelement versehenen optischen Ablenkeinheit, die mit der Sendeeinheit und der Empfangseinheit in Sichtkontakt und für Reflexionen und zweiachsige Winkelablenkungen mit Hilfe zweier Laserstrahlenbündel vorgesehen ist, durchgeführt,

  • – wobei zu einer Streckenmessung zwischen einem Reflexionspunkt des Ablenkelements und den vier Empfangspunkten ein erstes durch eine Bündeloptik aufgeweitet eingestelltes Laserstrahlenbündel bei gemeinsamer Anzielung der vier Empfangspunkte eingesetzt wird und
  • – wobei zu den Winkelmessungen der Richtungen vom Reflexionspunkt aus zu den jeweiligen Empfangspunkten bei jeweils einer einzelnen Anzielung der vier Empfangspunkte das erste, parallel eingestellte Laserstrahlenbündel und ein Laser-Goniometer mit einem zweiten parallelen, von dem Ablenkelement zu einem Versatz ablenkbaren Laserstrahlenbündel eingesetzt werden,

Folgende Schritte werden dabei absolviert

  • – Festlegung unterschiedlicher räumlicher Positionen der vier Empfangspunkte der Empfangseinheit in dem festgelegten &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem (Schritt S1),
  • – Anordnung des zur Sendeeinheit gehörenden ersten Lasers an der zu bestimmenden Position des Objektpunktes im XYZ-Koordinatensystem (Schritt S2),
  • – Anordnung der optischen Ablenkeinheit an einer Position, von der aus die Empfangseinheit und die Sendeeinheit in Sichtkontakt stehen (Schritt S3),
  • – Reflexion des ersten Laserstrahlenbündels aus der Horizontalen in die Richtung der Empfangseinheit mittels der Ablenkeinheit im Reflexionspunkt (Schritt S4),
  • – Messung der Strecke zwischen dem Objektpunkt und dem Reflexionspunkt (Schritt S5),
  • – Messung von Pseudostrecken zwischen den Empfangspunkten und dem Reflexionspunkt mittels des vom Reflexionspunkt aus aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels (Schritt S6),
  • – Messung der Werte der Auslenkwinkel ϑ,&phgr; des vom Reflexionspunkt zu den jeweiligen Empfangspunkten gerichteten nicht aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels gegenüber der z-Achsenrichtung mit Hilfe des nicht aufgeweiteten zweiten Laserstrahlenbündels des Laser-Goniometers (Schritt S7) und
  • – Berechnung der Position des Objektpunktes und des Reflexionspunktes im &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem mittels einer Auswerteeinrichtung (Schritt S8).

Mit dem ersten Laserstrahlenbündel wird eine Messung der Strecke vom Objektpunkt zu den Empfangspunkten und mit dem parallelen zweiten Laserstrahlenbündel wird eine Messung der Auslenkwinkel ϑ,&phgr; des ersten parallelen Laserstrahlenbündels bezüglich der positionsfestgelegten Empfangspunkte zur z-Achsenrichtung vom Reflexionspunkt aus mit Hilfe der mit dem kardanisch aufgehängten Ablenkelement versehenen Ablenkeinheit durchgeführt.

Folgende Schritte zur Messung der Auslenkwinkel ϑ,&phgr; sind vorgesehen sind:

  • a) Umlenkung des parallelen bzw. auf unendlich fokussierten ersten Laserstrahlenbündels aus der Horizontalen in eine beliebige Richtung mittels der Ablenkeinheit und
  • b) Messung der Werte der Auslenkwinkel ϑ,&phgr; gegenüber der z-Achsenrichtung mit Hilfe eines Laser-Goniometers.

Die Messung der Streckenlänge zwischen den Empfangspunkten und dem Reflexionspunkt kann mittels einer Laufzeitmessung wahlweise unter Einsatz eines Impulsverfahrens in Form einer anderen Pseudostreckenmessung, z.B. auf Basis eines aufmodulierten Codes, durchgeführt werden.

Durch eine Aufweitung des zur Empfangseinheit gerichteten ersten Laserstrahlenbündels mittels einer vor dem Ablenkelement angeordneten Bündelungsoptik wird eine Bogenschnittgeometrie des ersten Laserstrahlenbündels erhalten, die zur Laufzeitmessung genutzt wird. Dabei werden vier Empfangsdioden zugeordnete Punkte an verschiedenen, im aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündel befindlichen Positionen &xgr;1,&psgr;1,&zgr;1; &xgr;2,&psgr;2,&zgr;2, &xgr;3,&psgr;3,&zgr;3; &xgr;4,&psgr;4,&zgr;4 vorgegeben und für die Pseudostreckenmessung festgelegt. Die Empfangspunkte haben zum Reflexionspunkt unterschiedliche Abstände, die mit entsprechenden Gleichungen ermittelbar sind.

Das Ergebnis der gemeinsamen Ausgleichung von räumlichem Bogenschnitt und Winkelmessung ist die Angabe der Position des Reflexionspunktes in der Ablenkeinheit und der Position des Objektpunktes in der Sendeeinheit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt weist im Wesentlichen eine auf das Objekt bezogene, lasergestützte Sendeeinheit, eine mit vier positionsfestgelegten Empfangspunkten versehene Empfangseinheit sowie zumindest eine dazwischen befindliche, mit einer Kardanaufhängung versehene optische Ablenkeinheit auf, wobei die Ablenkeinheit sowohl mit der Sendeeinheit als auch mit der Empfangseinheit einen Sichtkontakt hat und ein dazu gehöriges, mit einer Kardanaufhängung versehenes Ablenkelement aufweist, das eine Spiegelfläche zur Reflexion eines alle Empfangspunkte gemeinsam erfassenden und aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels zu Streckenmessungen und zwei sich parallel gegenüberliegende Spiegelflächen für zweiachsige Winkelablenkungen mittels eines parallelen zweiten Laserstrahlenbündels zu Winkelmessungen bezüglich des ersten Laserstrahlenbündels, das einzeln zu den Empfangspunkten zielgerichtet und nicht aufgeweitet ist, besitzt.

Zumindest für die Winkelmessungen der Auslenkwinkel ϑ,&phgr; des parallelen ersten Laserstrahlenbündels vom Reflexionspunkt aus zu den jeweiligen Empfangspunkten ist ein Zweiachs-Winkelmesser – ein Laser-Goniometer mit einem Etalon und dem parallelen zweiten Laserstrahlenbündel – eingesetzt.

Die Erfindung ermöglicht es, dass auch unter schwierigen Messbedingungen hochgenaue Positions- und Richtungsbestimmungen ohne direkten Sichtkontakt zwischen der Empfangseinheit und der Sendeeinheit durchgeführt werden können.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Messverfahrens bzw. einzelner Komponenten davon ist bei der vertikalen oder schrägen Schachtung im Berg- und Tunnnelbau sowie bei Punktübertragungen in der industriellen Messtechnik, im Industrie- und im Hochbau möglich.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten eines Objektpunktes ohne dessen direkten Sichtkontakt zur Empfangseinheit in einer Schachtanlage,

2 ein für eine Kombinationsmessung – einer Streckenmessung und einer Winkelmessung – vorgesehenes Zweiachs-Winkelmesser – Laser-Goniometer – in schematischer Darstellung und

3 eine schematische Darstellung des Verlaufs des aufgeweiteten Laserstrahlenbündels zwischen der Ablenkeinheit und der Empfangseinheit zur Pseudostreckenmessung.

In 1 ist als Beispiel in einer Schachtanlage 39 das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt zwischen einer lasergestützten Sendeeinheit 4 und einer Empfangseinheit 6 dargestellt.

Erfindungsgemäß werden der Sendeeinheit 4 ein Objektpunkt C und der Empfangseinheit 6 vier positionsfestgelegte Empfangspunkte A1, A2, A3, A4 zugeordnet,

  • – wobei eine Kombination von Streckenmessungen und von Winkelmessungen zwischen der Empfangseinheit 6 und der Sendeeinheit 4 mit unterschiedlichem &xgr;&psgr;&zgr;- und XYZ-Koordinatensystem 26, 27 mit Hilfe einer zwischen der Empfangseinheit 6 und der Sendeeinheit 4 platzierten, mit einem kardanisch aufgehängten Ablenkelement 11 versehenen optischen Ablenkeinheit 5, die mit der Sendeeinheit 4 und der Empfangseinheit 6 in Sichtkontakt und für Reflexionen und zweiachsige Winkelablenkungen mit Hilfe zweier Laserstrahlenbündel vorgesehen ist, durchgeführt wird,
  • – wobei zu einer Streckenmessung zwischen einem Reflexionspunkt B des Ablenkelements 11 und den vier Empfangspunkten A1 bis A4 das durch eine Bündeloptik 29 aufgeweitet eingestellte erste Laserstrahlenbündel 8 bei gemeinsamer Anzielung der vier Empfangspunkte A1 bis A4 eingesetzt wird und
  • – wobei zu den Winkelmessungen der Richtungen vom Reflexionspunkt B aus zu den jeweiligen Empfangspunkten A1 bis A4 bei jeweils einer einzelnen Anzielung der vier Empfangspunkte A1 bis A4 das parallel eingestellte erste Laserstrahlenbündel 8 und ein Laser-Goniometer 1 mit dem parallelen, von dem Ablenkelement 11 zu einem Versatz ablenkbaren zweiten Laserstrahlenbündel 9 eingesetzt werden.

Im Detail wird das erfindungsgemäße Verfahren mit folgenden Schritten dargestellt, die nicht unbedingt gemäß einer zeitlichen Reihenfolge nacheinander durchgeführt werden:

  • – Festlegung unterschiedlicher räumlicher Positionen der vier Empfangspunkte A1, A2, A3, A4 der Empfangseinheit 6 in einem festgelegten &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem 26 (Schritt S1),
  • – Anordnung des zur Sendeeinheit 4 gehörenden ersten Lasers 2 als Teil einer Sendeeinheit 4 an der zu bestimmenden Position des Objektpunktes C in dem vom &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem 26 abweichenden XYZ-Koordinatensystem 27 (Schritt S2),
  • – Anordnung der optischen Ablenkeinheit 5 an einer Position, von der aus sie sowohl mit der Empfangseinheit 6 als auch mit der Sendeeinheit 4 Sichtkontakt hat (Schritt S3),
  • – Reflexion des ersten Laserstrahlenbündels 8 der Sendeeinheit 4 aus der Horizontalen in die Richtung der Empfangseinheit 6 mittels der Ablenkeinheit 5 im Reflexionspunkt (Schritt S4),
  • – Messung der Strecke zwischen dem Objektpunkt C und dem Reflexionspunkt B (Schritt S5),
  • – Messung von Pseudostrecken zwischen den Empfangspunkten A1 bis A4 und dem Reflexionspunkt B mittels des vom Reflexionspunkt B aus aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündel 8 (Schritt S6),
  • – Messung der Werte der Auslenkwinkel ϑ,&phgr; des vom Reflexionspunkt zu den jeweiligen Empfangspunkten A1 bis A4 gerichtetten nicht aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels 8 gegenüber der z-Achsenrichtung mit Hilfe des nicht aufgeweiteten zweiten Laserstrahlenbündels 9 des Laser-Goniometers 1 (Schritt S7) und
  • – Berechnung der Position des Objektpunktes C und des Reflexionspunktes B im &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem 26 mittels einer Auswerteeinrichtung 30 (Schritt S8).

Die Empfangseinheit 6 besteht im Wesentlichen aus vier Empfangsdioden, die als Empfangspunkte A1, A2, A3 und A4 betrachtet werden.

Folgende detaillierte Schritte zur Messung der Auslenkwinkel – dem Schwenkwinkel ϑ und dem Kippwinkel &phgr; – sind vorgesehen

  • – Umlenkung des ersten Laserstrahlenbündels 8 aus der Horizontalen in eine Richtung zu den Emfangspunkten A1 bis A4 mittels der Ablenkeinheit 5,
  • – Messung der Werte der Auslenkwinkel ϑ und &phgr; bezüglich der vier Richtungen des nicht aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels 8 gegenüber der z-Achsenrichtung wahlweise mit einem Zweiachs-Winkelmesser – einem Laser-Goniometer – oder mit Teilkreisen.

Die Messung der Streckenlänge zwischen den Empfangspunkten A1 bis A4 und dem Reflexionspunkt B wird mittels einer Laufzeitmessung unter wahlweiser Verwendung eines Impulsverfahrens mit Hilfe des divergenten ersten Laserstrahlenbündels 8 durchgeführt. Die Messung der Streckenlängen BA1, BA2, BA3, BA4 setzt sich aus der Vorgabe eines Streckennäherungswertes und einer Teilmessung der Pseudostrecken A1–A2, A1–A3, A1–A4 zusammen.

Im Folgenden werden die 1, 2 und 3 gemeinsam betrachtet.

In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren von einer Empfangseinheit 6 aus mit fehlendem Sichtkontakt zur unterirdisch platzierten Sendeeinheit 4 in der Schachtanlage 39 schematisch dargestellt, wobei das Verfahren als eines der Anwendungsbeispiele aus den Positionierungsaufgaben oder den Richtungsübertragungen im Berg- und Tunnelbau dargestellt wird.

Dabei wird das erste Laserstrahlenbündel 8 (längs der X-Achse) im continous-wave-Modus von der Sendeeinheit 4 mit dem Objektpunkt C aus durch den kardanisch aufgehängten Spiegel 22 der optischen Ablenkeinheit 5 derart gezielt abgelenkt, dass, wie in 3 gezeigt ist, mindestens vier, die Empfangseinheit 6 darstellende punktbezogene Empfangsdioden A1 bis A4, je zwei auf einer Basis, mit festgelegten, vorgegebenen Koordinaten in dem &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem 26 das Laserlichtsignal des ersten Laserstrahlenbündels 8 empfangen. Dabei wird der Bezug zwischen dem festzulegenden XYZ-Koordinatensystem 27 und dem vorgegebenen &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem 26 gleichfalls hergestellt, um die &xgr;&psgr;&zgr;-Position des Objektpunktes C zu bestimmen.

Die vier Empfangsdioden A1 bis A4 in Punktausbildung dürfen nicht auf einem gemeinsamen Kegelmantel mit der Kegelspitze im Reflexionspunkt B der Ablenkeinheit 5 liegen, da sonst der räumliche Bogenschnitt 32 kein eindeutiges Ergebnis liefert. Eine Bündelungsoptik 29, die zwischen der Sendeeinheit 4 und dem Spiegel 22 angeordnet ist, dient dazu, das erste Laserstrahlenbündel 8 nach dem Reflexionspunkt B aufzuweiten, wobei die als aktive Ziele vorgesehenen Empfangsdioden A1 bis A4 das Feedback zur Zielerfassung liefern. Bei anschließender Pulsung bzw. Modulation des Lasers 2 können die Laufzeitunterschiede zwischen den vier Empfangsdioden A1 bis A4 gemessen werden. Die drei Laufzeitunterschiede zwischen der dem Reflexionspunkt B nächstgelegenen Empfangsdiode z.B. A1 und den restlichen drei Dioden A2, A3, A4 sind über die Lichtgeschwindigkeit in Streckendifferenzen umzurechnen. Mit einem Näherungswert für die Strecke sB-A1 zwischen dem Reflexionspunkt B und dem nächstgelegenen Empfangspunkt A1 als Additionskonstante, werden vier Näherungsstrecken erhalten. Der exakte Wert der Additionskonstante, vergleichbar mit dem Uhrsynchronisationsfehler bei GPS, wird durch das Verfahren des räumlichen Bogenschnittes mit vier Pseudostrecken eindeutig bestimmt bzw. bei gemeinsamer Ausgleichung von Winkel- und Streckenmessung als Unbekannte mitgeschätzt. Die Strecke zwischen dem Reflexionspunkt B und dem Objektpunkt C kann wahlweise durch einen Austausch der Sendeeinheit 4 und der Ablenkeinheit 5 bzw. durch eine Zweiwegstreckenmessung oder ein separates Streckenmessverfahren bestimmt werden.

Die Pseudostreckenmessung wird folgendermaßen durchgeführt:

Das von der Sendeeinheit 4 gerichtete erste Laserstrahlenbündel 8 wird vor seiner Reflexion durch den Spiegel 22 mit Hilfe der Bündelungsoptik 29 auf den Reflexionspunkt B fokussiert und danach aufgeweitet. Es werden vier räumlich versetzte, &xgr;&psgr;&zgr;-koordinatenmäßig festgelegte Empfangspunkte A1, A2, A3, A4 im aufgeweiteten Bündelbereich der Empfangseinheit 6 beleuchtet. Ziel des Verfahrensschrittes ist es, das Laserlicht des ersten Laserstrahlenbündel 8 an allen vier Empfangspunkten A1, A2, A3, A4 simultan zu empfangen. Bei anschließender Pulsung oder Modulation des ersten Laserstrahlenbündels 8 wird das modulierte Signal aufgrund der geometrischen Anordnung der Empfangspunkte A1, A2, A3, A4 zeitlich versetzt an den Empfangspunkten A1, A2, A3, A4 detektiert. Die Zeitversätze &Dgr;t zwischen A1 und A2, zwischen A1 und A3 bzw. zwischen A1 und A4 werden über die Lichtgeschwindigkeit im momentan vorhandenen Medium cM in drei Streckendifferenzen – Pseudostrecken – umgerechnet. Daraus lassen sich wie folgt vier Gleichungen zur Berechnung des räumlichen Bogenschnittes 32 mit den Pseudostrecken aufstellen, deren Lösung die vier unbekannten Größen: drei Koordinaten &xgr;B,&psgr;B,&zgr;B des Reflexionspunktes B der Ablenkeinheit 5 und die Strecke sB-A1 zwischen dem Reflexionspunkt B und dem Empfangspunkt A1 liefert:

Für die Berechnung wird für sB-A1 ein Näherungswert eingeführt, was die Lösungsfindung der Gleichungen erleichtert.

Die differentielle Messung zwischen den Empfangspunkten A1, A2, A3 und A4 ermöglicht es, dass entgegen den herkömmlichen Verfahren auf eine Reflexion zurück zur Sendeeinheit 4 verzichtet werden kann.

Der Vorteil des Verfahrens ist es, dass das Ergebnis der gemeinsamen Ausgleichung von räumlichem Bogenschnitt 32 und der Winkelmessungen die Angabe der Koordinaten-Positionen des Reflexionspunktes B und des Objektpunktes C im &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem 26 ist.

Bei ungünstiger Schnittgeometrie, also schmalen Basen oder langen Strecken, wirken sich die Ungenauigkeiten der Anschlusspunkte bzw. die Messungenauigkeiten besonders auf die Querabweichung der Position der Ablenkeinheit 5 aus. Für die Minimierung dieser Querabweichung und natürlich für die Bestimmung der Horizontalrichtung der Strecke BC sind die Winkel ϑ und &phgr; der Auslenkung des ersten Laserstrahlenbündels 8 zu den einzelnen Empfangsdioden A1 bis A4 zu messen.

Das Ergebnis der gemeinsamen Ausgleichung von räumlichem Bogenschnitt und der Winkelmessung ist zunächst die Angabe der Koordinaten-Positionen der Empfangseinheit 6 mit den Empfängerdioden A1 bis A4 im XYZ-Koordinatensystem. Durch anschließende Transformation in einer computergestützten Auswerteeinrichtung werden unter Verwendung der Empfangspunkte A1 bis A4 als Passpunkte die Koordinaten-Positionen des Reflexionspunktes B und des Objektpunktes C im &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem erhalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt weist eine auf das Objekt C bezogene, lasergestützte Sendeeinheit 4, eine mit vier positionsfestgelegten Empfangspunkten A1, A2, A3, A4 versehene Empfangseinheit 6 sowie eine dazwischen befindliche, mit einer Kardanaufhängung versehene optische Ablenkeinheit 5 auf, wobei die Ablenkeinheit 5 mit der Sendeeinheit 4 und der Empfangseinheit 6 Sichtkontakt hat und ein dazu gehöriges, mit einer Kardanaufhängung 12 versehenes Ablenkelement 11 aufweist, das eine Spiegelfläche 25 zur Reflexion eines alle Empfangspunkte A1, A2, A3, A4 gemeinsam erfassenden und aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels 8 zu Streckenmessungen und zwei sich parallel gegenüberliegende Spiegelflächen für zweiachsige Winkelablenkungen mittels eines parallelen zweiten Laserstrahlenbündels 9 zu Winkelmessungen bezüglich des ersten Laserstrahlenbündels 8, das einzeln zu den Empfangspunkten A1, A2, A3, A4 zielgerichtet und nicht aufgeweitet ist, besitzt.

In der 2 ist das Laser-Goniometer 1 dargestellt, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann.

Das in einer schematischen Darstellung gezeigte Laser-Goniometer 1 weist im Wesentlichen einen zweiten Laser 3, eine optische, von einer Kardanaufhängung 12 unterstützte Ablenkeinheit 5 und eine Detektoreinheit 7 auf, wobei das vom zweiten Laser 3 ausgehende zweite Laserstrahlenbündel 9 über die Ablenkeinheit 5 versetzt zur Detektoreinheit 7 geführt ist, die der jeweils empfangenden Fläche der Ablenkeinheit 5 zugewandt ist.

Die Ablenkeinheit 5 besteht im Wesentlichen aus einer befestigbaren Grundplatte 10, aus dem Ablenkelement 11, aus der kardanischen Aufhängung 12, in der sich etwa mittig das Ablenkelement 11 befindet, sowie aus zwei die kardanische Aufhängung 12 tragende Halteteile 13, 14, die fest mit der Grundplatte 10 verbunden sind. Die kardanische Aufhängung 12 befindet sich innerhalb der beiden Halteteile, einem Eingangshalteteil 13 und einem Ausgangsteil 14, und ist in Richtung zweier Achsen 15, 16 verschwenkbar gelagert, wobei das Eingangshalteteil 13 und das Ausgangshalteteil 14 auf der Grundplatte 10 in Flucht in X-Richtung des dem Objektpunkt C zugeordneten XYZ-Koordinatensystems 27 angebracht ist. Das Eingangshalteteil 13 ist nahe dem zweiten Laser 3 angeordnet, während das Ausgangshalteteil 14 der Detektoreinheit 7 näher zugeordnet ist.

Während die Detektoreinheit 7 in 1 innerhalb eines Gehäuses 37 der Ablenkeinheit 5 angeordnet ist, befindet sich die Empfangseinheit 6 in Form der vier Empfangsdioden A1, A2, A3, A4 z.B. außerhalb des Eingangs 38 des Schachtes 39, wie in 3 gezeigt ist.

Die Kardanaufhängung 12 besteht aus einem Rahmen 20, der mit zwei Schwenklagern 19, 19' und zwei Kipplagern 33, 36 in Verbindung steht. Das im Zentrum der Kardanaufhängung 12 aufgehängte Ablenkelement 11 kann in Form eines Etalons ausgebildet sein.

Das Etalon 11 kann im Wesentlichen aus zwei planparallelen, mit verspiegelten Oberflächen versehenen Platten 22, 23 bestehen, die durch Distanzstücke 28 an den Seitenrändern miteinander verbunden sind. Die Distanzstücke 28 und die Innenflächen der Planplatten 22, 23 bilden einen Hohlraum, durch den das zweite Laserstrahlenbündel 9 hindurchgeleitet und abgelenkt wird.

Das parallele erste Laserstrahlenbündel 8 erzeugt einen Laserspot 34 auf den Empfangsdioden A1 bis A4. Zur Pseudostreckenmessung kann eine Bündelungsoptik 29, wie in 2 und 3 gezeigt ist, in den Strahlengang CB vorzugsweise mit Hilfe von Piezostellgliedern 24 verstellbar eingebracht werden. Das zweite Laserstrahlenbündel 9 erzeugt auf der Aufnahmefläche der Detektoreinheit 7 einen zum Eingangsstrahlenbündel lageversetzten Laserspot 31.

Das Laser-Goniometer 1 kann im Schacht 39 fest auf einer Standvorrichtung 35 angebracht sein.

Die computergestützte Auswerteeinrichtung 30 steht zur Auswertung der Ergebnisse zumindest mit der Detektoreinheit 7 in signaltechnischer Verbindung.

Im Folgenden wird die Funktionsweise des dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordneten Laser-Goniometers 1 erläutert:

Das erste Laserstrahlenbündel 8 wird an der oberen, äußeren ersten Spiegelfläche 25 der ersten Planplatte 22 abgelenkt. Die Auslenkwinkel ϑ,&phgr; des ersten Laserstrahlenbündels 8 gegenüber der Z-Achse werden mit Hilfe des zweiten Laserstrahlenbündels 9 und der Detektoreinheit 7 gemessen. Das zweite Laserstrahlenbündel 9 wird durch Reflexionen an den beiden innenliegenden Spiegelflächen des Etalons 11 parallel versetzt. Eine Drehung der Welle 21 um die Kippachse 16 um d&phgr; bewirkt bei ϑ = 0 eine Änderung des vertikalen Versatzes. Bei einer Drehung des Rahmens 20 um die Schwenkachse 15 um dϑ wird das ausgelenkte zweite Laserstrahlenbündel 9 verschwenkt, wobei sich der horizontale und der vertikale Versatz ändern. Die Beträge des Versatzes des zweiten Laserstrahlenbündels 9 werden durch die Detektoreinheit 7, die wahlweise eine CCD-Kamerafläche, eine 4-Quadrantendiode oder eine Lateraleffektdiode sein kann, detektiert und können durch die feste Geometrie zwischen dem zweiten Laser 3 und der Ablenkeinheit 5 und der Detektoreinheit 7 in die Auslenkwinkel ϑ und &phgr; des ersten Laserstrahlenbündels 8 in der Auswerteeinrichtung 30 umgerechnet werden.

Der erste Laser 2 kann in Verbindung mit der Empfangseinheit 6 zur Durchführung einer Pseudostreckenmessung vorgesehen sein, wobei das erste Laserstrahlenbündel 8 an der oberen, ersten Platte 22 abgelenkt wird.

Für die Streckenmessung ist es zweckmäßig, wenn der Reflexionspunkt B des ersten Laserstrahlenbündels 8 mit dem Pivotpunkt lagemäßig übereinstimmt, dem rotationsinvarianten Schnittpunkt der Kardanachsen 15, 16, Für die Messung in zwei Etalon-Lagen ist die Lage des Pivotpunktes in der Mitte des Etalons 11 günstiger.

In diesem Fall wird die vom Kippwinkel &phgr; abhängige Verschiebung des Reflexionspunktes B entlang der Schwenkachse 15 rechnerisch in der Auswerteeinrichtung 30 berücksichtigt.

Bei der Winkelmessung, wie in 3 gezeigt ist, werden die Empfangsdioden A1 bis A4 einzeln angezielt. Das parallele erste Laserstrahlenbündel 8 wird also mit Hilfe des Spiegels 25 des Etalons 11 der Ablenkeinheit 5 und der Bündelungsoptik 29 in einem iterativen Vorgang – einer axialen Rasterung – über mindestens ein Piezostellglied 24 so ausgerichtet, dass das erse Laserstrahlenbündel 8 jeweils genau auf eine der Empfangsdioden, z.B. A1 fokussiert ist. Anschließend erfolgt der Winkelabgriff der Auslenkwinkel ϑ und &phgr; durch das Laser-Goniometer 1.

Die angestrebte Genauigkeit der Winkelmessung liegt unter 0,1 mgon bei einem Messbereich von ±10° für beide Winkel ϑ und &phgr;. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein großes Potential auf, um noch höhere Genauigkeiten bei kleineren Messbereichen zu garantieren und ist nicht zuletzt wegen seiner Unabhängigkeit von der Schwerkraft auch als separates Verfahren universell einsetzbar, z.B. für Anwendungen bei Neigungsmessern, zur Kalibrierung geodätischer Instrumente oder in der Photophysik.

Zur Streckenmessung kann wahlweise das aus der Fluoreszenz-Spektroskopie bekannte Verfahren des Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) eingesetzt werden, dessen Einsatz für Laufzeitmessungen in der Druckschrift Applied Optics, 37 (31), pp 7298–7304 A time-of-flight optical ranging system using time-correlated single photon counting, beschrieben und in 5 schematisch dargestellt ist.

Zur Pulsung des Diodenlasers 2 wird mittels eines Delay-Generators ein Rechteckimpuls erzeugt.

Bei der Laufzeitmessung werden jeweils die an zwei Empfängerdioden A1, A2 bzw. A3, A4 zeitlich versetzt detektierten Photonen für die Erzeugung von Start- und Stopsignal mit einem Trigger korreliert. Innerhalb des definierten TCSPC-Messbereiches kann nun die Laufzeitdifferenz bestimmt werden. Bei einer Signalbandbreite von 1 M-Sample/sec sind bis zu 106 Messungen/sec möglich, deren Ergebnisse nicht gemittelt, sondern in einem Histogramm erfasst werden. Mit dem Peak des Histogramms wird die Streckenlänge ermittelt.

1Laser-Goniometer 2Erster Laser 3Zweiter Laser 4Sendeeinheit 5Ablenkeinheit 6Empfangseinheit 7Detektoreinheit 8Erstes Laserstrahlenbündel 9Zweites Laserstrahlenbündel 10Grundplatte 11Ablenkelement 12kardanische Aufhängung 13Eingangshalteteil 14Ausgangshalteteil 15Schwenkachse 16Kippachse 17Eingangsöffnung 18Ausgangsöffnung 19erstes Schwenklager 19'zweites Schwenklager 20Rahmen 21Welle 22obere Platte 23untere Platte 24Piezostellglied 25Spiegelfläche 26&xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem 27XYZ-Koordinatensystem 28Distanzstücke 29Bündelungsoptik 30Auswerteeinrichtung 31Laserspot 32Kugelfläche 33erstes Kipplager 34zweiter Laserspot 35Standvorrichtung 36zweites Kipplager 37Gehäuse 38Eingang des Schachtes 39Schacht A1..A4Empfangspunkte BReflexionspunkt CObjektpunkt ϑSchwenkwinkel &phgr;Kippwinkel

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt zwischen einer lasergestützten Sendeeinheit (4) und einer Empfangseinheit (6),

    dadurch gekennzeichnet,

    dass der Sendeeinheit (4) ein Objektpunkt (C) und der Empfangseinheit (6) vier positionsfestgelegte Empfangspunkte (A1, A2, A3, A4) zugeordnet werden,

    – wobei eine Kombination von Streckenmessungen und von Winkelmessungen zwischen der Empfangseinheit (6) und der Sendeeinheit (4) mit unterschiedlichem &xgr;&psgr;&zgr;- und XYZ-Koordinatensystem (26, 27) mit Hilfe einer zwischen der Empfangseinheit (6) und der Sendeeinheit (4) platzierten, mit einem kardanisch aufgehängten Ablenkelement (11) versehenen optischen Ablenkeinheit (5), die mit der Sendeeinheit (4) und der Empfangseinheit (6) in Sichtkontakt und für Reflexionen und zweiachsige Winkelablenkungen mit Hilfe zweier Laserstrahlenbündel (8, 9) vorgesehen ist, durchgeführt wird,

    – wobei zu einer Streckenmessung zwischen einem Reflexionspunkt (B) des Ablenkelements (11) und den vier Empfangspunkten (A1 bis A4) das erste durch eine Bündeloptik (29) aufgeweitet eingestellte Laserstrahlenbündel (8) bei gemeinsamer Anzielung der vier Empfangspunkte (A1 bis A4) eingesetzt wird und

    – wobei zu den Winkelmessungen der Richtungen vom Reflexionspunkt (B) aus zu den jeweiligen Empfangspunkten (A1 bis A4) bei jeweils einer einzelnen Anzielung der vier Empfangspunkte (A1 bis A4) das parallel eingestellte erste Laserstrahlenbündel (8) und ein Laser-Goniometer (1) mit dem parallelen, von dem Ablenkelement (11) zu einem Versatz ablenkbaren zweiten Laserstrahlenbündel (9) eingesetzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,

    durch folgende Schritte gekennzeichnet,

    – Festlegung unterschiedlicher räumlicher Positionen der vier Empfangspunkte (A1 bis A4) der Empfangseinheit (6) in dem festgelegten &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem (26) (Schritt S1),

    – Anordnung des zur Sendeeinheit (4) gehörenden ersten Lasers (2) an der zu bestimmenden Position des Objektpunktes (C) in dem XYZ-Koordinatensystem (27) (Schritt S2),

    – Anordnung der optischen Ablenkeinheit (5) an einer Position, von der aus die Empfangseinheit (6) und die Sendeeinheit (4) in Sichtkontakt stehen (Schritt S3),

    – Reflexion des ersten Laserstrahlenbündels (8) aus der Horizontalen in die Richtung der Empfangseinheit (6) mittels der Ablenkeinheit (5) im Reflexionspunkt (B) (Schritt S4),

    – Messung der Strecke zwischen dem Objektpunkt (C) und dem Reflexionspunkt (B) (Schritt S5),

    – Messung von Pseudostrecken zwischen den Empfangspunkten (A1 bis A4) und dem Reflexionspunkt (B) mittels des vom Reflexionspunkt (B) aus aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels (8) (Schritt S6),

    – Messung der Werte der Auslenkwinkel (ϑ,&phgr;) des vom Reflexionspunkt (B) zu den jeweiligen Empfangspunkten (A1 bis A4) gerichteten nicht aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels (8) gegenüber der z-Achsenrichtung mit Hilfe des nicht aufgeweiteten zweiten Laserstrahlenbündels (9) des Laser-Goniometers (1) (Schritt S7) und

    Berechnung der Position des Objektpunktes (C) und des Reflexionspunktes (B) im &xgr;&psgr;&zgr;-Koordinatensystem (26) mittels einer Auswerteeinrichtung (30) (Schritt S8).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Laserstrahlenbündel (8) eine Messung der Strecken vom Objektpunkt (C) zu den Empfangspunkten (A1 bis A4) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Streckenlängen zwischen den Empfangspunkten (A1 bis A4) und dem Reflexionspunkt (B) mittels einer Laufzeitmessung unter Einsatz eines Impulsverfahrens in Form einer Pseudostreckenmessung durchgeführt wird.
  5. Vorrichtung zur Bestimmung von Punktpositionen bei indirektem Sichtkontakt zwischen einer lasergestützten Sendeeinheit und einer Empfangseinheit, wobei zwischen den beiden Einheiten zumindest eine optische Ablenkeinheit angeordnet ist, mit Hilfe des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeeinheit (4) ein Objektpunkt (C) und der Empfangseinheit (6) vier positionsfestgelegte Empfangspunkte (A1, A2, A3, A4) zugeordnet sind, wobei die Ablenkeinheit (5) sowohl mit der Sendeeinheit (4) als auch mit der Empfangseinheit (6) Sichtkontakt hat und ein dazu gehöriges, mit einer Kardanaufhängung (12) versehenes Ablenkelement (11) aufweist, das eine Spiegelfläche (25) zur Reflexion eines alle Empfangspunkte (A1, A2, A3, A4) gemeinsam erfassenden und aufgeweiteten ersten Laserstrahlenbündels (8) zu Streckenmessungen und zwei sich parallel gegenüberliegende Spiegelflächen für zweiachsige Winkelablenkungen mittels eines parallelen zweiten Laserstrahlenbündels (9) zu Winkelmessungen bezüglich des ersten Laserstrahlenbündels (8), das einzeln zu den Empfangspunkten (A1, A2, A3, A4) zielgerichtet und nicht aufgeweitet ist, besitzt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Winkelmessungen der Auslenkwinkel (ϑ,&phgr;) des parallelen ersten Laserstrahlenbündels (8) vom Reflexionspunkt (B) aus zu den jeweiligen Empfangspunkten (A1 bis A4) wahlweise ein Zweiachs-Winkelmesser – ein Laser-Goniometer (1) mit einem Etalon (11) und dem parallelen zweiten Laserstrahlenbündel (9) – eingesetzt ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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