CH680951A5

CH680951A5 -

Info

Publication number: CH680951A5
Application number: CH9390A
Authority: CH
Inventors: Wieland Feist; Wilfried Weigold
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1990-01-11
Publication date: 1992-12-15
Also published as: DD289906A7; DE3936966A1

Description

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CH 680 951 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Zielerfassung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 3, insbesondere mit einem Theodoliten oder solchen Messinstrumenten, bei denen Ziele in unterschiedlichen Entfernungen liegen, in Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen und der Senderlichtquelle.

Es sind eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen zur automatischen Zielerfassung bekannt, wie Einrichtungen zum Erfassen und Positionieren von Nahzielen durch die Erfassung der Struktur eines beleuchteten Zielobjektes (DE-OS 3 616 929, 3 233 013, US-PS 4 650 993, EP-PS 0 157 414) und Einrichtungen zum Erfassen von festen oder beweglichen Objekten (DE-OS 3 424 789, 3 518 036, EP-PS 0 227 999), wobei wie in der DE-OS 3 518 036 beschrieben, das Lichtbündel eine bestimmte Formung hat, so dass der Empfänger eine spezielle Ortung ausführen kann. Die verwendeten technischen Mittel zur Zielerfassung können Quadran-tenfotoempfänger, Raster, Matrixanordnungen von Sensoren oder mechanische Blenden in Form von Spiralen oder Streifen sein. Entsprechend dem Positioniersignal erfolgt dann eine Nachsteuerung des gesamten Messgerätes (DE-OS 3 424 789, 3 128 433), wobei die Abbildung und Fokussierung des Zielbildes in eine Bildebene einen speziellen Aufwand erfordern und die Anwendbarkeit der einzelnen Verfahren einschränken.

Aus der DE-OS 3 243 920 und 3 438 938 sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen Bilder oder Objekte mittels Bildsensoren mit oder ohne Abbildung abgetastet werden, wobei für kurze Objektentfernungen die Fokussierung erhebliche Vorrichtungen und technische Mittel erfordert. Es sind auch Festkörperkameras in Verbindung mit einem Fernrohr bekannt (DE-OS 3 229 771), die eine durch ein Treiberglied geregelte Irisblende verwenden, zur Regelung des Bildkontrastes.

Ziel der Erfindung ist ein technisch-ökonomisch einfaches Verfahren und eine Anordnung zur Zielerfassung, insbesondere mit einem Theodoliten, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigen und eine Basis zur Automatisierung schaffen, damit ein Beobachter am Messgerät weiter entlastet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Zieier-fassung insbesondere mit einem Theodoliten zu schaffen, mit denen nur ausgewählte Punkte eines Objektfeldes erfasst und abgebildet werden, ohne eine Fokussierung durchzuführen, damit die Nachteile einer Fokussierung für die exakte Abbildung der Einzelzielungen vermieden und der Messpro-zess vereinfacht wird.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur automatischen Zielerfassung insbesondere mit einem Theodoliten, wobei die von einer Lichtquelle des Zielfernrohres eines Theodoliten über einen Teilerspiegel durch ein Fernrohrob-jektiv ausgesendete Strahlung nach Reflexion in einem Zielpunkt von dem Fernrohrobjektiv wieder empfangen und auf eine in einer Bildebene angeordnete optoelektronische Messeinrichtung abgebildet und in einer dieser optoelektronischen Messeinrichtung nachgeordneten Auswerteeinrichtung ausgewertet und gespeichert sowie auf einem nachgeordneten Bildschirm angezeigt wird, wobei die Strahlung durch eine Blende begrenzt wird, dadurch gelöst, dass die vor oder hinter dem Fernrohrobjektiv angeordnete Blende von einer Steuereinrichtung nach einem Signal der optoelektronischen Messeinrichtung so gesteuert wird, dass ab einer bestimmten Grenzentfernung bei vorgegebener Intensität der Lichtquelle das Signal der maximalen Blendenöffnung proportional ist, dass dieses Signal für kürzere Zielentfernungen eine Verkleinerung des Durchmessers der Blende bewirkt, damit ein entsprechender Signalpegel, der von der optoelektronischen Messeinrichtung empfangenen Signale, bei der kürzer werdenden Zielentfernung konstant bleibt, dass die Signale der optoelektronischen Messeinrichtung in der nachgeordneten Auswerteeinrichtung so verarbeitet werden, dass sie Messwerte ergeben, die die Lage eines Zielobjektes gegenüber einem Bezugsobjekt darstellen, dass diese Messwerte auf einem der Auswerteeinrichtung in einem bestimmten Massstab nachgeordneten Bildschirm angezeigt und in einem in der Auswerteeinrichtung vorgesehenen Speicher digital festgehalten werden, wobei das Bezugsobjekt den Durch-stosspunkt einer optischen Achse auf dem Bildschirm darstellt.

Bei einer Übersteuerung der Messeinrichtung oder einer zu niedrigen Lichtintensität im Bereich bis zur Grenzentfernung bei kürzeren Zielentfernungen kann die Intensität der Lichtquelle nachgeregelt und bei grösseren Zielentfernungen die Intensität der Lichtquelle in Abhängigkeit von dem Signalpegel hochgeregelt werden, wobei eine Grundeinstellung abgespeichert ist.

Bei einer Anordnung zur automatischen Zielerfassung, insbesondere mit einem Theodoliten, umfassend ein Theodolitzielfernrohr mit einer Lichtquelle und Mittel zur Bewegung des Zielfernrohres und einer optoelektronischen Messeinrichtung, sowie Einrichtungen zur Registrierung, Auswertung und Anzeige eines Zielbildes wird die Aufgabe erfin-dungsgemäss dadurch gelöst, dass die optoelektronische Messeinrichtung eine CCD-Matrix oder ein Quadrantenphotoempfänger ist, und senkrecht zur optischen Achse des Zielfernrohres in zwei Koordinaten verschiebbar ist, wobei die Verschiebewege durch die Auswerteeinrichtung ermittelbar und registrierbar sind, und dass die Drehung der Theodolitstütze um die Stehachse und des Zielfernrohres um die Kippachse bei beweglichen Zielobjekten durch die Signale der optoelektronischen Messeinrichtung nachsteuerbar sind.

Die optoelektronische Messeinrichtung ist vorteilhaft entweder in einer ersten Bildebene des Fernrohrobjektivs in dem Schnittpunkt von Stehachse und Kippachse des Theodolits vorgesehen oder in einer zweiten Bildebene auf der optischen Achse des Fernrohrobjektivs wobei ein Zwischenabbildungssystem eine Vergrösserung oder Verkleinerung eines ersten Bildes in die zweite Bildebe-

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ne bewirkt. Die optoelektronische Messeinrichtung ist dabei vorzugsweise durch Piezomotoren bewegbar und es werden von ihr mehr als ein im Strahlenkegel der Lichtquelle bestehende, durch die Retro-reflektion im Zielpunkt signalisierte Zielpunkte getrennt geortet und auf dem Bildschirm angezeigt, wobei die Lichtquelle vorzugsweise eine Laseroder Leuchtdiode ist.

Weiterhin enthält die Auswerteeinrichtung vorzugsweise eine Zähleinrichtung, die die Abstände zwischen den einzelnen, auf dem Bildschirm angezeigten Zielpunkten in Koordinaten oder direkt ausgemessen von einer Registriereinrichtung erfasst und/oder den Messdaten des Theodolits zuordnet. Es handelt sich um zwei Varianten, die alternativ angewendet werden können. Die Auswerteeinheit enthält entweder eine Zähleinrichtung, die die Abstände zwischen den auf dem Bildschirm angezeigten Zielpunkten aus der Matrix ermittelt oder die gesamte Matrix mit dem von ihr verwirklichten Koordinatensystem mit einer Registriereinrichtung, die die auf dem Bildschirm angezeigten Zielpunkte erfasst. Diese auf beiden Wegen ermittelten Messdaten werden den Messdaten des Theodolits zugeordnet.

Das Zielfernrohr kann ausserdem mit einer Messeinrichtung zur elektrooptischen Streckenmessung koppelbar sein und der Bildschirm kann entweder anstelle eines Fernrohrokulares vorzugsweise am Zielfernrohr oder an einer Theodolitstütze vorgesehen sein.

Durch die Erfindung ist es möglich, dass der Aufwand zur Steuerung der Fokussierung bei der Zielung für kurze Entfernungen entfällt, durch die Intensitätssteuerung einer veränderlichen Blende. Gleichzeitig wird automatisch geregelt, dass stets nur das Bild der Öffnung des Fernrohrobjektivs, auch bis zur kürzesten, messbaren Entfernung zur Abbildung gelangt und damit eine exakte Messung bei gleichbleibender Zielgenauigkeit gewährleistet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin-dungsgemässen Theodolitenzielfernrohres

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines er-findungsgemässen Theodolitenzielfernrohres

Fig. 3 ein Blockschaltbild für den Messprozess.

Fig. 1 zeigt ein Zielfernrohr eines Theodoliten, umfassend einen Fernrohrkörper 1 mit sämtlichen Funktionsbaugruppen und eine Abdeckhülle 2. Der Fernrohrkörper 1 enthält ein Fernrohrobjektiv 3 sowie eine vor dem Objektiv 3 angeordnete, mit dem Objektiv 3 über einen Verschraubring 11 fest mit dem Femrohrkörper 1 verbundene Irisblende 4 mit den Blendenlamellen 5, zur Begrenzung eines ausgestrahlten Lichtbündels. Mit dem Mitnehmer der Lamellen 5 ist ein Zahnrad 6 verbunden, das durch ein Zahnrad 7 auf einer Achse 8 eines Motors 10 über ein Getriebe 9 angetrieben wird. Der Motor 10 ist am Fernrohrkörper 1 angeschraubt. In der halben Brennweite des Objektivs 3 ist ein halbdurchlässiger Spiegel 12, 45° zur optischen Achse A-A

des Zielfernrohres geneigt, in einem Spiegelhalter 13, der justierbar in dem Fernrohrkörper 1 angeordnet ist, vorgesehen. Am Fernrohrkörper 1 ist weiterhin eine Lichtquelle 17 in einem Halter 14 angeordnet, deren Strahlung über einen zweiten Umlenkspiegel 15 in einem Halter 16 über den ersten Spiegel 12 durch das Objektiv 3 auf einen, in einem Zielpunkt aufgestellten Retroreflektor trifft, wieder rückreflektiert wird und durch das Objektiv 3 auf eine optoelektronische Messeinrichtung 18 abgebildet wird, die in der ersten Bildebene des Objektivs 3 vorgesehen ist. Die optoelektronische Messeinrichtung 18 kann beispielsweise als CCD-Matrix oder als Quadrantenphotoempfänger ausgebildet sein und ist in einem Halter 19 mit einer Auswerte-elektronikeinheit 20 befestigt. Auf der optischen Achse A-A des Fernrohrkörpers 1 ist weiterhin ein der Auswerteelektronik 20 nachgeordneter LCD-Bildschirm 22 mit einer Ansteuerelektronik 21 angeordnet. Der Fernrohrkörper 1 trägt gleichzeitig Leiterplatten 23 und 24 mit einer nicht näher dargestellten, bekannten Auswerte- und Steuerelektronik für die Regelung des Motors 10. Parallel zur optischen Achse A-A ist eine Achse B-B eines Sucherfernrohres 25 mit einem Okular 26 angeordnet. Für die Eingabe der Signalpegelwerte der optoelektronischen Messeinrichtung 18 ist eine bekannte, nicht näher dargestellte Eingabevorrichtung 27 vorgesehen. Ein Auslöseknopf 28 dient nach einer Groban-zielung des Retroreflektors im Zielpunkt mit dem Sucherfernrohr 25 zur Auslösung des Zielerfassungsprozesses, dessen Messergebnis sofort auf dem LCD-Bildschirm 22 angezeigt wird, wobei zur Orientierung des Zielbildes ein Strichkreuz 30 auf dem LCD-Bildschirm 22 sichtbar ist. Das Strichkreuz kann als Zielmarke auf dem Bildschirm 22 vorhanden sein oder es wird durch die Auswerteelek-tronikeinheit 21 festgelegt, wobei der Mittelpunkt dieser Bezugsfigur beispielsweise einem Durch-stosspunkt 30 der optischen Achse A-A auf einer CCD-Matrix 18 entsprechen kann. Ein Blendenschirm 29 dient zur besseren Lesung der Anzeigen des Bildschirmes 22.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Zielfemrohres eines Theodoliten, wobei der Theodolit dargestellt wird durch einen Dreifuss 34, eine Theodolitenstütze 35 (Oberteil der Alhidade) mit einer Stehachse C-C, der vertikalen Drehachse des Theodoliten und einer Kippachse D-D, senkrecht zur optischen Achse A-A und dem Sucherfernrohr 25 mit der Zielachse B-B. Die Irisblende 4 ist hinter dem Fernrohrobjektiv 3 angeordnet und der Durchstosspunkt 30 liegt im Schnittpunkt der Stehachse C-C und Kippachse D-D. Ein Zwischenabbildungssystem 31 vergrössert oder verkleinert dann das erste Bild und bildet es in eine 2. Bildebene 36 ab, in der die optoelektronische Messeinrichtung 18 angeordnet ist und durch an sich bekannte, nicht näher dargestellte Piezomotoren 32, 33 in zwei Koordinaten senkrecht zur optischen Achse A-A verschoben werden kann, wobei die Messwerte an der optoelektronischen Messeinrichtung 18 direkt ermittelt werden.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild für den Messprozess dargestellt. Die optoelektronische Messein5

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richtung 18 beispielsweise eine CCD-Matrix mit einem Biidsensor wird über eine Ansteuerung 37 initialisiert. Die während der Abbildung des Zielbiides in der CCD-Matrix 18 entstehenden Signale werden gespeichert und der Auswerteelektronik 20, die einen Rechner umfasst, zugeführt. Von diesen Signalen wird entweder ein Maximalsignai oder ein Durchschnittssignal ermittelt und mit denen an der Eingabeeinrichtung 30 vorgegebenen Pegelwert verglichen. Bei Überschreitung des Pegel erfolgt in einem Regler 38 ein Signal zur Steuerung des Motors 10 solange, bis durch eine Verringerung des Blendendurchmessers 4 das Regelniveau erreicht ist, das in Abhängigkeit von der Lichtquelle 17 und den Daten des optischen Systems des Zielfernrohres der optischen Grenzentfernung entspricht. Mit der Regelung der Blende 4 wird erreicht, dass in allen Entfernungen stets die Objektivöffnung 3 entsprechend dem Blendendurchmesser 4 für eine exakte Zielbilderfassung abgebildet wird.

Um eine Übersteuerung der CCD-Matrix 18 für kurze Entfernungen zu vermeiden, ist ein Regier 39 vorgesehen, der bei Unterschreitung des Pegelniveaus eine Erhöhung der Intensität der Lichtquelle 17 bewirkt, die bei Verkürzung sofort zurückregelt. Die Zielerfassung eines Zieiobjektes auf der CCD-Matrix 18 erfolgt nur in ausgewählten Punkten. Dabei können mehrere im Öffnungskegel der Lichtquelle 17 gelegene und signalisierte Zielpunkte gleichzeitig auf die CCD-Matrix 18 abgebildet und wechselseitig zur Anzeige auf dem Bildschirm 22 gelangen. Bei beweglichen Zielobjekten erfolgt gemäss den Änderungen der Grösse der Bildpunktkoordinaten durch den Rechner der Auswerteelektronikeinheit 20 eine Ansteuerung von den Schrittmotoren 40 getrennt für Steh- und Kippachse C-C und D-D des Theodoliten. Für kleine Bewegungsbereiche treten an die Stelle der Schrittmotoren 40 die Piezomotoren 32 und 33, die die CCD-Matrix 18 direkt in zwei Koordinaten bewegen und die Verschiebebeträge werden, bezogen auf die Brennweite des Objektivs 3 auf dem Bildschirm 22 angezeigt. Die Steuerung erfolgt dabei über die bekannten, nicht näher dargestellten Eingabemittel 41. Ist das Zielfernrohr im Theodoliten angeordnet, speziell einem Digitaltheodoliten mit einem internen Rechner, dann besteht eine Datenschnittstelle 42, über die die Messdaten des Zielfernrohres in den internen Rechner des Theodolits übernommen werden können. Weiterhin können von dem Theodoliten Steuerwerte vorgegeben werden, um mittels des automatischen Zielfernrohres 1 den Theodolit auf signalisierte Zielpunkte vorzuorientieren. Durch das Zielfernrohr 1 werden dann die Achsendrehungen des Theodolits ausgeführt und mit den Piezomotoren 32, 33 die Feinanzie-lung. Es ist auch möglich, diese Anordnung zur automatischen Zielerfassung mit einem Tachymeter zu koppeln, dazu muss in dem Strahlengang des Zielfernrohres 1 auf der optischen Achse A-A ein weiterer teilverspiegelter Ablenkspiegel angeordnet sein, der die wieder durch das Fernrohrobjektiv 3 empfangenen modulierten Sendestrahlen einem eiektrooptischen Streckenmesser zuführt und/oder gleichzeitig den Zielstrahl darstellt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur automatischen Zielerfassung, insbesondere mit einem Theodoliten,

- wobei die von einer Lichtquelle des Zielfernrohres eines Theodoliten über einen Teilerspiegel durch ein Fernrohrobjektiv ausgesendete Strahlung,

- nach Reflexion in einem Zielpunkt von dem Fernrohrobjektiv wieder empfangen und auf eine in einer Bildebene angeordnete optoelektronische Messeinrichtung abgebildet,

- und in einer dieser optoelektronischen Messeinrichtung nachgeordneten Auswerteeinrichtung ausgewertet und gespeichert sowie auf einem nachgeordneten Bildschirm angezeigt wird,

- wobei die Strahlung durch eine Blende begrenzt wird, gekennzeichnet dadurch, dass die vor oder hinter dem Fernrohrobjektiv (3) angeordnete Blende (4) von einer Steuereinrichtung (10) nach einem Signal der optoelektronischen Messeinrichtung (18) so gesteuert wird,

- dass ab einer bestimmten Grenzentfernung bei vorgegebener Intensität der Lichtquelle (17) das Signal der maximalen Blendenöffnung proportional ist,

- dass dieses Signal für kürzere Zielentfernungen eine Verkleinerung des Durchmessers der Blende (4) bewirkt, damit ein entsprechender Signalpegel, der von der optoelektronischen Messeinrichtung (18) empfangenen Signale, bei der kürzer werdenden Zielentfernung konstant bleibt,

- dass die Signale der optoelektronischen Messeinrichtung (18) in der nachgeordneten Auswerteeinrichtung (20) so verarbeitet werden, dass sie Messwerte ergeben, die die Lage eines Zielobjektes gegenüber einem Bezugsobjekt (30) darstellen,

- dass diese Messwerte auf einem der Auswerteeinrichtung (20) in einem bestimmten Massstab nachgeordneten Bildschirm (22) angezeigt und in einem in der Auswerteeinrichtung (20) vorgesehenen Speicher digital festgehalten werden,

- wobei das Bezugsobjekt (30) den Durchstoss-punkt einer optischen Achse (A-A) auf dem Bildschirm (22) darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei einer Uebersteuerung der Mess-einrichtung (18) oder einer zu niedrigen Lichtintensität im Bereich bis zur Grenzentfernung bei kürzeren Zielentfernungen die Intensität der Lichtquelle (17) nachgeregelt und bei grösseren Zielentfernungen die Intensität der Lichtquelle (17) in Abhängigkeit von dem Signalpegel hochgeregelt wird, wobei eine Grundeinstellung abgespeichert ist.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein Theodolitzielfernrohr mit einer Lichtquelle (17) und Mittel zur Bewegung des Zielfernrohres und einer optoelektronischen Messeinrichtung, sowie Einrichtungen zur Registrierung, Auswertung und Anzeige eines Zielbildes, gekennzeichnet dadurch, dass die optoelektronische Messeinrichtung (18) eine CCD-Matrix oder ein Quadrantenphotoempfänger ist und senkrecht zur optischen Achse (A-A) des Zielfernrohres (1) in zwei Koordinaten verschiebbar ist,

- wobei die Verschiebewege durch die Auswerteeinrichtung (20) ermittelbar und registrierbar sind,

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- und dass die Drehung der Theodolitstütze (35) um die Stehachse (C-C) und des Zielfernrohres (1) um die Kippachse (D-D) bei beweglichen Zieiobjekten durch die Signale der optoelektronischen Messeinrichtung (18) nachsteuerbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die optoelektronische Messeinrichtung (18) vorzugsweise durch Piezomotoren (32, 33) bewegbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass eine erste Bildebene (30) des Fernrohrobjektivs (3) in dem Schnittpunkt von Stehachse (C-C) und Kippachse (D-D) des Theodolits vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die optoelektronische Messeinrichtung (18) in einer zweiten Bildebene (36) auf der optischen Achse (A-A) des Fernrohrobjektivs (3) vorgesehen ist, wobei ein Zwischenabbildungssystem (31) eine Vergrösserung oder Verkleinerung eines ersten Bildes in die zweite Bildebene (36) bewirkt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass von der optoelektronischen Messeinrichtung (18) mehr als ein im Strahlenkegel der Lichtquelle (17) bestehender, durch die Retroreflektion im Zielobjekt signalisierter Zielpunkt getrennt geortet und auf dem Bildschirm (22) angezeigt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Auswerteeinrichtung (20) eine Zähleinrichtung umfasst, die die Abstände zwischen den einzelnen, auf dem Bildschirm (22) angezeigten Zielpunkten in Koordinaten, oder direkt ausgemessen von einer Speichereinrichtung erfasst und/oder den Messdaten des Theodolits zuordnet, wobei der Bildschirm (22) ansteile eines Fernrohr-okulares vorzugsweise am Zielfernrohr (1) oder an einer Theodolitstütze (35) vorgesehen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Lichtquelle (17) vorzugsweise eine Laser- oder Leuchtdiode ist oder die modulierte Strahlung für die Streckenmessung eines Tachyme-ters darstellt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass das Zielfernrohr (1) mit einer Messeinrichtung zur elektrooptischen Streckenmessung koppelbar ist.

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