WO2006122747A1 - Verfahren und system zur lagebestimmung einer empfängereinheit - Google Patents

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WO2006122747A1
WO2006122747A1 PCT/EP2006/004606 EP2006004606W WO2006122747A1 WO 2006122747 A1 WO2006122747 A1 WO 2006122747A1 EP 2006004606 W EP2006004606 W EP 2006004606W WO 2006122747 A1 WO2006122747 A1 WO 2006122747A1
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WO
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radiation
reference points
receiver unit
reference point
projection
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PCT/EP2006/004606
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English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Benz
Jürg Hinderling
Original Assignee
Leica Geosystems Ag
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/87—Combinations of systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/875—Combinations of systems using electromagnetic waves other than radio waves for determining attitude
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S5/163—Determination of attitude

Definitions

  • the invention relates to a method for SiegbeStimmung a receiver unit according to claim 1 and a system for determining the position according to the preamble of claim 11.
  • the problem definition thus includes the determination of position and orientation as two basically separately solvable tasks, which however have to be carried out in a linked manner for many applications.
  • position and orientation of a mostly hand-held measuring device are needed.
  • An example of positioning systems are global positioning systems such as GPS, GLONASS or the European Galileo system under development. These systems are based on the most undisturbed reception of satellite signals, which can also be shaded by obstacles and thus limited in their usability. In the immediate vicinity of obstacles can be limited or completely impossible due to their shading effect, the reception of the signals, so that a position determination with this system is no longer possible. These restrictions relate in particular to indoor measurements of buildings in which the reception of a number of satellites required for positioning is generally precluded. Another problem is that global positioning systems do not always provide the required accuracy of position determination or require increased effort, eg by using a reference station or longer measurement times.
  • Another example is the position determination of a reflector-bearing instrument with a theodolite or tachymeter.
  • a direction and distance measurement with the total station to the geodetic instrument can be determined at a known position of the tachymeter and the position of the instrument.
  • a quasi-continuous position determination can be achieved.
  • Prerequisite for the measurement is the line of sight between the two components. If an interruption of this single connection, eg by vegetation or buildings in the field of vision fails, the type of position determination.
  • a common variant are so-called Robotic Total Station Systems, which are served by the target or the pole.
  • Such one-man operating devices are commercially available and are offered by many manufacturers.
  • the automated and usually with video camera supported theodolite serves as a fix station, which tracks the hand-held target or pole visually.
  • the coordinates of the destination point are calculated at the central station, transmitted to the destination unit and displayed there.
  • These devices also all have the disadvantage that direct visual connection to the target or pole must exist.
  • the dynamic tracking has additional disadvantages, since at high accelerations, the fixed station may lose the target.
  • the determination of the actual position or actual orientation is carried out by a measurement of the reference points and / or further measurements, such as a tilt measurement and thus with respect to the vertical or horizontal, from the conclusions about the own location or the current position or the actual orientation can be derived.
  • the determination of position and / or orientation can be absolute, i. by isolated measurement to points of known position, or relative, i. done observing the change from a zero position of known position or orientation.
  • a geodetic instrument has only a capacity for distance measurement or a measurement of angles can not be performed with the required precision or speed.
  • the position determination must be carried out solely by distance measurements.
  • the distances to several points are measured with a known position and with known methods, such as those used for example in photogrammetry, the determination of the actual position can be done.
  • the number of points required depends on their location and the intended accuracy of the measurement. As a rule, apart from particularly favorable constellations, at least 3 or 4 points are required. If, in addition, an angle is taken into account, eg by additionally detecting the angle with respect to the horizontal, the number of points can be reduced to two.
  • the number of points actually required depends on the location of the known points and possibly possible restrictions to reduce ambiguity.
  • the three known positions define a plane at which the actual position to be determined can be mirrored.
  • one position is usually due to plausibility reasons, e.g. because it would be below the surface of the earth, or excluded due to simple further information, e.g. the distinction between north and south, which can also be met by a simple magnetic compass.
  • An unambiguous determination with three known points is possible if favorable geometrical conditions are present. This is the case, for example, if the sought position lies on a connecting line between two known points.
  • the known approaches of the prior art are usually based on the attachment of sufficiently many radiation sources, for example in the microwave range, at precisely known locations. Compared to these transmitters, the absolute or relative position can then be determined. However, you have to For this many sources are positioned and measured, which requires a high equipment and handling costs.
  • the reference points must be actively scanned and illuminated with a laser beam, so that the receiving component in the meter must be designed very complex.
  • transmitter and receiver are placed in a single device and structurally interconnected, so that, for example, not multiple receivers can use the light of a common, central transmitter, which is due to the passive design, ie only in reflection of the light emitted by the meter light signal conditional ,
  • this design limits the number of useful reference points, since these can only be sampled within the emission cone of the transmitter in the measuring device and also sequentially.
  • the objective reference points must be attached and measured before the measurement, which requires some effort or is impossible in some areas.
  • the detection of a reference point may cause problems because a reference point during a scanning movement is not always clearly recognizable, for example, when the laser beam hits a shiny object, which can then be mistakenly interpreted as a reference point.
  • an image pickup method can be used, but the device in particular makes the optical path even more complex. Basically, this problem also applies to the identification of the reference points.
  • a device from US 6,381,006 with 3 reference stations which emit fanned laser radiation.
  • the system is operated from the target or the pole.
  • the spatial coordinates are defined by the 3 emitted light fans.
  • On the hand-carried target or pole there are 3 directional sensors, which measure the position of the target or the pole in space using the light fans. The position at the target point is therefore determined.
  • the target or pole can also be equipped with a reflectorless distance meter to measure or stance hard-to-reach measuring points.
  • the device has the disadvantage that at the same time as 3 reference stations, which generally have to be placed at eye level, there is the requirement of a line of sight connection. In construction or on busy construction sites this condition is hardly fulfilled.
  • the technical design of the reference stations designed complex the cost is increased by the requirement of a plurality of such stations again.
  • An object of the present invention is to provide a simplified method and apparatus
  • a further object is to simplify or improve the handling in the establishment of such a system and its components.
  • the invention relates to a method for determining a position and / or an orientation of a receiver unit and to a system for determining a position and / or an orientation.
  • the inventive approach is based on replacing the direct positioning of radiation sources or objects that can be illuminated by such sources by a projection of reference points.
  • a set of detectable radiation or light spots are generated by one or more projection units, which are detected and evaluated as reference points by a receiving unit. Both relative and absolute positioning or orientation determinations can be carried out.
  • the reference point generating means and the receiving unit can be positioned independently of one another, so that a set of reference points is fixedly provided by the reference point generating means, with respect to which the receiving unit is oriented or determined in its orientation or position.
  • no reference points need to be placed; panels, reflective tapes, white painted walls or other objects that may represent natural surfaces or are present anyway are sufficient.
  • the transmitter irradiates the diffuse or partially specularly reflecting objects and the reference objects are created only by the light spot on the object.
  • a correspondingly large number of reference points, ie number of reference points is determined by the number of laser projections, wherein the projection units are again independent of the meter or the receiving unit and theoretically can be arbitrarily large.
  • the availability of the reference points is high, the projection unit or its entirety can continuously generate the corresponding reference points on the object.
  • the reference point generating means which can be preferably designed as a multi-transmitter unit
  • the number of laser beams emitted is at least 3, but typically there are 4 laser units or projections of reference points Depending on the geometry, the area to be covered and the number of detectable reference points Environmental conditions, such as obstacles, the total amount to be projected reference points may be less than 3 or even significantly greater than 4.
  • the projection can be generated by a single multi-transmitter unit or even by a plurality of such units, wherein the units can be in communication with each other.
  • the radiation can be transmitted to a common source and projected via a relay station.
  • the reference points can be projected in principle simultaneously, but also in sequential order with a correspondingly high rate, but this is advantageously chosen so that a continuous, ie continuous or uninterrupted optical connection of the receiving unit to the projected reference points can be maintained.
  • the detection of the reference points for several, ie in particular three reference points can take place simultaneously or at a correspondingly high rate for maintaining the optical link.
  • the light to be projected is also modulated high-frequency, in particular intensity, phase or polarization modulated, the radiation can be in the visible as well as in the infrared wavelength range or in even longer wavelength ranges.
  • the preferably collimated and emitted light beams strike fixed surfaces and are reflected by them into the space, in particular into the area to be measured.
  • the reflection can be diffused or directed, wherein the reflective surfaces natural surfaces, such as walls of a space to be measured, reflective surfaces, such as Window fronts or special, artificially acting as satellites reflection marks or special reflective materials can be placed or mounted at appropriate locations. Also, brands with a transmittive or combined effect can be realized.
  • the laser units or radiation projectors emit modulated radiation, wherein, for example, the modulated light of the 3 or more transmitting units is coupled to one another in a phase-locked manner.
  • the information associated therewith is designed in such a way that it is possible to determine from the propagation time or phase position of the modulation an mm-accurate or even sub-mm-accurate distance information, which can be regarded as a typical measure of the required geodetic measuring accuracy.
  • the laser beams are modulated, phase-locked with respect to each other in time or locked in time, and transmit the transit time or phase of the laser projector via the reference points forming objects to - from the transmitter spatially separated - receiver.
  • the connection to the object of reflection is or can at least be permanently maintained.
  • the whole area to be measured permanently flooded with measuring light.
  • the availability of the distance information is thus large in comparison to a scanning and searching movement.
  • the laser light scattered at the satellites, reference points or walls is generated by these 3, typically 4 Transmitting units, detected.
  • the position of the detector can be calculated from the relative propagation times or phase positions of the modulation forms.
  • the reference points are placed in such a way that they can be viewed by the space to be measured.
  • the projection it is also possible to generate the reference points at elevated points, so that a good detectability is ensured.
  • the projection can be done on any existing, suitable structures, such as ceilings of interiors, or even on special objects. Such objects are, for example, surface spheres or reflecting plates which can be glued on to natural surfaces and which can be placed in an accessible manner by means of an extendable rod.
  • the position or orientation determination is made either relative to an excellent neutral position known in its position or absolute.
  • the measuring device is placed with the receiver unit at the position of the zero position and the radiation of the reference points is detected and measured. If the coordinates of the reference points are known, this can be done by a prior measurement, then the receiver can start directly with the relative position or orientation determination. It is determined based on the change of the radiation imprinted or modulated characteristics of the deposit relative to the zero position.
  • the position of the reference points can be determined in the sense of a backward incision method.
  • the hand-held receiver unit will be moved to the location
  • the zero position is preferably placed at one, two or three further known locations which, together with the zero position, span the direction and length of the unit vectors of the one-, two- or three-dimensional coordinate system.
  • the approach to absolute positioning or orientation is thus based on the knowledge of the position of the detected reference points, so that they must be previously measured or placed at known with respect to their position points. From the knowledge of the absolute position of the reference points, their distances to the laser projector and the received modulated signals, the absolute position or orientation of the receiver unit can be derived.
  • Both the absolute and relative orientation measurements involve the analysis of the radiation from the reference points for distance information, considering either the distance itself or the change in a distance.
  • the well-known distance measuring methods such as phase measurement or transit time measurement can be used, wherein for example the relative temporal position of a signal applied to the radiation or a phase angle form the basis of the measurements.
  • a first approach according to the invention for signal processing of the received radiation is based on the phase measurement principle, the principle being similar to the GPS surveying method. According to the invention, however, in contrast to the GPS method, not the phase of the one carrier signal but the intensity or polarization modulation of the laser light is measured and evaluated according to the phase measurement principle in the sense of a conventional distance meter.
  • each laser source can be modulated with its own frequency. For example, the following frequencies are useful for distinguishing the individual transmitters: 33 MHz, 31 MHz, 29 MHz, 27 MHz.
  • the received at the receiver unit signal can then be divided into frequencies and their phases are determined individually.
  • the receiver unit measures the phase of the radiation scattered by the reflection points.
  • a clock signal which is generated by a quartz-accurate local oscillator as a time standard
  • the phase of the signals associated with the transmitting units is measured. If the receiver unit is provided with an atomic clock, then already 3 modulated transmission signals are sufficient, in the case of a less accurate time standard at the receiver unit at least 4 modulated transmission signals are required in order to achieve a position determination with mm accuracy.
  • the heterodyne method used for the phase distance measurement can be used for frequency transformation. This makes it possible to realize the phase measurement of low-frequency signals by means of digital electronic components and evaluation. According to the known methods of signal evaluation of GPS systems, the absolute phases (ambiguity resolution, number of modulation wavelengths), so that the distances to the satellites and finally the position (3 coordinates x, y, z) of the receiver unit can be determined.
  • a more complex modulation method of the laser light can also be used. For example, by means of a bimodulation, the number of modulation wavelengths can be derived, in which two frequencies or a frequency with phase shift keying are modulated onto the carrier light simultaneously.
  • a second inventive approach can be realized by the method of pulsed transit time measurement.
  • light pulses are emitted by the laser gun, which in turn are mutually temporally delayed and rigidly coupled together.
  • the uniqueness range and thus the measuring range of the device can be several 100 m to 1000 m.
  • the identification of the reference or reflection points can in turn be made possible by different carrier or light wavelengths. In the simplest case, these can be masked by a temporal succession of the light pulses.
  • the individual laser sources or satellites become corresponding Assigned time intervals.
  • One of the pulses can be additionally provided with a coding feature to identify the beginning of the sequence. For example, a longer blueprint is added to the last pulse until the pulse sequence repeats at the first beginning.
  • the identification of the individual laser sources is also possible by means of a continuous recording and analysis of the delay of the individual pulses as an incremental method.
  • this approach has fundamental problems with beam interruption.
  • the transit time measurement has advantages such as higher sensitivity, higher measurement speed, higher range, but in particular the higher robustness to ambient light.
  • a frequency synthesizer is easier to implement, since a single pulse frequency is sufficient for all laser sources.
  • a connection of the relative referencing to a spatially bound or superordinate coordinate system can be achieved by different approaches.
  • the position of the side wall can be recorded by means of a 3-point measurement. Subsequently, the receiver unit is able to continuously determine the distance to the wall.
  • Another method of setting up can be done by means of suitable accessories.
  • suitable accessories are plumb line, solder laser, fitted with tilt sensor Richtfernrohre, but also cross sights or prism crosses for a referencing along a line between 2 points and their normal.
  • Fig.l the representation of a first application example of the inventive method for determining the position of a construction machine
  • FIGS. 2-3 show the representation of a second application example for the method for determining the position of a construction machine according to the invention
  • 4 to 6 show a third application example of the method according to the invention for determining the position of a hand-held measuring device
  • FIG. 11 shows the illustration of a first exemplary embodiment of the receiver unit according to the invention.
  • a first application example of the inventive method for determining the position of a construction machine 4 is shown.
  • the construction machine 4 is in a pit, so that a direct targeting by a centrally positioned unit, such as by a total station, is not possible.
  • a set of reference points 2 is projected by a radiation projector 1, which in turn can be detected by the construction machine 4.
  • electromagnetic radiation S preferably laser light
  • electromagnetic radiation S is guided to places visible from the construction machine 4.
  • special components such as the projection panels 3 shown here purely by way of example.
  • These projection panels 3 may, for example, have a white or spectrally optimized surface, which is arranged extendable on a stand. Through a plurality of such projection panels 3, a coverage of the processing area can be effected.
  • natural surfaces can also be used, these possibly also being replaced by special treatment, such as smoothing, or the application of components such as reflective or reflective films, reflective paint or sphere spheres, can be adjusted in their reflection characteristics.
  • the radiation projector 1 now projects the electromagnetic radiation S onto existing structures and thus generates a set of reference points 2 '.
  • sphere spheres can be illuminated with a collimated laser beam so that a larger part of the space is illuminated by the reflected radiation.
  • beam diameter and ball diameter are matched to each other.
  • the special components such as the projection boards of Fig.l, and natural structures can be used together.
  • FIG. 3 explains the position determination of the construction machine 4 on the basis of the projected reference points 2 '.
  • the construction machine 4 detects the reference points 2 'of the reference point quantity that fall into the detection area 6 of a receiver unit 5.
  • the number of reference points 2 'required to determine the position is dependent on the desired accuracy as well as on possible restrictions of the degrees of freedom by predetermined information or constraints, e.g. moving on a leveled surface without any bumps. In general, however, four reference points 2 'are needed to determine, in a manner similar to a global positioning system, the location of the receiver unit 5 and thus the construction machine 4.
  • FIG. 4 to 6 show the illustration of a third example of an application for the method according to the invention for determining the position of a hand-held measuring device inside a building.
  • a radiation projector 1 ' is set up in a room inside a building in such a way that it can project a set of several reference points 2 "onto the wall with the radiation S generated by it.
  • a subset of these reference points 2 '' is detected by the detection area 6 'of a receiver unit 5', so that, as shown in Figure 5, a combination of radiation projector 1 'and receiver unit 5' takes place over the distances covered by the radiation.
  • the coordinates of the radiation projector and reference points are known, it is possible to derive the position of the receiver unit 5 'from the knowledge of these sections or the sections of the reference point 2 "to the receiver unit 5'.
  • the coordinates of the radiation projector and reference points can be determined, for example, as part of the setup process by means of a theodolite.
  • the receiver unit 5 ' is initially positioned in a known zero position NL at the beginning of the method. In this zero position NL, an initial measurement to the reference points 2 '' takes place. After initial measurement, the actual measurement tasks are performed, with the receiver unit 5 'being moved into the respective measurement position ML. In a relative position determination, the receiver unit 5 'tracks the change of the radiation impressed signals with respect to the characteristic of these signals in the neutral position NL.
  • the method requires a calibration body which determines the coordinates in the space to be measured.
  • a calibration body which determines the coordinates in the space to be measured.
  • a calibrated a defined, ie, or measured, size, for example, a meter bar be used by the receiver unit 5 'measures the distance covered by the radiation at least at the two end points.
  • the zero position NL of the relative position of the receiver unit 5 ' is then given by, for example, the first end of the meter bar, the coordinate direction, and unit length through the second end.
  • calibration with three defined magnitudes in three orthogonal directions is advantageous, so that a calibration body is thereby defined.
  • a device-internal device can also be used.
  • a device-internal device can also be used.
  • an optical sensor or a rolling body movement relative to a surface From the measured distance relative to the surface and the change in the associated measurements to the reference points 2 '' then follows a calibration of the movement of the receiver unit 5 '.
  • FIGS. 7a-d show illustrations of exemplary embodiments of the radiation projector according to the invention.
  • FIG. 7a shows a first exemplary embodiment of the radiation projector according to the invention, the projector body 7 having a radiation-permeable hood 8, within which four radiation sources 9a-d are arranged individually adjustable.
  • the radiation S generated by these radiation sources 9a-d for example semiconductor lasers, can be used to project from Reference points to appropriate objects manually or automatically aligned.
  • FIG. 7b shows a second exemplary embodiment of the radiation projector according to the invention with an element 10 for scanning beam guidance as projection means.
  • the radiation S of the radiation source 9e is now imaged in time dependence on different locations for generating the reference point quantity. It can the. scanning or scanning motion can be realized both by classical mechanical components but also, for example, in microelectromechanical (MEMS) technology.
  • MEMS microelectromechanical
  • the radiation projector itself can be equipped with a distance and angle measuring device. This simplifies the setup of the system, which is necessary for an absolute position determination.
  • the calibration of the positioning system can also be carried out by using a surveying instrument such as a theodolite.
  • a third embodiment is explained in Fig.7c.
  • a pulsed microchip laser is used, the radiation of which is guided over a plurality of delay paths 11a-c.
  • Suitable microchip lasers emit over 1 kW as pulse peak power at a pulse duration of 1 ns.
  • the generated laser light is then split into four parallel singlemode Fibers of, for example, 1 m, 101 m, 201 m and 301 m in length coupled as delay lines, so that a mutual time interval of about 500 ns results, which corresponds to a spatial separation of about 150 m.
  • the light guided over the fibers is then collimated either by a scanning element or the directivity components 12a-d as projection means and the reference points are projected.
  • a coupling of the four emitted signals wherein an identical signal characteristic is ensured.
  • a repetition rate of the microchip laser for example, 10 kHz can be selected, whereby a certain stabilization takes place via the pump power or a temperature control.
  • FIG. 7d shows a fourth exemplary embodiment in which a delay takes place in a similar way to FIG.
  • the light of a beam source 9g is coupled to produce different channels in a common delay line Hd, from the decoupled by optical splitter or coupler according to respective distances each part of the radiation and is projected via an associated unit of Riehtkomponenten 12a-d as a projection means.
  • the receiver unit Relative to the time zero to, the receiver unit receives four pulses at the times ti-t 4 , which within the respective time window corresponds to a transit time ti'-t 4 '.
  • These temporal signal curves are recorded by the receiver unit in the zero position and the change, ie the change of the times ti-t 4 or transit times ti'-t 4 ', is continuously evaluated relative to this profile for position determination.
  • each time ti'-t 4 'a corresponding distance can be assigned.
  • the change in the distances is correlated with a change in location of the receiver unit, so that a change in position or orientation can be derived. In this case, both the complete distance to the reference point or to the radiation source and only the change of the distance can be evaluated.
  • Phase differences over a full cycle i. 2 ⁇ , they must be counted, otherwise the relative reference to the zero position NL is lost.
  • FIG. 10 shows the representation of the inventive method according to the phase measurement principle with determination of absolutely phases. Only phase cuts are always measured, ie relative phases from 0 to 2 ⁇ . From this, the absolute phase is calculated by the resolution of the phase ambiguity. In Fig.9 similar way, the absolute phase APi or AP 2 is now determined to the reference points 2 '''instead of the relative. This includes a phase ambiguity resolution known from the field of global positioning systems. This is then also the distance to the reference point 2 '''and the radiation source defined.
  • a determination of the absolute position can also be made possible if, in addition to the location of the radiation source, the position Pi (xi, yi, Zi) or P 2 (X 2 / Y 2> Z 2 ) of the reference points 2 '" is known, so that the distances Di and D 2 associated directions can be determined.
  • This approach then largely corresponds to the position determination with satellites, with the reference points serving as virtual satellites or stars.
  • an absolute position determination can take place without a preceding measurement from a zero position, but this approach requires the knowledge of the position Pi ( ⁇ i / Vi r Zi) or P 2 (X 2 / Y 2 / Z 2 ) of the reference points, which either their projection in known locations or a previous measurement of the projections requires.
  • FIG. 1 The realization of a first receiver unit 5 'according to the invention is shown in FIG.
  • a wide-angle lens 13 for example, with about 120 ° opening angle
  • the radiation is detected by reference points and passed through a beam splitter 14 with a downstream optics on an image-receiving component 15 and a detector 16 for receiving the radiation and signal processing ,
  • Their signals are processed in an evaluation unit 17 and analyzed for position and orientation information.
  • the receiver-side reference point 16a of which the 3D position is primarily determined, is the virtual image position, which is shown here by dashed lines.
  • the device For the control and operation of the device generic components, such as e.g. an input keyboard 20, find use.
  • the number of reference points required for determining the position can be reduced or redundancies can be created.
  • the detector 16 receives the pulsed light of the different reference points in succession, ie sequentially, the separation being possible by the design of the time windows. Alternatively, however, other separation methods, for example of a chromatic nature or by encoding, may also be used.
  • the signal is then amplified and digitized, with synchronization of the time standard and the generation of time windows occurring after the first received laser pulse.
  • the delays of the received laser signals are then analyzed for their relative position in the respective time window. A comparison is made with the characteristic at the location of the zero position, so that a relative spatial displacement is derived. If the time standard is a high-precision clock, you can work with only three received reference points.
  • inclinometers or additional directional information for example, by the image-receiving component 15, integrated become.
  • the image-receiving component 15 allows the derivation of orientation information, if the change in the position of the reference points with respect to their position at the location of the zero position is determined.
  • such an image-receiving component 15 can be dispensed with, if the radiation of at least four reference points can be constantly received.
  • a narrow band filter e.g. an interference filter can be arranged.
  • Very narrow interference filters with a high degree of suppression can be used with microchip lasers or wavelength-stabilized laser diodes.
  • FIG. 12 shows the representation of a second receiver unit 5 "according to the invention with a stylus needle 21 on which two inlet openings 22 for the radiation or two detectors for distance determination are arranged.
  • Fig.l3a-b shows the representation of a third inventive receiver unit 5 ''', which is designed specifically for contact with surfaces or points to be measured.
  • the functionality of the receiver unit 5 ''' can in turn be controlled via an input keyboard 20' and a visual display 23 '.
  • the reference points can be detected by a wide-angle lens 13 'with a detection area 6''.
  • the receiver-side reference point 16b of the detector 16 ' as shown in Figure 13b, in a plane EB within the housing 24.
  • the linkage of measurements to the receiver-side reference point 16b can be ensured manually via a control by means of input keyboard 20' or by push buttons 25.
  • the housing 24 of the receiver unit 5 ''' has a ball as motion-sensitive calibration component 26 whose rolling behavior is measured with respect to the distance traveled.
  • the receiver unit 5 ''' can then be guided in two vertical movements over the floor of a room and in a movement over a side wall of the room. After allowing this calibration can. then one Position and / or orientation determination are made without direct contact with the surface.
  • non-contact measuring systems such as in an optical computer mouse, can be used as calibration components 26.
  • the inventive system for determining the position also allows the simultaneous use of multiple receiver units.

Abstract

In einem Verfahren zur Lagebestimmung einer Empfängereinheit (5') wird durch wenigstens einen Strahlungsprojektor (I' ) modulierte Strahlung generiert und vermittels dieser eine Referenzpunktmenge projiziert, aus der in einem Erfassungsbereich (6') der Empfängereinheit (5') liegende Referenzpunkte (2' ' ) erfasst werden. Aus der Strahlung dieser Referenzpunkte (2'') werden Lageinformationen, insbesondere Positions- und/oder Orientierungsinformationen, für die Empfängereinheit (5') abgeleitet.

Description

Verfahren und System zur LagebeStimmung einer
Empfängereinheit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur LagebeStimmung einer Empfängereinheit nach Anspruch 1 und ein System zur Lagebestimmung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
In vielen geodätischen Anwendungen werden Verfahren und Systeme zur Lagebestimmung, d.h. zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung, eines Vermessungsinstruments verwendet. Von einer mit einem solchen System bestimmten Position aus werden dann meist weitere Messungen durchgeführt, die mit der Position verknüpft sind und zumeist auch die Kenntnis der Orientierung des Messgerätes im Raum benötigen. Grundsätzlich kann dabei auch aus der Positionsbestimmung von zwei oder mehr Punkten auf die Orientierung des Instruments geschlossen werden. Für messtechnische Anwendungen sind zur eindeutigen Festlegung der absoluten Lage im Raum allgemein 6 Freiheitsgrade eines handhaltbaren Messgerätes, zumindest aber die Position und damit 3 Freiheitsgrade, zu bestimmen. Sind Zwangsbedingungen vorhanden, wie z.B. die Bewegung in einer definierten Ebene, so kann auch die Bestimmung von weniger Freiheitsgraden zur Festlegung von Position oder Orientierung genügen. Die Problemstellung beinhaltet somit die Bestimmung von Position und Orientierung als zwei grundsätzlich getrennt lösbare Aufgaben, die aber für viele Anwendungen verknüpft durchgeführt werden müssen. Im Regelfall werden somit sowohl Position als auch Orientierung eines zumeist handhaltbaren Messgerätes benötigt . Ein Beispiel für Positionsbestimmungssysteme sind globale Positionierungssysteme wie z.B. GPS, GLONASS oder das im Aufbau befindliche europäische Galileo-System. Diese Systeme basieren auf dem möglichst ungestörten Empfang von Satellitensignalen, die allerdings auch durch Hindernisse abgeschattet und somit in ihrer Nutzbarkeit eingeschränkt werden können. Im unmittelbaren Nahbereich von Hindernissen kann aufgrund deren abschattender Wirkung der Empfang der Signale eingeschränkt oder vollständig unmöglich sein, so dass eine Positionsbestimmung mit diesem System nicht mehr möglich ist. Diese Einschränkungen betreffen insbesondere Messungen in Innenräumen von Gebäuden, in denen der Empfang einer zur Positionierung benötigten Anzahl von Satelliten im Regelfall auszuschliessen ist. Eine weitere Problematik besteht darin, dass globale Positionierungssysteme nicht immer die benötigte Genauigkeit der Positionsbestimmung bereitstellen bzw. einen erhöhten Aufwand erfordern, z.B. durch Nutzung einer Referenzstation oder längere Messzeiten.
Ein weiteres Beispiel stellt die Positionsbestimmung eines reflektortragenden Instrumentes mit einem Theodoliten bzw. Tachymeter dar. Durch eine Richtungs- und Entfernungsmessung mit dem Tachymeter zu dem geodätischen Instrument kann bei bekannter Position des Tachymeters auch die Position des Instruments bestimmt werden. In Verbindung mit einer automatisierten Zielerkennung und Zielverfolgung kann eine quasi-kontinuierliche Positionsbestimmung erreicht werden. Voraussetzung für die Messung ist hier die Sichtverbindung zwischen den beiden Komponenten. Erfolgt eine Unterbrechung dieser einzigen Verbindung, z.B. durch Bewuchs oder Gebäude im Sichtbereich, versagt die Art der Positionsbestimmung. Auch kann von einem motorisierten Tachymeter zeitgleich stets nur ein Instrument verfolgt werden, so dass z.B. bei vielen Fahrzeugen auf einer Baustelle auch eine grosse Anzahl von Theodoliten verwendet werden muss. Die Verwendung einer grossen Zahl von Theodoliten, die praktisch den gesamten zu vermessenden Bereich ohne Lücken im sichtbaren Bereich abdecken, verbietet sich meist aufgrund des Aufwandes an Gerät und Personal. Ausserdem bedingt eine solche Lösung eine hohe Komplexität sowie eine ständige Kommunikation zur Steuerung des Messvorganges.
Eine gebräuchliche Variante sind sogenannte Robotic Total Station Systems, welche vom Ziel- oder Lotstock her bedient werden. Solche Einmann-Betriebs-Vorrichtungen sind kommerziell erhältlich und werden von vielen Herstellern angeboten. Der automatisierte und in der Regel mit Videokamera unterstützte Theodolit dient als Fixstation, welche den handgetragenen Ziel- oder Lotstock optisch verfolgt. Die Koordinaten des Zielpunkts werden an der Zentralstation berechnet, an die Zieleinheit übertragen und dort zur Anzeige gebracht. Auch diese Vorrichtungen haben alle den Nachteil, dass direkte Sichtverbindung zum Zieloder Lotstock bestehen muss. Des weiteren hat das dynamische Verfolgen zusätzliche Nachteile, da bei grossen Beschleunigungen die Fixstation das Ziel verlieren kann.
Um die Aktualposition als gegenwärtigen Standort des Instruments unter allen Bedingungen mit der benötigten Genauigkeit zu ermöglichen, sind Verfahren bekannt, die auf einer Bestimmung der eigenen Position gegenüber hinsichtlich ihrer Position bekannten Objekten als Referenzobjekten bzw. Referenzpunkten beruhen. Ein Beispiel hierfür stellt das klassische Verfahren des Rückwärtsschnittes dar. Sollen nun Aktualpositionen für ein geodätisches Instrument bzw. ein dafür geeignetes Positionierungsgerät aus der Kenntnis von Referenzpunkten abgeleitet werden, so müssen die Referenzpunkte vorher festgelegt und mit hinreichender Genauigkeit vermessen werden. Hierfür werden zumeist spezielle Komponenten montiert, wobei entweder aktive Sender, wie z.B. Mikrowellensender, oder passive Systeme, beispielsweise Reflektoren verwendet werden.
Die Bestimmung der Aktualposition oder Aktualorientierung erfolgt durch eine Messung zu den Referenzpunkten und/oder weiteren Messungen, beispielsweise einer Neigungsmessung und damit gegenüber der Lotrechten oder Horizontalen, aus der Rückschlüsse über den eigenen Standort bzw. die Aktualposition oder die Aktualorientierung abgeleitet werden können. Grundsätzlich kann hierbei die Bestimmung von Position und/oder Orientierung absolut, d.h. durch eine isolierte Messung zu Punkten bekannter Position, oder relativ, d.h. unter Beobachtung der Veränderung gegenüber einer Nullage bekannter Position oder Orientierung erfolgen.
In vielen Fällen verfügt ein geodätisches Instrument nur über eine Fähigkeit zur Entfernungsmessung bzw. ist eine Messung von Winkeln nicht mit der benötigten Präzision oder Geschwindigkeit durchzuführen. In diesen Fällen muss die Positionsbestimmung allein durch Entfernungsmessungen durchgeführt werden. Hierzu werden die Entfernungen zu mehreren Punkten mit bekannter Position gemessen und mit bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise auch in der Photogrammetrie verwendet werden, kann die Bestimmung der Aktualposition erfolgen. Ein Beispiel hierfür stellen Korrelationsverfahren bzw. Korrelationsrechnungen dar. Dabei ist die Zahl der benötigen Punkte abhängig von deren Lage und der beabsichtigten Genauigkeit der Messung. Im Regelfall werden aber, abgesehen von besonders günstigen Konstellationen, mindestens 3 oder 4 Punkte benötigt. Wird zusätzlich ein Winkel berücksichtigt, z.B. indem zusätzlich der Winkel gegenüber der Horizontalen erfasst wird, kann die Zahl der Punkte bis auf zwei reduziert werden.
Die jeweils tatsächlich benötigte Zahl an Punkten ist abhängig von der Lage der bekannten Punkte und ggf. möglicher Einschränkungen zur Reduzierung einer Mehrdeutigkeit. Bei drei Entfernungsmessungen zu den verschiedenen Referenzpunkten wird durch die drei bekannten Positionen eine Ebene definiert, an der die zu bestimmende Aktualposition gespiegelt werden kann. Als Lösung ergeben sich zwei mögliche Positionen, von denen aber meist eine Position aus Plausibilitätsgründen, z.B. weil sie unter der Erdoberfläche liegen würde, oder aufgrund einfacher weiterer Informationen ausgeschlossen werden, wie z.B. der Unterscheidung zwischen Nord und Süd, die auch durch einen einfachen Magnetkompass getroffen werden kann. Eine eindeutige Bestimmung mit drei bekannten Punkten ist möglich, wenn günstige geometrische Verhältnisse vorliegen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die gesuchte Position auf einer Verbindungsgeraden zwischen zwei bekannten Punkten liegt.
Die bekannten Ansätze des Stands der Technik beruhen dabei meist auf der Anbringung von hinreichend vielen Strahlungsquellen, z.B. im Mikrowellenbereich, an genau bekannten Orten. Gegenüber diesen Sendern kann dann die absolute oder relative Lage bestimmt werden. Jedoch müssen hierfür viele Quellen positioniert und eingemessen werden, was eine hohen Geräte- und Handhabungsaufwand bedingt.
Andere Ansätze für lokale Positionierungssysteme beruhen auf passiven Punkten bekannter Position. So ist beispielsweise aus der PCT/EP2004/010571 ein System zur Bestimmung der Aktualposition eines Messgerätes bekannt, bei dem mindestens zwei in einem mit einem Laserstrahl abgetasteten Raumsegment gelegene Referenzpunkte erfasst und hinsichtlich ihrer Entfernung und ihrem Neigungswinkel vermessen werden. Aus den bekannten Positionen dieser detektierbar gestalteten Referenzpunkte und den zugeordneten Entfernungen und Neigungswinkel kann die Aktualposition des Messgerätes abgeleitet werden. Das Erfassen, Verfolgen und Vermessen der Referenzpunkte wird durch das Messgerät automatisiert vorgenommen, wobei das Messgerät und den Referenzpunkten zugeordnete, speziell ausgebildete Elemente ein lokales Positionierungs- und/oder Orientierungsmesssystem bilden. Bei diesem System müssen jedoch die Referenzpunkte aktiv mit einem Laserstrahl abgetastet und beleuchtet werden, so dass die Empfangskomponente im Messgerät sehr komplex ausgelegt werden muss. Zudem sind Sender und Empfänger in einem einzigen Gerät plaziert und baulich miteinander verbunden, so dass beispielsweise nicht mehrere Empfänger das Licht eines gemeinsamen, zentralen Senders verwenden können, was eben durch die passive Auslegung, d.h. nur in Reflexion des vom Messgerätes emittierten Lichtsignals, bedingt ist. Zudem ist durch diese Auslegung die Zahl der nutzbaren Referenzpunkte beschränkt, da diese nur innerhalb des Emissionskegels des im Messgerät befindlichen Senders und zudem sequentiell abgetastet werden können. Weiterhin müssen die gegenständlichen Referenzpunkte vor der Messung angebracht und eingemessen werden, was einen gewissen Aufwand bedingt oder in einigen Bereichen unmöglich ist.
Zudem bereitet die Erkennung eines Referenzpunkts unter Umständen Probleme, da ein Referenzpunkt während einer Abtastbewegung nicht immer eindeutig zu erkennen ist, beispielsweise wenn der Laserstrahl auf einen glänzendes Objekt trifft, das dann versehentlich als Referenzpunkt interpretiert werden kann. Um dieses Problem zu lösen, kann zwar ein Bildaufnahmeverfahren verwendet werden, was aber die Vorrichtung insbesondere den optischen Strahlengang noch komplexer werden lässt. Grundsätzlich gilt diese Problematik auch für die Identifikation der Referenzpunkte.
Durch die scannende Abtastbewegung ist die Verfügbarkeit der Referenzpunkte zeitlich sehr limitiert. Als Lösung werden 2 Tracker beschrieben, welche sowohl Sender und Empfänger auf den entsprechenden Referenzpunkt ausgerichtet halten. Die Anforderungen an die Ausrichtgenauigkeit solcher zielverfolgenden Vorrichtungen sind aber sehr anspruchsvoll, was insbesondere für handgehaltenen Messgeräte Geltung hat.
Bekannt ist auch eine Vorrichtung aus der US 6,381,006 mit 3 Referenzstationen, welche aufgefächerte Laserstrahlung emittieren. Das System wird vom Ziel- oder Lotstock her bedient. Die Raumkoordinaten werden durch die 3 emittierten Lichtfächer definiert. Am handgetragenen Ziel- oder Lotstock befinden sich 3 Richtungssensoren, welche anhand der Lichtfächer die Lage des Ziel- oder Lotstocks im Raum vermessen. Die Position am Zielpunkt ist daher bestimmt. Um schwer zugängliche Messpunkte ebenfalls vermessen oder abstecken zu können, ist der Ziel- oder Lotstock zudem mit einem reflektorlosen Distanzmesser ausgerüstet. Die Vorrichtung hat den Nachteil, dass gleichzeitig zu 3 Referenzstationen, die in der Regel auf Augenhöhe plaziert werden müssen, das Erfordernis einer Sichtverbindung besteht. Im Baubereich oder auf befahrenen Baustellen ist diese Voraussetzung kaum erfüllt. Zudem gestaltet sich die technische Ausgestaltung der Referenzstationen komplex, wobei der Aufwand durch das Erfordernis einer Mehrzahl solcher Stationen nochmals erhöht wird.
Ein weiteres räumliches Positioniersystem mit ebenfalls rotierenden Lichtfächern ist aus den Schriften US 6,545,751 und US 6,646,732 bekannt. Die dort beschriebene SD- Koordinatenbestimmung einer handgetragenen Zieleinheit basiert auf Zeit- oder Intervallmessung von jeweils mindestens 2 von einer Fixstation emittierten Lichtfächern. Diese Vorrichtungen haben ebenfalls den Nachteil, dass zwischen der handgetragenen Zieleinheit und den mindestens 2 Referenzstationen eine Sichtverbindung bestehen muss. Auch bei diesem Ansatz ist eine hoher Aufwand und eine hohe Komplexität erforderlich.
Alle Lösungen mit rotierenden Lichtfächern haben zudem den Nachteil des störenden Vibrationseinflusses, erzeugt durch die sich drehenden Module.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein vereinfachtes Verfahren und eine Vorrichtung bzw. ein
System verringerter Komplexität bereitzustellen, das eine
Bestimmung der Aktualposition sowie der Orientierung eines handhaltbaren Messgerätes selbst in stark durchschnittenem Gelände oder in Innenräumen ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Handhabung bei der Einrichtung eines solchen Systems sowie dessen Komponenten zu vereinfachen oder zu verbessern.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände des Anspruchs 1 bzw. 11 oder der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. die Lösungen weitergebildet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Position und/oder einer Orientierung einer Empfängereinheit sowie ein System zur Bestimmung einer Position und/oder einer Orientierung.
Der erfindungsgemässe Ansatz beruht darauf, die direkte Positionierung von Strahlungsquellen oder durch solche Quellen beleuchtbaren Objekten durch eine Projektion von Referenzpunkten zu ersetzen. Hierfür werden von einer oder mehreren Projektionseinheiten eine Menge von detektierbaren Strahlungs- bzw. Lichtflecken erzeugt, die als Referenzpunkte von einer Empfangseinheit erfasst und ausgewertet werden. Dabei können sowohl relative als auch absolute Positionierungen bzw. Orientierungsbestimmungen durchgeführt werden. Dabei sind die Referenzpunkterzeugungsmittel und die Empfangseinheit unabhängig voneinander positionierbar, so dass durch die Referenzpunkterzeugungsmittel eine Menge von Referenzpunkten fix bereitgestellt wird, gegenüber denen sich die Empfangseinheit orientiert bzw. in ihrer Ausrichtung oder Position bestimmt. Zudem müssen keine Referenzpunkte plaziert werden, es genügen Tafeln, Reflexfolien, weiss bemalte Wände oder andere Objekte, die ggf. natürliche Oberflächen darstellen oder ohnehin vorhanden sind. Der Sender bestrahlt die diffus oder partiell spiegelnd reflektierenden Objekte und die Referenzobjekte entstehen erst durch den Lichtfleck am Objekt. Mit mehreren Laserstrahlen entstehen eine entsprechend grosse Zahl von Referenzpunkten, d.h. Zahl der Referenzpunkte ist durch die Zahl der Laserprojektionen bestimmt, wobei die Projektionseinheiten wiederum unabhängig vom Messgerät bzw. der Empfangseinheit sind und theoretisch beliebig gross sein kann. Damit ist die Verfügbarkeit der Referenzpunkte hoch, die Projektionseinheit oder deren Gesamtheit können fortlaufend auf dem Objekt die entsprechenden Referenzpunkte erzeugen.
Hierfür wird der zu vermessende Raum mit detektierbarer Strahlung aus mehreren Strahlungsprojektoren - bzw. je nach konkreter Ausgestaltung der Quelle - aus einer oder mehreren entsprechenden Multisendereinheiten oder einem multiplen Laserprojektor als Referenzpunkterzeugungsmittel durchsetzt oder „geflutet". Die Referenzpunkterzeugungsmittel, welche vorzugsweise als Multisendereinheit ausgebildet werden können, wirken als Referenzstation und stellen eine Art Laserprojektor dar. Die Anzahl der emittierten Laserstrahlen sind dabei wenigstens 3, typischerweise sind jedoch 4 Lasereinheiten bzw. Projektionen von Referenzpunkten vorhanden. In Analogie zu globalen Positionierungssystemen muss für die Empfängereinheit stets eine durch die existenten Zwangsund Umweltbedingungen sowie die gewünschte Messgenauigkeit vorgegebene Zahl von erfassbaren Referenzpunkten vorhanden sein. Je nach Geometrie, abzudeckender Fläche und Umweltbedingungen, wie z.B. Hindernissen, kann die Gesamtmenge der zu projizierenden Referenzpunkte auch kleiner als 3 oder aber auch deutlich grösser als 4 sein. Dabei kann die Projektion durch eine einzige Multisendereinheit oder aber auch durch mehrere solche Einheiten erzeugt werden, wobei die Einheiten untereinander in Kommunikationsverbindung stehen können. Gleichfalls kann auch die Strahlung einer gemeinsamen Quelle übertragen und über eine Relaisstation projiziert werden. Die Referenzpunkte können grundsätzlich gleichzeitig, aber auch in sequentieller Folge mit entsprechend hoher Rate projiziert werden, wobei diese aber vorteilhafterweise so gewählt wird, dass eine fortlaufende, d.h. kontinuierliche oder ununterbrochene optische Verbindung der Empfangseinheit zu den projizierten Referenzpunkten aufrecht erhalten werden kann. Hierfür kann auch das Erfassen der Referenzpunkte für mehrere, d.h. insbesondere drei Referenzpunkte gleichzeitig oder mit entsprechend hoher Rate zur Aufrechterhaltung des optischen Links erfolgen.
Das zu projizierende Licht wird zudem hochfrequent moduliert, insbesondere intensitäts-, phasen- oder polarisationsmoduliert, wobei die Strahlung dabei im sichtbaren als auch im infraroten Wellenlängenbereich oder auch in noch längerwelligen Bereichen liegen kann. Die vorzugsweise kollimierten und emittierten Lichtstrahlen treffen dabei auf fixstehende Oberflächen und werden von diesen in den Raum, insbesondere in den zu vermessenden Bereich reflektiert. Die Reflexion kann dabei diffus oder gerichtet erfolgen, wobei die reflektierenden Flächen natürliche Oberflächen, wie z.B. Wände eines zu vermessenden Raumes, spiegelnde Flächen, wie z.B. Fensterfronten oder aber auch spezielle, künstlich als Satelliten wirkende Reflexionsmarken oder spezielle Reflexmaterialien sein können, die an geeigneten Stellen aufgestellt oder montiert werden können. Auch sind Marken mit transmittiver oder kombinierter Wirkung realisierbar.
Die Lasereinheiten bzw. Strahlungsprojektoren emittieren modulierte Strahlung, wobei beispielsweise das modulierte Licht der 3 oder mehr Sendeeinheiten phasenstarr miteinander gekoppelt ist. Die damit verbundene Information ist derart ausgebildet, dass aus der Laufzeit oder Phasenlage der Modulation eine mm-genaue oder sogar sub-mm- genaue Distanzinformation ermittelt werden kann, was als typisches Mass für die erforderliche geodätische Messgenauigkeit gelten kann.
Durch die Modulierung bzw. Codierung erfolgt Informationsverbreitung bzw. -Übertragung. Die Laserstrahlen sind moduliert, zeitlich zueinander phasenstarr oder zeitstarr gekoppelt und übertragen die Laufzeit oder Phase vom Laserprojektor über die Referenzpunkte bildenden Objekte zum - vom Sender räumlich getrennten - Empfänger. Die Verbindung zum Reflexionsobjekt wird oder kann zumindest dauernd aufrecht erhalten werden.
Zudem ist durch die im allgemeinen diffuse Reflexion am Objekt, wie z.B. einer Hauswand o.a., der ganze zu vermessende Raum dauernd mit Messlicht geflutet. Die Verfügbarkeit der Distanzinformation ist damit im Vergleich zu einer scannenden und suchenden Bewegung gross.
Mit einer vorzugsweise handgetragenen Empfängereinheit wird das an den Satelliten, Referenzpunkten oder Wänden gestreute Laserlicht, erzeugt durch diese 3, typisch 4 Sendeeinheiten, detektiert. Aus den relativen Laufzeiten oder Phasenlagen der Modulationsformen kann die Position des Detektors errechnet werden. Die Referenzpunkte werden dabei derart plaziert, dass sie von dem zu vermessenden Raumbereich eingesehen werden können. Durch die Projektion wird es auch möglich, die Referenzpunkte an erhöhten Stellen zu erzeugen, so dass eine gute Erfassbarkeit gewährleistet ist. Die Projektion kann dabei auf ohnehin vorhandene, geeignete Strukturen, wie z.B. Decken von Innenräumen, oder aber auch auf spezielle Objekte erfolgen. Solche Objekte sind beispielsweise auf natürliche Oberflächen klebbare Kugelsphären oder Reflextafeln, die vermittels eines ausfahrbaren Gestänges einsehbar aufgestellt werden können.
Die Positions- oder Orientierungsbestimmung erfolgt entweder relativ zu einer ausgezeichneten und in ihrer Lage bekannten Nullage oder absolut. Für den ersten Ansatz wird zu Beginn des Verfahrens das Messgerät mit der Empfängereinheit am Ort der Nullage plaziert und die Strahlung der Referenzpunkte erfasst und vermessen. Sind die Koordinaten der Referenzpunkte bekannt, dies kann durch ein vorgängiges Einmessen erfolgt sein, so kann empfängerseitig direkt mit der relativen Positions- oder Orientierungsbestimmung begonnen werden. Dabei wird anhand der Veränderung von der Strahlung aufgeprägten bzw. modulierten Charakteristika die Ablage gegenüber der Nullage bestimmt.
Sind die Koordinaten der Referenzpunkte hingegen nicht bekannt, so kann im Sinne eines Rückwärtseinschnitt- verfahrens die Position der Referenzpunkte bestimmt werden. Dabei wird die handgetragene Empfängereinheit nach dem Ort der Nullage vorzugsweise an ein, zwei oder drei weiteren bekannten Orten plaziert, die zusammen mit der Nullage die Richtung und Länge der Einheitsvektoren des ein-, zwei- oder dreidimensionalen Koordinatensystems aufspannen.
Der Ansatz zur Absolutpositionierung bzw. -Orientierung beruht somit auf der Kenntnis der Lage der erfassten Referenzpunkte, so dass diese vorgängig eingemessen oder an bezüglich ihrer Position bekannten Punkten plaziert werden müssen. Aus der Kenntnis der absoluten Position der Referenzpunkte, deren Abstände zum Laserprojektor und der empfangenen aufmodulierten Signale kann die Absolutposition bzw. -Orientierung der Empfängereinheit abgeleitet werden.
Sowohl die Messung der absoluten als auch die relativen Lagebestimmung beinhalten die Analyse der von den Referenzpunkten stammenden Strahlung hinsichtlich einer Entfernungsinformation, wobei entweder die Entfernung selbst oder die Änderung einer Entfernung betrachtet wird. Hierbei kann grundsätzlich auf die bekannten Distanzmessverfahren wie Phasenmessung oder Laufzeitmessung zurückgegriffen werden, wobei beispielsweise die relative zeitliche Lage eines der Strahlung aufgeprägten Signals oder ein Phasenanschnitt Grundlage der Messungen bilden.
Ein erster erfindungsgemässer Ansatz zur Signalverarbeitung der empfangenen Strahlung beruht auf dem Phasenmessprinzip, wobei das Prinzip dem GPS-Vermessungsverfahren ähnelt. Erfindungsgemäss wird jedoch im Gegensatz zur GPS-Methode nicht die Phase des einen Trägersignals sondern die der Intensitäts- oder Polarisationsmodulation des Laserlichts gemessen und im Sinne eines herkömmlichen Distanzmessers nach dem Phasenmessprinzip ausgewertet. Um die verschiedenen Referenzpunkte bzw. Laserquellen identifizieren und auseinander halten zu können, kann beispielsweise jede Laserquelle mit einer eigenen Frequenz moduliert sein. Beispielsweise sind folgende Frequenzen zur Unterscheidung der einzelnen Sender sinnvoll: 33 MHz, 31 MHz, 29 MHz, 27 MHz. Das an der Empfängereinheit empfangene Signal kann dann nach Frequenzen aufgeteilt und deren Phasen einzeln bestimmt werden.
Ebenfalls realisierbar ist eine Unterscheidung der Signale nach den optischen Wellenlängen, aber auch durch eine zusätzliche Modulation, wie sie beispielsweise beim GPS- System mit dem C/A-Code in ähnlicher Weise verwendet wird.
Die Empfängereinheit misst dabei die Phase der von den Reflexionspunkten gestreuten Strahlung. Mittels eines Taktsignals, das durch einen quarzgenauen lokalen Oszillator als Zeitnormal erzeugt wird, erfolgt die Messung der Phase der den Sendeeinheiten zugeordneten Signale. Falls die Empfängereinheit mit einer Atomuhr versehen ist, so genügen bereits 3 modulierte Sendesignale, für den Fall eines weniger genauen Zeitnormals bei der Empfängereinheit werden wenigstens 4 modulierte Sendesignale benötigt, um eine Positionsbestimmung mit mm-Genauigkeit zu erreichen.
Auch kann das bei der Phasendistanzmessung gebräuchliche Heterodyn-Verfahren zur Frequenztransformation angewendet werden. Dadurch gelingt es die Phasenmessung an niederfrequenten Signalen mittels digitaler elektronischer Bausteine und Auswerteverfahren zu realisieren. Nach den bekannten Verfahren der Signalauswertung von GPS- Systemen können die Absolutphasen (Ambiguity Resolution, Anzahl der Modulationswellenlängen) , damit die Distanzen zu den Satelliten und schliesslich die Position (3 Koordinaten x,y,z) der Empfängereinheit bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Absolutphasen (Ambiguity Resolution) kann auch ein komplexeres Modulationsverfahren des Laserlichts eingesetzt werden. Beispielsweise kann mittels einer Bimodulation die Anzahl der Modulationswellenlängen abgeleitet werden, bei welcher simultan zwei Frequenzen oder eine Frequenz mit Phasenumtastung dem Trägerlicht aufmoduliert werden.
Ein zweiter erfindungsgemässer Ansatz lässt sich nach dem Verfahren der gepulsten Laufzeitmessung realisieren. Dabei werden von der Laserkanone Lichtimpulse emittiert, die wiederum gegenseitig betreffend zeitlich verzögert und starr miteinander gekoppelt sind.
Durch die Wahl von niedrigen Pulsrepetitionsfrequenzen im Hz bis kHz-Bereich können der Eindeutigkeitsbereich und damit der Messbereich der Vorrichtung mehrere 100 m bis 1000 m betragen.
Die Identifikation der Referenz- bzw. Reflexionspunkte kann wiederum durch unterschiedliche Träger- oder Licht- Wellenlängen ermöglicht werden. Im einfachsten Fall können diese durch ein zeitliches Nacheinander der Lichtpulse maskiert sein.
Im Fall der zeitlichen Maskierung werden den einzelnen Laserquellen beziehungsweise Satelliten entsprechende Zeitintervalle zugeordnet. Einer der Impulse kann dabei zur Identifikation des Sequenzbeginns zusätzlich mit einem Codierungsmerkmal versehen sein. Beispielsweise wird dem letzten Puls eine längere Lichtpause angefügt bis sich die Impulsfolge beim ersten beginnend wiederholt.
Die Identifikation der einzelnen Laserquellen ist ebenfalls mittels einer fortlaufenden Erfassung und Analyse der Verzögerung der einzelnen Pulse als inkrementellem Verfahren möglich. Jedoch besitzt dieser Ansatz grundsätzliche Probleme bei einem Strahlunterbruch.
Gegenüber der Phasenmessung weist die Laufzeitmessung Vorteile auf, wie beispielsweise höhere Empfindlichkeit, höhere Messgeschwindigkeit, höhere Reichweite, insbesondere aber die höhere Robustheit gegenüber Umgebungslicht. Zudem ist ein Frequenzsynthesizer einfacher zu realisieren, da für alle Laserquellen eine einzige Pulsfrequenz ausreichend ist.
Eine Anbindung der relativen Referenzierung an ein raumgebundenes oder übergeordnetes Koordinatensystem kann durch verschiedene Ansätzen erreicht werden.
- Bei der Referenzierung zu einem bereits horizontierten Boden wird die handgetragene Empfängereinheit an 3 Stellen auf dem Boden plaziert und jeweils eine Messung ausgelöst. Dadurch ist die Horizontalebene bekannt und jede beliebige Höhe über dem Boden kann nun so mit der Empfängereinheit abgesteckt werden.
- Bei der Referenzierung zu einem auch im Azimut bestimmten Koordinatensystem kann ähnlich wie bei der Horizontalebenenübertragung vorgegangen werden. Dabei werden wiederum 3 Messpunkte in der horizontierten Ebene des Bodens aufgenommen, wobei 2 der Punkte in der azimutbestimmenden Richtung liegen. Diese Richtung kann beispielsweise die Kante zwischen Boden und einer Seitenwand sein.
- Darüber hinaus existieren weitere, dem Fachmann bekannte Methoden des Einrichtens . Ist beispielsweise nur der Abstand von einer Wand interessant, so kann die Lage der Seitenwand mittels einer 3-Punktmessung aufgenommen werden. Anschliessend ist die Empfängereinheit in der Lage, den Abstand zur Wand laufend zu bestimmen.
- Eine weitere Methode des Einrichtens kann mittels geeigneten Zubehörs vorgenommen werden. Beispiele solcher Zubehöre sind Lotstock, Lotlaser, mit Neigungssensor bestückte Richtfernrohre, aber auch Kreuzvisiere oder Prismenkreuze für eine Referenzierung längs einer Linie zwischen 2 Punkten und deren Normalen.
Das erfindungsgemässe Verfahren und ein erfindungsgemässes System mit entsprechenden Empfängereinheiten und Strahlungsprojektoren werden nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben. Im einzelnen zeigen
Fig.l die Darstellung eines ersten Anwendungsbeispiels für das erfindungsgemässe Verfahren zur Positionsbestimmung für eine Baumaschine;
Fig.2-3 die Darstellung eines zweiten Anwendungsbeispiels für das erfindungsgemässen Verfahren zur Positionsbestimmung für eine Baumaschine; Fig.4-6 die Darstellung eines dritten Anwendungsbeispiels für das erfindungsgemässen Verfahren zur Positionsbestimmung für ein handhaltbares Messgerät;
Fig.7a-d die Darstellung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Strahlungsproj ektors ;
Fig.8 die Darstellung der zeitlichen Signalverläufe für das erfindungsgemässe Verfahren nach dem Laufzeitmessprinzip;
Fig.9 die Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens nach dem Phasenmessprinzip mit Messung und
Bestimmung der Relativphasen;
Fig.10 die Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens nach dem Phasenmessprinzip mit Messung der Absolutphasen;
Fig.11 die Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Empfängereinheit;
Fig.12 die Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Empfängereinheit und
Fig.l3a-b die Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Empfängereinheit . In Fig.l wird exemplarisch ein erstes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren zur Positionsbestimmung für eine Baumaschine 4 dargestellt. In diesem Beispiels befindet sich die Baumaschine 4 in einer Grube, so dass eine direkte Anzielung durch eine zentral aufgestellte Einheit, wie z.B. durch eine Totalstation, nicht möglich ist. Erfindungsgemäss wird durch einen Strahlungsprojektor 1 eine Menge von Referenzpunkten 2 projiziert, die wiederum von der Baumaschine 4 erfasst werden können. Hierzu wird elektromagnetische Strahlung S, vorzugsweise Laserlicht, auf von der Baumaschine 4 einsehbare Orte geführt. Um eine entsprechende Abdeckung des zu bearbeitenden Raumes zu erreichen, ist es unter Umständen vorteilhaft, spezielle Komponenten, wie z.B. die hier rein exemplarisch dargestellten Projektionstafeln 3, zu verwenden. Diese Projektionstafeln 3 können beispielsweise eine weisse oder spektral optimierte Fläche aufweisen, die an einem Stativ ausfahrbar angeordnet ist. Durch mehrere solcher Projektionstafeln 3 kann eine Abdeckung des Bearbeitungsbereichs bewirkt werden.
Fig.2-3 zeigen die Darstellung eines zweiten Anwendungsbeispiels für das erfindungsgemässen Verfahren zur Positionsbestimmung für eine Baumaschine 4. Wie in Fig.2 dargestellt können anstelle der Projektionstafeln des ersten Anwendungsbeispiels auch natürliche Oberflächen verwendet werden, wobei diese ggf. auch durch spezielle Behandlung, wie z.B. Glättung, oder das Aufbringen von Komponenten, wie z.B. spiegelnden oder reflektierenden Folien, reflektierender Farbe oder Kugelsphären, in ihrer Rückstrahlcharakteristik angepasst werden können. Der Strahlungsprojektor 1 projiziert nun die elektromagnetische Strahlung S auf vorhandene Strukturen und erzeugt somit eine Menge von Referenzpunkten 2' . Beispielsweise können Kugelsphären mit einem kollimierten Laserstrahl so ausgeleuchtet werden, dass ein grosserer Teil des Raumes durch die reflektierte Strahlung beleuchtet wird. Hierzu werden Strahldurchmesser und Kugeldurchmesser aufeinander abgestimmt. Naturgemäss können jedoch auch die speziellen Komponenten, wie z.B. die Projektionstafeln der Fig.l, und natürliche Strukturen gemeinsam verwendet werden.
Fig.3 erläutert die Lagebestimmung der Baumaschine 4 anhand der projizierten Referenzpunkte 2' . Von der Baumaschine 4 werden die in den Erfassungsbereich 6 einer Empfängereinheit 5 fallenden Referenzpunkte 2' der Referenzpunktmenge erfasst. Dabei ist die Zahl der zur Bestimmung der Lage, also von Ort und/oder Orientierung, benötigten Referenzpunkte 2' abhängig von der gewünschten Genauigkeit sowie von möglichen Einschränkungen der Freiheitsgrade durch vorgegebene Informationen oder Zwangsbedingungen, z.B. der Bewegung auf einer horizontierten Fläche ohne Unebenheiten. Im allgemeinen werden jedoch vier Referenzpunkte 2' benötigt, um in einer zu einem globalen Positionierungssystem ähnlichen Weise, die Lage der Empfängereinheit 5 und damit der Baumaschine 4 zu bestimmen.
Fig.4-6 beinhalten die Darstellung eines dritten Anwendungsbeispiels für das erfindungsgemässe Verfahren zur Positionsbestimmung für ein handhaltbares Messgerät im Inneren eines Gebäudes. Wie in Fig.4 dargestellt, wird in einem Raum im Inneren eines Gebäudes ein Strahlungsprojektor 1' so aufgestellt, dass dieser mit der von ihm generierten Strahlung S eine Menge aus mehreren Referenzpunkten 2'' an die Wand zu projizieren vermag. Eine Teilmenge dieser Referenzpunkte 2'' wird vom Erfassungsbereich 6' einer Empfängereinheit 5' erfasst, so dass, wie in Fig.5 abgebildet, eine Verknüpfung von Strahlungsprojektor 1' und Empfängereinheit 5' über die von der Strahlung zurückgelegten Strecken erfolgt. Sind die Koordinaten von Strahlungsprojektor und Referenzpunkten bekannt, so kann aus der Kenntnis dieser Strecken oder der Streckenabschnitten von Referenzpunkt 2' ' zur Empfängereinheit 5' grundsätzlich die Lage der Empfängereinheit 5' abgeleitet werden. Die Koordinaten von Strahlungsprojektor und Referenzpunkten können beispielsweise als Bestandteil des Einrichtprozesses mittels eines Theodoliten bestimmt werden.
Erfolgt eine Bestimmung der relativen Position bzw. Orientierung der Empfängereinheit 5' , so wird zu Beginn des Verfahrens, wie in Fig.6 dargestellt, die Empfängereinheit vorgängig in einer bekannten Nullage NL positioniert. In dieser Nullage NL erfolgt eine initiale Messung zu den Referenzpunkten 2' ' . Nach erfolgter Initialmessung erfolgt die Durchführung der eigentlichen Messaufgaben, wobei die Empfängereinheit 5' in die jeweilige Messlage ML bewegt wird. Bei einer relativen Lagebestimmung verfolgt die Empfängereinheit 5' die Veränderung von der Strahlung aufgeprägten Signalen in Bezug auf die Charakteristik dieser Signale in der Nullage NL.
Sind Koordinaten von Strahlungsprojektor und Referenzpunkten nicht bekannt, so bedarf das Verfahren eines Kalibrierkörpers, welche die Koordinaten im zu vermessenden Raum festlegt. Im einfachsten Fall kann als Kalibrierkörper eine definierte, d.h. bemasste oder vermessene, Grösse, z.B. ein Meterstab, herangezogen werden, indem die Empfängereinheit 5' die von der Strahlung zurückgelegten Strecken wenigstens an den beiden Endpunkten misst. Die Nullage NL der relativen Position der Empfängereinheit 5' ist dann beispielsweise durch das erste Ende des Meterstabs, die Koordinatenrichtung und Einheitslänge durch das zweite Ende gegeben. Für beliebige Positionierungen im Raum ist aber die Kalibrierung mit drei definierten Grossen in drei orthogonalen Richtungen vorteilhaft, so dass hierdurch ein Kalibrierkörper definiert wird.
Zur Definition der Einheitslängen kann auch eine geräteinterne Vorrichtung verwendet werden. So kann beispielsweise durch einen optischen Sensor oder einen Rollkörper eine Bewegung relativ zu einer Oberfläche registriert und vermessen werden. Aus der gemessenen Entfernung relativ zur Oberfläche und der Veränderung der zugeordneten Messungen zu den Referenzpunkten 2'' folgt dann eine Kalibrierung der Bewegung der Empfängereinheit 5' .
Die Fig.7a-d zeigen Darstellungen von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Strahlungsprojektors.
In Fig.7a wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Strahlungsprojektors abgebildet, wobei der Projektorkörper 7 eine strahlungsdurchlässige Haube 8 aufweist, innerhalb derer vier Strahlungsquellen 9a-d einzeln verstellbar angeordnet sind. Die von diesen Strahlungsquellen 9a-d, beispielsweise Halbleiterlasern, erzeugte Strahlung S kann zur Projektion von Referenzpunkten auf geeignete Objekte manuell oder automatisch ausgerichtet werden.
Fig.7b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Strahlungsprojektors mit einem Element 10 zur scannenden Strahlführung als Projektionsmittel. Die Strahlung S der Strahlungsquelle 9e wird nun in Zeitabhängigkeit auf verschiedenen Orte zur Erzeugung der Referenzpunktmenge abgebildet. Dabei kann die. abtastende oder scannende Bewegung sowohl durch klassische mechanische Komponenten aber auch beispielsweise in mikroelektromechanischer (MEMS) -Technologie realisiert werden.
Um die Koordinaten der Referenzpunkte und die Distanzen zwischen Strahlungsprojektor und Referenzpunkten in einfacher Weise zu bestimmen, kann der Strahlungsprojektor selbst mit einer Distanz- und Winkelmesseinrichtung ausgerüstet sein. Damit vereinfacht sich das Einrichten des Systems, welches für eine absolute Positionsbestimmung notwendig ist. Die Einmessung des Positioniersystems kann aber auch durch heranziehen eines Vermessungsinstruments wie beispielsweise eines Theodoliten durchgeführt werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel wird in Fig.7c erläutert. Als Strahlquelle 9f wird ein gepulster Mikrochiplaser verwendet, wobei dessen Strahlung über mehrere Verzögerungsstrecken lla-c geführt wird. Die Ausrichtung der zu emittierenden Strahlung und deren Projektion erfolgt über mehrere Riehtkomponenten 12a-d als Projektionsmittel. Geeignete Mikrochiplaser emittieren über 1 kW als Pulsspitzenleistung bei einer Pulsdauer von 1 ns. Das erzeugte Laserlicht wird dann in vier parallele Singlemode- Fasern von beispielsweise 1 m, 101 m, 201 m und 301 m Länge als Verzögerungsstrecken eingekoppelt, so dass ein gegenseitiger zeitlicher Abstand von ca. 500 ns resultiert, was einer räumlichen Separation von ca. 150 m entspricht. Das über die Fasern geführte Licht wird dann entweder durch ein scannendes Element oder die Riehtkomponenten 12a-d als Projektionsmittel kollimiert und die Referenzpunkte werden projiziert. Durch die gemeinsame Quelle erfolgt eine Kopplung der vier emittierten Signale, wobei eine identische Signalcharakteristik gewährleistet ist. Als Repetitionsrate des Mikrochiplasers kann z.B. 10 kHz gewählt werden, wobei eine gewisse Stabilisierung über die Pumpleistung oder eine Temperaturregelung erfolgt.
Fig.7d zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem in zu Fig.7c ähnlicher Weise eine Verzögerung erfolgt. Hierbei wird das Licht einer Strahlquelle 9g zur Erzeugung verschiedener Kanäle in eine gemeinsame Verzögerungsstrecke Hd eingekoppelt, aus der durch optische Teiler oder Koppler nach entsprechenden Distanzen jeweils ein Teil der Strahlung ausgekoppelt und über eine zugeordnete Einheit der Riehtkomponenten 12a-d als Projektionsmittel projiziert wird.
In Fig.8 erfolgt die Darstellung der zeitlichen Signalverläufe für das erfindungsgemässe Verfahren nach dem Laufzeitmessprinzip. Aufgetragen sind jeweils Grossen in Zeitabhängigkeit. An oberster Stelle ist das ppm-genaue Zeitnormal der Empfängereinheit als Rechtecksignal dargestellt. Darunter werden die empfangenen Signale von vier Referenzpunkten abgebildet. Die als Laserpulse emittierten Signale weisen eine Pulsrepetitionszeit TRep auf, wobei sender- und empfängerseitig für jeden Laser ein zeitliches Fenster - z.B. durch die Verwendung von Verzögerungsstrecken - existiert. Die Dauer der Zeitfenster TLaseri-TLaser4 ist dabei gleich. Bezogen auf den zeitlichen Nullpunkt to empfängt die Empfängereinheit vier Pulse zu den Zeitpunkten ti-t4, denen innerhalb des jeweiligen Zeitfensters eine Laufzeit ti'-t4' entspricht. Diese zeitlichen Signalverläufe werden von der Empfängereinheit in der Nullage aufgenommen und die Veränderung, d.h. die Änderung der Zeiten ti-t4 bzw. Laufzeiten ti'-t4', gegenüber diesem Profil fortlaufend zur Lagebestimmung ausgewertet. Hierbei ist jeder Laufzeit ti'-t4' eine entsprechende Distanz zuordenbar. Die Veränderung der Distanzen ist mit einer Ortsveränderung der Empfängereinheit korreliert, so dass eine Positions- bzw. Orientierungsveränderung abgeleitet werden kann. Dabei kann sowohl die vollständige Distanz zum Referenzpunkt bzw. zur Strahlungsquelle als auch nur die Veränderung der Distanz ausgewertet werden.
Ein alternativ mögliches erfindungsgemässes Verfahren nach dem Phasenmessprinzip mit Messung der Relativphasen wird in
Fig.9 dargestellt. Wiederum wird für eine Empfängereinheit
5' am Ort einer Messlage die Veränderung der
Signalcharakteristik relativ zu einer Nullage NL bestimmt und ausgewertet. Jedoch erfolgt die Betrachtung einer Phasendifferenz PDi bzw. PD2, die aus
Anschaulichkeitsgründen rein exemplarisch nur für zwei
Referenzpunkte 2' ' ' dargestellt werden. Wachsen die
Phasendifferenzen über einen vollen Zyklus, d.h. 2π, so müssen diese mitgezählt werden, sonst geht der Relativbezug zur Nullage NL verloren.
Fig.10 zeigt die Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens nach dem Phasenmessprinzip mit Bestimmung der Absolutphasen. Gemessen werden immer nur Phasenanschnitte, d.h. Relativphasen von 0 bis 2π. Daraus berechnet sich über die Auflösung der Phasenmehrdeutigkeit die Absolutphase. In zur Fig.9 ähnlicher weise wird nun statt der relativen die Absolutphase APi bzw. AP2 zu den Referenzpunkten 2' ' ' bestimmt. Dies beinhaltet eine aus dem Bereich der globalen Positionierungssysteme bekannte Auflösung der Phasenmehrdeutigkeit. Hiermit ist dann auch die Entfernung zum Referenzpunkt 2' ' ' bzw. zur Strahlungsquelle definiert. Neben der Absolutphasenmessung kann auch eine Bestimmung der absoluten Position ermöglicht werden, wenn neben dem Standort der Strahlungsquelle auch die Lage Pi (xi, yi, Zi) bzw. P2(X2/Y2>Z2) der Referenzpunkte 2' ' ' bekannt ist, so dass die den Distanzen Di und D2 zugeordneten Richtungen bestimmt werden können. Dieser Ansatz entspricht dann weitgehend der Positionsbestimmung mit Satelliten, wobei die Referenzpunkte quasi als künstliche Satelliten bzw. Sterne dienen. Damit kann auch ohne vorhergehende Messung aus einer Nullage eine absolute Lagebestimmung erfolgen, jedoch erfordert dieser Ansatz die Kenntnis der Lage Pi(^i/ Vir Zi) bzw. P2(X2/Y2/Z2) der Referenzpunkte, was entweder deren Projektion an bekannten Orten oder eine vorhergehende Vermessung der Projektionen erfordert.
Die Realisierung einer ersten erfindungsgemässen Empfängereinheit 5' wird in Fig.11 gezeigt. Durch ein Weitwinkelobjektiv 13, z.B. mit ca. 120° Öffnungswinkel, mit einem Erfassungsbereich 6' wird die Strahlung von Referenzpunkten erfasst und über einen Strahlteiler 14 mit einer nachgelagerten Optik auf eine bildaufnehmende Komponente 15 und einen Detektor 16 zum Empfang der Strahlung und zur Signalverarbeitung geführt. Deren Signale werden in einer Auswerteeinheit 17 verarbeitet und hinsichtlich der Positions- und Orientierungsinformation analysiert. Der empfängerseitige Bezugspunkt 16a, von welchem die 3D-Lage primär bestimmt wird, ist die virtuelle Bildposition, welche hier gestrichelt dargestellt ist.
Zur Steuerung und Bedienung des Gerätes können gattungsgemäss übliche Komponenten, wie z.B. eine Eingabetastatur 20, Verwendung finden. Zudem können ergänzend ein oder mehrere, z.B. auch biaxiale Neigungsmesser 18 oder ein hochpräzises Zeitnormal 19, z.B. eine Atomuhr, integriert sein. Hierdurch kann die Zahl der zur Lagebestimmung benötigten Referenzpunkte verringert oder Redundanzen geschaffen werden.
In diesem Ausführungsbeispiel mit Laufzeitmeßprinzip empfängt der Detektor 16 das gepulste Licht der verschiedenen Referenzpunkte nacheinander, d.h. sequentiell, wobei die Trennung durch die Gestaltung der Zeitfenster möglich ist. Alternativ können jedoch auch andere Trennverfahren, z.B. chromatischer Natur oder durch Codierung, verwendet werden. Das Signal wird dann verstärkt und digitalisiert, wobei nach dem ersten empfangenen Laserpuls eine Synchronisierung des Zeitnormals und die Erzeugung von Zeitfenstern erfolgen. Die Verzögerungen der empfangenen Lasersignale werden dann hinsichtlich ihrer relativen Lage im jeweiligen Zeitfenster analysiert. Es erfolgt ein Vergleich mit der Charakteristik am Ort der Nullage, so dass eine relative räumliche Verschiebung abgeleitet wird. Wird das Zeitnormal durch eine hochpräzise Uhr, so kann mit nur drei empfangenen Referenzpunkten gearbeitet werden. Gleichermassen können auch Neigungsmesser oder zusätzliche Richtungsinformationen, z.B. durch die bildaufnehmende Komponente 15, integriert werden. Zudem erlaubt die bildaufnehmende Komponente 15 die Ableitung von Orientierungsinformationen, wenn die Veränderung der Lage der Referenzpunkte gegenüber deren Position am Ort der Nullage bestimmt wird.
In der einfachsten Variante kann jedoch auf eine solche bildaufnehmende Komponente 15 verzichtet werden, wenn ständig die Strahlung von mindestens vier Referenzpunkten empfangen werden kann. Zur Unterdrückung von störendem Hintergrund- bzw. Umgebungslicht kann vor dem Detektor ein schmalbandiger Filter, z.B. ein Interferenzfilter, angeordnet werden. Sehr schmale Interferenzfilter mit hohem Unterdrückungsgrad sind bei Mikrochiplaser oder wellenlängen-stabilisierten Laserdioden nutzbar.
Fig.12 zeigt die Darstellung einer zweiten erfindungsgemässen Empfängereinheit 5' ' mit einer Tasternadel 21 auf der zwei Eintrittsöffnungen 22 für die Strahlung bzw. zwei Detektoren zur Distanzbestimmung angeordnet sind. Durch die Duplizierung der Positionsbestimmung kann auch die Orientierung der Empfängereinheit 5'' im Raum bestimmt werden, so dass auf bildaufnehmende Komponenten verzichtet werden kann. Mit einer solchen Empfängereinheit sind insbesondere Messungen zu verborgenen Punkte im Sinne einer „Hidden Point"- Problematik möglich. Der empfängerseitige Bezugspunkt, von welchem die 3D-Lage bestimmt wird, ist hier exemplarisch die Spitze der Tasternadel 21. Zur Bedienung und Steuerung ist bei dieser zweiten erfindungsgemässen Empfängereinheit 5'' eine visuelle Anzeige 23, z.B. ein Flüssigkristall- Display, auf dem Gehäuse angeordnet. Fig.l3a-b zeigt die Darstellung einer dritten erfindungsgemässen Empfängereinheit 5' ' ' , die speziell zur Anlage an zu messenden Flächen oder Punkten ausgebildet ist. Die Funktionalität der Empfängereinheit 5' ' ' kann wiederum über eine Eingabetastatur 20' und eine visuelle Anzeige 23' gesteuert werden. Die Referenzpunkte können durch ein Weitwinkelobjektiv 13' mit einem Erfassungsbereich 6'' erfasst werden. Dabei liegt der empfängerseitige Bezugspunkt 16b des Detektors 16' , wie in Fig.13b gezeigt, in einer Ebene EB innerhalb des Gehäuses 24. Um nun Messungen durchführen zu können, bei denen eine Fläche oder ein Anlagepunkt an ein Objekt den Bezugspunkt darstellen, verfügt die Empfängereinheit 5' ' ' über definierte Abstände A1-A3 vom empfängerseitigen Bezugspunkt 16b zu den Seitenflächen des Gehäuses 24. Die Verknüpfung von Messungen zum empfängerseitigen Bezugspunkt 16b kann manuell über eine Steuerung mittels Eingabetastatur 20' oder aber durch Drucktasten 25 gewährleistet werden. Bei Anlage an ein zu vermessendes Objekt wird dabei die jeweilige Drucktaste 25 eingedrückt und somit der zugeordnete definierte Abstand Al, A2 oder A3 ausgewählt und in der Auswertung mit dem empfängerseitigen Bezugspunkt 16b verknüpft. Das Gehäuse 24 der Empfängereinheit 5''' weist eine Kugel als bewegungssensitive Kalibrierkomponente 26 auf, deren Abrollverhalten hinsichtlich der zurückgelegten Distanz vermessen wird. Somit ist auch ohne externe Referenzgrösse, wie z.B. einen Meterstock, eine geräteinterne Kalibrierung der Bewegung möglich. Um eine Bewegung in drei orthogonalen Richtungen zu definieren kann dann die Empfängereinheit 5' ' ' in zwei senkrechten Bewegungen über den Boden eines Raumes und in einer Bewegung über eine Seitenwand des Raumes geführt werden. Nach der hierdurch ermöglichten Kalibrierung kann. dann eine Positions- und/oder Orientierungsbestimmung ohne unmittelbaren Kontakt zur Oberfläche vorgenommen werden. Neben kontaktgesteuerten können auch berührungslos messende Systeme, wie z.B. bei einer optischen Computermaus, als Kalibrierkomponenten 26 verwendet werden.
In den Figuren sind die Verfahrensschritte, Gebäude und verwendeten Instrumente rein schematisch dargestellt. Insbesondere können aus den Darstellungen keine Grössenverhältnisse oder Details der Bildverarbeitung bzw. Vermessung der Referenzpunkte entnommen werden. Die nur exemplarisch als Referenzpunkte dargestellten Punkte stehen stellvertretend auch für komplexere Strukturen bzw. die einen Punkt definierenden Elemente, wie z.B. Kugelsphären oder Reflexfolien.
Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemässe System zur Lagebestimmung auch die gleichzeitige Benutzung von mehreren Empfängereinheiten zulässt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Lagebestimmung einer Empfängereinheit
(5,5' ,5" ,5'" ) , mit - wenigstens einem gegenüber der Empfängereinheit unabhängig positionierbaren Strahlungsprojektor (1,1'), insbesondere mit wenigstens einer Laserquelle (9a-g), zur Projektion wenigstens eines detektierbaren Referenzpunktes (2, 2' , 2" , 2' ' ' ) einer Referenzpunktmenge, wobei die Empfängereinheit (5, 5' , 5' ' , 5' ' ' ) zur Erfassung von Referenzpunkten (2, 2' , 2' ' , 2' " ) der Referenzpunktmenge ausgebildet ist und wobei die Referenzpunktmenge wenigstens drei, vorzugsweise vier Referenzpunkte (2, 2' , 2' ' , 2' ' ' ) aufweist, und mit den Schritten
- Erzeugen von modulierter, insbesondere intensitäts-, phasen- oder polarisationsmodulierter, elektromagnetischer Strahlung (S) zur Projektion der Referenzpunkte (2, 2' , 2" , 2" ' ) ,
- Projizieren von wenigsten drei, vorzugsweise vier durch die Empfängereinheit (5, 5' , 5" , 5' " ) erfassbaren Referenzpunkten (2, 2' , 2" , 2" ' ) , - Erfassen der Strahlung (S) von wenigstens drei, vorzugsweise vier projizierten Referenzpunkten (2, 2' , 2' ' , 2' ' ' ) der Referenzpunktmenge durch die Empfängereinheit (5, 5' , 5" , 5" ' ) ,
- Ableiten von Lageinformationen, insbesondere Positions- und/oder Orientierungsinformationen, für die Empfängereinheit (5, 5' , 5' ' , 5' ' ' ) aus der erfassten Strahlung (S) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageinformationen anhand
- einer relativen zeitlichen Lage eines der Strahlung (S) aufgeprägten Signals oder
- eines Phasenanschnitts der erfassten Strahlung (S) abgeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageinformationen relativ zu einer Nullage (NL) anhand
• einer Veränderung der relativen zeitlichen Lage des der Strahlung (S) aufgeprägten Signals oder • einer Phasenänderung der erfassten Strahlung (S) abgeleitet werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Projizieren und/oder das Erfassen für wenigstens drei erfassbare Referenzpunkten (2, 2' , 2' ' , 2" ' ) zeitgleich erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (S) zur Projektion der Referenzpunkte (2,2',2'',2'''J mit gegenseitig phasenstarrer oder zeitlich starrer Kopplung emittiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (S) zur Projektion der Referenzpunkte (2,2' ,2" ,2' " ) mit Pulsen definierter zeitlicher Beziehung emittiert wird, insbesondere für die einzelnen Referenzpunkte (2, 2' , 2' ' , 2' ' ' ) gegeneinander verzögert wird, vorzugsweise im Bereich von Hunderten Nanosekunden .
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (S) für die einzelnen Referenzpunkte (2,2' ,2' ' ,2' ' ' ) mit unterscheidbarer Charakteristik erzeugt werden, insbesondere durch
- Modulieren mit referenzpunktspezifischer Frequenz,
- Wählen einer referenzpunktspezifischen optischen Trägerwellenlänge,
- Aufmodulieren einer referenzpunktspezifischen Information.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (S) zur Projektion eines ausgezeichneten Referenzpunktes (2, 2' , 2' ' , 2" ' ) codiert oder unterscheidbar gestaltet wird, z.B. durch chromatische Kennzeichnung .
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernungsbestimmung zwischen der Empfängereinheit 5, 5', 5") und den Referenzpunkten (2, 2' , 2" , 2' " ) nach dem Phasen- oder Laufzeitmessungsprinzip erfolgt, wobei die Phasenmessung die absolute oder relative Phase bestimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Absolutposition der Empfängereinheit (5, 5' , 5' ' , 5' ' ' ) die Lageinformationen aus
• der Entfernungsbestimmung zwischen der Empfängereinheit (5, 5', 5'', 5''') und den Referenzpunkten (2, 2' , 2" ,2' " ) und
• einer Kenntnis der Absolutposition der Referenzpunkte (2, 2' , 2" , 2" ' ) abgeleitet wird.
11. System zur Bestimmung einer Position und/oder einer
Orientierung einer Empfängereinheit (5, 5' , 5' ' , 5' ' ' ) nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10 mit - Referenzpunkterzeugungsmitteln zur Projektion von wenigstens drei Referenzpunkten (2,2',2'',2'''J mit wenigstens einem ersten Strahlungsprojektor (1,1'), welcher wenigstens eine erste Laserquelle (9a-g) zur Erzeugung codierter oder modulierter, insbesondere intensitäts-, phasen- oder polarisationsmodulierter, elektromagnetischer Strahlung (S) aufweist, - der Empfängereinheit (5, 5' , 5' ' , 5' ' ' ) mit wenigstens einem Detektor (16,16') zum gleichzeitigen Empfang der Strahlung (S) der wenigstens drei Referenzpunkte (2,2' ,2" ,2'" ) , wobei der Detektor (16,16') und eine Auswerteeinheit (17) so ausgebildet und angeordnet sind, dass
• eine Veränderung der relativen zeitlichen Lage eines Signals oder
• einer Phasenänderung für die Strahlung (S) der wenigstens drei Referenzpunkte (2, 2' , 2" , 2" ' ) ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzpunkterzeugungsmittel gegenüber der Empfängereinheit (5, 5', 5'', 5''') unabhängig positionierbar sind.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsprojektor (1,1') zur, insbesondere zeitgleichen und/oder unabhängig voneinander ausrichtbaren, Projektion von wenigstens zwei detektierbaren Referenzpunkten (2, 2' , 2" , 2" ' ) ausgebildet ist.
13. System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsprojektor (1,1') wenigstens eine zweite Laserquelle (9b-d) aufweist, insbesondere wobei die erste Laserquelle (9a) und die zweite Laserquelle (9b-d) unabhängig voneinander ausrichtbar sind.
14. System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsprojektor (1,1') Projektionsmittel aufweist, die so ausgebildet sind, dass die Strahlung (S) der ersten Laserquelle (9a-g) zur Projektion von wenigstens zwei Referenzpunkten (2, 2' , 2' ' , 2" ' ) ausrichtbar ist, insbesondere sequentiell ausrichtbar ist.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsmittel ein Element (10) zur scannenden Strahlführung aufweisen.
16. System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der ersten Laserquelle (9f-g), vorzugsweise einem Mikrochip-Laser, auf wenigstens zwei, insbesondere vier optische Verzögerungsstrecken (lla-d) aufgeteilt wird, insbesondere durch Singlemode-Fasern unterschiedlicher Länge.
17. System nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (5, 5' , 5' ' , 5' ' ' ) richtungssensitiv ausgebildet ist, so dass eine Richtungsbestimmung beim Empfang der Strahlung (S) der wenigstens drei Referenzpunkten (2, 2' , 2' ' , 2' ' ' ) erfolgt, insbesondere durch eine bildaufnehmende Komponente (15).
18. System nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (5') einen, insbesondere biaxialen, Neigungsmesser (18) aufweist.
19. System nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (5') ein geodätisch präzises Zeitnormal (19) , insbesondere eine Atomuhr, als lokalen Oszillator aufweist.
20. System nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (5''') wenigstens ein Schaltelement (25) zur Berücksichtigung eines definierten Abstandes (A1,A2,A3) von einem empfängerseitigen Bezugspunkt (16b) des Detektors (16') zu einer Anlagefläche der Empfängereinheit (5''') aufweist.
21. System nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (5''') eine bewegungssensitive Kalibrierkomponente (26) aufweist, wobei durch die Kalibrierkomponente (26) eine durch die Bewegung der Empfängereinheit (5''') zurückgelegte Strecke bestimmbar ist.
22. System nach einem der Ansprüche 11 bis 21, gekennzeichnet durch wenigstens ein diffus oder gerichtet reflektierendes Referenzobjekt, insbesondere eine Kugel oder einen Kugelabschnitt .
23. System nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzpunkterzeugungsmittel wenigstens einen zweiten Strahlungsprojektor (1,1') aufweisen, wobei der erste und der zweite Strahlungsprojektor (1,1') über eine, insbesondere drahtlose, Kommunikationsverbindung zur Synchronisation der Projektion der Referenzpunkte (2,2' ,2" ,2' " ) verfügen.
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