DE29707922U1

DE29707922U1 - Device for measuring and digitizing the measuring points of spatial objects

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Publication number: DE29707922U1
Application number: DE29707922U
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Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2007-05-03

Description

BeschreibungDescription

Einrichtung zum Vermessen und Digitalisieren der Meßpunkte von Raumobjekten.Device for measuring and digitizing the measuring points of spatial objects.

Bei der Positionsbestimmung eines Raumpunktes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem werden die Abstände des Raumpunktes vom Ursprung 0 des Koordinatensystems in den drei Richtungen der Koordinatenachsen x,y,z oder der tatsächliche Abstand vom Ursprung 0 zum Raumpunkt P mit den Raumwinkeln der Messlinie OP benötigt. Bei der indirekten Abstandserfassung, d.h. von einer beliebigen Meßposition aus, ergibt sich das Problem, daß auch die Position des Abstandsmeßgerätes in das Koordinatensystem eingeordnet werden muß.When determining the position of a spatial point in a three-dimensional coordinate system, the distances of the spatial point from the origin 0 of the coordinate system in the three directions of the coordinate axes x, y, z or the actual distance from the origin 0 to the spatial point P with the solid angles of the measuring line OP are required. When measuring distance indirectly, i.e. from any measuring position, the problem arises that the position of the distance measuring device must also be included in the coordinate system.

Bei bekannten Meßmaschinen wird diese Aufgabe von den Führungsschlitten oder durch mit starren Armen und / oder Paraüelogrammgestänge verbundenen Mehrfachge- !enke übernommen. Bekannt sind auch computergesteuerte Koordinatenmeßeinrichtungen, bei denen ein Meßkopf von Bändern geführt wird, die in um das Meßobjekt angeordneten Stützpunkten frei beweglich gelagert sind. (PS-DE 37 00 139 C2)In known measuring machines, this task is performed by the guide carriages or by multiple joints connected to rigid arms and/or parallax rods. Computer-controlled coordinate measuring devices are also known, in which a measuring head is guided by belts that are freely movable in support points arranged around the measuring object. (PS-DE 37 00 139 C2)

In der OS-DE 36 29 689 A1 wird eine Meßeinrichtung beschrieben, bei der die Position der Meßsonde von Entfernungsmessern, die an fest angeordneten Punkten außerhalb des Meßobjektes angebracht sind, eingemessen wird.
Der Nachteil bei Meßmaschinen ist, daß sie in der Regel stationär, zumindest sehr unbeweglich sind, die Führung der Meßsonde bzw. die Nachführeinrichtung für die Bänder und Entfernungsmesser aufwendig und die Größe der Meßobjekte beschränkt ist.
Im Bauwesen sind computergestütze Meß- und Erfassungssyteme für die Aufmaßerstellung bekannt. In diesen Sytemen werden Laser-Theodelite für die Anpeilung und zur Winkeierfassung der Punkte eines zu vermessenden Raumobjektes und elektronische Laser-Entfernungsmesser für deren Abstandserfassung, eingesetzt. Diese Meßverfahren können mobil eingesetzt werden und haben den weiteren Vorteil, daß die Größe der Meßobjekte praktisch unbegrenzt ist, aber auch die Nachteile, daß die Prozedur zur Erfassung der Meßpunkte, inbesondere für detailgetreue Aufmaße von z.B. figuraien Gebilden und Hinterschnitten am Meßobjekt, sehr zeit- und materialaufwendig ist Hier wird dann gerne auf die Fotogrammetrie - ein weiteres bekanntes Verfahren zum Digitalisieren von Raumpunkten - ausgewichen, bei der aber auch mit zunehmenden Anforderung an die Maßgenauigkeit der Geräte- und Zeitaufwand für die Erfassung der Raumkoordinaten steigtDie Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein präzises und mobiles Meßverfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem vor allem der Geräteaufwand für die Positionsbestimmung der Meßsonde - hier Abstandsmeßgerät minimiert wird, von den Formen und Größen der Meßobjekte prinzipiell unabhängig istOS-DE 36 29 689 A1 describes a measuring device in which the position of the measuring probe is measured by rangefinders that are attached to fixed points outside the measuring object.
The disadvantage of measuring machines is that they are usually stationary, or at least very immobile, the guidance of the measuring probe or the tracking device for the tapes and rangefinders is complex and the size of the measuring objects is limited.
In the construction industry, computer-aided measuring and recording systems are well known for taking measurements. In these systems, laser theodelites are used for the aiming and angle recording of the points of a spatial object to be measured and electronic laser rangefinders are used for recording their distances. These measuring methods can be used in mobile applications and have the additional advantage that the size of the measuring objects is practically unlimited, but also the disadvantage that the procedure for recording the measuring points, especially for detailed measurements of, for example, figurative structures and undercuts on the measuring object, is very time-consuming and material-intensive. In this case, photogrammetry - another well-known method for digitizing spatial points - is often used, but with increasing demands on the accuracy of the measurements, the amount of equipment and time required to record the spatial coordinates increases. The object of the invention is to create a precise and mobile measuring method of the type mentioned at the beginning, in which the amount of equipment required to determine the position of the measuring probe - in this case a distance measuring device - is minimized and is in principle independent of the shapes and sizes of the measuring objects.

und zu handhaben beispielsweise wie ein 2D-fähiges Digitalisierungstablett für den Computerarbeitsplatz, bei dem mit einem Zeigegerät die zu vermessenden Punkte in den Computer zur Verarbeitung eingeiesen werden können.
Figur 1: Erfindungsgemäß wird ein Koordinatensytem(3) in fester Beziehung zu den Bezugspunkten(4), die auf der Geräteebene(2) liegen, definiert. Das hat den Vorteil, daß bei der Einrichtung oder Umstellung eines Meßplatzes das Einmessen eines Koordinatensystems bzw. der Meßgeräte, wie es bei bekannten mobilen Meßverfahren üblich ist, entfällt Für die Bestimmung der Punkte Pi , P2 ,... P_n des Meßobjektes(i) im so definierten Koordinatensystem(3) wird eine im Zeiger(6) gedachte Gerade mit den Endpunkten A und Pi , P2 ,... P_n und dem Hilfspunkt B herangezogen. Zur Positionsbestimmung der Geraden in das Koordinatensystem(3) müssen die Abstände ihrer Punkte A und B zu jeweils drei Bezugspunkten(4) gemessen werden. Erfindungsgemäß geschieht dies durch die Meßfäden(5), von denen jeweils drei von den Punkten A und B durch die Bezugspunkte^) geführt und über Umlenkrollen auf die Meßtrommel &eegr; (9) einiagig aufgewickelt sind. Zum Aufwickeln der Meßschnüre(5) sind die Meßtrommeln(9) mit Eiektromotoren(8) ausgestattet, mit denen auch die günstigste Zugspannung für die Meßfäden(5) leicht eingestellt werden kann. Die impulse der mit den Meßtrommen(9) gekoppelten Drehgeber(IO) werden über Vorwärts-/Rückwärtszähler(11) an den Computer-) zur Berechnung der Koordinaten der Punkte A und B weitergegeben und damit ist erfindungsgemäß auch die Position des Zeigers(6) bekannt.and to handle, for example, like a 2D-capable digitizing tablet for the computer workstation, where the points to be measured can be entered into the computer for processing using a pointing device.
Figure 1: According to the invention, a coordinate system (3) is defined in a fixed relationship to the reference points (4) which lie on the device plane (2). This has the advantage that when setting up or changing over a measuring station, there is no need to calibrate a coordinate system or the measuring devices, as is usual with known mobile measuring methods. To determine the points Pi , P2 ,... P _n of the measuring object (i) in the coordinate system (3) defined in this way, an imaginary straight line in the pointer (6) with the end points A and Pi , P2 ,... P _n and the auxiliary point B is used. To determine the position of the straight line in the coordinate system (3), the distances of its points A and B to three reference points (4) each must be measured. According to the invention, this is done by the measuring threads (5), three of which are led from the points A and B through the reference points^) and are wound in one layer onto the measuring drum η (9) via deflection rollers. To wind up the measuring cords (5), the measuring drums (9) are equipped with electric motors (8), with which the most favorable tension for the measuring threads (5) can also be easily set. The impulses of the rotary encoders (IO) coupled to the measuring drums (9) are passed on to the computer via up/down counters (11) to calculate the coordinates of points A and B and thus, according to the invention, the position of the pointer (6) is also known.

Mit den aufgezeigten Maßnahmen ware prinzipiell schon eine Vermessung von Punkten im Raum möglich, es genügt schon das Einmessen eines der beiden Punkte A oder B, dies hätte aber noch den Nachteil, daß von einer Meßstellung aus nur die Punkte eines Meßobjektes vermessen werden können, die ohne Behinderung der Meßfädenbündei zugänglich sind.With the measures outlined, it would in principle be possible to measure points in space; it would be sufficient to measure one of the two points A or B, but this would have the disadvantage that from a measuring position only those points of a measuring object could be measured that are accessible without obstructing the bundle of measuring threads.

Erfindungsgemäß ist ein Entfernungsmesser^ vorgesehen, in der einfachsten Form ein Meßstab mit fixer Länge, das Tiefenmaß einer Schiebelehre mit elektronischem Datenanschluß, vorzugsweise ein elektronisches Entfernungsmeßgerät wie z.B. einen Laser-Entfernungsmesser, mit dem auch größere Abstände eingemessen werden können. Der Entfernungsmesser^ ist mit dem Zeiger(6) so verbunden, daß die Lage seiner Meßrichtung mit der Lage der im Zeiger(6) gedachten Geraden identisch ist Der Abstand des Hilfspunktes B der Geraden zu den Meßpunkten Pi, P₂ ,... P_n wird in den Computer(12) zur Berechnung der Koordinatenwerte der Punkte Pi, Pj ,... P_n - unter Einbeziehung der Koordinaten der Geradenpunkte A und B - eingegeben: als Konstante bei einem Meßstab mit fixer Länge und bei variablen Abständen, wie von denen eines elektronischen Entfernungsmessers, über die Datenieitung.According to the invention, a rangefinder^ is provided, in the simplest form a measuring rod with a fixed length, the depth gauge of a caliper with an electronic data connection, preferably an electronic distance measuring device such as a laser rangefinder, with which even larger distances can be measured. The rangefinder^ is connected to the pointer (6) in such a way that the position of its measuring direction is identical to the position of the straight line imagined in the pointer (6). The distance of the auxiliary point B of the straight line to the measuring points Pi, P ₂ ,... P _n is entered into the computer (12) for calculation of the coordinate values of the points Pi, P j ,... P _n - taking into account the coordinates of the straight line points A and B - as a constant for a measuring rod with a fixed length and for variable distances, such as those of an electronic rangefinder, via the data line.

Die Verwendung von Meßfäden(5) als Zuordnungshüfen läßt dem Zeiger(6) den größtmöglichen Freiheitsgrad bei seiner Handhabung. Seine Position und Lage im Koordinatensystem(3) ist während der Messung immer bekannt, so daß z.B. auch kontinuierliches Vermessen von Raumlinien problemlos möglich ist. Oft sind auch Punkte von Hinterschnitten des Meßobjektes(i), die mit bekannten Meßverfahren nur durch Umrüsten oder aufwendige zusätzliche Hilfseinrichtungen erreicht werden können, von einer Meßstellung aus erreichbar. Der konstruktive Aufwand für die dargestellten Längenmeßwerke(8 bis 10) zur Messung der Abschnittsveränderungen der Meßfäden(5) ist relativ gering und sind, wie auch die Vorwärts-/Rückwärtszähler(11), Stand der Technik, so daß beim Bau der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, zumal auch die Bestückung des Zeigers(6) mit einem einfachen Meßstab oder einer elektronischen Schiebelehre, vielen Meßansprüchen genügt, ein günstiges Verhältnis von Herstellungskosten zu Leistungsangebot erzielt werden kann.The use of measuring threads (5) as allocation aids gives the pointer (6) the greatest possible degree of freedom in its handling. Its position and location in the coordinate system (3) is always known during the measurement, so that, for example, continuous measurement of spatial lines is also possible without any problems. Often, points of undercuts of the measuring object (i), which can only be reached with known measuring methods by retooling or expensive additional auxiliary devices, can also be reached from a measuring position. The design effort for the length measuring devices (8 to 10) shown for measuring the section changes of the measuring threads (5) is relatively low and, like the up/down counters (11), are state of the art, so that when building the measuring device according to the invention, especially since equipping the pointer (6) with a simple measuring rod or an electronic caliper satisfies many measuring requirements, a favorable ratio of manufacturing costs to performance can be achieved.

's Zur Handhabung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung:'s For handling the measuring device according to the invention:

Mit den Drehgebem(11) können nur Abstandsveränderungen des Zeigers(6) von den Bezugspunkten(4) gemessen werden. Vor jeder Inbetriebnahme der Meßeinrichtung ist daher ein Eineichen mit bekanntem Abstand und bekannter Position des Zeigers(6) zu den Bezugspunkten(4) vorgesehen. Eine Halterung, bei der die bestimmenden Werte bekannt sind, kann für diesen Zweck an der Meßeinrichtung angebracht werden. Die Steuerbefehle für die Auswahl der kontinuierlich gemessenen Raumpunkte und Befehle für deren Datenverarbeitung, können über spezielle Signalgeber oder dem elektronischen Entfernungsmesser^ am Zeiger(6) oder mit der Tastatur des Computers{12) gegeben werden. Die errechneten Koordinatenwerte des Meßpunktes, auf den mit demThe rotary encoders (11) can only measure changes in the distance of the pointer (6) from the reference points (4). Before each use of the measuring device, calibration is therefore required with a known distance and position of the pointer (6) from the reference points (4). A holder for which the determining values are known can be attached to the measuring device for this purpose. The control commands for the selection of the continuously measured spatial points and commands for their data processing can be given via special signal transmitters or the electronic distance meter^ on the pointer (6) or with the computer keyboard{12). The calculated coordinate values of the measuring point to which the

&kgr; Zeiger(6) &ldquor;gezeigt" wird, können kontinuierlich - z.B. in der Form &ldquor; &khgr; , y , &zgr; " - zur Weiterverarbeitung an 3D-fähige Graphikprogramme mit Hufe spezieller Treiberprogramme weitergegeben werden.&kgr; pointer(6) can be continuously passed on for further processing - e.g. in the form &khgr; , y , &zgr; " - to 3D-capable graphics programs with the help of special driver programs.

Figur 2: Beispielsweiser Aufbau eines Computerarbeitsplatzes mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, bei dem die Geräteebene(2) mit den Bezugspunkten(4) am Gehäuse der Längenmeßwerke(8,9,10) fixiert ist, die Vorwärts-/Rückwärtszähler(11) als Steckkarten im Computer(12) untergebracht sind und mit Hilfe eines in den Computer-2) eingeladenem Graphikprogramms, die mit dem Zeiger{6) eingelesenen Daten zu einer 3D-Zeichnung verarbeitet werden.
Figur 3: Beispielsweiser Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung zur Erstellung des Aufmaßes einer Immobilie, bei dem die Geräteebene(2) mit ihren Bezugspunkten^) separat fixiert ist, die Längenmeßwerke(8,9,10,11) und der Computer(12) in Figure 2: Example of a computer workstation with the measuring device according to the invention, in which the device level (2) with the reference points (4) is fixed to the housing of the length measuring devices (8, 9, 10), the up/down counters (11) are housed as plug-in cards in the computer (12) and with the help of a graphics program loaded into the computer (2), the data read in with the pointer (6) are processed into a 3D drawing.
Figure 3: Example of a structure of a measuring device according to the invention for creating the measurement of a property, in which the device level (2) with its reference points^) is fixed separately, the length measuring devices (8,9,10,11) and the computer (12) in

einem Gehäuse untergebracht sind und mit dem Zeiger(6) eingeiesene und vom Computer-2) berechnete Daten von einem externen Computer(13) verarbeitet werden. Die Trennung von Meßgerät und Geräteebene(2) hat bei großen Meßobjekten(1) den Vorteil, daß auch bei ungünstigen Raumverhältnissen eine günstige Positionierung der Meßeinrichtung möglich ist. Bei größeren Abstandsmessungen, z.B. beim Einmessen einer unzugänglichen Kirchturmspitze, sollte auch der Zeiger(6) mit Hilfe eines separaten Stativs ruhiggestellt werden. Bei einer Umstellung der Meßeinrichtung ändert sich die Position des Koordinatensystems(3) zum Meßobjekt{1). Durch deckungsgleiches &ldquor;Eindrehen" (Stand der Technik bei 3D-fähigen Graphikprommen) von drei identischen Punkten des Meßobjektes(i), die von verschiedenen Standorten eingemessen wurden, kann ein zusammenhängendes Aufmaß (außen und innen) auch für ein komplexes Meßobjekt, wie das einer Immobilie, erstellt werden.are housed in a housing and data read with the pointer (6) and calculated by the computer-2) are processed by an external computer (13). The separation of the measuring device and the device level (2) has the advantage for large measuring objects (1) that it is possible to position the measuring device in a favorable way even in unfavorable spatial conditions. For larger distance measurements, e.g. when measuring an inaccessible church steeple, the pointer (6) should also be immobilized using a separate tripod. When the measuring device is moved, the position of the coordinate system (3) to the measuring object changes {1). By congruently "turning in" (state of the art for 3D-capable graphic prommers) three identical points on the measuring object (i) that were measured from different locations, a coherent measurement (outside and inside) can be created even for a complex measuring object, such as a property.

Claims

Protection claims

1. Device for measuring and digitizing the measuring points of spatial objects with a rangefinder on a pointer, with measuring threads for determining the position of the pointer, with length measuring mechanisms for measuring the measuring threads and with a computer for calculating the spatial coordinates, characterized in that three measuring threads (5) each are guided from the points A and B of the free pointer (6) through the base points (4), for measuring the distances of the base points (4) from the points A and B, via deflection rollers into the electronic length measuring mechanisms (8, 9, 10, 11), the base points (4) are located on the device level (2) on which the coordinate system (3) is set up in a fixed relationship to the base points (4) and the position of the pointer (6) in the coordinate system (3) is continuously determined by the computer (2) by calculating the spatial coordinates of its points A and B.

2. Device according to claim 1, characterized in that a rangefinder^, preferably with electronic data output, is firmly connected to the pointer (6) in the measuring direction, the distances of the pointer (6) from the points Pt , P ₂ ,... P _n of the measuring object (i) are continuously measured with the rangefinder, the coordinate values of the points P ₁ , P ₂ ,... P _n - related to the coordinate system (3) - are calculated by the computer (12) by evaluating the thus extended straight line AB of the pointer (6) and are continuously available in digital form for further processing or are stored for later processing.