DE3808972A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen verfolgung und positionsmessung eines objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung der kontinuierlichen Verfolgung und Positionsmessung eines Objektes wie z. B. eines Fahrzeuges, Schiffes, Flugzeuges Helikopters etc.

Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung zur Verfolgung und Vermessung von Vermessungsfahrzeugen wie Meßflugzeugen, Meßhubschraubern, Meßballons oder Vermessungsschiffen.

Es sind schon sehr viele Laser Tracking Systeme zur automatischen Objektverfolgung bekannt geworden. So sind Laser Tracking Systeme zur Vermessung von Astronauten auf der Mondoberfläche schon 1970 bekannt und Laser Tracking Systeme im militärischen Bereich zu Verfolgung von Raketen­ abschüssen, Flugzeugverfolgung und Satellitenverfolgung aus den siebziger Jahren. OS 29 47 955 von 1979 beschreibt ein Positionierungssystem für Schienenfahrzeuge, bei dem ein vertikal auseinandergezogener Laserstrich zur Ablagemessung verwendet wird. Aus der Ablage wird ein Steuersignal für den Nachsteuermotor generiert. DE 31 28 423 von 1981 macht den Versuch ein System anzugeben, mit dem Schiffe vermessen werden sollen, die sich in einer Ebene bewegen. Obwohl dieses Patent nicht funktionsfähig ist, stellt es doch eine interessante Darstellung des Standes der Technik zum Zeitpunkt der Anmeldung dar.

Bei den militärischen Systemen handelt es sich meistens um Hochleistungslaser-Systeme, die wegen der damit verbundenen Augenschädlichkeit im zivilen Bereich nicht einsetzbar sind. Als ein Beispiel von vielen sei der Cinetheodolit erwähnt, über den in SPI, Vol. 134, Photo- and Electro- Optics in range instrumentation 1978 von Dr. R. E. Strane berichtet wurde. Diese Geräte, die sich für die dreidimensionale Vermessung von beweglichen Objekten eignen, sind für den zivilen vermessungstechnischen Einsatz nicht geeignet.

All diesen Systemen gemeinsam ist, daß die Aufgabe der drei-dimensionalen Objektvermessung und Verfolgung in zuverlässiger Art und Weise und nach einmaliger Ausrichtung auf das Ziel auch in automatischer Weise erfolgt.

Diese Aufgabe der kontinuierlichen Verfolgung und Positionsmessung eines Objektes, der im Oberbegriff des Anspruch 1 definierten Gattung wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil gelöst.

Die erfinderische Vorrichtung ist technisch einfach aufgebaut und läßt sich zu relativ geringen Kosten herstellen. Durch die Ausgestaltung der zueinander orthogonalen Laserstrahlen in Form von Lichtstrichen, mit denen hochgenau ein Suchfeld abgetastet werden kann, ist eine sehr genaue Vermessung des Reflektors relativ zur optischen Achse des Meßkopfes möglich.

Die Winkelmeßgenauigkeit wird durch die Abtastgeschwindigkeit der über den Reflektor gelenkten Sendestrahlen bestimmt. Das Auffinden des Zieles gestaltet sich wegen der strichförmig auseinandergezogenen Laserstrahlen und der zwei zueinander orthogonalen Abtastrichtungen sehr einfach. Sobald der Reflektor im Suchfeld, das durch den abgetasteten Raumwinkel dargestellt wird, erfaßt worden ist, sorgt die Nachführeinrichtung dafür, daß der Meßkopf ständig auf den Reflektor ausgerichtet bleibt.

Der Vorteil dieser erfinderischen Vorrichtung besteht in der schnellen und genauen Messung von mit Reflektoren ausgerüsteten Zielen. Die Koordinaten des Reflektors werden immer genau vermessen, wenn dieser sich im Suchfeld befindet. Die Genauigkeit ist nicht abhängig vom Ort innerhalb des Suchfeldes. Das Suchfeld kann durch die spezielle Art des Scansystems schnell und einfach abgetastet werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Meßkopfes des Laser Tracking Systems,

Fig. 2 die optische Ablenkeinrichtung,

Fig. 3 das Suchfeld mit dem Empfängersehfeld,

Fig. 4 das Meßgerät, schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Meßkopfes des Laser Tracking Systems. Die von Sender 1 und 2 ausgesandte Laserstrahlung wird mit den Objektivlinsen 3 und 4 in Richtung Reflektor gesendet. Die optische Ablenkeinrichtung 5 lenkt das Laserlicht zyklisch horizontal und die optische Ablenkeinrichtung 6 vertikal ab. Die reflektierten Signale werden mit dem Objektiv 7 auf der Empfangsdiode des Empfängers 8 abgebildet und in elektrische Signale umgesetzt. Die Laserpulse des Lasersenders 2 werden zur Entfernungsmessung in der Meßelektronik 9 verwendet. Die optischen Ablenkeinrichtungen 5 und 6 und die Entfernungs­ meßschaltung 9 werden mit dem Rechner 10 des Meßkopfes verbunden. Die Ablagedaten horizontal und vertikal, bei denen ein Reflexionssignal detektiert wurde und die Entfernung zum Ziel werden über die Schnittstelle 11 der Nachführeinrichtung zugeführt. In der Nachführeinrichtung ist eine elektronische Regeleinrichtung und ein Steuerrechner enthalten, mit dem die Ansteuersignale für die Nachführungsmotoren angesteuert werden.

Mit dem Spiegel 12 wird ein kleiner Teil der ausgesandten Lichtenergie abgeteilt und direkt auf die Photodiode des Empfängers geschickt, in ein elektrisches Signal umgesetzt und als Startpuls für die Entfernungsmessung verwendet.

Fig. 2 stellt schematisch die optische Ablenkeinrichtung dar. Die optische Ablenkung des Sehfeldes oder des Sendelichtes erfolgt im divergenten Strahlengang hinter der Objektivlinse 13. Das Licht wird durch eine rotierende, transparente Planplatte 14 geschickt. Die rotierende Planplatte ist vorzugsweise aus Glas hergestellt und direkt mit dem Winkelmesser 15 verbunden. Mit dem Motor 16 wird die Planplatte 14 über die Räder 17 und 17 a und den Treibriemen 18 angetrieben. Sender oder Empfänger 19 sind vor der Planplatte 14 angeordnet.

Fig. 3 zeigt das Suchfeld mit dem Sehfeld im Fernfeld von einigen Kilometern Entfernung. Das Sehfeld 20 des Empfängers 8 umgreift den Ablenkbereich der Sendestrahlen 21 und 22. Der horizontal abgelenkte Laserstrahl 21 ist vertikal auseinandergezogen und horizontal schmal und wird horizontal entsprechend Pfeil 21 a abgelenkt. Der vertikal abgelenkte Laserstrahl 22 ist horizontal auseinandergezogen und vertikal schmal und wird vertikal entsprechend Pfeil 22 a abgelenkt. Beide Ablenkraumwinkel sind übereinander justiert. Ein Reflektor 23 würde die Ablenkwinkel 24 und 24 a ergeben.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Laser Tracking Systems zur kontinuierlichen Positionsbestimmung. Für die Ausrichtung auf einen Reflektor oder ein Ziel dient das Fernrohr 25, das parallel zur optischen Achse des Meßkopfes 26 justiert ist. Das Display 27 zeigt die gemessene Entfernung zum Ziel und die Ablage im Suchfeld. Der Meßkopf ist drehbar um die Horizontalachse 28 gelagert. An dieser Achse ist der Vertikalwinkelmesser 29 befestigt. Der Motor 30 treibt die Vertikalachse über den Treibriemen 31. Die Theodolitkonfiguration 32 ist um die vertikale Drehachse 33 drehbar gelagert. Der Horizontalwinkel wird mit dem Winkelmesser 34 gemessen. Der Motor 35 treibt die Horizontalachse über den Treibriemen 36 und dreht die Theodolitkonfiguration um den Fuß 37, der in einer horizontierbaren Klemmvorrichtung 38 steckt. Mit dem Handterminal 39 wird eine Verbindung zum Rechner 40 des Tracking Systems hergestellt. Über dieses Handterminal erfolgt die Bedienung des Vermessungssystems. Der Datenaustausch zwischen Meßkopf und Nachführeinrichtung erfolgt über die Verbindung 41.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Verfolgung und Positionsmessung eines Objektes mit einer motorisierten Theodolitkonfiguration, bei der jeweils ein Motor für die Drehung um die Horizontalachse und Vertikalachse und jeweils ein Winkelmesser für die Messung des Drehwinkels um jede Achse relativ zu einem Bezug, vorgesehen ist, einem Entfernungsmesser, der drehbar um beide Achsen gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß drehbar um beide Achsen zwei optische Winkelmeß­ einrichtungen jeweils bestehend aus Lasersender, Empfänger und optischer Ablenkvorrichtung zur Ablenkung des Senderlichtes vorgesehen sind, die beiden Ablenkrichtungen der Ablenkvorrichtungen rechtwinklig zueinander stehen, das Senderlicht jeweils quer zur Ablenkrichtung auseinander­ gezogen und in Ablenkrichtung schmal gebündelt ist, daß zum Zeitpunkt des Empfangs eines Reflexionssignals die zugehörige Winkelstellung der zugehörigen Ablenkvorrichtung ausgelesen wird, und diese Winkelstellung einer elektronischen Regeleinrichtung übergeben wird, die diese in Stellspannungen nach einem vorgebbarem Programm oder direkt zur Nachsteuerung des Meßkopfes zum Ziel umsetzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sehfeld des Empfängers parallel zu den Sendestrahlen abgelenkt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sehwinkelbereich der Empfänger jeweils den durch die Ablenkung des Senderlichtes beschriebenen Raumwinkel der zugehörigen optischen Winkelmeßeinrichtungen überdecken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Winkelmeßeinrichtungen den gleichen Empfänger nutzen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumwinkelbereiche der optischen Winkelmeßeinrichtung größtenteils in Deckung liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser, der einen Lasersender und Empfänger aufweist, nach dem Pulslaufzeitmeßprinzip arbeitet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Entfernungsmesser und eine der optischen Winkelmeßeinrichtungen den gleichen Empfänger haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronischen Regeleinrichtung gemeldet wird, welcher Laser das empfangene Reflexions­ signal verursacht hatte.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser und eine der beiden optischen Winkelmeßvorrichtungen den gleichen Lasersender nutzen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ablenkung des Senderlichtes mit einer rotierenden Planplatte im divergenten Strahlengang erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser der optischen Winkelmeßeinrichtung auf einer Schwinge angeordnet sind und dadurch, daß sie periodisch seitlich aus dem Fokuspunkt ausgelenkt werden eine Winkeländerung des Sendelichtes verursacht wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drehbar um beide Achsen zwei optische Winkelmeßeinrichtungen unter Vertauschung von Sende- und Empfangsfeld jeweils bestehend aus Lasersender, Empfänger und optischer Ablenkvorrichtung zur Ablenkung des Empfängersehfeldes vorgesehen sind, die beiden Ablenkrichtungen rechtwinklig zueinander stehen, das Empfängersehfeld quer zur Ablenkrichtung auseinandergezogen und in Ablenkrichtung schmal gebündelt ist, daß zum Zeitpunkt des Empfanges eines Reflexionssignals die zugehörige Winkelstellung der zugehörigen Ablenkvorrichtung ausgelesen wird, und diese Winkelstellung einer elektronischen Regeleinrichtung übergeben wird, die diese in Stellspannungen nach einem vorgebbarem Programm oder direkt zur Nachsteuerung des Meßkopfes zum Ziel umsetzt.