DE102011105376A1

DE102011105376A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Richtungskalibrierung eines Polarmessgerätes

Info

Publication number: DE102011105376A1
Application number: DE102011105376A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Staiger
Original assignee: HOCHSCHULE BOCHUM
Current assignee: Zoller and Froehlich GmbH
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-20
Also published as: US20140125997A1; EP2721372A1; WO2012175185A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Richtungskalibrierung eines Polarmessgerätes, insbesondere eines Laserscanners, die ein Referenzelement (1) umfasst, dass drehfest an einer Haltevorrichtung des Polarmessgerätes, insbesondere an einem Stativ, befestigbar/befestigt ist und durch welches eine Referenzrichtung (4) in einer Horizontalebene definiert ist und ein Drehelement (5) umfasst, dass mit dem Polarmessgerät drehfest ist und zusammen mit dem Polarmessgerät relativ zum Referenzelement (1) um eine vertikale Achse (2) drehbar ist und wenigstens eine optische Messvorrichtung (3, 6, 3', 6') vorgesehen ist, mittels der die Übereinstimmung einer Ausrichtung des Drehelementes (5) mit der Referenzrichtung (4) des Referenzelements (1) messbar ist, insbesondere signalisierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Richtungskalibrierung eines Polarmessgerätes. Unter einem Polarmessgerät im Sinne der Erfindung wird dabei ein solches Messgerät verstanden, welches Messwerte in Abhängigkeit von Polarkoordinaten erfasst, d. h. bevorzugt in Abhängigkeit einer Winkelausrichtung in einer horizontalen Ebene und einer Winkelausrichtung in einer vertikalen Ebene, welches bei der Messung um eine vertikale Drehachse gedreht wird.
Ein Beispiel eines solchen Polarmessgerätes ist ein Laserscanner, der einen festen Geräteteil aufweist, welcher bei einer Messwertaufnahme unbeweglich ist und z. B. mit einer Haltevorrichtung, insbesondere einem Stativ verbunden ist und einen rotierenden Geräteteil aufweist, welcher bei einer Messwertaufnahme um eine vertikale Achse relativ zum festen Gehäuseteil rotiert.
Durch diese Rotation kann die Messrichtung in einer horizontalen Ebene vorgegeben werden, wobei in dem rotierten Geräteteil weiterhin eine Sende- und Empfangsvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher bei vorgegebenem Winkel in der Horizontalrichtung in mehreren vertikalen Winkelausrichtungen ein Laserstrahl ausgesandt und dessen Reflektionssignal erfasst wird. Dabei wird zumindest die Laufzeit des Reflektionssignals erfasst, gegebenenfalls je nach Laserscanner auch die Intensität des reflektierten Signals, so dass die Möglichkeit besteht, in Polarkoordinaten, d. h. den beiden Winkelkoordinaten in der Horizontal- und in der Vertikalebene eine dreidimensionale bildliche Erfassung der Umgebung zu realisieren.
Es ist dabei bekannt, solche Polarmessgeräte, insbesondere solche Laserscanner, mit einer Haltevorrichtung zu betreiben, mittels welcher das Polarmessgerät, insbesondere ein Laserscanner, derart gehalten wird, dass dessen Rotationsachse, um die der bewegte Geräteteil des Laserscanners gegenüber dem unbewegten rotiert wird, exakt vertikal ausgerichtet ist. Hierfür kann beispielsweise ein Stativ zum Einsatz kommen, dessen Stativstange pendelnd gehalten ist, so dass sich diese Stange automatisch der Schwerkraft folgend lotrecht und damit vertikal ausrichtet und somit auch eine entsprechend vertikale Ausrichtung der Drehachse des rotierten Laserscannergeräteteils erfolgt.
Insbesondere mit Laserscannern dieser Art ist eine Anwendung erschlossen worden, in welcher unterirdische Kanäle und deren Verlauf erfasst werden können. Hierfür ist es beispielsweise vorgesehen, einen Laserscanner der vorbeschriebenen Art z. B. über Kopf stehend, d. h. insbesondere mit dem rotierten Geräteteil des Laserscanners nach unten hängend und mit dem festen Geräteteil mit der Haltevorrichtung verbunden dreidimensionale Umgebungsaufnahmen durchzuführen, wobei ein solcher Laserscanner durch senkrechte Kanalschächte in die Tiefe herabgelassen werden kann, wofür eine Stativsäule mit dem daran hängenden Laserscanner durch eine z. B. ebenerdige Kanalöffnung in den Kanal herabgelassen wird, um so in einer oder auch mehreren Tiefen Laserscans durchzuführen und demnach Rundumaufnahmen von der Kanal-Umgebung zu erstellen.
Es besteht so die Möglichkeit, ohne Begehung der Kanäle durch Personen Abbilder der unterirdischen Kanalführung zu erstellen.
Dabei hat es sich als problematisch erwiesen, dass zwar mit einer solchen Anordnung Abbildungen der unterirdischen Kanalführung erstellt werden können, es jedoch aus einer solchen Aufnahme selbst nicht ersichtlich ist, in welcher Orientierung die Kanäle relativ zu einer Referenz auf der Erdoberfläche verlaufen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Richtungskalibrierung eines Polarmessgerätes, wie beispielsweise eines Laserscanners bereitzustellen, mit welchem die Möglichkeit gegeben ist, eine mit einem Polarmessgerät aufgenommenen Messwertserie, insbesondere eine mit einem Laserscanner aufgenommene Bildpunktwolke bzw. deren dreidimensionale Darstellung, mit einer Referenz, insbesondere einer oberirdischen Referenz zu kalibrieren, um die Messwerte bzw. die in einer bildlichen Darstellung wiedergegebenen Informationen, die in einer bestimmten Messebene des Polarmessgerätes aufgenommen wurden, in Relation zu setzen mit Vergleichsdaten, insbesondere einer anderen Bildpunktwolke oder einer daraus gebildeten dreidimensionalen Wiedergabe, die aus einer anderen, insbesondere oberirdischen Messebene stammt.
Insbesondere mit Bezug auf diese Kanalanwendung, die jedoch die Erfindung nicht beschränkt, wenngleich sie eine bevorzugte Anwendung darstellt, kann demnach die in einer bildlichen Wiedergabe dargestellte Orientierung von unterirdischen Kanälen in Bezug gesetzt werden mit einem oberirdischen Referenzbild, beispielsweise welches den Kanalschacht umgebende Gebäude zeigt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, die ein Referenzelement umfasst, das drehfest an einer Haltevorrichtung des Polarmessgerätes, beispielsweise an einem Stativ, befestigbar ist bzw. nach einer durchgeführten Montage befestigt ist und durch welches eine Referenzrichtung in einer Horizontalebene definiert ist und die weiterhin ein Drehelement umfasst, das mit dem Polarmessgerät drehfest ist und dass zusammen mit dem Polarmessgerät relativ zum Referenzelement um eine vertikale Achse drehbar ist und die weiterhin wenigstens eine optische Messvorrichtung, insbesondere elektrooptische Messvorrichtung, aufweist, mittels der die Übereinstimmung einer Ausrichtung des Drehelements mit der Referenzrichtung des Referenzelementes messbar ist, insbesondere signalisierbar ist. Das Drehelement kann z. B. am Polarmessgerät drehfest befestigbar bzw. nach einer Montage befestigt sein oder zumindest an das Polarmessgerät drehfest gekoppelt sein, wenn es nicht mittelbar oder unmittelbar an diesem befestigt ist.
Verfahrensgemäß wird demnach die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Referenzelement drehfest an/in einer Haltevorrichtung des Polarmessgerätes, wie beispielsweise an/in einem Stativ angeordnet ist oder wird, insbesondere befestigt ist oder wird, wobei durch das Referenzelement eine Referenzrichtung in einer Horizontalebene definiert wird und dass weiterhin ein Drehelement an/in dem Polarmessgerät drehfest angeordnet ist oder wird, welches zusammen mit dem Polarmessgerät relativ zum Referenzelement um eine vertikale Achse gedreht wird, wobei mittels wenigstens einer optischen Messvorrichtung, insbesondere elektrooptische Messvorrichtung, die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes gemessen wird.
Referenzelement und Drehelement können in der Ausführung z. B. zur Haltevorrichtung und/oder zum Polarmessgerät separate Bauteile sein, die an diesen befestigt sind bzw. befestigbar sind bzw. zumindest drehfest angekoppelt sind. Diese Elemente können jedoch auch einen integralen Bestandteil von Haltevorrichtung und/oder Polarmessgerät bilden, z. B. das Referenzelement als integrales Teil der Haltevorrichtung und das Drehelement als integrales Teil des Polarmessgerätes. Wesentlich ist es für alle Ausführungen lediglich, dass die elektrooptische Messvorrichtung einen optischen Strahlengang aufweist und sowohl Drehelement als auch Referenzelement zumindest teilweise in diesen Strahlengang eingebunden sind, z. B. dadurch, dass eines oder beide der Elemente zumindest ein Bauelement der Messvorrichtung tragen oder bilden, damit sich durch Drehung von zumindest einem der Elemente der Strahlengang der Messvorrichtung ändert. Als tragendes Element können Referenzelement/Drehelement z. B. als Stab, Platte oder sonstige Trägerkonstruktion ausgebildet sein. Die körperliche Ausbildung dieser Elemente ist durch die Erfindung nicht beschränkt.
Auch eine optische Messvorrichtung kann zumindest teilweise integral in der Haltevorrichtung und/oder dem Polarmessgerät ausgebildet sein. Es wird jedoch immer einen Teil des Strahlenganges der Messvorrichtung geben, der sich zwischen Polarmessgerät und Haltevorrichtung bzw. zwischen Referenzelement und Drehelement erstreckt, um eine Beeinflussung des Strahlenganges durch eine relative Drehung zu erzielen.
Es besteht so erfindungsgemäß die Möglichkeit, mit einem Polarmessgerät, beispielsweise einem Laserscanner, in einer ersten horizontalen Ebene eine Referenzmessung, insbesondere eine dreidimensionale Bildaufnahme zu erstellen, die sich an der eingestellten Referenzrichtung orientiert, welche durch das Referenzelement vorgegeben ist.
Hierfür kann ein Referenzelement an einem während der Messung ortsfest verbleibenden Teil der Haltevorrichtung, z. B. einem Stativ, befestigt werden. Es kann vorgesehen sein, dass allem durch die Befestigung die Referenzrichtung definiert ist oder es kann in einer Ausführung auch vorgesehen sein, dass das Referenzelement um eine vertikale Drehachse zunächst an der Haltevorrichtung drehbar in eine gewünschte Referenzrichtung eingestellt werden kann und sodann drehfest mit der Haltevorrichtung verbunden wird, um diese Referenzrichtung zu fixieren.
Erfindungsgemäß ist es sodann für eine erste Messung vorgesehen, das Polarmessgerät, insbesondere einen Laserscanner, durch Drehung um die vertikale Achse derart auszurichten, dass eine Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes, welches mit dem Polarmessgerät verbunden ist, mit der Referenzrichtung des Referenzelementes gegeben ist, was gemäß der Erfindung durch eine optische Messvorrichtung, insbesondere elektrooptische Messvorrichtung, messbar ist und insbesondere signalisierbar ist. So erhält eine z. B. in einer ersten Ebene aufgenommene Messung insbesondere eine mit einem Laserscanner oberirdisch aufgenommene dreidimensionale Bilddarstellung einen Bezug zu der festgelegten Referenzrichtung des Referenzelementes und es besteht sodann weiterhin die Möglichkeit, weitere Messwerterfassungen mit dem Polarmessgerät, insbesondere weitere Bilderfassungen mit einem Laserscanner, in anderen horizontalen Ebenen, beispielsweise nach Hineinfahren in einen Kanalschacht vorzunehmen, wofür es vorgesehen ist bei jeder Messung mittels der optischen Messvorrichtung eine Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes festzustellen und somit Messwerte, insbesondere eine 3D-Bilddarstellung, in einer anderen horizontalen Ebene zu erfassen, die hinsichtlich der Ausrichtung mit der vorherigen Messung korreliert ist.
Betrachtet man in der Anwendung bei der optischen Kanalvermessung demnach eine dreidimensionale Bilddarstellung, die aus einer Kanaltiefe gewonnen wurde, so kann der Verlauf unterirdischer Kanäle oder die Orientierung von Kanalmündungen in einen Bezug gesetzt werden mit einer oberirdischen Bilddarstellung, welche beispielsweise die Gebäude um den Kanalschacht herum zeigt, zu denen die unterirdischen Kanäle verlaufen. Beispielsweise kann so mit Bezug auf einen Laserscanner eine Nullrichtung, d. h. ein Drehwinkel um die Vertikaldrehachse des Laserscanners festgelegt werden, die in allen einstellbaren Horizontalebenen des Laserscanners durch Verschiebung eines Halteelementes der Haltevorrichtung, beispielsweise einer Stativsäule, erzielt werden kann.
Beispielsweise besteht so die Möglichkeit, ein einziges oberirdisches Bild, mit einer Referenzausrichtung beispielsweise als Nullgradposition und somit als Start der vertikalen Drehung aufzunehmen und wenigstens eine, gegebenenfalls mehrere Messwertaufnahmen, in verschiedenen Horizontalebenen nach Hineinfahren in einen vertikal verlaufenden Schacht vorzunehmen, so dass jede der dort gewonnenen dreidimensionalen Rundumsichten in der selben Nullgradrichtung als Referenzausrichtung beginnt oder auf die Referenzausrichtung zurückgerechnet werden kann, wenn in jeder der eingestellten Horizontalebenen vor Beginn der Aufnahme oder auch während der Aufnahme die Übereinstimmung einer Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes festgestellt wird mit Hilfe der optischen Messvorrichtung.
Hierbei ist es ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes rein optisch mit einer optischen Messvorrichtung erfolgt und somit jegliche mechanische Kopplung zwischen diesen Elementen entfallen kann.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mittels einer optischen Messvorrichtung wenigstens eine optische Messstrecke der Messvorrichtung in vertikaler Richtung zwischen Drehelement und Referenzelement auszubilden, so dass diese optische Messstrecke zur Feststellung der Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes und der Referenzrichtung herangezogen werden kann, unabhängig davon, welche Höhenlage das Polarmessgerät relativ zum Referenzelement einnimmt. Diese Unabhängigkeit ergibt sich erfindungsgemäß durch die vertikale Messstrecke, die sich bei einer Änderung der Horizontalebene des Polarmessgerätes allenfalls in der Länge ändert, aber nicht in der Richtung. Erfindungsgemäß kann demnach die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes für alle möglichen Absenktiefen des Polarmessgerätes, insbesondere des Laserscanners, festgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird es dabei als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die optische Messvorrichtung ausgebildet ist durch wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Lichtdetektor, wobei zwischen dem Referenzelement und dem Drehelement wenigstens eine Messstrecke als Lichtpropagationsstrecke ausgebildet ist, in welcher der wenigstens eine Lichtstrahl, der durch die wenigstens eine Lichtquelle erzeugt ist, in einem Bereich zwischen Referenz- und Drehelement vertikal propagiert und wobei der wenigstens eine Lichtdetektor oder eine diesem nachgeschaltete Elektronik bei einer Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes ein Übereinstimmungssignal erzeugt. Eine solche Übereinstimmung kann bevorzugt dann vorliegen, wenn der wenigstens eine vertikal propagierende Lichtstrahl den wenigstens einen Lichtdetektor zumindest zum Teil, bevorzugt in einer vorbestimmten Lage trifft.
Hierbei ist es für die Messung und die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren unerheblich, ob der wenigstens eine erzeugte Lichtstrahl vom Referenzelement in Richtung zum Drehelement propagiert und somit aufgrund der ortsfesten Anordnung des Referenzelementes ebenso ortsfest ist oder aber ob in umgekehrter Richtung der wenigstens eine Lichtstrahl von dem Drehelement in Richtung zum Referenzelement propagiert und somit mit dem Drehelement der Lichtstrahl bewegt werden kann, insbesondere um eine vertikale Achse. Wesentlich ist jeweils, dass nur in einer bestimmten Winkelstellung der relativen Drehlage zwischen Referenzelement und Drehelement der wenigstens eine Lichtstrahl den wenigstens einen Lichtdetektor trifft und ein Übereinstimmungssignal erzeugt.
Ein solches Übereinstimmungssignal kann dabei zwischen Drehelement und Referenzelement auch übertragen werden, je nach dem an welchem Element eine Elektronik zu Erzeugung des Signales vorgesehen ist. Die Übertragung kann z. B. drahtlos per Funk erfolgen, z. B. mittels einer Bluetooth-Verbindung oder auch optisch z. B. über den Lichtstrahl der zwischen den Elementen propagiert.
In einer möglichen Ausführungsform kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der in vertikaler Richtung zwischen Referenz- und Drehelement propagierende wenigstens eine Lichtstrahl durch einen Laserlichtstrahl ausgebildet ist, wobei in dieser Ausführung mittels eines Lichtdetektors die Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes und der Referenzrichtung des Referenzelementes festgestellt werden kann.
Beispielsweise kann hier ein Lichtdetektor oder aber eine diesem nachgeschaltete Elektronik ein Übereinstimmungssignal generieren, welches sich dadurch ergibt, dass der in vertikaler Richtung propagierende Lichtstrahl nach Durchlaufen seiner Propagationsstrecke zwischen Referenz- und Drehelement auf den Lichtdetektor trifft und somit dieses Ereignis messtechnisch feststellbar ist.
Die Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes und der Referenzrichtung des Referenzelementes kann dabei beispielsweise in einfachster Ausführung schon mit einem einzigen Laserlichtstrahl erfolgen, der von einer Laserlichtquelle zu einem Lichtdetektor in vertikaler Richtung propagiert oder aber auch durch mehrere Lichtstrahlen, die jeweils auf einen Detektor treffen, wobei eine Übereinstimmung der Ausrichtung aus dem gleichzeitigen Auftreten eines Übereinstimmungssignals aller beteiligter Detektoren gewonnen werden kann, wobei jeder der beteiligten Laserlichtstrahlen, die vertikal propagieren z. B. durch eine eigene jeweilige Laserlichtquelle erzeugt sein kann oder aber auch durch eine einzige Laserlichtquelle nach entsprechender Strahlaufteilung.
In einer alternativen Ausführung einer optischen Messvorrichtung kann es beispielsweise vorgesehen sein, als Lichtdetektor eine Kamera einzusetzen, mit welcher innerhalb des Kamerabildes, insbesondere Innerhalb einer festgelegten Sollposition des Kamerabildes, das Auftreten eines Lichtsignals, z. B. eines vorbestimmten Lichtmusters detektiert wird, welches in vertikaler Richtung zwischen Drehelement und Referenzelement propagiert bzw. projiziert wird und auf die Kamera trifft.
Beispielsweise kann es hier vorgesehen sein, eine Kamera am Referenzelement ortsfest anzubringen und mit dem Drehelement eine Lichtquelle zu rotieren (oder umgekehrt), die in vertikaler Richtung ein Lichtbündel aussendet, z. B. dessen Querschnitt senkrecht zur Propagationsrichtung ein vorbestimmtes Muster beschreibt und durch Bildauswertung festzustellen, wann dieses Muster innerhalb des Kamerabildes in einer vorbestimmten Sollposition erscheint. Ist dies der Fall, so ist die Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes und der Referenzrichtung des Referenzelementes gegeben.
Unabhängig von der konkreten Ausbildung von Lichtquelle und Lichtdetektor ist es jeweils notwendig, dass zumindest die optische Achse eines ausgesandten Lichtstrahls ggfs. auch die optische Achse eines den Lichtstrahl detektierenden Lichtdetektors bei den Messungen exakt vertikal ausgerichtet sind. Hierfür kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass jede Lichtquelle und/oder jeder Lichtdetektor selbstnivellierend angeordnet sind am Referenzelement bzw. Drehelement, um diese notwendige vertikale Ausrichtung der jeweiligen optischen Achsen automatisiert zu gewährleisten. Unter der optischen Achse eines divergenten Lichtbündels kann insbesondere die Winkelhalbierende zwischen den Randstrahlen des Bündels verstanden werden.
In einer möglichen alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung kann es vorgesehen sein, dass beispielsweise das Drehelement an einem Geräteteil des Polarmessgerätes befestigbar bzw. befestigt ist, das im Messbetrieb des Polarmessgerätes zu dessen vertikaler Drehachse und zur Haltevorrichtung drehfest ist und dass das Drehelement vor dem Start einer Messwerterfassung mit dem Polarmessgerät in die Referenzrichtung drehbar ist, beispielsweise von Hand oder aber auch automatisiert durch einen motorischen Antrieb, wobei es in einer bevorzugten Ausführung sodann vorgesehen sein kann, dass die optische Messvorrichtung eingerichtet ist, die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes zu signalisieren. Die Befestigung am bei der Messung nicht drehenden Geräteteil kann unmittelbar an diesem erfolgen oder auch mittelbar über ein Element, dass mit dem Geräteteil drehfest ist, z. B. an einem Halteelement, wie beispielsweise die Stativstange.
Bei einer motorisierten Ausgestaltung dieser Variante kann es vorgesehen sein, einen Motor zwischen der Stativstange und dem im Messbetrieb nicht drehenden Geräteteil anzuordnen, mit dem, insbesondere automatisiert, das im Betrieb nicht drehende Geräteteil relativ zur ebenso im Betrieb nicht drehenden Stativstange vor einer Messung gedreht werden kann, um die Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes und der Referenzrichtung zu erzielen.
Bei einer manuellen oder auch motorisierten Einstellung des Drehelementes in Übereinstimmung mit der Referenzrichtung des Referenzelementes kann es vorgesehen sein, dass die optische Messvorrichtung ein akustisches oder optisches Signal oder auch triggerndes Signal bereitstellt, um die Übereinstimmung der Ausrichtungen einem Benutzer der Vorrichtung bekannt zu geben. Ein Benutzer kann sodann in dieser aufgefundenen Übereinstimmung der Ausrichtung von Drehelement und Referenzelement eine Messwertaufnahme starten. Durch ein triggerndes Signal kann die Messwertaufnahme auch automatisch gestartet werden, wenn zuvor motorisch die Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung gefunden wurde.
Es kann ebenso vorgesehen sein, dass mittels einer motorischen Anordnung der bei einer Messung um die vertikale Drehachse des Polarmessgerätes still stehende Geräteteil relativ zum Referenzelement bzw. zur Haltevorrichtung motorisch gedreht wird, wobei die Ansteuerung des Motors zum Drehen solange erfolgt, bis die optische Messvorrichtung die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung signalisiert, wobei in diesem Augenblick die Ansteuerung des Motors abgeschaltet wird und das Drehelement in der so aufgefundenen Position verbleibt, wonach die Messwerterfassung mit dem Polarmessgerät gestartet werden kann, entweder manuell oder ebenso automatisiert.
Bei einer solchen Ausführung kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass das Drehelement zusammen mit dem Polarmessgerät beispielsweise durch Verschiebung eines Halteelementes der Haltevorrichtung, wie z. B. einer pendelnd gehaltenen Stativsäule in unterschiedlichen Abständen zum Referenzelement eingestellt werden kann, so dass je nach Abstand zwischen Drehelement und Referenzelement sich auch die optische Lichtpropagationsstrecke zwischen Drehelement und Referenzelement in der Länge ändert. Dies ist jedoch unproblematisch, da aufgrund der exakt vertikalen Ausrichtung der Lichtpropagationsstrecke und einer bevorzugt pendelnden Aufhängung des Polarmessgerätes gewährleistet ist, dass die Lichtpropagationsstrecke exakt parallel zur Drehachse des Polarmessgerätes liegt.
Gerade dies ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens, da unabhängig vom Abstand zwischen Drehelement und Referenzelement und somit unabhängig von der Höhenlage des Polarmessgerätes relativ zur Haltevorrichtung immer mit derselben optischen Messvorrichtung die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung messtechnisch erfasst werden kann, da sich in dieser Ausführung die optische Messvorrichtung, insbesondere die Länge der Propagationsstrecke automatisch anpasst.
In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass das Drehelement und das Referenzelement in vertikaler Richtung zueinander ortsfest sind, demnach also das Drehelement bei einer Änderung der Höhenlage des Polarmessgerätes, z. B. durch Verstellung oder Verschiebung eines Halteelementes, insbesondere einer Stativsäule, seine eigene Höhenlage nicht ändert.
Hierbei ist es sodann weiterhin vorgesehen, dass das Drehelement mit einem in vertikaler Richtung der Haltevorrichtung verschieblichen Halteelement, also beispielsweise einer Stativsäule, eines Statives drehgekoppelt ist, was bedeutet, dass durch Drehung der Stativsäule auch das Drehelement gegenüber dem Referenzelement verdreht wird, beispielsweise wenn das Polarmessgerät zusammen mit der Stativsäule um die vertikale Achse gedreht wird, entweder manuell oder automatisiert motorisch.
In einer solchen Ausführung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass das Halteelement in vertikaler Richtung durch das Drehelement hindurch verschieblich ist. Somit lassen sich demnach Drehelement und Halteelement, insbesondere die Stativsäule, bei dieser Ausführung in einer Dimension, nämlich in Höhenrichtung relativ zueinander verschieben, wobei bei einer Drehung das Drehelement an die Stativsäule gekoppelt ist.
Beispielsweise kann dies dadurch erzielt werden, dass eine Stativsäule mit ihrer Manteloberfläche in Wirkverbindung steht mit dem Drehelement, z. B. eine Längsnut aufweist, in die ein Vorsprung des Drehelementes eingreift, so dass bei einer Längsverschiebung der Stativsäule, also einer Verschiebung in Höhenrichtung, die Stativsäule am Drehelement vorbeigeschoben werden kann, bei einer Drehung um die vertikale Achse jedoch das Drehelement durch den bestehenden Eingriff mitgeführt wird.
Bei einer solchen Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann diese beispielsweise vollständig oberirdisch an einer Haltevorrichtung, insbesondere an einem Stativ montiert werden, was aufgrund des gleichbleibenden, insbesondere geringen Abstands zwischen Drehelement und Referenzelement eine hohe Messgenauigkeit garantiert, jedoch die koppelnde Wirkverbindung zwischen Drehelement und Stativsäule bei einer Drehung um die Vertikalachse bedingt.
In anderer alternativer Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass das Drehelement an einem Geräteteil des Polarmessgerätes befestigbar bzw. befestigt ist, das im Messbetrieb des Polarmessgerätes um dessen vertikale Drehachse und relativ zur Haltevorrichtung gedreht wird, wobei das Drehelement während einer Messwerterfassung mit dem Polarmessgerät zusammen mit dessen drehenden Geräteteil wenigstens einmal durch die Referenzrichtung hindurchdrehbar ist, wobei die optische Messvorrichtung eingerichtet ist, die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes während der Drehung zu signalisieren.
Bei dieser Ausführung bedarf es nicht einer vorherigen Justage des Polarmessgerätes vor dem Start einer Messung derart, dass die Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes übereinstimmt. Vielmehr wird automatisch während einer Messung, bei der das Drehelement mit dem rotierenden Teil des Polarmessgerätes um die vertikale Achse mitrotiert, automatisch durch die optische Messvorrichtung bzw. eine nachgeschaltete Elektronik festgestellt, wenn eine Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes und der Referenzrichtung des Referenzelementes vorliegt und dies durch ein erzeugtes Signal signalisiert.
Dieses Signal der Übereinstimmung der beiden Ausrichtungen kann beispielsweise zusammen mit den Messwerten, welche das Polarmessgerät erfasst, aufgenommen und gespeichert werden, so dass innerhalb der Messwerte des Polarmessgerätes ein Messwertepaar identifiziert ist, das zum Zeitpunkt der Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes aufgenommen wurde, so dass sämtliche Messwerte auf den so festgestellten Winkel in der Horizontalebene als Startwinkel umgerechnet werden können.
Hierfür kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass das Signal, welches die optische Messvorrichtung oder eine nachgeschaltete Elektronik bereitstellt, einer Schnittstelle des Polarmessgerätes zugeführt wird, um so die Richtungsreferenz wenigstens einem Messwertepaar aus Polarkoordinaten zuzuordnen. Da dies bei der eingangs beschriebenen Kanalanwendung sowohl bei einer oberirdischen dreidimensionalen Aufnahme mit einem Laserscanner erfolgen kann sowie auch bei wenigstens einer unterirdischen Aufnahme, besteht die Möglichkeit, anhand der jeweils in den Messwerten identifizierten Messwertepaare die beiden Aufnahmen hinsichtlich ihrer Richtung in der Horizontalebene miteinander zu korrelieren, z. B. durch Umrechnung der Winkel in der Horizontalebene auf einen jeweiligen Startwinkel, der durch das erzeugte Signal identifiziert ist.
Sofern es bei einem Laserscanner vorgesehen ist, die Winkel in horizontaler und vertikaler Richtung in Zeitschritten zu sampeln, kann es demnach ebenso vorgesehen sein, das Übereinstimmungssignal der Ausrichtungen zwischen Drehelement und Referenzelement zeitlich zu erfassen und demnach über den Zeitstempel sowohl bei dem Signal der Messvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie auch des Polarmessgerätes diejenigen horizontalen insbesondere auch vertikalen Messwinkel des Polarmessgerätes aufzufinden, die zum Zeitpunkt der Übereinstimmung der Ausrichtung von Drehelement und Referenzelement erfasst wurden.
Besonders in dieser Ausführung, bei welcher die Übereinstimmung zwischen der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes quasi „on the fly” während der Messwerterfassung festgestellt wird, wird das Drehelement zusammen mit dem Polarmessgerät in vertikaler Richtung relativ zum Referenzelement verschieblich angeordnet sein, so dass dieses durch Verschiebung des Halteelementes, insbesondere einer Stativstange eines Stativs, seinen Abstand zum Referenzelement ändert. Aufgrund der vertikalen Ausbreitung des wenigstens einen Lichtstrahls innerhalb der optischen Messvorrichtung ist dies jedoch unkritisch.
Bei einer Ausbildung der optischen Messvorrichtung mit wenigstens einer Laserlichtquelle und wenigstens einem Laserlichtdetektor kann es vorgesehen sein, dass aufgrund des Querschnittes des Laserlichtes und der Überlappung mit einer Detektorfläche diese Detektorfläche eine Ortsauflösung bereitstellt, um die Lage des projizierten Laserflecks des sich vertikal ausbreitenden Laserlichtstrahls innerhalb der Gesamtfläche des Lichtdetektors detektieren zu können und so z. B. auszuwerten, wann der Laserfleck eine vorbestimmte Sollposition einnimmt.
Hierfür kann beispielsweise ein Lichtdetektor als flächiger Sensor mit einer Ortsauflösung von jeweils einer Vielzahl von Pixeln ausgebildet sein, so dass beispielsweise ein solcher Laserdetektor durch einen zweidimensionalen Kamerachip realisiert sein kann.
Des weiteren besteht auch die Möglichkeit, einen Lichtdetektor als Quadrantendetektor auszubilden, um so die relative Lage zwischen dem projizierten Lichtfleck des Laserstrahls relativ zu den einzelnen Detektorquadranten durch Bestimmung der jeweils in den Quadranten aufgenommenen Lichtintensität festzustellen.
Ebenso kann jegliche andere Anordnung als Lichtdetektor eingesetzt werden, die es gestattet, mit hinreichender Genauigkeit die Lage eines projizierten Laserflecks innerhalb des Lichtdetektors zu bestimmen und hieraus ein Übereinstimmungssignal zu generieren, anhand dessen die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes und der Referenzrichtung des Referenzelementes signalisiert werden kann.
In einer möglichen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, zwischen Referenz- und Drehelement jeweils mehrere vertikale Lichtstrahlen, insbesondere mehrere vertikale Laserstrahlen auszubilden und jedem der Laserstrahlen wenigstens einen Lichtdetektor zuzuordnen, wobei wie eingangs beschrieben jeder der Laserstrahlen durch eine eigene Laserlichtquelle oder aber auch nach Strahlteilung durch eine einzige Laserlichtquelle erzeugt sein kann.
Hier besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Lichtdetektoren und/oder Lichtquellen alle in einer Linie anzuordnen, welche z. B. die Drehachse des Polarmessgerätes schneidet. In alternativer Ausgestaltung kann die Anordnung auch derart gewählt sein, dass die Linie, auf welcher die jeweiligen Lichtdetektoren und/oder Lichtquellen liegen, zur Drehachse des Polarmessgerätes versetzt ist, was eine azentrische Anordnung von Referenzelement und/oder Drehelement mit Bezug zu einem Halteelement einer Haltevorrichtung, insbesondere einer Stativsäule gestattet.
Bei Einsatz mehrerer Lichtstrahlen, insbesondere Laserlichtstrahlen, kann es unabhängig von der Anzahl der diese generierenden Laserlichtquellen vorgesehen sein, dass auch die Schnittpunkte der Laserstrahlen mit einer horizontalen Ebene alle in einer Linie liegen, welche gemäß der vorgenannten ersten Ausführung die Drehachse des Polarmessgerätes schneidet oder gemäß der zweiten Ausführung zur Drehachse des Polarmessgerätes genauso versetzt ist wie die Lichtdetektoren.
In einer wiederum anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass mit der wenigstens einen Laserlichtquelle wenigstens ein vertikal propagierender Lichtstrahl erzeugt ist, der in einer Ebene aufgefächert ist, die parallel zur Drehachse des Polarmessgerätes liegt oder in besonders bevorzugter Ausführung, in welcher die Drehachse des Polarmessgerätes angeordnet ist.
Beispielsweise kann eine solche Auffächerung durch eine Zylinderlinse oder einen zylindrischen Hohlspiegel erzeugt sein, die oder der im Propagationsweg eines Laserlichtstrahls angeordnet ist. In einem solchen Fall kann es vorgesehen sein, die beispielsweise vom Referenzelement in Richtung des Drehelementes oder auch umgekehrt projizierte Linie des Laserstrahls mittels mehreren in einer Linie hintereinander angeordneten Lichtdetektoren oder einem Zeilendetektor zu detektieren, dessen Detektorzeile bei Übereinstimmung der Ausrichtung von Drehelement und Referenzelement exakt in Richtung der projizierten Laserlichtlinie liegt. Generieren demnach alle in dieser Linie liegenden Lichtdetektoren bzw. der Zeilendetektor insgesamt mit allen seinen lichtempfindlichen Elementen ein Ausgangssignal, so ist hierdurch die Übereinstimmung der Ausrichtung von Drehelement und Referenzrichtung des Referenzelementes festgestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat hier auch weiterhin den Vorteil, dass sie mit bereits bestehenden Messvorrichtungen umfassend ein Stativ und einen Laserscanner zum Einsatz gebracht werden kann, da erfindungsgemäße Vorrichtungen gemäß einem besonderen Vorteil nachrüstbar an solchen Messanordnungen sind.
So muss beispielsweise lediglich ein Referenzelement fest mit dem Stativ, insbesondere dem oberirdischen Teil eines Stativs verbunden werden, wohingegen beispielsweise das Drehelement unmittelbar am Laserscanner befestigt wird, entweder an dessen drehenden oder nicht drehenden Geräteteil.
So kann durch Befestigung dieser Elemente an einer derartigen vorhandenen Messvorrichtung eine entsprechende Nachrüstung erfolgen, welche die Übertragung der Referenzrichtung des Referenzelementes von der oberirdischen Seite des Stativs problemlos aufgrund der optischen Messvorrichtung in die Tiefe zu einem Laserscanner am unteren Ende einer Stativsäule gestattet.
Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend näher beschrieben, wobei die diskutierten Figuren unter Weglassung der Darstellung des Polarmessgerätes und der Haltevorrichtung, also beispielsweise eines Laserscanners und eines Stativs zu dessen Halterung lediglich das Referenzelement, das Drehelement sowie die optische Messvorrichtung, umfassend wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Lichtdetektor beschreiben.
Die 1 zeigt eine einfache Anordnung eines Referenzelementes 1, welches ortsfest z. B. oberirdisch an einem Stativ befestigbar ist, welches einen Laserscanner an seiner Stativsäule trägt. Durch die ortsfeste Befestigung des Referenzelementes 1 verbleibt dieses nach Aufstellen des Stativs in seiner einmal eingestellten Lage, die entweder durch das Aufstellen des Stativs unmittelbar definiert ist oder z. B. von einem Benutzer definiert wird durch Drehung des Referenzelementes relativ zum Stativ in eine gewünschte Lage, die sodann fixiert wird.
Bei der hier dargestellten Anordnung wird eine Referenzrichtung definiert, die sich z. B. ergibt durch den Schnittpunkt der Drehachse 2, die der vertikalen Drehachse des Laserscanners bzw. auch der Stativsäule entsprechen kann, welche pendelnd am Stativ befestigt ist mit dem Referenzelement 1 sowie dem Ort der hier an dem Referenzelement 1 befestigten Lichtquelle, insbesondere Laserlichtquelle, 3. Die Verbindungslinie zwischen diesem Schnittpunkt und der Lichtquelle 3 stellt demnach eine Referenzrichtung in einer Horizontalebene dar, die hier symbolisch durch den Pfeil 4 dargestellt ist. Diese Referenzrichtung in einer horizontalen Ebene, nämlich derjenigen, in welcher das Referenzelement liegt, kann bei einem Laserscanner z. B. die Null-Grad-Richtung definieren, von welcher ausgehend ein Laserscan gestartet wird. Dabei ist die exakte Richtung hinsichtlich Richtungsparameter wie Winkelangaben im Erdkoordinatensystem uninteressant.
Um einen Scan zu starten, ist es hier vorgesehen, das Drehelement 5, welches am Laserscanner, hier insbesondere an dessen während der Messung nicht drehenden Teil befestigt ist, durch Rotation des noch nicht messenden Laserscanners um die Drehachse 2 zu drehen, bis dass dessen Detektor 6, welcher von der Drehachse 2 denselben radialen Abstand hat wie die Lichtquelle 3 an dem Referenzelement so angeordnet ist, dass der von der Lichtquelle 3 in vertikaler Richtung zum Drehelement 5 projizierte Lichtstrahl, insbesondere Laserlichtstrahl 7 auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors 6 auftrifft und hierdurch ein Übereinstimmungssignal erzeugt wird, beispielsweise durch Messung der Lichtintensität, die von dem Detektor 6 gemessen wird, so dass dieses Übereinstimmungssignal anzeigt, wann das Drehelement 5 eine Ausrichtung gemäß dem Pfeil 8 aufweist, die exakt mit der Referenzrichtung des Pfeils 4 des Referenzelementes übereinstimmt.
Bei der hier dargestellten Anordnung wird eine Ausrichtung des Drehelementes 5 definiert, die sich z. B. ergibt durch den Schnittpunkt der Drehachse 2, die der vertikalen Drehachse des Laserscanners bzw. auch der Stativsäule entsprechen kann, welche pendelnd am Stativ befestigt ist mit dem Drehelement 5 sowie dem Ort des hier an dem Drehelement 5 befestigten Detektors 6. Die Verbindungslinie zwischen diesem Schnittpunkt und dem Detektor 6 stellt demnach die Ausrichtung 8 des Drehelementes 5 dar.
Nach Erzielen dieser Übereinstimmung, die manuell oder auch mit einem motorischen Antrieb zum Drehen des Laserscanners relativ zum Referenzelement 1 erreicht werden kann, kann der Laserscan somit gestartet werden, der sodann in Null-Grad-Richtung bezogen auf die Horizontalebene beginnt, die in Richtung der Referenzrichtung 4 liegt oder zumindest zu der ein feste Lage einnimmt.
Wird bei dieser Konfiguration beispielsweise ein oberirdisches Bild mit dem Laserscanner aufgenommen, so kann jedes unterirdische Bild, welches nach Herablassen des Laserscanners in einen Kanal aufgenommen wird, in Relation zu diesem Bild des oberirdischen Bereichs gesetzt werden, dadurch dass vor jeder Aufnahme eines unterirdischen Bildes dieselbe Ausrichtung 8 des Drehelementes 5 in Richtung der Referenzrichtung 4 vorgenommen wird, die für jede weitere Messung in gleicher Weise wie zuvor dadurch aufgefunden werden kann, dass der in vertikaler Richtung propagierende Lichtstrahl 7 auf den Detektor 6 des Drehelementes trifft.
Neben der hier beschriebenen Ausrichtung des Laserscanners vor dem Beginn einer Messung kann es alternativ ebenso vorgesehen sein, das Drehelement 5 an dem während einer Messung um die Vertikalachse 2 rotierenden Teil des Laserscanners zu befestigen, so dass eine Messung ohne vorherige Ausrichtung des Laserscanners in jeder beliebigen Lage gestartet werden kann und bei der Messwerterfassung der Messwerte des Laserscanners gleichzeitig das Signal der optischen Messvorrichtung, hier insbesondere ein Intensitätssignal des Lichtdetektors 6 erfasst wird, das zeitlich zusammen mit den Messwerten des Laserscanners mitgeschrieben wird, um sodann während der Messung festzustellen, wann die Übereinstimmung zwischen den Richtungen 8 und 4 von Drehelement und Referenzelement gegeben ist, nämlich insbesondere dann, wenn das Intensitätsmaximum der gemessenen Lichtintensität zu einem Detektor 6 aufgetreten ist.
Da dieses Übereinstimmungssignal, hier insbesondere das Intensitätsmaximum, bei jedem einzelnen Laserscan mitgeschrieben wird, besteht demnach ohne Weiteres die Möglichkeit, die einzelnen dreidimensionalen Bildaufnahmen des Laserscanners auf dasjenige Winkelwertepaar in der Ausrichtung zu normieren, bei welchem gleichzeitig das Übereinstimmungssignal des Lichtdetektors 6 erfasst wurde. Auch so kann erfindungsgemäß jede unterirdische Kanalaufnahme hinsichtlich seiner Richtung korreliert werden an eine oberirdische Aufnahme, welches beispielsweise die Gebäude zeigt, welche den Kanalschacht umgeben, in den der Laserscanner an der Stativsäule herabgelassen wurde.
Die weiteren Figuren beschreiben im Wesentlichen Abwandlungen der optischen Messvorrichtung bei gleicher möglicher Anordnung von Referenzelement 1 und Drehelement 5 bezüglich Haltevorrichtung bzw. Stativ und Polarmessgerät bzw. Laserscanner.
Die 2 ist gegenüber der 1 lediglich dadurch abgewandelt, dass in der Ausrichtung 8 des Drehelementes 5, welche durch den Schnittpunkt der Drehachse 2 mit diesem Element und dem Detektor 6 gegeben ist, nicht nur ein Detektor 6 angeordnet ist, sondern noch ein weiterer Detektor 6', der um die Drehachse 2 herum um 180 Grad versetzt zum Lichtdetektor 6 angeordnet ist. Es ergeben sich demnach zwei Positionen, in welchen sich eine Überdeckung zwischen dem von dem Lichtstrahl 7 erzeugten Lichtfleck und einem befeuchteten Detektor 6 oder 6' ergibt, wodurch demnach zwei zueinander antiparallele Ausrichtungen relativ zur Referenzrichtung 4 des Referenzelementes 1 detektiert werden können.
In ähnlicher Weise zeigt die 3 die Anordnung von zwei Lichtquellen 3 bzw. 3', die in einer 180 Gradorientierung um die Drehachse 2 herum am Referenzelement 1 angeordnet sind und jeweils nach unten zum Drehelement 5 einen Lichtstrahl 7 bzw. 7' aussenden, wobei am Drehelement 5 bei dieser Ausführung lediglich ein Detektor 6 angeordnet ist, der in Verbindung mit dem Schnittpunkt der Drehachse 2 und dem Drehelement 5 die Ausrichtung 8 des Drehelementes definiert.
Auch bei dieser Ausführung werden demnach zwei zueinander antiparallele Ausrichtungen detektiert, die parallel bzw. antiparallel zur Referenzrichtung 4 des Referenzelementes liegen und sich dadurch ergeben, dass der eine Detektor 6 einmal mit dem Lichtstrahl 7 der Lichtquelle 3 und zum anderen Mal mit dem Lichtstrahl 7' der Lichtquelle 3' überdeckt ist.
Um diese zwei Ausrichtungen unterscheiden zu können, da nur eine mit der gewünschten Referenzrichtung übereinstimmt, kann es z. B. vorgesehen sein, die Lichtstrahlen bzw. deren emittierende Lichtquellen verschieden und damit die Lichtstrahlen unterscheidbar auszugestalten.
Ganz allgemein und unabhängig von den hier beschriebenen Ausführungen kann es somit für alle Ausführungen, in denen wenigstens zwei Lichtstrahlen vertikal innerhalb des wenigstens einen optischen Strahlenganges der wenigstens einen Messvorrichtung propagieren, vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Lichtstrahlen voneinander unterscheidbar ausgestaltet sind. Dafür können z. B. die Lichtstrahlen unterschiedliche Intensität aufweisen oder wenigstens einer der Lichtstrahlen kann z. B. moduliert sein, beispielsweise zeitlich oder auch räumlich. Die Detektoren bzw. deren nachgeschaltete Elektronik können somit beispielsweise eingerichtet sein, auf das Vorliegen eines solchen Unterscheidungsmerkmals zu prüfen, wenn ein Lichtstrahl auf den Detektor trifft, insbesondere, wobei ein Übereinstimmungssignal nur dann ausgegeben wird, wenn ein gesuchtes Unterscheidungsmerkmal (zeitliche/räumliche Modulation oder Intensität etc.) im auftreffenden Lichtstrahl aufgefunden wurde.
Die gesuchte korrekte Ausrichtung des Drehelementes zur Referenzrichtung ist somit nur dann gegeben, wenn von mehreren unterscheidbaren Lichtstrahlen der jeweils einem Detektor zugeordnete Lichtstrahl auf diesen auftrifft und detektiert wird. Dementsprechend kann es vorgesehen sein, wenigstens eine solche Zuordnung zwischen wenigstens einem der mehreren unterscheidbaren Lichtstrahlen und wenigstens einem Detektor vorzunehmen. Es gibt somit gemäß einer solchen Zuordnung zumindest ein Paar von Lichtstrahl (bzw. diesen erzeugende Lichtquelle) und Detektor, welches beim Auftreffen des Lichtstrahls auf den Detektor die korrekte Ausrichtung des Drehelementes zur Referenzrichtung anzeigt.
Die 4 zeigt weiterhin eine Ausführung, bei welcher gegenüber der 3 auch zur anderen Seite der Drehachse 2 und somit um 180 Grad orientiert zum Detektor 6 ein weiterer Detektor 6 angeordnet ist, so dass hier ein Übereinstimmungssignal dann erzeugt wird, wenn beide Detektoren 6 bzw. 6' mit den Lichtstrahlen 7 bzw. 7' in Überdeckung gehen.
Die Unterscheidung ob die gewünschte parallele Übereinstimmung erfolgt (Lichtstrahl 7 der Lichtquelle 3 trifft auf Detektor 6 und Lichtstrahl 7' der Lichtquelle 3' trifft auf Detektor 6') oder die um 180 Grad versetzte antiparallele Stellung (Lichtstrahl 7 der Lichtquelle 3 trifft auf Detektor 6' und Lichtstrahl 7' der Lichtquelle 3' trifft auf Detektor 6) vorliegt, kann auch hier beispielsweise darüber erfolgen, dass die Lichtstrahlen 7 und 7' unterschiedliche Intensitäten haben oder die Lichtquelle 3' zeitweise ausgestellt oder moduliert wird oder eine sonstige Unterscheidbarkeit vorliegt. Hier kann z. B. der Lichtstrahl 7 dem Detektor 6 zugeordnet sein und der Lichtstrahl 7' dem Detektor 6'. Trifft demnach also der Lichtstrahl 7 auf den Detektor 6', so bilden diese ein nicht zugeordnetes Paar von Lichtstrahl und Detektor und es wird kein Übereinstimmungssignal generiert, da die Lichtstrahlen 7 und 7' unterscheidbar sind.
Die Referenzrichtung 4 kann bei dieser Anordnung vorteilhaft durch die Verbindungslinie zwischen den Lichtquellen 3 und 3' definiert werden. Entsprechend wird die Ausrichtung 8 des Drehelementes durch die Verbindungslinie zwischen den beiden Detektoren 6 und 6' definiert.
Für die Definition einer Richtung (Referenzrichtung des Referenzelementes oder Ausrichtung des Drehelementes) kann mit allgemeiner Gültigkeit bevorzugt für alle, auch hier nicht gezeigten Ausführungen vorgesehen sein, dass die jeweilige Richtung zwischen zwei Punkten des jeweiligen Elementes definiert ist, von denen wenigstens einer auch Teil des Strahlenganges der optischen Messvorrichtung ist. Eine Richtungsdefinition kann somit z. B. erfolgen durch den Punkt, in welchem die vertikale Drehachse des Polarmessgerätes bzw. der Stativstange das jeweilige Element schneidet und dem Punkt, in dem ein Detektor oder eine Lichtquelle oder ein sonstiges optisches Element des Strahlenganges am/auf diesem Element angeordnet ist. Die Richtung kann somit auch durch zwei Punkte definiert sein, die jeweils Teil des Strahlenganges sind, z. B. dadurch, dass in diesen Punkten Lichtquelle/Detektor und ein Spiegel oder sonstiges Umlenkelement angeordnet sind.
Bei den hier dargestellten Ausführungen der 1 und 4 ist es jeweils vorgesehen, dass die Lichtquellen, insbesondere Laserlichtquellen, am oberen Referenzelement 1 angeordnet sind und deren Lichtstrahlen sich vertikal nach unten zum Drehelement 5 ausbreiten, welches sodann zwecks Erzielung einer Übereinstimmung mit der Referenzrichtung, die durch das Referenzelement 1 definiert ist, so lange gedreht werden, bis dass die am Drehelement vorgesehenen Detektoren ein Intensitätssignal anzeigen. Selbstverständlich besteht hier genauso die Möglichkeit, dass die Lichtquelle/n 3 am Drehelement 5 und der/die Detektor/en 6 an dem Referenzelement. 1 befestigt sind.
Demgegenüber zeigt beispielsweise die 5 eine andere Ausführung, bei welcher die Lichtquelle und der Detektor an demselben Element, hier am Drehelement 5 angeordnet sind. Die Messvorrichtung ist hier derart ausgestaltet, dass die Lichtquelle 3 und der Detektor 6 unmittelbar benachbart nebeneinander in einem Abstand zur Drehachse 2 auf dem Drehelement 5 angeordnet sind oder sogar durch dasselbe Bauteil gebildet werden, wobei die Propagationsstrecke des Lichtes in dieser Ausführung vertikal von unten nach oben zum Referenzelement ist, an welchem ein Retroreflektor 9 angeordnet ist, welcher den empfangenen Lichtstrahl 7 als Lichtstrahl 7a exakt parallel, gegebenenfalls mit einem seitlichen Versatz, zurückwirft in Richtung zum Drehelement 5 auf den neben der Lichtquelle angeordneten Detektor 6.
Exakt in dem Augenblick, wenn demnach der Lichtdetektor 6 ein Lichtsignal misst, ist die Ausrichtung 8 des Drehelementes 5 übereinstimmend mit der Referenzrichtung 4 des Referenzelementes 1, wobei sich die Referenzrichtung hier nun ergibt durch die Verbindungslinie vom Schnittpunkt der Drehachse 2 mit dem Referenzelement 1 in Richtung zum Retroreflektor 9 und die Ausrichtung des Drehelementes 5 definiert ist durch die Verbindungslinie zwischen dem Schnittpunkt der Drehachse 2 und dem Drehelement 5 sowie der Lichtquelle 3 bzw. dem Detektor 6.
Selbstverständlich besteht hier genauso die Möglichkeit, die Lichtquelle 3 und den Detektor 6 am Referenzelement 1 zu befestigen und den Retroreflektor am Drehelement 5.
Die Ausführung der 6 unterscheidet sich von derjenigen der 5 nun wiederum dadurch, dass die optische Messvorrichtung hier zweifach vorgesehen ist, nämlich um 180 Grad zueinander um die Drehachse 2 herum orientiert. Demnach entsteht ein Übereinstimmungssignal dann, wenn von beiden Detektoren 6 bzw. 6' das auftreffende Licht der Lichtquelle 3 bzw. 3' nach Durchlaufen der Lichtpropagationsstrecke in Richtung zum Retroreflektor und zurück erfolgt.
Die 7 zeigt eine wiederum geänderte Ausführungsform, bei welcher eine Lichtquelle 3 am Drehelement 5 angeordnet ist und im Abstand zur Drehachse, so dass hierdurch wiederum die Ausrichtung 8 des Drehelementes 5 definiert ist, wobei jedoch der gesamte Lichtpropagationsweg neben zwei vertikalen Wegstreckenanteilen auch einen horizontalen Wegstreckenanteil umfasst. Hier wird zunächst das Licht von der Lichtquelle 3 vertikal nach oben zum Referenzelement 1 geführt, um von dort mittels eines Spiegels, insbesondere Umlenkprisma, 10 in horizontaler Richtung zu einem Punkt umgelenkt zu werden, der unter 180 Grad um die Drehachse 2 gedreht auf der anderen Seite des Referenzelementes 1 liegt, um sodann mit diesem Spiegel, insbesondere Umlenkprisma, 10 wiederum in vertikaler Richtung nach unten in Richtung zum Drehelement 5 reflektiert zu werden, an welchem ebenfalls um 180 Grad um die Drehachse 2 gedreht der Detektor 6 angeordnet ist. Es wird somit zwischen Lichtquelle 3 und Detektor 6 eine Ausrichtung 8 des Drehelementes definiert, ebenso wie zwischen den Spiegeln 10 und 10' die Referenzrichtung des Referenzelementes. Ersichtlich ist es so, dass auf den Detektor 6 nur dann der Lichtstrahl 7 nach seinen Reflektionen auftrifft, wenn die Ausrichtung 8 des Drehelementes 5 exakt mit der Referenzrichtung, definiert durch die beiden Spiegel, insbesondere Umlenkprismen, 10 und 10' übereinstimmt.
Die 8 und 9 beschreiben weiterhin eine Ausführungsform, bei welcher das jeweilige Drehelement 5 in einer Anordnung von 90 Grad zueinander innerhalb von dessen horizontaler Ebene jeweilige Detektoren 6 aufweist, die somit zusammen mit dem Drehelement 5 um die Drehachse 2 herum rotiert werden können. In der 8 weist das Referenzelement 1 eine einzige Lichtquelle auf, wie auch bei den 1 und 2, wohingegen bei der 9 zwei Lichtquellen 3 und 3' unter 180 Gradanordnung zueinander vorgesehen sind, entsprechend derselben Anordnung der 3 und 4.
Es ergeben sich demnach auch hier Übereinstimmungssignale zwischen den Ausrichtungen von Drehelement 5 und Referenzelement 1 immer dann, wenn ein Lichtdetektor bei der 8 oder zwei Lichtdetektoren bei der 9 gleichzeitig in Überdeckung mit den Lichtstrahlen 7 kommen. Besonders mit Bezug auf die 8 kann es hier vorgesehen sein, ein Übereinstimmungssignal nur dann als detektiert anzusehen, wenn dieses von einem ganz bestimmten der insgesamt mehreren, hier vier Detektoren 6 stammt. Wird ein Lichtsignal von einem anderen der Detektoren 6 als diesem vorbestimmten detektiert, so kann eine automatische Vorrichtung hieraus berechnen, in welche Richtung z. B. das Drehelement automatisiert durch einen Motor gedreht werden muss, um das Drehelement 5 in die richtige Ausrichtung zu drehen, die durch die Verbindung zwischen Schnittpunkt der Drehachse 2 und Drehelement 5 sowie dem vorbestimmten Detektor 6 definiert ist. Es wird somit das Ziel erreicht, dass nach maximal einer 180 Graddrehung der Laserscanner exakt in die richtige gewünschte Referenzrichtung ausgerichtet werden kann. Selbstverständlich kann die Anzahl der Detektoren 6 weiter erhöht werden.
Die 10 und 11 zeigen als Weiterbildungen auch die Möglichkeit, jeweils mehrere Lichtquellen 3 bzw. Detektoren 6 vorzusehen, die bei der 10 alle zu einer Seite bezogen auf die Drehachse 2 angeordnet sind.
11 zeigt gegenüber der 10 auch die Weiterbildung, dass zumindest die Detektoren 6 auf einer gemeinsamen Linie beidseits der Drehachse 2 angeordnet sind und so die Ausrichtung des Drehelementes 5 definieren.
Die 12 zeigt gleiche Anordnung von Lichtquellen 3 und Detektoren 6 jeweils in einer Linie, welche die Drehachse 2 jeweils schneidet, so dass hier jede Lichtquelle 3 ein jeweiliger vertikal darunter liegender Detektor 6 des Drehelementes 5 zugeordnet ist. Eine Übereinstimmung der Ausrichtung zwischen Referenzelement 1 und Drehelement 5 wird hier erzielt, wenn alle Detektoren 6 ein entsprechendes Lichtsignal empfangen.
Die 13 und 14 zeigen zwei verschiedene Ausführungen, bei denen mit Bezug auf 13 nur zu einer Seite der Drehachse 2 und mit Bezug auf 14 zu beiden Seiten der Drehachse 2 um 180 Grad zueinander versetzt jeweils an dem Referenzelement 1 in einem Abstand zur Drehachse 2 eine Lichtquelle 3 angeordnet ist, die jedoch im vorliegenden Fall statt eines Lichtstrahls mit einer in Propagationsrichtung im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnittsfläche nun eine Linie 3a in Richtung auf das Drehelement 5 projiziert, wobei es vorgesehen ist, am Drehelement 5 einen längs erstreckten Sensor 6 vorzusehen, dessen geometrische Längserstreckung den Schnittpunkt der Drehachse 2 mit dem Drehelement 5 schneidet.
Die 15 und 16 beschreiben weitere Ausführungsformen, bei welcher es vorgesehen ist, zwei vertikal propagierende Lichtstrahlen um die Drehachse 2 herum zu erzeugen, mit denen jeweils ein zugeordneter Detektor 6 beleuchtet wird, wenn die Ausrichtung des Drehelementes 5 und die Richtung des Referenzelementes 1 übereinstimmend sind. Hierbei ist es vorgesehen, gemäß der 15 am Referenzelement 1 eine Lichtquelle 3 anzuordnen, mittels der in vertikaler Richtung ein Lichtstrahl 7 erzeugt wird, der am Strahlteiler 11 in zwei Strahlen aufgeteilt wird, von denen einer in vertikaler Richtung weiter propagiert und der andere in horizontaler Richtung ausgelenkt wird zu einem auf der anderen Seite der Drehachse 2 liegenden Spiegel, insbesondere Umlenkprisma, 10, mit welchem wiederum der Lichtstrahl in vertikaler Richtung nach unten reflektiert wird, so dass hier beide erzeugten Teillichtstrahlen 7 nur dann eine Übereinstimmung der Ausrichtung von Drehelement 5 mit der Referenzrichtung anzeigen, wenn beide die Detektoren 6 treffen.
Die 16 zeigt demgegenüber eine Ausführungsform, bei welcher ein ursprünglicher Lichtstrahl 7 kolinear zur Drehachse 2 der Vorrichtung zugeführt wird und mit einem Strahlteiler 11 in zwei entgegengesetzte Richtungen zu jeweiligen Spiegeln, insbesondere Umlenkprismen, 10 umgelenkt wird, die unter 180 Grad um die Drehachse 2 herum orientiert an den Referenzelement 1 angeordnet sind, so dass erst durch die Reflektion an diesen Spiegeln 10 die vertikal nach unten propagierenden Lichtstrahlen 7 erzeugt sind, die bei einer Richtungsübereinstimmung auf die jeweiligen Detektoren 6 am Drehelement 5 treffen und somit eine Übereinstimmungssignal erzeugen.
Die 17 zeigt weiterhin, dass in einer Ansicht in Richtung der Drehachse 2 die Anordnungen von Lichtquellen 3 und/oder auch Detektoren 6 entweder am Referenzelement 1 oder am Drehelement 5 auf einer Linie L Hegen können, welche die Drehachse 2 exakt schneidet. Demgegenüber zeigt die 18, dass die Verbindungslinie zwischen den Lichtquellen 3 bzw. den Lichtstrahlen 7 im horizontalen Schnitt parallel zu Referenz- oder Drehelement oder aber die Detektoren 6 auf einer gemeinsamen Linie L liegen, die zur Drehachse 2 beabstandet ist. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, Referenzelement und Drehelement und insbesondere Lichtquelle/n und Detektor/en azentrisch zur Drehachse anzuordnen, was konstruktiv vorteilhaft sein kann.
Bei allen Ausführungen kann es vorgesehen sein, dass eine den einen oder den mehreren Lichtdetektoren nachgeordnete Auswerteelektronik bestimmt, wann eine die Übereinstimmung der Ausrichtungen zwischen Referenz- und Drehelement definierende Überdeckung zwischen dem Laserfleck und dem Lichtdetektor gegeben ist. Hier kann beispielsweise auch ein Regelkreis realisiert sein, mit dem die Abweichung zwischen einer Sollposition des Laserflecks auf dem Detektor und der aktuellen Istposition minimiert wird, wobei nach Erreichen dieses Ziels die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes mit der Referenzrichtung des Referenzelementes gegeben ist. Demnach kann eine solche Ausrichtung auch voll automatisiert erfolgen durch eine motorische Ansteuerung, bis dass das Übereinstimmungssignal durch die Auswerteelektronik generiert ist.
In einer anderen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, die Übereinstimmung der Ausrichtung z. B. durch polarisiertes Licht festzustellen, welches entweder von dem Referenzelement in Richtung zum Drehelement oder aber in umgekehrte Richtung projiziert wird und an den jeweils gegenüberliegenden Element durch einen Polarisator nachgeschalteten Lichtintensitätsdetektor detektiert wird. Hier wird eine maximale oder auch eine minimale Lichtintensität dann detektiert, wenn die Polarisationsrichtung des Polarisators gleich gerichtet oder senkrecht zur Polarisationsrichtung des vertikal propagierenden Lichtes liegt. So kann auch dieses Kriterium minimaler oder maximaler Intensität am Detektor bei einer Drehung um die Drehachse 2 ausgewertet werden, um die Richtungsübereinstimmung zwischen Drehelement und Referenzelement zu bestimmen.

Claims

Vorrichtung zur Richtungskalibrierung eines Polarmessgerätes, insbesondere eines Laserscanners, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Referenzelement (1) umfasst, dass drehfest an einer Haltevorrichtung des Polarmessgerätes, insbesondere an einem Stativ, befestigbar/befestigt ist und durch welches eine Referenzrichtung (4) in einer Horizontalebene definiert ist und ein Drehelement (5) umfasst, dass mit dem Polarmessgerät drehfest ist und zusammen mit dem Polarmessgerät relativ zum Referenzelement (1) um eine vertikale Achse (2) drehbar ist und wenigstens eine optische Messvorrichtung (3, 6, 3', 6') vorgesehen ist, mittels der die Übereinstimmung einer Ausrichtung des Drehelementes (5) mit der Referenzrichtung (4) des Referenzelements (1) messbar ist, insbesondere signalisierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehelement (5) an einem Halteelement und/oder Geräteteil des Polarmessgerätes befestigbar/befestigt ist, das im Messbetrieb des Polarmessgerätes zu dessen vertikaler Drehachse und zur Haltevorrichtung drehfest ist und das Drehelement (5) vor dem Start einer Messwerterfassung mit dem Polarmessgerät in die Referenzrichtung (4) drehbar ist, insbesondere von Hand oder automatisiert, insbesondere wobei die optische Messvorrichtung (3, 6, 3', 6') eingerichtet ist, die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes (5) mit der Referenzrichtung (4) des Referenzelementes (1) zu signalisieren.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehelement (5) und das Referenzelement (1) in vertikaler Richtung zueinander ortsfest sind, wobei das Drehelement (5) mit einem in vertikaler Richtung der Haltevorrichtung verschieblichen Halteelement, insbesondere mit der Stativstange eines Statives, drehgekoppelt ist und das Halteelement in vertikaler Richtung verschieblich durch das Drehelement (5) hindurchgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehelement (5) an einem Geräteteil des Polarmessgerätes befestigbar/befestigt ist, das im Messbetrieb des Polarmessgerätes um dessen vertikale Drehachse und relativ zur Haltevorrichtung drehbar ist/gedreht wird und das Drehelement (5) während einer Messwerterfassung mit dem Polarmessgerät zusammen mit dessen drehenden Geräteteil wenigstens einmal durch die Referenzrichtung (4) hindurch drehbar ist, insbesondere wobei die optische Messvorrichtung (3, 6, 3', 6') eingerichtet ist, die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes (5) mit der Referenzrichtung (4) des Referenzelementes (1) zu signalisieren, insbesondere an die Elektronik des Polarmessgerätes.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehelement (5) zusammen mit dem Polarmessgerät in vertikaler Richtung relativ zum Referenzelement (1) verschieblich ist, insbesondere durch Verschiebung eines Halteelementes, insbesondere der Stativstange eines Stativs.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messvorrichtung (3, 6, 3', 6') gebildet ist durch wenigstens eine Lichtquelle (3, 3'), insbesondere Laserlichtquelle und wenigstens einen Lichtdetektor (6, 6'), wobei zwischen dem Referenzelement (1) und dem Drehelement (5) wenigstens eine Lichtpropagationsstrecke ausgebildet ist, in welcher der wenigstens eine Lichtstrahl (7, 7') in einem Bereich zwischen Referenz-(1) und Drehelement (5) vertikal propagiert, wobei der wenigstens eine Lichtdetektor (6, 6') oder eine nachgeschaltete Elektronik bei einer Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes (5) mit der Referenzrichtung (4) ein Übereinstimmungssignal erzeugt, insbesondere wobei eine Übereinstimmung vorliegt, wenn der wenigstens eine vertikal propagierende Lichtstrahl (7, 7') den wenigstens einen Lichtdetektor (6, 6') trifft.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung wenigstens eines in vertikaler Richtung zwischen Referenz-(1) und Drehelement (5) propagierenden Lichtstrahles (7, 7'), insbesondere Laserstrahles die Lichtquelle (3, 3') und/oder der Lichtdetektor (6, 6') oder zumindest ein Teil von deren/dessen Optik selbstnivellierend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Referenz-(1) und Drehelement (5) mehrere vertikale Lichtstrahlen (7, 7'), insbesondere Laserstrahlen ausgebildet sind und jedem der Lichtstrahlen (7, 7') wenigstens ein Lichtdetektor (6, 6') zugeordnet ist, insbesondere wobei die Lichtdetektoren (6, 6') jedes Lichtstrahles (7, 7') und die Schnittpunkte der Laserstrahlen mit einer horizontalen Ebene alle in einer Linie liegen, welche a. die Drehachse (2) des Polarmessgerätes schneidet oder b. zur Drehachse (2) des Polarmessgerätes versetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der wenigstens einen Lichtquelle (3, 3') wenigstens ein vertikal propagierender Lichtstrahl (7, 7') erzeugt ist, der in einer Ebene aufgefächert ist, die parallel zur Drehachse (2) des Polarmessgerätes liegt oder in welcher die Drehachse (2) des Polarmessgerätes liegt.
Messvorrichtung umfassend eine Haltevorrichtung eines Polarmessgeräts, insbesondere ein Stativ und ein daran befestigtes Polarmessgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche umfasst.
Verfahren zur Richtungskalibrierung eines Polarmessgerätes, insbesondere eines Laserscanners, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzelement (1) drehfest an/in einer Haltevorrichtung des Polarmessgerätes, insbesondere an/in einem Stativ, angeordnet ist oder wird, wobei durch das Referenzelement (1) eine Referenzrichtung (4) in einer Horizontalebene definiert wird und ein Drehelement (5) an/in dem Polarmessgerät drehfest angeordnet ist oder wird, welches zusammen mit dem Polarmessgerät relativ zum Referenzelement (1) um eine vertikale Achse (2) gedreht wird wobei mittels wenigstens einer optischen Messvorrichtung (3, 6, 3', 6') die Übereinstimmung der Ausrichtung des Drehelementes (5) mit der Referenzrichtung (4) des Referenzelements (1) gemessen wird.