DE3808972A1

DE3808972A1 - Device for continuous tracking and position measurement of an object

Info

Publication number: DE3808972A1
Application number: DE19883808972
Authority: DE
Inventors: Johann F Dipl Phys Hipp
Original assignee: Individual
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1988-03-17
Publication date: 1989-10-05

Abstract

A motorised tachymeter is used for continuous tracking and position measurement of an object, about the vertical and horizontal axes of which tachymeter a rotatable measurement head is arranged which is equipped with two orthogonal laser scanners and a rangefinder and by means of which offset signals of a target equipped with reflectors are measured with respect to the optical axis of the measurement head, and these deviation signals are used for slaving of the measurement head. Polar coordinates of the reflector are measured continuously.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung der kontinuierlichen Verfolgung und Positionsmessung eines Objektes wie z. B. eines Fahrzeuges, Schiffes, Flugzeuges Helikopters etc.The invention relates to a device for performing the continuous tracking and position measurement of a Property such. B. a vehicle, ship, aircraft Helicopters etc.

Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung zur Verfolgung und Vermessung von Vermessungsfahrzeugen wie Meßflugzeugen, Meßhubschraubern, Meßballons oder Vermessungsschiffen.The invention is preferably used for tracking and measurement of surveying vehicles such as measuring aircraft, Measuring helicopters, measuring balloons or surveying ships.

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.There are many laser tracking systems available automatic object tracking became known. So are Laser tracking systems for measuring astronauts the surface of the moon was already known in 1970 and laser tracking Military systems for missile tracking shoot down, aircraft tracking and satellite tracking from the seventies. OS 29 47 955 from 1979 describes a positioning system for rail vehicles, in which a vertically spread laser line for Storage measurement is used. The shelf becomes a Control signal generated for the after-control motor. DE 31 28 423 from 1981 tries to specify a system with which ships are to be measured, which are in one Move level. Although this patent is not functional it is an interesting representation of the State of the art at the time of registration.

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.The military systems are mostly High power laser systems because of the associated Eye damage cannot be used in civilian areas are. One example of many is the cinetheodolite mentioned about SPI, Vol. 134, Photo- and Electro- Optics in range instrumentation 1978 by Dr. R. E. Strane was reported. These devices that are for the three-dimensional measurement of moving objects are suitable for civil surveying use not suitable.

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.All these systems have in common that the task of three-dimensional object measurement and tracking in reliable way and after one-time alignment to the destination is also done automatically.

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.This task of continuous tracking and Position measurement of an object, which in the preamble of Claim 1 defined genus is according to the invention solved by the features in the labeling part.

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.The inventive device is technically simple built and can be at relatively low cost produce. By designing each other orthogonal laser beams in the form of lines of light, with a search field can be scanned with high precision a very precise measurement of the reflector relative to optical axis of the measuring head possible.

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.The angular accuracy is determined by the Scanning speed of the steered over the reflector Transmitting rays determined. Finding the target is designed because of the line-like spread apart Laser beams and the two orthogonal to each other Scanning directions very simple. As soon as the reflector in the Search field represented by the sensed solid angle is, the tracking device ensures making sure that the measuring head is constantly on the reflector remains aligned.

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.The advantage of this inventive device is the quick and accurate measurement of with reflectors equipped goals. The coordinates of the reflector will be always measure precisely when this is in the search field located. The accuracy does not depend on the location within the search field. The search box can be accessed through the special type of scanning system quick and easy be scanned.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch wiedergegeben. Es zeigtAn advantageous embodiment of the invention is in the Drawings shown schematically. It shows

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Meßkopfes des Laser Tracking Systems, Fig. 1 is a block diagram of the measuring head of the laser tracking system,

Fig. 2 die optische Ablenkeinrichtung, Fig. 2, the optical deflector,

Fig. 3 das Suchfeld mit dem Empfängersehfeld, Fig. 3, the search field with the Empfängersehfeld,

Fig. 4 das Meßgerät, schematisch dargestellt. Fig. 4 shows the measuring device, shown schematically.

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. Fig. 1 shows a block diagram of the measuring head of the laser tracking system. The laser radiation emitted by transmitters 1 and 2 is sent with the objective lenses 3 and 4 in the direction of the reflector. The optical deflection device 5 cyclically deflects the laser light horizontally and the optical deflection device 6 vertically. The reflected signals are imaged with the lens 7 on the receiving diode of the receiver 8 and converted into electrical signals. The laser pulses from the laser transmitter 2 are used for distance measurement in the measuring electronics 9 . The optical deflection devices 5 and 6 and the distance measuring circuit 9 are connected to the computer 10 of the measuring head. The storage data horizontally and vertically, in which a reflection signal was detected, and the distance to the target are fed via the interface 11 to the tracking device. The tracking device contains an electronic control device and a control computer with which the control signals for the tracking motors are controlled.

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.A small part of the emitted light energy is divided off with the mirror 12 and sent directly to the photodiode of the receiver, converted into an electrical signal and used as a starting pulse for the distance measurement.

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. 2 schematically illustrates the optical deflector. The optical deflection of the visual field or the transmitted light occurs in the divergent beam path behind the objective lens 13. The light is sent through a rotating, transparent flat plate 14 . The rotating plane plate is preferably made of glass and connected directly to the protractor 15 . With the motor 16 , the flat plate 14 is driven via the wheels 17 and 17 a and the drive belt 18 . Transmitter or receiver 19 are arranged in front of the flat plate 14 .

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. 3 shows the search field with the field of view in the far field of a few kilometers away. The field of view 20 of the receiver 8 encompasses the deflection area of the transmission beams 21 and 22 . The horizontally deflected laser beam 21 is pulled apart vertically and horizontally narrow and is deflected horizontally according to arrow 21 a . The vertically deflected laser beam 22 is horizontally pulled apart and vertically narrow and is deflected vertically according to arrow 22 a . Both deflection angles are adjusted one above the other. A reflector 23 would result in the deflection angles 24 and 24 a .

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. Fig. 4 shows a schematic representation of a laser tracking system for continuously determining position. The telescope 25 , which is adjusted parallel to the optical axis of the measuring head 26, is used for alignment with a reflector or a target. The display 27 shows the measured distance to the target and the filing in the search field. The measuring head is rotatably mounted about the horizontal axis 28 . The vertical angle meter 29 is attached to this axis. The motor 30 drives the vertical axis via the drive belt 31 . The theodolite configuration 32 is rotatably supported about the vertical axis of rotation 33 . The horizontal angle is measured with the protractor 34 . The motor 35 drives the horizontal axis via the drive belt 36 and rotates the theodolite configuration around the foot 37 , which is inserted in a horizontable clamping device 38 . A connection to the computer 40 of the tracking system is established with the hand terminal 39 . The measurement system is operated via this hand terminal. The data exchange between the measuring head and the tracking device takes place via the connection 41 .

Claims

1. Device for the continuous tracking and position measurement of an object with a motorized theodolite configuration, in each of which a motor is provided for rotation about the horizontal axis and vertical axis and a protractor for measuring the angle of rotation about each axis relative to a reference, a range finder , which is rotatably mounted about both axes, characterized in that two optical angle measuring devices each consisting of laser transmitter, receiver and optical deflection device are provided for deflecting the transmitter light, the two deflection directions of the deflection devices are perpendicular to each other, the transmitter light each transverse pulled apart to the deflection direction and narrowly bundled in the deflection direction that at the time of reception of a reflection signal the associated angular position of the associated deflection device is read out, and this angular position of an electronic control device is transferred which converts this into control voltages according to a predefinable program or directly to readjust the measuring head to the target.

2. Device according to claim 1, characterized in that the field of view of the receiver parallel to the transmission beams is distracted.

3. Device according to claim 1, characterized in that the field of view of the recipients in each case by the Deflection of the transmitter light described solid angle of cover associated optical angle measuring devices.

4. Apparatus according to claim 1 and 3, characterized characterized in that both angle measuring devices use the same receiver.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the solid angle ranges of the optical The angle measuring device is largely in cover.

6. The device according to claim 1, characterized in that the range finder, a laser transmitter and Has receiver, according to the pulse transit time principle is working.

7. The device according to claim 1, 5 and 6, characterized records that the rangefinder and one of the optical Angle measuring devices have the same receiver.

8. The device according to claim 1, 5, 6 and 7, characterized characterized that the electronic control device it is reported which laser received the reflection signal had caused.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the rangefinder and one of the the two optical angle measuring devices the same Use laser transmitters.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized characterized in that the optical deflection of the Transmitter light with a rotating plane plate in the divergent beam path takes place.

11. The device according to one of claims 1 to 8, characterized characterized that the laser is the optical Angle measuring device are arranged on a rocker and in that it periodically moves sideways out of the focus point a change in the angle of the transmitted light is deflected is caused.

12. The apparatus according to claim 1, characterized in that rotatable around both axes two optical Angle measuring devices with exchange of transmit and Reception area each consisting of laser transmitter, receiver and optical deflection device for deflecting the Receiver field of view are provided, the two Deflection directions are perpendicular to each other, that Receiver field of view pulled apart transversely to the deflection direction and narrowly bundled in the direction of deflection that for Time of reception of a reflection signal associated angular position of the associated deflection device is read out, and this angular position one electronic control device is passed, this in control voltages according to a predefinable program or implemented directly to readjust the measuring head to the target.