DE3739664C2 - Längenmeßverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Längenmeßverfahren, bei dem ein Abso­ lutmaßstab abschnittsweise auf einem Zeilensensor abgebildet, die Sensorsignale digitalisiert und in einem Mikrorechner ausge­ wertet werden. Das Verfahren ist insbesondere zur Durchführung des automatischen Nivellements, des Präzisionsnivellements und zur Entfernungsmessung, mit ungleichen Zielweiten von etwa 5 bis 50 m, anwendbar sowie zur Positionierung von Teilen oder in der Koordinatenmeßtechnik einsetzbar.

Es ist bekannt, daß beim geometrischen Nivellemenet der Durch­ stoßpunkt der horizontalen Ziellinie durch eine vertikal stehen­ de Nivellierlatte visuell beobachtet wird und der Meßwert aus der Ablesung der m, dm und cm und einer Schätzung der mm an der Nivellierlatte besteht.

Beim Präzisionsnivellement wird visuell auf einen Teilstrich der Nivellierlatte koinzidiert. Der Meßwert besteht aus der Ablesung der m, dm und cm an der Nivellierlatte sowie aus der Ablesung der mm und Bruchteile am Mikrometer.

Beim Einstellen, Koinzidieren, Ablesen und Notieren können zu­ fällige und systematische persönliche Fehler auftreten, insbe­ sondere dann, wenn durch entsprechend lange Tätigkeit und die dabei auftretende erhebliche Belastung des Beobachters Ermü­ dungserscheinungen entstehen. Umfangsreiche Kontrollrechnungen wirken dem entgegen, wobei aber auch hier aus denselben Gründen weitere Fehler auftreten können. Die ursprünglichen Messungsda­ ten werden zur weiteren Verarbeitung durch elektronische Daten­ verarbeitungsanlagen vorverdichtet in eine maschinenlesbare Form übertragen. Spätere Verbesserungen, z. B. Teilstrichverbesserun­ gen der ursprünglichen Messungsdaten sind daher nicht mehr mög­ lich. Meßfehler durch kurzzeitige Refraktionsänderungen sind kaum zu vermeiden.

Es sind bereits technische Mittel entwickelt worden, um den Beobachter durch eine teilweise Automatisierung zu entlasten und die Fehler zu verringern.

So ist es bekannt, den im Nivellier abgebildeten Ausschnitt der Meßlatte zusammen mit einer die Horizontale anzeigenden Zielli­ nie im Nivellier mit einer Film-Kamera aufzunehmen und das Bild später automatisch auszuwerten. Dazu werden auf der Meßlatte Skalenstriche aufgetragen, die gut zu den übrigen Flächen der Skala kontrastieren. Ihr Abstand zueinander ist bekannt. Ihr Abstand zu einem Ende der Meßlatte ist durch eine an dem Skalen­ strich angebrachten Kodierung gekennzeichnet (DE-AS 12 67 855). Der Film wird senkrecht zur Richtung der Skalenstrichbilder abgetastet. Mit der Abtasteinrichtung ist ein Impulsgeber gekop­ pelt. Der Abtastweg zwischen zwei Skalenstrichbildern bzw. zur Ziellinie wird durch Auszählen der Impulse gemessen. Mit dersel­ ben Fotozelle oder einer weiteren wird auch die den Strichen beigefügte kodierte Markierung entschlüsselt.

Dadurch, daß von jeder Auswertung erst die Aufnahme entwickelt werden müssen, ist das Verfahren unpraktisch und aufwendig. Außerdem ist das Verfahren in seiner Genauigkeit beschränkt. Der Impulszähler registriert die Zahl der Schritte bis zur nächsten größeren Helligkeitsänderung der auszuwertenden Hell-Dunkel- Signale des Skalenabschnitts. Der Übergangsbereich wird dabei je nach der Entfernung der Meßlatte und den Bedingungen zum Zeit­ punkt der Filmaufnahme sehr unterschiedlich ausgewertet, zumal die Breite des Skalenstriches an die größe Entfernung, bei der gemessen werden soll, angepaßt werden muß.

In der DE-OS 32 13 860 wird eine Meßlatte beschrieben, auf der in Längsrichtung der Latte in vorbestimmten Abständen LED's ange­ ordnet sind, die kodierte Lichtstrahlen aussenden. Die Kodierung entspricht dabei ihrer Höhe auf der Meßlatte. Das Nivellier besitzt eine lichtempfindliche Meßanordnung, vorzugsweise einen Fototransistor, und eine elektrische Schaltungsanordnung zum Bestimmen jener LED, von der das auf den fotoelektrischen Sensor einfallende Licht ausgeht.

Im Vergleich zur vorhergehend genannten technischen Lösung ist die Auflösung und damit die Meßgenauigkeit noch geringer. Außer­ dem ist der Aufwand für die Meßlatte sehr hoch.

Andere technische Lösungen, auf die hier nicht näher eingegangen wird, arbeiten mit einem Nivellier, das Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, aussendet und mit ihnen die Meßlatte abtastet. Der technische Aufwand für diese Automatisierungslösungen ist sehr groß.

Aus der DE-OS 34 27 067 ist ein optoelektronisches Längenmeßver­ fahren mit kodiertem Absolutmaßstab zur absoluten Wegmessung und Positionierung, z. B. im allgemeinen Maschinen- und Gerätebau, bekannt. Auf dem Absolutmaßstab ist zwischen den Maßstabstri­ chen eine Strichkodierung, die die Positionsinformation des zugehörigen Maßstabsstrichs enthält, aufgebracht. Der Absolut­ maßstab wird in Meßrichtung abgetastet. Dabei wird ein Skalen­ ausschnitt auf einem optoelektronischen Zeilensensor (CCD-Zeile) abgebildet. Der Ausschnitt enthält immer wenigstens einen Maß­ stabsstrich und eine vollständige Strichkodierung. Der Zeilen­ sensor ist mit einer logischen Schaltung (Mikrorechner) verbun­ den. Mit ihr wird aus der Zuordnung des Maßstabsstrichs zum Zeilensensor die Feinposition und aus der Strichkodierung die absolute Position des zugehörigen Maßstabsstrichs ermittelt.

Dieses Längenmeßverfahren kann mit Einschränkungen auf das auto­ matische Nivellement angewendet werden, indem eine Meßlatte wie der Absolutmaßstab kodiert und im Strahlengang des Nivelliers einen Zeilensensor angeordnet wird. Die für ein Präzisionsnivel­ lement über einen großen Meßbereich erforderliche Auflösung und Meßgenauigkeit kann allerdings nicht erreicht werden. Bei der Vielzahl der zu kennzeichnenden Positionen ist ein langes Kode­ wort zwischen den Teilstrichen erforderlich. Bei Messungen über 50 m müssen der Maßstabsstrich und die Striche der Kodierung relativ dick und mit dem entsprechenden Zwischenraum ausgeführt werden, um die notwendige Auflösung zu garantieren.

Zweck der Erfindung ist es, das Nivellement weitgehend automa­ tisch durchzuführen und dabei eine hohe Genauigkeit zu errei­ chen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen in Abtastrichtung kodierten Absolutmaßstab so zu kodieren und mit einem Zeilensensor abzuta­ sten, daß die Lage einer von vielen Positionen des Absolutmaß­ stabs gegenüber dem Zeilensensor unabhängig von der Entfernung zwischen beiden präzise ermittelt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine als Hell-Dunkel-Folge kodierte Skala verwendet wird, deren auf dem Zeilensensor abgebildeter Ausschnitt immer wenigstens zwei Felder, eins mit der Länge 1 l und eins mit der Länge kxl, jeweils in Meßrichtung gemessen, enthält, die Länge 1 l die größte oder die kleinste Länge der Hell-Dunkel-Felder der Skala ist, und aus der Zuordnung der Hell-Dunkel-Übergänge zum Zeilen­ sensor sowohl die absolute als auch die Feinposition des Abso­ lutmaßstabs ermittelt wird.

Die im festen Abstand zueinander angeordneten Pixel des Zeilen­ sensors bilden einen Maßstab, mit dem die Feldlängen ausgemessen und das Feld mit der Länge 1 l festgestellt werden kann. Damit ist es möglich, den Abbildungsmaßstab, und hieraus die Zielweite zu bestimmen sowie durch Auswertung der Hell-Dunkel-Folge des Bildausschnitts die Grobposition des Absolutmaßstabs in bezug auf die Lage des Zeilensensors fesztzustellen.

Zur Erhöhung der Präzision ist es vorteilhaft, die Lage der Hell-Dunkel-Übergänge in bezug auf den Zeilensensor zu ermit­ teln, die sich daraus ergebenden Längen mit den im Mikrorechner gespeicherten Längen der Hell-Dunkel-Felder des Absolutmaßstabs zu vergleichen und daraus die Feinposition zu ermitteln, wobei die Sensorsignale vorzugsweise in 16 Stufen digitalisiert wer­ den.

Vorzugsweise kann ein Absolutmaßstab mit wenigen Teilstrichlän­ gen zwischen 0,5 l und 2,0 l beispielsweise 0,5 l und 1,0 l oder 1 l, 1,5 l und 2,0 l verwendet werden.

Diese Längenmeßverfahren ermöglichen die Durchführung des Präzi­ sionsnivellements mit automatischer Meßwerterfassung. Dazu sind die Höhenpositionen auf der Nivellierlatte zu kodieren und im Nivellier ist eine CCD-Zeile anzuordnen. Die notwendige Genauig­ keit wird vorzugsweise zum einen dadurch erreicht, daß die vielen Positionen der Teilstriche auf der Nivellierlatte mit wenigen, eine hohe Auflösung zulassenden, unterschiedlichen Längen der Teilstriche einer ununterbrochenen Hell-Dunkel-Folge eindeutig kodiert wird. Zum anderen wird, wie in den Ansprüchen angegeben und im Ausführungsbeispiel näher erläutert, die Lage aller im abgebildeten Ausschnitt liegenden Hell-Dunkel-Übergänge bei mehrstufiger Digitalisierung in bezug auf den Zeilensensor ermittelt und durch den Vergleich mit den im Mikrorechner ge­ speicherten Werten der Nivellierlatte präzisiert und hieraus die Feinposition bestimmt.

Die Ziellinie kann durch Justierung eines empfindlichen Sensor­ element auf die Abbildungshöhe der horizontalen Ziellinie oder durch Abmessen und Speichern dieser Höhe mit der fest montier­ ten CCD-Zeile erhalten werden.

Das Verfahren ist auch für andere Meß- oder Positionieraufgaben im Maschinenbau oder anderen Gebieten einsetzbar.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher dargestellt.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Nivellier mit einer CCD-Zeile,

Fig. 2 eine erste erfindungsgemäß ausgeführte Nivellierlatte und

Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäß ausgeführte Nivellierlat­ te.

Fig. 1 zeigt den bekannten Strahlengang eines Nivelliers 1. Anstelle eines Prismas ist ein Strahlenteiler 2 eingebaut. Durch ihn fällt ein Teil des Lichts auf ein zusätzliches Abbildungssy­ stem 3. Der dort hindurchtretende Lichtanteil wird von dem Abbildungssystem auf eine CCD-Zeile 4 fokussiert. Dieser Sensor 4 ist so justiert, daß der Teil des Bildfeldes abgebildet wird, der die Abbildung der Nivellierlatte enthält, und hierin die Ziellinie auf ein vorher festgelegtes empfindliches Element, vorzugsweise ein mittleres Element, projiziert wird.

Die CCD-Zeile ist auf einer Leiterplatte 5 montiert. Auf dieser sind weitere elektronische Bauelemente angeordnet, die für den Betrieb der Zeile in ihrer unmittelbaren Nähe erforderlich sind. Über ein Kabel 6 ist die Leiterplatte 5 mit eine Steuer- und Recheneinheit 7, einer alphanumerischen Anzeigeeinheit 8 und einem Datenspeicher verbunden.

Die Kodierung der Nivellierlatte ist in zwei Varianten ausge­ führt. Bei beiden Varianten sind die Teilstrichpositionen in linearer Maximalfolge /1/ mit der Periodenlänge

N = 2^k - 1

kodiert. Mit k Bit-Stellen können jeweils N Positionen auf der Nivellierlatte kodiert werden, d. h. auf der CCD-Zeile sind zur eindeutigen Identifizierung immer mindestens k Bit abzubilden. Bei beiden Varianten ist eine Teilstrichfolge von Hell- bzw. Dunkelfeldern mit der Länge 1 l der Ausgangspunkt der Kodie­ rung.

In der ersten Ausführung (Fig. 2) wird die Teilstrichgröße mit dem Bi-Phase-Kode, und zwar in der Variante Bi-Phase-Space, verschlüsselt. Jeder Helligkeitswechsel charakterisiert einen Bit-Anfang. Die Hell- bzw. Dunkelfelder mit der Länge 1 l haben den Kodewert 1. Der zusätzliche Helligkeitswechsel in der Mitte eines Feldes von der Länge 1 l kennzeichnet den Kodewert 0. Die Nivellierlatte ist mit 1 l- und 0,5 l-langen Feldern eindeutig kodiert. Die 0,5 l-langen Felder treten immer paarweise auf. Nähere Angaben zur Bi-Phase-Kodierung können /2/ entnommen wer­ den.

Im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist der linearen Maximal­ folge eine Delay-Modulation überlagert. In den Hell- oder Dun­ kelfeldern der Länge 1 l erfolgt beim Kodewert 1 in der Mitte ein Helligkeitswechsel. Beim Kodewert 0 wechselt die Helligkeit nicht, wenn der Kodewert 1 folgt, sonst am Ende. Die Feldlängen betragen 1 l; 1,5 l oder 2,0 l. Im auf dem Zeilensensor abge­ bildeten Ausschnitt müssen wenigstens k + 1 Bit enthalten sein.

In beiden Beispielen wurden zur Veranschaulichung jeweils 15 Positionen kodiert. Auf einer tatsächlichen Nivellierlatte sind erheblich mehr Positionen darzustellen. Beispielsweise wurden auf einer Nivellierlatte mit der Teilstrichgröße 1 l = 1 cm 255 Positionen kodiert. Unter Verwendung eines Zeilensensors mit 1024 Pixel wurde im Zielbereich von 5 bis 50 m die für das Präzisionsnivellement erforderliche Genauigkeit erreicht. Messung und Auswertung erfolgten dabei wie folgt.

Der auf der CCD-Zeile ausgebildete Lattenausschnitt wird abgeta­ stet und mittels AD-Wandler in eine digitale Signalfolge gewan­ delt. Aus der Signalfolge werden die Positionen der Hell-Dunkel- Übergänge auf der CCD-Zeile mit hoher Genauigkeit bestimmt. Die Hell-Dunkel-Folge wird dekodiert und hieraus die Grobposition ermittelt, d. h. festgestellt, welcher Teilstrich in Höhe der Ziellinienposition der CCD-Zeile liegt. Die gemessenen Hell- Dunkel-Positionen werden mit den (gespeicherten) Werten der Hell-Dunkel-Übergänge der verwendeten Meßlatte verglichen und im Ergebnis des Vergleichs relativ, d. h. unabhängig vom Abbil­ dungsmaßstab, korrigiert. Aus den korrigierten Positionen der abgebildeten Hell-Dunkel-Übergänge werden der Abbildungsmaßstab und zusammen mit der Brennweite des optischen Systems die Ziel­ weite bestimmt. Zur Bestimmung des Höhenwerts werden die Abstän­ de der Hell-Dunkel-Übergänge zur Zielposition auf der CCD-Zeile ermittelt, mit dem Abbildungsmaßstab umgerechnet, zur Höhe der Grobposition über dem Fußpunkt der Nivellierlatte addiert und die Summen gemittelt. Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit und zur Reduzierung des Einflusses der Luftunruhe, insbesondere der vertikalen Richtungsszintillation, sollte ein Nivellementwert aus mehreren Bildabtastungen bestimmt werden.

Claims (5)

1. Längenmeßverfahren mit einem in Abtastrichtung kodiertem Absolutmaßstab und einem optoelektronischen Zeilensensor (vorzugsweise eine CCD-Zeile) zur Durchführung des Verfah­ rens, insbesondere zur Durchführung des automatischen Nivel­ lements, mit ausschnittsweiser Abbildung der Skala auf einem Zeilensensor, Digitalisierung der Sensorsignale und Auswer­ tung in einem Mikrorechner, gekennzeichnet dadurch, daß der abgebildete Ausschnitt eines in Hell-Dunkel-Folge kodierten Absolutmaßstabs immer wenigstens zwei Felder, eins mit der Länge 1 l und eins mit der Länge kxl, jeweils in Meßrichtung gemessen, enthält, die Länge 1 l die größte oder die kleinste Länge der Hell-Dunkel-Felder der Skala ist, und aus der Zuordnung der Hell-Dunkel-Übergänge zum Zeilensensor sowohl die absolute als auch die Feinposition des Absolutmaßstabs ermittelt wird.

2. Längenmeßverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sensorsignale in mehrere Stufen, vorzugsweise in 16 Stufen, digitalisiert werden.

3. Längenmeßverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Lage der Hell-Dunkel-Übergänge in bezug auf den Zeilensensor ermittelt, die sich ergebenden Längen mit den im Mikrorechner gespeicherten Längen der Hell-Dunkel-Felder des Absolutmaßstabs verglichen und daraus die Feinposition ermit­ telt wird.

4. Längenmeßverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Absolutmaßstab mit den Teilstrichlängen 1 l und 0,5 l verwendet wird.

5. Längenmeßverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Absolutmaßstab mit den Teilstrichlängen, 1 l, 1,5 l und 2,0 l verwendet wird.