DE68914553T2

DE68914553T2 - Lasermesssystem.

Info

Publication number: DE68914553T2
Application number: DE68914553T
Authority: DE
Inventors: Gary Lynn Cain; Joseph Francis Rando; Mark Durward Sobottke
Original assignee: Spectra Physics LaserPlane Inc
Current assignee: Trimble Inc
Priority date: 1988-08-22
Filing date: 1989-08-21
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: US4895440A; DE68914553D1; EP0358368B1; JPH0282110A; EP0358368A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein lasergestützte Systeme für Bau-Anwendungen und, spezieller, ein lasergestütztes System zum Messen der Position eines Empfängers, der auf einem mobilen Baugerät an einer Arbeitsstelle befestigt ist, und zwar im Bezug auf einen Sender, der auf einer stationären Bezugspositian an der Arbeitsstelle angeordnet ist. Die Position des Empfängers wird durch das System in drei Dimensionen bestimmt.
In bekannten lasergestützten Systemen, beispielsweise gemäß US 3, 588,249, wird über die gesamte Arbeitsstelle eine Bezugsebene durch einen Sender aufgebaut, der Laserenergie in einer horizontalen Bezugsebene abstrahlt. Die Bezugsebene wird üblicherweise durch einen Laserstrahl aufgebaut, der radial aufwärts gerichtet von dem Sender ausgeht und kontinuierlich über 360º gedreht wird, um die gesamte Arbeitsstelle abzudecken. Einer oder mehrere Empfänger können über die gesamte Arbeitsstelle verwendet werden, um die Lage dieser Bezugsebene abzutasten. Derartige Empfänger können auf einer Überwachungsstange befestigt sein, wie in US 4,030,832 beschrieben, oder sie können als Teil eines Steuersystems für Baugerät oder landwirtschaftliches Gerät benutzt werden, wie in den Patenten US 3,813,171; 3,873,226; 3,997,071; und 4,034,490 beschrieben. Bekannte Lasersysteme haben einen Höhenhinweis über die gesamte Arbeitsstelle hinweg gegeben, aber sie haben üblicherweise nicht die Position des Empfängers innerhalb der Arbeitsstelle angegeben. So kann beispielsweise mit den bekannten Systemen die Höhe des Schildes einer Planierraupe in Bezug auf die Bezugsebene gemessen werden, aber wenn diese Höhe innerhalb der Arbeitsstelle verändert werden soll, ist es erforderlich, daß der Bediener mit einigen anderen Mitteln bestimmt, wo sich die Planierraupe innerhalb der Arbeitsstelle befindet, um genau zu wissen, welche Erhöhung an dieser Position vorliegen sollte.
Mit anderen Worten, bekannte Lasersysteme liefern lediglich eine Dimension einer Positionsinformation, und zwar die Höhe.
Das in US-A-4,830,489 offenbarte Laser-Überwachungs-System des Anmelders liefert nicht nur eine Höheninformation, sondern auch eine Positionsinformation in zwei anderen Achsen. Das System enthält einen Lasersender, der auf einer Bezugsposition an der Arbeitsstelle angeordnet ist, und der einen Laserstrahl radial in einer Bezugsebene streichen läßt. Das System enthält einen Empfänger, der auf einem mobilen Erdbewegungsgerät an der Arbeitsstelle positioniert ist, und der einen Sensor enthält, welcher die relative Erhöhung der Laserbezugsebene bestimmt. Der Empfänger enthält ferner ein Paar Reflektoren, von denen jeder die Laserenergie zurück an den Sender reflektiert. Die Reflektoren werden durch ein entsprechendes Steuersystem ausgerichtet, so daß eine sich zwischen ihnen erstreckende Bezugslinie üblicherweise senkrecht auf dem Strahl steht, wenn dieser über die Reflektoren streicht. Der Lasersender enthält einen Sensor, der die reflektierte Laserenergie empfängt, und, in Abhängigkeit davon, eine Empfänger-Positions-Information zur Übermittlung an den Empfänger erzeugt.
Der Lasersender dreht den Laserstrahl kontinuierlich über 360º mit einer im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit und streicht den Strahl somit einmal während jeder Umdrehung über beide Reflektoren des Empfängers. Während jeder Umdrehung des Laserstrahls erhält der Sender von den beiden Reflektoren zwei kurze Laserbündel oder Laserpulse zurück. Da sich der Laserstrahl mit einer im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht und der Abstand zwischen den Reflektoren fest ist, bietet das Zeitintervall zwischen dem Empfang dieser beiden Pulse eine in höchstem Maße genaue Basis zur Berechnung der Entfernung oder des Abstands des Empfängers vom Sender. Die Ausrichtung des Strahls zur Zeit des Empfangs der beiden Pulse definiert die Richtung des Empfängers in Bezug auf den Sender. Diese Ausrichtung kann durch einen Winkelkodierer oder eine ähnliche Anordnung auf dem Sender detektiert werden.
Es ist klar, daß die Genauigkeit der Entfernungsberechnung von einer gleichmäßigen Drehgeschwindigkeit des Laserstrahls abhängt. Sollten unerwartete Bedingungen auftreten, unter welchen der Betrieb des Senders ein unakzeptables Maß an Abweichungen in der Winkelgeschwindigkeit des Laserstrahls mit sich bringt, wird die Genauigkeit der Entfernungsberechnung entsprechend sinken.
Folglich besteht ein Bedarf an einem alternativen Ansatz zur Bestimmung der Entfernung oder des Abstands des Empfängers vom Sender. Es ist ein solcher Ansatz wünschenswert, bei dem die Genauigkeit der Entfernungsberechnung nicht vom Einhalten einer im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit des Laserstrahls abhängt, wodurch dann die Anforderungen an einen in höchstem Maße genauen mechanischen Betrieb des Senders reduziert werden können.
Folglich enthält die vorliegende Erfindung ein Lasermeßsystem für dreidimensionale Messungen, mit einem Sender an einer Position, der durch Schwenken eines Laserstrahls um den Sender eine Bezugsebene erzeugt, mit einem Empfänger an einer anderen Position, der die Laserbezugsebene schneidet; mit Reflektormitteln am Empfänger, zur Reflexion des Laserstrahls zurück zum Sender, wenn der Empfänger vom Laserstrahl gestreift wird; mit ersten Mitteln am Sender zum Detektieren einer Reflexion vom Empfänger, gekennzeichnet durch
zweite Mittel am Sender, die auf die ersten Mittel ansprechen, um den Sender zu veranlassen, die Aussendung des Laserstrahls sofort zu beenden, wenn ein durch die Reflektormittel an den Sender zurückgeworfener Laserstrahl detektiert wurde; und durch
dritte Mittel am Sender, die auf die ersten Mittel und die zweiten Mittel ansprechen, zum Messen der Zeitspanne zwischen einer Beendigung einer Aussendung des Laserstrahls und einer Beendigung einer Detektion des an den Sender reflektierten Laserstrahls, und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches die gemessene Zeitspanne angibt, die ihrerseits die Entfernung des Empfängers vom Sender angibt.
Die Ausrichtung des Strahls relativ zu einer festen Bezugsachse zum Zeitpunkt, wenn reflektierte Laserenergie detektiert wird, definiert die Richtung des Empfängers relativ zum Sender. Das Lasermeßsystem für dreidimensionale Messungen kann ferner Signalübertragungsmittel am Sender aufweisen, zum Senden der Abstandsinformation an den Empfänger, mit der Folge, daß das Gerät, auf dem der Empfänger angeordnet ist, seine Position innerhalb der Arbeitsstelle identifizieren kann.
Das elektrische Signal, welches von den dritten Mitteln an dem Sender erzeugt wird, kann durch einen Impuls dargestellt sein, der in der Zeit zwischen der Aussendung des modulierten Laserstrahls und der Zeit der detektierten Reflexion des Laserstrahls erzeugt wurde. Die Reflektormittel können eine passive Reflektoranordnung aufweisen, die beispielsweise aus wenigstens einem retroreflektiven Zylinder besteht. Alternativ kann die passive Reflektoranordnung wenigstens einen Winkelkubus und Richtmittel zum Ausrichten des Winkelkubus auf den Sender enthalten. In solch einer ausrichtenden passiven Reflektoranordnung können die Richtmittel einen ersten Fotodetektor mit einem zweiten und einem dritten Fotodetektor enthalten, die auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Fotodetektors angeordnet sind, wobei die Fotodetektoren elektrische Signale erzeugen, wenn der Laserstrahl auf sie auftrifft. Linsenmittel richten den Laserstrahl auf ein Feld aus, in dem sich der erste, der zweite und der dritte Fotodetektor befinden, während Antriebsmittel für eine Drehung der passiven Reflektoranordnung sorgen. Ein in Abhängigkeit von den durch die Fotodetektoren erzeugten elektrischen Signale arbeitender Schaltkreis ist vorgesehen, zur Regelung der Antriebsmittel, um die passive Reflektoranordnung in einer Stellung zu halten, in der der Laserstrahl auf den ersten Fotodetektor auftrifft. Die Linsenmtitel können eine zylindrische Linse enthalten.
Folglich wird in der vorliegenden Erfindung die Zeit gemessen, die der Strahl vom Sender zum Empfänger und dann zurück reflektiert zum Sender benötigt. Diese Zeit ist repräsentativ für die Entfernung des Empfängers vom Sender und ist nicht abhängig von der Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Laserstrahl dreht.
Folglich bietet die vorliegende Erfindung ein Meßsystem zur dreidimensionalen Positionsmessung erhöhter Genauigkeit; ferner bietet die Erfindung eine Entfernungsmessung, die auf der Laufzeit des Laserstrahls vom Sender zum Empfänger und zurück zum Sender basiert; darüber hinaus bietet die Erfindung ein Positionsmeßsystem, das den Winkel von einem Sender zu einem Empfänger in Bezug auf eine feste Bezugsachse mißt; schließlich offenbart die vorliegende Erfindung einen Empfänger für das Meßsystem, der eine passive reflektierende Anordnung verwendet.
Um die Erfindung ohne weiteres verständlich zu machen, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die folgendes zeigen:
Fig. 1 eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsstelle mit einem darin enthaltenen Sender und Empfänger eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Positionsmeßsystems;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Arbeitsstelle mit einem stationären Lasersender und einem auf einer mobilen Kehrungsmaschine angeordneten Empfänger, wobei der Sender und der Empfänger Komponenten des lasergestützten Positionsmeßsystems der vorliegenden Erfindung enthalten;
Fig. 3A eine perspektische Darstellung des Lasersenders gemäß Fig. 2;
Fig. 3B eine teilweise Ansicht des Lasersenders gemäß Fig. 3A, mit teilweise aufgebrochenen und quergeschnittenen Abschnitten;
Fig. 4 ein Blockdiagramm des im Lasersender der Fig. 3A verwendeten Schaltkreises;
Fig. 5 ein elektrisches Zeitgebungsdiagramm, das den Betrieb des Schaltkreises gemäß Fig. 4 erläutert;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der optischen Komponenten eines alternativen Empfängers, der in dem Positionsmeßsystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 7 bis 10 einen ausrichtenden Rückstrahler, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, und
Fig. 11 ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Ausrichtvorgangs des ausrichtenden Rückstrahlers der Fig. 7 bis 10.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Anordnung der Komponenten eines lasergestützten Positionsmeßsystems 10 für dreidimensionale Positionsmessungen, das gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet. Das Positionsmeßsystem 10 enthält im wesentlichen einen Sender 12 und einen Empfänger 14. Fig. 1 stellt eine diagrammartige Wiedergabe einer Arbeitsstelle 16 dar, in der der Sender 12 und der Empfänger 14 mit einem Abstand R voneinander angeordnet sind, wobei der Empfänger 14 unter einem Winkel a in Bezug auf eine Bezugs-X-Achse angeordnet ist, die willkürlich an dem Sender 12 definiert ist.
Fig. 2 zeigt die Arbeitsstelle 16 mit dem Lasersender 12, der auf einem Dreibein 18 befestigt ist, und dem Empfänger 14, der auf einem mobilen Baugerät, beispielsweise einer Teermaschine 20, montiert ist. Der Lasersender 12 befindet sich auf einem festen Bezugspunkt innerhalb der Arbeitsstelle 16. Die Arbeitsstelle 16 könnte einer großer Parkplatz sein, ein Flugplatz, ein Baugelände oder ein anderes Gebiet, das beispielsweise geteert werden soll. Die Teermaschine 20 bewegt sich über die Arbeitsstelle 16 unter Ablage von Teermaterial in einer Stärke, daß die Oberfäche eine gewünschte Höhe erreicht. Obwohl eine solche Teerung im wesentlichen eben ist, ist verständlich, daß der Teerbelag üblicherweise leichte Konturen aufweist, um Regenwasser kanalisiert abfließen zu lassen. Solche Konturen werden auf einem topografischen Plan als Erhebungen an bestimmten Positionen über die gesamte Arbeitsstelle bestimmt. Wie nachstehend noch deutlich wird, läßt sich die vorliegende Erfindung nicht nur auf eine Teermaschine anwenden, sondern eröffnet vielmehr Anwendungen bei einer breiten Vielfalt von Baugeräten.
Die Teermaschine 20 ist mit einem Steuersystem ausgerüstet, das automatisch jedes Ende eines Verteilers 22 auf einer gewünschten Erhöhung in Bezug auf eine Laser-Bezugsebene hält, die durch den Lasersender 12 erzeugt wurde. Ein solches Steuersystem ist in US 3,873,226 mit dem Titel "Laser Beam Control System for Road Paving Machines" beschrieben, und spricht auf Signale an, die vom Empfänger 14 und dem Sender 12 erzeugt wurden. Der Empfänger 14 enthält ein Höhendetektormittel in der Form eines Paars vertikal ausgerichteter Höhendetektoren 24, und ein Entfernungs-Detektormittel in Form eines Paars vertikal ausgerichteter Rückstrahler 26. Durch Verwendung eines Paars Höhendetektoren 24 und eines Paars Rückstrahler 26 wird wenigstens einer der Detektoren jedes Paars die Laserbezugsebene schneiden und damit empfangen, gleichgültig, in welche Richtung die Teermaschine 20 weist.
Die Detektoren 4 und die Rückstrahler 26 des Empfängers 14 werden durch einen Masten 28 auf der Teermaschine 20 getragen. Die Höhendetektoren 24 entsprechen konventioneller Bauweise. Die Rückstrahler 26 können die Form von Zylindern aufweisen, die mit rückstrahlendem Band bedeckt sind. Die Anordnung und das Zusammenwirken der Rückstrahler 26 mit dem Sender 12 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.
Wie in der vorgenannten US 3,873,226 beschrieben, hebt und senkt das Steuersystem den Verteiler 22, um unabhängig von dem Boden, auf dem die Teermaschine 20 arbeitet, die Oberfläche des Teerbelags auf einer gewünschten Höhe zu halten. Das Steuersystem arbeitet in Abhängigkeit von Signalen, welche durch die Detektoren 24 erzeugte Höheinformationen darstellen, und in Abhängigkeit von Signalen, welche Informationen über die Entfernung R und den Winkel a darstellen, die durch das Zusammenwirken der Rückstrahler 26 und des Senders 12 erzeugt wurden. Diese Informationen können auf einem Bedienerfeld 30 dargestellt werden, das in der Nähe des Bedieners angeordnet ist, und können, falls gewünscht, an ein automatisches Steuersystem gegeben werden, das den Verteiler 22 hebt und absenkt, um die Oberfläche der Arbeitsstelle entsprechend den Wünschen zu gestalten. Die Art und Weise, in der die Entfernungs- und Winkeldaten erzeugt werden, wird nachstehend beschrieben.
Es wird nach wie vor insbesondere auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Der Lasersender 12 erzeugt einen Strahl aus Laserenergie, der von dem Sender 12 abgestrahlt wird. Dieser Strahl wird kontinuierlich über 360º mit einer im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht, so daß er den Empfänger 14 einmal während jeder Umdrehung überstreicht. Eine willkürliche Bezugsachse X ist errichtet, und die Winkelposition des Empfängers 14 in Bezug auf diese X-Achse wird durch die Winkelausrichtung des Strahls bestimmt, wenn dieser von dem Empfänger 14 zurück an den Sender 12 reflektiert wird. In ähnlicher Weise wird die Entfernung R des Empfängers 14 aus der Zeit bestimmt, die erforderlich ist, um die Laserenergie über irgendeinen der Rückstrahler 26 des Empfängers 14 zurück an den Sender 12 zu senden. Diese Positionsformation, d.h. die Entfernung R und der Winkel a, wird dann durch Funkübertragung von dem Sender 12 an einen Funkempfänger gesendet, der eine Antenne 32 enthält, die auf dem Mast 28 der Teermaschine 20 montiert ist. Diese Information wird mit der direkt auf konventionellem Weg durch die Höhendetektoren 24 erzeugten Höheninformation definiert. Damit ist die dreidimensionale Position der Teermaschine 20 errichtet und kann entweder dargestellt oder zur automatischen Höhensteuerung des Verteilers 22 verwendet werden.
Die Fig. 3A und 3B zeigen den Lasersender 12 des Positionsmeßsystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Lasersender 12 weist ein zylindrisches Gehäuse 34 auf, das einen abgedichteten, wasserdichten Einschluß der internen Komponenten bietet. Ein Gummischuh 33 (in Fig. 3B weggelassen) erstreckt sich um den oberen Abschnitt des Gehäuses 34 unterhalb einer Platte 35 an dem oberen Ende des Gehäuses 34, um einen zusätzlichen Schutz für die Senderkomponenten zu bieten. Eine Grundplatte 36 ist an dem Boden des Gehäuses 34 befestigt und zur Befestigung auf dem Dreifuß 18 vorgesehen. Ein Laserstrahler 38 ist innerhalb des Gehäuses 34 an einem kardanischen Rahmen 39 befestigt, der eine Positionierung entlang einer im wesentlichen vertikalen Z-Achse ermöglicht. Der Laserstrahler 38 enthält einen rohrförmigen Körper 40, der sich nach unten in das Gehäuse 34 hinein erstreckt, und eine Laserdiode (nicht dargestellt), die an seinem unteren Ende befestigt ist. Die Laserdiode erzeugt einen Strahl niedriger Ausgangsleistung im infraroten oder sichtbaren Band des Lichtspektrums. Oben auf dem rohrförmigen Körper 40 sind 0ptiken angeordnet, um den Laserstrahl aufwärts entlang der Z-Achse zu projizieren. Dieser Ausgang ist in Fig. 3B mit 42 bezeichnet.
Der kollimierte Laserstrahl 42 passiert aufwärtsgerichtet durch die Optiken des rohrförmigen Körpers 40 in einen Pentagonprisma-Reflexionskopf 44. Der Kopf 44 projiziert den Laserstrahl bei 46 radial auswärts, entlang eines im wesentlichen horizontalen Pfads durch eine Leuchtturmstruktur 48, die oben auf der Platte 35 montiert ist, die ebenfalls an dem kardanischen Rahmen 39 befestigt ist. Der Reflexionskopf 44 enthält eine Pentagon-Reflektoranordnung 50, die auf einer Plattform 52 befestigt ist, die ihrerseits zur Drehung um die Z-Achse auf Lagern 54, einer Welle 56 und Lagern 58 angeordnet ist. Ein Winkelkodierer 55 für die Welle ist oben auf der Leuchtturmstruktur 48 befestigt und mittels einer Kupplung 57 mit der Welle 56 verbunden. Der Pentagonprisma-Reflexionskopf 44 wird mit einer im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit durch einen elektrischen Motor 61 gedreht, der mittels Riemenscheiben 63 und 64 und eines (nicht dargestellten) sich daherum erstreckenden Antriebsriemens an die Plattform 52 angekoppelt ist.
Die Pentareflexionsanordnung 50 enthält ein Paar Spiegel 59 und 60, welche präzise derart angeordnet sind, daß sie den Laserstrahl über insgesamt 90º reflektieren. Wenn der Pentagonprisma-Reflexionskopf 44 sich dreht, wird der Laserstrahl 46 über 360º gestrichen, um eine horizontale Bezugsebene zu definieren, die sich radial auswärts gerichtet in alle Richtungen von dem Lasersender 12 erstreckt. Der Wellen-Winkelkodierer 55 liefert eine digitale Anzeige der Winkelausrichtung des Strahls in Bezug auf die Bezugsachse X.
Der bis hierhin beschriebene Lasersender 12 ist ähnlich einem Sender, der in größerem Detail in US 4,062,634 beschrieben ist.
Der Sender 12, der erforderlich ist, um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in die Tat umzusetzen, ist eine modifizierte Version dieser bekannten Vorrichtung. Eine Modifikation des Lasersenders 12 besteht in der Verwendung eines Strahlteilers 66, der in der Nähe des oberen Endes des rohrförmigen Körpers 40 befestigt ist. Der Strahlteiler 66 ist vorzugsweise ein Prisma, das es ermöglicht, daß der Laserstrahl 42 aufwärts gerichtet mit minimalem Verlust durch es hindurchgeht.
Andererseits verläuft vom Empfänger 14 reflektierte Laserenergie hinunter zu dem Strahlteiler 66, wo sie auf einen Fotodetektor 68 reflektiert werden, der auf einem Träger 69 montiert ist. Licht vom Strahlteiler 66 verläuft durch einen 780 nm- Bandpass-Lichtfilter 70 mit einem 20 nm-Bandpass um die Einflüsse von Umgebungslicht zu reduzieren. Das Licht verläuft dann durch eine Fokusierungslinse 71 zu einem Stiftloch 72, das einen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm (0,004 inches) aufweist und das die Winkelakzeptanz des Fotodetektors 68 begrenzt.
Schließlich dirigiert eine Umlenklinse 73 das Licht zum Detektor 68. Wenn somit reflektierte Laserenergie in den Sender 12 gelangt, wird über die Leitungsdrähte 75 ein Detektionssignal geliefert.
Mithin ist nunmehr geklärt, daß der Fotodektor 68 innerhalb des Senders 12 ein Detektionssignal auf Leitungen 75 produziert, das angibt, ob Laserenergie an den Sender 12 zurückreflektiert wurde oder nicht. Dieses Merkmal wird dazu verwendet, den Abstand oder die Entfernung R des Empfängers 14 von dem Sender 12 gemäß der vorliegenden Erfindung zu bestimmen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen den Schaltkreis 74, der in dem Lasersender 12 gemäß Fig. 3A verwendet wird, und ein elektrisches Zeitgeber-Diagramm, das den Betrieb des Schaltkreises 74 darstellt. Der Schaltkreis 74 enthält den Fotodetektor 68, einen Zeitgeber 76, einen Taktgeber 78 und einen Zähler 80. Der Schaltkreis 74 ist als Blockdiagramm dargestellt, da seine Komponenten als solche alle aus dem Stand der Technik bekannt sind und da eine detaillierte Wiedergabe der Komponenten lediglich in einer Erhöhung der Komplexität der Erläuterung der vorliegenden Erfindung resultieren würde, ohne zu ihrer Klarheit beizutragen.
Wie vorstehend erläutert, ist der Fotodetektor 68 in der Lage, an den Sender 12 von einem der Rückstrahler 26 zurückreflektierte Laserenergie zu ertasten und ein entsprechendes elektrisches Signal zu produzieren. Insbesondere erzeugt der Fotodetektor 68, wie in Fig. 5 dargestellt, ein elektrisches Signal B mit einem hohen Pegel, wie bei 82 dargestellt, wenn reflektierte Laserenergie abgetastet wurde, und mit einem niedrigen Pegel, wie bei 84 dargestellt, wenn keine reflektierte Laserenergie abgetastet wurde. Der Zeitgeber 76, der über die Ausgangsleitungen 75 an den Fotodetektor 68 angeschlossen ist, dient dem sofortigen Abschalten des Laserstrahls 46 des Senders 12 für eine Periode von ungefähr 0,1us in Abhängigkeit des Empfangs des elektrischen Signals 82 mit hohem Pegel von dem Fotodetektor 68. Der Übergang bei 86 in Fig. 5 vom niedrigen zum hohen Pegel stellt die Detektion reflektierter Laserenergie durch den Fotodetektor 68 dar, und die Aktivierung des Zeitgebers 76, um das sofortige Abschalten des Laserstrahls 46 des Senders 12 kurz darauf zu veranlassen, wie bei 88 dargestellt. Der Schaltkreis 74 mißt die Zeit, die der Laserstrahl 46 benötigt, um von dem Sender 12 zu dem Rückstrahler 26 des Empfängers 14 und dann zurück zum Sender 12 zu gelangen. Das erfolgt durch Messung der Zeit, die der Detektor 68 benötigt, die Detektion des reflektierten Strahls zu beenden, nachdem der Strahl plötzlich abgeschaltet wurde, wie bei 92 in der Fig. 5 dargestellt.
Der Taktgeber 78 des Schaltkreises 74 erzeugt elektrische Impulse mit einer bestimmten hohen Rate, vorzugsweise mit 500 MHz. Der Zähler 80 des Schaltkreises 74 ist an den Zeitgeber 76 und den Taktgeber 78 angeschlossen. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird der Zähler 80 durch den Zeitgeber 76 freigeschaltet, um das Zählen der elektrischen Pulse von dem Taktgeber 78 zu beginnen, wenn der Zeitgeber 76 plötzlich den Laserstrahl 46 des Senders 12 abschaltet. Dieses Abschalten wird durch den Übergang bei 88 im Diagramm A der Fig. 5 wiedergegeben. Wie durch den Übergang 90 im Diagramm C der Fig. 5 dargestellt, wird der Zähler 80 durch den Fotodetektor 68 ausgeschaltet, um das Zählen der elektrischen Pulse zu beenden, wenn der Strahl nicht mehr detektiert wird, als Ergebnis des vorangegangenen plötzlichen Abschaltens des Laserstrahls des Senders 12.
Die Anzahl der durch den Zähler 80 gezählten Pulse gibt einen Hinweis auf die Entfernung R des Empfängers 14 vom Sender 12. Die Azimuth-Messung, dargestellt durch den Winkel a der Position des Empfängers 14 von einer Bezugsachse X, kann auf eine Reihe verschiedener Wege bestimmt werden. Ein Weg besteht darin, einen Drehwinkelpositionskodierer, wie den Wellen-Winkelkodierer 55, zu verwenden, der derart mit der Drehbewegung des Laserstrahls gekoppelt ist, daß der Winkel a mittels des Kodierers gelesen werden kann, wenn ein reflektierter Lichtpuls von dem Sender 14 durch den Sender 12 empfangen wurde. Ein anderer Weg besteht in der Verwendung eines Zeitgeberschaltkreises zur Bestimmung des Verhältnisses der Zeit, die der Strahl benötigt, um eine vollständige Drehung zu durchlaufen, zu der Zeit, die der Strahl benötigt, um von der Bezugsachse zu demjenigen Punkt zu drehen, an welchem eine Reflexion des Strahls vom Empfänger abgetastet wird.
Unabhängig von der angewandten Methode zur Messung des Winkels a kann die Information betreffend den Abstand R und den Winkel a an den Ort des Empfängers 14 auf einen der wenigstens zwei Wege gesendet werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann ein Funksender (nicht dargestellt) mit einer Funksendeantenne 94 auf dem Lasersender 12 dazu verwendet werden, die Information an einen Funkempfänger zu senden, der an die Funkempfangsantenne 32 auf dem Mast 28 beim Empfänger 14 angeschlossen ist.
Als eine Alternative zu der in Fig. 2 dargestellten Funkübermittlung kann der Laserstrahl moduliert werden, um die Information über den Laserstrahl selbst an einen in Fig. 6 dargestellten zweiten aktiven Empfänger 96 zu senden, der bei dem Empfänger 14 angeordnet ist. Wird der zweite Ansatz gewählt, dann wird die während des vorangegangenen Schwenkens des Strahls gemessene Information vorzugsweise während der Zeitperiode dem Laserstrahl überlagert, die in Fig. 5 mit DATEN bezeichnet ist.
Der zweite aktive Empfänger 96 gemäß Fig. 6 enthält einen Strahlteiler 98, der einen Teil des einfallenden Laserstrahls an einen Rückstrahler 100 dirigiert und einen Teil des Strahls über eine Anordnung aus einem Spiegel 102 und einem Linsensystem 104 zu einem Fotodetektor 106, der die übertragenden Daten abtastet. Auf den Rückstrahler 100 auftreffendes Licht wird an den Sender 12 in der vorstehend beschriebenen Weise reflektiert. Da dieser Empfänger 96 gerichtet betrieben wird, sind an jedem Ende des Empfängers 96 eine zylindrische Linse 108 und eine Richt-Fotozelle 110 angeordnet, um den Laserstrahl zu empfangen und einen Richtmotor 112 zu betätigen, um den Träger 116 auf dem Mast 28 zu drehen und den Empfänger 96 auf den Sender 12 gerichtet zu halten. Die Art und Weise, auf welche der Richtmotor 112 betätigt wird, ist die selbe, wie die in der vorstehend erwähnten Anmeldung, deren Offenbarung hier einbezogen wird. Der Empfänger 96 enthält ferner eine Z-Fotozellen-Anordnung 114, die anstelle der Höhendetektoren 24 verwendet werden können, um die vertikale Komponente der Empfängerposition zu bestimmen. Ein alternativer Richt-Rückstrahler 120, der anstelle des vorstehend beschriebenen Rückstrahlerpaars 26 verwendet werden kann, und der in verschiedenen Anwendungen bevorzugt werden könnte, ist in den Fig. 7 bis 10 dargestellt und dessen Betrieb anhand des schematischen Diagramms gemäß Fig. 11. Der Richt-Rückstrahler 120 umfaßt ein Gehäuse 122, das für eine Drehung relativ zu einem Mast 124 montiert ist. Das Gehäuse 122 ist an einem Drehelement 126 befestigt, das sich in eine Laufbuchse 128 hineinerstreckt, die an dem Mast 124 befestigt ist. Das Drehelement 126 ist zur Drehung durch Lager 130 gelagert.
Die Drehung des Gehäuses 122 wird durch einen Motor 132 erzeugt, der eine Ausgangs-Antriebswelle 134 aufweist, die mit einem Getriebe 136 gekoppelt ist. Das Getriebe 136 greift in ein feststehendes Zahnrad 138 ein, das an der Buchse 128 und somit am Mast 124 befestigt ist. Es ist somit einleuchtend, daß durch einen Betrieb des Motors 132 das Getriebe 136 um das feste Zahnrad 138 rotieren wird, um wiederum das Gehäuse 122 und die drehbare Laufbuchse 126 relativ zum Mast 124 zu drehen, wobei eine freie Drehung durch die Lager 130 sichergestellt ist. Spannungsleitungen werden an dem Elektrikteil in dem Gehäuse 122 über eine Bruston-Anordnung 140 geleitet.
Zwei alternative Vorderflächen 142, 142A des Richt-Rückstrahlers 120 sind in den Fig. 7 und 9 dargestellt. Die Vorderflächen 142, 142A enthalten eine längliche Öffnung 144, in die eine zylindrische Linse 146 eingepaßt ist. Die Linse 146 dirigiert den Laserstrahl von dem Sender 12 zu einem Abschnitt einer Ebene 148, die hinter der Linse 146 angeordnet ist, wie auch in Fig. 10 dargestellt. Wie in den Fig. 10 und 11 gezeigt, wird der Laserstrahl dann, wenn die Vorderflächen 142, 142A des Gehäuses im wesentlichen direkt auf den Sender 12 gerichtet sind, durch die zylindrische Linse 146 hindurchtreten und auf einen ersten Fotodetektor 150 auftreffen, der in einer im wesentlichen zentralen Position parallel zur Achse 152 der zylindrischen Linsse 146 angeordnet ist. Eine zweiter Fotodetektor 152 ist in Blickrichtung vom Sender 12 links von dem ersten Fotodetektor 150 angeordnet, und ein dritter Fotodetektor 154 rechts von dem ersten Fotodetektor 150.
Jeder der Fotodetektoren 150, 152 und 154 erzeugen elektrische Signale, die an einen Motor-Steuerkreis 156 zur Steuerung des Motors 132 abgegeben werden. Wenn die Vorderflächen 142, 142A des Gehäuses 122 im wesentlichen direkt auf den Sender 12 zeigen, so daß der Laserstrahl 46 auf den ersten Fotodetektor 150 auftrifft, wird das Gehäuse 122 in dieser Position gehalten. Wenn der Laserstrahl 46 anstelle dessen auf den zweiten oder dritten Fotodetektor 152 bzw. 154 auftrifft, wird der Motor 132 aktiviert, um das Gehäuse 122 neu zu positionieren.
Wenn das Gehäuse 122, wie in Fig. 10 dargestellt, derart positioniert ist, daß der Laserstrahl 46A auf den zweiten Fotodetektor 152 links von dem Fotodetektor 150 auftrifft, wird der Motor-Steuerkreis 156 ein Signal zum Drehen des Gehäuses 122 entgegen dem Uhrzeigersinn generieren, wie es durch den Pfeil 158 beim Laserstrahl 46A angedeutet ist. Der Motor 132 bleibt so lange eingeschaltet, um das Gehäuse 122 entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, bis der Laserstrahl 46 wieder auf den ersten Fotodetektor 150 auftrifft. Andererseits, wenn das Gehäuse 122 derart positioniert ist, daß der Laserstrahl 46B auf den dritten Fotodetektor 154 auftritt, so daß dieser ein elektrisches Signal erzeugt, wird der Motor-Steuerkreis 156 Signale erzeugen, die an den Motor 132 abgegeben werden, um ds Gehäuse 122 im Uhrzeigersinn zu drehen, wie durch den Pfeil 160 an dem Laserstrahl 46B angedeutet. Auf diese Art und Weise wird das Gehäuse 122 derart ausgerichtet, daß seine Vorderflächen 142, 142A kontinuierlich im wesentlichen in die Richtung des Senders 12 zeigen.
Durch das derart positionierte Gehäuse 122 ist eine Reihe von drei Winkelkubus-Reflektoren 162 ständig mit ausreichender Genauigkeit ausgerichtet, so daß einer oder mehrere der Winkelkubus-Reflektoren 162 den Laserstrahl von dem Sender 12 reflektieren wird. Wie in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellt, sind die Winkelkubus-Reflektoren 162 in vertikaler linearer Ausrichtung zu einander angeordnet; jedoch kann bei dieser Konfiguration ein geringer toter Raum zwischen den Winkelkubus-Reflektoren 162 auftreten, wenn die Strahlstärke im Verhältnis zum Reflektordurchmesser gering ist. Um sicherzustellen, daß wenigstens einer der Winkelkubus-Reflektoren 162 durch einen Laserstrahl getroffen wird, der über den mittleren Abschnitt der Oberflächen 142, 142A des Gehäuses 122 des Richt-Rückstrahlers 120 gestrichen wird, könnten die Winkelkubus-Reflektoren 162 bevorzugter Weise in einer sich gegenseitig überlappenden, im wesentlichen dreieckförmigen Orientierung angeordnet werden, wie in Fig. 7 dargestellt.
Es wird darauf hingewiesen, daß der Richt-Rückstrahler 120 gemäß den Fig. 7 bis 10 potentiell nicht nur zum Ersatz der Rückstrahler 26 verwendet werden könnte, sondern ebenso der vorstehend beschriebenen Höhendetektoren 24. Für eine solche Höhendetektion würden die Fotodetektoren 150 bis 154 segmentiert werden müssen, so daß das Auftreffen des Laserstrahls entlang der verlängerten Längen der Fotodetektoren 150 bis 154 in Übereinstimmung mit Kantentechniken zur Höhendetektion verwendet werden könnten.
Obwohl vorstehend das Meßsystem für dreidimensionale Messungen gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß Abwandlungen und Veränderungen möglich sind, ohne den in den Ansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Obwohl beispielsweise ein Paar Höhendetektoren 24 und ein Paar Rückstrahler 26 in Fig. 2 dargestellt sind, ist selbstverständlich klar, daß ein Empfänger mit nur einem Rückstrahler und nur einem Höhendetektor sich für manche Anwendungen als adäquat erweisen kann, während für andere Anwendungen der hier offenbarte Richt-Rückstrahler bevorzugt werden könnte. Eine Anzahl verschiedener Teile können für die Reflexion zu dem Sender anstelle des reflektierenden Bandes oder Zylinders verwendet werden, zum Beispiel drei gespiegelte Oberflächen, die unter rechten Winkeln in Art eines Winkelkubus angeordnet würden, könnten wie dargestellt in dem Richt-Rückstrahler verwendet werden. Ferner mag es in manchen Situationen unerwünscht sein, die Ausstrahlung des Laserstrahls vollständig zu beenden. Anstelle dessen könnte die Amplitude des Strahls verändert und die Zeitspanne bis zur Detektion dieser Modulation gemessen werden.

Claims

1.

Lasermeßsystem (10) für dreidimensionale Messungen, mit einem positionierten Sender (12), der durch Schwenken eines Laserstrahls (46) um den Sender (12) eine Bezugsebene erzeugt; mit einem beabstandet positionierten Empfänger (14), der die Bezugsebene schneidet; mit Reflektormitteln (26, 162) am Empfänger (14) zur Reflexion des Laserstrahls (46) zurück zum Sender (12), wenn der Empfänger (14) vom Laserstrahl (46) gestreift wird; mit ersten Mitteln (68) am Sender (12) zum Detektieren einer Reflexion vom Empfänger (14),

gekennzeichnet durch

zweite Mittel (76) am Sender (12), die auf die ersten Mittel (68) ansprechen, um den Sender (12) zu veranlassen, die Aussendung des Laserstrahls (46) sofort zu beenden, wenn ein durch die Reflektormittel (26, 162) an den Sender (12) zurückgeworfener Laserstrahl (46) detektiert wurde; und durch

dritte Mittel (78, 80) am Sender (12), die auf die ersten Mittel (68) und die zweiten Mittel (76) ansprechen, zum Messen der Zeitspanne zwischen einer Beendigung einer Aussendung des Laserstrahls (46) und einer Beendigung einer Detektion des an den Sender (12) reflektierten Laserstrahls (46) und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches die gemessene Zeitspanne angibt, die ihrerseits die Entfernung des Empfängers (14) vom Sender (12) angibt.

2.

Lasermeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal, welches von den dritten Mitteln erzeugt wird, durch einen Impuls dargestellt ist.

3.

Lasermeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektormittel (26, 162) wenigstens einen Winkelkubus (162) umfassen, und Richtmittel (150, 152, 154, 156, 132), um wenigstens einen Winkelkubus (162) auf den Sender (12) auszurichten.

4.

Lasermeßsystem nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Richtmittel folgende Teile beinhalten:

einen ersten Photodetektor (150) mit einem zweiten und einem dritten Photodetektor (152, 154), die auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Photodetektors (150) angeordnet sind, wobei die Photodetektoren (150, 152, 154) ein elektrisches Signal erzeugen, wenn der Laserstrahl (46) auf sie auftrifft;

Linsenmittel (146) zum Ausrichten des Laserstrahls (46) auf ein Feld, in dem sich der erste, der zweite und der dritte Photodetektor (150, 152, 154) befinden;

Antriebsmittel (132) zum Drehen der Reflektormittel; und

einen Schaltkreis (150) zur Regelung der Stellung der Reflektormittel in Abhängigkeit des von den Photodetektoren (150, 152, 154) erzeugten elektrischen Signals, derart, daß der Laserstrahl (46) auf den ersten Photodektor (150) auftrifft.

5.

Lasermeßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenmittel eine zylindrische Linse (146) enthalten.