Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand...

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ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

GrundlagenTachymetrieTachymetrie , , RichtungsRichtungs und Winkelmessungund Winkelmessung

Aufbau moderner elektronischer TachymeterAchsysteme , Abweichungen und Einfluss auf die RichtungsmessungAufnahme und Absteckung mit Tachymetern


Grundlagen

Z

X

3D Polarverfahren: 3D Polarverfahren: TachymetrieTachymetrie Richtung+ DistanzRichtung+ Distanz

Y


GrundlagenTachymeterTachymeter Begriff und Begriff und SynnonymeSynnonyme

Tachymeter = Kombination von Theodolit (Richtungs- und Winkelmessung ) und DistanzmessungTachymeter (gr.) Schnellmesser (Tacheometer engl.)Totalstation (angloamerikanisch)InformatiktheodolitGeorobot (motorisierter Tachymeter für Monitoringaufgaben)Local Positioning System (LPS)TPS (Theodolite based Positioning System)One man SystemLasertracker in der Industrielle Messtechnik


GrundlagenEntwicklungsstammbaum Entwicklungsstammbaum TheodolitTheodolit TachymeterTachymeter

Optischer Theodolit

Elektronischer Theodolit

Totalstation/Tachymeter

Informatiktheodolit

Local Positioning System

Trackingfähiger Tachymeter

Teilkreisabgriff

EDM

µP und Software

Motorisierung CCD 1986 Schweden

1982 Schweiz

1976 Schweiz, Schweden, USA

1973 Deutschland

1968 Deutschland

1540


GrundlagenLeistungen moderne Leistungen moderne TachymeterTachymeter

Automatische Elektronische Anzielung und TrackingfähigkeitElektronische Neigungsmesser und Korrektur von Abweichungen Elektronische Distanzmesser z.T. auch berührungslos, ScanfunktionMotorisiertLeistungsfähige Software Speichermedien (PCMCIA) und SchnittstellenDatenfunk Fernsteuerbar „One man Systems“


Grundlagen

Lotlaser

AktorenAktoren und Sensoren in Tachymeternund Sensoren in Tachymetern

L-Q -KlinometerHz Encoder

V-Motor

AZE

MeteosensorenHz-Motor

V EncoderEDM

Grobortung

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GrundlagenTPS1200 TPS1200 SensorsSensors

Automatic TargetRecognition (ATR)Receiver

Distance MeasuringSystem (EDM)ReceiverEmitter IREmitter RL

PowerSearchEmitterReceiver

Angle Measuring System (Hz)Glass circleEmitterReceiver

Electronic Guide Light (EGL)

Emitter

Angle Measuring System (V)

EmitterGlass circle

Tilt SensorEmitter

Oil surface

Motorization

Laser PlummetEmitter


Grundlagen

Ein Mann VermessungEin Mann Vermessung33--D KoordinatenD KoordinatenLocalLocal PositioningPositioning System LPSSystem LPSRobotertheodolitRobotertheodolit ffüür r MonitoringMonitoringAutomatische AnzielungAutomatische Anzielung

Die Zielvorstellung


GrundlagenDas Das GeotronicsGeotronics System 4000System 4000


GrundlagenTopcon GTS 8200Topcon GTS 8200


GrundlagenTrimble 5600 3600Trimble 5600 3600


GrundlagenTrimble S6Trimble S6

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GrundlagenDas Leica SystemDas Leica System


GrundlagenLeicaLeica--TPS 1100 One Man SystemTPS 1100 One Man System

Funkverbindung

Automatische Zielerfassung und –verfolgungInstrumentensteuerung vom Zielpunkt ausDistanzmessung mit oder ohne Reflektor


Grundlagen

Nötige Eingaben:

Scannen mit dem TCRA 1101 1

• 1. Eckpunkt anzielen ALL

• 2. Eckpunkt anzielen ALL

• Höhe und Breite des Rastersauf der Objektoberflächevorgeben

Scanvorgang


GrundlagenIndustriemesssysteme (Leica Industriemesssysteme (Leica LasertrackerLasertracker))


Grundlagen

Fernrohoptik bei Fernrohoptik bei TachymeternTachymetern


GrundlagenOptischer Optischer TheodolitTheodolit QuerschittQuerschitt

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GrundlagenDas Messfernrohr (Strahlengang)Das Messfernrohr (Strahlengang)

Gegenstand Objektiv Okular Auge

G F ’1 F2

Strichplatte(= Brennebenedes Okulars)

BF1


GrundlagenModernes Modernes TheodolitfernrohrTheodolitfernrohr


GrundlagenUmkehrsysteme (Bildaufrichtung)Umkehrsysteme (Bildaufrichtung)


GrundlagenAnzielen mit einem FernrohrAnzielen mit einem Fernrohr

Vor der ersten Anzielung stellt der Beobachter die Okularoptik auf sein Auge ein. Bei jedem Einzielen wird außerdem das Bild des Zielpunktes scharf eingestellt.

Zwischenlinse

Okular

FernrohrsehfeldFernrohr

1. Okular so lange verschieben, bis das Strichkreuz scharf gesehen wird.

2. Zwischenlinse so lange verschieben, bis der Gegenstand scharf gesehen wird.

Aus Resnik/Bill


GrundlagenOptik: DefinitionenOptik: Definitionen

Optische Achse

Unter der optischen Achse eines Fernrohres versteht man die Verbindungslinie aller Krümmungsmittelpunkte der Linsenflächen eines optischen Systems.

Ziellinie

Vom Objektiv wird ein Bild des Strichkreuzes in den Objektraum projiziert, das sich bei Bewegen der Fokussierlinse auf einer Kurve bewegt. Diese wird als Zielliniebezeichnet.


GrundlagenFokusablaufabweichung: Zielachse ungleich optischer AchseFokusablaufabweichung: Zielachse ungleich optischer Achse

variation of the collimation line

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30

focus distance [m]

heig

ht d

iffer

ence

[1/1

00 m

m]

Idealerweise ist die Ziellinie über den gesamten Entfernungsbereich eine Gerade. Beispielhaft ist der Ziellinienverlauf in Abb. 9.28 dargestellt.In Wirklichkeit ergibt sich aber eine zweidimensionale hyperbelförmige Ziellinienfunktion, die sich daraus ergibt, dass die Bahn der Fokussierlinse in den beiden Komponenten nicht parallel zur Zielachse verläuft. Dieser Abweichung wird jedoch bei Theodoliten durch Messungen in zwei Lagen eliminiert.

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Grundlagen

AugeAuge CCDCCD

Elektronische Anzielung


GrundlagenPowersearchPowersearch LeicaLeica

Senderöffnung Empfängeröffnung

Fernrohrobjektiv des Theodolits

Alle 3 Achsen sind parallel zueinander ausgerichtet.


GrundlagenPowerSearch von LEICA

PowerSearch ist ein Sensor zum Suchen und Lokalisieren von Retroreflektoren, um das Zielobjekt aber eindeutig zu erkennen benutzt die Vorrichtung das Prinzip eines Laufzeitmessers.

Funktion: Zielsuche mittels Rotation um eine vertikale Achse eines ebenfalls vertikalen Sendefächers. Wird ein Signal von einem Zielobjekt reflektiert so wird dies vom Detektor empfangen und an eine Auswerteeinheit zur Merkmalsanalyse weitergegeben. Ist ein Reflektor als Zielobjekt erkannt, so wird der Scan-Vorgang abgebrochen und das aufgefundene Ziel präzise angefahren.

Aufzufindende Reflektoren

Scan-Bewegungbei der Zielsuche

Sende- und Empfangsoptik in biaxialer Anordnung.

Sendefächer erzeugt durch eine Pulslaserdiode.

Suchdistanzen bis 750m.


GrundlagenPrecisePrecise PointingPointing withwith CCDCCD--SensorsSensors

EDM

CCD

Beamsplitter &Filter

Fiber

Leica ATR

360 ° Prism Device

Best fit

Image

ING

LD


GrundlagenElektronische AnzielungElektronische Anzielung

Target

Focal length

Displacement

CCDPositive lens

α

fd

=α

α : Anglef : Focal length of the telescoped : Displacement on the PSD


GrundlagenMessungMessung mitmit automatischerautomatischer ZielerfassungZielerfassung

Messablauf:- Mit Hilfe des Diopters wird der Reflektor ungefähr anzielt.- Danach startet man das Messprogramm (z.B. ALL).- Das Instrument testet, ob der Reflektor im Messbereich der ATR liegt.- Wenn nicht, wird der Bereich des Sehfeldes desTheodolitfernrohrs abgesucht.

- Dann wird der Reflektor automatisch angezielt.- Die Distanz und die Winkel werden gemessen, dieAblagekorrekturen angebracht und eingefroren.

- Die Distanz und die eingefrorenen Winkel werden registriert.- Danach werden die eingefrorenen Werte wieder gelöscht.

Zeiske1999

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Grundlagen

Der elektronischeDer elektronische WinkelabgriffWinkelabgriff


GrundlagenKopplungKopplung: Encoder : Encoder mitmit AlhidadeAlhidade bzwbzw. . Kippachse/ZielfernrohrKippachse/Zielfernrohr


Grundlagen

123.4567

Triggerung

Flip Flop Zähler

Grundprinzip eines Encoders


GrundlagenSignalbildungSignalbildung beibei einemeinem inkrementaleninkrementalen EncoderEncoder


Grundlagen


GrundlagenLeica T1600 codierter TeilkreisLeica T1600 codierter Teilkreis

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GrundlagenDer Leica Code (T1000/T1600)Der Leica Code (T1000/T1600)

26 25 24 23 22 21 20 26 25 24 23 22

64 16 2 64 16 ? ?

Sektor 82 Sektor 83


Grundlagen7 bit 7 bit StrichbreitencodierungStrichbreitencodierung: System : System LeicaLeica

259 3750

1 9301

257 4449


Grundlagen

BiachsialeBiachsiale NeigungssensorenNeigungssensoren


GrundlagenLeicaLeica


GrundlagenLeica Leica TheodolitneigungssensorTheodolitneigungssensor


GrundlagenLeicaLeica

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Grundlagen

AchsbedingungenAchsbedingungen

-- Abweichungen von den Achsbedingungen Abweichungen von den Achsbedingungen

-- Auswirkungen auf die HorizontalrichtungsmessungAuswirkungen auf die Horizontalrichtungsmessung

Andere Abweichungen: Fokusablauf, HAndere Abweichungen: Fokusablauf, Hööhenindexhenindex


GrundlagenDasDas AchsystemAchsystem eineseines modernenmodernen TachymetersTachymeters

1. Zielachsen ⊥ Kippachse2. Alle Zielachsen kolinear3. Kippachse ⊥ Stehachse4. Biax Neigungssensor ⊥ Stehachse

Z Elektronisch

Z Optisch

Z EDM

Bedingungen


GrundlagenAchsabweichungenAchsabweichungen ÜÜbersichtbersicht

Stehachsschiefe Indexabweichung Zielachsabweichung Kippachsschiefe

Zeiske1999


GrundlagenZielachsabweichung Zielachsabweichung KollimationsabweichungKollimationsabweichung ((ZielachachsfehlerZielachachsfehler))

Einfluss der Zielachsabweichung auf die Horizontalrichtungsmessung


GrundlagenZielachsabweichungZielachsabweichung

Die von der idealen Zielachse abweichenden Richtungen liegen auf einem Kegelmantel


GrundlagenZielachsabweichungZielachsabweichung

f(c)

c

Z

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Grundlagen

Ste

hach

seKippachse

Zielachse

ZielachsabweichungZielachsabweichung


Grundlagen

sin(z)

f(c)

Z

sin(c)P

P´

c

Zielachse

∆ (P´,P,Z) f(c) = c / sin(z)

Einfluss der Zielachsabweichung auf die HorizontalrichtungEinfluss der Zielachsabweichung auf die Horizontalrichtung

zccf

sinsin)(sin =


GrundlagenZielachsabweichungZielachsabweichung KorrekturKorrektur derder optischoptisch--visuellenvisuellen und und derder elektronischenelektronischen ZielachseZielachse

Der Nullpunkt der Kamera und die optischeFernrohrachse müssen aufeinanderabgestimmt werden.

Die ATR Nullpunktabweichung ist die Winkel-differenz in Hz und V zwischen der Ziellinie(Fadenkreuz) und der Mitte der Kamera.

Da zur Bestimmung des ATR-Nullpunktfehlers der Reflektor in Hz und V-Richtung exakt angezielt werden muss, ist esmöglich, die Hz-Ziellinienabweichung und die V-Indexabweichung gleichzeitig mit zubestimmen.

Die bei der Kalibrierung ermittelten Hz- und V-Komponenten werden an jeder ATR-Richtungs-bzw. Winkelmessung angebracht.

Eine ähnlicher Korrekturablauf gilt auch für die Abweichung der EDM Zielachse

Zeiske1999


GrundlagenMessungen in Zwei LagenMessungen in Zwei Lagen


GrundlagenKippachsabweichung (Kippachsschiefe)Kippachsabweichung (Kippachsschiefe)


Grundlagen

Steh

achs

e

Kippachse

KippachsschiefeKippachsschiefe

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GrundlagenEinflussEinfluss derder KippachsabweichungKippachsabweichung auf die auf die HorizontalrichtungsmessungHorizontalrichtungsmessung

zziif

coscostan)(tan ⋅

= ziif cot)( ⋅=ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

GrundlagenStehachsabweichung (Aufstellfehler)Stehachsabweichung (Aufstellfehler)

Wirkt auf die Horizontalrichtung wiedie Kippachs-abweichung, ist abervom Azimut abhängig

Wird durch 2-Lagenmessung nichtkompensiert

Korrektur durchMessung der aktuellenStehachsneigung


GrundlagenVertikalwinkelmessungVertikalwinkelmessung

Zenitrichtung bestimmt durch

Höhenidex (Libelle, Pendel, elektronischer Neigungssensor)

Zielachse

Einstellung des Index

Aus Witte


GrundlagenBestimmungBestimmung derder HHööhenindexabweichunghenindexabweichung


GrundlagenBestimmungBestimmung derder HHööhenindexabweichunghenindexabweichung

1. Lage 2. LageZenit Höhenindex0 P

zvz a1


Grundlagen

EndeEnde

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