FI87951B - Foerfarande foer bestaemning av en punkt i ett maolutrymme och maetningsinstrument foer foerfarandets genomfoerande - Google Patents

Description

1 87951

MENETELMÄ PISTEEN MÄÄRITTÄMISEKSI KOHDETILASSA JA OSOITIN MENETELMÄN TOTEUTTAMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 5 johdanto-osassa määritelty menetelmä pisteen määrittämiseksi kohdetilassa.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 3 johdanto-osassa määritelty osoitin, erityisesti laser-osoitin.

10 Osoittimella, erityisesti laserosoittimella, tarkoitetaan laitetta, jonka avulla voidaan osoittaa haluttu piste, jonka koordinaatit tunnetaan, kohdetilassa ja vastaavasti etsiä tuntemattoman pisteen koordinaatit kohdetilassa.

15 Ennestään tunnetaan erilaisia teodoliittilait- teita, kuten laserteodoliitteja. LaserteodolIitissä kapea laserkeila kohdistetaan haluttuun kohdetilan konkreettiseen pisteeeseen, josta laserkeila voi heijastua takaisin. Heijastuneen säteilyn perusteella pisteen 20 etäisyys voidaan mitata esim. valopulssin kulkuajan perusteella automaattisesti.

Epäkohtana teodoliiteilla on, että haluttua kohdetilan pistettä on etsittävä yrityksen ja erehdyksen kautta. Tämä on aikaavievää eikä välttämättä johda 25 tarkkaan tulokseen.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainittu ongelma. Keksinnön tarkoituksena on erityisesti saada aikaan menetelmä ja laite, jolla voidaan osoittaa suuressa tilavuudessa nopeasti ja automaattisesti pis-30 teen paikka kolmiulotteisesti.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä pisteen määrittämiseksi kohdetilassa ainakin kahden säteilyläh-35 teen säteilykeilat suunnataan pisteeseen ja pisteen paikka määritetään säteilylähteen paikka- ja suuntatie-tojen perusteella. Keksinnön mukaisesti säteilylähteet 2 87951 järjestetään kohdetilaan etäisyyden päähän toisistaan; kohdetila määritetään järjestämällä kohdetilaan joukko kalibrointipisteitä, joita on ainakin kuusi kappaletta ja joiden sijainti kolmiulotteisessa kohdetilassa tun-5 netaan; säteilylähteiden säteilykeilat suunnataan kuhunkin kalibrointipisteeseen ja säteilykeilojen suuntakulmat talletetaan kunkin kalibrointipieteen osalta ja suuntakulmien ja kalibrointipisteiden tunnettujen sijaintien avulla määritetään kolmiulotteinen kohdetila; 10 säteilykeilojen suuntakulmat haluttuun pisteeseen lasketaan, jonka pisteen kolmiulotteiset koordinaatit tunnetaan, kalibroinnin avulla määritellyssä kohdetilassa; ja säteilylähteiden säteilykeilat suunnataan haluttuun pisteeseen laskettujen suuntakulmien avulla.

15 Menetelmän eräässä sovellutuksessa kohdetilaan järjestetään joukko ylimääräisiä kalibrointipisteitä, joita on yksi tai useampia säteilylähdettä kohden.

Kalibrointipisteet ovat kohdetilaan järjestettyjä pisteitä, jotka kalibroinnin jälkeen voidaan pois-20 taa kohdetilasta. Ne ovat sopivasti merkittyjä ja sinänsä helposti määritettäviä kohtia kohdetilassa. Kaikkien kalibrointipisteiden absoluuttisia kolmiulotteisia koordinaatteja ei tarvitse välttämättä tuntea; useimmiten riittää, kun joukko kalibrointipisteiden keskimää-25 räisiä etäisyyksiä tunnetaan ja vain yksi piste näistä on määritetty koordinaateiltaan.

Keksinnön mukaiselle osoittimelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 3.

Keksinnön mukaiseen osoittimeen, erityisesti 30 laserosoittimeen, pisteen määrittämiseksi kohdetilassa kuuluu ainakin kaksi säteilylähdettä, erityisesti laseria, pienen avautumiskulman omaavan säteilykeilan aikaansaamiseksi ja säteilykeilan suuntakulman määritys-laitteet kullekin säteilylähteelle. Keksinnön mukaisesti 35 osoittimen säteilylähteet, erityisesti laserit, on asennettu etäisyyden päähän toisistaan; kumpaankin säteilylähteeseen kuuluu säteilykeilan suuntauslaitteet, 3 87951 joiden avulla säteilykeilat saadaan suunnatuksi koh-detilassa; osoittimeen kuuluu tietojenkäsittelylaite, johon ennalta määrättyjen kalibrointipisteiden parametrit, kuten sätelykeilojen suuntakulmat, on tallennettu, 5 ja johon säteilylähteiden säteilykeilojen suuntakulmat luetaan kulmanmäärityslaitteelta silloin, kun laserlait-teet on suunnattu kalibrointipisteeseen, ja silloin, kun laserlaitteet on suunnattu määritettävään pisteeseen, ja jossa kalibrointipisteiden ja näiden mitattujen 10 kulma-arvojen avulla lasketaan määritettävän pisteen koordinaattien perusteella tälle pisteelle kummankin säteilylähteen säteilykeilan kulma-arvot ja näiden perusteella säteilylähteiden säteilykeilat suunnataan suuntauslaitteilla näihin pisteisiin.

15 Tietojenkäsittelylaitteeseen kuuluu välineet kalibrointipisteiden kolmiulotteisten koordinaattitietojen syöttämiseksi laitteen muistiin. Tiedot voidaan syöttää magneettisilta tietovälineiltä, linjasiirrolla tai sähkömagneettisen säteilyn avulla esim. radioteitse. 20 Tiedot voidaan syöttää myös näppäimistöllä tietojenkäsittely la itteeseen .

Osoittimen eräässä sovellutuksessa kunkin säteilykeilan suuntauslaitteeseen kuuluu toimilaite ja tämän avulla suunnattava peili. Säteilykeila suunnataan 25 tällöin peilin avulla kohdetilan pisteeseen.

. . Osoittimen eräässä sovellutuksessa kuhunkin säteilykeilan suuntauslaitteeseen kuuluu toimilaite, jolla säteilylähdettä, edullisimmin laseria, suunnataan. Osoittimen eräässä sovellutuksessa kunkin säteilykeilan 30 suuntauslaitteeseen kuuluu ohjain, jonka avulla säteily-lähteen säteilykeilaa voidaan suunnata manuaalisesti.

Keksinnön etuna on, että menetelmää soveltavan osoittimen avulla pisteen paikka suuressa tilavuudessa voidaan osoittaa nopeasti ja automaattisesti. Tätä 35 keksinnön ominaisuutta voidaan hyödyntää hyvin monenlaisissa sovellutuksissa, kuten rakennuksilla, erilaisissa asennuksissa, koneenrakennuksessa jne.

4 87951

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaista laser-osoitinta; 5 kuva 2a esittää erästä käytännön toteutusta keksinnön mukaisesta laserosoittimesta; kuva 2b esittää tällaisessa lasersoittimessa käytettävää laserlaitetta osittain aukileikattuna; ja kuvat 3a, 3b ja 4 liittyvät laserosoittimen matemaat-10 tiseen mallintamiseen.

Kuva 1 esittää havainnollisesti ja yksinkertaisesti keksinnön mukaista laserosoitinta. Siihen kuuluu kaksi laseria l, 2. Laserilla saadaan aikaan pienen avautumiskulman omaava säteilykeila. Kumpaakin 15 laseria 1, 2 voidaan liikuttaa, tai ainakin suunnata laserin säteilykeilaa 8, 9 euuntauslaitteella 3, 4 kahdessa toisiaan vasten kohtisuorassa tasossa Xa., Yx. Suuntakulmat näissä tasoissa voidaan mitata kulmanmääri-tyslaitteilla 5, 6. Laserit 1, 2 on asennettu etäisyyden 20 s päähän toisistaan. Osoittimeen kuuluu edelleen tietojenkäsittely laite 7, johon on yhdistetty molempien lasereiden 1, 2 suuntauslaitteet 3, 4 ja kulmanmääritys-laitteet 5, 6. Tietojenkäsittelylaitteeseen 7 on yhdistetty lisäksi näppäimistö 10 ja näyttö 19.

25 Laserit 1, 2 on asennettu riittävän etäisyyden s päähän toisistaan siten, että laserien 1, 2 säteily-keilat 8, 9 voivat leikata toisensa kohdetilassa.

Kun laserlaitteet on asennettu tukevasti paikoilleen, suoritetaan laserosoittimen kalibrointi. Tämä 30 tapahtuu siten, että kumpikin lasersäde 8, 9 suunnataan osoittamaan sellaista pistettä, jonka kolmiulotteiset koordinaatit tunnetaan. Näitä pisteitä kutsutaan kalib-rointipisteiksi. Kalibrointipisteitä Po tarvitaan tässä tapauksessa vähintään kuusi, Ραχ, Pea, Pea, Po«, Pes ja 35 Ροβ, mutta on suositeltavaa käyttää ylimääräisiä kalibrointipisteitä aina viiteentoista pisteeseen asti. Ylimääräisten kalibrointipisteiden avulla eliminoidaan 5 87951 mittauslaitteiden virheitä. Kalibrointi on kertaluonteinen toimenpide, jota ei tarvitse uusia niin kauan kuin laserit 1, 2 ovat paikoillaan eikä niitä siirretä. On kuitenkin huomattava, että lasereiden kiinteä ryhmä, 5 joka on kiinnitetty alustaan tai runkoon siten, että keskinäiset etäisyydet pysyvät vakioina, voidaan kokonaisuutena kuitenkin siirtää, eikä kalibrointia tällöin tarvitse toistaa.

Kalibroinnin suorittamiseksi osoittimeen kuuluu 10 kumpaakin laseria 1, 2 varten oma käsiohjain 11, 12. Näiden ohjaimien avulla lasereita 1, 2 voidaan suunnata siten, että laserien säteilykeilat 8, 9 saadaan suunnatuksi valittuihin kalibrointipisteisiin Poi, Poa, Po3, Po*, Poa ja Poe· 15 Kutakin edellä mainittua kalibrointipistettä kohti suoritetaan seuraavat operaatiot. Suunnataan kumpikin säteilykeila 8, 9 kalibrointipisteeseen Poi, ..., Poe käsiajolla käyttäen käsiohjaimia 11, 12. Kunkin kalibrointipisteen kohdalla laserien 1, 2 suuntakoor-20 dinaatit luetaan kulmanmäärityslaitteelta 5, 6 esim.

antamalla komento tietojenkäsittelylaitteelle 7 näppäimistön 10 kautta.

Kun kaikki kalibrointipisteet on käyty läpi, käynnistetään tietojenkäsittelylaitteen 7 laskentaohjel-25 ma, joka kalibrointipisteiden ja vastaavien lasereiden 1, 2 mitattujen kulma-arvojen avulla laskee järjestelmälle parametriarvot. Laskenta perustuu sopivaan matemaattiseen malliin, jota selostetaan jäljempänä.

Laserosoitinta voidaan nyt käyttää esim. siten, 30 että näppäimistöltä 10 syötetään halutun kohdetilan pisteen P koordinaatit X, Y, Z tietojenkäsittelylaitteelle 7, joka parametriarvojen avulla laskee sopivat suuntakulmat laserien 1, 2 säteilykeiloille 8, 9. Näiden laskettujen kulma-arvojen perusteella ohjataan kumpikin 35 laser 1, 2 suuntauslaitteittensa 3, 4 avulla ja tarkkailemalla kulmanmäärityslaitteita 5, 6 oikeaan suuntakulmiinsa, jolloin säteilykeilat 8, 9 leikkaavat määritel- 6 37951 lyssä halutussa pisteessä P. Sätellykellojen leikkauspiste P voidaan hakea yksinkertaisimmillaan pienen levyn avulla. Kun levy on halutussa kohdassa, sen pinnalla näkyy ainoastaan yksi. laserpiste. Levyn ollessa sivussa 5 halutusta kohdasta näkyy kaksi laserpistettä, joiden keskinäinen etäisyys pienenee liikutettaessa levyä kohti oikeaa kohtaa.

Eräs keksinnön mukaisen laserosoittimen toteutus on esitetty havainnollisesti kuvassa 2a. Tietojen-10 käsittelylaite on mikrotietokone 7a ja näppäimistö sekä näyttö ovat mikrotietokoneen näppäimistö 10a ja näyttö 19a vastaavasti. Laserit 1, 2 on sovitettu laserlait- teisiin 13, 14. Mikrotietokone 7a on liitetty sovitus-laitteisiin 15, 16, ja nämä edelleen laserlaitteisiin 15 13, 14. Sovituslaitteita 15, 16 on edullisesti yhtä monta kuin laserlaitteitakin. Sovituslaitteen 15, 16 avulla mikrotietokone 7a sovitetaan yhteen laserlait-teiden 13, 14 mittausantureiden ja toimilaitteiden kanssa. Käsiohjaimet on toteutettu joystick-tyyppisinä 20 vipuohjäiminä 17, 18, jotka on yhdistetty sovituslait- • -· teeseen 15, 16.

Laserlaite 13, 14 on esitetty kaaviomaisesti kuvassa 2b. Tähän kuuluu varsinainen laser 20, kuten HeNe-laser, teholähteineen. Tästä saatava laserkeila .25 21, jonka aallonpituus on näkyvällä spektrinosalla, . . kuten n. 6300 nm, osoitetaan peilijärjestelyyn 22 ja poikkeutetaan sen avulla haluttuun suuntaan. Peilijärjestelyyn 22 kuuluu ainakin yksi peili 23, toimilaitteet 24 ja kulmanmittausanturit 25. Peiliä 23 voidaan kääntää 30 toimilaitteella 24 kahdessa kohtisuorassa tasossa ja vastaavasti kulmanmittausantureilla 25 mitata kääntökul-mat. Laser 20 ja peilijärjestely 22 on sovitettu koteloon 26. Peilijärjestelyyn kuuluu vielä suojalasi 27, jonka läpi lähtevä säteilykeila 8, 9 ohjataan ulos 35 laserlaitteesta.

Seuraavassa esitetään laserosoittimen eräs matemaattinen malli, joka sitoo yhteen kohdetilan pis- 7 87951 teiden koordinaatit ja laserien 1, 2 säteilykeilojen suuntakulmat.

Laserosoittimen matemaattisessa mallissa oletetaan, että laserlaitteen eri suuntiin lähettämät sätei-5 lykeilat lähtevät samasta pisteestä, tai (riippuen säteilykeilan poikkeutuspeilijärjestelmän rakenteesta) säteilykeilojen jatkeet leikkaavat aina jossakin kuvitellussa pisteessä, jota nimitetään projektiokeskuksek-si PO. Laserkeila lähtee suuntaan, jonka määräämiseksi 10 tarvitaan kaksi tasokulma-arvoa a ja β (pallokoordinaa-tit). Kulmien määrittelemiseksi katsotaan tässä, että kaikki säteilykeilat leikkaavat projektiokeskuksen edessä olevan (kuvitellun) tason 1. Tason 1 kohtisuoraa etäisyyttä projektiokeskuksesta merkitään vektorilla c_. 15 Tämän tason 1 leikkaa toinen taso 2. Taso 2 on kohtisuorassa tasoa 1 vastaan ja siihen sisältyy projektiokes-kus. Lisäksi määritellään taso 3, joka on kohtisuorassa sekä tasoa 1 että 2 vastaan ja sisältää sekin projektiokeskuksen PO (kuva 3a). Kun nyt lähtevä laserkeila 20 projisoidaan tasoille 2 ja 3, ovat kulmat a ja β projek-tiosuorien ja vektorin c_ muodostamat kulmat.

Niiden pisteiden, joita laserosoittimella on tarkoitus paikoittaa (kohdepisteet), koordinaatit eivät kuitenkaan juuri milloinkaan ole pallokoordinaatteja, 25 vaan suorakulmaisen XYZ-koordinaattijärjestelmän koordinaatteja. MääritelIäksemme yhteyden kohdepisteiden koordinaattijärjestelmän ja laserosoittimen koordinaatti j ärj estelmän välille laserosoittimen pallokoordinaatit muutetaan suorakulmaisiksi. Tässä menetellään siten, 30 että tasoon 1 kiinnitetään kaksiulotteinen xy-koordinaa-tisto, jonka akselit ovat yhdensuuntaiset niiden suorien . . kanssa, jotka muodostuvat tasojen 2 ja 3 leikatessa tasoa 1. Jos vektori _c leikkaa tason 1 pisteessä (xO, yO) ja laserkeila saman tason kohdassa (x, y), saadaan 35 kuvan 3b merkinnöin: x - xO - c tan o (l) y - yO - σ sin β/cos α 8 07951

Jos nollakulmia vastaava vektori ei ole yhdensuuntainen ci n kanssa, on yllä olevassa yhtälöryhmässä (1) korvattava a ja β lausekkeilla a - aO ja β - fio, jolloin kulmilla aO ja βΟ saavutetaan yhdensuuntaisuus vektorin 5 c kanssa,

Siirrytään nyt tarkastelemaan tilannetta, jossa laserin säteilykeila osuu avaruudessa olevaan pisteeseen P lähtien laserlaitteen projektiokeskuksesta PO (kuva 4). Merkinnät ovat seuraavat: 10 - projektiokeskuksesta PO tasolle 1 vedetty kohtisuora vektori on jc, - vektori c_ leikkaa tason 1 pisteessä p0(x0, yO), - laserkeila leikkaa tason 1 pisteessä p(x, y), - kohdepiste on P ja sen kolmiulotteiset kohdekoordinaa- 15 tit ovat X, Y, Z, - projektiokeskuksen PO koordinaatit kohdeavaruudessa ovat X0, YO, ZO, Näiden kahden koordinaattijärjestelmän välillä vallitsee nyt yhteys 20

X-XO X-XO

y-yo k x R x Y-YO (2)

-c Z-ZO

missä R on ortogonaalinen ns. kiertomatriisi 25

Jakamalla yhtälöryhmän (2) kaksi ylintä riviä alimmalla, saadaan rxi(X-XO) + ria(Y-Y0) + ris(Z-ZO) 30 x * -c x-------—------------------——— + x0 r3a. (X-XO) + r»a (Y-YO) + raa(Z-ZO) (3) rax(X-XO) + Taa(Y-YO) + Taa(Z-ZO) y = -c x---------------------------------+ yo, 35 r3a. (X-XO) + raa (Y—YO) + raa(Z-ZO) jossa rxa., ria,. · · ovat kiertomatriisin R elementtejä. Saatu yhtälö on ns. sädekimppumallin perusyhtälö. Säde-kimppumalli on yleisesti käytetty fotogrammetristen s 37951 ongelmien ratkaisussa, ja sitä on tarkemmin selvitetty esim. teoksessa Francis H. Moffitt - Edward M. Mikhael: Photogrammetry.

Edellä esitetty matemaattinen käsittely on 5 kuitenkin vain yksi mahdollisuus, joskin se on varsin joustava ja sitä voidaan soveltaa monenlaisiin käytännön tilanteisiin. Valittava matemaattinen malli riippuu kuitenkin itse laserlaitteiden fysikaalisista ominaisuuksista, joista tärkein ei ole esim. yllä esitetyssä 10 mallissa oletettu säteiden näennäinen tulo samasta projektiopisteestä. Tärkein valittavan laserlaitteen ominaisuus on koordinaattien toistettavuus siten, että valituilla kulma-arvoilla tai muilla laitteen ohjaus-suureilla osutaan aina samoihin kohdeavaruuden pistei-15 siin.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyä sovellutusesimerkkiä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (6)

10 37951

1. Menetelmä pisteen määrittämiseksi kohdeti-lassa, jossa menetelmässä ainakin kahden säteilylähteen 5 (1, 2) säteilykeilat (8, 9) suunnataan pisteeseen (P) ja pisteen paikka määritetään säteilylähteiden paikka-ja suuntatietojen perusteella, tunnettu siitä, että -säteilylähteet (1, 2) järjestetään kohdetilaan etäi-10 syyden (s) päähän toisistaan; -kohdetila määritetään järjestämällä kohdetilaan joukko kalibrointipisteitä (Pol, Pc2, Pe3, Pc4, Pc5 ja Pc6), joita on ainakin kuusi kappaletta ja joiden sijainti kolmiulotteisessa kohdetilassa tunnetaan; 15 -säteilylähteiden (1, 2) säteilykeilat (8, 9) suunna taan kuhunkin kalibrointipisteeseen (Pcl, Pc2, Pc3, Pc4, Pc5 3a pc6) - säteilykeilojen suuntakulmat talletetaan kunkin ka-librointipisteen osalta ja 20. suuntakulmien ja kalibrointipisteiden koordinaattien avulla määritetään kolmiulotteisen kohdetila; - säteilykeilojen suuntakulmat haluttuun pisteeseen (P) lasketaan, jonka pisteen kolmiulotteiset koordinaatit tunnetaan, kalibroinnin avulla määritellyssä kohdeti- .··. 25 lassa; ja - säteilylähteiden (1, 2) säteilykeilat (8, 9) suunnataan haluttuun pisteeseen (P) laskettujen suuntakul- ’ mien avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että kohdetilaan järjestetään joukko ylimääräisiä kalibrointipisteitä, joita on yksi tai useampia säteilylähdettä kohden.

3. Osoitin, erityisesti laserosoitin, pisteen (P) määrittämiseksi kohdetilassa, johon osoittimeen 35 kuuluu ainakin kaksi säteilylähdettä (1, 2), erityisesti laseria, pienen avautumiskulman omaavan säteilykei-lan (8, 9) aikaansaamiseksi ja säteilykeilan suuntakul- 11 37951 man määrityslaitteet (5, 6) kullekin säteilylähteelle, tunnettu siitä, että - osoittimen säteilylähteet, erityisesti laserit (1, 2), on asennettu etäisyyden (s) päähän toisistaan; 5. kumpaankin säteilylähteeseen kuuluu säteilykeilan suuntauslaitteet (3, 4), joiden avulla säteilykeilat (8, 9) saadaan suunnattua kohdetilassa; - osoittimeen kuuluu tietojenkäsittelylaite (7), johon ennaltamäärättyjen kalibrointipisteiden (Pcl/ Pc2, Pc3,

10 Pc4, Pc5 ja Pc6) koordinaatit on tallennettu, ja johon säteilylähteiden säteilykeilojen suuntakulmat luetaan kulmanmäärityslaitteilta (5, 6) silloin, kun laserlait-teet on suunnattu kalibrointipisteeseen (Pcl, Pc2, Pc3, pc4, pe5 ja PC6), ja silloin, kun laserlaitteet on suun- 15 nattu määritettävään pisteeseen (P), ja jossa kalibrointipisteiden ja näiden mitattujen kulma-arvojen avulla lasketaan määritettävän pisteen koordinaatien perusteella tälle pisteelle kummankin säteilylähteen säteilykeilan kulma-arvot ja näiden perusteella sätei- 20 lylähteiden säteilykeilat suunnataan suuntauslaitteilla näihin pisteisiin.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen osoitin, tunnettu siitä, että kuhunkin säteilykeilan suuntauslaiteeseen (3, 4) kuuluu toimilaite ja tämän 25 avulla suunnattava peili.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen osoitin, tunnettu siitä, että kuhunkin säteilykeilan suuntauslaitteeseen (3, 4) kuuluu toimilaite, jolla säteilylähdettä, edullisimmin laseria, suunnataan.

6. Patenttivaatimuksen 3, 4 tai 5 mukainen osoitin, tunnettu siitä, että kuhunkin säteily-keilan suuntauslaitteeseen (3, 4) kuuluu ohjain (11, 12), jonka avulla säteilylähteen säteilykeilaa voidaan suunnata manuaalisesti. i2 8 7 951