Entwicklung, Kalibrierung und Erprobung eines kameraunterstützten Hängetachymeters

Trotz aller technischen Weiterentwicklungen in der Vergangenheit unterscheiden sich moderne elektronische Tachymeter in ihrer Grundkonstruktion nicht wesentlich von ihren analogen Vorgängern. Ihnen allen ist gemeinsam, dass eine Visur um den Nadir nicht möglich ist. Dies bedeutet, dass Punkte, welche sich in einem Zenitwinkelbereich zwischen ca. 170 und 230 gon befinden, nicht direkt gemessen werden können. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung eines Systems, mit welchem tachymetrische Messungen auch in einem Zenitwinkelbereich zwischen 170 und 230 gon möglich sind. Das Konzept basiert auf dem aus dem Markscheidewesen bekannten Hängetheodolit. Um Messungen im Bereich des Nadirs durchführen zu können, wird ein Tachymeter ähnlich einem Hängetheodolit in hängender Position montiert. In dieser Position ist der zur Horizontierung dienende interne elektronische Neigungskompensator jedoch nicht funktionsfähig. Die Horizontierung wird daher extern überwacht. Zu diesem Zweck wird das Tachymeter über eine geeignete Aufhängevorrichtung mit einem Neigungssensor verbunden. Die Kombination aus in hängender Position montiertem Tachymeter und externem Neigungssensor wird als Hängetachymeter bezeichnet. Bei der Kombination des Systems mit einem externen Neigungssensor kann eine geringe Abweichung zwischen der Stehachse des Tachymeters und der Lotachse des Neigungssensors fertigungsbedingt nicht vermieden werden. Zur Bestimmung dieser Abweichung wurden geeignete Verfahren entwickelt und auf ihre Genauigkeit untersucht. Die mit dem Tachymeter ermittelten Messwerte werden durch Instrumentenabweichungen beeinflusst und müssen um diese korrigiert werden. Auch sind die Messwerte um die mit dem externen Neigungssensor ermittelte Stehachsenneigung zu korrigieren. Die Achsenabweichungen des Tachymeters müssen in hängender Position bestimmt werden. Es kann nicht generell vorausgesetzt werden, dass diese mit den in aufrechter Position bestimmten Werten übereinstimmen. Zur Steuerung des Hängetachymeters wurde eine Software entwickelt, in welche die Kalibrierung der Sensoren, die Auswertung und Korrektur der Messwerte, deren Speicherung und Weiterverarbeitung sowie der Datenexport integriert wurden. Eine Kombination des Hängetachymeters mit einer Okularkamera ermöglicht die automatische Zielerkennung und -verfolgung nichtsignalisierter Punkte auch bei Messungen nahe dem Nadir. Zur Realisierung eines Autofokus wurde das Hängetachymeter mit einem Schrittmotor kombiniert, welcher über den Fokussierring des Tachymeters die Fokussierlinse bewegt. Eine Autofokusfunktion wurde auf Grundlage des Bildkontrastes entwickelt. Die Kalibrierung der Okularkamera basiert auf einer Modellierung des Abbildungsprozesses durch lineare Funktionen. Hierbei wurde die Abhängigkeit der Kalibrierwerte von der Position der Fokussierlinse (Position des Schrittmotors) aufgezeigt. Die zur optischen Zielerkennung eingesetzten Bildverarbeitungsalgorithmen gliedern sich in eine manuelle Punktanzielung im Bild, die Messung punktförmiger Muster durch Kantendetektion und Ellipsenanpassung und Bildzuordnungsverfahren nach der Methode der kleinsten Quadrate. Um die Leistungsfähigkeit des Hängetachymeters zu bestimmen, aber auch um die Güte der Kalibrierung zu testen, wurden mehrere Genauigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Abschließend wurde das Hängetachymeter auch erfolgreich in der Industrievermessung eingesetzt und eine automatische Kalibrierroutine ohne Interaktion des Benutzers entwickelt. Die erreichten Genauigkeiten des Systems liegen im Bereich der Genauigkeiten des eingesetzten Tachymeters.Despite all technical enhancements in the past modern electronic tacheometers do not differ significantly to their analogue predecessors. All have in common that aiming around the nadir is not possible. This means that points situated in the zenith angle region between ca. 170 to 230 gon cannot be measured directly. Therefore the subject of the present work was the development of a system that makes measurements in the zenith angle region between 170 and 230 gon possible. The concept is based upon the suspended theodolite which is known in mine-surveying. To carry out measurements in the region of the nadir a total station is mounted in a hanging position similar to a suspended theodolite. However the function of the tilt compensator which is used for levelling of the instrument is not supported in this position. Hence inclination is monitored externally. For this purpose the tacheometer is connected to a clinometer by an appropriate suspension arrangement. The combination of a tacheometer mounted in a suspended position and an external clinometer is called suspended tacheometer. Combining the system with an external clinometer a marginal variation occurs between the vertical axis of the tacheometer and the plummet axis of the clinometer due to production conditions. To quantify this variation an appropriate method was developed and its accuracy tested. Measurements conducted by the tacheometer are influenced by the variations of the instrument and must therefore be adjusted. Moreover these measurements must be adjusted by the inclination detected by the external clinometer. The axis variations of the tacheometer must be determined in suspended position. It cannot be generally presumed that these measurements comply with the ones determined in upright position. To actuate the suspended tacheometer a software was developed. This software also offers integrated functions for calibration of the sensors, analysis and adjustment of the measurements and their storage and processing as well as export of data. A combination of the suspended tacheometer with an ocular camera makes automatic target detection and tracking of non-cooperative signals possible also when measuring near the region of the nadir. To realize an autofocus the suspended tacheometer was combined with a stepper motor which moves the focus lens. Based on the image contrast an autofocus function was developed. The calibration of the ocular camera is based on modelling the mapping process by linear functions. Here the dependency of calibration values on the position of the focus lens (position of the stepping motor) was demonstrated. Image processing algorithms used for optical target detection can be divided into manual target detection in the image, measurement of point-shaped patterns by edge detection and ellipse adjustment and image allocation operations (Least squares matching). To determine the efficiency of the suspended tacheometer as well as to test the performance of the calibration several accuracy tests were performed. Also the suspended tacheometer was successfully deployed in industrial surveying. An automatic calibration routine without participation of a user was developed. The achieved accuracies of the system correspond with the accuracies of the inserted tacheometer