本发明总体上涉及大地勘测仪器和导出目标点坐标的相应方法。
背景技术：
1、用于勘测目标点的许多大地勘测设备自古代以来是已知的。在这种情况下，从测量设备到待测量的目标点的距离和方向或角度被记录为空间标准数据。在这种情况下，典型的目标点是自然目标(诸如教堂塔)或辅助仪器(诸如，调平杆、勘测杆)或目标标记(例如，具有回射器)。
2、目前最常见的勘测仪器是所谓的全站仪，其可以被描述为视距仪的增强实施方式，在通常(至少基本上)水平和竖直定向的角坐标中提供光电距离测量的瞄准或目标方向的机动化移动。这些设备由此可以提供许多自动化功能。示例可以例如在us 2007/104353、us2009/024342、us2015/176991、ep 1836457等中找到。然而，本发明还可以应用于其它同源类型的大地勘测仪器，例如激光扫描仪或激光跟踪器。
3、现代全站仪通常具有紧凑且集成的设计，其中，同轴距离测量元件以及计算单元、控制单元和存储器单元通常存在于设备中。根据全站仪的配置水平，也可以集成对准和瞄准设备的机动化以及用于自动目标寻找和跟踪的装置。全站仪可以包括电子显示控制单元-通常是包括电子数据存储装置的微处理器计算单元-包括显示器和输入装置(例如键盘)作为所述人机界面。经由电感装置收集的测量数据被馈送到显示控制单元，因此可以通过显示控制单元确定、光学显示和存储目标点的位置。从现有技术已知的全站仪还可以包括无线电数据接口，该无线电数据接口用于建立到外部外围组件的无线电链路，例如到便携式数据采集设备的无线电链路，该便携式数据采集设备可以特别地被设计为数据记录器或现场计算机。
4、为了瞄准或对准待测量的目标点，所讨论类型的大地测量设备包括瞄准单元或望远镜，例如光学望远镜。瞄准单元通常可相对于测量设备的基部绕第一竖直或直立轴线以及绕第二水平或俯仰轴线旋转，并且因此望远镜以及视线或目标方向可通过回转(swiveling)和倾斜朝向待测量的点定向。
5、相机可以被集成到瞄准望远镜中，并且例如同轴或平行地定向，用于除了光学测量通道之外还捕获图像，其中，所捕获的图像可以特别地被描绘为显示控制单元的显示器上和/或遥控器的显示器上的实时图像。
6、瞄准设备的光学系统或光学观察通道通常包含物镜组、图像反转系统、聚焦透镜、用于生成十字准线的标线片和目镜，它们例如从物体侧按该顺序定位。聚焦透镜组的位置根据物距以使得清晰的物体图像出现在位于聚焦平面中的标线片上的方式被调整。这可以通过目镜或例如借助于相机来观察。
7、在诸如陆地勘测或建筑工地勘测的大地勘测中，目标是确定一个或更多个目标点的几何特性，如坐标、距离和取向。在大多数情况下，必须关于已知参考系统来确定那些属性，该已知参考系统可以例如由一个或更多个已知参考点来限定，例如由附近的已知和/或限定参考标记来具体实现。这样的设备包括电感测功能，例如光电角度和距离测量功能，其使得可以确定到所选目标点的方向和距离。在所有这些仪器中，测量方向必须由角度测量单元精确地导出，如勘测仪器的旋转轴线(竖直轴线和水平轴线)处的角度编码器。在许多测角计中，图案元件被光学地映射到一个或更多个光检测器元件或图像传感器(例如ccd或cmos传感器)的布置上。因此，这种光学编码器包括光源(例如led)、所述图像传感器和编码介质(例如代码盘)，编码介质以代码轨迹的形式承载所述图案元件。光源从编码介质的一侧朝向轨迹投射光。轨迹调制来自光源的光，并且经调制的透射或反射光传播到图像传感器。图像传感器根据接收到的代码调制照明光生成电信号以供处理器进行后处理。
8、可以从图案元件在传感器布置上的位置推断旋转主体相对于传感器的角度。
9、换句话说，通过使用第一(例如，竖直)轴线和第二(例如，水平)轴线的旋转取向作为当指向目标时利用角度编码器测量的输入的计算来确定对准轴线或测量轴线的取向。该计算还取决于第一轴线和第二轴线之间的角度以及第二轴线和测量轴线之间的角度。这些角度由勘测仪器的机械结构限定，并且勘测仪器通常被设计成使得这些角度等于90°(正交)。然而，实际上这些角度通常由于机械缺陷而偏离理想值，并且这些角度可能由于来自环境的影响(诸如变化的温度)而随时间变化。如果在确定旋转角度期间(例如，在仪器倾斜或快速旋转的情况下)显著的力作用在装置的部件上，则可能发生取决于旋转角度的偏心或作为时间的函数的变化。这些例如通过在任何情况下存在的轴承间隙和由于轴承和轴承负载的润滑引起的变化来实现或增加。此外，作为旋转主体的旋转轴线的倾斜的结果，发生翻滚(tumbling)误差。为了减少或避免这种机械轴承误差，通常使用相对高价值、复杂的轴承，然而具有高制造和维护需求和成本。
10、如上所述，目标方向和距离在内部参考系统中确定，并且大部分也必须链接到外部参考系统。例如，在许多大地测量中，通常通过使用支撑勘测仪器的三脚架，勘测仪器被安装在地面处的地面参考标记上方或以其它方式具体实现的固定参考上方。仪器通常例如通过倾斜传感器来调平，其中，需要仪器的相对精确的物理调平(例如，通过三脚台和气泡水准仪)。在完美条件下，勘测仪器的竖直轴线应当与铅垂线对准，并且旋转轴线应当与水平面和竖直平面对准。由于例如在静止之后支承件的对准、倾斜或下沉的缺陷导致水平对准的缺陷，仪器的竖直轴线可能相对于铅垂线以一定角度未对准，从而导致倾角(inclination)或倾斜(tilt)误差(分别是竖立轴线和竖直方向的偏离、水平轴线和水平面的偏离)以及由于仪器组件的重量引起的仪器或轴线的可能位置偏移或变形。
11、因此，存在用于目标点测量的若干误差源，诸如水平轴线误差或炮耳(trunnion)轴线误差(俯仰轴线偏离与竖立轴线正交)、准直误差(视线偏离与俯仰轴线正交)或竖直指标误差(视线偏离与竖立轴线正交或偏离第二轴的0°，第二轴的0°是如由仪器的控制器在瞄准单元实际上精确地指向天顶时确定的)。
12、存在校准勘测仪器的已知方法，其中，可以使用勘测仪器外部的专用测量设置来测量上述角度或这些角度与基于勘测仪器的设计预期的角度的偏离。例如，本领域中已知(例如通过ep 2728309 a2)通过获得第一方向上的倾斜(tilt)读数、转动仪器180°并获得第二方向上的倾斜读数以及计算两个方向上的倾斜读数的平均值来获得校准误差校正。与零的任何偏离被认为是必须被存储以用作零点校正的误差。准直误差可以通过对静态目标执行两面测量并根据面1和面2中的角度差计算准直误差来计算，原理例如也参考ep3540374 a1。ep 3696498 a1描述了基于多个测量结果的校准方法。
13、通常，这种校准方法在工厂、由勘测仪器的供应商操作的场所或勘测仪器的用户的场所中执行，其中，校准参数被存储在仪器的软件中。这些方法可以提供准确的校准，但是消耗大量的时间和/或资源，例如以附加校准工具的形式，例如如ep 2707745a1中所提及的。此外，在最新近校准之后，在现场的勘测期间可能发生误差的时间变化，例如由于诸如温度变化的环境影响，其难以考虑或包括在校准参数中(如果可能的话)，并且在室外勘测中特别重要。
技术实现思路
1、因此，本发明的目的是改进大地勘测仪器和大地勘测方法。
2、本发明的另一个目的是提供具有降低的仪器缺陷的影响、特别是仪器的旋转轴线的缺陷的影响的大地勘测仪器和大地勘测方法。
3、本发明的另一个目的是提供具有减少的测量努力、特别是减少的校准努力同时至少保持精度的大地勘测仪器和大地勘测方法。
4、因此，本发明涉及一种大地勘测仪器，例如全站仪、激光扫描仪、激光轮廓仪或激光跟踪器，其包括：瞄准单元，其用于在目标方向上瞄准待勘测对象的测量目标点；光电测距仪，其被构建成确定到被瞄准的测量目标点的目标距离；以及限定的第一旋转轴线(例如竖直轴线)以及可选地限定的第二旋转轴线(例如水平轴线)，其用于设置目标方向或通过绕该轴线旋转来改变对准轴线。
5、该仪器还包括：至少一个光学角度编码器，该光学角度编码器位于轴线处并且被构建为确定目标方向，具有代码载体和一个或更多个图像传感器，该一个或更多个图像传感器用于使用非准直光捕获代码载体的代码的图像。代码载体和图像传感器可绕所述限定的旋转轴相对于彼此旋转，作为第一自由度(degree of freedom，dof)。图像传感器通常被称为读取头。光学编码器由一个或更多个读取头组成。读取头被具体实现为2d图像传感器(区域传感器，具有像素矩阵)或线传感器。当线传感器被用作读取头时，需要关于代码载体分布的至少四个读取头的布置来确定所有六个自由度。理论上，三个读取头也是足够的，但是出于实际原因，两对相对的读取头是有益的。当使用2d图像传感器时，单个读取头理论上是足够的。然而，实际上通常使用一对相对的2d图像传感器。此外，当使用2d图像传感器时，代码载体上的代码也可以是二维的。
6、此外，该仪器具有控制器，该控制器被配置为基于所确定的目标方向和测量目标点的目标距离来导出测量目标点的测量坐标。控制器被配置为基于对2d传感器的代码图像或由多个1d图像传感器生成的代码图像的评估来确定目标方向。图像评估考虑在代码载体相对于图像传感器的所述第一自由度中相对于旋转轴线的旋转位置以及在代码载体相对于图像传感器的至少另一第二自由度中的另一第二位置。
7、换句话说，轴线的角度编码器的代码的读取对于绕限定的旋转轴线的旋转位置以及对于另一个方向上的至少另一个位置是敏感的。代码载体相对于图像传感器的这种移动方向是在关于旋转轴线的径向/切向方向上(面内轴线移位)、在旋转轴线的方向上或代码载体相对于图像传感器的倾斜方向上(面外移位)。因此，另一dof可以是除了绕“主”旋转轴线的旋转之外的两个旋转dof中的一者或三个平移dof中的一者。
8、优选地，代码图像指示所有六个dof，并且控制器被配置为关于相应代码载体相对于图像传感器的所有六个自由度(旋转位置、偏转和倾斜)评估代码图像。
9、由于代码载体相对于图像传感器的移动表示第一旋转轴线或第二旋转轴线在影响仪器的对准方向的任一dof中的移动，因此对在多个dof(特别是所有dof)中对代码载体/轴线移动进行编码的代码图像的评估实现了对对准方向的高度确定的测量。
10、可选地，控制器被配置为基于目标方向计算模型来确定目标方向，该目标方向计算模型将从代码图像评估导出的旋转位置和另一位置(＝另一自由度)的值作为输入。作为进一步选择，计算模型被设计为直接补偿轴线的未对准。因此，在目标方向确定中考虑或取消与理想轴线对准的偏离。
11、在一些实施方式中，控制器被配置为确定和/或补偿与旋转轴线的确切取向的偏离。
12、可选地，另一位置被用于确定和/或补偿瞄准单元关于支承件或容器的相对位置的变化(特别是对应于代码载体的另一自由度的相对位置的变化)、和/或瞄准单元和/或瞄准单元的支承件的变形，作为形状和/或尺寸的变化。
13、作为又一选项，控制器被配置为根据竖直轴线的倾斜，特别是通过根据倾斜程度对第二位置进行加权，基于关于另一位置的所述图像评估来确定目标方向。
14、在进一步开发的仪器中，控制器被配置为如果超过针对第二位置的限定阈值，则发出通知，特别是用户警告。
15、可选地，控制器被配置为收集和评估位置值的历史，以便确定大地勘测仪器的磨损状况，特别是轴线轴承(axis bearing)的磨损状况。
16、在一些实施方式中，相应的代码载体包括由至少一个反射表面包围的透明代码盘，使得照射代码载体的光在离开代码盘之前在代码盘内被反射一次或多次。
17、本发明还涉及一种用于利用大地勘测仪器确定测量目标点的测量坐标的方法，所述大地勘测仪器具有：限定的旋转轴线(表示为竖直轴线)和限定的第二旋转轴线(表示为水平轴线)，用于通过绕所述轴线旋转来设置目标方向；光学角度编码器，其具有代码载体和图像传感器，所述图像传感器被具体实现为2d图像传感器和/或关于代码载体分布的至少四个线传感器的布置，用于使用非准直光捕获代码载体的代码的图像。代码载体和图像传感器被设计为绕限定的旋转轴线相对于彼此旋转，作为第一自由度。
18、该方法包括：在目标方向上瞄准测量目标点，其中，通过绕水平轴线和竖直轴线旋转来设置目标方向，确定目标方向，光电地确定到被瞄准的测量目标点的目标距离，并且基于所确定的目标方向和测量目标点的目标距离来导出测量目标点的测量坐标。
19、另外，该方法包括基于每个可用图像传感器的编码器的代码图像关于代码载体相对于图像传感器在所述第一自由度中相对于旋转轴线的旋转位置以及关于代码载体相对于图像传感器在至少另一或第二自由度中的另一或第二位置的评估来确定目标方向。
20、可选地，校准参考值由工厂校准过程限定，该工厂校准过程包括自校准步骤，该自校准步骤具有使图像传感器或图像传感器布置相对于代码载体绕旋转轴线至少90度旋转，并将从其导出的谐波误差设置为零。例如，编码器绕其自身的轴线转动，并且在最小90°旋转上获取每个图像传感器的原始数据。利用原始数据确定所有校准参数。在自校准过程期间，附加自由度的谐波偏离/误差被设置为零。然后，对于校准之后的每次测量，计算所有六个自由度的“绝对”值，该“绝对”值对于附加自由度主要针对自校准以来的变化，即，与相应校准值的差。因此，对于六dof确定，确定绝对旋转角度、“绝对”平面内移位和“绝对”平面外位移(“绝对”意指与校准值相比的值)。因此，作为另一选项，关于另一自由度的评估包括确定与校准参考值的差。
21、本发明还涉及一种计算机程序产品，特别是用于要求保护的勘测仪器的控制器，其具有用于执行要求保护的方法的步骤的自动执行的计算机可执行指令。
22、本发明提供测量轴线摆动和直接补偿的优点，例如使用经纬仪补偿模型。以上，轴线的未对准可以通过多-dof-角度编码器(特别是6-dof-编码器)来测量并被直接补偿。通过这样做，勘测者可以避免两面测量分别仅在已经检测到轴线对准的改变时才这样做。该特征可以有助于显著减少测量时间而不降低准确度。
23、作为另一个优点，可以检测和补偿仪器竖直或竖立轴线的倾斜。这样做可以降低轴承的质量(类似于水平轴线，其中，摆动将由倾斜传感器补偿)。
24、作为又一个优点，如果完成勘测仪器的倾斜位置的测量，则可以补偿机械变形。因此，由于重力引起的变形，例如利用10°的倾斜仪器进行测量而没有任何负面影响是可能的。而且，借助于所收集的多-dof信息，可以至少在一定程度上补偿由外部影响(例如由太阳引起的单侧升温)引起的轴线变形。
25、此外，多-dof信息可以分别用于健康监测或设置服务或检修的时间，以在例如需要重新校准时通过显示器上的对应消息来警告用户。
26、下面仅通过示例的方式参考附图中示意性示出的工作示例来更详细地描述或解释根据本发明的设备、方法和设置。附图的图不应被视为按比例绘制。在适当的情况下，相同的附图标记被用于相同的特征或用于具有类似功能的特征。对附图标记的不同索引用于区分被示出为示例性的相同或等效特征的不同实施方式。
1.一种大地勘测仪器(1)，所述大地勘测仪器包括
2.根据权利要求1所述的大地勘测仪器(1)，其特征在于，
3.根据权利要求1或2所述的大地勘测仪器(1)，其特征在于，
4.根据前述权利要求中任一项所述的大地勘测仪器(1)，
5.根据前述权利要求中任一项所述的大地勘测仪器(1)，
6.根据权利要求4和5所述的大地勘测仪器(1)，其特征在于
7.根据前述权利要求中任一项所述的大地勘测仪器(1)，
8.根据前述权利要求中任一项所述的大地勘测仪器(1)，
9.根据前述权利要求中任一项所述的大地勘测仪器(1)，
10.根据前述权利要求中任一项所述的大地勘测仪器(1)，
11.根据前述权利要求中任一项所述的大地勘测仪器(1)，
12.一种用于用大地勘测仪器(1)确定测量目标点的测量坐标的方法，所述大地勘测仪器具有
13.根据权利要求12所述的方法，
14.根据权利要求13所述的方法，
15.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品特别用于根据权利要求1所述的控制器(25)，具有用于执行根据权利要求12所述的方法的步骤的自动执行的计算机可执行指令。
