PREDSTAVLJAMO VAM Joe Triglav ECDS 2 - ELEKTRONSKI MOBILNI TRO- DIMENZIONALNI MERSKI SISTEM 1. Uvod - uporaba geodezije v industriji Že dolga leta se konvencionalni geodet- ski instrumenti uporabljajo za merske in kontrolne aplikacije v industrijski proiz- vodnji. Uporaba nivelirjev za postavitev te- meljev, strojne opreme in strojnih elemen- tov v vodoravni polažaj je splošno znano. Referenčno ravnino preciznega nivelirja lahko postavimo v horizontalani položaj z zelo veliko natančnostjo. Za nivelirjem lah- ko prav tako hitro in enostavno izmerimo višinske razlike med določenimi točkami ali postavimo točke na določeno višino. Omejitve pri uporabi konvencionalnih me- hansko-optičnih teodolitov so že večje, zato se v večini primerov teodoliti upora- bljajo le kot instrumenti za aliniranje. Pro- sto vrtljivi in nagibajoči se teleskop je ide- alni pripomoček za aliniranje točk v ravne linije in ravnine. Številni teleskopski dodat- ki (npr. avtokolimacijski okularji, adapter- ske leče za zelo kratke vizure, kolenski okularji za zelo strme vizure itd.) sicer širi- jo uporabnost, vendar se konvencionalni teodolit kljub temu le redko uporablja kot izvirni kotni inštrument. To dejstvo še po- sebej drži, če je celotna organizacija meri- tev in izvrednotenja rezultatov v celoti pre- puščena tovarniškemu osebju. Prav tako je zelo pogosta časovna omejitev, ko pro- izvodni proces ne dopušča kompleksnih kotnih meritev, izračunov in izravnave re- zultatov. Iz tega sledi eden izmed važnih pogojev uporabnosti industrijske geodezi- je - takojšnja in neposredno dosegljivost rezultatov v obliki deformacij, izravnave, korekcijskih vrednosti itd. Glavni namen industrijske geodezije je se- stava ter nastavitev delovnih enot in kom- ponent po projektu, tako da ustrezajo vsem zahtevani po brezhibnem delovanju. 42 2. Elektronski teodolit ( slika 1) Z uvajanjem elektronskega teodolita se je tudi uporabnost industrijske geodezije bistveno povečala. Elektrooptično odčita­ vanje horizontalnega in vertikalnega kroga omogoča prenos kotnih vrednosti nepo- sredno v računalnik, ki te podatke obdela z ustreznimi programi. Rezultati obdelave so za uporabnika dosegljivi takoj, po po- trebi pa jih lahko shranimo v spominsko enoto računalnika. Zamudnega čitanja in prepisovanja izmerjenih kotov pri elekton- skih teodolitih ni. Prav tako ni zamudnega odčitavanja srednjih odčitkov in poprav- kov kotnih opazovanj ipd., ker vse to opra- vi za nas računalnik z ustreznim progra- mom v nekaj sekundah. Poleg izjemnega prihranka časa merjenja in obdelave opa- zovanj je v elektronskem procesu prakti- čno izločena možnost napake čitanja in zapisa kota, prav tako pa tudi vse računa­ ske napake med obdelavo. 3. ECDS 2 - strojna oprema Običajna konfiguracija elementov siste- ma ECDS 2 vsebuje od dveh do osem KERN E2 teodolitov z dodatki, računalnik in mobilno postajo. Na naslednjih dveh straneh je na kratko predstvaljen vsak ele- ment strojne opreme. 3.1. KERN E 2 - Elektronski teodolit (sli- ka 2) Kern E2 je sekundni elektronski teodo- lit, ki omogoča zelo točno odčitavanje ko- tnih opazovanj. Oznaka "sekundni teodo- lit" pomeni, da E2 omogoča merjenje ko- tov z natančnostjo 0.3"-0.6" (oz.0.1 do 0.2 mgona), kar na razdalji 10m ustreza ločni razdalji 0.02 mm. Dinamični (inkremental- ni) sistem za merjenje kotov določa vred- nosti horizontalnega in vertikalnega kroga trikrat na sekundo in jih kontinuirano pre- naša v računalnik. S tem je izpolnjen eden izmed temeljnih pogojev za procesiranje kotnih vrednosti v računalniku v realnem času. 3.1.1. Dvoosni kompenzator (slika 3) Naslednja prednost, ki jo ponuja E2, je njegov dvoosni kompenzator, ki je vgrajen v teodolit in bistveno povečuje točnost ko- tnih opazovanj. Kompenzator sproti po- pravlja vertikalne kote zaradi odklona ver- tikalne osi od vertikale in hkrati horizontal- ne kote zaradi odklona horizontalne osi od horizontale. Popravki kompenzatorja so še posebej bistveni pri strmih vizurah, ki so v industrijski geodeziji zelo pogoste. Princip delovanja kompenzatorja je v zas- novi preprost, praktična izvedba pa zelo zapletena. Kompenzacija temelji na odbo- ju internega žarka iz svetlobne diode (sli- ka 3-detajl) od površine tekočine (detajl 2), ki je vedno absolutno vodoravna. Po odboju od te površine potuje žarek prek sistema leč na površinsko razmeroma veli- ko fotodiodo (detajl 3), ki služi kot dvodi- menzionalni pozicijski detektor. Ta detek- tor določi položaj žarka glede na referen- čno vrednost (kompenzacijska ničelna to- čka) v koordinatah. Ena koordinata pome- ni naklon vertikalne, druga pa naklon hori- zontalne osi. 43 Resolucija detektorja je boljša od 0.001 mm, kar pomeni boljše od 0.3" v določitvi naklonov osi. Mikroprocesor, ki je vgrajen v Kern E2, stalno prišteva korekcijske vrednosti k horizontalnim in vertikalnim kotom. Kotne vrednosti na zaslonu teodo- lita in tiste, ki se prenesejo v računalnik so brez napak. Kompenzator lahko s stikalom na teodolitu izklopimo, kar pride v poštev pri nestabilnih stojiščih teodolita, kjer je kompenzator manj uporaben. 3.1.2. Dodatki (slika 4) Optični mikrometer Pentagonalna prizma - dodatek za tran- skacijo vizure za 90° 44 Laserski okular Autokolimacijski okular Po videzu in upravljanju se teodolit E2 zelo malo razlikuje od konvencionalnega mehansko optičnega teodolita. Vse dodat- ke kot so okularji, leče, objektivi, nastavki ipd., lahko brez omejitev uporabljamo tudi na teodolitu E2. Posebej pa velja opozoriti na naslednje dodatke: - posebne marke za jasno označevanje točk merjenega objekta, - laserski okular za označevanje točk na nedostopnih površinah objekta meritve, - ekscentrični nosilci za merjenje skritih točk objekta. 3.2. Računalnik ECDS 2 je zelo fleksibilen sistem in se lahko uporablja na različnih zmogljivejših računalnikih (npr. DEC Micro/PDP 11) kot tudi na mikroračunalnikih, ki uporabljajo MS-00S operacijski sistem, npr.: - IBM PC/XT/AT (slika 5), - HP Vectra (slika 6), - Olivetti M 425P, Compaq itd. Mikroračunalniki morajo poleg uporabe MS-00S operacijskega sistema izpolnje- vati naslednje minimalne konfiguracijske zahteve: - 512 KB RAM spomina in matematični ko- procesor, - vsaj eno disketno enoto in en trdi disk z najmanj 10 MB spomina, - barvni zaslon najmanj srednje grafične ločljivosti, - za priključitev teodolita zadoščajo stan- dardni serijski vmesniki, ki so že original- no vgrajeni v ta mikroračunalnik. To je vsa potrebna računalniška strojna oprema. 45 3.3.Mobilna postaja (slika 7, 7a) Naslednja zahteva za uporabnost takš- nega merskega sistema je njegova mobil- nost, saj merimo na kraju samem in zato tam potrebujemo tudi vso opremo. Premi- ki opreme znotraj delovnega območja mo- rajo biti hitri, enostavni in varni. Vse te zahteve izpolnjuje posebno oblikovana mobilna postaja - sistemska "ciza". Kom- ponente standardne konfiguracije sistema lahko varno shranimo in privežemo v tej mobilni postaji. V postajo je vgrajena obi- čajna električna napajalna enota za vse električne komponente sistema, npr. raču­ nalnik, zaslon, tiskalnik, teodolit in laser. Zrak za hlajenje računalnika je filtriran pri vstopu v postajo, kar omogoča uporabo sistema v zelo prašnem ali umazanem in- dustrijskem okolju. 4. ECDS 2 principi delovanja in pro- gramska oprema 4.1. Princip določevanja koordinat točk objekta (slika 8, 9, 10) ECDS 2 se bistveno razlikuje od klasi- čne tridimenzionalne merske tehnologije, ki se je do sedaj uporabljala v industriji. Ta tehnologija je temeljila na izmeri objektov v stacionarni merski napravi, ki je imela seveda omejene možnosti izmere. ECDS 2 46 je mobilen merski sistem, ki omogoča iz- mero objekta poljubnih dimenzij nepo- sredno na kraju izdelave objekta in takojš- njo dosegljivost rezultatov izmere. Geo- metrijski pristop k določitvi koordinat točk objekta temelji na prostorskem urezu (sli- ka 8), saj le čista kotna merjenja lahko nu- dijo točnost, ki jo zahtevajo industrijske aplikacije. Za prostorski urez sta potrebni vsaj dve stojišči, na katerih hkrati posta- vljamo teodolita E 2. Stojišči sta lahko na poljubnih pozicijah, vendar tako, da z njiju vidimo primerno veliko skupno površino objekta. Najprej določimo razdaljo med stojiščema (b) in višinsko razliko stojišč (h). S tem dobimo lokalni koordinatni si- stem. Potem merimo horizontalne in verti- kalne kote do označenih točk objekta. Iz danih in izmerjenih podatkov potem raču­ nalnik izračuna prostorske koordinate točk objekta (X, Y, Z) v lokalnem koordi- natnem sistemu in jih zapiše na zaslonu. ECDS 2 dovoljuje uporabo dveh od osmih teodolitov hkrati (slika 9). Uporaba več teodolitov omogoča hitro izmero velikih objektov kompliciranih oblik, hkrati pa za- gotavlja večjo natančnost določitve točk objekta. Tudi pri uporabi več teodolitov hkrati je potrebno najprej določiti relativne medsebojne položaje stojišč v lokalnem koordinatnem sistemu. Koordinate stojišč izračunamo z metodo relativne orientacije, ki se sicer uporablja v fotogrametriji (ang. "bundle adjustment"). Po tej fotogrametri- čni metodi najprej opazujemo določeno število skupnih točk, ki pa nimajo določe­ nih koordinat (slika 10). S sofisticiranim računalniškim programom potem določi­ mo relativne položaje vseh stojišč. Z upo- rabo te metode odpade eden od omeje- valnih pogojev postavitve teodolitov, na- mreč medsebojna vidljivost teodolitov in medsebojno aliniranje teleskopov teodoli- tov. S tem je odpravljen še en morebitni vir napak, hkrati pa metoda dovoljuje zelo kratke razdalje med stojišči (tudi 0,5 m). Pozicijska natančnost določitve stojišč dosega zahtevano natančnost in znaša nekaj stotink mm. Opazovanje iste točke objekta s treh ali več stojišč zahteva izrav- navo. Računalnik s strogo metodo izrav- nave določi koordinate takih točk z bistve- no povečano natančnostjo. Sl :ika 8 Sl:ika 10 4.2 Programska oprema ( slika 11) ECDS 2 vsebuje odprto programsko podporo, kar kaže na prizadevanje za po- polno hardversko in softversko fleksibil- nost med sistemi v računalniškem svetu. Sekvencionalno načrtovana programska struktura vodi uporabnika skozi postopek dela korak za korakom z dialogom prek menuja. Standardni softver vsebuje: - mnoge različne metode orientacij, tako da lahko v najkrajšem času vzpostavimo željeni objektni koordinatni sistem; - spremljanje rotacij teodolitov v realnem času. Vsakemu premiku teodolita takoj sledi sprememba koordinat na zaslonu. Opsazovanja lahko pred shranitvijo v spo- min ocenimo in po potrebi izločimo; - izračun prostorskih razdalj; - izračun medsebojnega položaja dveh da- ljic ali ravnin; - analizo odstopanj dejanskih koordinat točk od referenčnih projektiranih koordi- nat in analizo odstopanj dejanskih koordi- nat od referenčnih koordinat na krožnici, krogli, parabolični površini itd.; - primerjava koordinat točk z različnih da- totek; - pozicioniranje točk na objektu; - HELP funkcije, ki so vedno dosegljive, in skrajšane napotke na zaslonu; - barvni zaslon še začini jasnost menuja in izpis rezultatov. MS-DOS verzija ECDS 2 sistema ima še eno veliko prednost-možnost uporabe programov, ki so jih razvile druge firme. Navajam nekaj testiranih možnosti: - prenos podatkov v program AUTOCAD (firme Autodesk AG); - prenos podatkov v program LOTUS 1-2-3 in MEASURE (firme Lotus Develop- ment Corporation); - prenos podatkov v program DTM (firme Digiplan AG); - uporaba programa za prenos koordinat iz ECDS 2 v razvejani programski paket METROSOFT (firme Metromec), ki omo- goča postprocesiranje podatkov iz ECDS 2. Metrosoft je eden najboljših in najbolj dodelanih tridimenzionalnih merskih pro- gramov; - ECDS 2 shranjuje podatke v odprte ASCII datoteke, kar omogoča prenos po- datkov prek standardnih vmesnikov na ve- 48 Slika 11 like CAD/CAM sisteme, ki so namesceni na velikih računalnikih (npr. Computer-Vi- sion ali Calma). 5. Uporaba sistema ECDS 2 v praksi (slike 12-17) Uporabnost sistema je zelo široka, če­ prav je sistem pravzaprav šele v povojih. Z razvojem tehnologije se bodo širila tudi področja uporabe. Navajam le nekaj pri- merov uporabe ECDS 2 v praksi: - točna postavitev elementov opreme v av- tomatiziranem proizvodnem procesu, npr. v avtomobilski industriji in podobno; - kontrola kakovosti in druge aplikacije v letalski industriji; - pomoč pri postavitvi in vzdrževanju zah- tevnih konstrukcij v jedrski industriji; - proučevanje kompleksnih ukrivljenih po- vršin pri telekomunikacijskih antenah pri različnih pogojih orientacije antene, pri ra- zličnih temperaturah in akostih vetra ipd.; - uporaba v ladjedelništvu, satelitski indu- striji ipd. 6. Prihodnji razvoj 3D merskih sistemov V razvitih gospodfarskih okoljih postaja vprašanje avtomatizacije merskih postop- kov vse bolj aktualno. Za nadzor avtomati- ziranih tovarn in proizvodnih procesov bo- do potrebni avtomatizirani merski sistemi, ki bodo merili v programiranih časovnih presledkih. Prav tako bo potrebno razviti daljinsko vodene merske sisteme za meri- tve na nevarnih ali nedostopnih območjih. Trenutno tehnologija omogoča daljin- sko vodenje zasukov osi teodolita in foku- siranje s koračnimi motorji in z uporabo računalniško vodenih kamer za prikaz sli- ke. Naslednji korak v razvoju bi lahko bil prevzem slike s kamere in uporaba slikov- nega procesiranja za avtomatsko viziranje teodolitov na ciljne vzorce objekta. Seve- da bo trajalo nekaj časa, preden bodo tak- šni sistemi razviti in dodelani tako, da bo- do zagotavljali potrebno zanesljivost in na- tančnost, toda to je smer razvoja in z veli- ko gotovostjo lahko pričakujemo, da bodo takšni merski sistemi igrali pomembno vlogo v proizvodnji in postopkih zagota- vljanja kakovosti izdelkov v mnogih indu- strijskih vejah. 49