UDK528.52 Florijan Vodopivec dr.teh.znanosti FAGG Oddelek za geodezijo 61000 Ljubljana, YU IZVLEČEK Prikazani so različni načini avtomatskega čitanja na elektronskih teodolitih - kodirani in inkrementalni način. ABSTRACT . Various of the automatical scanning on the electronical theodolites are represented - the code and the incremental methods of the scanning. Avtomacija prodira čedalje bolj v vso človekovo dejavnost. Avtomati izpodrivajo do sedaj kronostvarstva - človeka, zaradi njegove zmotljivosti. Avtomati bodo slej ko prej zamenjali skoraj vse delo človeka, njemu bo ostal le nadzor nad delom av- tomatov. Poglejmo poslednje dosežke na področju merskega instrumentarija, ki se ali pa se še bo uporabljal pri geodetskem merjenju. In- strumente glede na izvedbo in glede na namen razdelimo na: - kotomerne instrumente - teodolite - instrumente za merjenje razdalj - raz- daljemere - instrumente za merjenje višinskih raz- lik - l'livelirje - instrumente za satelitsko geodezijo - instrumente za inercialno geodezij TEODOLITI Oglejmo si kratek zgodovinski razvoj in današnje stanje. Leta 1615 je kot prvi meril trigonometrično mrežo Snelius s četrtino lesenega kroga z radijem 8,5 m. Od takrat se instrumenti za merjenje kotov neprestano izboljšujejo. Vendar ta razvoj ni linearen ampak skokovit. Vsaka nova iznajdba predstavlja tak skok kot sledi: celokrožna razdelba z diopterjem uvedba daljnogleda uvedba nonija - stekleni krogi, mikrometri, optična grezila kompenzatorji digitalno čitanje na klasičnih krogih elektronsko čitanje avtomatizirana registracija V tem trenutku nas seveda zanima pred- vsem elektronski teodolit z avtomatskim registriranjem. Avtomatizacija čilanja na teodolitih je že zelo stara želja vseh uporabnikov. Prvi poiz- kusi so bili na mehanični podlagi z zobatimi kolesi in mehaničnimi števci. Vsakemu je jasno, da s takim teodolitom ni mogoče doseči niti približno tako zaželjene sekundne natančnosti. Šele z razvojem elektronike in njenim prodorom v izdelavo teodolitov se je pojavila možnost dejanske avtomatizacije čitanja z željeno natančnostjo. Pri avtomatizaciji ločimo dva načina avtomatskega čitanja na krogih: - kodirani način čitanja - inkrementalni način čitanja Kot prvi se je pojavil način čitanja, ko imamo namesto črtne razdelbe na krogih posebno kodirano razdelbo na podlagi katere nato računalnik določa odčitek pri določeni vizuri. Slika 1a Na sliki 1 je prikazan način kode na krogu tovarne Zeiss Oberkochen in sicer na sliki 1 a je prikazan celoten krog Reg Elte 14 in na sliki 1 b povečan izsek razdelbe pri teodolitu Elta 2. Torej vidimo, da nimamo več samo črtne razdelbe kot pri klasičnih teodolitih ampak poleg črtne rzdelbe še dodatne kode, kar nam omogoča s pomočjo elektronike določitev odčitka na krogu. Na sliki 2a vidimo detajl štirih svet- lobnih diod, ki dajejo svetlobo, ta pa na mestih, ki so neobarvana presvetli krog in pade na ustrezno fotodiodo. Ta svetlobo sprejme in pošlje naprej signal na podlagi 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i 1 1 Slika 1b 64 Geodetski vestnik 1 /1990 katerega nato računalnik računa grobi odčitek. Slika 2a Na sliki 2b pa je prikazan način grobega odčitka na podlagi svetlobno - električnih impulzov skozi kodirano linijo C. Seveda temu grobemu odčitku sledi še fini odčitek, ki ga namesto nas opravi elektronika s pomočjo interpolacije. Interpolacija je prikazana na sliki 3a, kjer vidimo pet krožnih linij. G linija predstavlja gonsko razdelitev s 400 črticami. Kodirana linija C služi za določitev grobega odčitka števila celih gonov. 0,1 gona dobimo kot razliko števila črtic na liniji T (4000 črtic), med gonsko črtico na liniji Gin DDDDDDDDDDDODDOODDDOOi o o DG D 0000 O O OOc /{ L H II H H L L H L L L L l L [ ,, L h' C n zO ?' Z' z1 z(l ,! zl z) zO z' zO 2' zl z1 zO z' ;l c1 2'7 zl 1 '---,----' ----.- -------,--- -,,--- ._,......, X ICC.'1 x 111;:n x ICO;c,1 "lpn x /Oq:!7 :x lX;cn g + 70 ?00 o + eo ' ,":J I · l,9 :::111 1 ?cOc:n . ' 1 Slika 2b Geodetski vestnik 1 /1990 65 indeksom na liniji l. Število tako dobljenih O, 1 gonov prištejemo številu celih gonov. Da natančnost še povečamo, moramo določiti še fini odčitek. -'-'-------------A ~------/ 1111!111111111111111!!11111111!11111 r -'-------' ___ _.__ _____ 1__ 6 _.__.._..111'-'-I _.l _ __,_I _,_J ._! -~I ~' ~I _ c Slika 3a Na ta način smo dobili celotni odčitek pri dani vizuri, ki ga zapišemo ali pa av- tomatsko shranimo v pomnilnik. lnkrementalni način avtomatskega čitanja Na sliki 4a je prikazan način razdelbe na krogu pri inkrementalnem načinu čitanja. Vidimo, da imamo samo eno razdelbo. Ta pa ni črtna, kot pri klasičnih teodolitih, ampak so širine črtic enake širini vmesnih polj. Celoten krog je običajno razdeljen na 20.000 temnih in 20.000 enako širokih svetlih polj. Skupaj torej 40.000. Izračunano v gonih nam vsak element / razdelbe predstavlja 0,01 gona. Kot vidimo krog ni oštevilčen, zato ne -~-~---------+, .,-1 _..__..__ T moremo določati absolutnih leg smeri o ' ' ampak le relativne lege smeri glede -pj na število pretečenih svetlo-temnih polj. To določamo s pomočjo skaniranja. Fotodiode dobivajo od luminiscenčnih diod različno količino Slika 3b svetlobe, ki za.visi od razporeditve svetlo- temnih polj med obema diodama. Na sliki 3b vidimo, da moramo še določiti preos- tanka 'a', to je razlike med zadnjo še odčitano črtico na kodirani liniji T in koncem im- e u lza na kodirani liniji l. Stevilo 'a' določimo s pomočjo interpolacije, števila impulzov na prej omenjenem intervalu in številom impulzov celega intervala med črticami kodirane linije T. Grobi odčitek gonov (kodirana linija C) Grobi odčitek O, 1 gonov (kodirani liniji T, 1 in G) Fini odčitek a/b (kodirani liniji I in T) 28 O.O gon 0.7 gon 0.0250 gon 280.7250 gon 66 Geodetski vestnik 1 /1990 slika 4a Slika 4b Iz slike 4b vidimo, da se jakost svetlobnega toka menja sinusoidno. Fotodioda svetlobni tok spreminja v električnega, tega pa s posebnim elektronskim dodatkom v pravokotne signale. Poseben detektor zaz. nava smer vrtenja alhidade in daje navodilo števcu za pravilno registriranje vrtenja al- hidade. Da bi dobili točnejše čitanje, se poslužujemo dveh načinov: - interpolacije (v okviru svetlo-temnih polj) - dinamičnega čitanja Če želimo točnejši način čitanja kot je 0,01 gona, potem se moramo poslužiti inter- polacije. Tu določimo interpolacijo manjše in večje natančnosti. Pri manjši natančnosti interpolacije v okviru enega svetlo-temnega polja, kar odgovarja periodi 2lf, s pomočjo elektronske interpolacije lahko razločimo osem faz (slika 4b). Tako povečamo natančnost čitanja pri 25.000 črticah na 0,002 gona. Še natančnejši način je podan na sliki 5a, kjer celotno svetlo-temno polje preslikamo na 2 periodi, to je na 4 lf in s tem dosežemo interpolacijo v razmerju 1 :16. Slika 5a Slika 5b Pri 25.000 črticah je to 0,001 gona. Natančnost pa lahko še povečamo, če združimo obe diametralni legi razdelbe eno nad drugo in če uporabimo preslikavo enega svetlo- temnega polja na 4 lf , se nam natančnost še poveča na 0,0005 gona. Na ta način smo še eliminirali pogrešek ekscentričnosti razdelbe (slika 5b). Natančnejši način interpolacije seveda zah- teva istočasno opazovanje obeh diametral- nih leg razdelbe, da eleminiramo ekscentričnost razdelbe in povečamo natančnost interpolacije. Sam princip čitan­ ja si oglejmo na primeru elektronskega teodolita tovarne Kern E 2. Elektronski teodolit E 2 uporablja inkremen- talno tehniko določanja odčitka na horizon- talnem in vertikalnem krogu. Namesto običajnega limba za merjenje kotov uporablja krog z nizom črtic (rež temnih in svetlih polj) na enakih razmakih. Osnovna naloga elektronike je določanje smeri in števila prehodov temnih in svetlih polj ob zasuku horizontalnega ali vertikalnega kroga teodolita. Geodetski vestnik 1 /1990 67 2 7 6 Slika6 Za dosego čimvečje točnosti odčitavanja velikosti premikaje pri teodolitu E 2 koristno uporabljen Moire efekt, ki omogoča izredno točno interpolacijo med dvema črticama. Svetloba luminiscenčne diode (6) (slika 6) prehaja skozi določeno mesto (samo 7) na steklenem krogu (5), na katerem se nahajajo radialne črtice širine 5,5J1lm (na celotnem krogu 20.000 črtic). Razmik med črticami je enak širini črtice. Svetloba prehaja najprej skozi optični sistem leč (2), ki ustvarja povečano sliko prvega dela stek- lenega kroga (faktor povečave je 1,005) v ravnino diametralnega dela steklenega kroga (4). Na tej drugi strani zaradi neenake širine radialnih črtic tega dela kroga in radialnih črtic slike prvega dela kroga prihaja do medsebojnega periodičnega prekrivanja (slika 7). Na osnovi tega pre- krivanja nastajajo Moire-jeve slike, ki delujejo podobno kot nonij in s pomočjo katerih je možna natančna interpolacija premika (rotacije) alhidade znotraj širine radialne črtice. ,-;;,o rr.ax. mm. z 4 5 Moire-jeva slika (sestavlja jo 200 radialnih črtic) se preslika na 4 fotodiode (3) (slika 6). Jakost svetlobnega toka, ki prehaja skozi Moire-jeve slike ima približno sinusoidno porazdelitev. Fotodiode, ki so razporejene vzdolž Moire-jeve slike, pretvarjajo svetlob- ni tok, ki pada na njih v električno napetost, s pomočjo katere se izvrši grobo merjenje - določitev števila prehodov Moire-jevih slik in fino merjenje, ki je v bistvu matematična interpolacija - določitev lege znotraj Moire- jeve slike. Pri zasuku teodolita diode generirajo štiri električne signale, ki so med seboj zamaknjeni za 90 stopinj. Svetlobni tok na teh diodah lahko zapišemo u1 u1sin f 02 = 02sin ( f + 11/2) u3 = u3sin ( f + JI ) U4 = u4sin ( f + 31112) Za fino čitanje moramo določiti lego diod v okviru Moire-jeve diode, s pomočjo nas- lednjega izvrednotenja danih signalov na vseh štirih diodah. Slika 7 68 Geodetski vestnik 1 /1990 01sin f - 03 sin ( f + II) = (TI 1 + 0 3 )sin f 02sin ( f + 11/2) - 04sin (f+ 311/2) = (02 + 04 )cos f Amplituda je uravnavana tako, da velja U1 U2 LJ3 = LJ4. Fazni kot pa nam izračuna mikroprocesor po enačbi: (Ol + u3 ) sin -f tg f = ..:__.::.,__-"----- (02 + u4 ) cos f Kako je to pri teodolitu E 2 tehnično iz- vedeno vidimo na sliki 8. Signal iz fotodiod prehaja na operativne ojačevalce. Pri premiku za eno Moire-jevo periodo se razlika napetosti U1 - LJ3 menja kot sinusna funkcija vrtenja alhidade, raz- lika napetosti U2 - LJ4 pa kot kosinusna funkcija. Schmitt-ovi stikali (Schmitt Trigger) naprej 1 1 1 '--"'-'---' Schmitt' .f1J1. ločilno števec naprej nazaj Trigger mesto =2cos 'f = 2sin Y' >-'"--<-.--.!· Schmitt 1-----J Trigger smer vrtenja "------"'-' rnnož i-1------- lni k nazaj Slika 8 COS CJ t ---'---, cos(w t-r ·'~ ---- + ,_ __ .._ rnn oži:- 1----'l'----' lnik ______ sin wt sinusni generator._ ________ _,_ _____ _, l kHz cos wt Geodetski vestnik 1 /1990 cos l.,J t merilec faz Slika 9 69 pretvorita ti razliki napetosti v pravokotna signala, ki sta zamaknjena za . Detektor zamika na osnovi primerjave obeh signalov (zakasnitev faze - odvisno od smeri zasuka) pošilja impulze preko kanala naprej - nazaj na mikroračunalnik (ena Moire-jeva slika - en pravokotni signal - en impulz) - grobo čitanje. Fino merjenje predstavlja interpolacije, s katero se določa premik znotraj Moire-jeve slike. Da bi dobili čitanje z natančnostjo 0,0001 gona, moramo števni interval inter- polirati z natančnostjo enega procenta. Če je grobo čitanje dinamično, potem je fino čitanje statično. Rezultat tega je kot , ki ga dobimo s pomočjo merjenja svetlobe na 4 diodah. Dva diferenčna signala (U1 - U3 in U2 - U4) množimo s harmoničnim nihanjem s frekvenco 1 kHz. Oba tako dobljena sig- nala sta v fazi zamaknjena za 11'/2, relativno drug na drugega. Ta dva signala združimo in tako lahko raču­ namo cos!,,t~ po sledeči enačbi: cos (.J.- f) = COSwt. COSf + sin„t. sin'/ To nato primerjamo z začetnim nihanjem enega kHz in oba signala imata fazni premik Slika 10 1 tekočinski kompenzator 2 sistem leč ravno za vrednost . Shematični prikaz fine- ga merjenja je prikazan na sliki 9. To vred- nost kota računalnik pretvori v digitalno obliko in nato sešteje grobi in fini odčitek, ki se nato pojavi na ekranu. Pri inkrementalni tehniki ničla na krogu ni fiksna. Določa se ob vsaki vključitvi ele- ktronskega teodolita posebej,tedaj se za- četni odčitek postavi na ničlo. Od trenut- nega položaja alhidade ob vključitvi je od- visna ničla na horizontalnem krogu. Vertikalni krog mora biti vedno tako orien- tiran, da se ničla razdelbe nahaja v smeri zenita. To je pri elektronskem teodolitu E 2 doseženo z ob vertikalni krog vgrajeno fiksno masko z nizom rež in drugo enako masko, ki se giblje skupaj z vertikalnim krogom. V trenutku prehoda daljnogleda skozi vertikalni položaj se prekrijeta fiksna in gibljiva maska, svetloba luminiscenčne diode prehaja skozi reže in pada na fotodiodo. Na osnovi svetlobnega impulza na fotodiodi le-ta sproži merjenje. Shematični prikaz delovanja kompenzator- ja elektronskega teodolita E 2 je prikazan na sliki 1 O. Podobno kot klasični teodolit DKM 3 luminiscenčna dioda 4 fotodetektor 5 odbit snop svetlobe 6 optične prizme 70 Geodetski vestnik 1 /1990 2 A ima tudi elektronski teodolit E 2 teko- činski kompenzator. Luminiscenčna dioda oddaja snop svet- lobe, ki se na zgornji površini tekočine od- bije (totalni odboj) in pade na fotodiodo, katere površina deluje kot ploskovni fotodetektor. Če pade svetloba na aktivno površino fotodiode, se na elektrodah, ki so ob straneh, pojavi napetost, ki je obratno proporcionalna oddaljenosti osvetljene točke od elektrod. Na osnovi napetosti na posamezni elektrodi je mogoče določiti položaj (koordinate) glede na izhodiščno točko kompenzatorja, s tem pa nagib teodolita v dveh med seboj pravokotnih smereh. Natančnost odčitavanja teh koor- dinat je večja od 1 m (kar odgovarja O, 1 mgon). Podatke o nagibu vertikalne osi !I Slika 11 teodolita lahko odčitamo na ekranu ali pa mikroračunalnik z njimi direktno popravi odčitke na krogih. Dinamični način točnejšega čitanja Ta način uporablja Wild v teodolitu T 2000, kjer primerja fazi (svetlo/temne periode) na dveh mestih čitanja. Na sliki 11 vidimo dva sistema za čitanje na inkrementalnem krogu. V obeh primerih imamo diametralno postavljeni odčitni mesti za eliminacijo pogreška ekscentričnosti razdelbe. Ls predstavlja stalno mesto Lr pa gibljivo mesto povezano z daljnogledom teodolita. Če predstavlja svetlo/temno polje kot in ostanek čitanja , potem lahko zapišemo izmerjeni kot v obliki: ali T = nTo + .. T Število n predstavlja število sinusnih sig- nalov svetlo/temnih polj, ki jih števec prečita. Te iste sinusne signale pretvorimo v pravokotne signale in sicer za stalno mesto Ls in za premično mesto Lr. Razlika dobljenih pravokotnih signalov pa je prav ostanek odčika. Postopek čilanja pa je sledeč. Poseben procesor sproži vrtenje kroga. S tem se ,g /!\ \V sS sproži potek čitanja prehoda celih faz, torej števila n. Celoten krog vsebuje 1024 črtic. Pri vrtenju takovsako odvzemno mesto opravi 512 faznih primerjav, iz katerih račun­ alnik izračuna povprečje in tvori aritmetično sredino dveh diametralnih leg, tako dobimo prost pogreška ekscentritete razdelbe. Pri teodolitu Wild T 2000 tako dobimo odčitek z natančnostjo 0,01 mgona. Seveda pa so s tem opisani samo osnovni načini čitanja, ostanejo pa nam še mnogi podsistemi različnih proizvajalcev. Geodetski vestnik 1 /1990 71