прибор вертикального проектирования

Формула изобретения

1. Прибор вертикального проектирования, предназначенный, в частности, для построения вертикальных направлений при строительстве сооружений при передаче осей с одного монтажного горизонта на другой, содержащий систему построения изображения, в пространстве предмета которой размещен излучатель, снабженный источником и/или источниками излучений, а в пространстве изображений размещена система идентификации изображения источника и/или источников излучения упомянутого излучателя, включающая матрицу приемников излучения, положение которых известно в выбранной системе координат, электронную систему регистрации и обработки информации, реализующую, в частности, алгоритм определения координат центров излучателей и установленную с возможностью приема сигнала от матрицы приемников излучения, систему автоматического приведения одной из осей выбранной системы координат в отвесное положение, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью одновременного и/или попеременного аналитического центрирования в направлениях зенит и надир, для чего система построения изображения выполнена разветвленной и соосной, с образованием двух пространств предмета, разнесенных в направлениях зенит и надир, при этом каждое пространство предмета снабжено автономным излучателем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пространства изображений разветвленных систем построения изображения совмещены в плоскости матрицы приемников излучения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пространства изображений разветвленных систем построения изображений каждое содержит матрицу приемников излучения, при этом положение осей выбранной системы координат каждой матрицы приемников излучения относительно друг друга согласовано и известно.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучатель выполнен в виде геометрической фигуры известной формы, в определенных точках которой размещены источники излучения, положение которых задает известную базу, при этом центр геометрической фигуры и/или другая известная ее точка заданы своим положением в установленной системе координат.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один и/или оба излучателя выполнены с возможностью перемещений в плоскости, параллельной одной из плоскостей выбранной системы координат.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источники излучения выполнены в виде диффузионных источников излучения активного и/или пассивного типа.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно включает систему идентификации каждого излучателя по их расположению на линии зенит или надир.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геодезического приборостроения и может быть использовано, в частности, при строительстве сооружений при передаче осей с одного монтажного горизонта на другой, при определении крена сооружений башенного типа, при задании горизонтальных и наклонных направлений, построении вертикальных плоскостей.

Известны приборы вертикального проектирования, представляющие собой, например, жесткие отвесы в виде раздвижных телескопических металлических трубок с острием на конце с установленным на них уровнем либо оптические отвесы, состоящие из объектива, призмы, поворачивающей изображение, сетки, на которую проектируется изображение (см., например, Х.К.Ямбаев. Специальные приборы для инженерно-геодезических работ. - М.: Недра, 1990, с.145-152, рис.57-62).

Известны оптико-электронные центриры, содержащие оптическую систему, в пространстве изображений которой установлена матрица приемников излучения, а в пространстве предмета - источник электромагнитного излучения диффузионного типа. Указанные центриры обеспечивают необходимую точность центрирования при грубой установке прибора в базовой точке, что обеспечивается автоматическим определением величины смещения вертикальной оси измерительного прибора относительно базовой точки и введения поправок в измеренные прибором или задаваемые им величины по алгоритму, обеспечиваемому электронной системой регистрации и обработки информации, сигнал в которую поступает от матрицы приемников излучения (см., например, патент № 2428656, опубл. 10.09.2011 г., бюл. № 25).

Недостатками известных приборов, в частности жестких отвесов, является невозможность построения вертикальных осей на большие расстояния, оптических отвесов и оптико-электронных центриров - невозможность одновременного построения вертикальной оси «зенит-надир», их действие ограничено только функциями центрирования измерительного прибора.

В качестве прототипа выбрано устройство вертикального проектирования с двухсторонней компенсацией линии «зенит-надир», которое позволяет выполнять одновременное визирование в направлении «зенит-надир», для чего в поле зрения оптической системы введен оптический элемент, куб-призма, являющийся одновременно и элементом компенсатора прибора, при этом куб-призма расположена на главной оси двух идентичных оптических систем (см., например, Х.К.Ямбаев. Специальные приборы для инженерно-геодезических работ. - М.: Недра, 1990, с.161-170, рис.68, в). При передаче, например, вертикальной оси с одного монтажного горизонта на другой в специальном технологическом отверстии монтажного горизонта устанавливают прозрачную палетку с нанесенной на ней сеткой прямоугольных координат, что позволяет визуально определить по палетке положение вертикальной оси на данном горизонте.

Недостатком указанного устройства является необходимость механического центрирования прибора в базовой точке с той или иной точностью, что является сравнительно трудоемким, а также необходимость визуального определения положения вертикальной оси по палетке. Кроме того, недостатком указанного устройства является невозможность обеспечения одновременного и/или попеременного центрирования в направлениях зенит и надир.

Для устранения указанных недостатков предлагается устройство, прибор вертикального проектирования, содержащий систему построения изображения, в пространстве предмета которой размещен излучатель, содержащий источник и/или источники излучения, а в пространстве изображений установлена система идентификации изображения упомянутого источника и/или источников излучения, включающая матрицу приемников излучения, положение которых известно в выбранной системе координат. Устройство содержит электронную систему регистрации и обработки информации, установленную с возможностью приема сигнала от матрицы приемников излучения и реализующую, в частности, алгоритм определения координат источников излучения. Устройство содержит также систему автоматического приведения одной из осей выбранной системы координат в отвесное положение и выполнено с возможностью одновременного и/или попеременного аналитического центрирования в направлениях зенит и надир, для чего система построения изображения выполнена разветвленной и соосной с образованием двух пространств предмета, разнесенных в направлениях зенит и надир, при этом каждое пространство предмета снабжено автономным излучателем. Пространства изображений разветвленных систем построения изображения могут быть совмещены в плоскости одной матрицы приемников излучения путем введения в систему построения изображения куб-призмы с полупрозрачной гранью и системы элементов, изменяющих направление одной из ветвей системы построения изображения, либо пространства изображений разветвленных систем построения изображений каждое может содержать автономную матрицу приемников излучения, при этом положение осей выбранной системы координат каждой матрицы приемников излучения относительно друг друга согласовано и известно. Излучатель выполнен в виде геометрической фигуры известной формы, в определенных точках которой размещены источники излучения, положение которых задает известную базу, при этом центр геометрической фигуры и/или другая известная ее точка заданы своим положением в установленной системе координат. С целью приведения направления «зенит-надир» в вертикальное положение один и/или оба излучателя выполнены с возможностью перемещений в плоскости, параллельной одной из плоскостей выбранной системы координат. Источники излучения с целью регистрации их сигнала из-за смещенного их положения относительно оси системы построения изображения выполнены в виде диффузионных источников излучения активного и/или пассивного типа, при этом устройство включает в себя систему идентификации каждого излучателя по их расположению на линии зенит или надир, в частности, например, способом попеременного механического или оптического прерывания излучения от источников излучения.

Необходимые пояснения по конструкции предлагаемого прибора вертикального проектирования, а также принципу его работы приведены на фиг.1-7.

На фиг.1 приведена схема устройства. Обозначения на фиг.1:

1 и 2 - объективы системы построения изображения;

3 - матрица приемников излучения;

4 - куб-призма со светоделительным покрытием;

5, 6 и 7 - элементы системы изменения направления излучения;

8 и 9 - излучатели;

10 - электронная система регистрации и обработки информации;

A и B - точки в пространстве предметов объективов 1 и 2 (базовые точки);

f ₁ и f₂ - расстояния от центров объективов 1 и 2 по оси системы построения изображения до плоскости матрицы 3 приемников излучения;

h₁ и h ₂ - расстояния от центров объективов 1 и 2 до излучателей 8 и 9.

На фиг.2 приведена схема устройства с двумя пространствами изображения. Обозначения на фиг.2 с учетом обозначений на фиг.1:

3 - двухсторонняя матрица приемников излучения.

На фиг.3 показана матрица 3 приемников излучения. Обозначения на фиг.3:

xOy - условная система координат матрицы 3 приемников излучения;

8' и 9' - соответственно центры изображений в плоскости матрицы 3 источников изучения излучателей 8 и 9;

11 и 12 - идентификационные пятна в плоскости матрицы 3 от источников излучения излучателей 8 и 9;

x и y с индексами 8, 9 - координаты центров 8' и 9' идентификационных пятен 11 и 12 от источников излучения излучателей 8 и 9.

На фиг.3 и далее условно принято и обозначено, что каждый излучатель содержит один источник излучения. Если источников излучения несколько, то от каждого из них в плоскости матрицы приемников излучения будут образованы идентификационные пятна, т.е. для каждого из них определяются координаты в принятой системе координат.

На фиг.4 представлена схема расположения идентификационных пятен от источников излучения излучателей 8 и 9 при наблюдениях, например, за креном сооружения, в двух сопоставляемых циклах И (исходный) и Т (текущий). Обозначения, принятые на фиг.4 с учетом обозначений на фиг.3:

x и y с индексами обозначений источников излучения и индексами номеров циклов наблюдений (И - исходный, Т - сопоставляемый, текущий) - координаты центров соответствующих идентификационных пятен в системе координат xOy.

На фиг.5 представлена схема для пояснения алгоритма определения крена сооружения в двух сопоставляемых циклах. Обозначения на фиг.5 с учетом обозначений на фиг.3 и 4:

_ИТ - условный дирекционный угол в системе координат xOy направления крена оси сооружения в двух сопоставляемых циклах И и Т;

d_ИТ - горизонтальное (линейное) перемещение фиксированной точки сооружения, вызванное его креном;

9_ПР - приведенное к циклу И положение центра идентификационного пятна от излучателя 9 в текущем цикле Т;

х_ПР и y_ПР - приведенные к циклу И координаты центра идентификационного пятна в цикле T от источника излучения излучателя 9.

На фиг.6 представлена схема измерения расстояния h от источника излучения до центра объектива системы построения изображения. Схема приведена только для одной из ветвей оптической системы. Для другой ветви она аналогична показанной. Обозначения на фиг.6 с учетом ранее приведенных обозначений:

13 (поз.8 и 9 на фиг.1, 2) - излучатель;

14 - источники излучения;

b - база излучателя 13;

b' - проекция базы излучателя в плоскости матрицы 3 приемников излучения;

S - центр объектива 1.

На фиг.7 представлены возможные варианты конструкции излучателя 13. Обозначения на фиг.7 с учетом обозначений на фиг.1, 2 и 6:

O _И - центр геометрической формы излучателя 13 (совпадает с обозначениями элементов 8 и 9, приведенных на фиг.1 и 2).

Устройство работает следующим образом.

В базовой точке A пространства предметов объектива 1 и в точке B пространства предметов объектива 2 размещают излучатели 8 и 9. Устанавливают прибор вертикального проектирования в точке A с таким расчетом, чтобы центры излучателей 8 и 9 попали в поле зрения матрицы 3 приемников излучения, что можно наблюдать на дисплее прибора. При этом нет необходимости выполнять точное центрирование прибора в базовой точке A, т.е. совмещать вертикальную ось прибора с точкой A. Прибор горизонтируют с помощью установочных уровней, в результате чего оптические оси объектив 1 и 2 примут отвесное положение и будут удерживаться в этом положении компенсатором прибора, как это и производится в геодезических приборах, имеющих компенсаторы. Излучение от излучателя 8 попадает на светоделительную грань куб-призмы 4. Часть этого излучения достигает плоскости матрицы 3 приемников излучения, в результате чего на указанной плоскости образуется световое пятно 11 от источника(источников) излучения 14 излучателя 8. Сигнал с освещенных приемников матрицы 3 поступает в электронную систему регистрации и обработки информации 10, в которой по установленному алгоритму выполняется определение координат x и y центра светового пятна (световых пятен) от источников излучения излучателя 8. Вторая часть излучения от излучателя 8 отражается от светоделительной грани куб-призмы. Излучение от излучателя 9 объективом 2 и системой призм 7, 6 и 5 направляется на светоделительную грань куб-призмы 4. Часть этого излучения проходит куб-призму, а другая часть достигает плоскости матрицы 3 приемников излучения, в результате чего на указанной плоскости образуется второе световое пятно(световые пятна) 12 от источников излучения излучателя 9 (см. фиг.3). Сигнал с освещенных приемников матрицы 3 поступает в электронную систему регистрации и обработки информации 10, в которой по установленному алгоритму также выполняется определение координат x и y центра светового пятна от излучателя 9. Далее электронная система 10 выделяет параметры смещения центра светового пятна от излучателя 9 по отношению к центру светового пятна от излучателя 8 в виде разностей координат:

Условно примем направление смещения излучателя 9 относительно вертикальной оси, проходящей через центр излучателя 8, положительным по положительному направлению осей x и y системы координат xOy.

Для построения вертикальной оси в базовой точке A необходимо в пространстве предметов В переместить центр излучателя 9 на полученные значения относительных смещений, вычисленные по формуле (1). Для этого излучатель 9 (или оба излучателя) снабжен(ы) системой поступательных перемещений в плоскости, перпендикулярной отвесной линии (в плоскости, параллельной плоскости матрицы приемников излучения или параллельной плоскости xOy). После этого следует выполнить контрольные измерения и при необходимости поправить положение излучателя 9.

Задача решается аналогично и для случая, если базовой точкой является точка В (излучатель 9). То есть вертикальную ось можно строить как в направлении «надир-зенит», так и в направлении «зенит-надир». При этом прибор может быть установлен над технологическим отверстием на промежуточном монтажном горизонте. Отличительной особенностью устройства является возможность его аналитического центрирования как в направлении «зенит», так и в направлении «надир», а также в выполнении одновременного центрирования в направлениях «зенит-надир».

При наблюдениях за кренами сооружений башенного типа указанный алгоритм воспроизводится в двух циклах наблюдений: исходном (И) и текущем (7). На фиг.4 и 5 поясняется алгоритм определения угловой и линейной характеристик крена оси сооружения.

Предположим, что в основании сооружения и в его верхней части долговременно закреплены точки A и B, в которых установлены излучатели 8 и 9. В исходном цикле (И) получены соответствующие координаты центров световых пятен: х_8И, y_8И, x _9И и y_9И. В текущем цикле (Т) прибор в общем случае будет установлен в другом месте по сравнению с циклом И в результате соответственно получатся координаты: х_8T , y_8T, х_9T и y_9Т.

Для приведения данных к параметрам цикла И необходимо вычислить текущие относительные смещения по осям x и y базовой точки A (центра излучателя 8)

а затем определить приведенные к циклу И координаты точки В (центра излучателя 9) по формулам:

Далее по установленному алгоритму в электронной системе 10 выполняется вычисление основных параметров крена:

- условного дирекционного угла направления крена в системе координат xOy ( _ИТ);

- линейного смещения точки B (центра излучателя 9) - d_ИТ;

- угла наклона i оси сооружения, определяемого углом наклона линии АВ относительно вертикальной оси.

Дирекционный угол и линейное перемещение находят из решения обратной геодезической задачи с учетом знаков разностей координат (см., например, С.И.Чекалин. Основы картографии, топографии и инженерной геодезии: Учеб. пособие для вузов. - М.: Академический проект, 2009, с.213-217):

Угол наклона оси можно определить с учетом его малого значения по формуле

где - радиан; H - расстояние между излучателями 8 и 9 (между точками A и B).

При использовании совмещенных матриц 3 (фиг.2), каждая из которых установлена в пространстве изображений объективов 1 и 2, указанные задачи (построения вертикальной оси и определение параметров крена сооружения) решаются аналогично. В этом случае системы координат каждой из матриц должны быть согласованы (параллельны друг другу) либо их расположение относительно друг друга должны быть известны из поверок прибора. При этом схема, изображенная на фиг.1, предпочтительнее, поскольку используется всего одна (общая) матрица приемников излучения с единой системой координат, несмотря на введение в эту систему дополнительных оптических элементов.

Следует отметить, что схема фиг.1 может быть несколько упрощена введением, например, вместо элементов 5, 6 и 7 блока призм. Например, призмы 5 и 6 заменить на одну призму БР-180° с закреплением на ней призмы 7 (АР-90°) или призмы 6 и 7 заменить на призму БС-0° с закреплением на ней призмы 5 (АР-90°).

Очевидно, что изображения центров излучателей 8 и 9 (при использовании оптических систем с разными расстояниями f₁ и f₂, при разных расстояниях h₁ и h₂ до излучателей от центра оптических систем 1 и 2) будут получаться в разных масштабах. В связи с этим необходимо все значения координат центров идентификационных пятен приводить к одному масштабу, используя масштабные коэффициенты:

Для определения расстояний h от центров объективов до излучателей источники излучения 8 и 9 выполнены в виде группы отдельных источников излучения (см. фиг.6 и 7), установленных известным образом на излучателе 13. Геометрическая форма излучателя может быть различной (круг, квадрат, прямоугольник, треугольник, сплошное световое кольцо и др. - см. фиг.7). При этом для любой формы известна линейная база b, а также положение (координаты) в излучателе его центра O_И. При выполнении работ центр излучателя совмещают с базовой точкой, в которой выполняется центрирование прибора.

Расстояние h от излучателя до центра объектива определяют по значениям известной базы b излучателя, известного для конструкции оптической системы прибора расстояния f, а также известной из результатов измерений по проекции в плоскости матрицы 3 приемников излучения величины изображения b' базы b, образованной источниками излучения:

где

В формуле (9) величины x и y с индексами 1 и 2 - координаты концов 1 и 2 базы b в плоскости матрицы 3 приемников излучения в принятой системе координат матрицы.

Предлагаемое устройство может быть использовано для построения вертикальных плоскостей и горизонтальных направлений, для чего оно может быть снабжено пентапризмой и/или пентапризмами, устанавливаемыми перед объективами системы построения изображений. При снабжении пентапризм поворачивающими устройствами с отсчетными приспособлениями с помощью предлагаемого устройства возможно и построение заданных наклонных направлений.

Таким образом, использование предлагаемого устройства, прибора вертикального проектирования оптико-электронного типа, позволяет выполнять одновременное и/или попеременное центрирование в направлениях зенит и надир, а также исключить механизм точного центрирования в базовой точке, которое обеспечивается автоматически аналитическим центрированием, и строить вертикальную ось в заданном ее проектном положении, не совпадающую по своему положению с вертикальной осью измерительного прибора (прибора вертикального проектирования). При использовании, например, оптической системы с фокусным расстоянием 200 мм, а также с учетом размеров пикселя матрицы приемников излучения порядка 0,005 мм, точность аналитического центрирования может быть обеспечена в пределах 0,2-0,3 мм при расстоянии до источника излучения порядка 5-10 м, т.е. в случаях, когда излучатель находится на других монтажных горизонтах относительно монтажного горизонта, на котором установлен прибор вертикального проектирования.

Другим преимуществом предлагаемого устройства является исключение необходимости визуального наведения и визуальной регистрации положения того или другого излучателя (базовых точек), в связи с чем данное устройство может не содержать окуляра для зрительных наблюдений при установке прибора в рабочее положение и при выполнении построений вертикальной оси и наблюдений за кренами сооружений. Исключается также необходимость измерения расстояния от излучателя до центра объектива. При этом точность построений и измерений определяется в основном точностью работы компенсатора прибора, с помощью которого выполняется удержание вертикальной оси прибора в отвесном положении.