Co kryje w sobie SX10? Wizyta w fabryce Trimble – Danderyd, Szwecja

Opublikował w Znalezione w sieci

Wizyta w centrum inżynieryjno-produkcyjnym Trimble w Danderyd w Szwecji odkrywa historię powstania tachimetru skanującego Trimble SX10.

Rys. 1: Tachimetry, skanery i nowy SX10 są projektowane, składane i testowane w niedawno odnowionym ośrodku w Danderyd. Każdy instrument przechodzi przez dziesiątki stanowisk montażowych, rektyfikacyjnych i testowych. Technicy produkcyjni codziennie zmieniają stanowiska montażowe i testowe, w pełni śledząc wszystkie dane dotyczące każdego instrumentu zapisanego w bazie danych. Źródło: Schrock.

Jako geodeci kupujemy i użytkujemy sprzęty, które są jednymi z najbardziej zaawansowanych instrumentów wszelkich zawodów związanych z pracą w terenie. Ze względu na to wymagana jest niesamowita precyzja, dokładność, niezawodność i elastyczność, które, jak można się spodziewać, niosą za sobą wysokie ceny. Dzięki takiemu zakupowi uzyskujemy prawo własności do instrumentów, ale można uzyskać jeszcze głębszą formę własności. Wiedząc więcej na temat pochodzenia instrumentu, osoby, która go stworzyła oraz znając historię jego konstrukcji, stajesz się podmiotem zainteresowanym w cyklu rozwoju oraz częścią społeczności użytkowników.

Wśród najpopularniejszych artykułów, które mieliśmy zaszczyt publikować na stronie xyHt, są te na temat wizyt w centrach inżynieryjnych różnych producentów. Rozmowa z twórcami i producentami sprawia, że można spojrzeć na cuda technologiczne, które udoskonalają dla nas przez lata, z nowej perspektywy i jeszcze bardziej je docenić. W przeciwieństwie do tego, co może być powszechnie uważane, twórcy nie chcą, abyśmy postrzegali instrumenty, jako „czarne skrzynki”

Są pewni tego, że chcą, aby użytkownicy wiedzieli, co kryje się w środku. Prawie wszyscy producenci chętnie informują użytkowników o wewnętrznych działaniach (z wyjątkiem pewnych elementów, w celu ochrony pozycji na rynku). Lepiej poinformowani użytkownicy stają się lepszymi użytkownikami sprzętu, a bardziej wykwalifikowani użytkownicy są w stanie w pełni wykorzystać instrumenty pomiarowe. To wzmacnia reputację firmy i zapewnia informację zwrotną od klientów; użytkownicy stają się lepszymi partnerami w dalszym rozwoju.
Planowałem odwiedzić słynną siedzibę Trimble w Danderyd w Szwecji przez wiele lat. Jako wieloletni użytkownik różnego rodzaju instrumentów, pochodzących od różnych producentów (w tym tachimetru Geodimeter oraz aktualnych tachimetrów Trimble, które pochodzą z Danderyd), była to jedna z pozycji „listy życzeń”. Gdy rozmawiam z innymi użytkownikami Trimble, często nie mają pojęcia skąd pochodzą ich instrumenty – „z Japonii? z Chin? z Kalifornii?”

Są one projektowane, opracowywane i produkowane w różnych miejscach, dzięki międzynarodowej pracy zespołowej obejmującej wiele placówek. Na przykład tachimetry robotyczne serii S i wiele innych instrumentów, są produkowane w Szwecji i były częścią spuścizny powiązanych firm sprzed ponad 70 lat.

Latem zeszłego roku dostałem informację, że moja wizyta zostanie przesunięta; fabryka była rozbudowywana, modernizowana i odnawiana (przypuszczalnie dla nowych produktów, o których krążyły pogłoski). Teraz wiemy, że te działania były spowodowane tworzeniem nowego tachimetru skanującego SX10, który został ogłoszony na konferencji i targach INTERGEO 2016 w Hamburgu, we wrześniu 2016. Ostatecznie moja wizyta odbyła się w marcu 2017.

Poniższa historia dotyczy zespołu badawczo-rozwojowego i produkcyjnego oraz ich zaangażowania w produkcję zaawansowanych rozwiązań, w tym ich najnowszego dzieła, oraz, w mniejszym stopniu, zwiedzania fabryki. SX10 to znaczny rozwój, warty uwagi przykład pracy, która ma miejsce w fabryce w Danderyd.

Co się kryje za „wielkim okiem”

Za charakterystycznym dużym obiektywem znajdującym się z przodu SX10 bardzo dużo się dzieje, o wiele więcej niż widać gołym okiem. Dużo dzieje się także w siedzibie Trimble urządzonej w utylitarnym, ale przyjemnym „industrialnym szwedzkim” stylu, w małym miasteczku Danderyd, oddalonym o kilka przystanków kolejowych na północ od Sztokholmu. To tutaj projektuje się, konstruuje i produkuje większość instrumentów optycznych Trimble. Wśród tych instrumentów znajdują się tachimetry robotyczne, skanery, a teraz także SX10, instrument, który jest znacznym odejściem od istniejących projektów, z czym wiązało się wykonanie w siedzibie modernizacji i rozbudowy, aby dostosować ją do produkcji.

Rys. 2: Od lewej: Christian Grässer – specjalista R&D, Stella Einarsson – kierownik projektu systemu dla SX10 oraz Mikael Nordenfelt – specjalista R&D, z którymi przeprowadzono wywiad w ramach tego artykułu. W tle: Ten pokój konferencyjny/sala szkoleniowa stanowi mini-muzeum wartych uwagi instrumentów AGA/Geotronics/Trimble. Źródło: Schrock.

„Naprawdę chcieliśmy stworzyć najlepszy tachimetr na świecie”, mówi Stella Einarsson, menadżer projektu systemu dla SX10. SX10 poddał próbie umiejętności R&D i zasoby inżynierów i naukowców w Danderyd, pracujących jako część międzynarodowego zespołu, aby doprowadzić ten śmiały pomysł do skutku. Danderyd jest częścią linii naukowej, rozwojowo-badawczej oraz produkcyjnej instrumentów, która trwa od ponad stulecia i ma na swoim koncie wiele wzlotów i upadków. (Zapoznaj się z rozdziałem: d=vt.)

Warto podkreślić, jak znaczące jest odejście nowego rozwiązania od dotychczasowych instumentów, nie tylko dla linii AGA-Geotronics-Spectra-Trimble, ale dla przemysłu. SX10 nie bazuje na istniejącej platformie. Niemal każdy element musiał zostać opracowany od podstaw: od podstaw naukowych, aż po zupełnie nową inżynierię i procesy produkcji oraz elementy testowe.

Tak jak wielu geodetów, widziałem artykuły, filmy promocyjne i reklamy dotyczące SX10, widziałem go w akcji, rozmawiałem o nim z kolegami z branży i, tak jak to bywa, gdy widzi się coś nowego, byliśmy podekscytowani, ale także trochę sceptyczni. Prawdę mówiąc, gdy pojawiły się pierwsze materiały promocyjne SX10, niektórzy nazywali go „potworem z wytrzeszczem” i zastanawiali się czy jest to nowy skaner, czy nowy tachimetr; nawet jego twórcy nie byli pewni jak go scharakteryzować.

Po tym jak zespół w Danderyd pokazał mi, co kryje w sobie SX10, jak został skonstruowany i wyjaśnili przez co przeszli, aby połączyć wszystko w całość, nie miałem wątpliwości, że jest to temat na okładkę. Nie jest to kolejny tachimetr z kilkoma „dodatkami”; jest to pod wieloma względami wyjątkowy tachimetr, który łączy w sobie możliwości skanowania i obrazowania w niespotykany dotąd sposób.

Jak bardzo różni się od pozostałych tachimetrów? O tym dowiedziałem się podczas wycieczki po fabryce (gdzie miałem szansę go przetestować), ale wcześniej miałem szansę spotkać się z zespołem i posłuchać o tym, w jaki sposób przebiegała ich praca nad tym sprzętem.

d=vt

Odległość jest równa prędkości pomnożonej przez czas. [Należy pamiętać o tym, że równania dla naziemnych, elektronicznych pomiarów odległości są bardziej złożone i uwzględniają zwalnianie, stałe, wpływ atmosfery i wiele więcej, jednak mają swoje korzenie w prawach Newtona.]

Rys. 3: Dr Erik Bergstrand

W 1941 roku naukowiec Erik Bergstrand, wraz z firmą Geographical Survey ze Szwecji, próbował w lepszy sposób określić prędkość światła. Pomyślał o systemie elektronicznego sterowania impulsami świetlnymi zamiast mechanicznych kół z otworami. Do 1947 roku opracował robocze prototypy, które potrafiły transmitować 10 milionów impulsów światła na sekundę do lustra oddalonego o 30 km, a przeliczając całkowity czas potrzebny na przejście tam i z powrotem, możliwe było obliczenie wyników z dokładnością do milimetra.

Zanim Bergstrand opublikował swoją pracę doktorską, „Określanie prędkości światła”, wyniki, jakie pozwalały uzyskać jego robocze prototypy były tak obiecujące, że firma AGA (Aktiebolaget Svenska Gasaccumulator, państwowe przedsiębiorstwo naukowo-energetyczno-przemysłowe) poparła jego pracę nad pierwszymi komercyjnymi urządzeniami do elektronicznego pomiaru odległości (EDM). Firma AGA kupiła jego patent i kontynuowała rozwój swojego geodimetru (GEOdetic Distance METER).

Zanim Geodimeter 1 został wydany w 1953, instrument był gotowy do wykorzystania w terenie do pomiarów geodezyjnych. Urządzenie było dość nieporęczne jak na dzisiejsze standardy, z 30cm lustrami, wymagał także użycia zewnętrznego generatora, a dzięki treningowi i obliczeniom, zarówno ten model jak i kolejne wersje były wykorzystywane przez naukowców, geodetów, jednostki wojskowe i podmioty gospodarcze na całym świecie.

Jednak „natychmiastowa odległość” miała dopiero się pojawić. Model 2 z 1955 roku wymagał 45 minut obserwacji i ważył 170kg, jednak zasięg 50km pozwalał na wykorzystanie instrumentu do precyzyjnych pomiarów na długich odległościach i to sprawiło, że (w porównaniu z dawnymi metodami analogowymi) był on zbawieniem dla geodetów i mierniczych.

Później nastąpił szybki rozwój elektronicznych dalmierzy — ulepszenia, różne częstotliwości, lampy – model 6 z 1964 roku, był całkowicie tranzystorowy i wykorzystywał lekkie akumulatory. W 1971 pojawił się pierwszy tachimetr: czyli urządzenie, które jest połączeniem klasycznego teodolitu i dalmierza laserowego (dane zapisywane były na papierze). W 1973 Geotronics stał się niezależną od AGA firmą.

Jednym z ważniejszych instrumentów z linii Geodimeter, który się pojawił był Geodimeter 120 z 1978 roku (“Semi-Total Station”, automatycznie obliczający odległość poziomą). Ręczny kontroler Geodat 122do zapisu pomiarów został dodany w tym samym roku, a po nim pojawił się ulepszony model Geodat 126 z mocą obliczeniową kalkulatora naukowego HP41.

Rys. 4: Geodimeter Model 1 (z lewej) i pryzmaty (z prawej) – około 1953. Źródło: Trimble

W 1986 roku pojawiła się trzecia generacja tachimetrów: Geodimeter 440 był pierwszym tachimetrem z wbudowanymi programami i miał kształt, z którym użytkownicy będą mieli styczność przez kolejne dekady. Geodimeter 460 z lat 90 był napędzany serwomechanizmem i w tym samym czasie pojawił się Geodimeter 4000 — pierwszy tachimetr robotyczny — kontrolujący radia podłączone do operatora niosącego tyczkę. Zostały dodane współosiowe elektroniczne dalmierze, następnie Geodat Win (pierwsze mapy na kontrolerze) i bezreflektorowe dalmierze dalekiego zasięgu (DR) w 2000 roku.

Ale dla tej linii miały pojawić się inne zmiany i zostały one wprowadzone w formie innej pionierskiej firmy, która ma korzenie w szybko rozwijającym się obszarze globalnych systemów pozycjonowania.

Rys. 5: Pierwszy tachimetr robotyczny Geodimeter 4000 – około 1990. Źródło: Trimble.

Założenie w 1978 firmy Trimble przez Charliego Trimble i trzech partnerów przyniosło rentowność ekonomiczną instrumentom GPS o wysokiej precyzji. Możesz dowiedzieć się więcej na temat historii firmy Trimble z naszego wywiadu z Charliem Trimble. Do połączenia firm będących pionierami w rozwiązaniach optycznych wysokiej precyzji i rozwiązaniach wykorzystujących sygnały satelitarne prowadziło kilka kroków. Przed 1981 rokiem w Szwecji zostały utworzone firmy grupy AGA pod nazwą Pharos, które w dalszej kolejności kupiły amerykańską firmę Spectra-Physics. Po włączeniu Geotronics, firma przerodziła się w nową firmę pod znaną nazwą Spectra Precision. W 2000, firma Trimble kupiła Spectra Precision, łącząc te dwa światy.

Połączenie zasobów tych firm spowodowało utworzenie międzynarodowego zespołu do R&D, produkcji sprzętu i rozwoju oprogramowania. Zespół cały czas rozwijał linię instrumentów optycznych, wprowadzając w 2005 roku na rynek nową generację tachimetrów serii „S”. Pojawienie się i popularność dwóch innych technologii – szybkich skanerów laserowych i naziemnego cyfrowego obrazowania na cele pomiarów i mapowania — przyczyniły się do stworzenia Trimble VX w 2007 roku. VX to tachimetr z magnetycznym napędem, który posiada funkcje cyfrowego obrazowania i podstawowego skanowania. Jednak przed rokiem 2007 w Danderyd swoje początki miało coś o wiele większego.

Technologia, praca zespołowa i wytrwałość

Stella Einarsson stała na czele zespołu rozwojowego SX10 od początkowej fazy koncepcyjnej. „Nasza firma naprawdę jest firmą międzynarodową”, mówi. “Zespół projektowy SX10 jest rozproszony po całym świecie, część pracująca nad sprzętem znajduje się w Szwecji i w Niemczech, oprogramowanie terenowe jest opracowywane w Nowej Zelandii, oprogramowanie biurowe [Trimble Business Center] w Stanach Zjednoczonych, a oprogramowanie skaningowe we Francji. Zespoły projektowe muszą bardzo sprawnie ze sobą współpracować, aby wszystko złożyło się w jedną całość.”

Einarsson mówiła także o tym, że współpraca pomiędzy międzynarodowymi zespołami przebiegała tak bezproblemowo, że nie czuło się tego, że ludzie znajdują się w różnych krajach i strefach czasowych. „To jest potęga tej firmy: ludzie kontaktują się za sobą. Każdy skupia się na tym, aby jego praca przyczyniała się do rozwoju rynku geodezyjnego, inżynieryjnego i budownictwa.”
„Tachimetry są złożone ze względu na swoją naturę”, mówi Einarsson, “i właśnie dlatego R&D wymaga wysokiego poziomu kompetencji i wykształcenia. W naszym zespole mamy wielu magistrów i doktorów nauk ścisłych.”

Christian Glässer, inżynier R&D, mówi „W siedzibie w Danderyd pracuje około 300 osób, a czasami nawet więcej. W pewnych okresach roku mamy tu ludzi z całego świata. Mamy także zespoły akceptacji rynkowej, które przeprowadzają bardzo intensywne tygodnie testowe.”

Chociaż wymagania mogą być wysokie, Einarsson i jej współpracownicy rozwijają się z każdym wyzwaniem. Einarsson mówi, że „U nas panuje taka kultura, że nasi pracownicy naprawdę lubią tutaj pracować, lubią produkty, które tworzą i są z nich niezmiernie dumni – i zostają!”

Robert Jung, menadżer techniczny produktu, podsumował, które produkty zostały opracowane i wyprodukowane w Danderyd (które w 1978 roku zostały przeniesione z pierwotnej siedziby AGA oddalonej o 30 km), „SX10, S5, S7, S9, SPS [tachimetry] dla budownictwa i kontroli maszyn oraz tachimetr serii RTS dla BIM — wszystkie bazujące na tej samej serii S.”

W Danderyd produkowane są także skanery. „Produkujemy skanery TX8 i TX6 oraz niektóre jednostki sterujące i pryzmaty” mówi Jung.

Projekt Sally

Einarsson mówi “Opracowanie SX10, znane także jako projekt Sally, było dla nas ogromnym wyzwaniem. Potrzebny jest naprawdę wysoki poziom współpracy, aby można było uprzemysłowić i produkować tak zaawansowane urządzenie.”

Skąd wzięła się nazwa Sally? Wygląda na to, projekty R&D mają nadawane kryptonimy przez zarząd Trimble.

„W tym czasie nadawano projektom nazwy samochodów”, mówi Einarsson. „Nazwano go Mustang, dlatego powstał Mustang Sally, a ostatecznie po prostu Sally.”

Einarsson kierowała tym projektem od początku do samego końca, jako menadżer projektu. Mikael Nordenfelt, specjalista R&D także uczestniczył w projekcie od samego początku, lub jak sam mówi „Na długo przed powstaniem projektu. Ogólny pomysł nie był mój, ale stworzyłem pierwszy dowód koncepcji („Proof of Concept”), aby sprawdzić czy zadziała od samego początku.”

Einarsson opowiedziała anegdotę, że gdy Nordenfelt z zespołem testowali bardzo wczesne prototypy systemu na korytarzach części biurowej siedziby, musiała mieć otwarte drzwi do swojego biura, aby zapewnić większą odległość do jednego ze stanowisk testowych.

Co przyczyniło się do powstania projektu? Einarsson wyjaśnia, że “Około 10 lat temu, skanery były wykorzystywane przez pierwszych użytkowników; technologia szybko się rozwijała, co roku powstawały nowe rzeczy, nowe warianty. Przy tworzeniu skanerów laserowych głównie skupiano się na tym, aby były szybsze i dawały gęstsze chmury punktów. Trimble w tym czasie także produkował i rozwijał skanery, tak jak GX.”

Trimble podjął się wyzwania, które Einarsson nazwała „rozwojem produktów na wszystkich płaszczyznach. Tachimetrów mechanicznych, wysokiej klasy tachimetrów serii S, [GNSS] oraz tachimetru VX, który umożliwia obrazowanie i skaning. Panowała wtedy moda [ok. 2010 roku] idąca w kierunku małych, szybkich, niedrogich skanerów; każda firma w branży odświeżała portfolio swoich produktów.” To tylko wzmocniło przekonanie odnośnie projektu Sally, który był już w toku.

Pytanie jakie zadawała sobie Einarsson z zespołem badaczy i programistów brzmiało „Czy istnieje sposób, aby połączyć szybkość skanera z dokładnością tachimetru? Czy jest to w ogóle możliwe?”

Kiwanie i obracanie

Twórcy na początku zastanawiali się, co można zrobić, aby dostosować i rozszerzyć możliwości istniejących konstrukcji.

Trimble VX, wprowadzony w 2007, bazował na wysokiej jakości napędzie magnetycznym platform tachimetru; posiadał możliwości obrazowania tachimetrów z serii S (do dokumentacji i fotogrametrii naziemnej), ale także możliwość wykonywania pomiaru punktów w postaci gęstej siatki. „Skanowanie” zostało osiągnięte poprzez „kiwanie” w górę i w dół lunety tachimetru podczas przemieszczenia przez pole widzenia. Funkcje „skanowania” były dość ograniczone w porównaniu z dedykowanymi skanerami, jednak VX odniósł sukces i udowodnił, że takie dodatkowe funkcje mogą być użyteczne podczas pomiarów geodezyjnych. Inni producenci także zastosowali koncepcję kiwania i chociaż udało im się osiągnąć imponujące szybkości (jednak tylko w zasięgu do 1000 punktów na sekundę), żaden z nich nie osiągnął poziomu zakładanego dla SX10.

Wysokiej jakości skanery mierzące „milion punktów na sekundę” zazwyczaj stosują wirujące reflektory, wykonujące pomiary wzdłuż pionowych ścieżek, podczas gdy cały instrument obraca się na swojej osi poziomej, aby utworzyć pełną lub częściową chmurę punktów. Niektóre wykonują w pełni kolorowe zdjęcia, które można wykorzystać do wizualizacji lub kolorowania chmur punktów. Może to generować bardzo dużo ciepła (w takiej sytuacji instrument wymaga systemów chłodzących) i wykorzystywać bardzo dużo mocy, co powoduje, że w wielu przypadkach instrumenty są ciężkie i nieporęczne, a skanery mogą zawierać tylko podstawowe funkcje służące do połączenia w całość skanów z kolejnych stanowisk.

Aby połączyć obie te opcje, jaką ścieżkę powinien obrać zespół? Bazować na budowie skanera i dodać funkcje tachimetru? Czy bazować na tachimetrze i dodać funkcje skaningowe? Einarsson, Grässer i Nordenfelt szczegółowo opowiadali o tym, jak zmieniało się ich podejście i jak wiele próbnych koncepcji stworzyli przy użyciu istniejących elementów i pomysłów.

Pokazali mi film z testu przy użyciu szybkiego (ale niewystarczająco szybkiego na potrzeby skaningu) napędu magnetycznego tachimetrów z serii S, który obracał się jak szalony, aby utworzyć „pełną sferę” skanu podczas stopniowego pionowego przemieszczania się lunety. Obliczenia wskazywały na to, że skan „pełnej sfery” wykonany w taki sposób zajmie kilka godzin. Stało się jasne, że nie zadziała to w taki sposób.

Z wielu form, które były brane pod uwagę, dwie stały się liderami. Jedna była wyższa, aby pomieścić elementy chłodzące i umożliwić wirowanie lunety, a druga niższa i bardziej przypominająca ostateczny projekt.

„Musieliśmy utworzyć mniejszą formę niż początkowo planowaliśmy” mówi Einarsson. „Zaczęliśmy od produktu, który bardziej przypominał skaner niż tachimetr. [Nasi] projektanci wzornictwa przemysłowego zaproponowali dużo lżejszą wersję; jednak wymagała ona także niskiego zużycia energii i musiała być w stanie rozproszyć ciepło. Trzeba było także dołączyć wysokiej jakości pomiary na potrzeby tradycyjnej geodezji — taka była wizja. Chcieliśmy zjeść ciastko i mieć ciastko.”

W jaki sposób było to możliwe? Nordenfelt odpowiada „Mogliśmy to uzyskać, projektując zupełnie nowy styl dalmierza laserowego.” Zespół mógł śmiało ruszyć do przodu.
Do około 2010 roku, pomysł stworzenia instrumentu bazującego na skanerze lub tachimetrze został odłożony, a koncepcja stworzenia czegoś zupełnie nowego skupiła się na tym, aby luneta wykonywała pomiar punktów podczas kiwania. Stało się to głównym wyzwaniem. Odpowiedź była częściowo zainspirowana przez metodę tworzenia „ruchu zamiatającego” w zupełnie innym instrumencie.

Szkic na kopercie

Zapytałem zespół o moment „olśnienia” podczas opracowywania SX10.

Nordenfelt mówił o swoim koledze z Danderyd, Mikaelu Hertzmanie: “Rozpoczął pracę 35 lat temu gdy jeszcze istniała AGA. Był pracownikiem z największym doświadczeniem, naprawdę pomysłowym facetem. Nadal żyjemy jego pomysłami; wiele z naszych podstawowych technologii pochodzi od niego.”

Hertzman pamiętał technologię stworzoną przez AGA w latach siedemdziesiątych XX wieku; była to kamera termowizyjna. “Wyzwaniem dla kamery termowizyjnej było skanowanie [dużego obszaru] przy użyciu pojedynczego, bardzo drogiego czujnika podczerwieni chłodzonego ciekłym azotem. Rozwiązaniem było przekazanie wiązki przez dwa obracające się [ośmiokątne] germanowe pryzmaty, jeden poziomy i jeden pionowy.”

Rys. 6: Odchylenia pryzmatu

Hertzman odwiedził Flir (dawna część firmy AGA), aby przyjrzeć się mechanizmom, wrócił i, jak mówi Nordenfelt, „narysował szkic na kopercie. Przeprowadziłem kilka symulacji i to działało. Mogliśmy umieścić w instrumencie obracający się pryzmat i osiągnąć potrzebne odchylenie.”

Na potrzeby SX10, zespół opracował ośmiokątny pryzmat, który obraca się z szybkością 1000 obrotów na minutę. Gdy wiązka przechodzi przez jedną płaszczyznę pryzmatu, odchyla się na boki i z powrotem przechodzi przez przeciwną płaszczyznę. Gdy następnie przechodzi przez obiektyw przekłada się to na odchylenie i powstanie 16 punktów w poprzek (i pod kątem od pionu, ze względu na to, że cały mechanizm jest pochylony). Otrzymujesz przekątny wzór (smugę) punktów, gdy luneta przesuwa się w górę, oraz przekątny wzór w drugim kierunku, gdy przesuwa się w dół. Gdy pryzmat się obraca, wzór zaczyna się od początku przy zmianie stron. Dzięki precyzyjnej synchronizacji, proces ten można powtórzyć, aby wypełnić poprzednie wzory i zagęścić chmurę punktów.

Rys. 7: Wirujący pryzmat, który umożliwia szybkie i precyzyjne odchylenie, wymagane do uruchomienia skanowania w SX10. Źródło: Robert Jung.

Dzięki nowemu wirującemu pryzmatowi, który dostarcza precyzyjną smugę 16 punktów, można osiągnąć prędkość równą 26600 punktów na sekundę. W ten sposób można uzyskać skan “pełnej sfery” (360° poziomo i 300° pionowo, czyli wszystko co znajduje się powyżej statywu) w trybie zgrubnym w czasie 12 minut. Zdjęcie pełnej sfery, gdy jest wymagane, jest dodawane w 2.5 minuty. Odstęp zawsze wynosi jeden miliradian, co oznacza, że przez przesunięcie wzoru przy kolejnych przejściach, chmurę można zagęścić o 4, 16 lub 64 przejścia. Przewiduje się, że zazwyczaj będą wykonywane skany pełnej sfery w czasie pojedynczego 12 minutowego przejścia, a gęstsze skany będą zarezerwowane dla wybranych obszarów.

Rys. 8: Za charakterystycznym „wielkim okiem” SX10 kryje się wirujący pryzmat do skanowania, laser śledzący, laser EDM, telekamera oraz kamera śledząca. Obok obiektywu znajduje się kamera poglądowa (z lewej strony) oraz kamera podstawowa (z prawej strony), a kamera pionownika pod spodem. Źródło: Schrock

Zalążek

Nowa luneta będzie wielozadaniowa na poziomie, którego dotąd nie testowano. Zostaną wykorzystane postępy technologii opracowane dla telekomunikacji, w szczególności światłowody. Zostanie dodanych kilka kamer, które mają bezproblemowo współpracować i automatycznie się włączać. Nie będzie ręcznego okularu (niepraktyczne jest umieszczanie w środku wielu wiązek, pryzmatów i czujników), a zespół będzie musiał opracować system śledzenia, którego nie testowali w poprzednich modelach.

SX10 posiada wiele serc, tak jak kilka innych tachimetrów. Jednym z nich jest oscylator kwarcowy, synchronizujący impulsy laserowe, obracający pryzmat, częstotliwość próbkowania i przetwarzanie.

Kolejne to laser sygnałowy. Wzmacniacz światłowodowy w układzie MOFA (ang. master oscillator fiber amplifier) jest mniejszy od talii kart. Posiada “laser sygnałowy” i dwa lasery pompujące, które wzmacniają sygnał poprzez, jak mówi Nordenfelt, “pompowaniu do tyłu brudnego światła. Laser sygnałowy daje bardzo krótki impuls z mocą szczytową równą 0.1 wata, następnie jest wzmacniany w dwóch krokach, przy użyciu mocy z tych dużych laserów pompujących. Po pierwszym wynosi 10 watów, a drugi zamienia go w 1.3 KW. Pomiędzy są izolatory.”

Wiązki są odizolowane od wzmocnionych sygnałów, aby wykonywać kilka operacji: skanowanie, pojedyncze pomiary tachimetryczne i śledzenie osobnym laserem. Zespół nazwał ten wielozadaniowy dalmierz „3DM.”

Rys. 9: SX10 posiada 5 kamer i zestaw laserów i czujników, które zostały nazwane „3DM”. Złożoność tego systemu wymagała opracowania nowych stanowisk montażowych, rektyfikacyjnych i testowych. Zdjęcie wykonał Petter Magnusson – PMAGI AB

Aby utworzyć bardzo wąską i ściśle kontrolowaną wiązkę, światłowód jest dopracowywany na miejscu – dostępne światłowody mogłyby nie spełnić norm. Podczas zwiedzania fabryki, technik produkcji Maik Tegge wyjaśnił ten kluczowy proces. “Wkładamy światłowód w [uchwyt] i odrywamy koniec. Mamy stół do polerowania, który [obraca się] do 8 pozycji, dzięki czemu nigdy nie jest powtórzone to samo miejsce. Wykonujemy pięć kroków przy użyciu diamentowego papieru ściernego, za każdym razem drobniejszego. W pierwszych trzech krokach papier znajduje się na gumowych matach, aby uzyskać zaokrąglone końce, a ostatnie dwa są na szkle.” Maik pokazał mi widoki mikroskopowe gotowych końcówek, które wyglądały fantastycznie w porównaniu ze zdjęciami końców standardowych światłowodów. Aby móc wykorzystać światłowód do takich zadań, jak to w SX10, konieczne jest przeprowadzenie tych kroków. Dotknąłem papieru, którego używali – pierwszy przypominał w dotyku papier ścierny 600, a najcieńszy był tak gładki jak szkło.

W urządzeniu sterującym MOFA zauważyłem zwoje światłowodów. Nordenfelt wyjaśnił, że zwoje zapewniają opóźnienia potrzebne do wspierania elektroniki pomiędzy wyjściowymi i wejściowymi sygnałami, ponieważ laser jest tak intensywny. Ze względu na to, że wszystko dzieje się z prędkością światła i biorąc pod uwagę to, jak małe są przewody światłowodu, mogę sobie tylko wyobrazić, że przyrosty czasu, z którymi mają do czynienia są czymś z poziomu tych, z którymi mają do czynienia naukowcy pracujący z wielkim zderzaczem.

Zespół mówi, że wynikiem korzystania z tak dokładnych elementów wraz ze specjalnie opracowaną optyką, jest “najmniejsza na rynku plamka lasera. Możliwe jest uzyskanie naprawdę ładnej, małej plamki: 8 mm na 50m i tylko 14mm na 100m.” Korzyści, jakie niesie za sobą mały rozmiar plamki lasera będą widoczne np. podczas pomiaru krawędzi narożnika budynku; większa plamka obejmie także fasady sąsiednich ścian, powodując błędne rozpoznanie narożnika. Małe rozmiary plamki odpowiednio zmniejszają te błędy.

Skala próbkowania sygnałów w dalmierzach, skanerach, a w szczególności w SX10, jest niewyobrażalna. Jak wyjaśnił Nordenfelt, to jeszcze bardziej podkreśla złożoność przetwarzania.
„Trudnością związaną z pojedynczym impulsem jest to, że potrzebne jest dużo więcej mocy, aby powstrzymać szum, oraz potrzebny jest odbiornik o bezpośrednim próbkowaniu. Posiadamy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), który próbkuje z prędkością 2 gsps (dwa miliardy próbek na sekundę). Należy rozpocząć nagrywanie, gdy tylko zostanie włączony, a na nagranie wszystkiego jest tylko kilka milisekund [dla każdego osobnego pomiaru]. Gdy wyobrazisz sobie pojedynczy impuls jako jedną kroplę deszczu, a próbkowanie przebiega przy prędkości 2 miliardów próbek na sekundę, w ten sposób zostanie napełnionych 600 beczek, a my szukamy jednego wiadra z tych wszystkich beczek – co sekundę. Porównaj ten proces z typowym przetwarzaniem dźwięku przy prędkości 44 ksps [tysięcy próbek na sekundę]. Jest to ogromny krok naprzód, w porównaniu z tym, co jest w stanie zrobić zwykły tachimetr.”

Jak się to przekłada na precyzję? Nordenfelt odpowiada: „Musisz dokładnie obliczyć odległość dla małego zbioru próbek; prędkość światła wynosi 300 000 km na sekundę, a przy 2 giga próbek na sekundę odstęp pomiędzy próbkami wynosi 7.5 cm. Konieczne jest wykonanie dużej ilości przetwarzania, aby przyjrzeć się kształtowi impulsu i uzyskać jedną setną tej długości, aż dojdzie się do milimetra.”

Nordenfelt odpowiedział ze śmiechem na moje zdumienie po usłyszeniu tej informacji: „Tak, również jesteśmy pod wrażeniem, że to działa.”

Doskonały jako tachimetr

Osiągnięcie małego rozmiaru plamki lasera dalmierza elektronicznego było jednym z wielu sukcesów inżynieryjnych zespołu podczas składania wszystkich elementów w całość, aby zbudować wielozadaniowy „3DM.” Urządzenie miało nie tylko posiadać funkcje skaningu, ale także być równie dobrym, jeśli nie lepszym pod pewnymi względami, tachimetrem.

Jeśli chodzi o możliwości skaningowe, szybkość nie może równać się z wysokiej jakości, dedykowanymi skanerami, jednak skaner SX10 posiada kilka zalet, jak np. niższy średni poziom szumów pomiaru odległości. W wielu dedykowanych skanerach, szum pomiaru zaczyna się od bardzo niedużych wartości, jednak pogarsza się wraz ze wzrostem odległości. Można powiedzieć, że szum pomiaru odległości to różnica pomiędzy grupami pomiarów do płaskiej powierzchni na określonej odległości; jeśli skanowana powierzchnia wygląda na chropowatą na chmurze punktów, jest to spowodowane szumem pomiarów. Kolejnym efektem szumu pomiarów w większości skanerów są zdublowane powierzchnie i obiekty na chmurze punktów. Zespół był w stanie udoskonalić skaning w SX10, dzięki czemu szum pozostaje niski na większości jego zasięgu.

Nordenfelt mówi, “Szum pomiaru na odległości do 200m wynosi tylko 1.5mm i 2mm przy 250m; zaczyna przy wyższej wartości, ale pozostaje jednolity aż do 250m.”

Zespół podkreśla, że ich produkty są rozwijane przy bezpośrednim wsparciu wielu geodetów; Trimble posiada rozległą sieć klientów, którzy dostarczają dane wejściowe, biorą udział w testach i są zaangażowani w fazy akceptacji rynku. Odpowiedź zwrotna kilka razy zmieniła kierunek rozwoju ich produktów. Gdy poradzili sobie z ogromnym wyzwaniem, jakim było dodanie do tachimetru możliwości skanowania, przez lata starali się udoskonalać instrument, skupiając się również na tym, aby SX10 stał się jeszcze lepszym tachimetrem, doskonałym pod wieloma względami.

„SX10 początkowo miał być instrumentem 2-sekundowym” mówi Nordenfelt. „EDM [początkowo] miał mieć dokładność 4mm, następnie 2-2.5mm, a zakres skanu miał wynosić do 250m. Ale my chcieliśmy czegoś więcej. Każdy pomiar skanera był dobry, mieliśmy dobry EDM, więc mogliśmy zbudować statystyki i próbować dalej ulepszać nasz instrument. Postęp był stopniowy, i w poprzednim roku mogliśmy dojść do 600m, zwiększając zakres DR (bezreflektorowy) i osiągnąć dokładność 1 sekundy”.

Kolejnym dużym krokiem dla zespołu było zaproponowanie nowego podejścia aktywnego śledzenia, które było podstawą ich innych tachimetrów. Biorąc pod uwagę to, że inni producenci stworzyli pasywne systemy śledzące bazujące na kamerze, a Trimble wykorzystał tę technologię tylko w kilku instrumentach robotycznych Spectra Precision, zespół postanowił opracować swój własny pasywny system śledzenia bazujący na kamerze i dodać kilka ulepszeń.

Jednym z wyzwań dotyczącym systemów śledzących jest nieprawidłowe rozpoznawanie przez tachimetr odbicia obiektów odbijających światło otoczenia (np. lusterek samochodowych czy oświetlenia ulicznego). Nordenfelt mówi “Opracowaliśmy nowy system śledzący głównie przez to, że stary nie byłby w stanie współpracować z nowymi elementami optycznymi. Stary jest wrażliwy na rozproszone światło; ruchomy nadajnik zawsze będzie tworzył część światła rozproszonego. Porzuciliśmy więc podejście detektora ćwiartkowego [4 diody] i zajęliśmy się technologią śledzenia kamery.
„Ogólna zasada jest taka, że laser śledzący oświetla pryzmat; pryzmat odbija światło. Wykonujesz zdjęcie przy użyciu filtrów chromatycznych w poszukiwaniu bliskiej podczerwieni. Następnie wyłączasz laser i wykonujesz kolejne zdjęcie; odejmij te zdjęcia od siebie; anuluj to, co znajduje się na obu zdjęciach, czyli wszystko oświetlone światłem otoczenia. Cel jest dobrze widoczny i można go wykryć.”

Przetestowałem to w terenie i celowo skierowałem urządzenie na potencjalne nieprawidłowe źródła światła; działał tak samo jak inne instrumenty, które testowałem, jednak z dodatkową zaletą, jaką jest ulepszenie dzięki telekamerze (więcej o tym w dalszej części).

Poza napędami magnetycznymi (pionowa i pozioma oś instrumentu i lunety), w instrumencie niewiele jest ruchomych części. Jedną z nich jest lustro systemu śledzącego na wysuwanym ramieniu do wychylania podczas niektórych funkcji skanowania, pomiaru odległości czy obrazowania. Zapytałem o wewnętrzne ścieżki wiązek, elementów śledzących i obrazowania, i nieudolnie próbowałem narysować ich przebieg w notatniku.

Jedną ze ścieżek jest system śledzący. Nadajnik systemu śledzącego uderza w mały pryzmat na ramieniu i jest emitowany przez duży obiektyw, a sygnał zwrotny ze śledzonego pryzmatu jest odbijany z powrotem do systemu – poprzez duży złożony pryzmat, który jest kolejnym sercem systemu.

We wczesnym stadium rozwoju instrumentu, Christian Grässer pojechał do Japonii, aby odwiedzić spółkę Nikon-Trimble Joint Venture (NTJV) i zobaczyć jak wykonuje się tego typu pryzmaty i wrócił całkiem zadowolony. Podstawą tych wielofunkcyjnych pryzmatów stanowi precyzyjna aplikacja powłok odbijających i specjalistycznych klejów. Nie można było dopuścić do odklejenia się żadnego z elementów, a zespół zauważył, że niektóre z testowanych klejów są tak silne, że powodują pęknięcia szkła. W SX10 jest bardzo dużo szkła, mówi Grässer; około pół kilograma udoskonalonego szkła.

Kamery

Wszystkie tachimetry wyprodukowane w Danderyd posiadają kilka kamer cyfrowych, ale SX10 ma ich aż pięć. Jak użytkownik może nauczyć się je obsługiwać?

Odpowiedź brzmi: nie musisz się wiele uczyć, aby opanować ten system. Trzy z pięciu kamer pracują równocześnie, aby działać jako jedna, czwarta jest wykorzystywana jako pasywny system śledzenia, a piąta to prosta kamera pionownika.

Grässer opisał to w następujący sposób: „Jest to w pełni zintegrowany system kamer do dokumentowania, pomiaru i obsługi instrumentu”.

Począwszy od kamery pionowej, mówił „Kamera pionownika znajduje się tam, gdzie rozpoczynasz swoją pracę; nie jest ona skomplikowana i jest prostsza od poprzednich pionowników optycznych. Przy wysokości 1.5m, jeden piksel odpowiada 0.3mm na ziemi.”

Kamera pionownika, tak jak wszystkie pozostałe kamery, jest projektowana i montowana w siedzibie w Danderyd. Poza przetwornikami CMOS kamery, w instrumencie nie ma gotowych elementów (większość z nich nie spełniłaby wymagań).

„Zestaw systemu kamer stanowią trzy kamery: kamera poglądowa, kamera podstawowa oraz współosiowa telekamera” mówi Grässer. „Użytkownicy odbierają to jako jedną kamerę; przybliżanie i oddalanie, a także włączanie i wyłączanie odbywa się bardzo szybko. [W połączeniu] dają pole widzenia w zakresie od 0.65° do 57° oraz 84-krotny zoom.”

Telekamera posiada osiem poziomów; pierwszych sześć umożliwia 84-krotny zoom. Na siódmym i ósmy poziomie piksele są dość małe i mogą być jeszcze mniejsze dzięki cyfrowemu zoomowi.”
Korzyści wiążące się z dodatkowym cyfrowym zoomem były dość oczywiste podczas testów terenowych i (między innymi one) przekonały mnie, że brak lunety w tachimetrze nie musi być niczym złym.
Grässer podał przykłady z własnych testów (zespoły produkcyjne i inżynieryjne są zachęcane do samodzielnego testowania sprzętu): „Na 700m szyna o szerokości 50mm była łatwym celem. Różnicę pomiędzy SX10 i klasycznym [instrumentem pomiarowym] stanowi cyfrowy celownik. Znajduje się on na ekranie i można ustawić jasność, ekspozycję, balans bieli i inne parametry. Ostrość można ustawiać ręcznie lub automatycznie.”

Gdy usłyszałem, że rozdzielczość kamer wynosi 5 MP (megapikseli), pomyślałem sobie, że smartfony mają 2-3 razy lepszą rozdzielczość, ale zapomniałem o tym, że tak małe sensory mają bardzo wąskie pole widzenia przy dużym przybliżeniu. Weźmy pod uwagę telewizję w full HD – na poziomie każdego piksela jest wiele szczegółów.

Grässer mówi „Podczas przybliżania, środek celownika przedstawia rozmiar plamki lasera dla danej odległości. 1 piksel jest mniejszy niż 1 mm na odległości do 50m. Cyfrowy celownik celuje dokładnie w to samo miejsce, co EDM; kamery zaznaczają celownik dla dalmierza. Położenie cyfrowego celownika zależy od tego, która kamera jest aktywna i jest funkcją odległości. Dlatego też pomiary odległości zawsze są [wykonywane] w tle celownika i zapewniają odległość do ciągłego ustawiania ostrości. Dotyczy to również danych z czujników i danych z kalibracji temperatury.”
W odróżnieniu od telekamery, kamery poglądowa i podstawowa nie są współosiowe, wyjaśnia Grässer. „Kompensujemy paralaksę pomiędzy kamerami przy użyciu celownika. Nie musisz uruchamiać pomiaru odległości, aby to zrobić; ta opcja zawsze jest włączona.”

„Wszystkie szklane układy optyczne są kompensowane temperaturowo, a wszelkie pozostałe wpływy są kalibrowane podczas montażu i testów każdego instrumentu. Przeprowadzamy kalibrację jasności światła oraz regulację zmian kolorów dla każdej kamery.” Grässer mówi „Wykorzystujemy światło odniesienia, aby wszystkie kamery działały poprawnie i były skalibrowane pod względem geometrii, automatycznej regulacji ostrości i temperatury.”

Telekamera może mieć ręcznie lub automatycznie zmienianą ostrość, pozostałe kamery są ustawione na stałe. Poświęcono dużo czasu na wyeliminowanie dystorsji ze zdjęć tworzących panoramy.
Fotogrametria naziemna to kolejna opcja pomiarowa. Zdarza się przeoczyć niektóre obiekty podczas pomiarów lustrowych lub bezlustrowych, zdarza się, że obszar nie został zeskanowany lub skaner nie objął niektórych obiektów, wtedy zdjęcia umożliwiają pomiary po powrocie z terenu. Wykonanie panoram na każdym stanowisku staje się nawykiem użytkowników posiadających tachimetr z możliwością obrazowania. Na 50m, piksel jednej panoramy wynosi 4.4mm, a odchyłki są w miarę równomierne na całym polu widzenia. Pomiary fotogrametrii naziemnej na nakładających się zdjęciach z różnych stanowisk są wykonywane w TBC, ze względu na to, że zdjęcia są zarejestrowane.

Zapytałem o standardy; Grässer mówi, że przestrzegają standardów ISO, a standard długości odpowiada standardowi Physikalisch-Technische Bundesanstalt, niemieckiego instytutu metrologii. Częstotliwość zegara odniesienia (oscylatory kwarcowe w instrumentach) jest zsynchronizowana z zegarami atomowymi.

Poziom fabryki

Aby wejść na poziom fabryki, otrzymuje się chałat i odpowiednie buty (z taśmami uziemiającymi). Miejsce jest bardzo czyste i lśniące, z uwagi na remont i przebudowę, które miały miejsce w ostatnim czasie, aby zapewnić odpowiednie warunki dla linii SX10. Rozbudowa obejmowała utworzenie zupełnie nowych stanowisk produkcyjnych i procedur, niż te, które były odpowiednie dla produkowanych tu tachimetrów z serii S oraz skanerów.

Podczas wizyt w innych niepowiązanych obiektach w tym kraju zauważyłem to, co moi koledzy opisali mi jako Szwedzkość mająca odzwierciedlenie w formie fizycznej i w środowisku pracy w siedzibie w Danderyd. W końcu to państwo liczące niespełna 10 milionów mieszkańców, posiada długą historię związaną z precyzyjną produkcją poprzez inwestycję w badania i rozwój swojego przemysłu oraz w wykształcenie i zdrowie pracowników.

Mimo to, nie czuć żadnej presji. Dzień roboczy trwa 7.6 godziny; pracownicy produkcji są wykształceni, przeszkoleni, wykwalifikowani – i radośni – i codziennie zmieniają się na stanowiskach montażowych i testowych. Językami urzędowymi dla wszystkich prac odbywających się w siedzibie są szwedzki i angielski. Czy wspomniałem, że w czasie lunchu można pić piwo (a dokładniej słabe “lunchowe” piwo)? Bufet w Danderyd był wyjątkowo dobry i naprawdę serwowali tam szwedzkie klopsiki (köttbullar). Cytując Kroniki Seinfelda: “they’re real, and they’re spectacular”.

Moimi przewodnikami byli technik produkcji Maik Tegge oraz kierownik techniczny produktu Robert Jung.

„Tutaj odbywa się montaż”, mówi Tegge. „Części pochodzą z różnych źródeł, jednak większość podzespołów także tworzona jest tutaj. Kamery są wykonywane tutaj, na piętrze, a elementy optyczne są wykonywane w pomieszczeniu czystym (ang. „clean room”).

Na podwyższonej platformie zauważyłem jedno z serii stanowisk testowych SX10; w pewnych momentach to miejsce przypominało mi bardziej obiekt testowy niż fabrykę, ponieważ na każdym kroku montażu znajduje się stanowisko testowe. Testowany jest każdy element każdego instrumentu; wszystkie wyniki są zebrane w bazie danych i są indeksowane według pojedynczego instrumentu, i można mieć do nich wgląd nie tylko podczas montażu, ale przez całe życie instrumentu.

Na jednej z podniesionych platform umieszczonych nad podłogą fabryki, znajduje się kilka mocowań do testowania elektronicznych dalmierzy i kamer, celujących do punktów z bardzo małej odległości, a także ze 167m. Każde stanowisko posiada różne tarcze, począwszy od tarcz do kolimacji, szachownic i kolorowych wzorów aż po lustra odbijające się na tyłach fabryki. Na całej długości podłogi rozciąga się długi interferometr testowy; ma 167m, ale znajdują się tam potrójne lustra, umożliwiające zwiększenie długości. Interferometry testowe są często testowane i kalibrowane przez niezależny, zewnętrzny zespół przy użyciu ich własnego sprzętu. Dwie komory klimatyczne znajdujące się na platformie umożliwiają wykonanie takiego samego testu przy najwyższej i najniższej temperaturze z zakresu od -20°C do +50°C.

Tegge mówi „Testy są cykliczne, [na przykład] kamera podstawowa zmierza do celu, sprawdza ostrość na szachownicy; [na tym stanowisku] wykonujemy także kalibrację.”

W kolejnym pomieszczeniu znajduje się okno i tam wykonywane są testy EDM na bardzo długich dystansach oraz testy kamer (przy otwartym i zamkniętym oknie) do celów umieszczonych na odległych budynkach, jeden z nich jest oddalony o 2.43 km.

Zauważyłem, że jesteśmy na drugim piętrze fabryki; czy stabilność podłoża również jest sprawdzana? Jak się okazuje (co nikogo nie dziwi) nawet to jest monitorowane. Kilka tachimetrów serii S stale monitoruje odchylenia, i są one przetwarzane w ich własnym oprogramowaniu monitorującym, Trimble 4D Control (T4D), które jest powszechnie stosowane do monitorowania budynków, mostów i zapór. Znajdują się tam także duże, kamienne stoły, które służą do kalibracji i testowania kompensatorów.

Tegge mówi, „W pełni śledzimy wszystkie elementy składowe instrumentu, gdy są budowane i kontrolowane, a różne procesy kalibracyjne są przechowywane w bazie danych. Cały zespół produkcyjny jest szkolony do pracy na wszystkich stanowiskach i codziennie pracownicy się zamieniają. Odróżnia to nasz zakład od innych fabryk.”

Jednym z ważniejszych robotów w fabryce jest ten znajdujący się w szklanej, klimatyzowanej obudowie, który montuje szklane dyski służące do ruchu pionowego i poziomego napędów magnetycznych. Dyski te stanowią jeden z elementów wspólnych tachimetrów serii S i tachimetru skanującego SX10 i wykorzystują parę diod emitujących i odbierających światło, uderzających w wyryte wzory w celu precyzyjnego pomiaru kątów. Montaż takich części jest najlepiej wykonywany przez roboty, jednak pracownicy wspomnieli, że znają fabryki, w których taki montaż cały czas jest wykonywany ręcznie.

Celownik

SX10 nie posiada fizycznego celownika (czy „krzyża kresek”, jak nazywają go w Danderyd). Celownik stanowił odniesienie dla wszystkich procesów kalibracji i testowania kolimacji. Brak celownika wydaje się być prawdziwym wyzwaniem dla kolimacji, jednak trzeba pamiętać o tym, że fizyczny celownik można zrektyfikować do kilku mikrometrów, a plamka lasera na bardzo krótkim zasięgu może mieć wielkość pojedynczego mikrometra. Zespół musiał przemyśleć dotychczasowe procesy; Tegge wyjaśnił, że oś wiązki głównego lasera dalmierza jest skalibrowana, a inne kolimacje wykorzystują ją jako odniesienie – telekamera, laser śledzący, wirujący pryzmat i wszystko wewnątrz: soczewki, lustra i pryzmaty.

Na linii produkcyjnej klasycznych tachimetrów, wiele stanowisk testowych posiada pojedynczą (lub parę) lunet/czujników skierowanych na lub przez oś główną lunety instrumentu. Stanowiska testowe i kalibracyjne SX10 głównie posiadają takie trzy lub cztery lunety zaglądające wewnątrz tego charakterystycznego dużego obiektywu.

Zapytałem ponownie o pochylenie głównego mechanizmu w lunecie SX10. Chociaż zostało to wykonane tylko aby zapewnić pochylenie skanowanego wzoru, panowie zwrócili mi uwagę, że takie pochylenie pozwala na dalszy rozwój instrumentu (nie chciałem dalej drążyć tematu). Jedno stanowisko to mała obudowa o czarnych ścianach (o wymiarach umożliwiających umieszczenie w środku instrumentu), gdzie kalibrowany jest kolor wszystkich kamer. Jako podstawę do wszystkich regulacji stosuje się jednolity szary kolor.

W siedzibie znajdują się stanowiska testowe i montażowe także dla innych produktów; tylko kilka stanowisk jest wspólnych dla tachimetrów z serii S i SX10, np. stanowiska dla kompensatorów i czujników pochylenia. Czujniki pochylenia to powierzchnia cieczy, z technologią opartą na wykorzystaniu kamer, z dwoma osiowymi lustrami i olejem silikonowym. Optyka jest osobno kalibrowana i testowana, a każdy laser ma wstępnie regulowaną siłę i pozycję; jest to praca mikroskopowa ze względu na to, że nawet najmniejsza drobinka kurzu spowodowałaby efekt falowania w wynikowej plamce, jak kamień w wodzie. Część prac jest wykonywana w czystym pomieszczeniu (ang. clean room).

Poza kilkoma gotowymi elementami testowymi, narzędzia takie jak wkrętaki dynamometryczne czy roboty montujące dyski pomiaru kątów, niemal każdy zacisk i stanowisko testowe zostały zaprojektowane i wyprodukowane na miejscu. Fabryka ma bardzo dobrze wyposażony warsztat.

Rys. 10: Technik produkcji Maik Tegge i kierownik techniczny produktu Robert Jung wyjaśniają autorowi konstrukcję tachimetrów z serii “S”. Źródło: Petter Magnusson, PMAGI AB

Poza stanowiskami montażowymi i testowymi SX10, pokazano mi także stanowiska dla skanerów z serii “S” i skanerów TX. Skanery TX8 i TX6 są montowane w Danderyd (jednak większość prac konstrukcyjnych jest wykonywana w siedzibie we Francji). W 2003 roku Trimble kupił MENSI, francuską firmę specjalizującą się w oprogramowaniu i sprzęcie skaningowym; produkuje ona także oprogramowanie do przetwarzania danych ze skaningu Real Works oraz powiązany moduł skaningowy w TBC.

Tegge pokazał mi interesujące rozwiązanie zainstalowane w fabryce do testowania wiązek skanera; seria długich rur z blachy falistej (które pomyliłem z rurami wentylacyjnymi) krzyżuje się w różnych kierunkach wzdłuż sufitu dolnego piętra fabryki. Wiązki wchodzą do jednej rury, która jest połączona lustrami do wielu rur, aby testować wiązki na różnych odległościach w całkowicie bezpiecznym dla lasera środowisku. Jedno stanowisko testowe skanerów znajduje się pod markizą za jednym z okien, w celu testowania lasera w warunkach zewnętrznych.

Do SX10 dodawane są radia i instrument przechodzi ostatnią serię testów, zanim zostanie wysłany. Stojąc w pomieszczeniu, w którym na półkach znajdują się skończone instrumenty czekające na końcowe testy i wysyłkę, zapytałem jak się ma rynek dla nowych urządzeń. Jung odpowiedział, że popyt na SX10 jest bardzo dobry, a zapotrzebowanie na tachimetry z serii S i skanery pozostaje duże.

Jazda testowa

Pomiar, który chciałem wykonać przy użyciu SX10 to pomiar topograficzny przed rozpoczęciem budowy, który będzie obejmował tereny zabudowane i niezabudowane, istniejący budynek i drogę oraz raport nieruchomości. W Stanach Zjednoczonych typowym pomiarem nieruchomości jest pomiar według standardów ALTA (American Land Title Association). Taki pomiar jest często wymagany przez land tile companies i instytucje udzielające kredytów, aby uwzględnić granice, topografię, istniejące budynki, uzbrojenie terenu, służebności, itp. Spotkałem wielu geodetów, którzy dodali skaning i/lub obrazowanie do pomiarów raportów nieruchomości i gdy usłyszałem o SX10 pomyślałem, że może być to odpowiednie narzędzie do tego typu (i wielu innych) pomiarów.

Jung był moim instruktorem podczas pomiaru SX10; rozstawiliśmy sprzęt do pomiaru testowego niedaleko fabryki; Jung wcześniej zastabilizował kilka punktów osnowy, a na ścianach fabryki i w jej otoczeniu były zamontowane znaczki pomiarowe, na które mogliśmy wykonać pomiar.

Rys. 11: Podczas pomiaru testowego dołączył do nas Lennart Gimring, menadżer pomiaru i mapowania ÅF Infrastructure AB, który był jednym z pierwszych użytkowników SX10. Gimring powiedział, że wdrożenie instrumentu do pracy jego zespołów pomiarowych przebiegło całkiem sprawnie. Zdjęcie wykonał Petter Magnusson – PMAGI AB

Dołączył do nas Lennart Gimring, kierownik ds. pomiaru i mapowania firmy ÅF Infrastructure AB, który był jednym z pierwszych posiadaczy SX10 i brał udział w testach zatwierdzających instrument przez użytkowników.

„ÅF wykonuje wszelkiego rodzaju pomiary, w tym pomiary topograficzne budowy, dróg, wnętrz i pasów startowych” mówi Gimring. „Chętnie wykorzystujemy skaning, ponieważ możemy go łączyć z innymi danymi, np. danymi LiDAR z helikoptera. Dzięki SX10, widzimy obszary, które moglibyśmy pominąć podczas pracy z innego typu urządzeniami do gromadzenia punktów, skanowania i obrazów.”
Jego firma to duży międzynarodowy koncern świadczący usługi techniczne, doradztwo techniczne, inżynierię infrastruktury, wspierający przemysł, energetykę, energię wodną, energię jądrową i więcej.

„Mamy około 9 000 pracowników w Szwecji, a na całym świecie około 11 000, oraz sieć partnerów składającą się z 29 000 osób” mówi Gimring. „Nie chcemy robić wszystkiego sami; jesteśmy zależni od naszych partnerów.”

Gimring wspomniał o kilku zaletach korzystania z SX10: „To co osobiście uważam za największą korzyść jest możliwość zrobienia szybkich skanów i zdjęć przed opuszczeniem terenu budowy i posiadanie danych, których nie jest się w stanie pozyskać klasycznym tachimetrem, dzięki czemu można uniknąć ponownej wizyty.”

Poza uniknięciem braku danych, Gimring zauważył, że jeśli każdy zespół będzie posiadał takie możliwości, pozwoli to podnieść użyteczność danych. „Możemy mieć dane, które możemy zaprezentować przedstawicielom różnych dyscyplin technicznych. Jeśli jest to most, a klienci chcą zobaczyć jak wygląda inwentaryzacja powykonawcza, możesz pokazać im model. Mając model, nie muszą jechać na teren pomiaru. Mogą ulepszyć przebieg swojej pracy.”

Jakie według Gimringa korzyści płyną z możliwości obrazowania? „Staramy się korzystać ze zdjęć tak często jak to możliwe; jest to zdecydowanie ważne. Ludzie mogą zwizualizować co się znajduje w terenie. Niektórzy ludzie nadal chcą otrzymywać rysunki CAD utworzone na podstawie danych, jednak jeśli w odpowiedni sposób przedstawi się im możliwości zdjęć, na pewno uznają je za dużą zaletę.”

Zapytałem jak przebiegło wprowadzenie do pracy jego zespołów nowego instrumentu. „Jest tak samo poręczny co tachimetry poprzednich generacji. Jest nieco większy, ale nie musisz dodatkowo zabierać ze sobą skanera. Czasem jest to konieczne, ze względu na to, że wykonujemy pomiary dla przemysłu [zakłady i fabryki], ale z łatwością możemy połączyć te dane. Może nie jest to jeszcze szwajcarski scyzoryk, ale w większości prac jestem w stanie zrobić więcej, zabierając ze sobą mniej sprzętu.

„Moi pracownicy, którzy z niego korzystają, mówią, że jest bardzo prosty w użyciu. Tak jakby korzystali z tachimetrów serii S, a skan jest tylko dodatkową funkcją. Dla nas wydaje się tani, ponieważ nie musimy kupować innego instrumentu. Staramy się nadążać za najnowocześniejszymi instrumentami, więc większość naszego sprzętu jest wynajmowana. Jednak SX10 wydał nam się czymś zupełnie nowym, dlatego go kupiliśmy.

Czy nieco większy rozmiar stanowi problem dla jego zespołów pomiarowych? Gimring odpowiada, że „Jeden zespół, dla którego SX10 jest zawsze pierwszym wyborem, składa się z dwóch kobiet, i noszenie go nie sprawia im problemu. Można nawet powiedzieć że to lubią.”

Gimring wspomniał, że kolejnego dnia rozpoczyna pomiary w ramach projektu pasa startowego lotniska: „W tym projekcie ważne jest, aby pas startowy był otwarty; oznacza to, że musimy wykonać skan nie wchodząc na jego teren. Wykonamy go z dachu oddalonego o setki metrów.”

W ramach naszego testu, ustawiliśmy instrument na środku terenu i wykonaliśmy nawiązanie prostą metodą wcięcia wstecz. Gimring i Jung zwrócili uwagę na to, że w Szwecji zazwyczaj stosuje się odbiornik ruchomy GNSS, aby zastabilizować osnowę łączącą się ze szwedzką państwową siecią VRS (SWEPOS). Rzeczywiście, sieć SWEPOS jest jedną z najgęstszych i najlepiej obsługiwanych na świecie (miałem okazję w niej uczestniczyć dzień przed wizytą w Danderyd, a artykuł na ten temat jest w toku).

Działanie SX10 jest znane i proste — w zasadzie jest takie samo jak typowego tachimetru, posiada kilka dodatkowych funkcji, a instrument jest sterowany tabletem. Ludzie, którzy mieli okazję pracować z tachimetrami robotycznymi są przyzwyczajeni do kontrolowania pomiaru z tyczki, jednak w większości systemów użytkownik nie widzi tego, co widzi tachimetr. Można było patrzeć przez okular klasycznego tachimetru tylko podczas ustawiania stanowiska. Tutaj jest podobnie. Byłem uzależniony od robotyki korzystając z Geodimetrów dwadzieścia lat temu, dlatego dla mnie tablet stał się bardzo użyteczny. Dzięki podzielonemu ekranowi, widzę to co widzi SX10 po jednej stronie, a po drugiej mogę kontrolować wprowadzanie danych.

Chociaż w ramach tego ćwiczenia nie rozstawialiśmy sprzętu nad punktem, wypróbowałem kamerę pionownika i zauważyłem, że na tym samym ekranie mogę zrobić zdjęcie, zapisać dane stanowiska i dane kompensatora. Obrazowanie jest wspaniałe, a wykonane zdjęcia przy (potencjalnie) każdym pomiarze rozstrzygną wiele sporów po powrocie do biura.

Wykonaliśmy pomiar pojedynczych pikiet, tak jak przy pomiarze każdym innym tachimetrem, przy użyciu lustra oraz bezlustrowo. Telekamera i kilka poziomów cyfrowego zoomu umożliwiły wykonanie ciekawego pomiaru. Np. do wieży elektrycznej oddalonej o 200m: był to dobry test dla kontroli zoomu i celownika. Zwisy napowietrznych linii energetycznych zostały także uwzględnione na skanach i łatwo było je zmierzyć w trybie bezlustrowym. Z łatwością wychwyciliśmy także izolator na oddalonej wieży, którego nie bylibyśmy w stanie zobaczyć bez cyfrowego zoomu. Możesz celować ręcznie lub zrobić to na tablecie, przytrzymując klawisze dla szybszych ruchów, a następnie przesuwając ekran, gdy zbliżysz się do celu.

Jest jedna rzecz, której nie mogliśmy zrobić na klasycznych tachimetrach: przesuwać instrument w bardzo małych odstępach. Korzystając z telekamery jesteśmy w stanie przesuwać celownik o jeden piksel poprzez klawisze na tablecie. Jest to szczególnie imponujące przy dużym poziomie powiększenia.

Przed wizytą pytałem geodetów jakie mają zastrzeżenia odnośnie instrumentu i najczęściej padającą odpowiedzią był brak lunety. Jednak gdy zapytałem czy pracowali już przy użyciu kontrolera lub tabletu korzystając z kamery tachimetru, w większości odpowiadali, że nie, więc ciężko jest porównać te dwa sposoby pracy. Wiem, że obraz widziany przez lunetę jest ostrzejszy niż ten transmitowany przez kamery. Jestem pewny, że wiele osób może dojść do takiego samego wniosku co ja (i osoby z którymi rozmawiałem), że większe powiększenie i cyfrowy zoom rzeczywiście stanowią dużą poprawą.

Jednak do takiego trybu pracy trzeba się przyzwyczaić. Geodeci nadal są podzieleni na dwa obozy: sterowania wbudowanego i kontrolerów zewnętrznych. Myślę, że ja należę do fanów kontrolerów mobilnych i braku konieczności stania za instrumentem. Dzięki tyczce, możesz robotycznie kontrolować pomiary i mieć dobre dane. Tablet i kamera, według mnie, przenoszą to na wyższy poziom. Mogę zobaczyć to, co widzi instrument i widzieć to lepiej (w przypadku cyfrowego przybliżenia), niż mogłem to zobaczyć gołym okiem przez okular lunety. Idąc jeden krok dalej, mogę widzieć przebieg pomiaru (skanowanie, obrazowanie, pomiary bezlustrowe) siedząc w samochodzie: coś o czym marzyłem będąc na pomiarach w marcu w chłodnej Szwecji.

Rys. 12: Chmura punktów pochodząca z pomiaru testowego wyświetlona w TBC. Fasada budynku w Danderyd wykonana w trybie zgrubnym, z dwoma obszarami zainteresowania (lewa strona i prawa dolna część) zeskanowane w trybie 4x. Źródło: Schrock

Podczas pomiaru testowego szukałem obiektów, które mogłyby spowodować nieprawidłowe zablokowanie przy użyciu dawnego śledzenia aktywnego, jak np. oddalony znak drogowy, na który padały promienie marcowego słońca. Urządzenie nie miało problemu z odróżnieniem lustra od oświetlonych znaków czy okien odbijających światło. Postanowiliśmy wykonać skany wybranych, małych obszarów budynków w trybie zgrubnym, a następnie na poziomie 4x.

Obszary zainteresowania można było w łatwy sposób wybrać na ekranie, i podczas gdy skaner wykonywał skan, my mogliśmy wykonać pomiar zintegrowany, w tym samym projekcie, na tym samym tablecie. Ta opcja pozwala wykonać pomiar przy użyciu odbiornika ruchomego GNSS (podczas pracy skanera) obiektów, które mogą być niewidoczne na zdjęciach i niedostępne dla skanera bez rozstawiania dodatkowych stanowisk, np. linie rynny, czy elementy zasłonięte przez samochody lub żywopłoty.

Po zakończeniu pomiaru, zrobiliśmy to co zasugerował nam Gimring – wykonaliśmy pełny, 360-stopniowny skan (odcinając tylko puste niebo ponad budynkiem i bezpośrednio nad stanowiskiem). Zajęło nam to 10 minut w trybie zgrubnym, a następnie dodaliśmy zdjęcia pełnej sfery, co zajęło dodatkowe 3 minuty. Jedną zaletą korzystania z tachimetru jako skanera jest to, że skany są wstępnie zarejestrowane i nie musi być zachowane tak duże pokrycie jak przy typowych skanerach, aby oprogramowanie mogło połączyć skany w jedną chmurę punktów. Nie ma także konieczności wykorzystywania sfer. Możesz także dodać stanowiska swobodne, ustawiając SX10 bez nawiązania na osnowę, jeśli zachowane zostanie odpowiednie pokrycie.

Przeglądając dane w TBC po pomiarze pomyślałem sobie: wszystkie te bogate dane zostały pozyskane za pomocą jednego instrumentu, jest to o wiele więcej danych niż byłbym w stanie pozyskać przy użyciu klasycznego tachimetru w tym samym czasie. Zarejestrowane obrazy, wybrane zeskanowane obiekty, całość nawiązana do wyrównanej osnowy, zintegrowana z danymi GNSS. Nawet skan w trybie zgrubnym w miarę dobrze odwzorował obiekty.

Więcej oznacza prościej

Jest to kierunek, w którym zmierza większość producentów: umożliwianie geodetom zapewnienia ich klientom lepszej jakości danych, w celu usprawnienia pracy. Wzbogacone dane są uzależniające i gdy tylko klienci wypróbują ich możliwości (a wielu już to zrobiło), będą chcieli więcej. Jeden geodeta powiedział mi, że nigdy nie będzie potrzebował takiego instrumentu do tyczenia na budowie; oczywiście, są prostsze i tańsze instrumenty mechaniczne, które służą do takiej pracy. Ale tak sobie pomyślałem, że nawet dla małej firmy, która wykonuje szereg różnych prac, posiadanie takiego sprzętu nie jest w żaden sposób ograniczające, a wręcz przeciwnie pozwala poszerzyć ofertę rynkową.

Tachimetry ewoluują w coś, co jeszcze kilka dekad temu mogło się nam wydawać science-fiction, jednak nadal będą stanowiły podstawę pomiarów precyzyjnych. Zazwyczaj śmieszyły mnie oświadczenia lub reklamy sugerujące, że „takie czy inne” rozwiązanie zastąpi geodetom tachimetr (nie jest zaskoczeniem, że takie oświadczenia składały firmy niezajmujące się produkcją tachimetrów). Nic bardziej mylnego: tachimetry często są jedynym rozwiązaniem, które można porównać z dokładnością innych rozwiązań: sędzia najwyższej dokładności. Skanery, drony, GNSS czy fotogrametria naziemna nie wyeliminują tachimetrów. Wręcz przeciwnie, wydaje się, że wszechobecny tachimetr — mający swoje korzenie w kwadrantach, instrumentach przejściowych i teodolitach – to optymalny instrument, który stanowi podstawę do rozwoju nowych możliwości, technologii i rozwiązań pomiarowych.

SX10 to duży krok naprzód, a cały zespół zaangażowany w jego tworzenie może być naprawdę dumny ze swojego osiągnięcia, jakim jest stworzenie zupełnie nowej platformy: nowej, ale tak łatwej w obsłudze jak znane do tej pory instrumenty. Zapytałem Stellę Einarsson jaka będzie przyszłość SX10 i kolejnych instrumentów.

„Myślę, że takie funkcje staną się podstawowymi wszystkich tachimetrów.”

Ja się z tym zgadzam. Niektórzy pytają „po co” nam te funkcje, ale ja nie znalazłem żadnego przekonującego powodu, dla którego miałoby ich nie być.

Krótko mówiąc, z przyjemnością wysłuchałem historii powstania tego instrumentu i cieszyłem się z możliwości testowania jego funkcji. Byłem równie podekscytowany, co przy pierwszym użyciu elektronicznego dalmierza w latach 80-tych czy pierwszego tachimetru robotycznego Geodimeter w latach 90-tych. Cieszę się, że są wśród nas ludzie tacy jak Einarsson i jej zespół, którzy patrzą za nas w przyszłość.


Źródło: http://www.xyht.com/lidarimaging/behind-big-eye/
Tłumaczenie: Anna Starz, Geotronics Dystrybucja