Testování laserového přístroje AS 145 ARCS Ammann Lasertechnik

Testování laserového přístroje AS 145 ARCS Ammann Lasertechnik bylo provedeno v rámci diplomové práce na katedře speciální geodézie fakulty stavební ČVUT v Praze. Testovaný přístroj byl naší katedře zapůjčen Ústavem vozidel a letadlové techniky fakulty strojní. Tento článek informuje o provedených testech a jejich výsledcích.

Charakteristika testovaného přístroje
Dvouosý rotační laser AS 145 ARCS švýcarské firmy Ammann Lasertechnik (obr. 1) je zařízení spadající vlastnostmi vyzařovaného laserového svazku do třídy 3A podle bezpečnostních hledisek. Rotační hlava přístroje vytváří referenční rovinu, kterou lze s pomocí ručního detektoru lokalizovat až do vzdálenosti 600 metrů [1].
Laserový svazek vytváří rotací rovinu, která se využívá pro různá měření výšek, ovládání strojů, vytváření dalších vztažných rovin, které mohou být nakloněny v obou osách přístroje X a Y až do hodnoty 50% sklonu. Základní rovina je vytvářena svazkem, který je rozmítán v horizontálním směru.
Přístroj obsahuje systém ARCS (Automatical Reflexion Control System), který umožňuje provést automatické zaměření směru pracovní osy. K tomu se využívá druhý laserový svazek, který rotuje ve směru vertikálním. Vertikální svazek se dále využívá k dalším funkcím, jako je např. řízení směru stavebních strojů nebo vytyčování směrů. Obsluha přístroje se děje pomocí klávesnice s dvanácti klávesami, displej je dvouřádkový. Klávesy slouží k zapnutí a vypnutí přístroje, nastavení požadovaného sklonu pro jednotlivé přístrojové osy, nastavení citlivosti na vnější podmínky, nastavení rychlosti rotace (100 – 1000 otáček za minutu), zapnutí systému ARCS, automatické kontrole urovnání a možnosti nastavení režimu vytyčování směrů. Technické údaje o přístroji uváděné výrobcem jsou v tab. 1.


Ke standardní sadě vybavení patří také nabíjecí adaptér, přepravní kufr a ruční detektor Lightning od americké firmy Apache Technologies, Inc., model 44 (obr. 2) s pomocným univerzálním držákem pro snadné uchycení detektoru k latím či tyčím různých typů průřezu. Jedná se o ruční laserový detektor pro práci s viditelným i neviditelným laserovým svazkem o vlnových délkách ve spektru 610 nm – 900 nm.
Kontrola polohy svazku je indikována vizuálně displejem na přední i zadní straně detektoru a také zvukově (např. pro snadnou detekci i ve výškách, které jsou mimo dohled lidského oka). K ovládání detektoru slouží tři tlačítka, jejichž funkcemi jsou zapnutí a vypnutí detektoru, nastavení citlivosti – přesnosti detekce a nastavení hlasitosti zvukové signalizace.

Určení mrtvé zóny detektoru
Na detektoru je možno nastavit tři různé přesnosti detekce laserového svazku, které jsou charakterizovány tzv. mrtvou zónou. Mrtvou zónou rozumíme délkový interval, ve kterém detektor uvažuje správné určení polohy svazku (energetický střed svazku). Výrobce uvádí pro jemnou, střední a hrubou přesnost detekce hodnoty ±1 mm, ±2 mm a ±3 mm. Cílem námi provedeného testování bylo ověření těchto hodnot a zjištění, zda je přesnost detekce závislá na vzdálenosti od zdroje záření.
Testování proběhlo na chodbě Stavební fakulty, měření bylo provedeno ve vzdálenostech odpovídajícím rozmístění bodové sítě při určování vodorovné roviny (tj. 6 m, 30 m a 60 m od zdroje laserového paprsku – viz odst. Testování vodorovné roviny), a v nejdelší možné vzdálenosti v budově (120 m).
Při měření byl detektor upevněn pomocí držáku do speciálního zařízení posazeného na trojnožce a umožňujícího velmi jemný posun a odečítání hodnot posunu mikrometrem ve svislém i vodorovném směru (pro naše účely postačil svislý směr). Najížděním shora a zdola na kraje mrtvé zóny byly získány dvě hodnoty, jejichž rozdíl je rozsah mrtvé zóny. Tento postup byl opakován šestkrát pro každou vzdálenost a pro každou citlivost detektoru. Navíc byl testován také vliv rychlosti rotace laserového paprsku na rozsah mrtvé zóny měřením v krajních mezích rychlosti rotace – 100 otáček na minutu a 1000 otáček za minutu. Výsledky určení mrtvé zóny detektoru jsou uvedeny v tab. 2.


Z výsledných hodnot testování vyplývá, že na velikost mrtvé zóny má největší vliv nastavená citlivost detektoru. Vyšší rychlostí otáčení laserového svazku ve většině případů dosáhneme lepších výsledků (tj. menšího rozsahu mrtvé zóny), jelikož svazek »proběhne« detektorem za určitou časovou jednotku víckrát.
Detektor tak má k vyhodnocení energetického středu svazku více hodnot. Z testovaných vzdáleností detektoru od zdroje záření byly pro přesnost detekce nejvhodnější vzdálenost cca 60 metrů od přístroje. Nejkratší vzdálenosti – 6 metrů od přístroje - mají zpravidla větší hodnoty mrtvé zóny než u následující testované vzdálenosti 30 metrů od přístroje.

Testování vodorovné roviny
Základní funkcí laserového přístroje AS 145 ARCS je rozmítání svazku laserového záření do vodorovné roviny. Testování přesnosti vytvoření vodorovné roviny by podle normy ČSN ISO 8322-6 [2] mělo probíhat v exteriéru na šesti obecně zvolených bodech. Naše testování proběhlo na Flemingově náměstí v Praze 6 ve vybudované síti dvaceti téměř pravidelně rozmístěných bodů s jedním bodem středovým, který sloužil jako stanovisko pro měření laserovým přístrojem. Body tvoří tři téměř soustředné kružnice s přibližnými poloměry 6 metrů, 30 metrů a 60 metrů.
Testování vodorovné roviny probíhalo ve dvou měřických etapách v základní rychlosti rotace 100 otáček za minutu. Postupným obcházením všech okolních dvaceti bodů byly pomocí detektoru připevněného na třímetrové vysunovací lati odečteny výškové hodnoty pro jednotlivé body. V každé etapě bylo na každém bodě provedeno šest měření (tři měření s nájezdem detektoru na energetický střed laserového svazku shora a tři měření s nájezdem zdola).
Aby bylo zajištěno, že při testovacích měřeních je určena přesnost a ne pouze opakovatelnost, bylo nutné měření porovnat se skutečnými hodnotami. Jestliže přesnost určení roviny laserovým přístrojem je dána v milimetrech, musí být přesnost určení výškových rozdílů, ke kterým bude měření laserem vztaženo, v desetinách milimetru. V tomto případě byla jako srovnávací metoda zvolena velmi přesná nivelace.
Střední kvadratická chyba jednoho výškového rozdílu za jednu etapu byla vypočtena podle vztahu

kde e je skutečný rozdíl mezi naměřenou hodnotou na lati a skutečnou hodnotou výškového rozdílu z nivelace, n je počet měření. Celková střední kvadratická chyba pro jeden výškový rozdíl ze dvou etap byla vypočtena podle vztahu

pro naše měření s = 3,7 mm.
Výsledná celková střední kvadratická chyba jednoho měření 3,7 mm je v porovnání s přesností, kterou výrobce uvádí v uživatelské příručce (±5 mm/100 m), nižší. Výrobce navíc podmiňuje uvedenou přesnost teplotou prostředí 20 °C, zatímco testovací měření probíhala při teplotách podstatně nižších – 5 °C první den měření a 2 °C druhý den měření. Přístroj tedy splňuje přesnost udávanou výrobcem. Na základě dosažených výsledků lze konstatovat, že na přesnost měření neměly významný vliv zvolené vzdálenosti bodů od zdroje záření.

Testování vytyčování sklonů
Technologie přístroje AS 145 ARCS umožňuje laserový svazek vycházející ze zdroje záření naklonit do požadovaného sklonu (až do 50% sklonu v obou osách přístroje X a Y). Jelikož testování celého možného rozsahu sklonů by bylo velmi náročné vzhledem k tomu, že pro každý sklon by přístroj musel být testován na vhodně nakloněné lokalitě, rozhodli jsme se podle normy ČSN ISO 8322-6, metody 3: »Určení daného sklonu« proměřit pět základních sklonů o hodnotách +1%, +2%, -3%, -4%, -5%. Po urovnání laseru pomocí nohou stativu (dostatečně přesná horizontace je zajištěna funkcí samourovnání zabudované v přístroji) byla funkcí ARCS (Automatical Reflexion Control System), na střed hranolu umístěném v požadovaném směru nastavena pracovní osa. Laser se přibližně nastaví směrem na hranol pomocí optického zaměřovače připevněného na krytu přístroje. Po stisknutí přístrojové klávesy ARCS začne laser svým vertikálním svazkem skenovat zleva doprava v rozsahu ±3° od směru zaměřovače.
Jakmile svazek nalezne hranol, automaticky nastaví pracovní osu na střed odrazného hranolu. Na displeji zobrazí symbol informující o nastavení směru pracovní osy. Proces hledání hranolu a nastavení správného směru trvá 2-3 minuty. Poté byl pomocí přístrojových tlačítek nastaven požadovaný sklon a na vysunovací třímetrové měřické lati odečtena pomocí detektoru příslušná hodnota. Pro každý sklon byla hodnota odečtena šestkrát (nájezd detektoru po lati na energetický střed svazku vždy třikrát shora a třikrát zdola).
Měření testování sklonů probíhalo ve dvou etapách. Srovnávací metodou pro testování sklonů byla velmi přesná nivelace. Výsledky testování vytyčení sklonů byly získány porovnáním správných a skutečných čtení na lati.
Celková střední kvadratická chyba pro jedno měření ve zvoleném rozsahu sklonu vypočtená podle vztahů uvedených výše byla 8,0 mm.
Dosažené výsledky testování sklonů mají nižší přesnost než výsledky testování vodorovné roviny, což je dle našeho názoru způsobeno především následujícími faktory:

• při vytyčování sklonů je nutné přístroj na rozdíl od vytváření vodorovné roviny centrovat a horizontovat, uplatňují se zde tedy chyby v centraci;
• vliv chyb při měření délky (měřeny pásmem);
• při vytyčování vodorovné roviny dopadá laserový svazek na detektor kolmo, zatímco při vytyčování sklonů dopadá na detektor pod zvoleným úhlem, a proto může laserová stopa na detektoru nabývat větších rozměrů.

Testování vytyčování směrů
Kromě vytváření vodorovné roviny či roviny obecně skloněné má v sobě laserový přístroj AS 145 ARCS integrovány také funkce teodolitu. Laserový přístroj není schopen měřit ani úhly, ani směry, pomocí přístroje lze směry pouze vytyčit. Vertikální směry jsou ve své podstatě realizovány již základní funkcí – sklonem roviny jedné či dvou přístrojových os udávaným v procentech. Rozsah vytyčování horizontálních směrů je od –90° do +90°od směru pracovní osy. Přístroj je tedy schopen vytyčit úhel pouze v prostoru »před ním«.
Testování vytyčení směrů bylo provedeno ve dvou vzdálenostech od přístroje (30 m a 40 m) kvůli zjištění závislosti přesnosti měření na vzdálenosti od zdroje záření v celém rozmezí od -90° do +90° po 10°. Jako srovnávací metoda bylo zvoleno zaměření směrů vytyčených laserem teodolitem Theo 010B firmy Zeiss v jedné skupině.
Základní směr, k němuž jsou vztaženy všechny vytyčované směry, je dán směrem pracovní osy, která byla automaticky zaměřena pomocí funkce ARCS. Ve vzdálenostech 30 metrů a 40 metrů byly dřevěnými kolíky stabilizovány směry vytyčené laserovým přístrojem od levé krajní meze +90° po kroku 10° až po pravou krajní mez -90°. Vzdálenost každého kolíku od laseru byla měřena pásmem, na hlavě zatlučeného kolíku byl jemnou fixou tloušťky 0,1 mm vyznačen směr dvěma čarami.
Tyto dvě čáry představovaly správné vytyčení směru při nájezdech detektoru střídavě zprava a zleva, rozestup čar vlastně charakterizoval velikost mrtvé zóny pro danou vzdálenost od zdroje laseru. Následně byly všechny vytyčené směry zaměřeny teodolitem v jedné skupině s cílením vždy na předmět s ostrým hrotem umístěným doprostřed mezi dvě čáry nájezdů detektoru.
Střední kvadratické chyby a celková střední kvadratická chyba jednoho směrového rozdílu byly vypočteny podle výše uvedených vztahů. Pro vzdálenost 30 m (resp. 40 m) byla hodnota celkové střední kvadratické chyby jednoho směrového rozdílu 13,1 mgon (resp. 18,0 mgon).
Tyto přesnosti jsou postačující pro stavební práce při použití stavebních strojů jako jsou např. bagry, rypadla, grejdry. Hlavním účelem testovaného přístroje je vytváření referenční roviny, jež je možno sklonit v obou osách přístroje, vytyčení směrů je funkce pomocná – přístroj nemůže svými schopnostmi vytyčení konkurovat specializovaným přístrojům pro měření směrů používaným v geodetické praxi.

Testování rozsahu samourovnání
Aby bylo zajištěno, že přístroj bude vyzařovat laserový svazek skutečně ve vodorovné rovině (případně ve zvoleně skloněné rovině), je nutné mít v přístroji zabudovaný systém samourovnání. Nepředpokládáme totiž, že hlava stativu, na který přístroj upevňujeme, bude vodorovná, a to ani v případě urovnání hrubých přístrojových libel v osách X a Y přístroje pomocí vysouvání či zasouváním noh stativu. Zajímala nás reálná hodnota schopnosti samourovnání, její testování bylo provedeno pomocí pravítka na určování citlivosti libely v laboratorních podmínkách.
Pravítko na určování citlivosti libely je stabilní kovové zařízení o dvou ramenech spojených na jednom konci kloubem.
Na druhém konci je možné snižovat nebo zvyšovat sklon horního ramene díky otočnému šroubu, jehož jedna otáčka je rozdělena do 180 dílků. Hodnota jednoho dílku je 1”. Test samourovnání byl proveden ve dvou základních směrech - náklon ve směru osy X ležící ve směru optického zaměřovače přístroje a náklon ve směru osy Y kolmé k ose X. Po umístění přístroje na horní rameno pravítka byl tento zapnut a po jeho urovnání bylo otáčením šroubu postupně horní rameno pravítka zvedáno. Přístroj se za chodu automaticky sám urovnával.
V poloze pravítka, kdy se již přístroj nebyl schopen sám urovnat byl odečten náklon pravítka. Opakováním testování byly zjištěny hodnoty schopnosti samourovnání 4,5% v ose X a 4,6% v ose Y.
Výsledné hodnoty schopnosti samourovnání nedosahují čísel uvedených výrobcem v původním návodu k obsluze přístroje (8% sklonu). Na oficiálních internetových stránkách firmy Ammann Lasertechnik [3] je uvedena hodnota samourovnání 5% sklonu. Ani této hodnoty ovšem testovaný přístroj nedosáhl. Přesto je výsledný sklon přístroje, kdy ještě může dojít k samourovnání, dostatečně velký a v běžné praxi by nemělo docházet k problémům se samourovnáním.

Závěr
Víceúčelový laserový přístroj AS 145 ARCS firmy Ammann Lasertechnik je možné využít na mnoha místech a situacích při stavebních pracích, jako je měření výšek, vytváření referenčních rovin vodorovných i obecně skloněných, nebo pro ovládání stavebních strojů. Přístroj je zdrojem laserového záření ve viditelném spektru, ovšem vzhledem k rychlosti rotace rozmítaného laserového svazku je třeba přístroj vybavit zařízením pro optoelektronickou detekci svazku laserového záření. Přístroj obsahuje systém ARCS, který umožňuje provést automatické zaměření směru pracovní osy. Tato funkce je zhusta využívána pro vytyčování sklonů, vytyčování směrů a především pro ovládání/řízení stavebních strojů.
V rámci diplomové práce [4] byly testovány čtyři funkce laserového přístroje AS 145 ARCS: přesnost vytyčení vodorovné roviny, přesnost vytyčení daného sklonu, přesnost vytyčení směru, rozsah samourovnání přístroje. Navíc byla testována základní charakteristika detektoru laserového záření – rozsah mrtvé zóny detektoru. Výsledky jednotlivých testů, které jsou uvedeny v příslušných odstavcích, dávají základní informaci o parametrech přístroje.
V době, kdy bylo provedeno testování, byl však přístroj typu AS 145 ARCS v České republice pouze jeden. Aby bylo možno formulovat obecné závěry, měly by být provedeny testy i s dalšími přístroji tohoto typu.

Literatura:
[1] Dvouosý rotační laser AS 142 a 145 ARCS. Uživatelská příručka, Ammann Lasertechnik, 2002.
[2] ČSN ISO 8322-6 Geometrická přesnost ve výstavbě: Určování přesnosti měřicích přístrojů, část 6: Laserové přístroje. 1994.
[3] www.ammannlaser.com
[4] Novotný, M. Testování laserového přístroje AS 145 ARCS Ammann Lasertechnik. Diplomová práce. ČVUT Praha, 2003.


Testování laserového přístroje AS 145 ARCS Ammann Lasertechnik bylo provedeno za podpory výzkumného záměru MŠMT ČR J04-98: 210000022.