LA STAZIONE TOTALE · 2019. 10. 6. · piombino laser). Si tratta di strumenti decisamente più...

G1 - STAZIONE TOTALE

La misura elettronica degli angoli

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La misura delle grandezze topografiche

I primi strumenti topografici che utilizzarono una componentistica elettronica furono i distanziometri elettronici, inizialmente come dispositivi separati e indipendenti, e successivamente combinati con i teodoliti, tramite appositi adattatori, allo scopo di consentire la misura sia degli angoli, sia delle distanze nell’ambito stessa sessione di misura, e senza la necessità di sostituire lo strumento di misura.

I SOVRAPPOSTI

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L’EVOLUZIONE DEI TEODOLITI Nell’evoluzione dei teodoliti si iniziò con la sostituzione della lettura ottica dei cerchi graduati del teodolite (eseguita dall’operatore), con una lettura digitale e automatica, il cui risultato veniva visualizzato sul display di cui erano dotati i nuovi teodoliti denominati elettronici.

In questi strumenti sparivano dal teodolite i microscopi di lettura, e tutti i sistemi ottici interni (lenti, prismi, specchi) necessari a raccogliere e a trasportare le immagini dei cerchi fino al microscopio per con-sentire la lettura ottica.

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DAL TEODOLITE ALLA STAZIONE Con l’introduzione dell’elettronica divenne possibile realizzare in uno stesso strumento sia la lettura digitale automatica dei cerchi, sia la misura elettro-nica delle distanze, integrando in un unico strumento, le funzioni del teodolite ottico e quelle dei distanziometri elettronici.

L’ulteriore sviluppo ha portato a stazioni totali motorizzate, i cui movi-menti (rotazione di alidada e cannocchiale), indotti da piccoli motori elettrici, sono controllabili sia dal display dello strumento, con interfaccia del tipo touchscreen, sia in remoto (a distanza) tramite controller palmare, consentendo a un solo operatore di effettuare operazioni di rilievo anche complesse.

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DAL TEODOLITE ALLA STAZIONE

Le stazioni totali elettroniche, a parte l’integrazione del distanziometro EODM, conservano invariata la struttura tradizionale dei teodoliti ottici, riproponendone esattamente parti essenziali come basamento, alidada, cannocchiale, livella sferica, i movimenti (rotazione di alidada e cannocchiale), e gli assi; mentre altre parti, pur mentendo inalterate le loro funzioni, presentano un aspetto modificato (cerchi, livella elettronica, piombino laser).

Si tratta di strumenti decisamente più semplici nella meccanica (pertanto più leggeri e compatti), essendo numerose le operazioni non più eseguite per via ottica e meccanica, ma compiute da sensori elettronici gestiti dal software.

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I COMPONENTI DELLA STAZIONE

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PUNTI DI FORZA DELLA STAZIONE costituiscono la naturale evoluzione dei teodoliti ottici;

consentono la misura di angoli e distanze (ma anche dislivelli) con diverse tecniche elettroniche (modulazione o impulsi), con o senza apparati riflettenti (prismi);

sono alimentate da batterie compatte, a lunga durata, ricaricabili;

possono essere motorizzate per essere completamente governate anche in remoto da apposito controller palmare (tramite collegamento radio);

consentono il tracciamento delle misure durante la sessione di misura (tramite opportuni software residenti) e la loro memorizzazione nella memoria interna, su schede SD o su chiavette USB;

consentono il collegamento diretto, per la trasmissione di dati, con qualsiasi tipo di computer;

alla tradizionale collimazione ottica (con il cannocchiale), può essere associata la collimazione digitale tramite la selezione dei punti sul display con funzionalità touchscreen;

consentono l’inseguimento automatico di una mira (provvista di prisma riflettente) che si trovi a distanze inferiori ai 1000m;

possono integrare ricevitori GPS per consentire un rilievo misto tradizionale/GPS.

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BASETTA E PIOMBINO LASER La basetta è un componente che rimane invariato nel passaggio tra i teodoliti ottici e le stazioni, esso è composto di tre elementi:

a. placca di base : viene fissata al piatto d’appoggio del tripode tramite vite di serraggio;

b. placca superiore : il suo assetto spaziale può essere variato fino a raggiungere l’orizzontalità; in essa si osservano tre fori in cui vanno inseriti, e rimangono poi ritenuti da un apposito dispositivo comandato da una chiave di bloccaggio, tre corrispondenti perni dell’alidada o di una mira. Tale soluzione consente di scambiare la stazione con una mira di precisione.

c. tre viti calanti : disposte a triangolo equilatero, collegano le due placche precedenti e ne regolano la posizione relativa attraverso tre traslazioni alto-basso indipendenti.

In alcune stazioni totali il piombino ottico (d) è sostituito da un piombino laser integrato nell’alidada che emette un raggio di luce laser coincidente con l’asse primario della stazione, e che proietta un dischetto (spot) rosso sul terreno, consentendo, facilitandola e rendendola più rapida, la manovra di centramento dello strumento sul segnale a terra.

a

b

c

c

d

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L’ALIDADA DELLA STAZIONE È una struttura scatolare (scocca) a forcella realizzata in fusione di lega leggera di alluminio provvista inferiormente da tre perni che vengono infilati in tre corrispondenti fori del basamento. Negli spazi interni di questa struttura scatolare, sia sui montanti sia nella parte inferiore, vengono sistemati i cerchi per le letture angolari, i vari sensori e dispositivi elettronici, necessari alla gestione complessiva della stazione, e anche, nelle stazioni robotizzate, i piccoli motori elettrici che attuano a comando le rotazioni di alidada e cannocchiale. Nella parte inferiore della struttura scatolare dell’alidada sono ricavate una o due aperture (diametralmente opposte), utilizzate per il montaggio del pannello riservato al display e alla tastiera.

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LIVELLE ELETTRONICHE

Display di una stazione totale provvista di livella elettronica a due assi (basata sul compensatore biassiale).

In figura un asse è centrato (quello disposto in basso) e i riferimenti alle viti calanti corrispondenti hanno i riquadri “spuntati”. Il secondo asse ( disposto ad angolo retto) non è centrato e sul riferimento della terza vite calante una freccia indica il senso di rotazione per il centramento senza la necessità di ruotare l’alidada.

Sul del display è presente la barra di controllo dell’intensità del raggio del piombino laser (nell’immagine di sinistra al 75%) per adattarla alla luminosità ambientale.

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I CERCHI GRADUATI I cerchi della stazione consentono la lettura digitale da parte del sistema, che può essere effettuata secondo le seguenti due modalità:

• lettura codificata (o assoluta), quando i cerchi possiedono una origine fisica (come peraltro avviene nelle graduazioni dei cerchi dei teodoliti ottici) e a ogni punto del cerchio corrisponde una univoca lettura angolare;

• lettura incrementale (o relativa), quando il cerchio non possiede una origine fisica (naturalmente è possibile fissare un’origine convenzionale), e la misura angolare viene ottenuta per conteggio degli n intervalli angolari (riportati sul cerchio).


CANNOCCHIALE E EODM Il cannocchiale condivide lo spazio con il distanziometro EODM che si basa sull’emissione di una radiazione laser che esce dal centro dell‘obiettivo e coassiale con lo stesso cannocchiale. Nelle stazioni più recenti, la misura della distanza può essere effettuata con le seguenti due diverse modalità:

• misure con prisma, che hanno il compito di riflettere il raggio luminoso, con radiazione infrarossa (invisibile). È la modalità di misura standard e consente le migliori precisioni (millimetriche) e le massime portate;

• misure senza prisma (reflectorless), in cui la riflessione avviene direttamente sulla superficie dell’oggetto su cui si trovano i punti da misurare (es. muri di un edificio).


PANNELLO DISPLAY/TASTIERA Ogni stazione totale possiede un pannello di controllo, su un solo lato o su entrambi i lati, costituito da:

tastiera alfanumerica o con soli tasti funzionali, per inserire dati e impartire comandi ;

display LCD su cui vengono visualizzate le misure eseguite.

Nelle stazioni più economiche il display è monocromatico, limitato a poche righe, ed è in grado di visualizzare solo elementi alfanumerici (misure, indicazioni testuali), mentre nelle stazioni totali più evolute il display LCD è a colori, e in grado di visualizzare menù (icone), e vere e proprie immagini o di mappe del territorio che si sta rilevando.


TRASFERIMENTO DEI DATI Tutte le stazioni totali sono equipaggiate con una memoria interna, nella quale possono essere memorizzate le misure eseguite e i software. Queste informazioni possono poi essere trasferite dallo strumento a un computer tramite uno dei seguenti dispositivi:

un cavo collegato alla porta USB.

chiavetta USB inserita nella porta USB della stazione

compact card di tipo SD o mini SD

connessione senza cavo con protocollo Bluetooth.


PUNTATORE LASER VISIBILE Nella misura delle distanze senza prisma, per la designazione certa dei punti, in particolare nel rilievo di interni, o in ambienti scuri od ombrosi, le stazioni sono state dotate di un puntatore laser, coassiale con il cannocchiale, che genera uno spot visibile su una superficie libera (es. edificio) o su una targhetta adesiva (a bassa riflettenza).

Tale dispositivo, per brevi distanze, consente la collimazione, integrando, o sostituendo, l’impiego del cannocchiale, mentre per grandi distanze consente la ricerca dei prismi riflettori.


GUIDA AL TRACCIAMENTO Il tracciamento consiste nel posizionare e materializzare sul terreno con picchetti, un certo numero di punti dei quali si conosca la posizione attraverso le corrispondenti coordinate polari o cartesiane.

Per guidare l’assistente a posizionarsi sul punto da picchettare, e rendere possibile l’operazione anche a un solo operatore, le stazioni totali motorizzate sono dotate di un dispositivo di guida al tracciamento costituito da due segnali luminosi, posti sul cannocchiale, di due colori (rosso e giallo) e intermittenti, visibili (6m a destra e a sinistra) fino a una distanza massima di 150-200 m. I due colori indicano al canneggiatore, che trasporta il prisma riflettente, da quale parte si trova rispetto all’asse di mira. Dal lato sinistro è visibile solo la luce gialla: mentre dal lato destro solo la luce rossa. Quando sono visibili entrambe le luci lampeggianti alternativamente rivela che il prisma è allineato con l’asse di mira del cannocchiale, mentre la velocità di lampeggiamento lo dirige in avanti (lento) o indietro (rapido) rispetto al punto richiesto. Quando la luce smette di lampeggiare, il canneggiatore si trova in prossimità punto da picchettare (con la precisione di alcuni centimetri). william meschieri 16

IL SOFTWARE Le stazioni totali elettroniche non possono prescindere dal software di sistema che governa sia i vari dispositivi e sensori necessari alla corretta effettuazione delle misure (firmware), sia l’archiviazione dei dati e la gestione del pannello di controllo (Sistema Operativo). Si tratta di un tipo di software che si attiva automaticamente all’accensione dello strumento.

La stazioni di fascia alta vengono fornite precaricate di una serie di software applicativi per la risoluzione di molti problemi operativi, che possono essere raggruppati in tre tipologie: • software topografico (es. Stazione libera, Punto eccentrico,

Altezza di oggetti remoti, ecc…); • software di geometria (es. Calcolo di aree, Distanza tra punti,

ecc…); • software di tracciamento (es. Tracciamento, Linea di riferimento,

Le stazioni totali elettroniche, inoltre, contengono anche un altro tipo di software (applicazioni), attivabile previa comando dell’operatore, la cui funzione è quella di utilizzare le misure eseguite per sviluppare, direttamente sul luogo del rilievo, alcuni calcoli topografici ricorrenti (ad es. intersezioni, conversione da coordinate polari a cartesiane, ecc.).


LE STAZIONI MOTORIZZATE

e le loro funzionalità

LE STAZIONI ROBOTIZZATE

Le stazioni motorizzate integrano le funzioni di una normale stazione totale con servomeccanismi, che consentono l’attuazione delle rotazioni attorno all’asse principale (dell’ alidada), e a quello secondario (del cannocchiale), gestibili sia in locale (dalla stessa stazione), sia in remoto (a distanza) da un controller palmare collegato alla stazione via radio (o altro tipo di collegamento).

Le stazioni robotizzate sono prive sia delle viti di bloccaggio che delle viti dei piccoli movimenti, e l’attuazione delle rotazioni si controlla con due coppie manopole rispettivamente per i movimenti grossolani e quelli precisi, perlopiù collocate sui montanti dell’alidada. Esse sono configurate per controllare i servomeccanismi con diverse velocità di rotazione.


CONTROLLO REMOTO DELLA STAZIONE La stazione motorizzata può essere controllata anche da sistemi di controllo a distanza (palmari remoti), di fatto piccoli computer, che permettono la gestione a distanza di tutte le funzioni delle stazioni totali, rimanendo vicino al prisma riflettore, e consentendo il funzionamento della stazione anche con un solo operatore

La comunicazione tra la stazione e il palmare remoto di controllo viene realizzata attraverso i seguenti tipi di connessione:

radio multicanale, perlopiù integrata sia nella stazione che e nel palmare remoto; wireless protocollo WiFi-LAN; coppia di modem GSM: uno collegato alla stazione, l’altro integrato nel palmare remoto;


COLLIMAZIONE AUTOMATICA AL PRISMA

In effetti all’operatore è sufficiente collimare approssimativamente il prisma impiegando unicamente il mirino (diottra), in modo tale da farlo ricadere nel campo del cannocchiale, al cui interno il prisma viene immediatamente identificato e collimato. Successivamente, all’avvio della misura di una distanza, i servomeccanismi della stazione imprimono rapide rotazioni coordinate all’alidada e al cannocchiale, facendo posizionare automaticamente l’asse di mira del cannocchiale sul centro del prisma riflettore.

È una funzione avanzata che libera l’operatore dalle manovre sia di adattamento alla distanza, sia di collimazione precisa al centro del prisma.


RICERCA E INSEGUIMENTO Quando l’operatore agisce in remoto dal prisma, i non gli è possibile eseguire la collimazione approssimativa, o semplicemente quando lo stesso operatore, pur essendo alla stazione, rinuncia a eseguire tale manovra, non può avvenire la collimazione automatica del prisma. In questa situazione è necessario attivare una ulteriore funzione delle stazioni motorizzate che consente prima la ricerca del prisma riflettore, quindi, dopo aver eseguito la misura di una distanza, di inseguire automaticamente lo stesso prisma in movimento.


RICERCA E INSEGUIMENTO Se non è stata attivata un’area di ricerca nella configurazione dello strumento, il sistema inizia a ruotare l’alidada, con una rotazione di 360°, e ad emettere un fascio verticale di raggi laser infrarossi. Se questo intercetta un prisma, il segnale viene valutato e riconosciuto arrestando il movimento. A questo punto inizia la finzione di collimazione precisa automatica del centro del prisma. In questo modo viene esplorato tutto l’orizzonte.

Se è stata configurata un’area di ricerca, di fatto definita dall’ampiezza di un angolo diedro, la ricerca, eseguita utilizzando i servomotori della stazione governati dal software del sistema, sarà sempre limitata solo a quest’area, iniziando dal suo centro ed allargandosi, con andamento a spirale, alle zone periferiche (FIGURA 16a,c). Anche in questo caso, dopo aver rintracciato il prisma, il movimento si arresta, e inizia la finzione di collimazione precisa automatica.


RILIEVO CON IMMAGINI

Di fatto questo tipo di stazione consente ad un addetto di operare visivamente sull'immagine dell’oggetto osservato sul display (al posto di osservarlo dall’oculare del cannocchiale), consentendo essenzialmente le seguenti operazioni: • assistenza al rilevamento topografico che si concretizza nel

selezionare sul display (con un tocco di stilo) i punti e i particolari oggetto del rilievo (agendo anche con gli zoom per rendere più precisa la selezione), e la stazione robotizzata si posiziona automaticamente sull’oggetto selezionato pronta per eseguire le necessarie misure

• Documentazione del rilievo con immagini a cui è possibile aggiungere annotazioni, simboli, quote, ecc. tracciandoli direttamente con lo stilo sul display touchscreen.

Alcune tra le stazioni motorizzate più recenti, oltre alle tecniche avanzate di rilievo prima descritte, sono dotate di una o più camere digitali che consentono di visualizzare in tempo reale sul display LCD della stazione, e di memorizzare, immagini ad alta definizione del territorio oggetto del rilievo. Il display può poi visualizzare immagini e mappe precaricate nella memoria prima del rilievo.


RILIEVO CON IMMAGINI


CONDIZIONI DI BUON FUNZIONAMENTO

GLI ASSI DELLA STAZIONE TOTALE


CONDIZIONI INTRINSECHE 1. L'asse primario ZZ e l’asse secondario XX

devono essere perpendicolari, rispet-tivamente, al piano del cerchio orizzontale e al piano del cerchio verticale.

2. L’asse primario ZZ e l’asse secondario XX devono passare, rispettivamente, per il centro del cerchio orizzontale e per il centro del cerchio verticale. Se manca la prima condizione, la lettura al cerchio orizzontale è affetta dall’errore di eccentricità dell’alidada; se non lo è il secondo, la lettura al cerchio verticale è affetta dall’errore di eccentricità del cerchio verticale.

3. L’asse di collimazione YY e l’asse primario ZZ si devono intersecare. Se ciò non si realizza, la lettura al cerchio orizzontale è affetta dall’errore di eccentricità del cannocchiale, mentre non si hanno errori apprezzabili nella misura degli angoli verticali.

4. La codifica dei cerchi deve essere esatta. Se questa condizione non è soddisfatta si ha l’errore di codifica dei cerchi.


CONDIZIONI INTRINSECHE


CONDIZIONI OPERATIVE 1.L'asse primario ZZ deve essere verticale. Per ottenere tale condizione, ogni

volta che si ‘mette in stazione’ la stazione, si rende orizzontale (con le viti calanti e la livella torica o elettronica) il piano della placca superiore del basamento e il cerchio orizzontale, il quale, essendo ortogonale all’asse generale (condizione intrinseca 1), rende quest’ultimo verticale.

2.L’asse primario ZZ e l’asse secondario XX devono essere ortogonali da cui, per la precedente condizione, deriva che l’asse secondario XX deve essere orizzontale. Tale condizione è assicurata inizialmente dal costruttore, ma deve essere verificata periodicamente. Il mancato soddisfacimento di questa condizione viene detto errore di inclinazione (o di orizzontalità).

3.L’asse di collimazione YY deve essere ortogonale all’asse secondario XX. Come nel caso precedente anche questa condizione è assicurata inizialmente dal costruttore, ma deve essere verificata periodicamente. Il mancato rispetto della condizione viene indicato come errore di collimazione (o errore di perpendicolarità).

4.La lettura al cerchio verticale (angolo zenitale ) quando l‘asse di collimazione è verticale deve essere =0°; ciò equivale a dire che con l‘asse di collimazione disposto orizzontalmente, la lettura al cerchio verticale deve essere esattamente 100C (=100C) o 90°. Qualsiasi scostamento, rispetto a questi valori, viene denominata errore di indice o zenit strumentale, e indicato con Z.

5.Il raggio laser rosso (spot visibile) usato come puntatore nella misura delle distanze senza prisma riflettore, deve essere coassiale all'asse di collimazione del cannocchiale.


CONDIZIONI OPERATIVE

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CONDIZIONI OPERATIVE

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COMPENSATORE BIASSIALE Si tratta di dispositivi la cui funzione è quella di correggere, in modo automatico, gli effetti dell’errore di verticalità dell’asse primario, basati su componenti elettro-ottici gestiti dal software di sistema della stazione.

La parte fisica dell’apparato è sostanzialmente costituita da un sensore foto-elettrico (CCD o CMOS) e da una parte liquida (dunque mobile), il cui compito è quello di rilevare l’inclinazione dell’asse primario della stazione (errore di verticalità v).

Al software del sistema è invece riservato il compito di correggere le letture angolari per eliminare gli effetti negativi dovuti all’errore di verticalità, prima di essere visualizzate sul display, e memorizzate nella stazione. Essi hanno un campo di funzionamento di alcuni primi (3-6’). Sono disponibili seguenti due tipi di questi sensori.


COMPENSATORE BIASSIALE

Compensatore mono assiale: l’asse dell’apparato è disposto parallelamente al piano generato dalla rotazione dall’asse di collimazione YY del cannocchiale, e rileva la componente vy dell’inclinazione dell’asse primario proiettata sullo stesso piano. Con questo tipo di compensatore vengono corrette solo le letture al cerchio verticale (dunque solo gli angoli zenitali ). Si stratta di un dispositivo semplice, poco costoso, e pertanto utilizzato solo nelle stazioni di fascia bassa; di fatto produce effetti uguali a quelli forniti dai compensatori zenitali meccanici montati sui teodoliti ottici.

Compensatore biassiale: si tratta di un apparato bidirezionale, collocato nella zona centrale dell’alidada immediatamente sopra il cerchio orizzontale, con il primo asse disposto parallelamente al piano generato dalla rotazione dall’asse di collimazione YY, e il secondo asse perpendicolare al precedente, dunque nella direzione dell’asse secondario XX. La rilevazione del compensatore bidirezionale permette non solo di rilevare l’inclinazione complessiva v dell’asse primario, ma anche dell’angolo orizzontale formato tra il piano generato dall’asse primario ZZ e dalla verticale con il piano generato dalla rotazione dall’asse di collimazione YY. Con questi due parametri il software calcola la correzione da apportare a sia alle letture zenitali, sia alle letture azimutali, prima che vengano visualizzate e memorizzate.


CONTINUA UNITÀ


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