CH617265A5

CH617265A5 - Device for remote angular distance measurements of a point with respect to an origin and to a reference direction which are predetermined

Info

Publication number: CH617265A5
Application number: CH1126277A
Authority: CH
Inventors: Eugenio Carrara; Mario Comanducci
Original assignee: Galileo Spa Off
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2742223A1; NL7710529A; FR2365782B3; IT1068819B; FR2365782A1; SE7710709L

Description

L'invenzione ha per oggetto un dispositivo per misure scartometriche angolari a distanza, di un punto rispetto ad una origine e ad una direzione di riferimento prefissate. The invention relates to a device for remote angular roughness measurements, of a point with respect to a predetermined origin and reference direction.

Problemi di questo tipo sono stati risolti in vario modo mediante l'uso di sorgenti ottiche tradizionali, come pure mediante fasci conici a radiazioni elettromagnetiche da parte di congegni situati nel punto origine. Si può citare il sistema descritto nel brevetto italiano Officine Galileo n. 679 965 dell'I 1 dicembre 1962, con il quale si prevedeva di installare nell'origine un proiettore a fascio infrarosso modulato spazialmente in maniera tale che il punto mobile oggetto di misura potesse ricavare il proprio scarto rispetto alla direzione di riferimento attraverso la decodifica della forma impulsiva della radiazione infrarossa associata alla sua posizione. Questo sistema obbliga a distribuire l'energia della sorgente in maniera all'incirca uniforme nell'ambito della regione conica definita come campo di misura. Problems of this type have been solved in various ways through the use of traditional optical sources, as well as through conical beams with electromagnetic radiation by devices located at the point of origin. The system described in the Italian patent Officine Galileo no. 679 965 of 11 December 1962, with which it was planned to install a spatially modulated infrared beam projector in the source so that the mobile point being measured could derive its deviation from the reference direction by decoding the impulsive form of infrared radiation associated with its position. This system obliges to distribute the energy of the source in an approximately uniform manner within the conical region defined as the measuring range.

Il dispositivo oggetto dell'invenzione risolve il problema di ridurre l'energia erogata, il problema di ridurre le dimensioni delle ottiche, il problema di evitare errori sistematici di lettura ed infine il problema di aumentare l'affidabilità del dispositivo. The device object of the invention solves the problem of reducing the energy delivered, the problem of reducing the size of the optics, the problem of avoiding systematic reading errors and finally the problem of increasing the reliability of the device.

Il dispositivo consente di concentrare l'energia delle sorgenti in regioni molto più ristrette di quanto non avvenga nel sistema conosciuto suddetto. Di conseguenza, a parità di soglia del sistema ricevente installato sul mobile, l'energia della sorgente può essere notevolmente ridotta. L'entità della riduzione a parità di prestazioni è approssimativamente equivalente al rapporto tra la sezione del cono «illuminata» ad una certa distanza nel primo caso e la superficie delle immagini delle sorgenti alla stessa distanza nel secondo caso. The device allows to concentrate the energy of the sources in much narrower regions than in the aforementioned known system. Consequently, for the same threshold of the receiving system installed on the furniture, the energy of the source can be considerably reduced. The extent of the reduction for the same performance is approximately equivalent to the ratio between the section of the cone «illuminated» at a certain distance in the first case and the surface of the images of the sources at the same distance in the second case.

Inoltre, a parità di prestazioni, le piccolissime dimensioni delle sorgenti, che si possono impiegare con la presente invenzione, consentono di generare fasci collimati impiegando dispositivi ottici di dimensioni molto più ridotte che non nella soluzione conosciuta. Furthermore, for the same performance, the very small dimensions of the sources, which can be used with the present invention, allow to generate collimated beams using optical devices of much smaller dimensions than in the known solution.

Ancora un vantaggio dell'invenzione è la migliore efficienza luminosa delle sorgenti adottabili secondo l'invenzione rispetto a quelle tradizionali; inoltre l'attuale invenzione prevede la scansione ottica di un'unica figura, mentre il precedente sistema obbligava a impiegare per la modulazione un numero definito di figure teoricamente uguali, ma praticamente diverse; si hanno quindi con l'invenzione notevoli vantaggi per quanto concerne la stabilità della misura, che non viene a soffrire delle differenze da figura a figura. Another advantage of the invention is the better luminous efficiency of the sources that can be adopted according to the invention compared to the traditional ones; furthermore, the present invention provides for the optical scanning of a single figure, while the previous system forced to use for the modulation a defined number of figures which are theoretically the same, but practically different; the invention therefore has considerable advantages as regards the stability of the measurement, which does not suffer from the differences from figure to figure.

Il dispositivo secondo l'invenzione comprende: in un punto orìgine sorgenti di raggi a comportamento ottico proiettanti immagini di forma geometrica definita, e mezzi per imporre un movimento ciclico di scansione a dette immagini; su di un punto ricevitore, compreso nello spazio definito dalla scansione, mezzi ricevitori dei segnali successivamente formati dalle immagini di forma geometrica definita e mezzi per la loro elaborazione; la forma geometrica di dette immagini essendo tale da dare segnali distanziati fra loro nel tempo, in modo da individuare la posizione del punto in funzione delle caratteristiche della sequenza dei segnali ricevuti nel punto stesso ad ogni ciclo di scansione. The device according to the invention comprises: in an original point sources of rays with optical behavior projecting images of a defined geometric shape, and means for imposing a cyclic scanning movement on said images; on a receiver point, included in the space defined by the scan, receiving means of the signals subsequently formed by the images of a defined geometric shape and means for their processing; the geometric shape of said images being such as to give signals spaced from each other over time, so as to identify the position of the point as a function of the characteristics of the sequence of signals received at the same point at each scan cycle.

Nel disegno sono illustrati schemi esplicativi del principio di funzionamento. In particolare: la fig. 1 mostra una disposizione generica delle immagini aT; le figg. 2A, 2B, 2C mostrano tre posizioni della figura a T durante la scansione conica, nelle condizioni di generazione dei successivi segnali pertinenti alla individuazione di un punto generico P; e la fig. 3 mostra una prospettiva di elementi geometrici utilizzati nel calcolo. The drawing illustrates explanatory diagrams of the operating principle. In particular: fig. 1 shows a generic arrangement of the images aT; figs. 2A, 2B, 2C show three positions of the T-shape during the conical scan, in the conditions for generating the subsequent signals pertinent to the identification of a generic point P; and fig. 3 shows a perspective of geometric elements used in the calculation.

Si supponga di disporre di un proiettore ottico capace di irradiare un fascio di radiazioni avente sezione a forma di T, costituito dai segmenti immagine 1, 2, 3, convergenti al punto 5; la definizione di un ciclo può essere ottenuta con un segmento immagine 7 che serve da riferimento per definire una origine, rivelabile con la marca 7 così costituita. Suppose we have an optical projector capable of radiating a radiation beam having a T-shaped section, consisting of the image segments 1, 2, 3, converging at point 5; the definition of a cycle can be obtained with an image segment 7 which serves as a reference for defining an origin, detectable with the brand 7 thus constituted.

Si supponga inoltre per comodità che i tre bracci 1, 2, 3 della T siano di uguale lunghezza e che un opportuno congegno ottico mobile sia in grado di far descrivere al fascio una scansione conica a velocità angolare costante e nota. Un congegno ottico del genere è realizzabile ad esempio con una zeppa ottica od un prisma ottico fatto ruotare secondo la direzione di propagazione ed in modo da intercettare sempre il fascio. It is also assumed for convenience that the three arms 1, 2, 3 of the T are of equal length and that a suitable mobile optical device is able to make the beam describe a conical scan at constant and known angular velocity. An optical device of this kind can be made, for example, with an optical wedge or an optical prism rotated according to the direction of propagation and so as to always intercept the beam.

In conseguenza di questa scansione, una qualunque sezione del fascio a T si muove mantenendosi parallela a se stessa, e tutti i punti di essa descriveranno circonferenze uguali. Il diametro di tali circonferenze risulterà sempre pari alla lunghezza del braccio della sezione a T. La fig. 1 mostra una generica sezione del fascio e la circonferenza C descritta dal punto di incrocio dei bracci. As a consequence of this scan, any section of the T-beam moves keeping parallel to itself, and all points of it will describe equal circumferences. The diameter of these circumferences will always be equal to the length of the arm of the T-section. Fig. 1 shows a generic section of the beam and the circumference C described by the crossing point of the arms.

Tutti i punti compresi all'interno di tale circonferenza vengono attraversati ciclicamente ed in sequenza dai tre bracci 1, 2, 3 dell'immagine della T (oltre che da quella di riferimento 7); e ciò è vero anche per tutti i punti del cono che ha origine nel proiettore e si appoggia alla circonferenza sopra citata. All the points included within this circumference are cyclically and sequentially crossed by the three arms 1, 2, 3 of the image of the T (as well as by the reference arm 7); and this is also true for all points of the cone which originates in the projector and rests on the circumference mentioned above.

Osservando le figg. 2A, 2B, 2C in un punto generico P, con moto dell'immagine della T come indicato dalla freccia f0, gli intervalli di tempo che intercorrono tra i successivi Looking at figs. 2A, 2B, 2C at a generic point P, with motion of the image of T as indicated by the arrow f0, the time intervals between the successive

5 5

io I

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3

617265 617265

attraversamenti dei bracci sono direttamente ed univocamente legati alla posizione del punto dal quale gli attraversamenti stessi vengono osservati. Si indichi con co la velocità angolare imposta ad esempio dalla zeppa ottica, con tj il tempo che intercorre tra l'attraversamento del braccio 1 e quello del braccio 2, con t2 l'intervallo tra l'attraversamento del braccio 2 e quello del braccio 3, con t3 l'intervallo tra l'attraversamento del braccio 3 e quello del braccio 1, che conclude il ciclo di scansione. Per un punto generico P, gli intervalli sono dati da m t1; w t2 ed w t3, essendo indicate con Nj, N2 ed Na le tre direzioni che definiscono le posizioni di intercettazione dei bracci 1, 2, 3 con il punto P. arm crossings are directly and univocally linked to the position of the point from which the crossings are observed. Let co denote the angular velocity set for example by the optical wedge, with tj the time that elapses between the crossing of arm 1 and that of arm 2, with t2 the interval between the crossing of arm 2 and that of arm 3 , with t3 the interval between the crossing of arm 3 and that of arm 1, which ends the scan cycle. For a generic point P, the intervals are given by m t1; w t2 and w t3, being indicated with Nj, N2 and Na the three directions that define the interception positions of the arms 1, 2, 3 with the point P.

Si esaminino qualitativamente le relazioni che esistono tra tj, t2 e t3 in vari punti della circonferenza descritta dal punto di incrocio dei bracci della T. In un punto, che si trova nella parte più in basso della circonferenza, si registra un intervallo tj nullo ed un intervallo t2 uguale all'intervallo t3,. Se il punto si sposta verticalmente lungo il diametro verticale della circonferenza, si osserva un progressivo aumentare dell'intervallo t1; mentre gli intervalli t2 e t9, pur decrescendo, si mantengono uguali tra di loro. All'estremo superiore del diametro verticale, gli intervalli t2 e ts si riducono a zero, mentre tt risulta uguale al periodo di scansione. Se ad una certa quota, contraddistinta da un certo intervallo t15 il punto P si sposta orizzontalmente verso destra, si rileverà un progressivo aumento di t2 ed una corrispondente diminuzione di t3. Viceversa accade per spostamenti verso sinistra. Qualitatively examine the relationships that exist between tj, t2 and t3 at various points of the circumference described by the point of intersection of the arms of T. In a point, which is located in the lowest part of the circumference, there is a null interval tj and an interval t2 equal to the interval t3 ,. If the point moves vertically along the vertical diameter of the circumference, a progressive increase in the interval t1 is observed; while the intervals t2 and t9, although decreasing, remain the same between them. At the upper end of the vertical diameter, the intervals t2 and ts are reduced to zero, while tt is equal to the scan period. If at a certain altitude, marked by a certain interval t15, the point P moves horizontally to the right, a progressive increase in t2 and a corresponding decrease in t3 will be detected. Vice versa it happens for movements to the left.

Pertanto ad ogni punto P corrispondono valori di t„ t2, t3, che ne definiscono la posizione. Therefore to each point P correspond values of t "t2, t3, which define its position.

Nelle figg. 2A, 2B, 2C è rappresentata la situazione per il generico punto P durante le tre intercettazioni; la fig. 2A mostra la posizione della T quando è il braccio 1 che attraversa il punto P, la fig. 2B indica la posizione della T quando è il braccio 2 che attraversa P, e la fig. 2C corrisponde all'attraversamento del braccio 3. In Figs. 2A, 2B, 2C the situation is shown for the generic point P during the three interceptions; fig. 2A shows the position of the T when it is the arm 1 that crosses the point P, fig. 2B indicates the position of T when it is the arm 2 which crosses P, and fig. 2C corresponds to the crossing of arm 3.

Poiché la T si muove a velocità co costante, gli angoli formati dalle direzioni Nj, N2, N3 rispetto al centro sono proporzionali ai tempi t,, t2, t3, essendo tt + t2 + t3 = T. Since T moves at constant speed co, the angles formed by the directions Nj, N2, N3 with respect to the center are proportional to the times t ,, t2, t3, being tt + t2 + t3 = T.

Le seguenti relazioni legano gli intervalli t1( t2 e t3 con le componenti verticale a ed orizzontale ß dello scarto angolare che il punto P sottende rispetto all'origine O, in cui si trova il proiettore ed all'asse 0-0P del cono di scansione (retta che unisce il proiettore al centro del cerchio), indicando con $ la semiapertura del cono di scansione; co la pulsazione di scansione; T il periodo di scansione; The following relationships link the intervals t1 (t2 and t3 with the vertical components a and horizontal ß of the angular deviation that the point P subtends with respect to the origin O, in which the projector is located and to the axis 0-0P of the scanning cone (straight line joining the projector to the center of the circle), indicating with $ the half-opening of the scanning cone; with the scanning pulse; T the scanning period;

w t, w t,

a = $ cos a = $ cos

Un congegno elettro-ottico, capace di realizzare il funzionamento sopra spiegato, può essere costituito in un modo qualsiasi adatto. Esso comporta un proiettore ed un apparato di misura dello scarto. An electro-optical device, capable of carrying out the operation explained above, can be constituted in any suitable way. It involves a projector and an apparatus for measuring the waste.

5 II proiettore può essere ottenuto a partire da quattro sorgenti laser Ga As, collegate tra di loro da un'opportuna meccanica, e munite di quattro obiettivi da proiezione (uno per ciascuna sorgente), per ottenere guattrojmmaginj J.,,24^3-&7. Questi obiettivi sono del tipo usato in microscopia e dovran-ìo no avere un'apertura numerica maggiore od uguale all'apertura del cono di emissione delle sorgenti laser per raccogliere tutte le radiazioni emesse dalle sorgenti. Appropriate regolazioni saranno previste per permettere di disporre le immagini delle tre sorgenti e dei fasci 1, 2, 3 a T come desi-15 derato. L'immagine 7 della quarta sorgente verrà disposta parallela e vicinissima ad una qualunque, ad esempio a quella 2, delle tre sorgenti a T, e servirà ad individuare il braccio di origine, dal quale vengono conteggiati gli intervalli ti, t2, t3. 5 The projector can be obtained from four Ga As laser sources, connected to each other by a suitable mechanic, and equipped with four projection lenses (one for each source), to obtain guattrojmmaginj J. ,, 24 ^ 3- & 7. These objectives are of the type used in microscopy and should not have a numerical aperture greater than or equal to the aperture of the emission cone of the laser sources to collect all the radiation emitted by the sources. Appropriate adjustments will be provided to allow the images of the three sources and the beams 1, 2, 3 to be arranged as desired. The image 7 of the fourth source will be arranged parallel and very close to any one, for example to that 2, of the three T-sources, and will serve to identify the source arm, from which the intervals ti, t2, t3 are counted.

20 A ridosso dei quattro obiettivi verrà disposto un prisma ottico o zeppa ottica, capace di deflettere contemporaneamente i quattro fasci. 20 An optical prism or optical wedge will be placed close to the four objectives, capable of deflecting the four beams simultaneously.

L'angolo di deflessione sarà pari all'angolo sotto cui ciascun fascio viene proiettato. Il prisma viene messo in rotazio-25 ne, a velocità costante (questa condizione non è indispensabile, ma viene assunta per facilitare la spiegazione) e nota, attorno ad un asse parallelo alla direzione di propagazione, determinando così la scansione conica voluta. The deflection angle will be equal to the angle at which each beam is projected. The prism is rotated, at constant speed (this condition is not indispensable, but is assumed to facilitate explanation) and known, around an axis parallel to the direction of propagation, thus determining the desired conical scan.

L'apparato di misura dello scarto può comprendere: una 30 ottica di raccolta delle radiazioni infrarosse; un fotodiodo con amplificatore; ed un'elettronica di elaborazione. The waste measurement apparatus can comprise: a 30 optical collection of infrared radiation; a photodiode with amplifier; and processing electronics.

L'ottica dovrà essere dimensionata in modo che l'energia convogliata sul fotodiodo sia sufficiente a rivelare gli attraversamenti del fascio anche alle massime distanze, alle quali The optics must be sized so that the energy conveyed on the photodiode is sufficient to reveal the beam crossings even at the maximum distances, at which

35 35

la misura deve essere effettuata. the measurement must be made.

ß = $ sen co ß = $ sen co

-u -u

Il fotodiodo e l'amplificatore dovranno essere determinati in relazione alle caratteristiche delle sorgenti Ga As impiegate ed alla frequenza con le quali le stesse emettono ra-40 diazioni. The photodiode and amplifier must be determined in relation to the characteristics of the Ga As sources used and the frequency with which they emit radiations.

L'elettronica di elaborazione dovrà distinguere l'attraversamento del braccio formato da due fasci paralleli, misurare gli intervalli di tempo che separano i due attraversamenti successivi e da questi ricavare le componenti a e ß 45 dello scarto. The processing electronics will have to distinguish the crossing of the arm formed by two parallel beams, measure the time intervals that separate the two subsequent crossings and from these derive the components a and ß 45 of the scrap.

La misura viene effettuata sul punto ricevitore e fino a distanze dell'ordine di qualche chilometro senza necessità di collegamento materiale con il punto origine, che è dotato di una sorgente di raggi aventi comportamento ottico, nel senso so che possono essere trattati con normali elementi ottici. The measurement is carried out on the receiver point and up to distances of the order of a few kilometers without the need for material connection with the origin point, which is equipped with a source of rays having optical behavior, in the sense that they can be treated with normal optical elements .

Un dispositivo di questo genere si presta assai bene per la guida automatica a distanza di oggetti mobili nello spazio (veicoli, aerei, missili ecc.). A device of this kind is very suitable for the automatic remote driving of mobile objects in space (vehicles, planes, missiles, etc.).

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2 fogli disegni 2 drawings sheets

Claims

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1. Device for angular roughness measurements at a distance from a point with respect to a predetermined origin and reference direction, characterized in that it comprises: in a point of origin sources of rays with optical behavior projecting images of a defined geometric shape, and means for imposing a cyclic scanning movement on said images; on a receiver point, included in the space defined by the scan, receiving means of the signals subsequently formed by the images of a defined geometric shape and means for their processing; the geometric shape of said images being such as to give signals spaced apart from each other in time so as to identify the position of the point as a function of the characteristics of the sequence of signals received at the same point at each scan cycle.

2. Device according to claim 1, characterized in that said cyclic movement is a conical scan.

2

3. Device according to claim 1, characterized in that the beam beams give images of geometric shape with several segments, each of which passes over the receiver point, during a complete movement cycle.

Device according to claims I to 3, characterized in that the beams define images consisting of segments arranged in a T-shape.

Device according to claims 1, 3 and 4, characterized in that the images of a defined geometric shape comprise devices suitable for defining a signal originating from the scan.

6. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the means for imposing the conical scan are constituted by an optical means, of the type of a wedge and a prism, which is rotated along an axis parallel to that of propagation and which is such as to affect the whole geometric figure of the projected beam.