DD301529A7

DD301529A7 - Anordnung zur kalibrierung von sensoren

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Publication number: DD301529A7
Application number: DD34186990A
Authority: DD
Original assignee: Adw Ddr Inst Automat
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1993-02-18

Abstract

Die Anordnung zur Kalibrierung von optischen Sensoren ist vorzugsweise anwendbar, wenn für die Lage- und Bewegungsregelung von Objekten jederzeit aktuelle Signale erforderlich sind, die den Echtzeitforderungen des konkreten Regelungsprozesses genügen müssen. Erfindungsgemäß werden mit der Kalibrierung der Sensoren stochastische Meßstörungen und mechanische Veränderungen der Sensorenlage ausgeglichen und unter den Bedingungen des Echtzeitbetriebes jederzeit aktuelle Signale für hochgenaue Positionskorrekturen gewonnen, indem die Korrektursignale mit jedem neu aufgenommenen Meßwert unter Verwendung eines hochgenauen Etalons (Sternposition) aktualisiert werden. Die Messung und die Erzeugung des Korrektursignals laufen zeitlich parallel ab und verwenden dieselben Meßwerte. Es werden elektronische Speicher, Signalverarbeitungsbausteine und eine Taktsteuerung erfindungsgemäß zu einer Anordnung zusammengeschaltet. Fig. 1{Kalibrierung; Sensoren; Orientierung; Positionierung; Raumobjekt; Echtzeitsignale; Signalverarbeitungsbausteine; Speicher; Taktsteuerung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anordnung zur Kalibrierung von Sensoren ist für die aktuelle i.nd genaue Positionierung von Objekten im Raum anwendbar, zum Beispie! für gezielte Bewegungssteuerungen von Robotergroifarmen, für Ortsveränderungen von Flurförderfahrzeugen in Produktions- und Lagerhallen oder für Positionsänderungen von Satelliten im Raum. Die Anordnung ist überall dort anwendbar, wo für die Lage- oder Bewegungsregolung von Objekten Signale erforderlich sind, die nicht nur den Fchtzeitforderungen des konkreten Regelungsprozesses genügen müssen, sondern die auch mit ausreichender Genauigkeit die aktuelle Po?ition des zu regelnden Objektes feststellen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Kalibrierung von Sensoren bzw. von analogen Echtzeitsignalen zum Ausgleich von Temperaturfeffekten oder von Null^unktabweichungen mit Hilfe von Einrichtungen zur mikroprozessorgesteuerten Erfassung, Verarbeitung, Anzeige, Speicherung und Ausgabe von analogen und/oder digitalen Meßwerten mehrerer Meßstellen oder Sensoren ist bereits bekannt.

In der DE-PS 3 544 095 wird eine Lösung zum Kalibrier en von analogen Echtzeitsignalen vorgeschlagen, mit der eine Kalibrierung durch den Zugriff auf gespeicherte Werte e; oigt, welche die natürliche Nullpunktabweichung eines jeden verwendeten Sensors darstellen und die vom Gerät selbst einmalig gemessen und in einen Digitalspeicher abgelegt werden.

Nachteilig ist es bei dieser Lösung, daß die Korrektursignale zur Kalibrierung außerhalb der eigentlichen Meßphase erzeugt werden bzw. dem Gerät zugeführt werden müssen. Die Aufteilung in eine Meß- und eine Kalibrierphase bedingt, daß die Kalibrierung der Echtzeitsignale mit Signalen erfolgt, die nicht den aktuellen Gerätezustand entsprechen. Die Korrektursignale müssen nach einer in der Beschreibung nicht definierten Zeit aktualisiert werden.

Zur Gewinnung von hochgenauen Signalen, z. B. für die Positionierung von Objekten im Raum, ist eine Kalibrierung der Sensoren mit jederzei; aktuellen Korrektursignalen mit jedem neu aufgenommenen Meßwert notwendig.

Zum Verständnis der Positionierungs- bzw. Orientierungsproblematik von Objekten im Raum ist eine allgemeine Betrachtung der meßtechnisch und mathematisch zu gewinnenden und zu verarbeitenden Parameter bzw. Signale zweckmäßig.

Ein starrer Körper im Raum hat 6 Freiheitsgrade.

Die Orientierung eines siarren Körpers im Raum bedeutet, zunächst ainen Punkt dieses Körpers zum Ursprung eines körperfesten Koordinatensystems zu machen und die räumlichen drei Koordinatenwerte dieses Punktes zu bestimmen. Die verbleibenden drei Freiheitsgrade werden durch die Orientierung des kö.vörfesten Koordinatensystems im Raum festglegt. Dazu sind

mindestens drei Winkelwerte notwendig, die die Rotation zwischen körperfestem Koordinatensystem und dem Raumkoordinatensystem beschreiben. Die Ermittlung der Rotation zwischen zwei Koordinatensystemen genügt zur Orientierung eines starren Körpers im Raum, wenn die Translation zwischen den Koordinatensystemen bekannt oder vernachlässigbar klein ist. Bei der Orientierung von Raumflugkörpern im Inertialsystem liegt dieser Fall vor, wenn zur Bestimmung der Rotation zwischen dem Raumflugkörperkoordinatensystem und dem Inertialsystem die Sternpositionen im Flugkörperkoordinatensystem vermessen werden. Aufgrund der großen Entfernung der Meßobjekte darf die Translation zwischen dem Koordinatenursprung des Inertialsystems und dem Ursprung des Raumflugkörpersystems vernachlässigt werden.

Es ist allgemein bekannt, durch eine Transformation zwischen zwei Koordinatensystemen ein drittes Koordinatensystem derart zu bestimmen, daß sein Ursprung mit einem dieser Systeme zusammenfällt. Dementsprechend beschränkt sich die Orientierungsaufgabe eines starren Körpers im Raum auf die Ermittlung der Rotation zwischen zwei Koordinatensystemen.

Das erste Koordinatensystem - das Raumsystem - wird als Referenzsystem bezeichnet, die Koordinaten werden als bekannt vorausgesetzt.

Die Messungen erfolgen im zweiten Koordinatensysem - im Körpersystem.

Es ist bereits bekannt, optische Sensoren zur Meßwerterfassung im Körpersystem zu verwenden, so unter anderem in den DE-AS 1 448564, DE-OS 3428741, DE-OS 3537871, in der US-PS 3388029.

Die Sensoren in den bekannten Systemen liefern die Ortskoordinaten 'Jer in der Fotfusebcne dieser Systeme abgebildeten Meßpunkte.

Die Einfallsrichtung jedes Meßpunktes markiert auf einer gedachten Einheitssphäre, deren Mittelpunkt mit dem Ursprung des Körpersystems zusammenfällt, einen Punkt, der die wirkliche Einfallsrichtung kennzeichnet.

Das Referenzkoordinierungssystem wird in ähnlicher Weise aufgebaut. Die räumliche Orientierung des Körpersystems wird dann durch eine derartige Rotation der Sphären relativ zueinander bestimmt, welche die einander entsprechenden und markierten Punkte auf beiden Sphären möglichst gut zur Deckung bringt.

Die bisher bekannten Verfahren und Anordnungen verwenden das Minimum der Summe aller gewichteten Abstände zwischen den entsprechenden Sphärenpunkten, unabhängig von der geometrischen Anordnung der Meßpunkte zur Orientierungs- bzw. Positionsbestimmung. Der praktisch wichtige Fall, daß die von den Meßpunkten eingegrenzte Sphärenfläche näherungsweise als eben betrachtet werden darf, d. h., daß die Meßpunkte nahe beieinander liegen, wird nicht behandelt. Es erfolgt keine Dekomposition kritischer und nichtkritischer Parameter; physikalisch bedingte Ungenauigkeiten werden nicht oder nur ungenügend eliminiert („Spacecraft Attitude" Determination and control, J.R.Wertz, Volume 73; D. Reidel, Publishing Comp.

1978; J.L. Junkins, T.E. Strikwerda: „Autonomus Starsensing and Attidute Estimation", AA579-013).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zu entwickeln, mit der die Kalibrierung von optischen Sensoren und damit die räumliche Orientierung von Objekten mit der erforderlichen Genauigkeit mit einem möglichst geringen Geräte- und Zeitaufwand realisiert werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kalibrierung von Sensoren zu schaffen, mit der stochastische Meßstörungen unterdrückt und mechanische Veränderungen der Sensorenlage infolge von Temperaturänderungen, Alterung oder anderen, die mechanische Stabilität der Sensorlage beeinflussenden, Umstände ausgeglichen werden können, so daß unter den Bedingungen des Echtzeitbetriebes jederzeit aktuelle Signale für hochgenaue Positionskorrektursn und Lageregalungen von Raumobjekten zur Verfügung stehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, die aus einem Speicher besteht, in den die Meßwerte der optischen Sensoren, die Wichtungsfaktoren und die Referenzkoordinaten des Raumsystems eingebracht sind, an den über eine Taktsteuerung Signalverarboitungsbausteine so angeschlossen sind, daß die im Speicher abgelegton Werte an die Signalverarbeitungsbausteine zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung und zur Drehwinkelbestimmung geführt sind und die Signale am Ausgang des Signalverarbeitungsbausteines zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Hauptrichtungsbestimmung und sein weiterer Ausgang mit einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Drehwinkelbestimmung verbunden sind.

Der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Drehwinkelbestimmung ist an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation, an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation und an die Eingänge eines Zwischenspeichers für mindestens zwei Sensoren gelegt. Der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation ist ebenfalls an die Eingänge des Zwischenspeichers gelegt.

Der Ausgang des Signalverarbeitungsbäusteins zur Hauptrichtungsbestimmung ist mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation verbunden. Es ist des weiteren eine Signalleitung zwischen einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation und einem Eingang des Speichers angeordnet. Der Ausgang des Zwischenspeichers ist an den Eingang des Signalbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation gelegt, dessen Ausgangssignal an den Eingang des Schieberegisterbausteins und an einen Eingang des Signalbausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion geführt ist. Der andere Eingang des Signalbausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion ist mit dem Ausgang des Signalbearboitungsbausteins zur Schätzung des differentiellen Quaternionensignals verbunden. An den Eingang dieses zuletzt genannten Signalbausteins der Ausgang des Signalbausteins zur inversen Multiplikation zweier zeitlich aufeinander folgender Anordnungsquaternionensignale geführt, an dessen zwei Eingänge die beiden Schieberegisterbausteinausgänge gelegt sind. Am Ausgang des Bausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion wird das kalibriertes Signal der Anordnung zweier optischer Sensoren abgegriffen.

Ausführungsbeispiel

Der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Anordnung zur Kalibrierung von Sternsensoren, um zum Beispiel jeweils zwei Sensoren eines Sternsensorsystems in Form eines Dreibeins an Bord von Raumflugkörpern zu kalibrieren.

Bahnmanöver eines Satelliten oder Meßaufgaben an Bord eines Raumflugkörpers erfordern zur Änderung einer aktuellen Position oder bei der Stabilisierung der Lage des Raumflugkörpers bzw. einer Meßplattform auf ihm ständig die Kenntnis der aktuellen Position im Raum. Diese Information muß den innerhalb eines Regelkreises wirkenden Steuereinrichtungen des Satelliten bzw. einer Plattform in Form von Steuersignalen zugeleitet werden. Hochgenaue Positionsregelungen sind nur dann möglich, wenn auf hochgenaue Referenzquellen zurückgegriffen werden kann, wi6 sie durch die Richtungen der Sternorte im Raum gegeben sind.

In dem elektronischen Speicher S sind die zum 7eitpunkt t; erhaltenen Meßwerte von zwei Sensoren, die die Meßpunkte im Körpersystem beschreiben, die diese Messungen charakterisierenden Wichtungsfaktoren und die Referenzkoordinaten der gemessenen Sterne abgelegt. An den Eingängen des Signalverarbeitungsbausteins HS liegen entsprechend den angegebenen Steuerungsbefehlen aus der Takteinheit TE einmal die Meßwerte der Sensoren rnit den Wichtungsaktoren und zum zweiten die Referenzkoordinatenwerte mit den Wichtungsfaktoren an. Im Signalverarbeitungsbaustein HS werden diese Werte nach der Vorschrift

x, = N

Y₁ = N-E₉Jy₁, (1)

z. = N · Eg*,

N = 1/((giXi)² + (g_iyi)' + Ig₁Z₁)²)''² und

u, = M · Kg₁Uj

v, = M · i]g;Vi (2)

w, = M · Eg₁W₁

M = 1/Kg₁U₁)² + Ig₁V₁)² + (g.w,)²)"²

miteinander zu Helligkeitspunkten verarbeitet.

Dabei bedeuten

U₁, Vi, W₁ die von den optischen Sensoren gelieferten Signale der Meßpunktkoordinaten, χ,·, yi, Z₁ Koordinatensignale im Referenzsystem,

g; Wichtungsfaktoren (von dan Sensoren geliefert),

Xi, y·/ ζ· Helligkeitsschwerpunktsrichtungen im Referenzsystem,

u_t, v„ w, Helligkeitsschwerpunktsrichtungen im Meßsystem.

Die Holligkeitsschwerpunktsricht'ingen bestimmen eindeutig die Quaternion Q, Iq₁, q₂, q₃, q₄), deren Drehachse senkrecht zu beiden Schwerpunktsrichtungen ar geordnet ist und deren skalarer Teil gleich dem Kosinus des halben von beiden Schwerpunktsrichtungen eingeschlossenen Winkels ist.

Am Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins HS stehen die Helligkeitsschwerpunktssignale des Meß- und Refererizkoordinatensystems zur Verfugung, die unmittelbar an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins HS geschaltet werden. In diesem Baustein HR werden nach der Vorschrift

	ν··	W₅ -	V	S '	Z₅	W,
1 -	f- x,u.	-f y '		⁺	z,-
	u.	Z₅ -	X	, ·	W₁	• W,
1 H	H x.u.	+ ν.			+ z,
	x,	,V· -	U,	.y.

q₃/q₄ =

1 + X₅U, + y,v, + Z₅-W,

die Signalkomponenten des ersten Quaternions Q₁ erzeugt, die einmal im Zwischenspeicher ZS abgelegt werden und zum anderen an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins TR gelogt werden. An den weiteren Eingang dieses Bausteins TR sind die Signale für die Referenzkoordinaten aus dem Speicher S gelegt. Es erfolgt eine Signalverarbeitung, d. h. eine Transformation der Referenzkoordinaten, die einer solchen Drehung der Referenzkoordinatenwerte durch die am Eingang der Transformationsstufö TR vorhandene Quaternion Q₍ entspricht, daß die Referenzschwerpunktsrichtung mit der Meßschwerpunktsrichtung übereinstimmt.

Die Signale am Ausgang des Bausteins TR sind an den Speicher S geschaltet und überschreiten dort die ursprünglich vorhandenen Referenzwerte.

An den von der Taktsteuerung TE aktivierten Signalverarbeitungsbaustein DRW sind nun alle im Speicher S abgelegten Meßwerte, Referenzwerte und Wichtungsfaktoren zugeschaltet, die zusammen mit den Signalen für die Helligkeitsschwerpunktskoordinaten der Moßdaten im Signalverarbeitungsbaustein HS nach den Vorschriften

d,3 = -Eg₁UiZi - Eg₁X₁W,,

d₂₃ = -Eg₁V₁Z₁ - Eg₁ViWi,

d₃₃ = 2 · (EgiUiXi + L'giViVi), (4)

d, = E

d₂ = d₃ =

tga/2 · (d_uu, + d₂₃v, + d₃₃w.) = d₃ - tg²a/2 · (d,u,w, - d₂v₂w, + d₃w.) verarbeitet werden, was zur Bildung der zweiten Quaternion Q₂ Iq₁, q₂, q₃, q<) mit den Signalkomponenten

qt = cosa/2,

q₂ = u, · sina/2,

q₃ = v, · sina/2,

q₄ = w, · sina/2

führt, die am Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins DRW liegen. Sie werden über die Ausgangsleitung an den Signalverarbeitungsbaustein zur Quaternionenmultiplikation QM geführt, an dessen zweiten Eingang die Signalkomponenten der ersten Quaternion aus dem Zwischenspeicher ZS geschaltet sind. Am Ausgang dieses Multiplikationsbausteins liegen die Signalkomponenten des Quaternionenproduktes Qi ο Q₂ und überschreiben im Zwischenspeicher den zuvor abgelegten Wert von Q₁.

Durch Steuerungsbefehle der Takteinheit erfolgt die gleiche Signalbearbeitung für die Meß-, Referenz- und Wichtungswerte des zweiten optischen Sensors. Die Signalkomponenten des entsprechenden Quaternionenproduktes Q₁ ο Q₂ werden ebenfalls im Zwischenspeicher ZS abgelegt.

Die Signale beider Quaternionenkomponenten werden den Eingängen eines Bausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation QIM1 zugeführt und in diesem Baustein nach der Vorschrift

Q = (Q₁OQ₂)O(Q₁CQ₂)"'

bearbeitet. Das Ergebnis wird in einem zweistufigen Schieberegister SR abgelegt. Der Inhalt dieses Schieberegisters RS, aufgefüllt mit dem Signalbearbeitungsergebnis für den nachfolgenden Meßzeitpunkt X₁ + ₁₍ liefert die Ausgangssignale für die weiteren Signalbearbeitungsschritte. Das Schieberegister SR enthält somit für alle weiteren Messungen die Quaternionensignalkomponenten von jeweils zwei zeitlich aufeinander folgenden Aufnahmen zweier optischer Sensoren. Diese Signalkomponenten sind an die Eingänge eines weiteren Signalbearbeitungsbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation QIM 2 gelegt, dessen Ausgangssignal ein differentielles Quaternionensignal von zwei aufeinander folgenden Sensoraufnahmen ist. Es wird an den Eingang des Signalbearbeitungbausteins zur Schätzung des differentiellen Quaternionensignals DQS gelegt und hier nach den üblichen Vorschriften der Kaiman-Filterung bearbeitet. Dieser Signalbearbeitungsbaustein DQS liefert ein Ausgangssignal, in dem stochastische Meßstörungen unterdrückt sind. Sein Ausgangssignal wird zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Signalbearbeitungsbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation QIM1 an den Eingang des Signalbearbeitungssteins KM zur Korrektur des Anordnungssignals beider Sensoren geführt, in dem eine Signalbearbeitung nach der üblichen Vorschrift zur Multiplikation zweier Quaternionensignale erfolgt. Das Ausgangssignal dieser Bearbeitungsstufe stellt das kalibrierte Anordnungssignal beider optischer Sensoren dar. Rs liefert die aktpelle- bezogen auf den Meßzeitpunkt-Anordnung der Sensoren zueinander.

Claims

Anordnung zur Kalibrierung von optischen Sensoren für die Positionierung von Objekten im Raum, gekennzeichnet dadurch, daß ein Speicher (S), angefüllt mit Meßwerten der optischen Sensoren, mit den Wichtungsfaktoren und mit den Referenzkoordinaten des Raumsystems, über eine Taktsteuerung (TE) mit Signalverarbeitungsbausteinen (HS, HR, DRW, QM, TR) derart verbunden ist, daß die im Speicher (S) abgelegten Sensorenmeßwerte, Signale der Wichtungsfaktoren und Signale der Referenzkoordinaten an die Eingänge der Signalverarbeitungsbausteine zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung (HS) und zur Drehwinkelbestimmung (DRW) geschaltet sind, daß ein Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung (HS) mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Haiiptrichtungsbestimmung (HR) und sein weiterer Ausgang mit einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Drehwinkelbestimmung (DRW) verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation (QM), an den Eingang des Signalverarbeitungsbausieins zur Transformation (TR) und an den Eingang eines Zwischenspeichers (ZS) gelegt ist, wobei der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Hauptrichtungsbestimmung (HR) mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation (TR) verbunden ist und eine Signalverbindung zwischen einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation (TR) und einem Eingang des Speichers (S) angeordnet ist, und daß der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation (QM) an die Eingänge des Zwischenspeichers (ZS) gelegt ist, dessen Ausgang an den Eingang eines Signalverarbeitungsbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation (QIM 1) geschaltet ist, dessen Ausgang an den Eingang eines Schieberegisters (SR) und an den Eingang eines Signalverarbeitungsbausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion (KM) geführt ist, während die Ausgänge des Schieberegisters (SR) an die Eingänge eines weiteren Signalverarbeitungsbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation (QIM 2) geschaltet sind, dessen Ausgang wiederum an den Eingang eines Signalvararbeitungsbausteins zur Schätzung des differentiellen Quaternionensignals (DQS) geschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion (KM) verbunden ist.

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