DE102009053972A1

DE102009053972A1 - System zur Erfassung von Position und Weg

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Publication number: DE102009053972A1
Application number: DE102009053972A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Einrichtung zur Erfassung von Position und Weg mit einem fest verbrachten Koordinatenträger und einer geeigneten beweglich angeordneten Einrichtung, welche punkt-, flächenförmig oder räumlich ausgeführte Wertemarken erkennt, dass diese Einzelmarken ganzheitliche, spezifische, unterscheidbare, homogene Eigenschaft aufweisen. Wobei sie in der zu erfassenden Bezugsrichtung in Form von Spuren derart miteinander verknüpft sind, dass durch diese Verknüpfung mehrerer Spuren, die erforderliche Wertespanne erzeugt werden kann und dass die Ermittlung der Wertefolge durch ein rechtwinkliges Auslesen zur Bewegungsrichtung erfolgt und aus der Verknüpfung dieser Wertefolge ein Positionswert ermittelt wird.

Description

Die nachfolgende Erfindung wird am Beispiel eines Aufzugs beschrieben. Dieser Bezug ist in keinem Fall einschränkend zu bewerten.
Problembeschreibung: Bei Aufzügen wird der Weg in der Regel indirekt erfasst. Dies geschieht meist über einen Inkrementalgeber, welcher eine vom Weg abhängige Anzahl von Impulsen (Inkremente) erzeugt, die dann in Relation zur tatsächlich zurückgelegten Strecke gebracht werden. Wird die Erfassung durch einen Stromausfall oder ähnliches unterbrochen oder gestört die die Zuordnung unterbricht, so kann die Position der Kabine nicht mehr bestimmt werden. Es muß ein Referenzpunkt angefahren werden, ab dem die Wegmessung neu erfolgt. Ein weiterer Nachteil sind die mechanischen Unzulänglichkeiten eines solchen Systems. Wird zB der Weg und damit die Position über ein mit dem Motor gekoppelten Systems bestimmt, dann führen alle mechanischen Toleranzen wie zB Schlupf im System, Seilrutsche durch heftige Bewegungen, ungünstige oder schlechte Montage von Übertragungselementen zwischen Motor und Meßsystem, zu fehlerhaften Bestimmungen der Position. Das selbe Ergebnis erzeugen alle Fehler bzw Unzulänglichkeiten im elektronischen System. Lesefehler, Übertragungsfehler oder Fehler in den Auswertungssystemen erzeugen Ungenauigkeiten in der Positionsermittlung. Addieren sich Fehler, führt dies zu großen Ungenauigkeiten.
Eine genauere mit weniger Fehlern behaftete Möglichkeit der Positionsbestimmung bzw der Wegerfassung, ist die Absolutwegmessung. Diese erfolgt im Fall des als Beispiel gewählten Aufzugs, vorzugsweise in der Nähe der Fahrkorbschienen. Dort oder an anderer geeigneter Stelle wird ein Element entlang des Fahrweges angebracht. Diese Element besitzt eine Codierung (Positionsmarken), die einem entsprechenden Lesekopf die Möglichkeit gibt Daten zu ermitteln welche sich dann mittels geeignetem Equipment dazu eignen die Position zu ermitteln. Dadurch ist es während des Betriebes, auch nach einem vorübergehenden Ausfall des Systems gewährleistet, daß eine Positionsbestimmung vorgenommen werden kann. Sowohl für die Positionsbestimmung die Ermittlung der Fahrgeschwindigkeit, der Bremsstrecken, der Bewegungsrichtung und der Positionierung, ist diese Messung ein großer Vorteil. Meßfehler und Toleranzen sind ausgeschlossen oder zumindest deutlich reduziert. Es erfolgt die Erfassung tatsächlicher Zustände bzw Positionen.
Nachteil solcher Systeme ist ihr komplizierter Aufbau und die komplexe Messmethode. ZB die Abtastung von Magnetimpulsen, das Auslesen von Barcodes oder ähnlicher Marken zur Positionsbestimmung. Bei magnetisch basierten Abtastsystemen besteht das Problem, daß zum Erfassen der Position eine Bewegung stattfinden muß und zwar durch einen bewegten Abtastkopf oder eine Bewegung des Abtastkopfes selbst. Auch eine virtuelle Bewegung ist möglich indem Magnetfelder aktiviert bzw deaktiviert werden. Die dann erfasste Impulsfolge muß in Relation zu vorherigen Impulsdaten gebracht werden oder die Impulsfolge muß einen Entfernungscode enthalten. Solche Marken sind sehr komplex und erfordern eine extreme Folgedichte der Marken, wenn eine entsprechende Genauigkeit erzielt werden soll. Dies bedingt sehr kurze Abstände zwischen den Marken und eine damit verbundene entsprechende Präzision der Markierungsträger. Es ist erforderlich bestimmte Abstände zwischen Abtasteinheit und Markierungsträger weder zu unterschreiten (Beschädigung) noch zu überschreiten (Lesefehler bzw keine Auslesung mehr möglich). Die erforderlichen Toleranzen sind sehr gering. Ein weiterer Nachteil ist der nicht erkennbare Wert der Positionsmarken, durch das menschliche Wahrnehmungsvermögen, ohne entsprechende Abtastgeräte. In jedem Fall ist ein großer Aufwand nötig um bei Systemausfällen die exakte Position zu ermitteln. Vor allem sind entsprechende Speicher für die Erfassung der vorherigen Zustände erforderlich. Alle diese Nachteile bedingen einen großen Aufwand und in der Folge hohe Kosten.
Problemlösung
Die im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Lösung vermeidet oder mindert die oben beschriebenen Nachteile. Außerdem bietet sie eine kostengünstigere Lösung. Diese wird durch im die Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale erreicht.
Das erfindungsgemäße System nutzt flächenhomogene Informationen bzw Eigenschaften die vorzugsweise auf einer Frequenz bzw Eigenfrequenz basieren. Eine solche Eigenschaft kann die von Farben sein. Ein durch die Eigenschaften sichtbarer Farben aufgebautes System ist im Folgenden beschrieben. Mit ihm ist die Erfindung einfach darstellbar. Diese Anwendung ermöglicht außerdem das Lesen der Positionsmarken, die im Folgenden als Koordinaten bezeichnet werden, in direkter Weise durch den Menschen.
Dazu werden mehrere Farbspuren werden nebeneinander gelegt. Die erste Spur besteht aus aufeinander folgenden Segmenten in der Größe 1 mm mal 1 mm. Diese Segmente besitzen Farben von rot nach blau aufsteigend. Die Segmentfolge besteht aus zehn Segmenten, welche sich permanent in gleicher Reihenfolge wiederholt. Parallel zu den Segmentfolgen der ersten Spur wird eine zweite Spur angebracht die beginnend mit der ersten Farbe des ersten Segments der ersten Spur Segmentstreifen der gleichen Farbfolge jedoch der zehnfachen Länge besitzt. So daß neben der ersten kompletten Farbreihenfolge ein Segmentstreifen mit Farbe des ersten Segmentes der ersten Spur angebracht ist. Neben der zweiten kompletten Farbreihenfolge der ersten Spur eine Spur mit der Farbe des zweiten Segments der ersten Spur usw. Nach 100 mm bzw 10 cm ist die Folge komplett und beginnt von neuem. Neben Spur eins und zwei wird die Spur nun drei gelegt die der gleichen Gesetzmäßigkeit folgt. Das heißt innerhalb eines Meters durchlaufen die Segmente der Spur 3 die Farbfolge einmal, die die Spur zwei 10 mal und die Spur eins 100 mal. Die Werte der rechtwinklig zum Koordinatenstreifen lesbaren Farbfolge werden als Koordinaten bzw Frequenzkoordinaten bezeichnet. Im Falle eines Aufzugschachtes als z Koordinaten, da sie senkrecht aufsteigen. Eine Spur 4 erzeugt Koordinaten bis 10 Meter, eine Spur fünf 100 Meter, Spur sechs 1000 Meter und mit der Spur sieben 10000 Meter. Damit ist die Höhe des Mount Everest überschritten. Das Auflösungsvermögen von 11 Spuren reicht für 2,5 Umrundungen der Erde. Dh ein 11 mm breiter Koordinatenstreifen genügt um wie in der Folge ausgeführt wird eine Standortbestimmung bis auf den Bruchteil eines Millimeters vorzunehmen, bei entsprechendem Auflösungsvermögen der Erfassungsvorrichtung kann dieses Maß auch deutlich geringerausfallen. Wird dieser Streifen aus einer bedruckten Folie am Stück erzeugt oder zusammengesetzt ist dieser unter 1000 Euro produzierbar, die Kosten der Erfassungs- und Berechnungsvorrichtung werden 80 Euro nicht überschreiten, damit entsprechen die Kosten einem Bruchteil derer eines Systems nach bisherigem Stand der Technik.
Rot/Braun/Pink/Oliv/Grün/Gelb/Orange/Türkis/Blau/Violett/
0/1/2/3/4/5/6/7/8/9/
Nimmt man diese Farbreihe als gegeben an und liest mittels eines Fotochips folgende Reihenfolge einer 4 spurigen Farbleiste ab Oliv/Braun/Rot/Violett, so erhält man folgende Zahlenfolge 3109. Das heißt, analog dazu befindet sich die Abtasteinheit bei 3.109 mm also bei 3 Meter 10 Zentimeter 9 Millimeter.
Die in der Beschreibung erfolgte Anlehnung an das dekadische System ist nur beispielhaft, selbstverständlich kann ein engeres oder breiteres Farbspektrum und auch andere Abmessungen der Farbflächen gewählt werden. Je nach der Leistungsfähigkeit der Abtasteinheit kann die Farbspreizung ein höheres Maß erreichen und die Farbflächen in Ihrer Dimension entsprechend verkleinert werden. Dies ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Vorzugsweise erhält man eine höhere Auflösung des System auf einfache Art und Weise dadurch, daß man eine Spreizung über ein Linsensystem vornimmt, so daß die Farbflächen auf einem Fotochip eine große Anzahl von Pixeln überdeckt und somit die Auflösung über den 1000stel mm Bereich reicht. Damit ist das System auch für hochpräzise Positionierungen im Maschinenbau und anderen Anwendungsbereichen geeignet.
Die Herstellung eines geeigneten Frequenzträgers ist extrem kostengünstig. Der erforderliche Fotochip ist Massenware und wird millionenfach für Handys und Kameras produziert. Die erforderliche Hardware und Software benötigt weniger Leistungsfähigkeit als die in Kameras vorgehaltene. Außerdem kann die komplette Erfassungseinheit zu einer Baugruppe zusammengefasst werden. Eine entsprechende Datenkomprimierung stellt nur geringe Anforderungen an die Datenübertragung. Ebenso ist das erforderliche Equipment im Empfängersystem minimal.
Die Eingangs erwähnten Probleme enger Toleranzen zB magnetischer Systeme zwischen Abtastsystem und Träger der magnetischen Positionsmarken entfallen. Eine Empfindlichkeit für schwankende Abstände ist nicht gegeben. Werden beim erfindungsgemäßen System Referenzmarken winkelförmig auf dem Koordinatenstreifen angebracht werden sind selbst Schrägstellungen korrigierbar. Bei entsprechender Korrektur durch das Rechnerprogramm sind Verschmutzungen unproblematisch, sieh Oversamplingprogramme in bei optischen Lesesystemen. Mit geringem Aufwand wird auch der Betrieb bei vollständiger Dunkelheit möglich, da moderne Fotochips nur sehr wenig Restlicht bzw Kunstlicht benötigen.
Eine einfache Möglichkeit räumlichen Spreizung der Marken um damit die Auflösung zu erhöhen ist die optische Vergrößerung. Ein Linsen- bzw Spiegelsystem oder eine entsprechende Kombination von beidem, wie es in Kameras Stand der Technik ist, bietet die Möglichkeit die Koordinaten so zu spreizen, daß bei einer Koordinatenflächenhöhe von 1 mm der ersten Spur eine Positionsbestimmung bis zu 0,01 mm oder geringer zuläßt.
Eine weitere Möglichkeit die Positionsbestimmung zu erhöhen ist die Steigerung der Auflösung des Abtastsystems. Bei einem optischen System ist die Dichte und Anzahl der Pixel der zur Auswertung herangezogenen Fläche bzw Fotochips entscheidend. Kamerachips nach heutigem Stand der Technik sind für normale Anwendung vor alter aber für die oben erwähnte Positionserfassung von Liftkabinen völlig ausreichend. Das System läßt sich aus bestehenden Komponenten herstellen, ist unanfällig gegen Störungen, erzielt eine maximale Genauigkeit und ist kostengünstig. Je nach der Leistungsfähigkeit und Auslegung der Abtasteinheit kann die Spreizung und Dimension und Beschaffenheit bzw Eigenschaften der Koordinatenmarken variiert werden, eine Frage der Wirtschaftlichkeit und Erfordernis.
Im Folgenden wird eine weitere, vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Systems in Verbindung mit Schrittmotoren beschrieben. Auf der Motorwelle wird eine Scheibe mit Frequenzkoordinaten angebracht. Diese ermöglicht die exakte Erfassung der Winkelstellung der Motorwelle und somit die Wegzuordnung einer Stellvorrichtung. Bei einer Gewindespindel geschieht dies in dem man die Gewindesteigung durch die Anzahl der Winkelgrade teilt und diesen Wert mit den durchlaufenen Winkelgraden multipliziert (mechanisches Basiswissen). Dadurch ergiebt sich eine exakte Positionsbestimmung innerhalb einer Umdrehung (Backslash vernachlässigt). Werden die der Hauptbewegung zugeordneten Koordinaten mittels gekoppelter Scheibe (Drehbewegung, Winkel- bzw Wegkoordinaten) oder Stange (Linearbewegung) oder mittels eines anderen Bauteils erfasst, welches sich äquivalent zur Bewegung des zu positionierenden Gegenstandes verhält, dann ergibt sich aus der Addition der Hauptkoordinate und dem Wert der sich aus der Schrittmotorstellung errechnet, eine exakte Position. Der entscheidende Vorteil besteht darin, daß auf eine aufwendige Speicherung von Inkrementen verzichtet werden kann. Die Position ist bei einer erneuten Inbetriebnahme nach zB einem Störfall in absoluter Form auslesbar. Eine Referenzfahrt entfällt ebenso wie die dafür erforderlichen Maßnahmen (zB Präzisionsschalter zur Lagebestimmung oder Ähnliches). Undefinierte, kritische Zustände entfallen. Ein unter bestimmten Bedingungen problematisches „nullsetzen” einzelner Bauteile oder ganzer bzw Teilanlagen entfällt.
Das Basisprinzip: Es findet eine Verknüpfung von Punkten, flächenförmigen oder räumlichen Segmenten statt, wobei die jeweiligen Einzelsegmente in der für die Erfassung erforderlichen bzw gewünschten Sektion, vorzugsweise eine charakteristische, homogene, identische unveränderbare, auslesbare bzw erfassbare Eigenschaft und damit verbundene Information aufweisen. Die Erfassbarkeit der Information kann sowohl aktiv erzeugt wie auch passiv vorhanden oder beides sein. Die Verknüpfung ist derart, daß Informationsstreifen so angeordnet werden, daß die in einer beliebig bestimmbaren Folge ausgelesenen Sektorenwerte, eine Wertefolge ergibt die sich additiv, multiplikativ oder mathematisch andersartig verknüpft zu einer Information transformieren lässt. Des weiteren verhalten sich erfindungsgemäß die Flächen- bzw die Raumsektoren der Flächen bzw Räume der Folgewerte analog zu deren höherer Wertigkeit. Daraus folgt, daß bei einem zehnmal höheren Wert der Flächen- bzw Raumsektor verzehnfacht wird. Bei zB zehn Segmenten, besitzt der Nachfolgesektor, welcher diese zehn Segmente überdeckt, den zehnfachen Wert und Sektorenanteil. Jeder weitere, zur Steigerung der Wertespanne, zugefügte Sektor bzw Sektorenzone folgt diesem Prinzip. Es sind jedoch auch andere weniger gut verständliche, jedoch bei Erfordernis einsetzbare Bezüge möglich, da sie elektronischen Erfassungssystemen unterworfen werden.
Vorteil: Die geschwindigkeitsabhängige Genauigkeit
Beim Auslesen der Frequenzkoordinate von links nach rechts entsteht mit jeder Einzelfrequenz eine Erhöhung der Positionspräzision. Beispiel: Auf einem Koordinatenstreifen mit fünf Spuren wird zum Zeitpunkt t₁ der Wert 03123 und bei t₁ + 0,5 s der Wert 03623 erfasst. Dies entspricht einer Geschwindigkeit von 2 m/s. Im Normalfall ist der letzte Wert, also der mm Wert dann nicht von Bedeutung. Er kann somit bei der Erfassung spätestens jedoch bei der Verarbeitung vernachlässigt werden. Da sich dieser Wert zehnmal so schnell ändert wie die der Wert der zweiten Spur wird deutlich welche Datenmenge entfällt. Bei nicht erforderlicher Positionspräzision in Verbindung mit entsprechend hoher Geschwindigkeit kann gegebenenfalls so auf die Auswertung irrelevanter Spuren verzichtet werden, damit sinkt die Datenmenge um die entsprechenden Werte und die Verarbeitungs- bzw Auswertungsgeschwindigkeit des Signals steigt an. Dieser Eigenschaft ist bei hohen Geschwindigkeit der Vorzug zu geben. Der entscheidende Vorteil ist, daß bei sinkender Geschwindigkeit an jeder beliebigen Position die Präzision auf das von der Einheit erreichbare Maß ansteigt.
Vorteil: Die steigerbare Präzision der Positionsbestimmung.
Je nach Anforderung kann umgekehrt vorgegangen werden. Die höherwertigen Spuren werden bei Erfordernis nur dann übermittelt wenn sich deren Wert ändert. Die Koordinatenpräzision wird nur durch die Fähigkeit der Erfassungsvorrichtung begrenzt, die Koordinaten entsprechend aufzulösen. Diese Präzision kann durch optische oder andersartige, systemgeeignete Maßnahmen nahezu beliebig gesteigert werden. Das Verbringen von Streuvorrichtungen an die Erfassungseinheit, wie zB Spiegel, Linsen oder Linsensysteme, wie sie zB in der Fototechnik verwendet werden, ermöglichen eine Signalspreizung die nahezu ins Unendliche steigerbar ist. Bei Verwendung von geeigneten Erfassungssystemen kann die Lage der Koordinaten und damit die Position des mit der Einheit gekoppelten verfahrbaren Gegenstandes genauestens bestimmt werden.
Vorteil: Die Wirtschaftlichkeit der Erfindung.
Entscheidend für die Wertigkeit der Erfindung ist vor allem, daß ihre Wirkung und Funktion bei sogenannten normalen Anwendungen in Verbindung mit verfahrbaren zu positionierenden Gegenständen, wie zB Werkzeugtisch, Spannvorrichtung, Werkstück, in der Produktion befindlicher Gegenstände, Transportvorrichtungen und hier im Beispiel explizit einer Liftkabine – dies sind nur wenige Beispiele für die Einsatzmöglichkeiten – mittels geringem finanziellen Aufwand erreichbar ist und somit in der Praxis nicht auf unlösbare wirtschaftliche Probleme stößt.
Vorteil: Die Kombinierbarkeit der Erfindung.
Das kombinieren der erfindungsgemäßen Einrichtung mit anderen System ist möglich. ZB Grobpositionierung über GPS oder anderes System, und End- bzw Präzisionspositionierung durch die erfindungsgemäße Anwendung. Beispielsweise wird ein Zug mittels GPS oder einem anderen System auf der Strecke positionsüberwacht und im Bahnhof durch die erfindungsgemäße Lösung exakt positioniert. Dabei können die Frequenzkoordinaten direkt so am Koordinatenstreifen ausgegeben werden, daß sie mit den GPS Daten kompatibel sind.
Vorteil: Die Informationsdichte der Koordinaten.
Im Gegensatz zu hell dunkel Markierungen wie zB in der Schrift DE 44 04 779 A1 erwähnt ist die Informationsdichte bei der erfindungsgemäßen Lösung höher und trotzdem unproblematisch in ihrer Lesbarkeit.
Vorteil: Die Sicherheit der Lesbarkeit.
Positionsmarken wie zB hell dunkel Codes im speziellen Barcodes sind bei großer Informationsdichte, also Folge, und hoher Geschwindigkeit nicht mehr oder nur mit extrem aufwendigen Mitteln auslesbar. Diesen Effekt kennt jeder der an einer Supermarktkasse gestanden hat und darauf wartet bis der Code endlich erkannt wird. Dort ist der Code 10 mm breit und die Geschwindigkeit des Scanners nahezu Null. Bei einer geforderten Genauigkeit von 1 mm muß die Marke bzw der Code kleiner als 1 mm sein oder versetzt werden. Die Leseeinheit bzw der Scanner bewegt überfährt bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s 1000 Marken pro Sekunde. Dies zeigt die existierende Problematik. Der zusätzlicher entscheidender Nachteil ist, daß immer die Gesamtinformation ausgelesen werden muß. Diese Nachteile vermeidet die erfindungsgemäße Lösung.
Vorteil: Die geringe Breite des Koordinatenträgers.
Ein 6 mm breiter Koordinatenträger kann die Strecke eines Kilometer mit millimetergenauen Koordinaten tragen. Dieser Wert kann größer sein (Präzision ist nicht erforderlich) oder kleiner sein (mehr Präzision oder Kompaktheit ist gefordert). Diese Berechnung basiert auf den in den Zeichnungen dargestellten dezimalen System. Dies ist beispielhaft aber nicht einschränkend zu werten. Siehe auch das abstrakte Beispiel.
Vorteil: Die Kompatibilität der Erfindung.
Werden den für das erfindungsgemäße System verwendeten Frequenzen Werte durch eine Norm fest zugeordnet, dann können die Daten systemübergreifend und universell verarbeitet werden. (Kostenvorteil). Die störanfälligen Barcodes könnten ersetzt werden.
Vorteil: Die absoluten Marken.
Da es in diesem System vorzugsweise nur Positionsmarken mit festen Werten gibt sind zB sogenannte Lernfahrten bzw Kalibrierungen überflüssig. Kann der Bezug der Position des beweglichen Erfassungsgerätes und der Koordinate direkt bestimmt werden, ist eine Bewegung zu dieser Position ohne Kalibrierungsfahrten möglich, dies ist vor allem dann von Vorteil wenn das System in verschiedenen bzw gleichartigen Bewegungssystemen eingesetzt wird. Ist die Steuerung bzw die auswertende Elektronik entsprechend programmiert, so kann sie direkt ohne Änderung der Parametererfassung, des Programmes oder zB der Zuordnung der Anzahl von Inkrementen eingesetzt werden. Bei einer Normung der Frequenzwerte, ist jedes zur Norm konforme Gerät in der Lage den entsprechenden Koordinatenstreifen zu lesen. Dies bedeutet in der Praxis, beim Einschalten eines Bewegungsmechanismus wird sofort die Position erkannt. Zum Anfahren einer bestimmten Koordinate genügt nun folgende Eingabe: Fahre beginnend mit der Beschleunigung a₁ bis zur Höchstgeschwindigkeit v₁ bis zum Punkt 12500 mm, verzögere ab dort mit a₂ bis zum Erreichen der Schleichfahrt v₂, erhalte v₂, halte bei Koordinate 13600. Die Bremsstrecke wird im Normalfall von der Steuerung errechnet und damit auch der Punkt an dem die Verzögerung beginnt. Im Grunde genügt die Eingabe von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verzögerung sowie die der Endkoordinate. Im Falle eines Liftes wäre sogar folgendes vorstellbar: Auslieferung der Steuerung mit den vom Architekturbüro vorgegebenen Stockwerkdaten, Montage des Aufzuges Anbringung des Meßstreifens zB entlang der Fahrkorbschienen. Einschalten fertig. Bei Bedarf Feinjustierung. Dadurch, kein Einlesen, keine risikobehafteten Referenzfahrten, keine Meßfehler. Dieses Beispiel zeigt die Einfachheit und die damit verbundene Nutzbarkeit des erfindungsgemäßen Systems. Somit offenbart sich ein weiterer Vorteil: Zur Programmierung sind keine Spezialkenntnisse erforderlich. Sämtliche Kombinationsmöglichkeiten und Spezialprogrammierungen sind dennoch möglich. Die optimale technische Auslegung bzw Ausführung des Koordinatenträgers wird die Praxis ergeben. ZB kann es vorteilhaft sein die einzelnen Frequenzfelder mit einem Rand zu umgeben um eine scharfe Abgrenzung zu erreichen und damit die Meßgenauigkeit zu erhöhen. Auch ist es möglich Präzisionspunkte anzubringen um die Genauigkeit bei Kleinstmaßen zu steigern. Für normale Anwendungen sind solche Maßnahmen nicht sinnvoll.
Passives bzw aktives lesen der Koordinaten. Ist das passive Lesen der Marken aus Gründen die hier nicht erläutert werden nicht möglich. So kann eine aktive Auslegung erfolgen. Dh zB mittels eines Laser-, Licht- oder Röntgenscanns kann die Koordinate ebenfalls ermittelt werden sofern die auf dem Träger aufgebrachten Marken entsprechend geeignet sind. Jede Form von Strahlung, egal ob Teilchen-, Wellen- oder Mischstrahlung kann zur Anregung und Ermittlung geeigneter flächenhomogener Koordinaten verwendet werden
Koordinatenmarken jeglicher Art: Leidlich die Verknüpfung der Marken zueinander muß erhalten bleiben. Die Marken selbst können jegliche Eigenschaft haben annehmen, sofern sie eindeutig voneinander unterscheidbar sind. Frequenz, Resonanz, Brechungswinkel, Temperatureigenschaft, Radioaktivität, Oberflächenbeschaffenheit alles ist möglich. Signalausgabe: Grundsätzlich können die vom Lesesystem erfassten Frequenzsequenzen in ein computertaugliches Signal umgeformt werden und somit vom Nehmersystem (zB externe Steuerung) verarbeitet werden. Ebenso kann das Signal so gewandelt werden, daß eine schnellere Übertragung möglich ist. ZB in Form von heximalen high- und lowbits.
Datenbustaugliche Signale sind vorteilhafterweise anzuwenden. Vorteilhafter Weise werden bei entsprechenden Anforderungen die Übertragungstechniken der Medientechnik, insbesondere jene der Lichtleitertechnik angewendet, damit lässt sich das Ursprungssignal direkt zum Hauptrechner führen und dort verarbeiten. Es ist außerdem möglich dem Koordinatensignal ein Zeitsignal beizufügen, ähnlich den GPS Signalen. Damit ist eine Zuordnung in Realzeit möglich. Bei Meßvorrichtungen mit unterschiedlichen zu erfassenden Parametern, ein unschätzbarer Vorteil. Ebenso ist eine Korrektur bei Einspeisung des Signals in verschiedene Nehmersysteme mit unterschiedlichen Signal Laufzeiten möglich. Vor allem dann wenn verschiedene bzw unterschiedliche Parameter exakten Positionsdaten zugeordnet werden müssen. Es wird aufgezeigt, daß eine nahezu beliebig große Differenzierung oder Spezialisierung des Signals bzw der Information und damit des erfindungsgemäßen Systems möglich ist. Bei normalen Anwendungen wird vorteilhafterweise ein direktes in Positionssignal ausgegeben. Ein als Lese-, Berechnungs- und Sendeeinheit kombiniertes System überträgt direkt verwertbare Informationen. Diesen Informationen werden dann zB vom Gebersystem oder im Nehmersystem in primärer Form die Position und in sekundärer Form die Positionsveränderung in Abhängigkeit zur Zeit zB die Geschwindigkeit, Beschleunigung usw berechnet, und dann im Nehmersystem die entsprechenden Folgebefehle abgeleitet. Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht verschiedenen Nehmersystemen die Informationen eines Gebersystems zu verwerten.
Alle Beschreibungen und Anwendungen sind lediglich beispielhaft und in keiner Weise einschränkend. Das System zur Positionsbestimmung bzw Wegerfassung kann auch an rotierende oder andersartig räumlich veränderbaren Systemen bzw Gegenständen zur Anwendung kommen.
Abstraktion: atomarer Meßstab.
Wird die oben ausgeführte Methode abstrakt zu Ende geführt so ergibt sich folgendes Szenario: Als Koordinatenmarken werden Atome bzw Moleküle verwendet. Deren Eigenfrequenz bzw spezifische Eigenschaften werden angemessen bzw durch Fremderregung ermittelt. Damit ergibt sich die erste Spur. Neben die erste Spur wird ein Atom- bzw Molekülstreifen in der oben beschriebenen Art gelegt usw. Bei einem Verfahren das es ermöglicht derart vorzugehen oder die Atome auf einem entsprechenden Träger zu fixieren zB ein geeignetes Atom- bzw Molekülgitter und das Erfassungssystem verfügt über das entsprechende Auflösungsvermögen so kann auf den Durchmesser präzise, eines Atoms bzw eines Teiles dessen Durchmessers, bei entsprechender Auswertung die Position bestimmt werden. Das in dieser Form abstrakt ableitbare Meßsystem kann für nahezu jeden Einsatz verwendet werden und nach Einsatzzweck beliebig variiert werden. Nur die Verwendung von Positionsmarken die eine unveränderbare meßbare Eigenschaft, vorzugsweise Frequenz bzw Eigenfrequenz, aufweisen ist erforderlich und ein geeignetes Equipment zur Erfassung der Marken, und welches den Präzisionsanforderungen entspricht.
Beispiel Auflösung:
Bei Verwendung eines VGA Kamera Chips beträgt die Auflösung ca 400 mal 700 Pixel überdeckt dieser in der Breite mit 700 Pixel einen Koordinatenstreifen von 4 mm, dann löst er in der Höhe einen Millimeter mit 175 Pixeln auf, dies bedeutet eine Lesepräzision von 0,0057 mm. Ein 2 Megapixel Chip erzeugt bereits eine Auflösung von 0,00095 mm. Dies entspricht in etwa einem zehntausendstel Millimeter. Durch den Einsatz höher auflösender Chips oder Linsen- bzw Spiegelsysteme bzw anderer Vorrichtungen die zur Frequenzstreuung bzw Bündelung geeignet sind lassen diesen Wert noch einmal deutlich sinken, so daß auch Werte von weit unterhalb eines millionstel Millimeters erreichbar sind. Siehe auch das abstrakte Beispiel.
Geschwindigkeit der Auslesungen:
Werden 10 Auslesungen (zB Belichtungen) pro sec vorgenommen so ergibt sich bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s ein Positionswert pro 10 cm Fahrweg für normale Anwendungen ein ausreichender Wert. Wird dann verzögert auf 0,5 m/s Position alle 5 cm usw. Auch dieser Wert zeigt die absolut unkritische technische Machbarkeit und damit die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Lösung.
Eine weniger vorteilhafte Ausführung verzichtet auf die Anordnung der Spuren in der Farbfolge zueinander ebenso kann in jeder Spur eine eigene Reihenfolge nahe zu willkürlich gewählt werden. Der Vorteil der problemlosen Lesbarkeit für Menschen und der einfachen Logik geht dann allerdings verloren. Eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lösung durch die Zuordnung der Werte innerhalb des Systems in den oben angeführten Beispielen wird hiermit ausdrücklich ausgeschlossen.
Die Erfindung wird im Folgenden weiter anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
1 eine aufsteigende Folge von Segmenten (Reihe A) mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen (Farben) und die ihnen zugeordneten Zahlenwerte (Reihe B). Zur Veranschaulichung in der schwarz weiß Darstellung wird eine Symbolreihe (Reihe C) als Ersatz für die Farben gewählt.
Zehner System
Beispielhaft werden folgende Werte den entsprechenden Frequenzen (Farben) zugeordnet:
Die als Farbersatz verwendeten Symbole sind in 1 entsprechend zugeordnet.
Rot/Braun/Pink/Oliv/Grün/Gelb/Orange/Türkis/Blau/Violett/
0/1/2/3/4/5/6/7/8/9
2 einen 4 wertigen Segmentstreifen mit Koordinaten der Folge der Werte von 0000 bis 0101.
Fünfer System
3 einen 4 wertigen Segmentstreifen mit Koordinaten der Folge der Werte von 1413 bis 2020.
Fünfer System
4 ein Erfassungsfenster (4) mit der Koordinate 2303.
Fünfer System
5 ein Erfassungsfenster (4) mit der Koordinate 2303 und 2304.
Fünfer System
Die gezeigten Ausführungsbeispiele werden im Folgenden mehr im Einzelnen erläutert:
Zu allen Ausführungsbeispielen wird folgendes angemerkt: Sämtliche Zeichnungen sind im Gesamten wie auch in ihren inneren Beziehungen zueinander maßstäblich oder nach den Grundlagen technischer Zeichnungen ausgeführt. Als Vorstellungsgröße wird jedoch bei den folgenden Beschreibungen und Berechnungen davon ausgegangen, daß eine Einzelfläche der Frequenzfelder der 1 1 mm breit und 1 mm hoch ist und die Streifenbreite bei den Folgefiguren ebenfalls 1 mm ist. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Verzerrungen der Maßstäbe ab 4 deutlich größer. Um den Anforderungen nach einer Schwarz-Weiß Darstellung zu genügen, sind die beispielhaften Farben durch Zeichen innerhalb der Felder ersetzt. Jedes Feld mit einem Zeichen entspricht dem äquivalenten Flächenwert und gilt für die gesamte Fläche. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird ab 2 ein Fünfer-System, statt des besser nachvollziehbaren Dekadischen Systems gewählt. Texterklärungen beziehen sich in der Regel jedoch auf das dekadische System. Die Farbbeispiele werden ausschließlich aus Gründen der Vorstellbarkeit gewählt, sind jedoch in keinem Fall einschränkend zu bewerten. Siehe Ansprüche.
In 1 zeigt das Beispiel einer Folge von Segmenten mit unterschiedlichen Farben (Reihe A) und die ihnen zugeordneten Werte (Reihe B). Um eine Darstellung in schwarz weiß zu ermöglichen werden die jeweiligen Farben durch Symbole ersetzt diese stehen innerhalb eines Feldes bzw eines Streifen für den dieser Fläche zugeordneten Wert. Dh innerhalb des Feldes auf der das Symbol angebracht ist, gilt derselbe Wert bzw hat der gesamte Flächenbereich dieselbe Informationseigenschaft.
In dieser Figur ist das dekadische System zu Grunde gelegt
Rot/Braun/Pink/Oliv/Grun/Gelb/Orange/Türkis/Blau/Violett/
0/1/2/3/4/5/6/7/8/9
mit den Ersatzsymbolen für die Farben zur schwarz weiß Darstellung.
Für die Wertezuordnung wurde das dekadische System gewählt und eine vertikal aufsteigende Zuordnung gewählt wie sie zB in einem Liftschacht Sinn machen würde. Ebenso kann die Wertefolge absteigend gewählt werden, wenn dies Sinn macht, zB Bergwerkschacht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin eine die Wertefolge von null aus auf- bzw absteigend anzubringen. Dann müßte eine weitere Spur angefügt werden und diese als plus oder minus auszuweisen. ZB Erdgeschoß ist null, Bewegung nach unten bringt negative Werte, Bewegung nach oben positive Werte. Bei einem Liftschacht nicht von Vorteil bei der x y z Positionierung anderer Gegenstände kann dies vorteilhaft sein. Bei einem entsprechend konfigurierten Berechnungsprogramm kann der Plus- bzw Minusbereich auch an der Wertefolge der ersten Spur erkannt werden. Das Erfassungsfenster der muß dann immer zumindest 2 Werte teilweise erfassen.
In 2 wird beispielhaft die Anbringung von 4 Segmentspuren gezeigt, die eine horizontale Zuordnung von rechts nach links aufweisen und einem entsprechenden vertikalen Streckenverhältnis, mit den entsprechenden Werten beginnend ab Null aufsteigend.
In 3 wird dieselbe Struktur wie in 2 gezeigt jedoch ein willkürlich gewählter Streckenabschnitt von der Koordinate 1413 bis zur Koordinate 2020. Diese Figur veranschaulicht, daß ohne Kenntnis der Vorspur oder der Nachspur an jedem beliebigen Ort eine exakte Positionsbestimmung erfolgen kann und dazu keine in Speichern abgelegten Daten bzw Inkremente erforderlich sind.
In 4 wird eine beispielhafte Erfassungsmethode zur Ermittlung einer Koordinate gezeigt. Die Koordinate (B) liegt komplett im Feld des Erfassungsfensters (grau unterlegt) vorausgesetzt ist, daß eine Koordinate immer die Höhe bzw Länge eines Segments der niedrigsten Spur besitzt. Das Erfassungsfenster besitzt drei Erfassungszeilen (1, 2 und 3). Die Koordinate wird ermittelt durch Zuordnung der Werte von links nach rechts. Hier 2303 alle drei Reihen im Erfassungsfensters sind identisch. Der Wert ist ermittelt.
5 zeigt dieselbe Situation wie 4 jedoch beispielhaft die Ermittlung einer Koordinate, bei der eine Teilabbildung von zwei Koordinaten im Erfassungsfenster zustande kommt. Die Zeilen eins und zwei des Erfassungsfensters bilden die Koordinate 2303 ab und in der Reihe drei wird die Koordinate 2304 abgebildet. Es wird wie folgt vorgegangen. Zur Abbildung der Niederkoordinate (2303) wird der Anteil der Hochkoordinate addiert. Das Abbildungsfenster besitzt 3 Zeilen und löst den Bereich eines Millimeters auf, daher entspricht eine von drei Zeilen der Strecke von 0,33 mm. Es wird zum Wert der Niederkoordinate (2303) der anteilige Wert der Hochkoordinate (0,33 mm) addiert. Somit erhält man den Wert 2303,33. Es wird also lediglich der Zeilenanteil durch den Streckenwert des Erfassungsfensters geteilt. Der fest ermittelte Wert wird dann bei Erfordernis anteilig zur Niederkoordinate addiert. Dies bedeutet, daß die Lesevorrichtung und damit der bewegte Gegenstand im Verhältnis zur 4 um 0,33 nach oben bewegt wurde.
Die Figuren zeigen nur einige von vielzähligen Anwendungsmöglichkeiten, in keinem Fall sind sie jedoch einschränkend zu bewerten.
Bezugszeichenliste

Alle Bezugszeichen sind direkt in den Zeichnungen integriert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4404779 A1 [0020]

Claims

Einrichtung zur Erfassung von Position, Weg und Geschwindigkeit, bestehend aus einem oder mehreren fest verbrachten Koordinatenträger und einer oder mehreren, zur Erkennung der Koordinaten geeigneten Einrichtung, die mit dem zu positionierenden Gegenstand direkt oder bewegungsproportional verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Koordinatenmarken als Punkt-, flächenförmige oder räumliche Segmente ausgeführt werden und daß die Einzelsegmente ganzheitlich homogene, spezifische, voneinander unterscheidbare, vorzugsweise unveränderbare Eigenschaft aufweisen und daß diese in der zu erfassenden Bezugsrichtung vorzugsweise in Form einer oder mehrerer Spuren in einer gewählten Folge aneinander gereiht sind, und sich in dieser Folge fortwährend wiederholen, und daß zur Erzeugung der erforderlichen Wertespanne eine oder mehrere Spuren solcher aneinandergereihter Segmente gleicher Folge parallel zu vorhergehenden Spuren angebracht werden, wobei die folgende Spur so zugeordnet ist, daß das erste Segment der Folgespur dem ersten Segment der Vorspur entspricht und einer kompletten Länge einer Segmentfolge der Vorspur folgt, und daß die Segmentfolgen der jeweiligen Spuren gleich sind und sich diese nach Erreichen der gesamten Segmentfolge zu wiederholen beginnen und somit bei Erfordernis ein weiterer Folgestreifen von Segmenten angebracht wird mit dem gleichen Bezug zum Vorstreifen wie dieser zum vorhergehenden usw, und daß durch diese Verknüpfung ein beliebig erweiterbares System aus eindeutig definierten Wertefolgen entsteht deren Ermittlung vorzugsweise durch rechtwinkliges Auslesen zur Bewegungsrichtung erfolgt und daß diese Wertefolge analog der Eigenschaftsfolge der Segmente ist und der aus dieser Verknüpfung ermittelte Wert als Positionswert dient, wobei dieser Wert additiv, multiplikativ oder andersartig mathematisch verknüpft, ermittelt werden kann.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß den Koordinatensegmenten direkt ein nummerischer Wert zugeordnet wird und der Wert vorzugsweise nicht in Form eines Codes aufgebracht ist und daß die Wertefolge direkt auslesbar bzw ablesbar ist und dadurch kein Speicher und kein Zähler zur Sicherung der Werte erforderlich ist und daß die Werte direkt unmittelbar ausgelesen werden können und daß die Koordinate eine exakte Position und zwar vorzugsweise als direkt herleitbarer numerischer Wert ergibt und deshalb jede Koordinate eine direkte absolute Marke ist.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinheit fest und der Koordinatenstreifen beweglich angeordnet ist
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Werte vorzugsweise von links nach rechts ausgelesen werden bzw übermittelt werden und daß bei steigender Geschwindigkeit die Werte der Spuren von rechts nach links nicht ermittelt bzw übermittelt werden (geschwindigkeitsabhängige Koordinatenpräzision).
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lesevorrichtung aus mehreren Einheiten besteht die versetzt und unterschiedlich angeordnet sein können und insbesondere verschiedene Winkel aufweisen können.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Messung vollaktiv oder teilaktiv (bei Bedarf) durch Fremderregung mittels einer geeigneten Maßnahme (zB Bestrahlung, Zusatzlicht) erfolgt.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Segmente radioaktive Materialien verwendet werden.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Segmente Materialien unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften vorzugsweise unterschiedlicher Eigen- bzw Resonanzfrequenzen auch zB auf Schallgrundlage verwendet werden.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Koordinatenstreifen nicht durchgehend ist.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder verschiedene Erfassungssysteme angeordnet werden, die unterschiedliche Winkel aufweisen können.
Erfassungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Feinauflösung geringer Abstände ein zusätzlicher Inkrementalstreifen an den Koordinatenstreifen verbracht wird und zwar ganz oder teilweise.