DE102010028224A1

DE102010028224A1 - Verfahren zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE102010028224A1
Application number: DE102010028224A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Kraus; Florian Dr. Schindler; Michael Stepputat; Joel Dr. Heersink
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-10-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung. Hierbei werden mittels einer Positionsmesseinheit Relativ-Positionsdaten bezüglich inkrementaler Längen- und/oder Winkeländerungen eines Objekts gegenüber einem Bezugssystem erzeugt. Über eine dem Objekt zugeordnete Inertialmesseinheit werden ferner Beschleunigungsdaten im Bezugssystem erzeugt. Basierend auf den Relativ-Positionsdaten und den Beschleunigungsdaten erfolgt die Ermittlung eines Positionswerts bezüglich der Position des Objekts im Bezugssystem (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung.
Zur Bestimmung der Position und/oder der Orientierung eines Objekts existieren zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze. So unterscheidet man hierbei zwischen absolut-messenden und inkremental-messenden Verfahren und Vorrichtungen. Bekannte absolut-messende Systeme ermöglichen die unmittelbare Bestimmung der Absolutposition und/oder -orientierung des Objekts in einem Bezugssystem. Über inkremental-messende Systeme werden relative Änderungen der Position und/oder Orientierung als Vielfache bzw. Bruchteile einer Signalperiode SP von Inkrementalsignalen bzw. Relativ-Positionsdaten bestimmt, die von der verwendeten Vorrichtung geliefert werden. Bewegt sich das Objekt, so wird beginnend ab einem bekannten Bezugswert die Anzahl N der dabei überstrichenen Signalperioden SP aufaddiert und in einem Zähler hinterlegt. Die vollständige Positionsinformation x ergibt sich dann in bekannter Art und Weise aus dem Zählerwert N und dem aktuellen inkrementalen Phasenwert φ gemäß der folgenden Gleichung (1): x = SP·( φ / 2π + N) (Gl. 1)
Wichtig ist bei dieser Art der inkremental-messenden Positionsbestimmung, dass über den verwendeten Zähler, der in verschiedenen Formen ausgebildet sein kann, jede Änderung einer vollständigen Signalperiode SP erfasst wird. Das heißt, dass möglichst immer der Zählerwert N korrekt zu erfassen ist. Nur dann ist gewährleistet, dass über die gemäß Gleichung (1) verrechneten Werte von N und φ der richtige Positionswert x bestimmt wird.
Derartige inkremental-messende Verfahren zur Positionsbestimmung können in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen. Im Folgenden sei im Übrigen der Einfachheit halber durchgängig von Positionsbestimmung die Rede. Diese Formulierung soll jedoch auch die grundsätzliche Möglichkeit zur optionalen Orientierungs-Bestimmung mit umfassen.
Beispielsweise können derartige inkremental-messende Verfahren zur Positionsbestimmung verwendet werden, wenn die Position eines Objekts in einem Bezugssystem direkt bestimmt werden soll. Hierbei kann es sich etwa um die Bestimmung der Position eines beweglichen Maschinenteils, wie z. B. dem sog. „Tool Center Point” (TOP), gegenüber einem stationären Maschinenteil handeln. Eine hierzu geeignete Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Raumpunktes gegenüber einem Referenz-Bezugsystem wird beispielsweise in der DE 10 2009 028 068 der Anmelderin vorgeschlagen. Die daraus bekannte Vorrichtung umfasst einerseits mindestens einen stationär im Raum angeordneten Retroreflektor sowie andererseits eine Lichtquelle, eine Scan-Einheit sowie eine interferometrische Abstandsmesseinheit, über die die Inkremental-Messung erfolgt. Hierbei kann der Retroreflektor stationär im Raum platziert werden und die Scan-Einheit im Bereich des Raumpunkts angeordnet werden. Alternativ ist es möglich, die Scan-Einheit stationär im Raum anzuordnen und den Retroreflektor im Bereich des Raumpunktes. Die Scan-Einheit weist mindestens einen Scanspiegel auf, der um zwei unterschiedliche Rotationsachsen reproduzierbar auslenkbar gelagert ist; die Rotationsachsen kreuzen sich im Mittelpunkt des Scanspiegels. Damit erfolgt ein rasterförmiges Abtasten eines zweidimensionalen Raumbereichs mittels eines teildivergenten Lichtstrahls über mehrere Abtastbahnen, bezüglich dessen mindestens ein Retroreflektor angeordnet ist. Über die interferometrische Abstandsmesseinheit werden inkrementale Abstandssignale detektiert, wenn zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit und dem Retroreflektor eine Rückreflexion des Lichtstrahls vom Retroreflektor in Richtung der Scan-Einheit resultiert. Insbesondere bei schnellen Positionsänderungen des Raumpunkts bzw. des Objekts und gleichzeitig niedriger Abtastrate zur Erfassung von Inkrementalsignalen bzw. Messwerten besteht bei diesem Messprinzip jedoch die Gefahr von Fehlern bei der Positionsbestimmung. Diese Fehler sind hierbei i. w. auf die dann nicht mehr korrekt-erfasste Anzahl N von Signalperioden zurückzuführen.
Vergleichbare Probleme resultieren im Übrigen auch bei der Verwendung inkremental-messender Verfahren zur Positionsbestimmung in anderen Anwendungen. In diesem Zusammenhang seien etwa übliche inkrementale Positionsmesseinrichtungen oder sog. selbstnachführende Laser-Interferometer erwähnt, wie sie z. B. von der Firma ETALON AG unter der Bezeichnung LaserTRACER angeboten werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Positionsbestimmung zu schaffen, das eine zuverlässige Bestimmung der Position gewährleistet, wenn schnelle Positionsänderungen resultieren und gleichzeitig nur eine niedrige Abtastrate zur Erfassung von Messwerten vorgesehen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionsbestimmung ist vorgesehen, über eine Positionsmesseinheit Relativ-Positionsdaten bezüglich inkrementaler Längen- und/oder Winkeländerungen eines Objekts gegenüber einem Bezugssystem zu erzeugen. Mittels einer dem Objekt zugeordneten Inertialmesseinheit werden ferner Beschleunigungsdaten im Bezugssystem erzeugt. Basierend auf den Relativ-Positionsdaten und den Beschleunigungsdaten wird ein Positionswert bezüglich der Position des Objekts im Bezugssystem ermittelt.
Vorzugsweise wird aus den Relativ-Positionsdaten und den Beschleunigungsdaten die Signalperiodenanzahl ermittelt, die die Anzahl von überstrichenen Signalperioden der Relativ-Positionsdaten angibt.
In einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Ermittlung der Signalperiodenanzahl über eine Schätzung, die auf mindestens einem älteren Positionswert und aktuellen Beschleunigungsdaten basiert.
Mit Vorteil werden hierbei zur Ermittlung des Positionswerts die Relativ-Positionsdaten und die Signalperiodenanzahl miteinander verrechnet.
Es ist ferner möglich, den ermittelten Positionswert sodann als vorläufigen Positionswert zusammen mit den aktuellen Relativ-Positionsdaten und den aktuellen Beschleunigungsdaten zu verwenden, um einen optimierten Positionswert zu bestimmen.
Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung des Positionswerts mittels eines Zustandsschätzers.
Als Zustandsschätzer kann etwa ein erweiterter Kalman-Filter verwendet werden.
In einer Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Objekts, die gemäß einem Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche betrieben wird, kann die Positionsmesseinheit als inkrementale optische Längen- oder Winkelmesseinrichtung ausgebildet werden.
Hierbei kann die erforderliche Inertialmesseinheit einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor umfassen.
Mit Vorteil ist der Beschleunigungssensor und/oder der Drehratensensor als MEMS-Sensor ausgebildet.
Als maßgeblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anzuführen, dass auch bei eventuellen ruckartigen bzw. hoch-beschleunigten Bewegungen des Objekts eine zuverlässige Positionsbestimmung mit hoher Genauigkeit möglich ist. Dies ist aufgrund der Verwendung einer Inertialmesseinheit gewährleistet, über die zusätzlich zu den Relativ-Positionsdaten der optischen Positionsmesseinheit Beschleunigungsdaten bestimmt werden. Die zusätzlich vorgesehene Verwendung einer Inertialmesseinheit im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt hierbei keinen wesentlich erhöhten apparativen Aufwand dar, da derartige Inertialmesseinheiten zwischenzeitlich preisgünstig verfügbar sind.
Über das erfindungsgemäße Verfahren kann desweiteren das prinzipbedingte Driften von Messwerten umgangen werden, das bei einem Verfahren resultiert, welches ausschließlich auf der Verwendung einer Inertialmesseinheit basiert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit den Figuren erläutert.
Es zeigt
1 eine stark schematisierte Darstellung einer Positionsmessvorrichtung, in der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt;
2 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung des Grundprinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine Detaildarstellung der Inkrementalzählereinheit aus 2;
4 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung einer ersten modifizierten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Variante der Inkrementalzählereinheit.
In 1 ist in stark schematisierter Form eine Positionsmessvorrichtung gezeigt, in der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommen kann. Die dargestellte Positionsmessvorrichtung entspricht hierbei der eingangs diskutierten Variante, wie sie in der DE 10 2009 028 0668 der Anmelderin vorgeschlagen wird. Diese dient zur direkten Bestimmung der Position eines Objekts bzw. eines Raumpunktes in einem Bezugssystem. Im vorliegenden Fall soll die Position eines beweglichen Maschinenteils bzw. des damit verbundenen sog. „Tool Center Point” (TCP) gegenüber einem stationären Maschinenteil bestimmt werden.
Die hierzu vorgesehene Positionsmessvorrichtung umfasst im vorliegenden Beispiel einerseits vier Retroreflektoren 10.1–10.4, die dem – nicht dargestellten – stationären Maschinenteil zugeordnet sind. Andererseits gehört zur Positionsmessvorrichtung noch eine dem beweglichen Raumpunkt TCP zugeordnete Messeinheit 20. Zur Messeinheit 20 gehören eine Lichtquelle, eine Scan-Einheit sowie eine interferometrische Abstandsmesseinheit. Über die interferometrische Abstandsmesseinheit erfolgt eine inkrementale optische Positionsmessung bzw. Längenmessung und damit die Erzeugung von Relativ-Positionsdaten bezüglich inkrementaler Längenänderungen des beweglichen Raumpunktes TCP gegenüber dem stationären Bezugsystem. Die Scan-Einheit weist mindestens einen Scanspiegel auf, der um zwei unterschiedliche Rotationsachsen reproduzierbar auslenkbar gelagert ist. Damit ist wie in 1 angedeutet ein rasterförmiges Abtasten eines zweidimensionalen Raumbereichs mittels eines teildivergenten Lichtstrahls über mehrere Abtastbahnen möglich. Im abgetasteten Raumbereich sind die vier Retroreflektoren 10.1–10.4 angeordnet. Über die inkrementale optische Positionsmesseinheit, hier ausgebildet als interferometrische Abstandsmesseinheit, werden inkrementale Abstandssignale detektiert. Dies erfolgt, wenn zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit und einem Retroreflektor 10.1–10.4 eine Rückreflexion des Lichtstrahls vom Retroreflektor in Richtung der Scan-Einheit resultiert. Zur Berechnung der dreidimensionalen Position des Raumpunkts TCP ist es erforderlich, auf diese Art und Weise den Abstand zu mindestens drei verschiedenen Retroreflektoren 10.1–10.4 zu ermitteln.
Zur Durchführung des nachfolgend noch im Detail zu erläuternden Verfahrens ist der Messeinheit 20 ferner noch eine Inertialmesseinheit 21 zugeordnet, die in der Figur lediglich schematisch angedeutet ist. Über die Inertialmesseinheit 21 werden Beschleunigungsdaten erzeugt, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zur optimierten Bestimmung des zu ermittelnden Positionswertes für den Raumpunkt TCP herangezogen werden. Mit Hilfe der Inertialmesseinheit 21 wird die zusätzliche physikalische Größe „Beschleunigung” direkt gemessen; die zweimalige Integration dieser Messwerte ergibt in bekannter Art und Weise den während der Messdauer zurückgelegten Weg. Über diese zusätzliche Messung lässt sich die Abtastrate der Positionsmessvorrichtung deutlich erhöhen. Der Positionsmesswert kann somit auch bei schnellen Positionsänderungen des Objekts bzw. Raumpunktes TCP mit gesteigerter Genauigkeit bestimmt werden.
Die in der Positionsmessvorrichtung erforderliche Inertialmesseinheit 21 umfasst vorzugsweise einen Beschleunigungssensor sowie einen Drehratensensor, um die Bewegung des Objektes bzw. Raumpunktes richtig zu erfassen. Über den Drehratensensor werden hierbei in bekannter Art und Weise die Messwerte des Beschleunigungssensors hinsichtlich der Erdbeschleunigung korrigiert. Grundsätzlich wäre alternativ hierzu aber auch möglich, lediglich einen Beschleunigungssesnor oder einen Drehratensensor einzusetzen.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Beschleunigungssensor und/oder der Drehratensensor in der Inertialmesseinheit 21 als sog. MEMS-Sensor (Micro Electrical Mechanical System) ausgebildet werden. Derart können mikromechanisch gefertigte Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren inklusive Auswerteelektronik kostengünstig in einem Gehäuse untergebracht werden.
Als Beschleunigungssensoren bzw. Drehratensensoren kommen in der Inertialmesseinheit hierbei unterschiedliche Sensorkonzepte in Betracht. So können etwa Beschleunigungssensoren eingesetzt werden, die die Auslenkung einer Masse bei einer Beschleunigung erfassen und auf einem Feder-Masse-System basieren, bei dem die Federn durch nur wenige μm breite Silizium-Stege realisiert sind. Durch die Auslenkung dieser Stege bei einer auftretenden Beschleunigung ändert sich die Kapazität zwischen den Stegen und einer statischen Gegenelektrode. Diese Änderung kann ausgelesen und als Beschleunigungsmesswert zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Als Drehratensensoren können z. B. Sensoren fungieren, die auf dem Sagnac-Effekt basieren oder aber die Coriolis-Kraft ausnutzen, die auf ein mechanisches System wirkt. Bei letzterem wird die Coriolis-Kraft bestimmt, indem die Kapazitäts-Änderung zwischen einer in Resonanz schwingenden, kammartigen Struktur und einer statischen Gegenelektrode unter dem Einfluss einer Drehbewegung erfasst wird.
Grundsätzlich können im Rahmen. der vorliegenden Erfindung verschiedenste bekannte Formen derartiger Inertialmesseinheiten zum Einsatz kommen. Hierzu zählen etwa Systeme, die lediglich die zur mehrdimensionalen Beschleunigungsmessung nötigen Beschleunigungs- und Drehratensensoren enthalten (ISA: „Inertial System Assembly”) oder aber komplexere Systeme, die darüberhinaus noch A/D-Wandler, CPU und geeignete Software für die erforderliche Koordinatentransformation, -filterung und -führung umfassen (INS: „Inertial Navigation System”).
Für die vorliegende Erfindung geeignete Inertialmesseinheiten 21 werden beispielweise von der Firma Analog Devices unter der Typenbezeichnung ADIS 16354 oder ADIS 16355 angeboten.
Anhand von 2 sei nachfolgend das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung erläutert, wie es z. B. in der Positionsmessvorrichtung gemäß 1 eingesetzt werden kann.
Maßgeblich für das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei, die erzeugten Relativ-Positionsdaten bezüglich inkrementaler Längen- und/oder Winkeländerungen eines im Raum beweglichen Objektes gegenüber einem Bezugssystem mit Beschleunigungsdaten zu kombinieren, die mittels einer dem Objekt zugeordneten Inertialmesseinheit gewonnen werden. Wie bereits oben erläutert, wird die Inertialmesseinheit zu diesem Zweck dem bewegten Objekt zugeordnet, d. h. im beschriebenen Beispiel an der Messeinheit angeordnet, die sich mit dem Raumpunkt bewegt.
2 veranschaulicht nunmehr die prinzipielle Signalverarbeitung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Analog zum eingangs beschriebenen Vorgehen gemäß dem Stand der Technik werden die über die inkrementale optische Positionsmesseinheit erzeugten periodischen, um 90° phasenverschobenen Inkrementalsignale S₀, S₉₀ einer Phasenauswertungseinheit 31 zugeführt. Dort werden über eine arctan-Operation gemäß der nachfolgenden Gleichung
Relativ-Positionsdaten φ bzgl. inkrementaler Längenänderungen des zu erfassenden Objekts gegenüber dem Bezugssystem erzeugt.
Wie eingangs erläutert, ist zur Bestimmung der vollständigen Positionsinformation bzw. für den Positionswert x über die Inkrementalanschlusseinheit 33 gemäß Gl. 1 noch die Kenntnis der Signalperiodenanzahl N der bei der Lageänderung überstrichenen Anzahl von Signalperioden SP erforderlich. Aus diesem Grund ist eine Inkrementalzählereinheit 32 vorgesehen, der zum einen sowohl die zuletzt bestimmten Positionswerte x_k-1, x_k-2... von der Inkrementalanschlusseinheit 33 als auch die Relativ-Positionsdaten φ der Phasenauswertungseinheit 31 zugeführt werden. Zum anderen werden der Inkrementalzählereinheit 32 erfindungsgemäß ferner die Beschleunigungsdaten a der Inertialmesseinheit 21 zugeführt. Die Inkrementalzählereinheit 32 nimmt nunmehr auf Grundlage der zugeführten Informationen eine Schätzung der Signalperiodenanzahl N vor und übergibt die derart ermittelte, geschätzte Signalperiodenanzahl N an die Inkrementalanschlusseinheit 33. Auf Basis von Gl. 1 und den zugeführten Werten bzgl. der Relativ-Positionsdaten φ und der Signalperiodenanzahl N ermittelt die Inkrementalanschlusseinheit 33 schließlich den gesuchten Positionswert x bezüglich der Position des Objekts im Bezugssystem.
Aufgrund der erfindungsgemäßen, zusätzlichen Nutzung der Beschleunigungsdaten a zur Bestimmung der Signalperiodenanzahl N und der daraus möglichen Erhöhung der effektiven Abtastrate lässt sich die Genauigkeit bei der Schätzung der Signalperiodenanzahl N deutlich steigern. Die zur Ermittlung des Positionswerts x nötige Signalperiodenanzahl N lässt sich nunmehr auch bei niedrigen Abtastraten der optischen Inkrementalmessung und plötzlichen Änderungen der Bewegungsparameter, beispielsweise bei ruckartigen Bewegungen, richtig bestimmen.
Die Funktionsweise der Inkrementalzählereinheit 32 und die darüber erfolgende Abschätzung der Signalperiodenanzahl N auf Basis der zugeführten Informationen wird nunmehr anhand von 3 näher erläutert. Diese Figur zeigt die internen Funktionsblöcke einer möglichen Ausführungsform der Inkrementalzählereinheit 32.
Gemäß Figur wird mindestens ein zuletzt bestimmter bzw. älterer Positionswert x_k-1 von der Inkrementalanschlusseinheit rückgekoppelt und einer Schätzeinheit 32.1 in der Inkrementalzählereinheit 32 zugeführt. Die Schätzeinheit 32.1 schätzt daraus den Positionswert xs_k zum Zeitpunkt k der Phasenmessung ab. Diese Schätzung basiert auf den aktuellen Systemparametern, zu denen auch die aktuell gemessenen Beschleunigungsdaten a_k zählen. Der geschätzte Positionswert xs_k wird nun über die Korrektureinheit 32.2 mit den aktuell gemessenen Relativ-Positionsdaten φ_k der Phasenauswertungseinheit gemäß der nachfolgenden Gleichung
korrigiert und auf die nächstliegende ganze Signalperiodenanzahl N_k umgerechnet, die dann zur Weiterverarbeitung genutzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Nutzung der Beschleunigungsdaten a_k beeinflusst demzufolge die Schätzeinheit 32.1 und ist verantwortlich für eine verbesserte Prognose des geschätzten Positionswerts xs_k, woraus sich wiederum gemäß Gl. 3 die Signalperiodenanzahl N_k korrekt bestimmen lässt.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der wiederum stark schematisierten Darstellung in 4 beschrieben. Diese Variante ermöglicht hierbei eine nochmalige Steigerung bei der Genauigkeit der Positionswert-Bestimmung.
Gemäß 4 wird zunächst wie im vorherigen Beispiel mit Hilfe des letzten Positionswertes x_k-1 ⁺ oder der letzten Positionswerte über die Schätzeinheit 132.1 ein neuer Positionswert xs_k zum Zeitpunkt k der neuen Messung geschätzt. Der Positionswert xs_k wird dann anschließend zu einem vorläufigen Positionswert x_k ^– umgerechnet. Dieser vorläufige Positionswert x_k ^– wird nun nicht sofort ausgegeben, sondern wie dargestellt in die Inkrementalzählereinheit 132 rückgekoppelt. Der vorläufige Positionswert x_k ^– wird zusammen mit den aktuellen Beschleunigungsdaten a_k dazu genutzt, die Genauigkeit des ausgegebenen Positionswerts x_k ⁺ zu verbessern. Da die nachfolgende Schätzung wiederum von der Genauigkeit der letzten Positionswerte abhängt, führt dieses modifizierte Vorgehen dazu, bei der nächsten Messung den Signalanschluss in der Inkrementalanschlusseinheit 133 auf einfachere Art und Weise zu ermöglichen.
Abschließend sei anhand von 5 eine weitere Ausführungsform der Inkrementalzählereinheit und der darüber erfolgenden Abschätzung der Positionswerte erläutert.
Hierbei kommt in der Inkrementalzählereinheit 133 nunmehr ein sog. Zustandsschätzer zum Einsatz, der in diesem Ausführungsbeispiel als erweiterter Kalman Filter ausgebildet ist, nachfolgend auch EKF genannt. Ein derartiger Kalman Filter ist z. B. aus dem Buch „Optimal State Estimation; Kalman, H Infinity, and Nonlinear Approaches", Dan Simon, Wiley & Sons, 1. Auflage, S. 400–409 bekannt.
Die obige Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Erläuterung der Variante gemäß 5 nachfolgend dahingehend abgewandelt, dass die Schätzeinheit 132.1 nunmehr keinen geschätzten Positionswert, sondern einen geschätzten Zustandswert zs^– ausgibt, der anschließend mit Hilfe der Messwerte korrigiert wird. In diesem Zustandswert sind neben dem Positionswert xs auch andere Größen, wie z. B. die Geschwindigkeit vs, die Beschleunigung as und der Ruck js enthalten. Der Zustandswert zs lässt sich als Vektor darstellen:
Das Vorgehen gemäß dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich in zwei Verfahrensabschnitte unterteilen, nämlich in eine Schätzungsabschnitt und einen Korrekturabschnitt.
Die Schätzung läuft hierbei analog zum oben erläuterten Vorgehen ab. Zuerst wird, basierend auf dem letzten bekannten Zustandswert z_k-1 ⁺ und der bis zur aktuellen Messung verstrichen Zeit dt, ein neuer Zustandswert zs_k ^– geschätzt. Dies sei nachfolgend beispielhaft für das erste Element, den Positionswert, dargestellt: xs – / k = x + / k-1 + v + / k-1dt + 1 / 2a + / k-1dt² + 1 / 6+k-1dt³ (Gl. 5)
Der neue Positionswert setzt sich demnach aus dem alten Positionswert x_k-1 ⁺ und den Positionswertänderungen aufgrund von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck zusammen. Der aus dem Zustandswert zs_k ^– abgeleitete Positionswert xs_k ^– wird, zusammen mit den aktuell gemessenen Relativ-Positionsdaten φ_k, dazu genutzt, die Signalperiodenanzahl N_k der überstrichenen Signalperioden zu ermitteln. Im Anschluss erhält man auch hier wie aus 5 ersichtlich mit Hilfe der Inkrementalanschlusseinheit 233 den „gemessenen” Positionswert x_k ^–. Dieser Positionswert x_k ^– wird nun jedoch nicht direkt ausgegeben sondern über die Korrektureinheit 233.3 einer Korrektur unterzogen. Im Rahmen dieser Korrektur lassen sich hier aktuell gemessene Beschleunigungsdaten einbinden. Basierend auf dem aktuell „gemessenen” Positionswert x_k ^– und den Beschleunigungsdaten a_k ^– (zusammengefasst als y), dem geschätzten Positionswert und Beschleunigungsdaten (zusammengefasst als h) und den Mess- und Schätzunsicherheiten (zusammengefasst in der sog. Kalman Verstärkung, K) wird nun der bereits geschätzte Zustandswert zs_k ^– korrigiert: z + / k = zs – / k + K·(y – h) (Gl. 6)
Der ausgegebene Zustandswert z_k ⁺ wird einerseits für die nächste Messung wieder der Schätzeinheit 232.1 als Zustandswert z_k-1 ⁺, zugeführt; andererseits wird aus ihm der aktuelle Positionswert x_k ⁺ extrahiert und zur Weiterverarbeitung ausgegeben.
Ein Vorteil beim Einsatz eines erweiterten Kalman Filters liegt in dessen Anwendung eines „Least Square-Fitverfahrens”. Je mehr Messdaten vorhanden sind (z. B. zusätzlich Beschleunigungsdaten) und je kleiner die Messunsicherheit ist, desto genauer kann der ausgegebene Zustandswert und damit auch der ausgegebene Positionswert angegeben werden. Da die für die Schätzung wesentlichen Systemparameter wie Geschwindigkeit und Beschleunigung aus dem zurückliegenden Zustand abgeleitet werden, führt der Einsatz einer Inertialmesseinheit auch zu einer Verbesserung in der erfolgenden Schätzung. Dies erlaubt nun auch bei deutlichen Bewegungsänderungen eine richtige Bestimmung der Signalperiodenanzahl N, wodurch der erforderliche Signalanschluss korrekt erfolgen kann.
Im beschriebenen Fall der 5 werden die Beschleunigungsdaten immer zur selben Zeit und mit derselben Rate wie die Relativ-Positionsdaten gemessen. Ein entscheidender Vorteil der zusätzlichen Beschleunigungsmessung resultiert jedoch insbesondere dann, wenn die Beschleunigungsmessung zeitlich versetzt zur optischen Inkrementalmessung und/oder mit einer höheren Rate gegenüber der Inkrementalmessung erfolgt. Auf diese Art und Weise lässt sich die effektive Messrate erhöhen, d. h. die Rate mit der eine beliebige Messgröße aktualisiert wird. Die Schätzung des Zustandswerts zs_k ^– erfolgt dann immer für eine geringere Zeitspanne. Das führt zu einer verbesserten Schätzunsicherheit, da diese sich, wie in obiger Gleichung 5 angedeutet ist, immer nach dieser Zeitspanne richtet. Die Messkorrektur für den Zustandswert z_k ⁺ erfolgt in diesem Fall ausschließlich mit den Beschleunigungsdaten. Es lässt sich also eine „Totzeit” der optischen Inkrementalmessung überbrücken und bei der nächsten Inkrementalmessung trotzdem der Signalanschluss erhalten.
Neben den erläuterten Varianten gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich auch noch alternative Ausführungsformen.
So kann wie bereits angedeutet, das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit unterschiedlichsten Positionsmessvorrichtungen zum Einsatz kommen; neben optischen Positionsmessvorrichtungen können etwa auch induktive, kapazitive oder magnetische Positionsmessvorrichtungen verwendet werden.
Ferner wäre im Fall des Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Positionsmessvorrichtung gemäß 1 denkbar, dass eine zusätzliche Inertialmesseinheit auf einem Referenzrahmen angeordnet wird, um hier auftretende Schwingungen zu erfassen. Das eigentliche Messsignal der Inertialmesseinheit könnte dann darauf normiert werden.
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 102009028068 [0005]
DE 1020090280668 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Optimal State Estimation; Kalman, H Infinity, and Nonlinear Approaches”, Dan Simon, Wiley & Sons, 1. Auflage, S. 400–409 [0048]

Claims

Verfahren zur Positionsbestimmung, wobei – mittels einer Positionsmesseinheit Relativ-Positionsdaten (φ; φ_k) bezüglich inkrementaler Längen- und/oder Winkeländerungen eines Objekts gegenüber einem Bezugssystem erzeugt werden, – mittels einer dem Objekt zugeordneten Inertialmesseinheit (21) Beschleunigungsdaten (a; a_k) im Bezugssystem erzeugt werden und – basierend auf den Relativ-Positionsdaten (φ; φ_k) und den Beschleunigungsdaten (a; a_k) ein Positionswert (x; x_k; x_k ^–) bezüglich der Position des Objekts im Bezugssystem ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus den Relativ-Positionsdaten (φ; φ_k) und den Beschleunigungsdaten (a; a_k) die Signalperiodenanzahl (N; N_k) ermittelt wird, die die Anzahl von überstrichenen Signalperioden (SP) der Relativ-Positionsdaten (φ; φ_k) angibt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ermittlung der Signalperiodenanzahl (N; N_k) über eine Schätzung erfolgt, die auf mindestens einem älteren Positionswert (x_k-1, x_k-1 ⁺) und aktuellen Beschleunigungsdaten (a_k) basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei zur Ermittlung des Positionswerts (x; x_k) die Relativ-Positionsdaten (φ; φ_k) und die Signalperiodenanzahl (N; N_k) miteinander verrechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der ermittelte Positionswert sodann als vorläufiger Positionswert (x_k ^–) zusammen mit den aktuellen Relativ-Positionsdaten (φ_k) und den aktuellen Beschleunigungsdaten (a_k) verwendet wird, um einen optimierten Positionswert (x_k ⁺) zu bestimmen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung des Positionswerts (x; x_k; x_k ^–) ein Zustandsschätzer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Zustandsschätzer ein erweiterter Kalman-Filter verwendet wird.
Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Objekts, die gemäß einem Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche betrieben wird.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Positionsmesseinheit als inkrementale optische Längen- oder Winkelmesseinrichtung ausgebildet ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Inertialmesseinheit (21) einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor umfasst.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Beschleunigungssensor und/oder der Drehratensensor als MEMS-Sensor ausgebildet ist.