DE102014000987A1 - Mounting system for opto-electronic instrument in carrier vehicle, has mass module whose spatial orientation is provided to increase measurement values of instruments, and terminal pieces provided at mass module by compensation masses - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument in einem Trägerfahrzeug, wobei das opto-elektronische Instrument mit einem Trägheitsnavigationssystem zur Erfassung zumindest der Orientierung des Instruments im Raum, aber gegebenenfalls auch zur Bestimmung der Position desselben in einem Koordinatensystem zu einem starren Modul verbunden ist, welches Trägheitsnavigationssystem in der Lage ist, periodische Bewegungen bis zu einer definierten Grenzfrequenz aufzulösen, wobei die entsprechenden Daten mit den Messwerten des opto-elektronischen Instruments, beispielsweise solchen eines Laserentfernungsmessers oder eines Laser-Scanner zu Datensätzen verknüpfbar sind und das aus dem Instrument und dem Navigationssystem gebildete Modul mit der Struktur des Trägerfahrzeugs über Feder-/Dämpfungselemente verbunden ist.The invention relates to mounting system for an opto-electronic instrument in a host vehicle, wherein the opto-electronic instrument with an inertial navigation system for detecting at least the orientation of the instrument in space, but possibly also for determining the position thereof in a coordinate system to a rigid module which inertial navigation system is capable of resolving periodic movements up to a defined cutoff frequency, the corresponding data being linked to the readings of the opto-electronic instrument, for example those of a laser rangefinder or a laser scanner, and from the instrument and the module formed the navigation system is connected to the structure of the carrier vehicle via spring / damping elements.
Bei den Trägerfahrzeugen kann es sich um Land- oder Schienenfahrzeuge, um Wasserfahrzeuge oder aber um Luftfahrzeuge wie Flächenflugzeuge oder Hubschrauber handeln, bei welchen, während der Fortbewegung derselben, Messungen, fotografische Aufnahmen od. dgl. gemacht werden. Allen diesen Trägerfahrzeugen ist gemeinsam, dass sie sich bei diesen Messungen, Aufnahmen od. dgl. um eine oder mehrere Achsen bewegen können. Um eine entsprechende Zuordnung zu dem zu vermessenden bzw. aufzunehmenden Raum sicherzustellen, ist es bekannt das opto-elektronische Instrument mit einem Trägheitsnavigationssystem (IMU) zu kombinieren und möglichst starr mit diesem zu verbinden, so dass zu jeder Messung, Aufnahme od. dgl. die Ausrichtung der optischen Achse des Instruments im Raum datenmäßig erfasst werden kann. In der Regel wird ein solches Instrument auch mit einem Navigationssystem kombiniert, mit welchem seine jeweilige Position in einem übergeordneten, beispielsweise globalen, Koordinatensystem ermittelt wird. Als solche Navigationssysteme können bei Schienen- und Landfahrzeugen grundsätzlich auch Radsensoren eingesetzt werden, es haben sich aber weitgehend für alle diese Anwendungen satellitengestützte Systeme (GNNS z. B. GPS) bewährt, die vielfach mit einem Trägheits-Navigationssystem (IMU) zu einem integrierten IMU/GNNS System kombiniert sind. Man erhält damit zu jedem Messpunkt die exakten Koordinaten in einem übergeordneten Koordinatensystem.The carrier vehicles may be land or rail vehicles, watercraft or aircraft such as airplanes or helicopters in which, while the vehicle is moving, measurements, photographs or the like may be taken. All these carrier vehicles have in common that they od in these measurements, recordings. Like. Can move around one or more axes. In order to ensure a corresponding assignment to the space to be measured or to be recorded, it is known to combine the opto-electronic instrument with an inertial navigation system (IMU) and to connect it as rigidly as possible, so that for each measurement, recording or the like Alignment of the optical axis of the instrument in space can be detected by data. As a rule, such an instrument is also combined with a navigation system with which its respective position in a superordinate, for example global, coordinate system is determined. As such navigation systems can be used in rail and land vehicles in principle also wheel sensors, but have largely proven for all these applications satellite-based systems (GNNS eg GPS), often with an inertial navigation system (IMU) to an integrated IMU / GNNS system are combined. This gives you the exact coordinates for each measuring point in a higher-level coordinate system.
Die opto-elektronischen Instrumente werden beim Einsatz nicht nur den gewollten Bewegungen des Trägerfahrzeuges ausgesetzt sondern auch Stößen, Erschütterungen, Vibrationen etc., die von der Struktur des Trägerfahrzeuges auf die Instrumente übertragen werden. Solche Instrumente umfassen in der Regel stoß- und vibrationsempfindliche Komponenten und müssen daher zum Schutz derselben mit Feder-/Dämpfungselementen mit der Struktur des Trägerfahrzeugs verbunden werden.The opto-electronic instruments are exposed in use not only to the intended movements of the carrier vehicle but also shocks, vibrations, vibrations, etc., which are transmitted from the structure of the carrier vehicle to the instruments. Such instruments typically include shock and vibration sensitive components and therefore must be connected to the structure of the host vehicle with spring / damper elements to protect them.
Erfindungsgemäß bilden die Feder-/Dämpfungselemente in an sich bekannter Weise zusammen mit der Masse des Moduls ein mechanisches Tiefpassfilter, welches Schwingungen des Trägerfahrzeuges, die über der Grenzfrequenz des Trägheitsnavigationssystems liegen, im Wesentlichen absorbiert und damit das Modul im Raum stabilisiert, während das Modul niederfrequenteren Bewegungen des Trägerfahrzeuges folgt und die Daten der jeweils veränderten räumlichen Orientierung des Moduls zur Verknüpfung mit den Messwerten des Instruments bereitstellt.According to the invention form the spring / damping elements in a conventional manner together with the mass of the module, a mechanical low-pass filter, which substantially absorbs vibrations of the host vehicle, which are above the cut-off frequency of the inertial navigation system and thus stabilizes the module in space, while the module low-frequency Movements of the host vehicle follows and provides the data of each changed spatial orientation of the module for linking with the measured values of the instrument.
Mechanische Tiefpassfilter sind, wie oben erwähnt, bereits an sich bekannt und beispielsweise in der
Bei manchen Installationen von opto-elektronischen Instrumenten werden diese nicht direkt am Trägerfahrzeug montiert, sondern auf einer am Trägerfahrzeug angeordneten stabilisierten Plattform. In einem solchen Fall ist erfindungsgemäß zumindest das aus dem Instrument und dem Navigationssystem gebildete Modul unter Zwischenschaltung von Feder-/Dämpfungselementen auf der stabilisierten Plattform montiert ist, wobei die Feder-/Dämpfungselemente zusammen mit der Masse des Moduls ein an sich bekanntes mechanisches Tiefpassfilter bilden, welches Schwingungen der stabilisierten Plattform, die über der Grenzfrequenz des Trägheitsnavigationssystems liegen im Wesentlichen absorbiert, niederfrequente Schwingungen aber auf das Modul überträgt.In some installations of opto-electronic instruments, these are not mounted directly on the carrier vehicle, but on a stabilized platform arranged on the carrier vehicle. In such a case, according to the invention, at least the module formed by the instrument and the navigation system is mounted on the stabilized platform with the interposition of spring / damping elements, wherein the spring / damping elements together with the mass of the module form a mechanical low-pass filter known per se, which vibrations of the stabilized platform which are substantially absorbed above the cut-off frequency of the inertial navigation system but transmits low-frequency vibrations to the module.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst das Montagesystem eine zweistufige mechanische Entkopplung, wobei einerseits das starre Modul gegenüber der Trägerstruktur mittels Dämpfungselementen mechanisch entkoppelt ist um Deformationen derselben nicht auf das Modul zu übertragen und andererseits die Feder-/Dämpfungselemente die zusammen mit der Masse des Moduls und dessen Trägerstruktur ein an sich bekanntes mechanisches Tiefpassfilter bilden, das Schwingungen des Trägerfahrzeugs, die über der Grenzfrequenz liegen im Wesentlichen absorbiert, niederfrequente Schwingungen aber auf das Modul überträgt.According to a further feature of the invention, the mounting system comprises a two-stage mechanical decoupling, on the one hand, the rigid module is mechanically decoupled from the support structure by means of damping elements to not transmit deformations of the same to the module and on the other hand, the spring / damping elements together with the mass of the module and its support structure form a per se known mechanical low-pass filter, which substantially absorbs vibrations of the host vehicle that are above the cut-off frequency but transmits low-frequency vibrations to the module.
Für die am häufigsten eingesetzten Trägheitsnavigationssysteme (IMU) und Trägerfahrzeug-/Instrument-Konfigurationen beträgt die Grenzfrequenz vorzugsweise etwa 25 Hz. For the most commonly used inertial navigation systems (IMU) and host vehicle / instrument configurations, the cut-off frequency is preferably about 25 Hz.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Modul in allen drei Koordinatenrichtungen beweglich aufgehängt bzw. verspannt.According to a further feature of the invention, the module is movably suspended or braced in all three coordinate directions.
Vorzugsweise sind die Feder- und Dämpfungs-Elemente an den einzelnen Angriffspunkten am Modul unter Berücksichtigung deren Lage bezüglich des Schwerpunktes des Moduls so ausgelegt, dass sowohl Longitudinal- als auch Drehschwingungen bzw. Deformationen weitestgehend dämpfbar sind.Preferably, the spring and damping elements are designed at the individual points of attack on the module, taking into account their position relative to the center of gravity of the module so that both longitudinal and torsional vibrations or deformations are largely damped.
Erfindungsgemäß sind die Feder-/Dämpfungselemente so ausgebildet und am Modul positioniert, dass bezogen auf den Schwerpunkt des Moduls die Summe der Momente jener Kräfte, die auf das Modul übertragbar sind, im Wesentlichen Null ist.According to the invention, the spring / damping elements are designed and positioned on the module that, based on the center of gravity of the module, the sum of the moments of those forces that are transferable to the module is substantially zero.
Bei Anwendungen, bei welchen die Messdistanz wesentlich größer als die Abmessungen des Instrumenten-Moduls ist, wirken sich Versetzungen des Moduls in longitudinalen Richtungen nur in sehr geringem Umfang auf die Messergebnisse aus, während das System extrem empfindlich auf Drehbewegungen des Moduls reagiert. Um die Anregung solcher Drehbewegungen bzw. Drehschwingungen möglichst weitgehend zu vermeiden, sind erfindungsgemäß die Feder- und Dämpfungs-Elemente an den einzelnen Angriffspunkten am Modul unter Berücksichtigung deren Lage bezüglich des Schwerpunktes des Moduls so ausgelegt, dass Drehschwingungen weitestgehend dämpfbar sind.In applications where the measurement distance is significantly greater than the dimensions of the instrument module, displacements of the module in longitudinal directions have little effect on the measurement results, while the system is extremely sensitive to rotational movement of the module. To avoid the excitation of such rotational movements or torsional vibrations as much as possible, according to the invention, the spring and damping elements at the individual points of attack on the module, taking into account their position with respect to the center of gravity of the module designed so that torsional vibrations are largely damped.
Vorzugsweise sind die Feder-/Dämpfungselemente so ausgebildet und am Modul positioniert, dass bezogen auf den Schwerpunkt des Moduls die Summe der Momente jener Kraft-Komponenten, die auf das Modul übertragbar sind und normal zur optischen Achse des opto-elektronischen Instruments verlaufen, im Wesentlichen Null ist. Durch diese Maßnahme werden Longitudinalbewegungen in Richtung der optischen Achse des Instruments und normal zu dieser zugelassen, eine Anregung von Drehschwingungen wird hingegen unterdrückt.Preferably, the spring / damping elements are designed and positioned on the module that based on the center of gravity of the module, the sum of the moments of those force components that are transferable to the module and normal to the optical axis of the opto-electronic instrument, substantially Is zero. By this measure, longitudinal movements are allowed in the direction of the optical axis of the instrument and normal to this, however, an excitation of torsional vibrations is suppressed.
Um bei der Montage von Zusatzgeräten wie Digitalfoto- oder -Video-Kameras oder Navigationsgeräten bzw. deren Sensoren Eingriffe am Modul zu vermeiden, sind an der Modulaußenseite Anschlussstücke zur starren Befestigung dieser Zusatzgeräte vorgesehen. Da durch die Montage solcher Zusatzgeräte die Gesamtmasse des Moduls verändert wird, was Auswirkungen auf Abstimmung des aus dem Feder-/Massesystems gebildeten mechanische Tiefpassfilters hat, ist es vorteilhaft an den Anschlussstücken an der Modulaußenseite zunächst Kompensationsmassen vorzusehen, die bei Montage von Zusatzgeräten entsprechend reduziert werden.In order to avoid interference with the module when mounting additional devices such as digital photo or video cameras or navigation devices or their sensors, fittings for the rigid attachment of these accessories are provided on the outside of the module. Since the total mass of the module is changed by the installation of such accessories, which has an effect on tuning the mechanical low-pass filter formed from the spring / mass system, it is advantageous to provide the connection pieces on the outside of the module first Kompensationsmassen, which are reduced accordingly during assembly of additional equipment ,
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In der
Der in der
Das Instrument ist auf einer Montageplatte
Unter dem Laser-Entfernungsmesser
Um die Instrument-bezogenen Daten in ein übergeordnetes, beispielsweise globales Koordinatensystem transformieren zu können, ist es einerseits notwendig, die Orientierung des Instruments
Mit diesem Rahmen
Die in den Trägerfahrzeugen, beispielsweise in Flächenflugzeuge und Hubschrauber installierten opto-elektronischen Instrumente sind Vibrationen und einem breiten Spektrum von Schwingungen und Stößen ausgesetzt, die durch Antriebsmotoren aber auch äußere Einflüsse erregt werden. Ähnliches trifft auch für Wasser-, Land- und Schienenfahrzeuge zu. Werden die Instrumente diesen Kräften ausgesetzt, so reagieren viele dieser opto-elektronischen Instrumente relativ unempfindlich auf Versetzungen in Richtung der optischen Achse
In der
Die Federanordnung
In der
Die
Anstelle einer Anordnung der Feder-/Dämpfungselemente
Im Gegensatz zu dem in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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