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

The system has spring/damping elements (24) connected with a mass module (3). A mechanical low pass filter filters oscillations of a carrier vehicle, which lies over cut-off frequency of an inertial navigation system (23). The mass module is stabilized in a space while the mass module follows frequent movements of the carrier vehicle. A spatial orientation of the mass module is provided to increase measurement values of instruments (1, 2). Terminal pieces are provided at the mass module by compensation masses.

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 US Patentschrift Nr. 6,688,174-B1 (Pierre Gallon et. al.) sowie in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 062 017 A1 (Robert Bosch GmbH) beschrieben. Die erstere Veröffentlichung bezieht sich auf die vibrationsgedämpfte Aufhängung eines Laser-Kreiselsystems, die zweite auf die Schock- und Vibrationsdämpfung von Mikro-Projektoren. Die mechanischen Tiefpassfilter werden in beiden Anwendungen in einem völlig anderen Kontext beschrieben und konnten daher keine Anregung für die vorliegende Erfindung geben.Mechanical low-pass filters are, as mentioned above, already known per se and for example in the U.S. Patent No. 6,688,174 B1 (Pierre Gallon et al.) As well as in the German Offenlegungsschrift DE 10 2010 062 017 A1 (Robert Bosch GmbH). The former publication refers to the vibration damped suspension of a laser gyro system, the second to the shock and vibration damping of micro-projectors. The mechanical low-pass filters are described in both applications in a completely different context and therefore could not give any stimulus to the present invention.

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 1 ist als Beispiel für ein opto-elektronisches Instrument ein Laser-Scanner für luftfahrzeuggestützte („airborne”) Anwendungen, teilweise im Schnitt gezeigt. Die 2 zeigt ein einbaufertiges Instrument in axionometrischer Darstellung, die 3 und 4 veranschaulichen zwei verschiedene Montagesysteme für zwei im Wesentlichen gleichartige Instrumenten-Module.Further features of the invention will become apparent from the following description of some embodiments and with reference to the drawings. In the 1 As an example of an opto-electronic instrument, a laser scanner for airborne applications is shown, partially in section. The 2 shows a ready to install instrument in axionometric representation, the 3 and 4 illustrate two different mounting systems for two substantially similar instrument modules.

Der in der 1 als Beispiel eines opto-elektronisches Instruments gezeigte Laser-Scanner für „airborne” Applikationen umfasst im Wesentlichen einen Laser-Entfernungsmesser 1 nach dem Impuls-Laufzeitverfahren und eine nachgeschaltete Strahlablenk-Einrichtung 2 besteht. In dem dargestellten Beispiel umfasst die Strahlablenkeinrichtung ein Glas-Keilprisma 11, das mit hoher Geschwindigkeit um die optische Achse 7 des Laser-Entfernungsmessers 1 rotiert.The Indian 1 The laser scanner for "airborne" applications shown as an example of an optoelectronic instrument essentially comprises a laser rangefinder 1 after the pulse transit time method and a downstream beam deflection device 2 consists. In the illustrated example, the beam deflector includes a glass wedge prism 11 moving at high speed around the optical axis 7 of the laser rangefinder 1 rotates.

Das Instrument ist auf einer Montageplatte 31 aufgebaut, die mit vier Säulen 32 mit einer Platte 33 verbunden ist und mit diesen einen stabilen und starren Rahmen bildet. Innerhalb dieses Rahmens 3133 ist eine Laserquelle 4 angeordnet, die über ein Spiegel-System 5, 6 einen Laserstrahl in die optische Achse 7 des Instrumentes einspiegelt. Anstelle des Spiegel-Systems 5, 6 kann auch ein flexibler Glasfaser-Lichtleiter eingesetzt werden.The instrument is on a mounting plate 31 built with four columns 32 with a plate 33 is connected and forms a stable and rigid frame with these. Within this framework 31 - 33 is a laser source 4 arranged over a mirror system 5 . 6 a laser beam in the optical axis 7 of the instrument. Instead of the mirror system 5 . 6 It is also possible to use a flexible glass fiber optic cable.

Unter dem Laser-Entfernungsmesser 1 ist ein Zylinder 8 vorgesehen, der in Lagern 9 um die optische Achse 7 des Laser-Entfernungsmesser 1 drehbar gelagert und durch einen Elektromotor 10 mit hoher Drehzahl angetrieben ist. In diesem Zylinder ist das Glas-Keilprisma 11 montiert, durch welches die Sende-Laserstrahlen abgelenkt werden. Diese Laserstrahlen 12 bilden bei Rotation des Keilprismas 11 in ihrer Gesamtheit einen Strahlkegel, der ein unter dem Laser-Scanner liegendes ebenes Gelände kreisbogenartig abtastet. Die Laserstrahlen werden vom Gelände und dem auf diesen vorhandenen Objekten, Vegetation etc. im Allgemeinen diffus reflektiert. Ein kleiner Teil dieser Strahlung erreicht wieder den Laser-Scanner, wird durch das Keilprisma 11 parallel zur optischen Achse 7 ausgerichtet und durch die Empfängeroptik 14 auf die lichtempfindliche Zelle des Empfängers 15 abgebildet. Im Empfänger 15 werden die einlangenden optischen Impulse in elektrische Signale umgewandelt. In einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung, die auch extern angeordnet und mit dem Laser-Scanner mit einem Kabel verbunden sein kann, werden die elektrischen Impulse eventuell digitalisiert. Aus der Zeitspanne vom Aussenden der Laserimpulse bis zum Eintreffen der Empfangsimpulse wird die Entfernung vom Laser-Scanner ermittelt. Am rotierenden Zylinder 8 bzw. am Antriebsmotor 10 ist ein nicht dargestellter Winkel-Decoder angebracht. Aus den Daten dieses Decoders ergibt sich die jeweilige Richtung des Laser-Strahles 12 in einem Instrument-bezogenen Koordinatensystem. An dem ortsfesten Instrumenten-Unterteil 16 können Digital-Fotokameras 17 und/oder Videokameras 18 angeordnet sein. Diese Kameras und der Laser-Scanner werden durch ein Austrittsfenster 19 gegen Umwelteinflüsse geschützt. Die von der Auswerteeinrichtung gelieferten Entfernungsdaten werden mit den vom Winkel-Decoder abgeleiteten Instrument-bezogenen Koordinaten verknüpft und zusammen mit den Daten eventueller Digitalkameras 17, 18 als jeweils ein Datensatz abgespeichert.Under the laser rangefinder 1 is a cylinder 8th provided in camps 9 around the optical axis 7 of the laser rangefinder 1 rotatably mounted and by an electric motor 10 is driven at high speed. In this cylinder is the glass wedge prism 11 mounted, through which the transmitting laser beams are deflected. These laser beams 12 form during rotation of the wedge prism 11 in its entirety, a beam cone, which scans a plane lying underneath the laser scanner flat terrain like a circle. The laser beams are generally diffusely reflected from the terrain and the objects, vegetation, etc. present thereon. A small part of this radiation reaches the laser scanner again, is through the wedge prism 11 parallel to the optical axis 7 aligned and through the receiver optics 14 on the photosensitive cell of the receiver 15 displayed. In the receiver 15 the incoming optical pulses are converted into electrical signals. In an evaluation device, not shown, which may also be arranged externally and connected to the laser scanner with a cable, the electrical impulses may be digitized. From the time from the emission of the laser pulses to the arrival of the received pulses, the distance from the laser scanner is determined. On the rotating cylinder 8th or on the drive motor 10 An unillustrated angle decoder is attached. From the data of this decoder results the respective direction of the laser beam 12 in an instrument-related coordinate system. On the fixed instrument base 16 can digital still cameras 17 and / or video cameras 18 be arranged. These cameras and the laser scanner are through an exit window 19 protected against environmental influences. The distance data provided by the evaluation device is linked with the instrument-related coordinates derived from the angle decoder and together with the data of any digital cameras 17 . 18 as each stored a record.

Um die Instrument-bezogenen Daten in ein übergeordnetes, beispielsweise globales Koordinatensystem transformieren zu können, ist es einerseits notwendig, die Orientierung des Instruments 1, 2 im Raum zu ermitteln und diese mit von einem Navigationssystem abgeleiteten Daten zu verknüpfen. Zur Ermittlung der Lage des Instruments im Raum wird ein Trägheitsnavigationssystem (IMU), 23 eingesetzt. Das zur Positionsbestimmung eingesetzte Navigationssystem basiert in der Regel auf einem Satelliten-gestützten System (GNNS, z. B. GPS). Bei der Anordnung dieses Navigationssystems 23 an dem Instrument 1, 2 ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Trägheitsnavigationseinheit (IMU), 23 völlig starr mit dem Instrument, in diesem Fall mit dem Laser-Scanner 1, 2 zu einem Modul 3 verbunden ist. Dieses Modul 3 umfasst eine Plattform 20, an welcher einerseits der Instrumenten-unterteil 16 mit dem rotierenden Keilprisma 11 angeordnet ist, andererseits trägt die Plattform 20 die Empfängeroptik 14 mit der Empfängereinheit 15, sowie vier Säulen 21, welche mit einer Platte 22 verschweißt sind. An dieser Platte 22 ist die Trägheitsnavigationseinheit (IMU), 23 starr befestigt.In order to be able to transform the instrument-related data into a superordinate, for example, global coordinate system, it is necessary, on the one hand, to orient the instrument 1 . 2 to determine in space and to link this with data derived from a navigation system. An inertial navigation system (IMU) is used to determine the position of the instrument in space. 23 used. The navigation system used for determining the position is generally based on a satellite-based system (GNNS, eg GPS). In the arrangement of this navigation system 23 on the instrument 1 . 2 It is crucial that the Inertia Navigation Unit (IMU), 23 completely rigid with the instrument, in this case with the laser scanner 1 . 2 to a module 3 connected is. This module 3 includes a platform 20 on which on the one hand the lower part of the instrument 16 with the rotating wedge prism 11 is arranged, on the other hand carries the platform 20 the receiver optics 14 with the receiver unit 15 , as well as four columns 21 which with a plate 22 are welded. At this plate 22 is the inertial navigation unit (IMU), 23 rigidly attached.

Mit diesem Rahmen 21, 22 ist auch die Laserquelle 4 verbunden. Das aus Laser-Scanner 1, 2 und der Trägheitsnavigationseinheit IMU, 23 bestehende Modul 3 ist mit der Montageplatte 31 und der Platte 33 mit Dämpfungselemente 24 verbunden. Diese Elemente 24 dienen primär dazu, Deformationen der äußeren Struktur 3133 des Instruments, die sich beispielsweise durch ungleiche Erwärmung derselben ergeben können, nicht auf das Modul 3 zu übertragen.With this framework 21 . 22 is also the laser source 4 connected. That from laser scanner 1 . 2 and the inertial navigation unit IMU, 23 existing module 3 is with the mounting plate 31 and the plate 33 with damping elements 24 connected. These elements 24 primarily serve to deform the outer structure 31 - 33 of the instrument, which may result, for example, from uneven heating of the same, not on the module 3 transferred to.

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 7 und normal zu dieser. Kritisch ist hingegen, wenn durch diese Kräfte Drehschwingungen der Instrumente um normal zur optischen Achse verlaufende Achsen angeregt werden. In der Regel ist die Messdistanz um Größenordnungen größer als das Instrument, so dass sich auch bei kleinen Dreh-Schwingungsamplituden erhebliche Versetzungen der Messpunkte ergeben. Bei niederfrequenten Schwingungen kann dies dadurch kompensiert werden, dass das Trägheitsnavigationssystem (IMU), 23 die Änderungen in der Orientierung des Instrumente messtechnisch erfasst und den Messwerten entsprechend geänderte Instrument-bezogene Koordinaten zugeordnet werden. Bei höherfrequenten Schwingungen, denen das IMU nicht folgen kann, treten jedoch nicht akzeptable Messfehler auf. Dieses Problem tritt nicht nur bei Laser-Scannern auf, sondern beispielsweise auch bei Digital-Foto- und Videokameras und vielen weiteren Instrumenten mit den verschiedensten opto-elektronischen Sensoren. Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass die Montagepunkte des Instrumentes im Trägerfahrzeug so gewählt sind, dass die in das System eingeleitende Kräfte auf den Instrumentenschwerpunkt gerichtet sind, bzw. sich die auf den Instrumentenschwerpunkt bezogenen Momente dieser Kräfte kompensieren.The optoelectronic instruments installed in the carrier vehicles, for example in fixed-wing aircraft and helicopters, are exposed to vibrations and a wide range of vibrations and shocks, which are excited by drive motors as well as external influences. The same applies to water, land and rail vehicles. When the instruments are subjected to these forces, many of these opto-electronic instruments are relatively insensitive to dislocations in the direction of the optical axis 7 and normal to this. On the other hand, it is critical if these forces induce torsional vibrations of the instruments about axes that are normal to the optical axis. As a rule, the measuring distance is orders of magnitude greater than the instrument, so that significant displacements of the measuring points result even with small rotational vibration amplitudes. For low-frequency oscillations, this can be compensated by using the Inertial Navigation System (IMU), 23 the changes in the orientation of the instruments are measured and assigned to the measured values according to changed instrument-related coordinates. However, with higher frequency vibrations that the IMU can not follow, unacceptable measurement errors will occur. This problem not only occurs with laser scanners, but also, for example, with digital still and video cameras and many other instruments with a wide variety of opto-electronic sensors. According to a feature of the invention, this problem can be solved in that the mounting points of the instrument are selected in the carrier vehicle so that the forces introduced into the system are directed to the instrument's center of gravity, or compensate for the center of gravity related moments of these forces.

In der 2 ist eine derartige Anordnung gezeigt. Der Laser-Scanner 1, 2 ist gegenüber dem in 1 gezeigtem geringfügig verändert und zwar insbesondere was die Anordnung der Dämpfungselemente 24 und ihre Abstützung an dem äußeren Rahmen und dem Instrumentenmodul 3 anlangt. Unter der Montageplatte 31 des Laser-Scanners 1, 2 ist eine weitere Platte 25 vorgesehen, an welcher vier sogenannte Drahtseilfedern 26 befestigt sind. Die andere Seite dieser Federn 26 ist mit der Plattform 27 verbunden, die mit nicht dargestellten Schrauben an der Struktur des Trägerfahrzeugs befestigt werden kann. Die Federn sind mit der Masse des Instrumentenmoduls 3 so abgestimmt, dass sie zusammen mit diesem ein mechanisches Tiefpassfilter bilden. Die Grenzfrequenz ist so gewählt, dass nur Schwingungen auf das Instrumentenmodul 3 gelangen können, die vom IMU, 23 noch messtechnisch erfasst werden können. Die Platte 25 ist am Instrument so positioniert, dass die Ebene ihrer Unterseite, über welche vom Trägerfahrzeug angeregte Kräfte in das System eingeleitet werden, den Schwerpunkt 28 des Instruments inklusive der Platte 25 enthält. Damit werden Drehschwingungen des Instruments um Achsen, welche normal zur optischen Achse verlaufen, weitestgehend unterdrückt.In the 2 such an arrangement is shown. The laser scanner 1 . 2 is opposite to in 1 shown slightly changed and in particular what the arrangement of the damping elements 24 and their support on the outer frame and the instrument module 3 arrives. Under the mounting plate 31 of the laser scanner 1 . 2 is another plate 25 provided, on which four so-called wire rope springs 26 are attached. The other side of these feathers 26 is with the platform 27 connected, which can be fastened with screws, not shown, to the structure of the carrier vehicle. The springs are with the mass of the instrument module 3 tuned so that they form together with this a mechanical low-pass filter. The cutoff frequency is chosen so that only oscillations on the instrument module 3 the IMU, 23 can still be measured. The plate 25 is positioned on the instrument such that the plane of its underside, via which forces induced by the carrier vehicle are introduced into the system, is the center of gravity 28 of the instrument including the plate 25 contains. Thus, torsional vibrations of the instrument about axes which are normal to the optical axis, suppressed as far as possible.

Die Federanordnung 25 bis 27 stellt einen integrierenden Teil des Instrumentes dar, der speziell auf das System abgestimmt ist und zusammen mit diesem in das Trägerfahrzeug ein- bzw. ausgebaut wird. In dem dargestellten Beispiel ist eine zweistufige mechanische Entkopplung realisiert. Eine erste, 24, die die Übertragung von Deformationen auf das Modul verhindert und eine zweite, 25 bis 27, welche die Auswirkungen der in das System vom Trägerfahrzeug eingeleiteten Vibrationen, Schwingungen und Kräfte minimiert. The spring arrangement 25 to 27 represents an integral part of the instrument, which is specially adapted to the system and is installed together with this in the carrier vehicle or removed. In the illustrated example, a two-stage mechanical decoupling is realized. A first, 24 which prevents the transfer of deformations to the module and a second, 25 to 27 which minimizes the effects of vibrations, vibrations and forces introduced into the system by the host vehicle.

In der 3 ist ein weiteres Beispiel der Montage eines opto-elektronischen Instruments gezeigt, welches für den Einsatz in einem Trägerfahrzeug bestimmt ist, wobei aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit auf die Darstellung der starren, am Trägerfahrzeug befestigten Rahmenkonstruktion verzichtet worden ist. Das aus Laser-Scanner 1, 2 und IMU, 23 bestehende Modul 3 stützt sich einerseits mit der Platte 31 und drei Feder-/Dämpfungselementen 29 und mit dem IMU-Gehäuse über ein einziges, gleichartiges Feder-/Dämpfungselement 29 an dieser Rahmenkonstruktion ab. Schwingungen, Vibrationen etc. des Trägerfahrzeuges beaufschlagen über die Rahmenkonstruktion die drei an der Montageplatte 31 befestigten Feder-/Dämpfungselemente 29, sowie das an dem IMU-Gehäuse befestigtem einzelnen Element 29. Der Schwerpunkt 28 des Moduls 3 liegt in diesem Beispiel auf der Instrumentenachse 7 in einem Abstand a von diesem einzelnen Element 29. Zu den drei Elementen 29 an der Montageplatte 31 ist der Abstand des Schwerpunktes 28 b, wobei a gleich 3 × b ist. Damit sind die Momente der eingeleiteten, normal zur optischen Achse 7 gerichteten Kraftkomponenten ausgeglichen und es wird die Anregung einer Drehschwingung des Moduls vermieden.In the 3 is another example of the assembly of an opto-electronic instrument shown, which is intended for use in a carrier vehicle, being omitted for reasons of clarity on the presentation of the rigid, fixed to the carrier vehicle frame construction. That from laser scanner 1 . 2 and IMU, 23 existing module 3 supports on the one hand with the plate 31 and three spring / damping elements 29 and with the IMU housing over a single, similar spring / damping element 29 on this frame construction. Vibrations, vibrations, etc. of the carrier vehicle act on the frame construction, the three on the mounting plate 31 attached spring / damping elements 29 , as well as the individual element attached to the IMU housing 29 , The focus 28 of the module 3 lies in this example on the instrument axis 7 at a distance a from this single element 29 , To the three elements 29 on the mounting plate 31 is the distance of the center of gravity 28 b, where a is equal to 3 × b. Thus, the moments of the initiated, normal to the optical axis 7 directed force components balanced and it is the excitation of a torsional vibration of the module avoided.

Die 4 zeigt eine alternative Anordnung der Feder-/Dämpfungselemente 29. Diese sind in den Ecken eines virtuellen Würfels angeordnet und auf den Mittelpunkt des Würfels ausgerichtet. Die Elemente 29 stützen sich auf der anderen Seite analog zu 3 auf eine nicht dargestellte mit der Struktur des Trägerfahrzeuges verbundene Rahmenkonstruktion ab. Der Mittelpunkt des virtuellen Würfels stimmt im Wesentlichen mit dem Schwerpunkt 28 des Moduls 3 überein, so dass durch die eingeleiteten Kräfte keine Drehschwingungen des Moduls 3 angeregt werden. Die Elemente 29 sind in ihrer Gesamtheit mit der Masse des Moduls 3 abgestimmt und stellen ein Feder-/Massesystem dar, das als mechanischer Tiefpassfilter wirkt und nur Kräfte in einem Frequenzbereich auf das Modul weiterleitet, welche Bewegungen des Moduls 3 anregen, die von der IMU, 23 messtechnisch erfassbar sind.The 4 shows an alternative arrangement of the spring / damping elements 29 , These are arranged in the corners of a virtual cube and aligned with the center of the cube. The Elements 29 are based on the other side by analogy 3 to a not shown connected to the structure of the carrier vehicle frame construction. The center of the virtual cube is essentially in line with the center of gravity 28 of the module 3 match, so that by the introduced forces no torsional vibrations of the module 3 be stimulated. The Elements 29 are in their entirety with the mass of the module 3 tuned and represent a spring / mass system, which acts as a mechanical low-pass filter and passes only forces in a frequency range on the module, which movements of the module 3 stimulated by the IMU, 23 can be detected metrologically.

Anstelle einer Anordnung der Feder-/Dämpfungselemente 29 an den Eckpunkten eines virtuellen Würfels können dies auch an den Eckpunkten anderer regelmäßiger Körper, beispielsweise an den Eckpunkten eines regelmäßigen virtuellen Tetraeders angeordnet sein.Instead of an arrangement of the spring / damping elements 29 at the vertices of a virtual cube, these may also be arranged at the vertices of other regular bodies, for example at the vertices of a regular virtual tetrahedron.

Im Gegensatz zu dem in 2 gezeigten Instruments mit einer zweistufigen mechanischen Entkopplung, verfügen die in den 3 und 4 gezeigten Systeme über eine einstufige mechanische Entkopplung.Unlike the in 2 show instruments with a two-stage mechanical decoupling, have the in the 3 and 4 shown systems via a one-stage mechanical decoupling.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (12)

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 dadurch gekennzeichnet, dass die Feder-/Dämpfungselemente (24, 26, 29) in an sich bekannter Weise zusammen mit der Masse des Moduls (3) ein mechanisches Tiefpassfilter bilden, welches Schwingungen des Trägerfahrzeuges, die über der Grenzfrequenz des Trägheitsnavigationssystems (23) liegen, im Wesentlichen absorbiert und damit das Modul (3) im Raum stabilisiert, während das Modul (3) niederfrequenteren Bewegungen des Trägerfahrzeuges folgt und die Daten der jeweils veränderten räumlichen Orientierung des Moduls (3) zur Verknüpfung mit den Messwerten des Instruments (1, 2) bereitstellt.Assembly system for an opto-electronic instrument in a carrier vehicle, wherein the opto-electronic instrument is connected to 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 linkable to the readings of the opto-electronic instrument, such as those of a laser rangefinder or a laser scanner, and the module formed by the instrument and the navigation system is connected to the structure of the carrier vehicle via spring / damping elements, characterized in that the spring / damping elements ( 24 . 26 . 29 ) in a manner known per se together with the mass of the module ( 3 ) form a mechanical low-pass filter which detects vibrations of the host vehicle that exceed the cut-off frequency of the inertial navigation system ( 23 ) are absorbed, and thus the module ( 3 ) in the room while the module ( 3 ) follows lower-frequency movements of the host vehicle and the data of the respectively changed spatial orientation of the module ( 3 ) for linking to the measured values of the instrument ( 1 . 2 ). Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach Patentanspruch 1, mit einer am Trägerfahrzeug vorgesehenen stabilisierten Plattform dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das aus dem Instrument (1,2) und dem Navigationssystem (23) gebildete Modul (3) unter Zwischenschaltung von Feder-/Dämpfungselementen (24, 26, 29) auf der stabilisierten Plattform montiert ist, wobei die Feder-/Dämpfungselemente (24, 26, 29) zusammen mit der Masse des Moduls (3) ein an sich bekanntes mechanisches Tiefpassfilter bilden, welches Schwingungen der stabilisierten Plattform, die über der Grenzfrequenz des Trägheitsnavigationssystems (23) liegen im Wesentlichen absorbiert, niederfrequente Schwingungen aber auf das Modul (3) überträgt.Mounting system for an optoelectronic instrument according to claim 1, with a support platform provided on the stabilized platform, characterized in that at least that from the instrument ( 1 . 2 ) and the navigation system ( 23 ) formed module ( 3 ) with the interposition of spring / damping elements ( 24 . 26 . 29 ) is mounted on the stabilized platform, wherein the spring / damping elements ( 24 . 26 . 29 ) together with the mass of the module ( 3 ) form a known mechanical low-pass filter which oscillates the stabilized platform above the limit frequency of the inertial navigation system ( 23 ) are essentially absorbed, but low-frequency vibrations are absorbed by the module ( 3 ) transmits. Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument in einem Trägerfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Montagesystem eine zweistufige mechanische Entkopplung umfasst, wobei einerseits das starre Modul (3) gegenüber der Trägerstruktur mittels ersten Dämpfungselementen (24) mechanisch entkoppelt ist, um Deformationen derselben nicht auf das Modul (3) zu übertragen, und andererseits zweite Feder-/Dämpfungselemente (26) zusammen mit der Masse des Moduls (3) 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 (3) überträgt. (2)Mounting system for an opto-electronic instrument in a carrier vehicle according to claim 1 or 2, characterized in that the mounting system comprises a two-stage mechanical decoupling, on the one hand, the rigid module ( 3 ) relative to the support structure by means of first damping elements ( 24 ) is mechanically decoupled so as not to deform it on the module ( 3 ), and second spring / damping elements ( 26 ) together with the mass of the module ( 3 ) and its support structure form a known mechanical low-pass filter, the vibrations of the host vehicle, which are substantially above the cutoff frequency substantially absorbs low-frequency vibrations but on the module ( 3 ) transmits. ( 2 ) Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz etwa 25 Hz beträgt.Mounting system for an opto-electronic instrument according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the cutoff frequency is about 25 Hz. Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (3) in allen drei Koordinatenrichtungen beweglich aufgehängt bzw. verspannt ist.Mounting system for an opto-electronic instrument according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the module ( 3 ) is movably suspended or braced in all three coordinate directions. Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder- und Dämpfungs-Elemente (24, 26, 29) an den einzelnen Angriffspunkten am Modul (3) unter Berücksichtigung deren Lage bezüglich des Schwerpunktes (28) des Moduls (3) so ausgelegt sind, dass sowohl Longitudinal- als auch Drehschwingungen bzw. Deformationen weitestgehend dämpfbar sind. (4)Mounting system for an opto-electronic instrument according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the spring and damping elements ( 24 . 26 . 29 ) at the individual points of attack on the module ( 3 ) taking into account their position with regard to the center of gravity ( 28 ) of the module ( 3 ) are designed so that both longitudinal and torsional vibrations or deformations are largely damped. ( 4 ) Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder-/Dämpfungselemente (24, 26, 29) so ausgebildet und am Modul (3) positioniert sind, dass bezogen auf den Schwerpunkt (28) des Moduls (3) die Summe der Momente jener Kräfte, die auf das Modul (3) übertragbar sind, im Wesentlichen Null ist. (4)Mounting system for an opto-electronic instrument according to claim 6, characterized in that the spring / damping elements ( 24 . 26 . 29 ) and on the module ( 3 ), that in relation to the focus ( 28 ) of the module ( 3 ) the sum of the moments of those forces acting on the module ( 3 ) are substantially zero. ( 4 ) Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder- und Dämpfungs-Elemente (24, 26, 29) an den einzelnen Angriffspunkten am Modul (3) unter Berücksichtigung deren Lage bezüglich des Schwerpunktes (28) des Moduls (3) so ausgelegt sind, dass Drehschwingungen weitestgehend dämpfbar sind. (3)Mounting system for an opto-electronic instrument according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the spring and damping elements ( 24 . 26 . 29 ) at the individual points of attack on the module ( 3 ) taking into account their position with regard to the center of gravity ( 28 ) of the module ( 3 ) are designed so that torsional vibrations are largely damped. ( 3 ) Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder-/Dämpfungselemente (24, 26, 27) so ausgebildet und am Modul (3) positioniert sind, dass bezogen auf den Schwerpunkt (28) des Moduls (3) die Summe der Momente jener Kraft-Komponenten, die auf das Modul (3) übertragbar sind und normal zur optischen Achse (7) des opto-elektronischen Instruments (1, 2) verlaufen, im Wesentlichen Null ist. (3)Mounting system for an opto-electronic instrument according to claim 8, characterized in that the spring / damping elements ( 24 . 26 . 27 ) and on the module ( 3 ), that in relation to the focus ( 28 ) of the module ( 3 ) the sum of the moments of those force components that are on the module ( 3 ) are transferable and normal to the optical axis ( 7 ) of the opto-electronic instrument ( 1 . 2 ) is substantially zero. ( 3 ) Montagesystem für ein opto-elektronisches Instrument nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Modul (3) Anschlussstücke zur starren Befestigung von Video- (18) und/oder Foto-Kameras (17) und bzw. oder von Navigationssystemen bzw. deren Sensoren und gegebenenfalls von Kompensationsmassen vorgesehen sind.Mounting system for an opto-electronic instrument according to one of the preceding claims, characterized in that on the module ( 3 ) Fittings for the rigid attachment of Video- ( 18 ) and / or photo cameras ( 17 ) and / or of navigation systems or their sensors and optionally provided by compensation masses. Opto-elektronisches Instrument mit einem Montagesystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument (1, 2) eine Plattform (27) oder dgl. umfasst, die starr mit der Struktur des Trägerfahrzeuges verbindbar ist und dass Feder-/Dämpfungselemente (26) zwischen dem Modul (3) und der Plattform (27) vorgesehen sind. (2)Opto-electronic instrument with a mounting system according to one of the preceding claims, characterized in that the instrument ( 1 . 2 ) a platform ( 27 ) or the like, which is rigidly connectable to the structure of the carrier vehicle and that spring / damping elements ( 26 ) between the module ( 3 ) and the platform ( 27 ) are provided. ( 2 ) Opto-elektronisches Instrument nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Moduls (3) einen Flansch (25) od. dgl. aufweist und zwischen diesem Flansch (25) und der Plattform (27) Feder-/Dämpfungselemente (26) angeordnet sind und der Schwerpunkt (28) des Moduls (3) im Wesentlichen in der Ebene des Flanschs (25) liegt. (2)Opto-electronic instrument according to claim 11, characterized in that the housing of the module ( 3 ) a flange ( 25 ) od. Like. And between this flange ( 25 ) and the platform ( 27 ) Spring / damping elements ( 26 ) and the focus ( 28 ) of the module ( 3 ) substantially in the plane of the flange ( 25 ) lies. ( 2 )
DE201410000987 2013-01-30 2014-01-27 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 Granted DE102014000987A1 (en)

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