DE19732398A1 - Vorrichtung und Verfahren zur absoluten Messung der Position auf einer Ebene und des Drehwinkels um die Achse senkrecht zu dieser Ebene (x-y-phi-Messung) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optisch lesbare Codierung der Position auf einer ebe­ nen Fläche und eine zum Lesen und Auswerten dieser Information dienende Vor­ richtung, die sowohl die Flächenkoordinaten als auch den Winkel der Drehung um die senkrecht zu der genannten Fläche stehende Achse ermittelt. Die Vor­ richtung ist besonders geeignet für Systeme, bei denen die Lageänderung eines Körpers nicht durch geführte Stellglieder bewirkt wird, die nur jeweils einen Frei­ heitsgrad haben und an denen die lineare oder zirkulare Bewegung gemessen werden kann. Zwei Beispiele für Systeme ohne geführte Stellglieder sind auto­ nome Fahrzeuge, die sich auf einer begrenzten Fläche bewegen und frei in einer Ebene bewegliche Eingabevorrichtungen ("Mäuse") für informationsverarbeitende Systeme. Bei Eingabevorrichtungen können mittels des Drehwinkels zusätzliche Informationen an das System übermittelt werden. Die Ermittlung des Drehwin­ kels der Maus ist insbesondere notwendig, wenn die Maus mit einer Vorrichtung zur Kraftrückmeldung oder mit einer tastbaren Ausgabevorrichtung ausgestattet ist, weil die Richtung der Kraft relativ zur Maus ebenso wie der tastbar darge­ stellte Informationsausschnitt und die Bewegungsrichtung dieser Darstellung auch vom Drehwinkel der Maus abhängen. Derartige Tastmäuse mit Kraftrück­ meldung können blinden Computerbenutzern die allgemeine Informationsauf­ nahme erleichtern und erlauben sowohl Blinden als auch Sehenden eine ergo­ nomisch günstige Interaktion mit Objekten der Benutzerschnittstelle.

Es sind optisch lesbare Codierungen und Abtast- und Auswertevorrichtungen für diese Codierungen bekannt, die die Messung der Absolutposition längs eines geraden oder gekrümmten Weges erlauben [DE 37 03 327 A1, US 5,539,993]. Jedoch darf hierbei die Abtastvorrichtung nicht um eine Achse senkrecht zur Meßskala gedreht werden. Insbesondere würde eine bereits vor Betriebsbeginn um 180° gedrehte Abtastvorrichtung zu Fehlmessungen führen, da der verwen­ dete Strichcode beliebige n-stellige Dualzahlen repräsentiert, die auch rückwärts gelesen gültige, jedoch im allgemeinen andere Dualzahlen darstellen. Andere Codierungen in Form von Ringsegmenten oder Schachbrettmustern [US 5,477,012] erlauben eine Drehung der Abtastvorrichtung. Jedoch muß hier­ bei ein relativ großes, zweidimensionales Feld von Bildpunkten abgetastet und ausgewertet werden.

Ferner sind Computermäuse bekannt, deren optoelektronische Positionsbestim­ mung bei beliebigen Drehwinkeln der Maus funktioniert; jedoch wird hierbei die Position nur inkrementell ermittelt und eine Bestimmung des Drehwinkels ist nicht möglich. Auch Digitalisiertabletts, die mittels elektromagnetischer Induktion die Position des Eingabestifts oder der Maus bestimmen, erfassen nicht den Dreh­ winkel. Zudem ist die Bezugsfläche hierbei nicht passiv, so daß sie ausschließ­ lich starr ausgeführt wird und die Herstellungskosten des Eingabesystems annä­ hernd linear mit der Fläche wachsen. Die Benutzung mehrerer Mäuse auf der­ selben Bezugsfläche wäre prinzipiell möglich, würde jedoch eine verringerte Meß­ rate zur Folge haben.

Es sind akustische und optische Meßsysteme bekannt, bei denen das zu ver­ messende Objekt mit einer oder mehreren Schall- oder Lichtquellen ausgestattet ist, während mindestens zwei als Empfänger dienende Wandler feste Positio­ nen relativ zum Bezugssystem einnehmen. Aus den Signallaufzeiten oder aus den Einfallswinkeln der Signale wird die Position des zu vermessenden Objekts errechnet. Senden mehrere Schall- oder Lichtquellen, deren Positionen in Bezug auf das zu vermessende Objekt bekannt sind, im Wechsel Signale aus, so kann auch der Winkel des Objekts bestimmt werden. Die Funktionsweise sowohl schallbasierter als auch optischer Meßsysteme der beschriebenen Art bedingt, daß sich zwischen den Signalquellen und den Signalempfängern keine Gegen­ stände befinden, die die Signale wesentlich dämpfen oder ablenken. Diese Bedingung ist im allgemeinen jedoch weder beim Einsatz autonomer Fahrzeuge erfüllt noch beim Betrieb einer Maus, da diese ganz oder teilweise von der Hand des Benutzers abgedeckt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optisch lesbare Positionscodie­ rung einer Bezugsfläche und eine Abtast- und Auswertevorrichtung hierfür zu ermöglichen, die es gestatten, die absolute Position und den absoluten Drehwin­ kel der Abtastvorrichtung in Bezug auf die codierungstragende Fläche zu bestimmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ablesung und Auswertung der Codierung so zu gestalten, daß sie sich tolerant verhält gegen­ über kleinen permanenten Fehlern, die beim Aufbringen der Codierung entstehen können, sowie gegenüber transienten Fehlern, die beim Betrieb der Abtastvor­ richtung auftreten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand für die Realisierung der Codierung als auch der Abtastvorrichtung gering zu halten. Die Meßrate soll 250 Hz nicht unterschreiten. Mehrere Abtastvorrichtungen sol­ len auf derselben Bezugsfläche gleichzeitig benutzbar sein ohne eine Beeinträch­ tigung der Meßrate. Die Bezugsfläche soll passiv sein und zerlegbar oder faltbar ausgeführt werden können.

Gemäß der Erfindung wird die Bezugsfläche in zwei Dimensionen mit je einer Strichcodierung, die jeweils die gesamte Bezugsfläche bedeckt, versehen. Dabei werden vier verschiedene Oberflächen verwendet, die in Bezug auf Licht zweier zueinander komplementärer Farben 1 und 2 jeweils eine von vier Eigenschaften haben: Reflexion beider Farben, Absorption beider Farben, Reflexion der Farbe 1 und Absorption der Farbe 2 oder Absorption der Farbe 1 und Reflexion der Farbe 2. Bereiche mit diesen optischen Eigenschaften werden so angeordnet, daß bei Beleuchtung mit Licht der Farbe 1 die Strichcodierung für die eine Dimen­ sion der Bezugsfläche durch die Bereiche hoher Lichtreflexion und hoher Licht­ absorption gebildet wird und daß bei Beleuchtung mit Licht der Farbe 2 die Strich­ codierung für die andere Dimension ebenfalls durch die Bereiche hoher Lichtre­ flexion und hoher Lichtabsorption gebildet wird. Je nach der Farbe des auffallen­ den Lichtes kann also eine der beiden Strichcodierungen optisch gelesen wer­ den. Die besagten Dimensionen stehen zueinander vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, im rechten Winkel.

Die Abtastvorrichtung liest gemäß der Erfindung die Codierung der Bezugsfläche entlang dreier Abtaststrecken von gleicher Länge. Zwei dieser Abtaststrecken verlaufen parallel zueinander, die dritte Abtaststrecke steht zu den beiden ande­ ren in demselben Winkel, den die beiden besagten Dimensionen bzw. die beiden Strichcodierungen zueinander innehaben. Die Abtastvorrichtung erlaubt das Ablesen mit Hilfe von Licht wahlweise der Farbe 1 oder der Farbe 2. Die zuein­ ander parallelen Abtaststrecken werden mit der gleichen Lichtfarbe gelesen, die dritte Abtaststrecke mit der jeweils anderen Lichtfarbe. Die Zuordnung der Licht­ farben zu den Abtaststrecken wird in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Signalauswertung so gewählt, daß der Winkel zwischen der Leseachse der Strichcodierungen, die senkrecht auf den Strichen steht, und den Abtaststrecken einen Grenzwert nicht überschreitet. Dieser Grenzwert ist so groß gewählt, daß die Winkelbereiche für die beiden Farben sich um einige Grad überlappen, so daß die Umschaltfunktion eine Hysterese aufweisen kann, um häufiges Umschal­ ten beim Betrieb im Grenzwertbereich zu vermeiden.

Bei der Auswertung wird zunächst aufgrund der Breite der Striche und der Zwi­ schenräume längs der Abtaststrecken ermittelt, welche Winkel die Abtastvorrich­ tung einnehmen könnte. Für jeden dieser hypothetischen Winkel wird geprüft, ob er im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz mit einem Fixpunkt einer geeigneten Winkelberechnungsfunktion f (ϕ) = ψ identisch ist.

Die besagte Winkelberechnungsfunktion besteht darin, für den jeweiligen hypo­ thetischen Winkel ϕ aus den Abtastsignalen der zueinander parallelen Abtast­ strecken durch Multiplikation der Signalflankenabstände mit cos ϕ die Signale für den Winkel 0° zu errechnen, die so erhaltenen Signale, wenn notwendig, einer Fehlerkorrektur zu unterziehen, eine Decodierung der Signale vorzunehmen, die zwei Dualzahlen liefert, aus denen die Positionen der Abtaststrecken im Eindi­ mensionalen bestimmt werden können, und anhand der Positionsdifferenz und dem bekannten Abstand der Abtaststrecken voneinander den Winkel ψ zu errechnen, den die Abtastvorrichtung einnehmen würde, wenn das Ergebnis der Decodierung fehlerfrei wäre. Stimmt der errechnete Winkel w mit dem zugrunde­ liegenden hypothetischen Winkel ϕ im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz nicht überein, so wird der zugrundeliegende hypothetische Winkel ϕ verworfen. In diesem Fall wird noch getestet, ob der errechnete Winkel ψ als hypothetischer Winkel im Rahmen der vorgegebenen Toleranz mit einem Fixpunkt der Winkelbe­ rechnungsfunktion identisch ist. Werden mehrere hypothetische Winkel nicht verworfen, so wird von diesen derjenige Winkel gewählt, unter dessen Annahme bei der Decodierung die geringsten Fehlerkorrekturmaßnahmen erforderlich sind. Nach der Errechnung des Winkels der Abtastvorrichtung und der Positionen der zueinander parallelen Abtaststrecken in einer Dimension wird die Position der dritten Abtaststrecke in der zweiten Dimension bestimmt. Mit Hilfe dieser Größen kann nun die Position jedes Punktes des Gegenstandes errechnet werden, mit dem die Abtastvorrichtung fest verbunden ist.

Während nach jedem Betriebsbeginn zunächst mindestens einmal eine Position und ein Winkel nichtinkrementell bestimmt werden muß, kann im weiteren Betriebsverlauf auf eine inkrementelle Positions- und Winkelbestimmung zurück­ gegriffen werden, solange die nichtinkrementelle Bestimmung aufgrund gestörter Signale nicht möglich ist. Eine notwendige Voraussetzung hierfür ist, daß entlang jeder der drei Abtaststrecken stets mindestens eine Strichkante bei konsekutiven Messungen sicher erkannt wird. Die Erkennung und Korrektur verfälschter Ergebnisse wird dadurch erleichtert, daß nicht nur die letzte ermittelte Position und der letzte ermittelte Winkel gespeichert werden, sondern auch die momen­ tane translatorische Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie die Winkelge­ schwindigkeit und die Winkelbeschleunigung. Zur Erkennung verfälschter Ergeb­ nisse kann geprüft werden, ob die errechneten Geschwindigkeiten und Beschleu­ nigungen plausible Grenzwerte nicht überschreiten.

Zur Verdeutlichung der allgemeinen Beschreibung wird mit Hilfe der Zeichnungen eine Ausprägung einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Fig. 1, 2 und 3 zeigen einen Ausschnitt aus der Codierung einer Bezugsfläche bei unterschiedlichen Beleuchtungen. Fig. 4 stellt einen Schnitt durch eine Vorrich­ tung zum Abtasten einer Abtaststrecke dar, Fig. 5 zeigt eine mögliche Anordnung der drei Abtaststrecken zueinander. Die Signalvorverarbeitung beim Auslesen einer Sensorzeile ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Das Flußdiagramm Fig. 7 erläutert die Schritte der Winkelberechnung, und Fig. 8 zeigt ein weiteres Fluß­ diagramm, das Einzelheiten des in Fig. 7 erwähnten Fixpunkt-Tests darstellt.

Die Grundlage der Codierung bildet eine binäre Ziffernfolge Z = (Z₀ Z₁ . . . Z_n-1) der Länge n, die für eine positive ganze Zahl f < n zumindest zwei Bedingungen erfüllt:

• 1. Alle Teilfolgen T = (Z_i Z_i+1. . .Z_i+f-1) der Folge Z, die die Länge f haben, sind paarweise verschieden.
• 2. Die Schnittmenge der Menge der Teilfolgen T = (Z_i Z_i+1. . .Z_i+f-1) der Folge Z und der Menge der Teilfolgen S = (Z_j+f-1 Z_j+f-2. . . Z_j) der gespiegelten Folge Z' = (Z_n-1. . .Z₀) ist leer.

Bedingung 1 sichert die eindeutige Bestimmung der Position einer Teilfolge T aus der Kenntnis der Elemente der Teilfolge T. Bedingung 2 garantiert, daß bei der Bestimmung des Winkels der Quadrant stets eindeutig bestimmt werden kann.

Die Ziffernfolge Z wird in der beispielhaften Ausprägung so gebildet, daß sie neben den zwei oben genannten noch drei weitere Bedingungen erfüllt:

• 3. Jede Teilfolge T = (Z_i Z_i+1. . .Z_i+f-1) weist mindestens zwei positive und zwei negative Flanken auf, d. h.
  es existieren p_k mit i ≦ p_k ≦ i+f-2 und Z_pk < Z_pk+1, k ∈ {1, 2}, und
  es existieren n_k mit i ≦ n_k ≦ i+f-2 und Z_nk < Z_nk+1, k ∈ {1, 2}.
• 4. Für jede Teilfolge T = (Z_i Z_i+1. . .Z_i+f-1) existiert mindestens ein m mit i ≦ m ≦ i+f-4, Z_m = Z_m+1, Z_m+1 ≠ Z_m+2 und Z_m+2 = Z_m+3.
• 5. Für die Teilfolge M = (Z_f-1 Z_f-2. . .Z₀) und für jede Teilfolge N = (X Z₀ Z₁ . . . Z_f-2), X ∈ {0, 1}, die die Bedingungen 3 und 4 erfüllt, gilt: M = N.

Die binäre Ziffernfolge Z wird derart in eine Strichcodierung C transformiert, daß jede "0" durch einen Zwischenraum der Breite B und jede "1" durch einen Strich der Breite B repräsentiert wird. Dabei gehen benachbarte Zwischenräume bzw. benachbarte Striche ohne Trennmarkierung ineinander über. Die Ziffernfolge "0 0 1 1 1" wird also durch einen Zwischenraum der Breite 2 B und einen Strich der Breite 3 B repräsentiert.

Für die besagte Strichcodierung garantiert die Bedingung 3 eine hinreichende Mindestanzahl von Signalflanken zur Ermittlung des Winkels. Die Bedingung 4 bewirkt, daß auch dann, wenn die Geschwindigkeit des zu messenden Gegen­ stands so hoch ist, daß Striche und Zwischenräume der Breite B bei Verwendung von Sensorzeilen mit der Integrationszeit t nicht mehr sicher erkannt werden kön­ nen, in jeder Teilfolge T mindestens noch eine Strichkante sicher erkannt werden kann. Die Bedingung 5 erlaubt es, die Länge der Ziffernfolge Z durch Hinzufügen der gespiegelten Ziffernfolge Z' nahezu zu verdoppeln. Die dabei entstehende Ziffernfolge Z'' erfüllt nicht die Bedingung 2.

Die Zahl f hängt ab von der Breite B, von der Länge L der Abtaststrecken und von dem zulässigen Maximalwinkel W_max, den eine Abtaststrecke mit der Leseachse der Strichcodierung bilden darf. Es muß gelten: f B ≦ L cos W_max.

Außerdem sollte f so groß sein, daß eine hinreichend lange Ziffernfolge Z gebildet werden kann. Im hier beschriebenen Beispiel wurde festgelegt B = 0.8125 mm W_max = 50°, L = 16 mm. Die obige Ungleichung ist für f ≦ 12 erfüllt, daher wird f = 12 gewählt.

Es ist kein Algorithmus bekannt, der die Bildung einer binären Ziffernfolge Z maximaler Länge, die für ein bestimmtes f die oben genannten Eigenschaften 1 bis 5 aufweist, in polynomisch beschränkter Zeit leistet. Jedoch können Ziffern­ folgen ermittelt werden, die im Rahmen des hier beschriebenen Beispiels hinrei­ chende Länge haben. Eine solche Ziffernfolge lautet in hexadezimaler Notation:

es folgen noch die drei Binärziffern 010.

Diese Ziffernfolge umfaßt 599 Binärziffern, für B = 0.8125 ergibt sich also eine maximale Länge der Strichcodierung von etwa 486 mm. Die entsprechende Zif­ fernfolge Z'' umfaßt 1187 Binärziffern, für B = 0.8125 folgt als Länge der Strich­ codierung etwa 964 mm. Da es zur eindeutigen Ermittlung des Winkels aus­ reicht, wenn die Codierung längs einer Dimension der Bezugsfläche die Bedin­ gung 2 erfüllt, kann unter den hier beschriebenen Bedingungen mittels der Zif­ fernfolgen Z und Z'' eine Bezugsfläche der Größe 486 × 964 mm mit einer Codie­ rung versehen werden. Wenn die Vorrichtung zur Abtastung der Codierung innerhalb einer kreisförmigen Grundfläche von 40 mm Radius Platz findet, so ergibt sich eine Bewegungsfläche von 406 × 884 mm. Diese Fläche ist größer als eine aus ergonomischer Sicht optimale Arbeitsfläche. Daher hat für Anwendun­ gen mit Computermäusen die angegebene Ziffernfolge eine hinreichende Länge. Dieselbe Ziffernfolge erlaubt zum Beispiel bei Verwendung quadratischer Fliesen von 10 cm Kantenlänge den Boden einer Halle von etwa 59 m Breite und 118 m Länge mit einer Codierung zu versehen. Die Länge der optischen Abtaststrecken würde dann jeweils 1,6 m betragen.

In dem hier beschriebenen Beispiel werden als zueinander komplementäre Far­ ben die Farben Rot und Grün verwendet, zur Reflexion beider Farben wird eine weiße Oberfläche benutzt, zur Absorption beider Farben eine schwarze Oberflä­ che. Zur Reflexion beider Farben wäre auch eine metallisch glänzende bzw. spiegelnde Oberfläche geeignet. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Codierung der Bezugsfläche. Die mit 3 bezeichneten Bereiche sind weiß, die mit 4 bezeich­ neten schwarz. Willkürlich sei angenommen, daß Rot durch die Schraffur 1 und Grün durch die Schraffur 2 repräsentiert werden. Unter dieser Voraussetzung wird derselbe Ausschnitt in Fig. 2 bei roter und in Fig. 3 bei grüner Beleuchtung dargestellt. Die im allgemeinen analogen Signale der Abtastvorrichtung liegen also wie bei schwarzweißer Strichcodierung praktisch zweiwertig vor und können mit geringem Aufwand digitalisiert werden. Der Winkel zwischen den beiden Strichcodierungen beträgt in diesem Beispiel 90°. Dies ist vorteilhaft, jedoch nicht notwendig.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Abtastvorrichtung für eine Abtaststrecke. Die Strichcodierung auf der Bezugsfläche 8 wird entweder mittels einer Gruppe roter Leuchtdioden 5 oder mittels einer Gruppe grüner Leuchtdioden 6 beleuchtet, die jeweils von einer Leiterplatte 7 getragen werden. Das reflektierte Licht wird mittels einer Matrix zylindrischer Linsen 9 mit einem radialen Brechungsgradien­ ten gebündelt. Als Bildaufnehmer dient ein Sensorzeilenbaustein 11, der 128 Fotosensoren 10 enthält, die in einem Raster von 0.125 mm angeordnet sind. Ein Gehäuse 12 trägt die Komponenten und schirmt die Fläche 8 entlang der Abtaststrecke gegen Fremdlicht ab.

Eine mögliche Anordnung dreier Sensorzeilen 11 gemäß Fig. 4 ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Entsprechend der Ausrichtung der beiden Strichcodie­ rungen zueinander steht eine Sensorzeile 11 im rechten Winkel zu den beiden anderen, zueinander parallel ausgerichteten Sensorzeilen 11.

Fig. 6 stellt die Signalaufbereitung und -aufnahme für eine Sensorzeile 11 als Blockschaltbild dar. Die hier verwendete Sensorzeile 11 wird, von einem Taktsi­ gnal gesteuert, das ein Taktgenerator 13 erzeugt, seriell ausgelesen und liefert ein Analogsignal. Die Auswertungsvorrichtung 23 löst mit einem Signal F das Auslesen der Sensorzeile 11 aus und gibt gleichzeitig einen auf Null gesetzten Taktzähler 22 frei. Gleichzeitig werden die rückgesetzten Adreßzähler 19 und 21 freigegeben. Das Ausgangssignal der Sensorzeile 11 wird mittels eines Kompa­ rators 14 mit einem Referenzwert verglichen und in ein Binärsignal umgeformt. Den besagten Referenzwert liefert, separat für jede Sensorzeile, jeweils ein Digi­ tal-Analog-Wandler 15, der von der Auswertungsvorrichtung 23 gesteuert wird. Auf diese Weise kann der Referenzwert den unterschiedlichen Betriebsbedin­ gungen bei roter und grüner Beleuchtung angepaßt werden. Außerdem ist es möglich, eine durch Alterung oder Abnutzung der Bezugsfläche 8 bedingte Ände­ rung der Lichtreflexion in gewissen Grenzen durch Anpassung der Referenzwerte zu kompensieren. Zu diesem Zweck muß die Auswertungsvorrichtung 23 zu geeigneten Zeitpunkten eine Kalibrierung durchführen.

Das binäre Ausgangssignal des Komparators 14 wird zwei Flankendetektoren zugeführt. Im Flankendetektor 16 löst jede positive Flanke einen Ausgangsim­ puls aus, der im Schreiblese-Speicher 18 einen Schreibvorgang auslöst und nach erfolgtem Schreibvorgang den Adreßzähler 19 um Eins inkrementiert. Während des besagten Schreibvorgangs wird der Inhalt des Taktzählers 22 in den Schreib­ lese-Speicher 18 geschrieben. Da bei geeigneter Numerierung der Sensoren 10 der Sensorzeile 11 der Taktzähler 22 die Nummer des jeweils momentan ausge­ lesenen Sensors 10 angibt, wird auf die beschriebene Weise im Schreiblese- Speicher 18 eine Tabelle der Nummern derjenigen Sensoren angelegt, deren digitalisiertes Signal zusammen mit dem digitalisierten Signal des jeweils unmit­ telbar zuvor ausgelesenen Sensors eine positive Flanke bildet. Aus den besag­ ten Nummern können die Orte innerhalb der Sensorzeile errechnet werden, auf die diejenigen Strichkanten projiziert werden, die positive Signalflanken bewirken.

Im Flankendetektor 17 löst jede negative Flanke einen Ausgangsimpuls aus. Wie oben für den Flankendetektor 16, den Schreiblese-Speicher 18 und den Adreß­ zähler 19 beschrieben, wird mittels des Adreßzählers 21 im Schreiblese-Spei­ cher 20 eine Tabelle der Sensornummern angelegt, die zu negativen Signalflan­ ken beitragen. Nach vollständigem Auslesen der Sensorzeile 11 enthalten die in den Schreiblese-Speichern 18 und 20 abgelegten Tabellen die gesamte im Aus­ gangssignal des Komparators 14 enthaltene Information in einer für die Auswer­ tung geeigneten Form. Die Auswertungsvorrichtung 23 kann die Tabellen aus den Schreiblese-Speichern 18 und 20 auslesen. Das in Fig. 6 gezeigte Block­ schaltbild dient nur der schematischen Verdeutlichung des Signalaufbereitungs- und -aufnahmevorgangs. Zur Verdeutlichung nicht notwendige Signale, wie zum Beispiel Signale zum Hochohmigschalten von Ausgängen, sind nicht dargestellt. Die gezeigte Aufteilung in Funktionseinheiten hat keinen Bezug zur tatsächlichen Aufteilung der Vorrichtung in Bausteine. Geeignete Mikrocontroller enthalten zumindest die Funktionseinheiten 13, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 und 23. Auch die Funktionseinheiten 14 und 15 sind gemeinsam in kommerziell verfügbaren Bau­ steinen enthalten.

Fig. 7 stellt als Flußdiagramm dar, wie aus der in den besagten Tabellen für die zueinander parallel ausgerichteten Sensorzeilen 11 enthaltenen Information der Winkel der Abtastvorrichtung bestimmt wird. Der Algorithmus zur Winkelbestim­ mung liefert auch für gestörte Signale in den meisten Fällen richtige Ergebnisse. Zunächst wird mit einem assoziativen Verfahren die Menge der in Frage kommen­ den Winkel bestimmt. Dann werden diese Winkel einem Fixpunkt-Test unterzo­ gen, der im folgenden noch näher beschrieben wird.

Zur Bildung der Menge der in Frage kommenden Winkel der Abtastvorrichtung werden keine Beziehungen zwischen den Daten für positive Flanken und den Daten für negative Flanken ausgewertet. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die so erhaltenen Ergebnisse nicht von der Größe des besagten Refe­ renzwertes zur Digitalisierung des Signals abhängig sind. Die Breite der positi­ ven und negativen Signalimpulse hängt vom besagten Referenzwert ab, beson­ ders, wenn aufgrund hoher Geschwindigkeit oder unscharfer Abbildung die Stei­ gung der Flanken des Analogsignals gering ist. Die Abstände zwischen den positiven Flanken und die Abstände zwischen den negativen Flanken werden durch den Referenzwert jedoch nicht beeinflußt.

Für die vier Tabellen, die die Information der Signale der beiden parallel zueinan­ der ausgerichteten Sensorzeilen enthalten, werden die Differenzen zwischen benachbarten Eintragungen und zwischen der ersten und letzten Eintragung gebildet. Die Gesamtheit dieser Differenzen wird in die Form eines Flagvektors gebracht, dessen Länge der Anzahl der verschiedenen möglichen Differenzen entspricht; in dem hier beschriebenen Beispiel können Differenzen im Wertebe­ reich von 2 bis 127 auftreten. Daher wird ein Vektor aus 126 Binärwerten benutzt, wobei jeder Binärwert einen Differenzwert repräsentiert und dessen Vor­ kommen durch den Wert "1", sein Nichtvorkommen durch den Wert "0" anzeigt. Mehrfach vorkommende Differenzwerte werden auf diese Weise auf ein Flag reduziert. Dieser Flagvektor wird mit einer Matrix multipliziert, deren Elemente vierwertig sind und die unter Zugrundelegung sowohl idealer Signale als auch geringfügig abweichender Signale vorausberechnet wurde. Das Ergebnis ist ein Vektor, dessen Elemente für jeweils einen Winkel-Wertebereich eine lokal gültige Wahrscheinlichkeit angeben. In der beschriebenen Ausführung wurde nicht der Winkel, sondern der Cosinus des Winkels für den Winkelbereich 0° bis 51° linear in 128 Bereiche eingeteilt. Die Matrix hat daher 128 × 126 Elemente. Innerhalb des besagten Ergebnisvektors werden alle lokalen Maxima bestimmt. Die den lokalen Maxima entsprechenden Winkel bilden die Menge der in Frage kommen­ den Winkel.

Jeder in Frage kommende Winkel wird dann als hypothetischer Winkel einem Fix­ punkt-Test unterzogen. Besteht kein Winkel den besagten Fixpunkt-Test, so lie­ fert das Verfahren zur Winkelbestimmung eine Fehlermeldung. Besteht genau ein Winkel den besagten Fixpunkt-Test, so bildet dieser Winkel das Ergebnis der Winkelbestimmung. Bestehen mehrere Winkel den besagten Fixpunkt-Test, so wird derjenige Winkel als Ergebnis der Winkelbestimmung gewählt, unter dessen Annahme die geringsten Korrekturen an den Signalen der Sensorzeilen 11 vor­ genommen werden mußten.

Das in Fig. 8 gezeigte Flußdiagramm erläutert die Einzelheiten des besagten Fix­ punkt-Tests. Zur Überprüfung eines hypothetischen Winkels h werden die Ein­ träge der Tabellen, die die Ausgangssignale der beiden parallel zueinander ste­ henden Sensorzeilen 11 repräsentieren, mit dem Cosinus des hypothetischen Winkels h multipliziert. Dann wird eine Decodierung der Signale versucht, wobei zusätzlich ermittelt wird, wie weit die Signale von idealen Signalen abweichen. Können beide Signale decodiert werden, so werden die Positionen der beiden Sensorzeilen 11 entlang der Dimension, die der abgetasteten Strichcodierung entspricht, ermittelt und anhand der Differenz zwischen den Positionen und dem bekannten Abstand zwischen den beiden Sensorzeilen 11 der Winkel w der Abtastvorrichtung errechnet. Stimmt der hypothetische Winkel h nicht innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen mit dem errechneten Winkel w überein, so wird er verworfen, jedoch der errechnete Winkel w einer erneuten Überprüfung unterzo­ gen. Das in diesem Abschnitt beschriebene Verfahren beruht also prinzipiell dar­ auf, daß für einen hypothetischen Wert geprüft wird, ob er ein Fixpunkt einer geeigneten Funktion ist oder ob sein Funktionswert ein Fixpunkt der besagten Funktion ist.

Nach erfolgreicher Bestimmung des Winkels wird unter Zugrundelegung dieses Winkels die Position der dritten Sensorzeile in Bezug auf die zweite Dimension ermittelt und mit Hilfe dieser Information die vollständige Position eines bestimmten Punktes der Abtastvorrichtung oder des zu vermessenden Gegen­ stands errechnet.

Die Position und der Winkel, die sich als Ergebnis einer Messung ergeben, bei der kein nichtkorrigierbarer Fehler auftrat, werden zumindest solange gespei­ chert, bis die nächste Messung erfolgreich abgeschlossen ist. Außerdem werden anhand der letzten zwei Positionen und Winkel die momentanen Werte der translatorischen und der Winkel-Geschwindigkeit errechnet und gespeichert sowie anhand der jeweils letzten zwei Geschwindigkeiten die momentane trans­ latorische und die Winkel-Beschleunigung. Nachfolgende Messungen können einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden, wobei geprüft wird, ob die Geschwindigkeiten und die Beschleunigungen bestimmte Grenzwerte nicht über­ schreiten.

Wird nach Ermittlung mehrerer plausibler Meßwerte ein nichtkorrigierbarer Fehler erkannt, so wird versucht, die Messung auf inkrementelle Weise solange fortzu­ führen, bis wieder fehlerfreie Meßwerte bestimmt werden können. Auch bei der inkrementellen Messung können Plausibilitätsprüfungen durchgeführt werden.

Die Signalauswertung kann vorteilhaft mit einem Mikrocontroller oder einem digi­ talen Signalprozessor durchgeführt werden. Bei geeigneter Implementierung können Meßraten zwischen 250 und 500 Messungen pro Sekunde erreicht wer­ den.

In anderen Ausprägungen der Erfindung kann die Codierung durch Abtasten mit einem oder mehreren gebündelten Lichtstrahlen gelesen werden. Für die Anwendung mit autonomen Fahrzeugen kann das Aufbringen der Codierung auf die Bezugsfläche zum Beispiel durch die Verwendung von Fliesen mit jeweils einer von vier geeigneten Farben erfolgen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Position eines Gegenstandes in Bezug auf eine ebene Fläche und des Winkels, um den der besagte Gegenstand um die senk­ recht zu besagter Fläche stehende Achse gedreht ist, wobei

• - die besagte Fläche ein optisch abtastbares Muster aufweist,
• - eine Vorrichtung zur optischen Abtastung des besagten Musters fest mit dem besagten Gegenstand verbunden ist,
• - die Ermittlung der Position der genannten Vorrichtung bezüglich der Fläche und des Winkels der Drehung um die senkrecht zu der Fläche stehende Achse im ungestörten Betrieb absolut, d. h. nichtinkrementell, erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß
• - das besagte Muster aus parallelogrammförmigen oder rechteckigen Bereichen gebildet wird, die sich jeweils bezüglich zweier zueinander komplementärer Farben 1 und 2 so verhalten, daß sie entweder
  • - Licht der Farbe 1 überwiegend reflektieren und Licht der Farbe 2 überwie­ gend absorbieren oder
  • - Licht der Farbe 1 überwiegend absorbieren und Licht der Farbe 2 überwie­ gend reflektieren oder
  • - Licht der Farbe 1 und Licht der Farbe 2 überwiegend reflektieren oder
  • - Licht der Farbe 1 und Licht der Farbe 2 überwiegend absorbieren,
• - die besagten parallelogrammförmigen oder rechteckigen Bereiche so ange­ ordnet sind, daß die Bereiche überwiegender Reflexion und überwiegender Absorption bezüglich Licht der Farbe 1 eine Strichcodierung bilden und daß die Bereiche überwiegender Reflexion und überwiegender Absorption bezüglich Farbe 2 eine weitere Strichcodierung bilden,
• - die besagte Vorrichtung zum optischen Abtasten des besagten Musters das Muster entlang dreier Strecken abtastet, von denen zwei Strecken parallel zu­ einander ausgerichtet sind,
• - die besagte Vorrichtung zum optischen Abtasten des besagten Musters eine Abtastung unter wahlweiser Verwendung von Licht der Farbe 1 oder der Farbe 2 erlaubt, derart, daß entlang der beiden zueinander parallelen Strecken stets Licht derselben Farbe verwendet wird und entlang der dritten Strecke jeweils Licht der anderen Farbe.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Position und des Winkels des besagten Gegenstandes erfolgt, indem

• - die analogen Abtastsignale zu Binärsignalen umgeformt werden,
• - die in den besagten Binärsignalen enthaltene Information für jede Abtast­ strecke in jeweils zwei Tabellen abgelegt wird, wobei die eine Tabelle die Orte der positiven Flanken des jeweiligen Binärsignals enthält und die andere Tabelle die Orte der negativen Flanken desselben Binärsignals,
• - die Differenzen zwischen den Einträgen jeweils einer Tabelle gebildet wer­ den,
• - unter Verwendung der Differenzen aus mehreren Tabellen Hypothesen über den Winkel des besagten Gegenstands gebildet werden,
• - von den besagten Hypothesen mittels zweier geeigneter Funktionen dieje­ nige als zutreffend ausgewählt wird, die erstens ein Element der Menge von Hypothesen ist, die einen Fixpunkt der ersten Funktion bilden, und für die zweitens die andere Funktion den höchsten Funktionswert liefert im Ver­ gleich mit allen Hypothesen aus der besagten Menge,
• - nach Ermittlung des Winkels die Position des besagten Gegenstands berechnet wird.