DE19933877A1

DE19933877A1 - Meßsystem zur Erfassung der Entfernung und der lateralen Ablage

Info

Publication number: DE19933877A1
Application number: DE1999133877
Authority: DE
Inventors: Joachim Tiedecke; Norbert Amann
Original assignee: IDM GmbH
Current assignee: IDM GmbH
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-01-25
Also published as: WO2001007863A1; AU5401600A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur optischen Erfassung der Entfernung und lateralen Ablage eines Objekts, mit einer Sendeeinheit 1, die eine Lichtquelle 2 zur Emission eines Meßstrahls sowie ein optisches System 5 zur Kollimierung des Meßstrahls um eine Meßachse 4 umfaßt, und mit einem dem Objekt zugeordneten Reflektor 6, 6', 23 sowie mit einem Empfänger 2', wobei die Lichtquelle 2 Nachführmittel 7, 8, 9 zur Verschwenkung des Meßstrahls in wenigstens einer quer zu dem Meßstrahl liegenden lateralen Richtung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Entfernung und der late ralen Ablage eines Objekts.

Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus der Praxis bekannt. Beispielsweise werden gattungsgemäße Meßvorrich tungen eingesetzt, um die Position von Portalkränen auf einer Kranlaufbahn zu bestimmen. Diese Messung dient ins besondere dazu, bei zwei Portalkränen die Antriebssteue rung so zu beeinflussen, daß die Kräne nicht miteinander kollidieren können. Außerdem wird in die Steuerung des Krans derart eingegriffen, daß dieser am Ende seiner Laufbahn sanft abgebremst wird und zum Stillstand kommt.

Zur Entfernungsmessung sind Vorrichtungen bekannt, die auf Basis einer Laufzeit eines Signals vom Meßgerät zum Meßobjekt und zurück die Entfernung vom Meßgerät zu dem Objekt gemessen. Zur genauen Messung der Entfernung wird das Meßobjekt üblicherweise mit einem Reflektor ausge stattet. Desweiteren sind Meßsysteme bekannt, die die la terale Ablage eines Objekts zu einer Meßachse erfassen. Ein Sensor hat dabei einen in zwei Strahlen aufgeteilten Meßstrahl. Die von dem Reflektor zurückgeworfene Energie wird dabei in den beiden Meßstrahlhälften separat erfaßt und gemessen. Das Verhältnis der Energien in den beiden gemessenen, reflektierten Meßstrahlen ist dabei propor tional zu der lateralen Ablage des Detektors von der Meß achse.

Bei großen Distanzen, wie sie beispielsweise bei Kran laufbahnen mit Längen von 250 m und mehr auftreten, soll das Meßsystem möglichst auf dem bewegten Kran sitzen, da mit das Regelsignal für die Antriebsmotoren unmittelbar vorliegt und nicht von der festen Kranlaufbahn auf den beweglichen Kran übertragen werden muß. Zu diesem Zweck muß der Reflektor am Ende der Kranlaufbahn fest befestigt werden. Portalkräne neigen aber wie nahezu alle bewegten Systeme zu einer Gierbewegung um die Hochachse, was zu einem Auswandern der Meßachse auf dem Reflektor führt. Dieses Problem wird entweder dadurch gelöst, daß der Meß strahl so groß ausgelegt wird, daß auch bei maximaler De justage der Reflektor im Bereich des Meßstrahls liegt, oder daß der Reflektor so groß ausgelegt wird, daß der Meßstrahl immer zuverlässig auf den Reflektor trifft. Beide Lösungen führen zu Strahlquerschnitten bzw. Reflek torgrößen im Bereich von 1 bis 2 m bei einer angenommenen Länge einer Kranlaufbahn von 250 m und den üblichen Gier winkeln.

Dabei ist problematisch, daß ein stark aufgeweiteter Meß strahl nur eine relativ geringe Energiemenge reflektiert, die zu Ungenauigkeiten im Meßvorgang auf der Empfänger seite führen kann, und daß zum anderen ein Reflektor der beschriebenen Größe sehr unhandlich ist.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßsystem und ein Meßverfahren bereitzustellen, das auch bei Montage auf einer beweglichen Plattform bei kleinem Reflektor einen Meßstrahl mit einem geringen Öffnungswin kel erlaubt, wobei das Verfahren dennoch dem Stand der Technik gleichwertige oder überlegene Ergebnisse liefern kann. Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Weil vorgesehen ist, daß die Sendeeinheit Nachführmittel zur Verschwenkung des Meßstrahls in wenigstens einer quer zu dem Meßstrahl liegenden lateralen Richtung aufweist, kann ein Lichtstrahl mit einem relativ kleinen Quer schnitt auf einen ebenso kleinen Reflektor gerichtet wer den und bei einer Drehung der Basis der Meßvorrichtung um einen bestimmten Gierwinkel nachgeregelt werden. Anderer seits kann bei einer seitlichen Auswanderung des Reflek tors und ruhender Meßvorrichtung ebenfalls die Meßachse nachgeführt werden. Der Reflektor kann dabei klein gehal ten werden, ohne daß wesentliche Verluste in der Signal stärke zu befürchten sind, die zu einer eingeschränkten Genauigkeit führen würden. Außerdem kann die laterale Ab lage der Größe nach leicht bestimmt werden. Wenn das op tische System eine variable Brennweite sowie Mittel zur Brennweitenänderung aufweist, kann bei jedem beliebigen Abstand die Kollimierung des Meßstrahls so variiert wer den, daß der Reflektor stets in seiner ganzen Fläche aus geleuchtet wird, ohne daß ein signifikanter Teil des Meß strahls an dem Reflektor vorbeiläuft. Auch diese Maßnahme führt zu einer guten Genauigkeit, da bei kompakten Abmes sungen ein gutes Meßsignal erreichbar ist.

Eine einfache mechanische Lösung ergibt sich, wenn die Lichtquelle gegenüber dem optischen System in der latera len Richtung verfahrbar ist und/oder das optische System gegenüber der Lichtquelle in der lateralen Richtung ver fahrbar ist. Es kann auch vorgesehen sein, die Lichtquel le und das optische System um eine gemeinsame Achse schwenkbar anzuordnen. Dabei ist es im allgemeinen leicht erreichbar und doch ausreichend, wenn die Nachführmittel dazu eingerichtet sind, einen Schwenkbereich von 1° bis 5° abzudecken. Die Nachführmittel sind vorteilhaft von elektromechanischen Aktoren, insbesondere von piezoelek trischen Wandlern oder elektrischen Stellmotoren ange trieben. Je nach Anwendungsfall kann das Nachführmittel geeignet gewählt werden. Wenn die Lichtquelle einen we nigstens zweiteiligen Stahl emittiert, dessen Teilstrah len symmetrisch zu der Meßachse angeordnet sind, können die Strahlen räumlich, zeitlich, nach ihrer Wellenlänge oder nach ihrer Polarisierung einfach diskriminiert wer den. Es kann auch vorgesehen sein, daß der Empfänger Licht aus mehreren Raumwinkelbereichen empfängt, die im wesentlichen symmetrisch zu der Meßachse angeordnet sind. Die Raumwinkelbereiche werden dann so ausgewählt, daß diese von den Nachführmitteln im wesentlichen symmetrisch auf den Reflektor ausgerichtet werden. Vorteilhaft kann der Empfänger eine Zweiquadrantenphotodiode oder eine Vierquadrantenphotodiode aufweisen. Hiermit sind zum ei nen eine Messung der lateralen Ablage in einer Richtung und zum anderen eine Messung in zwei Raumrichtungen mög lich.

Weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren folgende Schrit te vorgesehen sind:

- Emittieren des Meßstrahls von der Lichtquelle zu dem Reflektor;
- Registrieren des reflektierten Anteils in dem Empfän ger, vorzugsweise in einem bestimmten Entfernungsfenster;
- Bestimmen der Lage der Meßachse des Meßstrahls auf dem Reflektor;
- Verschwenken der Meßachse um einen Winkel bis zum Er reichen einer näherungsweisen oder vollkommenen Überein stimmung der Lage der Meßachse mit dem Mittelpunkt des Reflektors;
- Ermitteln der Entfernung des Objekts;
- Ermitteln der lateralen Ablage des Objekts aus der Ent fernung und dem Winkel

ist die Ausrichtung des Meßstrahls auf den Reflektor mög lich, wodurch ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis mög lich ist und im übrigen eine Information über die latera le Ablage erreicht werden kann. Dabei ist von Vorteil, wenn zusätzlich die Brennweite des optischen Systems so variiert wird, daß der Querschnitt des Meßstrahls im Be reich des Reflektors etwa der Fläche des Reflektors ent spricht, und zwar unabhängig von der Entfernung. Dies kann in einfacher Weise erreicht werden, wenn die Brenn weite in Abhängigkeit von der Entfernung variiert wird. Die laterale Ablage kann in besonders effektiver Weise aus einem Regelsignal zum Verschwenken des Meßstrahls er mittelt werden. Für kontinuierliche Messungen ist dabei insgesamt von Vorteil, wenn die Verfahrensschritte mehr fach, insbesondere mit hoher Frequenz wiederholt ablau fen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit meh reren Optionen zur Ermittlung der Entfer nung und der lateralen Ablage eines Reflek tors in einer schematischen Darstellung sowie

Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf einen Por talkran mit einer erfindungsgemäßen Vor richtung zur Bestimmung des Abstandes von einem Endpunkt der Laufbahn.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung in einer schematischen Draufsicht dargestellt, wobei meh rere Ausführungsformen in einer Darstellung zusammenge faßt sind.

Eine Sende- und Empfangseinheit 1 umfaßt eine Lichtquelle 2 zur Emission eines Lichtstrahls 3 in Richtung einer Meßachse 4 sowie einen Empfänger 2' zum Empfangen reflek tierten Lichts entlang der Meßachse 4. Der Lichtstrahl 3 tritt durch ein insgesamt mit 5 bezeichnetes optisches System und wird auf einen Reflektor 6, 6' kollimiert. Das optische System 5 weist bei dieser Ausführungsform insge samt drei Linsen auf, die insgesamt in ihrer Brennweite veränderlich sind, so daß bei relativ nahem Reflektor 6 der Lichtstrahl 3 einen Öffnungswinkel α₁ erhält, um den Reflektor 6 etwa in seiner gesamten Fläche auszuleuchten. Bei großer Entfernung, die durch den Reflektor 6' symbo lisiert ist, erhält der Lichtstrahl einen Öffnungswinkel α₂, der kleiner als der Winkel α₁ ist und den Reflektor 6' in der größeren Entfernung ausleuchtet.

Das von den Reflektoren 6, 6' zurückgeworfene Licht wird über ein gleiches optisches System 5' in die Sende- und Empfangseinheit zurückgeworfen. Dort fällt es auf den Empfänger 2'. Die Signallaufzeit wird zunächst in an sich bekannter Weise zu einer Entfernungsbestimmung genutzt. Das Sensormittel 2' ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung dazu eingerichtet, die Lage des erzeugten Bil des auf seiner sensitiven Oberfläche zu detektieren. Hierfür sind beispielsweise Zwei- oder Vier-Quadranten- Dioden geeignet. Geeignete Dioden sind beispielsweise un ter der Typenbezeichnung S3060-02 von dem Hersteller Ha mamatsu (Japan) erhältlich.

Die räumlich innerhalb der Sende- und Empfangseinheit eng benachbarten optischen Achsen der Systeme 5 und 5' fallen bei realen Abständen von einigen Metern praktisch zusam men und bilden die Meßachse 4.

Der emittierte und/oder der reflektierte Meßstrahl ist in zwei oder mehrere Teilstrahlen aufgeteilt, deren zurück gestreute Intensität jeweils gemessen wird. Wenn der Meß strahl mit seiner Achse 4 aus der Mitte des Reflektors 6' auswandert, so ändert sich das Verhältnis der Intensitä ten proportional zu der lateralen Ablage. Gleichzeitig nimmt die Gesamtintensität, die als Meßsignal zur Verfü gung steht, bei einem Auswandern des Meßstrahls 4 von dem Reflektor 6, 6' ab, so daß die Meßgenauigkeit leidet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Auswandern des Reflektors 6' in einer mit I bezeichneten Richtung durch eine Verschwenkung der Meßachse 4 kompensiert. Hierzu sind in der Sende- und Empfangseinheit verschiedene Mög lichkeiten realisierbar. Eine erste Ausführungsform be steht in der Verschiebung des optischen Systems 5 durch ein Stellglied 7 in einer Richtung II quer zu der Meßach se 4. Die zweite Möglichkeit sieht ein Stellglied 7 zur Verlagerung der Lichtquelle 2 und des Sensormittels in einer Richtung III unter Einfluß eines Stellgliedes 8 vor. Schließlich kann bei einer dritten Ausführungsform über ein Stellglied 9 die gesamte Sende- und Empfangsein heit 1 um eine Hochachse 10 verdreht werden, was durch die Richtungspfeile IV symbolisiert ist.

Aus dem Verhältnis der Intensitäten in den Teilstrahlen wird zunächst die laterale Ablage der Meßachse 4 auf dem Reflektor 6, 6' gemessen und daraus ein Regelsignal ge wonnen, das einen oder mehrere der Stellantriebe 7, 8 oder 9 mit einem Stellsignal beaufschlagt, derart, daß die laterale Ablage des Meßstrahls 4 auf dem Reflektor 6, 6' gegen null geregelt wird. Aus dem Regelsignal, mit dem die Stellglieder 7, 8, 9 beaufschlagt werden, wird ein Meßwert über die Verschwenkung der Meßachse 4 gewonnen. Aus diesem Wert und der bereits ermittelten Entfernung des Reflektors 6, 6' zu der Sende- und Empfangseinheit 1 läßt sich dann in einfacher Weise die laterale Ablage z. B. in Längeneinheiten berechnen.

Die Brennweite des optischen Systems 5, 5' kann durch ei ne Variation des Abstandes V wie bei einem an sich be kannten Zoom-Objektiv geändert werden. Hierfür wird ein nicht näher dargestelltes Stellglied mit einem Steuer- oder Regelsignal beaufschlagt. Die Regelung erfolgt dabei derart, daß der Meßstrahl den Reflektor 6, 6' bei allen möglichen Distanzen vollflächig ausleuchtet. Die Regelung kann dabei über eine bekannte, gegebenenfalls zu kali brierende Abhängigkeit zwischen der Brennweite des opti schen Systems 5, 5' und dem Abstand zum Reflektor 6, 6' erfolgen, so daß zwangsweise ein geeigneter Winkel α₁ bzw. α₂ eingestellt wird. Es kann aber auch eine Regelung vorgesehen sein, die zunächst einen größeren Winkel α₁ wählt, als er eigentlich erforderlich wäre und dann den Winkel durch Vergrößerung der Brennweite verkleinert. Hierbei nimmt die rückgestreute Intensität zu, da ein größerer Teil des Meßstrahls von dem Reflektor 6, 6' zu rückgeworfen wird. Sobald der Reflektor den gesamten Meß strahl reflektiert, wird ein Maximalwert erreicht, der nicht weiter zunimmt. Dieser Maximalwert wird dann für die jeweilige Entfernung beibehalten. Damit wird die ma ximale Signalintensität und gleichzeitig die bestmögliche Meßgenauigkeit sowohl für die laterale Ablage als auch für die Entfernung erreicht.

In der Praxis ist es ausreichend, wenn eine der Verstell möglichkeiten (Richtung II mittels Stellglied 7, Richtung III mittels Stellglied 8 oder Drehrichtung IV mittels Stellglied 9) realisiert ist. Die in der Praxis erforder lichen Winkel, um die die Meßachse 4 zu verschwenken ist, betragen üblicherweise wenige Grad.

Auf die veränderliche Brennweite (V), die bei dieser be vorzugten Ausführungsform beschrieben ist, kann ebenfalls verzichtet werden, soweit die Winkelunterschiede α₁-α₂ gering sind.

Ein Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 veranschaulicht in einer schematischen Draufsicht die Anwendung einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung bei der Steuerung eines Portal krans 20 entlang einer Laufbahn 21, die im Bereich einer Wand 22 endet. An der Wand 22 ist ein Reflektor 23 ange bracht, der den Reflektoren 6, 6' aus Fig. 1 entspricht. Es handelt sich um einen Retroreflektor mit Abmessungen von etwa 50 cm × 50 cm, beispielsweise vom Typ Scotchlite des Herstellers 3M (USA). Die Sende- und Empfangseinheit 1 ist fest auf dem Portalkran 20 montiert und sendet einen Meßstrahl 24 in Richtung auf den Reflektor 23 aus. Aus der Laufzeit des Signals wird die Entfernung des Reflek tors 23 von der Sende- und Empfangseinheit 1 ermittelt. Wird nun der Portalkran 20 in Richtung seiner Laufbahn 21 in Bewegung gesetzt, so tritt in der Praxis eine Gierbe wegung um eine Hochachse 25 des Portalkrans 20 auf, da die den beiden Laufbahnen 21 zugeordneten Antriebe nicht absolut synchron antreibbar sind. Diese Gierbewegung kann von der Größenordnung her etwa 1° betragen. Um diesen Winkel wird der Meßstrahl 24 in seitlicher Richtung ver schwenkt, so daß er von dem Reflektor 23 auswandert. Der Meßstrahl 24 wird dann mit seiner Meßachse von einer der drei möglichen Nachführvorrichtungen (Stellglieder 7, 8, 9) zurück auf die Mitte des Reflektors 23 geregelt. Das Regelsignal ist hierbei ein Maß für den Gierwinkel des Portalkrans 20. Es ist ersichtlich, daß bei einer Lauf bahnlänge von 250 m und einem Gierwinkel von nur ± 0,25° der von dem Meßstrahl 4 überstrichene Bereich der Wand 22 über 2 m beträgt. Eine ohne Nachführung des Meßstrahls 24 ausgestattete Sende- und Empfangsvorrichtung müßte also mit einem Reflektor in einer Breite von über 2 m versehen werden. Dies ist in der Praxis unerwünscht.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht also die Benutzung kleiner Reflektoren 23, die einfach zu montieren sind und einen geringen Platzbedarf aufweisen. Der aufgrund seiner Nachführung stets mittig auf den Reflektor fallende Meß strahl ermöglicht aufgrund seiner hohen reflektierten In tensität eine besonders präzise Entfernungsmessung. Zu gleich wird aus dem Nachführsignal ein Maß für den Gier winkel des Portalkrans 20 gewonnen, was gegebenenfalls zur synchronen Steuerung der Antriebsmotoren des Portal krans verwendet werden kann.

Claims

1. Meßvorrichtung zur optischen Erfassung der Entfernung und der lateralen Ablage eines Objekts, mit einer Sendeeinheit (1), die eine Lichtquelle (2) zur Emis sion eines Meßstrahls sowie ein optisches System (5) zur Kollimierung des Meßstrahls um eine Meßachse (4) umfaßt, und mit einem dem Objekt zugeordneten Reflek tor (6, 6', 23) sowie mit einem Empfänger (2'), da durch gekennzeichnet, daß die Sende einheit (1) Nachführmittel (7, 8, 9) zur Verschwenkung des Meßstrahls (4) in wenigstens einer quer zu dem Meßstrahl (4) liegenden lateralen Richtung aufweist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das optische System (5) eine variable Brennweite sowie Mittel zur Brennwei tenänderung aufweist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) gegenüber dem optischen System (5) in der lateralen Richtung (III) verfahrbar ist und/oder daß das opti sche System (5) gegenüber der Lichtquelle (2) in der lateralen Richtung (II) verfahrbar ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) und das optische System (5) um eine gemeinsame Achse (10) schwenkbar angeordnet sind.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführmittel (7, 8, 9) dazu eingerichtet sind, einen Schwenkbereich von 1° bis 5° abzudecken.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführmittel (7, 8, 9) von elektromechanischen Aktoren, insbesondere piezoelektrischen Wandlern oder elektrischen Stellmotoren angetrieben sind.

7. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) einen wenigstens zweiteiligen Strahl emittiert, dessen Teilstrahlen symmetrisch zu der Meßachse angeordnet sind.

8. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2') Licht aus mehreren Raumwinkelbe reichen empfängt, die im wesentlichen symmetrisch zu der Meßachse (4) angeordnet sind.

9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2') eine Zwei-Quadranten-Photodiode oder eine Vier-Quadranten-Photodiode aufweist.

10. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung und der late ralen Ablage eines Objekts, mittels einer Vorrich tung mit einer Sendeeinheit, die eine Lichtquelle zur Emission eines Meßstrahls sowie ein optisches System zur Kollimierung des Meßstrahls um eine Meß achse umfaßt, und mit einem dem Objekt zugeordneten Reflektor sowie mit einem Empfänger, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Emittieren des Meßstrahls von der Lichtquelle zu dem Reflektor;
- Registrieren des reflektierten Anteils in dem Emp fänger;
- Bestimmen der Lage der Meßachse des Meßstrahls auf dem Reflektor;
- Verschwenken der Meßachse um einen Winkel bis zum Erreichen einer näherungsweisen oder vollkommenen Übereinstimmung der Lage der Meßachse mit dem Mit telpunkt des Reflektors;
- Ermitteln der Entfernung des Objekts;
- Ermitteln der lateralen Ablage des Objekts aus der Entfernung und dem Winkel.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzlich vorgesehen ist, die Brennweite des optischen Systems so zu va riieren, daß der Querschnitt des Meßstrahls im Be reich des Reflektors etwa der Fläche des Reflektors entspricht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennweite in Abhän gigkeit von der Entfernung variiert wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Ablage aus einem Regelsignal zum Verschwen ken des Meßstrahls ermittelt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte mehrfach wiederholt ablaufen.