DE3107674A1

DE3107674A1 - Verfahren zur bewegungssteuerung mit laserstrahlen

Info

Publication number: DE3107674A1
Application number: DE19813107674
Authority: DE
Inventors: Dieter 8900 Augsburg Hirt
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1981-02-28
Filing date: 1981-02-28
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE3107674C2

Description

Verfahren zur Bewegungssteuerung mit Laserstrahlen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung von nicht spurgeführten Objekten mit Hilfe von Laserstrahlen, wobei ein unfaufender, eng fokusierter, intensitätsmodulierter Laserstrahl von mindestens einem an einer bestimmten Stelle befindlichen Sender ausgesandt wird und von einem am Objekt befindlichen Empfänger zur Erfassung des augenblicklichen Einfallswinkels aufgefangen wird.
Die Unterbringungen von Leitkabeln für Fahrzeuge, die nach dem elektrischen Feld des Kabels geführt werden, erfolgt durch Verlegung des Leitkabels in den Boden von Werks- bzw. Lagerhallen oder'in den Straßen.
Bei dem Fräsen der dazu erforderlichen Kanälen hat es sich bisher als schwierig erwiesen, die Kurvenführungen genügend präzise in den Erboden einzufräsen. Jede Abweichung von einem kontinuSerlichen Rahnverlauf führt zu Schlingerbewegungen des dem elektrischen Feld des Leitkabels folgenden Fahrzeugs.
Zur Führung der Kanalfräsmaschine wäre er Einsatz von bekannten Mikrowellen-Radaranlagen möglich. Doch ist das Auflosungsvermögen solcher Anlagen, infolge des Uffnungswinkels der Hauptstrahlungskeule im-.Antennen-RSchtdiagramm sehr begrenzt.
Es ist ferner seit langem das PrinzIp des optischen Leitstrahles bekannt, das aber erst seit der Verfügbarkeit des gut gebündelten Laserstrahles seine aligemeine Bedeutung erlangt hat. Aus derDE-PS 12 74 358 ist eine Leitstrahllenkung mittels Laserstrahlen für Schiffe bekannt geworden, bei der mehrere Leftstrahisender am Ufer aufgestellt sind, die je einen Lichtstrahl sektor aufbauen, -dessen Mitte den vorgeschriebenen Fahrweg bestimmt.
Der Laserstrahl wird entsprechend der momentanen Winkellage im Leitstrahlsektor mit einer Frequenz moduliert, die sich beim überstreichen des Ausleuchtsektors ändert.
Mit einem auf dem Schiff befindlichen Lichtstrahlempfänger wird dieser Laserstrahl empfangen und in eine Kathodenstrahlröhre weitergeführt, auf deren Bildschirm schließlich ein Erkennungsignal entsprechend der seitlichen Ablage des Schiffes von der Leitstrahlmitte angezeigt wird.
Anhand dieser Anzeige wird die Kurskorrektur durch einen Steuermann vorgenommen.
Bei diesem bekannten Verfahren geht es j-edoch darum, das Objekt zu einem bestimmten Ziel zu lenken und zwar ungeachtet dessen, welchen Kursverlauf das Objekt bis zum Ziel einnimmt.
Die Laserstrahl-Steuerung dieser Art ist ferner bei der Fernführungstechnik von Flugkörpern und auch bei der Steuerung von Maschinen, wie z.B. fUr den Straßenbau, bekannt. Aber auch bei diesen Anwendungen wird durch den Laserstrahl nur eine feste Richtung vorgegeben.
Diese bekannten Verfahren sind daher nicht geeignet, ein Objekt, wie z.B. eine Maschine oder ein Fahrzeug, entlang einer kurvigen Bahn mit vorbestimmten Kurs weder auf einer Ebene noch im Raum zu führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß damit Objekte entlang einer beliebigen 2- oder 3-dimensionalen Bahn prätise geführt werden können.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Laserstrahl in an sich bekannter Weise von einem ortsfesten Bezugspunkt aus ausgestrahlt wird, und daß rt dem augenblicklIchen Einfallswinkel des Laserstrahl es und der gleichzeitig über den Laserstrahl empfangenen Information die Lage des Objektes gegenüber einer festen Bezugsachse des empfangenen Laserstrahl es berechnet wird, und daß schließlich mittels eines Steuersystems die Lagekorrektur des Objektes entsprechend den Berechnungen und einen vorprogrammierten Kurs vorgenommen wird.
Hierdurch ist es möglich, ein beispielsweise durch seine Hauptachse definiertes Objekt nach einem beliebigen vorbestimmten Kurs mit ausreichender Präzision zu führen. Dabei kann es sich sowohl um einen 2-dimensionale als auch 3-dimensionale Bahn handeln, wobei in letzteren Fall der ausgesandte Laserstrahl sich nicht nur um eine Achse dreht, sondern den Raum durchstreicht. Ausgehend von einem bestimmten Startwinkel des Objektes aus werden durch laufende Messungen des zurückgelegten Weges und Berechnungen des Kurswinkels die jeweilige Position des Objektes berechnet und mit dem Sollwert des programmierten Kurses, mittels beispielsweise eines Computers, verglichen, der dann die entsprechenden Stellsignale dem Steuersystem abgibt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn alle notwendigen Informationen über einen stationären Sender ausgestrahlt werden, um damit Programm- oder anderweitige Anderungen leicht vornehmen zu können.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung wird die Kursinformation neben dem Laserstrahl von einem Kurssender ausgestrahlt. Das hat den Vorteil, daß die Laserstrahl-und Kurssignal-Impulse simultan ausgestrahlt werden können.
Die Information über den vorprammierten Kurs kann aber auch über den Laserstrahl ausgesandt werden, wodurch der Kurssender eingespart werden kann. In diesem Fall werden die Informationen über die Winkel stellung und den Kurs-Sollwert nacheinander ausgesandt.
Für Fälle, bei denen die Anbringung von Steuergeräten und Mikrocomputern direkt am Objekt kein Problem darstellt, kann die auszuführende Bahnbewegung auch unmittelbar am Objekt in einem dort vorhandenen Rechner einprogrammiert werden. In diesem Fall kann im ortsfesten Bezugspunkt lediglich ein Laserstrahl sender vorgesehen werden, der einen winkelabhängig modulierten Laserstrahl aussendet, über den nur eine Winkel information übertragen wird.
Die eingangs erwähnte Aufgabe kann erfindungsgemäß auch dadurch gelöst werden, daß ein am Objekt angebrachter Sender vorgesehen ist, dessen Laserstrahl auf mindestens einen in einem Bezugspunkt angeordneten passiven Reflektor auftrifft, und daß der reflektierte Laserstrahl von einem am zu steuernden Objekt angebrachten Empfänger aufgenommen und ausgewertet wird, und daß schließlich mittels eines Steuersystems die Lagekorrektur des Objektes entsprechend der Auswertung und einem vorprogrammierten Kurs vorgenommen wird.
Bei dieser Lösung ist nur ein einziger Laserstrahlsender erforderlich, während an den verschiedenen Bezugspunkten lediglich passive Reflektoren angebracht sind.
Sender und Empfänger lassen sich in diesem Fall in eine Baueinheit zusammenfassen.
Bei Bedarf kann lvii Falle dieser zweiten Lösung auch die Kursinformatipn vom ortsfesten Bezugspunkt aus übermittelt werden, indem beim -Auftreffen des vom Objekt ausgesandten Laserstrahl es am Bezugspunkt die Aussendung eines kurzdauernden modulierten Laserstrahl es vom Bezugspunkt aus veranlaßt oder ein Kurssender angesteuert wird.
Die erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich sowohl zur Fernführung von Werkzeugmaschinen, wie Kanalfräsmaschinen als auch zur direkten Steuerung der Bewegung von Fahrzeugen. Weitere Anwendungshereiche sind die direkte Steuerung von bestimmten freibeweglichen Einrichtungen zum automatischen Vermessen, Aufzeichnen, Anreißen und Herstellen von großflächigen Formen usw.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnug schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel und Fig. 2 und 3 je eine zu Fig. 1 zugehörige Schaltanordnungen, Fig. 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispielmit der entsprechenden Schaltanordnung und Fig. 6 stellt ein räumliches Strahlenfeld dar.
Gemäß Fig. 1 wird ein fahrbares Objekt 10 mit der Längsachse 11 mit zwei ortsfesten Strahlensendern 12 und 13 entsprechend einem gestrichelt dargelstellten Kurses K gesteuert. Die Positionierung des Objektes 10 erfolgt gegenüber Bezugsachsen 17 und 18, die jeweils dem Sender 12 bzw. 13 zugeordnet sind und senkrecht zueinander stehen.
Zur Steuerung des Objektes 10 können ausschließlich Laserstrahlen 20 und 21 aussendende Sender 12 und 13 vorgesehen werden. Ein Aufbau eines derartigen Senders und eines dazugehörigen, am Objekt 10 befindlichen Empfängers ist in Fig. 2 dargestellt.
Auf der linken Zeichnungsseite ist die Blockschaltung der Sender 12 bzw. 13 dargestellt. Sie besteht aus einem Laserstrahisender 25, einem Modulator 26 und einer entsprechenden herkömmlichen Optik 27, sowie aus einem Winkelkodierer 28 und einem Mlkrocomputer 29. Der augenblickliche Einfallswfnkel Z bzw. des Laserstrahles 20 bzw. 21 wird vom Winkelkodierer 28 erfaßt und an den Mikrocomputer 29 weitergegeben. Im Mikrocomputer 29 ist außerdem der vorprogrammierte' Kurs K eingespeichert. Der vom Sender 25 ausgesandte Laserstrahl wird entsprechend der vom Computer 29 erhaltenen InformAtion über den Sendewinkel und den Kurs moduliert und über die Optik 27 ausgestrahlt. Der Laserstrahl 20 bzw. 21 durchstreift eine Ebene, wenn das Objekt 10 auf einer Ebene, bewegt wird. Für diesen Fall rotieren die Sender 12 und 13 jeweils um parallel zueinanderliegenden Achsen, die gemäß dem Beispiel in Fig. 1 senkrecht zum Zeichnungsblatt stehen.
Bei einer Führung des Objektes 10 in 3-Dimensionen wird ein umlaufendes, räumliches Strahlenfeld ausgesandt, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Der Sender 30 dreht sich dabei um zwei Achsen X und Z. In diesem Fall registriert der Kodierer 28 die Wlnkelund i, die den Einfallswinkel des Laserstrahl es 30 in bezug auf eine Rezugsachse 31 und einer Bezugsebene 32 bestimmt.
In beiden Fällen wird der Sender schrittweise bewegt und in jeder Ruhestellung wird ein kurzdauernder, entsprechend den Informationen modulierter Laserstrahl ausgesandt. Dieser Laserstrahl wird schließlich vom Empfänger aufgenommen und verarbeitet, der wie folgt aufgebaut ist. Die über eine Optik 35 empfangenen Strahlen werden mittels eines Fotomultipl iers 36 verstärkt und zur Aufnahme der übermittelten Information einem Nachrichtendecoder 37 zugeführt. Die so erhaltene Information über die Lage und den Kurs des Objektes 10 wird dann in einen Mikrocomputer 38 in Verbindung mit der von einem Istwert-Codierer 39 empfangenen Kurs-Istwert zu einem Steuersignal verarbeitet, das einem Kurssteuergerät 40 zugeführt wird. Mit dem Kurssteuergerät wird schließlich die Lagekorrektor des Objektes 10 entsprechend den Berechnungen automatisch durchgeführt.
Die Steuerung des Objektes 10 kann auch in der Weise durchgeführt werden, daß die Lageinformation über den Laserstrahl ausgestrahlt wird, während der Kurs getrennt über drahtlose Hochfrequenz-Obertragung erfolgt. Hierzu wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist, über den Computer 29' an den Modulator 26 lediglich die Information vom Winkelcodierer 28 weitergegeben. Die Information über den Kurs wird dagegen einem Kurssender 42 weitergeführt. Bei diesem Verfahren können die in getrennten Kanälen ausge- strahlten Informationen gleichzeitig ausgesandt werden.
Der Laserstrahl 20' wird von einem Empfänger, wie im Beispiel aus Fig. 2, aufgenommen und diesesmal zur Bestimmung der Lage des Objektes verarbeitetX Der Kurs wird dagegen von einem Kursempfänger 45 und in einem Codierer 46 zum augenblicklichen Kurs-Sollwert verarbeitet. Der vom Codierer 39 erhaltene Kurs-Istwert wird im Mikrocomputer 38 mit diesem Kurs-Sollwert verglichen und zu einem entsprechenden Stellsignal verarbeitet und dem Kurssteuergerät 40 zur Lagekorrektur zugeführt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das Objekt mit nur einem oder mit mehr als zwei Sendern zu steuern.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbelspiel gestellt, bei dem ein Sende-Empfänger-System 50 im Objekt 51 angeordnet ist, dess-en Lage durch seine Längsachse 52 definiert wird. An ortsfesten Bezugspunkten befinden sich zwei passive Reflektoren 53 und 54, die die vom Objekt aus ausgesandten Strahlen 55 bzw. 56 jeweils empfangen und zurückreflektieren. Das Sende-Empfänger-System 50, das in Fig. 5 näher dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus einem um eine Achse 60 rotierenden Sender-Empfängerkopf 61, einem Steuersystem 62 und einem Antrlebssystem 63. Die Verbindung dieser drei Systeme 61 bis 63 erfolgt über einen Mehrfachübertrager 64, der sowohl den Netzstrom aus einer Quelle 65, das Antriebsmoment von einem Antrieb 66 auf den Kopfteil 61 als auch Signale zwischen den Systemen 61 und 62 über trägt.
Die von einem Laserstrahlsender 68 ausgestrahlten und von den Reflektoren 53 bzw. 54 zurückreflektierten Strahlen 55 werden mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 59 auf einen Fotomultiplier gelenkt. Mittels eines Komparators 70 wird anhand dieses verstärkten Strahl es und der augenblicklichen Winkelstellung des Systemes 50 gegenüber der Längsachse 52 des Objektes 51 die Position des Objektes 51 bestimmt und über den Mehrfachübertrager 64 einem Mikrocomputer 71 weitergeleitet. Die augenblickliche Winkel lage des Laserstrahl es 55 wird mittels eines in der Drehachse 60 befindlichen llinkelcodierers 72 erfaßt und über den Mikrocomputer 71, den Übertrager 64 und einen Steuergerät 73 dem Laserstrahl send er 63 iibermittelt. Gleichzeitig meldet der Komparator 70 bei Totalreflexion des Laserstrahles 55, nach Verstärkung im Fotomultiplier 74, die augenblickliche Übereinstimmung mit der Position an den Mikrocomputer 71. Aiis der Information der Objektposition wird schließlich über den Mikrocomputer 71 in Verbindung mit den vorprogrammierten Kurs und dem Kurs-Istwert zu einen Sollwert verarbeitet womit schließlich ein Kurssteuergerät 76 angesteuert wird.
Die mit dem Winkelkodierer 72 gemessene llinkelstellung wird mittels dein Computer 71 gleichzeitig zur Steuerung des schrittweisen Antriebes für das rotierende System sowie für eine koordinierte Steuerung der Laserstrahl -Sendeimpul se genutzt. Für den ersten Fall ist ein Antriebs-Steuergerät 80 vorgesehen, das aufgrund von aiis dein Mikrocomputer kommenden Befehlen den Antrieb 66 schrittweise bewegt. In den Stillstandsphasen wird das Steuergerät 73 und damit der Laserstrahl-Sender 68 angestellert.
Bei dieser Ausführung kann am ortsfesten Bezugspunkt zusätzlich zu den Reflektoren 53 und 54 ein Sender 84 vorgesehen werden, der gewünschte Informationen 35, wie z.B. den Kurs, an das Objekt aussendet. Dieser Sender 84 wird durch die an einem Reflektor 54 auftreffende Strahlung 56 angesteuert.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Steuerung der Bewegung von nicht spurgeführten Objekten mit Hilfe von Laserstrahlen, wohei ein umlaufender, eng fokusierter, intensitätsmodulierter Laserstrahl von mindestens einem an einer bestimmte Stelle befindlichen Sender ausgesandt wird und von ei nein am Objekt angebracht ten Empfänger zur Erfassung des augenblicklichen Einfallswinkels aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (20 bzw. 21) von einem ortsfesten Bezugspunkt aus ausgestrahlt wird, und daß mit dem ausenblicklichen Einfallswinkel (d , ß ) des Laserstrahles und' der gleichzeitig über den Laserstrahl empfangenen Information die Lage des Objektes (10) gegenüber einer festen Bezugsachse (17 bzw.

18) des empfangenen Laserstrahl es berechnet wird, und daß schließlich mittels eines Steuersystems die Lagekorrektur des Objektes entsprechend den Berechnungen und einem vorprogrammierten Kurs vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über den vorprogrammierten Kurs des Objektes (10) mit dem Laserstrahl (20) übermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über den vorprogrammierten Kurs des Objektes (10) mittels eines Kurssenders (42) betragen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sender (20 und 21) an verschiedenen Stellen vorgesehen sind, und daß die zugehörigen Bezugsachsen (17 bzw. 18) senkrecht oder in einem anderen definierten Winkel zueinander stehen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die am Objekt (10> empfangenen Informationen durch einen am Objekt befindlichen Mikrocomputer (38) ausgewertet und dem ebenfalls am Objekt befindlichen Steuersystem zugeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Sender (12 bzw. 13) gegehenen Informationen von einem Mikrocomputer (29) ausgewertet werden, der auf dem beweglichen Objekt 10 angeordnet ist
7. Verfahren zur Steuerung der Bewegung von nicht spurgeführten Objekten mit Hilfe von Laserstrahlen, wobei ein umlaufender, eng fokusierter, intensitätsrnodulierter Laserstrahl von mindestens einem an einer bestimmten Stelle befindlichen Sender ausgesandt wird und von einem am Objekt angeordneten Empfänger zur Erfassung des augenblicklichen Einfallswinkels aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Objekt (51) angebrachter Sender (68) vorgesehen ist, dessen Laserstrahl (55) auf mindestens einen in einen Bezugspunkt angeordneten passiven Refl ektor (53, 54) auftrifft, und daß der reflektierte Laserstrahl vomEmpfänger aufgenommen und ausgewertet wird, und daß schließlich mittels eines Steuersystems die Lagekorrektur des Objektes entsprechend der Auswartung und einem vorprogrammierten Kurs vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreffen des vom Objekt (51) ausgesandten Laserstrahl es (55 bzw. 56) am Bezugspunkt die Aussendung eines kurzdauernden modulierten Laserstrahl es (85) vom Bezugspunkt aus ausgelöst wird, der zur Obertragung entsprechender Informationen an das Objekt dient.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussendung des Laserstrahl es (30) in einer horizontalen Ebene (32) und einer vertikalen Ebene (33) mit kontinuierlich wechselnder Richtung erfolgt.