DE3311349A1

DE3311349A1 - Verfahren zur vermessung eines bewegten koerpers im raum

Info

Publication number: DE3311349A1
Application number: DE19833311349
Authority: DE
Inventors: Gunther Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn Sepp
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-03-29
Filing date: 1983-03-29
Publication date: 1984-10-11
Also published as: DE3311349C2

Description

Verfahren zur Vermessung eines bewegten Körpers im Raum
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermessung eines an einem bewegten Körper angeordneten optischen Empfängers mittels eines an frei wählbaren Orten aufstellbaren Lasersenders.
Zum Stand der Technik sind die verschiedensten Verfahren zur Vermessung eines bewegten Körpers bekannt, aber alle diese Verfahren sind im wesentlichen nur auf einzelne bestimmte Parameter gerichtet, wie beispielsweise Geschwindigkeit und Entfernung oder Abstand und Richtung etc..
Ferner wird bei diesen Verfahren die Information über diese Parameter zumeist am Ort des Meßinstruments gewonnen, welches sich an einer ortsfesten Stelle befindet. Falls diese Information am Ort des bewegten Körpers benötigt wird, muß sie erst noch auf irgendeine Weise zusätzlich zu diesem übermittelt werden.
Ferner sind Anlagen bekanntgeworden, bei denen der Laserstrahl in Art eines rotierenden Leuchtfeuers ausgesendet wird. Bei der Entfernungsmessung wird nun die Zeit gemessen, die der Lichtvorhang, sofern er eine konstante "Dicke hat, benötigt, um den Empfänger zu überqueren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es erlaubt, die vollständige Bestimmung der momentanen Lage, Orcntierung, Geschwindigkeit und Bewegungsr.ichtung eines bewegten Körpers, beispielsweise eines Flugkörpers oder eines mittels am Boden installierten Transportsystems bewegten Körpers, zu einem bestimmten Zeitpunkt beim Durchqucren einer ontrollfläche durchzuführen, wobei die Information vollständig und ohne oder mit einem zusätzlichen Informationsübertragungskanal zwischen ortsfestem Meßinstrument und bewegtem Körper an letzterem gewonnen wird.
Dies ist insbesondere in den Fällen vorteilhaft, in welchen viele bewegte Körper, z. B. Flugkörper, Düsenflugzeuge, Drohnen etc., nacheinander beim Uberfliegen bzw.
Durchqueren einer Kontrollfläche vermessen werden sollen.
Dasselbe gilt z. B. bei der hochautomatisierten Fertigung, wo eine Vielzahl von verschiedenen Werkstücken beim Transport zu verschiedenen Bearbeitungsstellen bzw. an diesen Stellen vermessen werden muß.
Diese Aufgabe wird in zuverlässiger und relativ einfacher und ortsunabhängiger Weise durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen gelöst. In der nachfolgenden Beschreibung sind drei Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Laservorhangsenders; Fig. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung des Lasersenders; Fig. 3 ein Diagramm der Intensität der festen Modulationsfrequenz der Laserstrahlung längs des Ausbreitungsweges als Funktion der Entfernung vom Lasersender und ihrer Phasendifferenz zur Referenzfrequenz, die proportional der Entfernung ist; Fig. 4 e-.n Blockschaltbild der Einrichtung des Empfängers; Fig. 5 eine schematische Darstellung der Einrichtungen der zentralen Auswerteinheit in einem Ausführunssbeispiel; Fig. 6 ein Zeitdiagramm der empfangenen Laserstrahl- intensität beim Durchqueren der beiden Laservorhänge.
Vorwiegend für Testzwecke ist es von großer Bedeutung, wenn von dem zu testenden bewegten Körper möglichst viele Parameter-bekannt bzw, bestimmbar sind. Hierzu ist nun vorgesehen, daß der Testkörper - hier ein Flugkörper - mit einem entsprechenden Empfänger versehen wird und ein stationär aufgestellter Sender von einem beliebigen Ort der zu überfliegenden Zone aus entsprechende Impulse bzw.
Strahlen aus sendet.
In der Fig. 1 ist schematisch ein solcher Sender mit zwei durch ihn erzeugten "Laserstrahlvorhängen" 11, 21 und dem diese durchquerenden bewegten Körper 12 mit optischem Empfänger 12a dargestellt. Auf einem Stativ ist der Lasersender 10 am vorgesehenen Uberfliegungsort aufgestellt.
Er sendet nun - ähnlich einem Funkfeuer - eine Vielzahl von Laserstrahlen 11a bis 11z in einer Fläche (erster Laservorhang) aus. Die Winkel o(i zwischen dem beispielsweise genau senkrecht nach oben gerichteten Laserstrahl 11r (Referenzstrahl) und den anderen Strahlen des Laservorhanges werden als sogenannte Richtungswinkel « i bezeichnet. Die Einrichtung eines Lasersenders von drei Ausführungsbeispielen ist im Blockschaltbild der Fig. 2 wiedergegeben.
Der Lasersender 10 ist wie folgt aufgebaut: Dem modulierten Laser 10a ist in bekannter Weise eine Sendeoptik lOb und ein Polarisationsfilter 10c zugeordnet. Dieser Anordnung ist nun eine sogenante zweidimensionale Ablenkeinrichtung 10d zur Bildung der vorbeschriebenen - hier z.B.
ebenen - Laserstrahlvorhänge angeschlossen. Die beiden Laserstrahivorhänge 11, 21 sind nahe benachbart, wobei der eine Laserstrahlvorhang im Hinlauf und der zweite im Rücklauf der Ablenkeinrichtung 10d durch Verschwenken eines polarisierten Laserstrahls 10e gebildet werden.
Beide Laserstrahlvorhänge sind zueinander um ein Mehrfaches der Laserstrahldivergenz, d. h. der "Vorhangdicke", gekippt. Die Polarisationsrichtung lOf der Laserstrahlung ist vorzugsweise parallel oder senkrecht zu den Ebenen der beiden Laservorhänge 11, 21 gewählt. Die Schwenkgeschwindigkeit der Ablenkeinrichtung 10d ist ausreichend groß gegenüber der Geschwindigkeit des bewegten. Körpers 12.
Jeder einzelne Laserstrahl 11a bis 11z und 21a bis 21z ist besonders kodiert. Über den Winkelgeber 14 erfolgt die Meldung der jeweiligen Laserstrahlrichtung. Durch seine Ausgangsspannung wird der VCO (voltage controlled oscillator) 15a angesteuert. Die Ausgänge des VCO 15a und eines hochstabilen Oszillators 15b fester Frequenz sind über einen linearen Uberlagerer 17 und einen Modulatortreiber 18 mit dem Modulatoreingang des Lasers 10 verbunden. Dadurch wird erreicht, daß der Laserstrahl nacheinander und wiederholt jeden Richtungswinkel . der beiden Laservorhänge durchläuft und eine feste sowie eine je nach Richtungswinkel verschiedene Modulationsfrequenz aufweist.
Der Empfänger 12a mit seiner Auswerteinheit 37 verfügt nun über eine der festen Sende frequenz phasenrichtig entsprechende Referenzfrequenz. Diese Referenzfrequenz wird nun einem hochstabilen Referenzoszillator 37b geliefert, der zu einem früheren Zeitpunkt mittels des Synchronisationsausgangs 15c des Senders 10 mit der Sendefrequenz phasenrichtig synchronisiert wurde. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Referenzfrequenz direkt vom Lasersender 10 mittels eines Lichtleitersenders 38, eines Lichtleiterkabels 38b und eines Lichtleiterempfängers 38a übernommen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht hierfür eine direkte elektrische Übertragung mittels eines HF-Koaxialkabels 38c vor, Die von der zwänge des Lichtleites 38b bzw.
Koaxialkabels 38c abhängige feste zusätzliche Phasenverschiebung des am Empfänger 12a gemessenen Referenzsignals wird durch den Phasenshifter 16 kompensiert.
Mit diesen Maßnahmen steht dem Empfänger 12a die der festen Sendefrequenz phasenrichtig entsprechende Referenzfrequenz zur Verfügung. Der Phasenunterschied zwischen fester Empfängerfrequenz und Referenzfrequenz wird im Phasendetektor 37a gemessen. Er ist ein Maß für die Entfernung zwischen Empfänger und Sender.
In Fig. 3 ist nun schematisch der Verlauf der Intensität längs eines Laserstrahls mit der festen Modulationsfrequenz 91 als Funktion der Entfernung vom Lasersender bei festgehaltener Zeit dargestellt. Der hier gewählte Zeitpunkt entspricht dem Zeitpunkt, in welchem die Referenzfrequenz die Phase Null aufweist. Der gleiche Kurvenverlauf ergibt sich für die im Empfänger gemessene Intensität der festen Modulationsfrequenz als Funktion des gemessenen Phasenunterschiedes zwischen Empfängersignal und Referenzsignal (gestrichelt gezeichnete Abszisse in Fig. 3). Der Phasenunterschied zwischen Empfängersignal und Referenzsignal ist zeitlich konstant und proportional der Entfernung R des Empfängers 12a vom Lasersender 10.
Dieser Phasenunterschied bzw. die daraus.resultierende Entfernung wird durch den Phasendetektor 37a der Auswerteinheit 37 bestimmt, wobei das Empfangssignal von dieser Auswerte.nheit 37 übernommen wird. Das Referenzsignal wird entzleder von dem Referenzoszillator 37b oder vom Lichtleiterempfänger 38a mit seinem Lichtleiterkabel 38b bzw. von dem Koaxialkabel 38c in den Phasendetektor 37a übernommen. Die letzten beiden Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 3 und 4 gestrichelt eingezeichnet. Die Modulationsfrequenz ist dabei hinreichend klein, so daß ihre Phasendifferenz gegenüber der Referenzfrequenz auch bei der größten erwarteten Meßentfernung Rmax noch kleiner als 2 rl bleibt. Dadurch wird eine Mehrdeutigkeit bei der Entfernungsbestimmung vermieden.
In Fig. 4 ist der Aufbau des Empfängers 12a des Flugkörpers 12 dargestellt, wobei der Empfänger 12a aus den Meßeinrichtungen 36 und der zentralen Auswerteinheit 37 besteht. Die auf die Empfangsoptik 30 treffende Laserstrahlung wird auf einen zweidimensionalen positionsempfindlichen Detektor 32 fokussiert, wobei ein Teil der Strahlung über einen Strahlteiler 31 durch ein Polarisationsfilter 33 äuf einen zweiten Detektor 34 fokussiert wird.
Die Ausgänge beider Detektoren sind über Vorverstärker 32a, 34a mit der zentralen Auswerteinheit 37 und deren Phasendetektor 37a verbunden. Weiterhin zeigt die Fig, 4 die Zuführung der Referenzfrequenz zum Phasendetektor 37a durch den Referenzoszillator 37b bzw. das Lichtleiterkabel 38b mit Lichtleiterempfänger 38a bzw. durch das HF-Koaxialkabel 38c.
In diesen Einheiten 37, 37a werden die Signale verarbeitet und erbringen die genaue Nick- und Rollage des Flugkörpers, seine Gierlage, den Richtungswinkel zum Sender, die Entfernung dorthin und die Geschwindigkeit und die Flugrichtung des Flugkörpers 12. Damit aber sind alle interessierenden Werte über Position, den Bewegungszustand und die Orientierung des Flugkörpers zum Zeitpunkt bezüglich der Durchquerung einer durch den ruhenden Lasersender 10 erzeugten Kontrollfläche - z. B. des ersten Laservorhangs 11 - bestimmt.
Die Fig. 5 stellt schematisch die einzelnen Verarbeitungseinheiten in der zentralen Auswerteinheit 37 dar. Die Funktionsweise des Empfängers 12a ergibt sich folgendermal3en:'Kreuzt der bewegte Körper mit dem Empfänger 12a die beiden Laservorhänge 11, 21, so zeigt die am Empfänger 12a empfangene Laserstrahlung den in Fig. 6 schema- tisch dargestellten Verlauf. Im Fortgang der Vorwärtsbewegung wird der Empfänger mehrfach von dem durch die Ablenkeinrichtung 10d verschwenkten Laserstrahl des ersten Laservorhangs 11 getroffen. Die maximale Intensität markiert dabei den Zeitpunkt t1, bei welchem der Empfänger 12a vom Zentrum des Laserstrahls, der z. B. eine gaußförmige Intensitätsverteilung aufweist, getroffen wird. Dasselbe wiederholt sich kurz danach beim Durchqueren des zweiten Laservorhanges 21 zur Zeit t2.
Die Nick- und Rollage des bewegten Körpers 12 bezüglich des empfangenen Laserstrahls ergibt sich durch Bestimmung der Fokuslage 32b auf dem zweidimensionalen positionsempfindlichen Detektor 32 mittels der zentralen Auswerteinheit 37. Nach der Ermittlung des Richtungswinkels oCi folgt daraus die Nick- und Rollage bezüglich des ortsfesten Referenzstrahles lir, ebenfalls durch die zentrale Auswerteinheit 37.
Den Richtungswinkel « i bestimmt die Auswerteinheit 37 durch Messung derModulationsfrequenz ?2, die ja in vorbestimmter Weise von « i abhängt.
Die Gierlage des bewegten Körpers 12 wird bezüglich der ebenfalls vorbestimmten Polarisationsrichtung 10f der empfangenen Laserstrahlung bestimmt, die sich in bekannter Weise mittels Intensitätsvergleich der beiden Detektoren 32, 34 und der Orientierung des Polarisationsfilters 33 ergibt.
Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des bewegten Körpers 12 ermittelt die zentrale Auswerteinheit 37 schließlich aus den in vorbeschriebener Weise bestimmten Zeitpunkten t1 und t2 des Durchquerens der beiden Laservorhänge 11, 21 und den zugehörigen Richtungswinkeln und Entfernungen durch Bilden des Differenzquotienten aus Abstand der Durchquerungspunkte und Zeitintervall t1 bis t2. Bei hin- reichender Nachbarschaft der beiden Laservorhänge 11, 21 und nahezu senkrechter Durchquerung derselben ist dieser fast gleich der gesuchten Geschwindigkeit im ersten Durchquerungspunkt zur Zeit t1. Bei schräger Durchquerung wird die tatsächliche Geschwindigkeit aus der Differenz der beiden Entfernungen gebildet.
Aus dem Vorbeschriebenen ist ersichtlich, daß die Bestimmung der Parameter. des bewegten Körpers durch die Vermessung der empfangenen Laserstrahlung voraussetzt, daß die Art der Kodierung der beiden Laservorhänge zuvor vereinbart und der Auswerteinheit bekannt ist, und daß die Auswerteinheit über eine der Sendefrequenz phasenrichtig entsprechende Referenzfrequenz verfügt. Dies betrifft insbesondere die Referenzrichtung, die den verschiedenen Richtungswinkeln, d. h. Stellungen der Ablenkeinrichtung, zugeordnete Modulationsfrequenz, die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung und ihre Strahlform (Divergenz), den Winkelabstand zwischen beiden Laservorhängen und deren Form, d. h. ob sie ebenen oder eventuell anderen Flächen entsprechen. Eine Reihe dieser und zusätzlicher Eigenschaften der beiden Laservorhänge müssen selbstverständlich dem Meßproblem angepaßt sein. So muß z. B. die Schwenkfrequenz der Ablenkeinrichtung groß genug sein, damit bei gegebener Geschwindigkeit des bewegten Körpers der Empfänger mindestens einmal pro Laservorhang vom Laserstrahl getroffen wird. Die Divergenz des Laserstrahls, die die "Dicke" des Laservorhangs bestimmt, muß auf das geforderte räumliche Auflösungsvermögen und den Entfernungsmeßbereich abgestimmt sein. Letzteres bestimmt auch wegen der Eindeutigkeitsforderung die maximale feste Modulationsfrequenz. Eine Modulationsfrequenz von 1 MHz entspricht z. B. einem Eindeutigkeitsbereich von 300 m.
Für den Fall, daß verschiedenartige bewegte Körper (Flugkörper, Düsenflugzeuge, Propellerflugzeuge, Segelflugzeuge, Drohnen, Hubschrauber etc.) beim Uberfliegen der Kontrollfläche vermessen werden sollen, ist es vorteilhaft, mehrere verschiedene Typen von Laservorhängen 11, 21 zuvor zu vereinbaren und den jeweils aktuellen Typ dem Empfänger durch eine zusätzliche Modulationsfrequenz der.vom Lasersender emmittierten Laservorhänge und durch eine zusätzliche Meßeinrichtung im Empfänger 12a zur Messung dieser Modulationsfrequenz mitzuteilen.
- L e e r s e i t e -

Claims

Verfahren zur Vermessung eines bewegten Körpers im Raum Patentansprüche Verfahren zur Vermessung eines an einem bewegten Körper angeordneten optischen Empfängers mittels eines an frei wählbaren Orten aufstellbaren Lasersenders, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß von dem Lasersender (10) zwei kodierte Laservorhänge (11, 21) gebildet werden, wobei jedem Einzelstrahl .(iia bis 11z, 21a bis 21z) mit den Richtungswinkeln (j) bezüglich einer raumfesten Referenzrichtung (?kr) eine feste und eine winkelabhängige Laserstrahlmodulationsfrequenz und eine Polarisationsrichtung (lief) zugeordnet sind, und daß der Empfänger (12a) über eine der festen Sendefrequenz phasenrichtig entsprechende Referenzfrequenz verfügt, und daß im Empfänger (12a) Meßeinrichtungen (36) zur Messung der Laserstrahlung, nämlich der Empfangszeitpunkte, der Empfangsrichtung, der Polarisationsrichtung der beiden Modulationsfrequenzen sowie eine zentrale Auswerteinheit (37) mit Phasendetektor (37a) angeordnet sind, mittels derer der Phasenunterschied der festen Modulationsfrequenz gegenüber der Referenzfrequenz die Richtungswinkel und Zeitpunkte, bei welchen der bewegte Körper (12), seine Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung und seine Entfernung vom Laser sender in diesen beiden Zeitpunkten bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die der Sendefrequenz phasenrichtig entsprechende Referenzfrequenz durch einen hochstabilen Quarzoszillator (37b) im Empfänger (12a) geliefert wird, der zu einem geeigneten früheren Zeitpunkt auf den Senderoszillator (15b) phasenrichtig abgeglichen worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die der festen Sendefrequenz phasenrichtig entsprechende Referenzfrequenz durch ein Lichtleiter-, Hochfrequenz-Koaxialkabel etc. fester Länge vom Sendeoszillator (15b) zum Empfänger (12a) übertragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Lasersender (10) mittels einer zweidimensionalen Ablenkeinrichtung (1 tod) zwei ebene benachbarte Laserstrahlvorhänge ( 11, 21) bildet, wobei der eine Laserstrahlvorhang im Einlauf und der zweite im Rücklauf der Ablenkeinheit (tod) durch Verschwenken eines polarisierten Laserstrahls (10e) gebildet werden, wobei beide Laserstrahlvorhänge zueinander um ein Mehrfaches der Laserstrahldivergenz gekippt sind, die Polarisationsrichtung (1Of) der Laserstrahlung parallel oder senkrecht zu den Ebenen der beiden Laserstrahlvorhänge (11, 21) gewählt ist, und wobei die Schwenkgeschwindigkeit der Ablenkeinheit (tod) ausreichend groß gegenüber der Geschwindigkeit des bewegten Körpers (12) ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Empfänger (12a) zur Bestimmung der Roll- und Nicklage des bewegten Körpers (12) der Fokusort (32a) der mit der Empfangsoptik (30) auf eine zweidimensional positionsempfindliche Photodiode (32) fokussierten Laserstrahlung gemessen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche.1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Empfänger (12a) zur Bestimmung der Gierlage des bewegten Körpers (12) die Polarisationsrichtung (lot) der empfangenen Laserstrahlung gemessen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c. .h n e t , daß im Empfänger (12a) zur Bestimmung der Richtungswinkel und Zeitpunkte, bei welchen der bewegte Körper (12) die beiden Laserstrahvorhänge (11, 21) durchquert, die winkelabhängige Modulationsfrequenz der empfangenen Laserstrahlung sowie die Zeitpunkte maximaler Laserstrahlintensität gemessen werden.