DE3318556A1 - Method and device for analysing movements - Google Patents
Method and device for analysing movementsInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Method and device for
Analysieren von Bewegungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen, insbesondere zum Messen und Berechnen des Abstandes eines Objektes sowie der hieraus abgeleiteten Daten, wie beispielsweise Maß und Beschleunigung der knderung der Entfernung, beruhend auf der Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich. Analyzing Movements The invention relates to a method as well as a device for analyzing movements, in particular for measuring and calculating the distance of an object and the data derived therefrom, such as The amount and acceleration of the change in distance based on the measurement of the Velocity of propagation of electromagnetic radiation in the visible range.
Das Messen von Entfernung und Geschwindigkeit eines bewegten Gegenstandes wird heutzutage in zahlreichen Zusammenhängen angewandt. Die älteste Anwendung fand wohl auf militärischem Gebiet bei der Bes chuß regelung sowie beim Überwachen von Truppenbewegungen statt, während das Verfahren bei der Verkehrsüberwachung mittels Radar durch die Polizei heutzutage bestens bekannt ist. Eine Meßeinrichtung zum Erfassen einer Entfernung (oder eines Bereiches) einer Geschwindigkeit und möglicherweise auch einer Beschleunigung sollte leicht einsetzbar, von geringem Gewicht und von geringen Abmessungen sein, dabei jedoch schnell, genau und mit genügend hohem Wirkungsgrad arbeiten, um bezüglich der Meßanzeige sowie der Analysemöglichkeiten vielseitig zu sein. Ein annehmbares Gerät kann auf dem Messen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Mikrowellen beruhen (Radar), von Ultraschall, oder von Licht.Measuring the distance and speed of a moving object is used today in numerous contexts. The oldest application found presumably in the military field in the control of correspondence as well as in the monitoring of Troop movements take place while the procedure is by means of traffic surveillance Radar is best known by the police these days. A measuring device for Detecting a distance (or an area) a speed and possibly also an acceleration should be easily deployable, of light weight and of be small in size, but fast, accurate and with a sufficiently high degree of efficiency work to be versatile in terms of the measurement display as well as the analysis options to be. A decent device can measure the speed of propagation of microwaves (radar), of ultrasound, or of light.
Radareinrichtungen beruhen auf dem Messen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit bzw. Zeitspanne des Fortpflanzens von Mikrowellen zum Ermitteln des Abstandes sowie auf der Anwendung des Doppler-Effektes zum Berechnen der Geschwindigkeit. Das Radarprinzip stößt dann auf Grenzen, wenn es darum geht, den Bewegungszustand eines klein bemessenen Objektes oder eines gegebenen Punktes auf einem großen Objekt zu bestimmen. Hierzu sind größenveränderliche Antennen notwendig, die jedoch auch nicht den vollen Erfolg garantieren. Weiterhin sind große metallische Flächen und sonstige Umweltbedingungen bei der Messung hinderlich. Schließlich ist das gleichzeitige Messen von Entfernung und Geschwindigkeit nur schwer möglich.Radars rely on measuring the speed of propagation or time span of the propagation of microwaves to determine the distance as well as on the application of the Doppler effect to calculate the speed. The radar principle Then there are limits when it comes to the state of motion of a small-sized Object or a given point on a large object. For this Resizable antennas are necessary, but they are not entirely successful to guarantee. Furthermore, there are large metallic surfaces and other environmental conditions obstructing the measurement. Finally, there is the simultaneous measurement of distance and speed is difficult to achieve.
Ultraschall-Einrichtungen, die auf demselben Prinzip wie Radar arbeiten, leiden darunter, daß das Meßergebnis von den Bewegungen des Mediums (beispielsweise Luft) abhängt und oft durch schlechte Reflexion am Objekt beeinträchtigt wird. Außerdem hängt die Fortpflanzgeschwindigkeit des Schalles stark vom Zustand des Mediums ab (Temperatur, Feuchtigkeit, Druck), und der mit diesem Verfahren erfaßbare Meßabstand ist verhältnismäßig gering.Ultrasonic devices that work on the same principle as radar, suffer from the fact that the measurement result depends on the movements of the medium (for example Air) and is often affected by poor reflection on the object. aside from that the speed of sound propagation depends strongly on the condition of the medium (Temperature, humidity, pressure), and the measuring distance that can be recorded with this method is relatively low.
Ein Meßgerät zur universellen und modernen Anwendung am besten geeignet erscheint noch ein MeEgerät, das das optische (sichtbare) Band elektromagnetischer Wellen verwendet.A measuring device best suited for universal and modern use Another MeE device appears that uses the optical (visible) band of electromagnetic Waves used.
Die Erzeugung von Licht wird häufig mittels eines Lasers vorgenommen, der Licht zu erzeugen vermag das genügend intensiv monochromatisch ist, um diesen Zweck z u erfüllen. Es gibt eine große Anzahl von auf diesem Verfahren arbeitenden Geräten.The generation of light is often done by means of a laser, the light is able to produce it intensely enough monochromatic is to serve this purpose. There are a large number of on this procedure working devices.
Die meisten beruhen auf dem Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes, und zwar entweder direkt oder indirekt, Je nach dem, ob das Gerät lediglich die Entfernung oder auch die Geschwindigkeit messen soll.Most are based on measuring the speed of propagation of light, either directly or indirectly, depending on whether the device is only to measure the distance or the speed.
Eines dieser Prinzipien ist d s Phasenkomparatorprinzip, wobei die Phase des reflektierten Lichtes mit der Phase des ausgesandten Lichtes verglichen wird. Mit diesem Verfahren lassen sich genaue Abstands-tereichs-)Messungen vornehmen. Bei der Messung auf einem bewegten Objekt besteht jedoch ein Problem in der geringen übertragungskraft und der langen Meßdauer; dies bedingt Vorrichtungen, die nur in einem engen Geschwindigkeitsbereich zu arbeiten vermögen.One of these principles is the phase comparator principle, where the Phase of the reflected light compared with the phase of the emitted light will. This procedure enables precise distance range measurements to be made. However, when measuring on a moving object, there is a problem that it is small transmission power and the long measurement duration; this requires devices that are only available in be able to work in a narrow speed range.
Moderne Vorrichtungen, die auf dem Impulsprinzip arbeiten und gleichzeitig Abstand als auch Geschwindigkeit erfassen, wurden dahingehend entwickelt, daß die an einem sogenannten passiven Objekt arbeiten, d.h. an einem Objekt, dessen Lichtreflexionseigenschaften unverändert bleiben. Damit von einem passiven Objekt einem Empfänger ein genügend starkes Echo zugeleitet wird, muß die Impuls-Ausgangsleistung des Transmitters (transmitter's pulse output power) hoch, und der Lichtstrahl eng sein. Dies hat wiederum den Nachteil, daß man gezwungen ist, den Laser bei vergleichsweise geringer Frequenz schwingen zu lassen, was auf die hohe Impulsleistung zurückgeht, und daß es schwierig ist, den Lichtstrahl auf ein kleines Objekt oder auf ein schnell sich bewegendes Objekt zu richten. Außerdem weiß man beim Messen eines großen Gegenstandes nicht genau, von welchem Punkte aus das Echo ausgeht. Das erhaltene Meßergebnis ist somit stets ein Einzelergebnis vom Charakter einer Stichprobe, also niemals ein kontinu-2mliches Ergebnis.Modern devices that work on the impulse principle and at the same time Detecting distance as well as speed were developed in such a way that the work on a so-called passive object, i.e. on an object whose light reflective properties remain unchanged. So that from a passive object to a receiver a sufficient one If a strong echo is supplied, the pulse output power of the transmitter (transmitter's pulse output power) high and the light beam narrow. This in turn has the disadvantage that one is forced to oscillate the laser at a comparatively low frequency to leave, which is due to the high pulse power, and that it is difficult the light beam on a small object or on a fast moving object to judge. In addition, when measuring a large object, one does not know exactly from which point the echo originates. The measurement result obtained is thus always a single result of the character of a sample, so never a continuous one Result.
Die genannten Nachteile lassen sich dadurch ausschalten, daß man ein Meßverfahren anwerdet, das auf pusierendem Licht sowie auf dessen Ubertragungszeitspanne (traversing time) beruht; dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein periodischer Lichtstrahl aus einer an sich bekannten Lichtquelle, beispielsweise einem Laser, auf ein bewegtes oder ortsfestes Objekt gerichtet wird, und daß der feste Winkel des Strahles derart eingestellt wird, daß er dazu geeignet ist, eine reflektierende Fläche am Objekt haften zu lassen oder auf sonstige Weise die ganze Zeit innerhalb des Strahles erzeugt wird.The disadvantages mentioned can be eliminated by one Measurement method applied to pusierendem light as well on whose Transmission time span (traversing time) is based; this procedure is characterized by that a periodic light beam from a known light source, for example a laser, is aimed at a moving or stationary object, and that the fixed angle of the beam is set so that it is suitable for a to let the reflective surface adhere to the object or in some other way the whole Time is generated within the beam.
Die Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Ubertragungszeitspanne des Lichtimpulses in eine hierzu proportionale Spannung umgesetzt wird, wobei die Spannung als Mittelwert eines quadratische Wellenform aufweisenden Signales gebildet wird, das auf zwei verschiedenen Spannungsleveln zusammengesetzt ist, und zwar auf der Basis der Messung der Frequenzperiodenlänge und der aktiven Periode, entsprechend der Ubertragungszeitspanne des Lichtimpulses, wobei deren proportionale Längen durch die genannte aktive Periode definiert sind.The invention is further characterized in that the transmission period of the light pulse is converted into a voltage proportional to this, the Voltage formed as the mean value of a signal having a square waveform that is composed of two different voltage levels, namely on based on the measurement of the frequency period length and the active period, accordingly the transmission time span of the light pulse, its proportional lengths being through the said active period are defined.
Die Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die die Geschwindigkeit und die Beschleunigung ausdrückenden Signale aus der Abstands spannung gebildet werden, und zwar durch entsprechendes Ableiten dieser Spannung in Bezug auf die Zeitdauer.The invention is further characterized in that the speed and signals expressing the acceleration are formed from the spacing voltage by appropriately deriving this voltage with respect to the Duration.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der nächst zu Übertragende Strahlungsimpuls auf der Basis der Ankunftszeit des aufgenommenen Impulses ausgelöst. Eine solche Anordnung ermöglicht es, daß der Laser unabhängig vom Abstand bei seiner höchstmöglichen Geschwindigkeit arbeiten kann.In a further embodiment of the invention, the next to be transmitted is Radiation pulse triggered on the basis of the arrival time of the received pulse. Such an arrangement makes it possible that the laser regardless of the distance at its can work at the highest possible speed.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die den Lichtstrahl bildende und die Reflexion aufnehmende Optik sowie, falls erforderlich, der Transmitter und auch der Aufnehmer (Receiver), getrennt sind und eine eigene Einheit bilden, und daß die zu übertragende Information durch eine Leitung zwischen dem eigentlichen elektronischen Teil und dem Meßkopf hindurchgeführt wird. Hierdurch erzielt man einen Meßkopf geringen ewichtes, der sich leicht richten und anpassen als auch mechanisch gut schützen läßt.In a further embodiment of the invention it is provided that the Optics that form the light beam and absorb the reflection and, if necessary, the transmitter and also the receiver (receiver) are separate and have their own unit form, and that the information to be transmitted by a Line passed between the actual electronic part and the measuring head will. This achieves a measuring head that is light and easy to adjust and can be adapted as well as mechanically well protected.
Die Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator (also das gesamte, erfindungsgemäße Gerät) eine Ausgangseinrichtung aufweist, die die erforderlichen Daten in Gestalt eines ständigen numerischen Ausdrucks und/oder graphischer Kurven abgibt. Mit einer solchen Einrichtung erhält man die gemessenen Daten und Analysenergebnisse in einer voll verarbeiteten Form an Ort und Stelle; änderungen und Korrekturen der verschiedenen Bedingungen und Parameter lassen sich sofort und leicht durchführen.The invention is further characterized in that the analyzer (So the entire device according to the invention) has an output device which the required data in the form of a permanent numerical expression and / or graphical curves. With such a device one gets the measured ones Data and analytical results in a fully processed form on the spot; Changes and corrections to the various conditions and parameters can be made perform instantly and easily.
Die Erfindung ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß man eine genügend große aktive Periode erhält, wobei ein Halbleiter-Laser vom DH-Typus verwendet wird.The invention is finally characterized in that one sufficiently large active period is obtained using a DH type semiconductor laser will.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt: Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Gerätes gemäß der Erfindung.The invention is explained in more detail with reference to the drawing. In it is the following is shown in detail: Fig. 1 shows a block diagram of a device according to the invention.
Fig. 2 veranschaulicht die Art des Bildens einer Spannung, die der Ubertragungszeitdauer des Lichtes proportional ist.Fig. 2 illustrates the manner of forming a voltage that the Transmission time of the light is proportional.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Gerätes und veranschaulicht eine seiner An-endungsmöglichkeiten.Fig. 5 shows and illustrates an embodiment of the device one of its possible applications.
Die in Fig. 1 enthaltene Gerätedarstellung dient vorwiegend zum Veranschaulichen der verschiedenen Anwendungsfälle, wobei sein Meßbereich mit einem guten Reflektor zwischen 0 und 200 m beträgt. Bei diesem Gerät wird ein schneller, quarzgesteuerter Oszillator 1 als Regelelektronik für die Lichtimpulse verwendet. Dieser Oszillator synchronisiert den Pulsator 2, der seinerseits Stromimpulse erzeugt, die wiederum vom Laser 3 benötigt werden. Laser 5 ist ein sogenannter DH- (Double Hetero) Halbleiter-Laser. Die von Laser 3 erzeugten Lichtimpulse treten durch Linse 4 hindurch und fallen auf das Objekt, von wo sie reflektiert und mit Hilfe von Spiegeln 5 durch ein Filter 6 und eine Linse 7 in Detektor 8 gerichtet werden, der eine Lichtdiode ist. Die Spannungsimpulse, die von Detektor 8 ausgehen, werden mit einem Vorverstärker 9 verstärkt. Sodann stellt ein Dämpfungsglied 10 (attenuator) die Ausgangsimpulse derart ein, daß diese zur die folgenden Schritte etwa konstant sind. Ein Verstärker 11 und eine Rückrührung 12 (feedback) bestimmen den Level des Spannungsimpulses, die zum CFTD 13 (constant fraction time discriminator) gelangen. Der CFTD 13 reduziert den Einfluß schneller Amplitudenspannungen auf den Zeitablauf und steigert den dynamischen Bereich des Receivers. Ein Zeitintervall-Spannungskonverter 14 (TAC) ermittelt den Abstand des Gegenstandes (Bereiche des Gegenstandes) auf die in Fig. 2 veranschaulichte Weise. Aus einem Verstärker 15 mit Wechselstromanschluß erhält man eine zur Anderung des Objektabstandes, dem 1'WechselstromAbstand?1 proportionale Spannung. Die Nebenschlußkreise 16 und 17 berechnen die Geschwindigkeit und Beschleunigung aus der durch den TAC-Kreis 14 gelieferten Spannung.The device representation contained in Fig. 1 is primarily used for illustration of different applications, with its measuring range with a good reflector is between 0 and 200 m. This device uses a fast, quartz-controlled oscillator 1 used as control electronics for the light pulses. This oscillator synchronizes the pulsator 2, which in turn generates current pulses which, in turn, require the laser 3 will. Laser 5 is a so-called DH (Double Hetero) semiconductor laser. The from Laser 3 generated light pulses pass through lens 4 and fall on the Object from where it is reflected and with the help of mirrors 5 through a filter 6 and a lens 7 can be directed into detector 8, which is a light emitting diode. The voltage pulses, which emanate from detector 8 are amplified with a preamplifier 9. Then sets an attenuator 10 (attenuator) the output pulses so that this for the following steps are roughly constant. An amplifier 11 and a return line 12 (feedback) determine the level of the voltage pulse sent to the CFTD 13 (constant fraction time discriminator). The CFTD 13 reduces the influence more quickly Amplitude stresses on the passage of time and increases the dynamic range of the Receivers. A time interval voltage converter 14 (TAC) determines the distance of the Object (areas of the object) in the manner illustrated in FIG. An amplifier 15 with an AC connection gives one for changing the Object distance, 1'AC distance? 1 voltage proportional. The shunts 16 and 17 calculate the speed and acceleration from the by the TAC circuit 14 supplied voltage.
Das Zeitdiagramm der Fig. 2 veranschaulicht die Art und Weise, in welcher die Lichtübergangszeit T2 (light traversing time) in die Analogspannung U5 umgewandelt wird.The timing diagram of Fig. 2 illustrates the manner in which is the light transition time T2 (light traversing time) into the analog voltage U5 is converted.
Fig. 5 veranschaulicht eine Art des Anwendens eines Gerätes dieser Art. Hier werden Geschwindigkeit- und Beschleunigungsprofile eines Sportlers 25 auf einer Laufbahn 22 gemessen.Fig. 5 illustrates one way of using an apparatus of the same Art. Here, the speed and acceleration profiles of an athlete 25 measured on a track 22.
Die Zeitmeßelektronik sowie der übrige Teil der unmittelbar zugehörenden Elektronik sind in einem Gehäuse 18 untergebracht, während der erforderliche optische Meßkopf in einer Licht-Transmitter- und Receiver-Einheit 19 auf einem Stativ 21 ruhen.The timing electronics as well as the rest of the directly associated Electronics are housed in a housing 18, while the required optical Measuring head in a light transmitter and receiver unit 19 on a stand 21 rest.
Die Einzelteile der Ausrüstung sind mittels eines Leiters 20 miteinander zusammengeschaltet, die in beiden Richtungen Informationen überträgt. Der Sportler 25 trägt auf seinem Rücken einen Reflektor 24, auf welchen ein Lichtstrahl gerichtet wird. Nach dem Start des Sportlers mißt die Meßeinrichtung (18, 19) kontinuierlich dessen Abstand, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Falls gewünscht, lassen sich nach jedem Lauf mit Hilfe einer Datenverarbeitungseinrichtung 25 Profile erstellen. Hierdurch werden der Sportler sowie der Trainer dazu in die Lage versetzt, unverzüglich zu erkennen, wie erfolgreich die verschiedenen Phasen des Laufs bewältigt wurden, und je nach dem lassen sich Korrekturen vornehmen.The individual parts of the equipment are connected to one another by means of a ladder 20 interconnected, which transmits information in both directions. The sportsman 25 carries a reflector 24 on its back, onto which a light beam is directed will. After the athlete has started, the measuring device (18, 19) measures continuously its distance, speed and acceleration. If desired, can Create 25 profiles after each run with the help of a data processing device. This enables the athlete and the trainer to do so immediately to see how successfully the different phases of the run have been mastered, and depending on that, corrections can be made.
Es versteht sich, daß jegliche Abwandlungen möglich sind> ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise die gesamte Geräteeinrichtung wunschgemäß für einen gegebenen Zweck angepaßt und ausgewählt werden; das Objekt kann irgendein Lebewesen oder ein Körper sein, an welchem ein Reflektor befestigt ist, oder dessen Lichtreflexionsvermögen auf andere Weise an einem vorbestimmten Punkt vergrößert ist.It goes without saying that any modifications are possible> without to leave the scope of the invention. For example, the entire device setup customized and selected as desired for a given purpose; the object can be any living being or body to which a reflector is attached is, or its light reflectivity in some other way at a predetermined Point is enlarged.
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