DE3340924A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen erfassen der bewegung eines objektes - Google Patents

Description

Zumbach Electronic AG
CH-2552 Orpund

Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen der Bewegung eines Objektes

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Erfassen der Bewegung eines Objektes mit optisch differenzierter Struktur. Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen für diesen Zweck sind bekannt, wobei im allgemeinen verhaltnismassxg aufwendige optische Systeme mit feststehenden und beweglichen Gittern und Prismenrastern erforderlich sind. Trotzdem erlauben die bekannten Systeme nur eine relativ genaue Geschwindigkeitsmessung, nicht aber eine Aussage über die Richtung der erfassten Bewegung und infolgedessen über den vom Objekt zurückgelegten Weg, sofern die Bewegung nicht immer in der gleichen Richtung erfolgt.

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die nicht nur mit einfachen optischen Mitteln die Bewegung eines Objektes zu erfassen gestatten, sondern die auch die Bewegungsrichtung zu erfassen und damit für viele Fälle genügend genaue Angaben über den vom Objekt zurückgelegten Weg erlauben. Dieses Ziel wird erreicht durch das Verfahren gemäss Anspruch 1. Vorzugsweise werden Gruppen von je vier Wandlern für jede zu erfassende Bewegungskomponente vorgesehen.

von welchen Wandlern phasenverschobene Signale abgeleitet werden, aus welchen sich die Bewegung nach Grosse und Richtung ableiten lässt.

Als Wandler kann vorzugsweise eine Reihe oder Matrix von Photodioden, im Folgenden kurz Dioden genannt, vorgesehen sein, wobei die Dioden entsprechender Stellung in jeder Gruppe parallel geschaltet sind.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel und eine AusführungsVariante zeigt, näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch die generelle Anordnung der

Messvorrichtung,
Figur 2 zeigt eine Diodenreihe als opto-elektrischen Wandler für eine Bewegungskomponente,

Figur 3 zeigt die Schaltung des Wandlers mit Vorverstärkern, Figur 4 zeigt den Verlauf verschiedener Signale in Funktion der

Bewegung eines Lichtfleckes längs des Wandlers, Figur 5 zeigt eine Schaltung zur Bildung von Summen und

Differenzen von Wandlersignalen, Figur 6 zeigt eine logische Schaltung zur Bestimmung der auf die

Bewegungsrichtung bezogenen Signale, Figur 7 zeigt Eingangs- und Ausgangssignale der Schaltung nach

Figur 6 und
Figur 8 zeigt schematisch einen Wandler zur Erfassung zweier

Bewegungskomponenten.

Figur 1 zeigt, wie ein flaches Objekt 1, das in der Ebene XY beweglich ist, durch eine schematisch dargestellte Optik 2 auf einen opto-elektrischen Wandler 3 abgebildet wird. Da Bewegungen des Objektes 1 in beiden Richtungen XY erfasst werden sollen, ist der in Figur 1 dargestellte Wandler 3 als quadratische Diodenmatrix der in Figur 8 angedeuteten Art ausgebildet. Diese Matrix ist in Figur 1 quasi auf das Objekt 1 abgebildet dargestellt. Die Dioden sind in quadratischen Gruppen von je 16 Dioden zusammengefasst. Es wird später noch kurz darauf eingetreten, wie eine Geschwindigkeitsmessung oder Wegmessung in zwei Richtungskomponenten erfolgen kann.

Zur Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung wird jedoch vorderhand anhand der Figuren 2 bis 7 ein einfacheres Beispiel zur Erfassung der Geschwindigkeit beziehungsweise des Wegs eines Objektes in einer Richtung erläutert. Die Messvorrichtung ist gleich aufgebaut wie diejenige nach Figur 1, doch tritt anstelle der Diodenmatrix 3 eine Diodenreihe 3a gemäss Figur 2. Diese Diodenreihe liegt parallel zu der zu erfassenden Richtung, beispielsweise der Richtung X, d.h., Bildpunkte des sich vor der Optik 2 bewegenden Objektes 1 wandern in Längsrichtung über die Diodenreihe. Bildpunkte unterschiedlicher Helligkeit verursachen damit in den Dioden variable Signale, wobei je ein Punkt beziehungsweise Signal mit der Geschwindigkeit des Objektes proportionaler Geschwindigkeit über die Diodenreihe läuft. Es treten damit in an sich bekannter Weise Züge periodischer Signale auf, deren Frequenz der Geschwindigkeit des Objektes proportional

und der Breite je einer Diode umgekehrt proportional ist. Wie in Figur 2 angedeutet und in Figur 3 gezeigt ist, sind die Dioden der Reihe je in Gruppen von vier aufeinanderfolgenden Dioden A,B,C,D geschaltet, wobei alle Dioden A, alle Dioden B, alle Dioden C und alle Dioden D je parallel geschaltet sind. Es entstehen damit vier Ausgänge A,B,C,D, die je einen Operationsverstärker 4 enthalten. Die Ausgänge nach Figur 3 sind gemäss Figur 5 mit Additions- und Subtraktionsschaltungen verbunden von welchen nur eine dargestellt ist. Aufbau und Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 5 sind ohne weiteres ersichtlich und sollen hier nicht näher erläutert werden.
Am Ausgang I tritt das Signal I wie folgt auf:

I = (A+B) - (C+D)

Eine zweite identische Schaltung, an deren Eingänge die Signale in der Reihenfolge B,C,A,D angelegt sind, liefert folgendes Signal:

II = (B+C) - (A+D)

Es werden also in einem Kanal je die Signale der zwei ersten Dioden A und B addiert, und es wird die Differenz zur Summe der Signale der beiden letzten Dioden C und D je einer Gruppe

gebildet. Betrachtet man den Durchlauf eines Bildpunktes beziehungsweise eines Lichtflecks oder Schattenflecks über eine Gruppe

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von Dioden A-D als Periode von 360 oder 2 /f ist ohne weiteres erkennbar, dass dann die Signale A+B und C+D in Gegenphase liegen. Aus der Differenz dieser Signale werden Komponenten wie z.B. die mittlere Helligkeit des betrachteten Objektausschnittes, welche nicht infolge des Durchlaufs von Bildpunkten herrühren, eliminiert. Man gewinnt damit ein Signal, welches nur die der zu erfassenden Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Frequenz aufweist. Dasselbe gilt für das Signal II, welches je-

doch bezogen auf die oben erwähnte Periode um 90 beziehungsweise // /2 verschoben ist. In Figur 4 sind diese Verhältnisse veranschaulicht, wobei in Figur 4 oben in vertikaler Richtung die Durchlaufzeit eines Bildpunktes beziehungsweise die Längsrichtung der Diodenreihe aufgetragen ist, während in horizontaler Richtung verschiedene Positionen eines über die Diodenreihe wandernden Lichtpunktes 5 aufgezeichnet ist. Es leuchtet ein, dass für die erste Position des Lichtpunktes links unten das Signal A+B maximal, das Signal C+D minimal, das Signal B+C auf einem Mittelwert und das Signal A+D ebenfalls auf einem Mittelwert ist. Für die zweite Position von links des Bild- oder Lichtpunktes befinden sich die Signale A+B und C+D auf einem Mittelwert, während das Signal B+C einen Maximalwert und das Signal A+D einen Minimalwert aufweist. Es ist leicht einzusehen, dass damit die vier soeben erwähnten Signale je einen periodischen Verlauf haben, jedoch phasenverschoben sind. Je die Signale A+B und C+D sowie die Signale B+C und A+D sind gegenphasig. Die Subtraktion dieser gegen-

phasigen Signale ergibt Signale gleicher Frequenz und doppelter Amplitude, wobei die oben erwähnten Störsignale eliminiert sind. Allerdings sind zur Vereinfachung der Darstellung diese Störsignale auch bei den Signalen A+B, C+D, B+C und A+D nicht dargestellt.

Man erhält also an den Ausgängen I und II der Schaltungen nach Figur 5 die in Figur 7 dargestellten phasenverschobenen Signale, die ebenfalls mit I und II bezeichnet sind. Diese Signale werden den Eingängen der logischen Schaltung nach Figur 6 zugeführt. Da alle Schaltelemente dieser Schaltung klar dargestellt sind, erübrigt sich eine Beschreibung dieser Schaltung und ihrer Funktion. Es sei lediglich erwähnt, dass die UND-Tore 6 und 7 mit den jeweiligen RC-Eingängen und dem Inverter 8 jeweils anschliessend an eine aufsteigende Flanke des Signals II bzw. anschliessend an eine absteigende Flanke des Signals II einen Ausgangsimpuls relativ kurzer Dauer bis zur Entladung des Kondensators C abgeben, welcher mit der übrigen Logik darüber entscheidet, ob am Ausgang 9 oder am Ausgang 10 eine Impulsserie gemäss Figur 7 erscheint. Die Vorzeichen "+" und "-" an den Ausgängen 9 und 10 deuten an, dass eine Impulsserie am Ausgang 9 Vorwärtslauf, eine Impulsserie am Ausgang 10 Rückwärtslauf anzeigt. Die beiden um eine Viertelperiode verschobenen Signale I und II gestatten die Unterscheidung zwischen Vor- und Rücklauf durch die logische Schaltung nach Figur 6, indem bei Vorlauf (+) Impulse bei absteigendem Signal

II und tiefem Signal I sowie bei aufsteigendem Signal II und hohem Signal I auftreten. Bei Rücklauf (-) treten demgegenüber Impulse bei aufsteigendem Signal II und tiefem Signal I und bei absteigendem Signal II und hohem Signal I auf. Wie erwähnt treten somit bei einer bestimmten Bewegungsrichtung nur an einem Ausgang 9 oder 10 Impulse auf, und diese Impulse zeigen nicht nur die Bewegungsrichtung durch ihr Vorhandensein, sondern auch die Geschwindigkeit durch ihre Frequenz an. In einem nichtdargestellten Vor- und Rückwärtszähler können die am Ausgang 9 erscheinenden Impulse addiert und die am Ausgang 10 erscheinenden Impulse subtrahiert werden, sodass der Zählerstand eine Aussage über den gesamten Weg des Objektes erlaubt. In einer weiteren, nichtdargestellten und an sich bekannten Schaltung kann aus der jeweiligen Impulsfrequenz sei es eines Signals I oder II, sei es aus einem Signal an einem der Ausgänge 9 oder 10, auf die momentane Geschwindigkeit des Objekts geschlossen werden. Es ist also möglich, die Bewegung des Objektes nach Richtung und Grosse zu erfassen, wobei unter Grosse sowohl die momentane Geschwindigkeit als auch die von einem bestimmten Zeitpunkt an erfolgte totale Verschiebung oder der Weg verstanden werden kann. Es können natürlich auch Mittelwerte zur Erfassung einer mittleren Geschwindigkeit gebildet werden.

Während in Figur 2 nur drei Gruppen von je vier Photodioden dargestellt sind, werden praktisch wesentlich längere Diodenreihen verwendet, die entsprechend in Vierergruppen geschaltet sind.

Zur Ausfuhrungsform nach Figur 8 mit Diodenmatrix sei lediglich erwähnt, dass die dort jeweils mit gleichen Nummern bezeichneten Dioden zusammengeschaltet sind. Gemäss dem Obenstehenden werden dann sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung entsprechende phasenverschobene Bereiche ausgewertet, um phasenverschobene Signale I und II beziehungsweise I und II zu erhal-

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ten, anhand welcher beide Bewegungskomponenten nach Grosse und Richtung erfasst werden können. Rechnerisch heisst dies:

I = (11+21+31+41) + (12+22+32+42) χ

(13+23+33+43) + (14+24+34+44)

II = (12+22+32+42) + (13+23+33+43) χ

(11+21+31+41) + (14+24+34+44)

I = (11+12+13+14) + (21+22+23+24)

(31+32+33+34) + (41+42+43+44)

II = (21+22+23+24) + (31+32+33+34)

(11+12+13+14) + (41+42+43+44)

Leerseite

Claims (8)

Patentansprüche

1.jVerfahren zum berührungslosen Erfassen der Bewegung eines Objektes (1) optisch differenzierter Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (1) auf ein Gitter (3,3a) opto-elektrischer Wandler (3) abgebildet und aus periodisch verlaufenden Anteilen der an den Wandlern auftretenden Signale auf die Bewegung schliesst, und dass von Gruppen (A-D) von Wandlern phasenverschobene Signale abgeleitet werden, aus welchen auf die Bewegung nach Grosse und Richtung geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede zu erfassende Bewegungskomponente Gruppen von vier Wandlern A bis D vorgesehen sind, von welchen Signale

I = (A+B) - (C+D) sowie

II = (B+C) - (D+A)

abgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale I und II als periodische Rechtecksignale einer logischen Schaltung zugeführt werden, in der die Bewegungsrichtung ausgewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auszählen von Impulsen eine Wegmessung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrix (3) von Wandlern vorgesehen ist, und dass Signale zur Erfassung der Grosse und Richtung von zwei Bewegungskomponenten vorgesehen sind (Figur 8).

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe von Photodioden (3a) oder eine Matrix von Photodioden (3) als Wandler vorgesehen ist, wobei die Photodioden (A-D) entsprechender Stellung in jeder Gruppe parallelgeschaltet sind.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Schaltung (Figur 5) zur Bildung von Signalen

I = (A+B) - (C+D) und

II = (B+C) - (D+A)

aus den Signalen der Photodioden A bis D, und durch eine logische Schaltung (Figur 6) zur Bildung richtungsanzeigender Signale ( + ,-) aus den phasenverschobenen Signalen I und II.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einer Matrix von Photodioden (3), dadurch gekennzeichnet, dass in entsprechenden Zeilen jeder Gruppe angeordnete Photodioden (11,12,13,14,....41,42,43,44) beziehungsweise in entsprechenden Kolonnen angeordnete Photodioden (11,21,31,41,....14,24,34,44) je miteinander verbunden sind, wobei die Ausgangssignale aus Zeilen von Photodioden zur Erfassung der Bewegung in einer Koordinatenrichtung und die Ausgangssignale aus Kolonnen von Photodioden zur Erfassung der Bewegung in der anderen Koordinatenrichtung dienen.