DE3424806A1

DE3424806A1 - Messeinrichtung zum erfassen einer relativposition zwischen zwei teilen

Info

Publication number: DE3424806A1
Application number: DE19843424806
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Widnau Braunecker; Bernhard Dr. Balgach Gächter; Fritz Dr. Balgach Müller
Original assignee: Wild Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1984-07-05
Publication date: 1985-08-01
Also published as: US4715714A; CH676043A5; DE3424806C2

Description

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BESCHREIBUNG

MESSEINRICHTUNG ZUM ERFASSEN EINER RELATIVPOSITION ZWISCHEN ZWEI TEILEN

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung geraäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Auf verschiedenen Gebieten der Technik besteht ein Bedarf an einer berührungslosen Erfassung von Relativpositionen zweier relativ zueinander beweglicher Teile. Dies können Teile von Präzisionsmaschinen sein, deren Positionen mit hoher Genauigkeit erfasst werden sollen, oder Geräteskalen, beispielsweise an optischen Instrumenten. So wird z.B. bei bisher gebräuchlichen Nivellierinstrumenten durch ein mit dem Instrument verbundenes Fernrohr auf einer entfernt aufgestellten Nivellierlatte eine darauf angebrachte Höhenskala abgelesen. Das Ablesen der entfernten Ilöhenskala durch das Fernrohr erfordert eine relativ hohe Konzentration des Beobachters. Deswegen treten mit dieser Methode immer wieder Ablesefehler, insbesondere grobe Fehler durch ungeübte Beobachter auf.

Es wurde bereits versucht, die hohe Fehleranfälligkeit bekannter Nivelliereinrichtungen auf verschiedene Arten zu beheben. So wurde gemäss der japanischen Publikation JA-57749-81 vorgeschlagen, die Nivellierlatte mit codierten Lichtquellen entsprechend der Höhenskala zu versehen. Das Ablesen'dieser Latte soll mit Hilfe eines darauf angepassten Empfängers erfolgen. Die Nivellierlatte ist jedoch sehr auf-

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wendig und für den rauhen Betrieb im freien Gelände oder auf Baustellen nur wenig geeignet. Ausserdem weist diese Nivellierlatte einen erheblichen Energieverbrauch auf, der sich ebenfalls störend auswirkt. Gemäss einem anderen Vorschlag (Austral. Provisional Patent No. 2542/77) ist die Nivellierlatte mit Kombinationen von schwarz-weissen Längsstreifen und Dreiecken versehen. Durch Abtasten dieser Markierungen quer zur Latte wird bei geeigneter Wahl des Codes aus der abgetasteten Impulslänge auf die gemessene Höhe geschlossen. Bei dieser Anordnung wirkt sich die geringe Messgenauigkeit sowie die geringe Empfindlichkeit beim Ablesen über grösserere Distanzen nachteilig aus.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst allgemein verwendbare Messeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Art zu schaffen, welche Ablesefehler ausschaltet, eine hohe Zuverlässigkeit auch in rauhem Betrieb besitzt und ausserdem eine hohe Messgenaugkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen definierte Erfindung gelöst.

Durch die erfindungsgemässe Massnahme ist ein automatisches Ablesen der Position bei sehr hoher Messgenauigkeit möglich. Das Messergebnis lässt sich digital anzeigen und kann bei Bedarf direkt auf einem Datenträger gespeichert und/oder in einem Rechner weiter verarbeitet werden. Insbesondere ist das Ablesen einer Skala auch dann möglich, wenn die Skala nicht mehr in die optische Achse eines Beobachtungsfernrohrs ragt. Zusätzlich kann durch die Ablesung eine Distanzinformation erhalten werden. Bei Anwendung auf Nivelliergeräte erfolgt durch das Einbeziehen der gesamten sich im Bildfeld befindlichen Information der Messlatte in den Mess- und Auswertprozess die Bestimmung von Nivellierhöhe und Entfernung auch bei einem starken Anteil von Rausch- und Störsignalen mit höherer Genauigkeit als mit bekannten Verfahren.

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ΐ πι folgenden wird die Kr ί inching anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, insbesondere bei Verwendung an einer Nivelliereinrichtung mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Nivelliergerät mit entfernt angeordneter Messlatte sowie einen Ausschnitt aus einem längs der Latte angebrachten Strich-Code,

Fig. 2 einen Schnitt durch das verwendete Nivelliergerät,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer an das Nivelliergerät ange schlossenen Auswert- und Anzeigeeinrichtung, und

Fig. 4 Signalbilder A, B und C zur Erläuterung der Arbeitsweise.

Die als Beispiel zur Erläuterung der Erfindung beschriebene Nivelliereinrichtung gemäss Fig. 1 umfasst ein Nivelliergerät 1 sowie eine in einer Entfernung Z aufgestellte Nivellierlatte 2. Auf der Nivellierlatte ist gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in Längsrichtung ein quer verlaufender Strich-Code 3 aufgebracht.

Zum Ablesen der Nivellierlatte dient das Nivelliergerät 1, welches gemäss Fig. 2 ein Objektiv 4, eine Fokussierlinse 5 mit zugehörigem Fokussiertrieb 6, einen Strahlteiler 7, eine Strichplatte 8 sowie ein Okular 9 enthält. Im Bereich der durch den Strahlteiler 7 aus dem Haupt-Strahlengang abgelenkten Strahlen befindet sich zusätzlich eine Detektorgruppe Die Detektorgruppe dient zur Abtastung von Bildelementen quer zur optischen Achse. Die Anordnung ist derart gewählt, dass die durch das Objektiv 4 einfallenden Code-Elemente der Nivellierlatte 2 in die Ebene der Detektorgruppe 10 abgebildet werden. Der Detektorgruppe ist eine Signalverarbeitungsein-

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richtung 11 nachgeschaltet, die in Fig. 3 im einzelnen dargestellt ist.

In der Signalverarbeitungseinrichtung 11 werden die Signale der zu Detektorgruppe 10 gehörenden Detektoren Qi über einen Verstärker 12, einen Abtastspeicher (Sample & Hold) 13 und einen Analog/Digital-Wandler 14 einem Rechner 15 zugeführt. Auf der Ausgangsseite des Rechners ist eine Anzeigevorrichtung 16 zur Darstellung des Messergebnisses angeschlossen.

Am Fokussiertrieb 6 des Nivelliergerätes ist ein Positionsgeber 17 angeschlossen, beispielsweise ein Weggeber oder ein mit dem Drehknopf gekoppelter Winkelgeber. Mit dieser Einrichtung wird die jeweilige Position des Fokussiertriebs bei Scharfstellung auf die Nivellierlatte erfasst. Das Ausgangssignal des Positionsgebers 17 wird dem Rechner 15 als weiteres Eingangssignal zugeführt.

An den Rechner 15 ist ein Festwertspeicher 18 angeschlossen, in welchem ein Referenzcode abgespeichert ist, der z.B. dem Strich-Code auf der Nivellierlatte entspricht.

Der Rechner ermittelt auf die im folgenden näher beschriebene Weise durch Vergleich des von der Detektorengruppe 10 aufgenommenen Code-Bildes mit dem im Rechner abgespeicherten Referenzcode die Lage des Code-Bildes auf der Messlatte und damit die Nivellierhöhe.

Der eigentliche Nivelliervorgang besteht darin, dass mit dem Fernrohr des Nivelliergerätes 1 die Nivellierlatte 2 angezielt und mit dem Fokussiertrieb 6 scharfgestellt wird. Aus der vom Positionsgeber 17 gelieferten Fernrohr-Fokussierstellung des Nivelliergerätes 1 ermittelt der Rechner zunächst den Abstand Z zwischen dem Nivelliergerät 1 und der Nivellierlatte 2. Dazu sind im Festwertspeicher 18 entsprechende Eichwerte für die Distanz Z in Abhängigkeit von den

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Werten für die Fokussierstellung abgespeichert.

Aus der gegebenen Brennweite f des Fernrohrobjektivs, die vorzugsweise ebenfalls im Festwertspeicher 18 abgespeichert ist, und dem zuvor ermittelten Abstand Z zwischen dem Nivelliergerät 1 und der Nivellierlatte 2 wird vom Rechner der Abbildungsmassstab m errechnet, gemäss der Beziehung

m = - f / Z.

Mit diesem Abbildungsmassstab m wird die Nivellierlatte 2 auf die Detektorgruppe 10 abgebildet.

Anhand der Fig. 4A - 4C wird im folgenden die Funktionsweise der Signal Verarbeitungseinrichtung 11 für das gewählte Beispiel erläutert. Fig. 4A zeigt das Signal für den aus dem Festwertspeicher 18 ausgelesenen Referenzcode R(r;m,/i), wobei dieses Signal zum besseren Verständnis in der Ebene der Detektorgruppe 10 und in Abhängigkeit von der Position r der einzelnen Detektoren in dieser Ebene dargestellt ist. r bedeutet somit eine Variable, während der Abbildungsmassstab m als Parameter aufzufassen ist.A, ebenfalls ein Parameter, stellt die relative Position des Codeanfangs zum Anfang eines einzelnen Detektorelementes D gemäss Fig. 4B dar.

Die Wahl der Code-Darstellung bzw. der Detektoranordnung ist dabei derart getroffen, dass der Abstand Λ immer kleiner ist als der Detektorabstand h¹ zwischen zwei benachbarten Detektorelementen gemäss Fig. AB.

Fig. 4B zeigt nun in Abhängigkeit von der örtlichen Position r die Empfindlichkeitskurven D(r) der einzelnen Detektorelemente Di (r), für i = 1,2,...N.

Durch ein entsprechend gewähltes Steuerprogramm wird der Rechner 15 veranlasst, fortlaufend den jeweiligen Wert des

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Referenzcodes R(r;m,Ä) mit dem zugehörigen Wert der Detektorempfindlichkeitskurve D(r) gemäss den Fig. 4Λ und 4B zu multiplizieren und über die Position r zu integrieren. Als Ergebnis erhält man die in Fig. AC aufgetragenen Diskretisierungswerte Pl (ΐη,Δ):

Pl (m,A) = f R(r;m,A)«Dl (r)'dr 0^J

Anschliessend wird durch eine geeignete Rechnermanipulation die Empfindlichkeitskurve Dl (r) um den Detektorabstand h¹ verschoben, wieder mit R(r;m,4) multipliziert und integriert. Aus dieser Operation ergibt sich, ein zweiter Diskretisierungswert P2(m,Ä). Dieser Rechenvorgang wiederholt sich solange, bis der ganze Referenzcode abgedeckt ist. Das Ergebnis ist schematisch in Fig. 4C dargestellt.

Schliesslich ermittelt der Rechner 15 programmgesteuert die Kreuzkorrelation Kl(m,Ä) zwischen den in der Detektorgruppe 10 von den einzelnen Detektorelementen Qi gemessenen Intensitätswerten und den berechneten diskretisierten Referenzwerten Pi(m,/i), gemäss folgender Formel, worin N die Anzahl der verwendeten Detektorelemente bedeutet:

Aus den so berechneten Werten der Kreuzkorrelationsfunktion sucht der Rechner 15 anschliessend programmgesteuert die Verschiebung 1 mit dem grössten Wert der zuvor ermittelten Kreuzkorrelation. Daraufhin werden die Parameter m und Λ variiert und durch bekannte Methoden der numerischen Mathematik der maximale Wert der Kreuzkorrelationsfunktion Kl(m,A) als Funktion von 1, m und Λ programmgesteuert bestimmt.

Aus den so berechneten Werten für l,m und Δ wird diejenige Wertegruppe mit der höchsten Korrelation ausgewählt und aus

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don entsprechenden Parametern die Ableseposition, im vorliegenden Beispiel also die Nivellierhöhe, berechnet.

Für die zu Beginn vorgenommene Bestimmung der Distanz Z zwischen dem Nivelliergerät 1 und der Nivellierlatte 2 ergibt sich eine Genauigkeitsabschätzung A Z / Z nach folgender Ueberlegung:

Δ Z / Z = OPD· 8 · Z / D^Z ,

wobei D die Apertur des Fernrohrobjektivs im Nivelliergerät

ist und OPD die optische Phasendifferenz. Wird für OPD ein

Wert 0PD_^A/2. und D = 40 mm angenommen, so wird die relative

Distanzgenauigkeit 4 Z / Z besser als j+14 % für Z = 100 m und besser als 4^0,7 % für Z = 5 m.

Damit sich ein Strichcode 3 für die beschriebene Anwendung und Verarbeitung eignet, muss er die folgenden Bedingungen erfüllen.

Da der Abbildungsmasstab der Nivellierlatte 2 auf die Ebene der Detektorgruppe mit dem Abstand Z zwischen dem Nivelliergerät 1 und der Nivellierlatte 2 variiert, unterliegt der Abbildungmasstab m starken Veränderungen. Beispielsweise erfolgt bei Veränderung der Distanz Z von 1,5 m auf 100 m eine Aenderung des Abbildungsmassstabes um den Faktor 66,6.

Da die einzelnen Elemente Qi der Detektorgruppe 10 einen endlichen Abstand voneinander haben, muss die Projektion eines Codeelementes auf ein Detektorelement grosser sein als der gegenseitige Abstand h¹ der Detektorelemente untereinander, damit die Detektorelemente den Code noch auflösen können. Nacli der aus der Nachrichtentechnik übernommenen Theorie von Nyquist sollte daher die Projektion eines Codeelementes G¹ mindestens ca. zweimal so gross sein wie der Abstand h' der Detektorelemente voneinander.

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Diese Bedingung legt die Grosso des zu wühlenden Rasters G des Codes für die Nivellierlatte 2 fest: G £_ 2 h ' m, wobei nun m der Abbildungsmassstab für die grösste Messdistanz Z der Nivellierlatte in die Ebene der Detektorgruppe 10 ist.

Für kurze Distanzen Z zwischen dem Nivelliergerät 1 und der Nivellierlatte 2 wäre bei beschränkter Anzahl der Detektorelemente das Gesichtsfeld so klein, dass sich nur wenige Rasterelemente G im Gesichtsfeld der Detektorgruppe 10 befinden wurden. Diese Anzahl Rasterelemente kann so klein sein, dass sie nicht zum eindeutigen Code-Aufbau und damit zur eindeutigen Ablesung des Codeträgers ausreicht. Um dieser Schwierigkeit auszuweichen, wird in solchen Fällen eine Optik mit veränderbarer Brennweite, wie ein Zoom oder Vergrösserungswechsler im Ablesegerät, im Beispiel also am Nivelliergerät 1 verwendet. Auch eine Vorrichtung zur Abtastung des Gesichtsfeldes (Scanner) ist für diesen Zweck geeignet.

Eine andere Lösung des genannten Problems besteht darin, die Rasterelemente des Codes, entweder die hellen oder die dunklen Teile oder beide, durch ein feineres Rastersystem zu unterteilen und damit einen weiteren Feincode zu bilden. Für grosse Distanzen Z wird dieser Feincode von der Detektorgruppe nicht aufgelöst, sondern wirkt wie ein Grauwert. Für kurze Distanzen Z hilft er, die Position bei beschränktem Gesichtsfeld auf der Detektorgruppe eindeutig zu bestimmen. Als Grobcode hat sich ein Code-Raster als zweckmässig erwiesen, welches für die grösste praktisch vorkommende Messdistanz Z ca. 1,5 mal der Bildgrösse des Strichabstandes auf dem Codeträger ist.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass der Codeträger eine beliebige, von einer Abtastvorrichtung erfassbare Form aufweisen kann, beispielsweise auch eine Kreisform. In diesem Fall lassen sich Winkelpositionen eines mit dem Codeträger verbundenen Bauteils mit hoher Genauigkeit automatisch ab-

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lesen. Dabei vereinfacht sich die notwendige Rechenoperation insofern, als der Abbildungsmassstab m als systembezogene feste Grosse betrachtet werden kann, sofern der Abstand zwischen Codeträger und Lesegerät fest eingestellt ist, was für die meisten derartigen Anwendungsfälle zweckmässig sein dürfte.

Anstelle der im bevorzugten Ausführungsbeispiel beschriebenen Kreuzkorrelation können die im Rechner vorgenommenen Vergleichsoperationen aus einer beliebigen integralen Vergleichsoperation bestehen. Dabei wird mindestens ein Grossteil, vorzugsweise die Mehrzahl derjenigen Detektorelemente, auf denen das Codemuster abgebildet ist, zum Vergleich mit dem Referenzcode herangezogen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1 Nivelliergerät

2 Nivellierlatte

3 Strichcode

4 Objektiv

5 Fokussierlinse

6 Fokussiertrieb

7 Strahlteiler

8 Strichplatte

9 Okular

10 Detektorgruppe

11 Signalverarbeitungseinrichtung

12 Verstärker

13 Abtastspeicher (Sample & Hold)

14 A/D Wandler

15 Rechner

16 Anzeigevorrichtung

17 Positionsgeber

18 Festwertspeicher

- Leerseite -

Claims

Wild Heerbrugg Aktiengesellschaft, Heerbrugg/Schweiz Meßeinrichtung zum Erfassen einer Relativposition zwischen zwei Teilen PATENTANSPRUECHE

1. Messeinrichtung zum Erfassen einer Relativposition zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil oder einem durch optische Abbildung erzeugten Bild eines zweiten Teils, wobei erstes und zweites Teil bzw. dessen Bild relativ zueinander verschiebbar oder verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil einen Code-Träger aufweist, welcher entlang einer Bahn angeordnet ist, dass der Code-Träger mit einem längs der Bahn verlaufenden eindimensionalen Codemuster versehen ist, dass das zweite Teil einen auf die Bahn des Code-Trägers ausgerichteten Code-Leser aufweist und dass dem Code-Leser ein Rechner nachgeordnet ist, welcher mit Mitteln zum Quantisieren der vom Code-Leser gelieferten Signale und zum Vergleichen mit dem gespeicherten Code-Muster des Code-Trägers sowie zum Errechnen der Relativposition aus dem Vergleichsergebnis versehen ist, wobei zur Auswertung mindestens ein Teil des Codemusters berücksichtigt ist.

2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel des Rechners (15) zum Quantisieren der Messwerte des Code-Lesers sowie zum integralen Vergleich zwischen den quantisierten Messwerten und einem abgespeicherten Referenzcode ausgebildet sind.

3. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel des Rechners (15) zum Kreuzkorrelationsvergleich zwischen den quantisierten Messwerten und dem Referenzcode ausgebildet sind.

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4. Messe inri ο lit ung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, (Ins;; (I er ■ Co do-Lt'K(>r e i nc in einer Bildebene angeordnete D e t e k t ο r g r u ρ ρ e (10) enthalt.

5. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Code-Leser mit Mitteln zum zeitlich gestaffelten Abtasten verbunden ist.

6. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel des Rechners (15) zur Modifikation des Referenzcodes mit den Empfindlichkeitswerten der Detektorgruppe (10) ausgebildet sind und dass ein Vergleicher zum Vergleich des sich aus dieser Operation ergebenden Signals mit dem Messsignal vorgesehen ist

7. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass programmierbare Rechnermittel zum Verschieben des Referenzcodes um Bruchteile (^ ) eines Detektorabstandes (h¹) vorgesehen sind

8. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Code-Leser ein Fernrohr enthält, welches mit einem Fokussiertrieb (6) versehen ist, und dass der Fokussiertrieb mit einem Positionsgeber (17) verbunden ist, dessen Ausgang mit einer den Rechner (15) einschliessenden Signalverarbeitungseinrichtung (11) in Verbindung steht.

9. Messeinrichtung nach Anspruch 1, für unterschiedliche Messdistanzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Codemuster mindestens aus einem Grobcode und mindestens aus einem Feincode besteht.

10. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Codemuster ausgewählt ist, welches nach Quantisierung die zur Decodierung erforderlichen quasi-stochastischen Eigenschaften beibehält.

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11. Verfahren zum Betrieb der Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbi1dungsmassstab (m)
des Referenzcodes aus einer Distanzbestimmung zwischen Codeträger und Code-Leser abgeleitet und in den Berechnungsvorgang einbezogen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, unter Verwendung einer Einrich tung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine programmgesteuerte Optimierungsrechnung der Maximalwert der Kreuzkorrelationsfunktion bestimmt wird, indem der Abbildungsmassstab (m) des Referenzcodes und seine relative Lage zu den Detektorelementen variiert wird.

13. Verfahren zum Betrieb der Messeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grobdistanzbestimmung
zwischen Codeträger und Codeleser zur Berechnung des Ausgangs-Abbildungsmassstabs (m) zur Generierung des Referenzcodes zur Optimierung verwendet wird.

14. Anwendung einer Messeinrichtung nach Anspruch 1 als
Nivellier, bestehend aus einem Nivelliergerät (1) als Codeleser und einer Nivellierlatte (2) als Codeträger.

15. Verwendung einer Messeinrichtung nach Anspruch 1 als
Distanzmesser.

16. Verwendung einer Messeinrichtung nach Anspruch 1 als
Neigungsmesser.