DE3606399A1 - Messvorrichtung zur lagebestimmung eines objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Lagebestimmung eines Objektes.

Derartige Meßvorrichtungen werden beispielsweise in der Raumfahrt benötigt, wenn es etwa darauf ankommt, einen Raumflugkörper einem anderen zu Ankoppelungszwecken anzunähern, wobei die Ankoppelung nur in einer genau vorherbestimmten gegenseitigen Lage möglich ist. Hierzu muß von dem sich annähernden Raumflugkörper her die relative Lage des anderen bestimmt werden, damit vor dem Ankoppelungsmanöver eventuell erforderliche Lagekorrekturen herbeigeführt werden können. Als Abweichungen von der gewünschten Referenzlage können Drehungen sowie Kippungen gegenüber der Verbindungslinie zwischen den beiden Körpern auftreten.

Das Problem der genauen Lagebestimmung eines Objektes tritt jedoch nicht nur in der Raumfahrt auf, sondern beispielsweise auch bei automatisierten Handhabungssystemen, bei denen sich gewisse Teile des Systems gewissen anderen Teilen immer erneut in einer bestimmten Orientierung zu nähern haben.

Insbesondere bei einem sich relativ zur Meßvorrichtung bewegenden Objekt ist oft verlangt, daß die Lagebestimmung mit hoher Ortsauflösung sowie großer Meßgeschwindigkeit durchführbar ist. Diese Aufgabenstellung in bezug auf eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art soll durch die Erfindung gelöst werden.

Dies geschieht dadurch, daß die Meßvorrichtung folgende Komponenten enthält: Mehrere, am Objekt angebrachte, mit je unterschiedlichen Kodierfrequenzen intensitätsmodulierte Lichtquellen, eine das Objekt mit den Lichtquellen auf einen positionsempfindlichen Detektor abbildende Optik sowie eine aus den Ausgangssignalen des positionsempfindlichen Detektors unter Anwendung eines Frequenzmultiplexverfahrens die Bildkoordinaten der Lichtquellen gleichzeitig berechnende Auswertevorrichtung.

Wesentlich für die Erfindung ist die Verwendung eines sogenannten positionsempfindlichen Detektors, der eine hohe Ortsauflösung garantiert. Die hohe Meßgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, daß die am Objekt angebrachten Lichtquellen mit unterschiedlichen Kodierfrequenzen intensitätsmoduliert werden und detektorseitig zur Auswertung ein Frequenzmultiplexverfahren zur Anwendung kommt. Hierdurch können die Positionen sämtlicher Lichtquellen gleichzeitig bestimmt werden.

Ein positionsempfindlicher Detektor ist eine relativ großflächige Halbleiterdiode, welche senkrecht zu ihren Oberflächen durch entsprechende Dotierung eine pin-Struktur aufweist, wobei die p- und n-Schichten als dünne Oberflächenschichten mit sehr konstantem elektrischem Flächenwiderstand ausgebildet sind. Auf diesen Oberflächenschichten sind jeweils an den Rändern Paare ineinander gegenüberliegender Elektroden aufgebracht, welche vorzugsweise die Form gerader Streifen aufweisen. Beispielsweise kann ein derartiges Elektrodenpaar auf der n-leitenden Oberseite und ein anderes auf der p-leitenden Unterseite der Diode aufgebracht sein, jedoch können auch zwei Elektrodenpaare auf lediglich einer der Oberflächen vorhanden sein.

Für eine zweidimensionale Koordinatenbestimmung müssen die beiden Elektrodenpaare jeweils senkrecht zueinander orientiert sein. Wird ein derartiger positionsempfindlicher Detektor an einem beliebigen, zwischen den senkrecht zueinander orientierten Elektrodenpaaren befindlichen Punkt seiner Oberfläche belichtet, so entstehen an dieser Stelle Ladungsträger, welche zu den Elektroden hin abfließen, wobei vorausgesetzt ist, daß zwischen den Elektrodenpaaren eine konstante Gleichspannung in Sperrichtung anliegt. Die unter der Einwirkung dieser Spannung an die einzelnen Elektroden eines Paares abfließenden Stromanteile sind den jeweils zwischen dem belichteten Punkt und den beiden Elektroden liegenden Flächenwiderständen umgekehrt proportional. Diese Flächenwiderstände wiederum sind den jeweiligen Abständen des belichteten Punktes von den Elektroden direkt proportional. Auf diese Weise können durch Messung der Teilströme, die von zwei sekrecht zueinander orientierten Elektrodenpaaren abgeführt werden, die Koordinaten eines belichteten Punktes exakt bestimmt werden. Von besonderem Vorteil hierbei ist, daß bei der Messung das Zentrum eines Lichtfleckes bestimmt wird. Daher ist es nicht erforderlich, eine etwa punktförmige Lichtquelle mit Hilfe einer Optik völlig scharf auf den in ihrer Bildebene befindlichen positionsempfindlichen Detektor abzubilden, die Postitionsmessung ist also auch bei nicht genauer Scharfstellung präzise.

Neben der Verwendung eines positionsempfindlichen Detektors ist für die Erfindung wesentlich, daß an dem Objekt, dessen Lage zu bestimmen ist, mit Abstand zueinander mehrere Lichtquellen, vorzugsweise Leuchtdioden (LEDs), angebracht sind, welche mit jeweils unterschiedlichen Kodierfrequenzen intensitätsmoduliert sind. Die derart betriebenen Leuchtquellen werden durch eine Optik auf den in ihrer Bildebene angeordneten, positionsempfindlichen Detektor ausgebildet. Dort entstehen demnach ebenfalls frequenzmodulierte Teilströme, aus welchen in einer nachgeordneten Auswertevorrichtung rechnerisch die entsprechenden Bildkoordinaten der Lichtquellen berechnet werden. Die frequenzkodierte Intensitätsmodulation der Lichtquellen findet ihre Entsprechung in der Anwendung eines Frequenzmultiplexverfahrens, welches auf die angewandten Kodierfrequenzen abgestimmt ist. Auf derartige Weise ist es möglich, die Ortskoordinaten der Lichtquellen-Bildpunkte gleichzeitig zu bestimmen, woraus dann die relative Lage des Objektes in bezug auf die die Optik sowie den Detektor enthaltende Kamera folgt, da die Anordnung der Lichtquellen auf dem Objekt bekannt ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

Fig. 1 einen positionsempfindlichen Detektor im Querschnitt sowie in Draufsicht mit elektrischer Verschaltung,

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1a zeigt einen positionsempfindlichen Detektor (PSD = position sensitive detector) 5 im Querschnitt (entlang der Linie A-A der Fig. 1b). Der positionsempfindliche Detektor 5 hat die Struktur einer Diode, und zwar dadurch, daß in einem zunächst intrinsischen Halbleiterkörper in Form einer dünnen Scheibe die oberen und unteren Oberflächenschichten jeweils gegensätzlich dotiert sind. So entsteht etwa die dargestellte p⁺in⁺-Struktur. Das intrinsische Halbleitermaterial kann beispielsweise Silizium oder ein anderes üblicherweise zur Herstellung von Halbleiterdioden verwendetes Material sein. Gemäß Fig. 1a und 1b sind auf der dem Lichteinfall zugekehrten Oberseite des Detektors 5 zwei ein Elektrodenpaar bildende, streifenförmige Elektroden 8 aufgebracht. Auf der Unterseite des Detektors 5 sind zwei weitere, ebenfalls ein Elektrodenpaar bildende, streifenförmige Elektroden 9 aufgebracht, und zwar hinsichtlich ihrer Orientierung senkrecht zu dem Elektrodenpaar 8. Beide Elektrodenpaare 8 und 9 sind jeweils an den Rändern der Oberflächenschichten angeordnet. Die p⁺- sowie n⁺-leitenden Oberflächenschichten haben einen sehr gleichmäßigen elektrischen Flächenwiderstand. An der durch die p⁺in⁺-Struktur gegebenen Diode ist in Sperrichtung eine konstante Gleichspannung U ₀ angelegt. Fällt kein Licht auf den Detektor 5, so fließen nur vernachlässigbare Dunkelströme. Fällt an einem Punkt P der Oberfläche des Detektors 5 Licht ein, so wird dieses unterhalb des Punktes P in der i-Schicht absorbiert, und es werden dort elektrische Ladungen freigesetzt (Elektronen-Loch-Paare). Diese werden dann von der angelegten Gleichspannung U ₀ zu den Elektroden 8, 9 hin abgesaugt. Dabei ergibt sich eine Stromverteilung auf die Elektroden, welche von der Lage des Punktes P (x, y) in dem durch die streifenförmigen Elektroden 8, 9 gegebenen kartesischen Koordinatensystem (x, y) abhängt, wobei der Nullpunkt dieses Koordinatensystems links unten in dem Elektrodenviereck der Fig. 1b liegt und die Koordinaten x, y Werte zwischen Null und 1 annehmen können. Die vom Punkt P (x, y) über die beiden Elektroden 8 abfließenden Teilströme I′ _x sowie I′ _x sind zu den zwischen diesem Punkt P und den Elektroden 8 liegenden Flächenteilwiderständen Rx sowie R(1-x) umgekehrt proportional. Dabei ergibt sich rechnerisch folgendes für die Teilströme I′ _x und I″ _x , wobei R der zwischen den beiden Elektroden des Elektrodenpaares 8 liegende Flächenwiderstand bedeutet:

Entsprechendes gilt für die Teilströme I′ _y sowie I″ _y . Durch Summen-, Differenz- sowie Quotientenbildung aus den gemessenen Teilströmen lassen sich dann leicht die folgenden Ausdrücke bilden: wobei zwischen den Quotienten S _x , S _y sowie den Koordinaten x und y folgender Zusammenhang besteht:

S _x = 2x-1   S _y = 2y-1

Hieraus sind schließlich auf einfache Weise die Koordinaten x und y berechenbar.

Die Fig. 1c stellt eine Art Ersatzschaltbild für den positionsempfindlichen Detektor 5 dar. Die angelegte Gleichspannung U ₀ liegt zunächst an den in Fig. 1c durch jeweils gemeinsame Verbindungspunkte symbolisierten Elektrodenpaaren 9 und 8 an. Zwischen dem Elektrodenpaar 9 auf der Unterseite des Detektors 5 und dem unterhalb des Punktes P gelegenen Punkt der n⁺-Schicht liegen parallel die beiden Flächenteilwiderstände Ry sowie R(1-y). Danach folgt ein Innenwiderstand R _i , welcher den Querwiderstand der i-Schicht im Bereich des Punktes P angibt. Der Stromkreis schließt sich über die Flächenteilwiderstände Rx sowie R(1-x) in Parallelschaltung sowie das auf der Oberseite des Detektors 5 angebrachte Elektrodenpaar 8. Der Gesamtstrom I, welcher über den Innenwiderstand R _i fließt, teilt sich auf der Unter- bzw. Oberseite des Detektors 5 in die jeweiligen Teilströme I′ _y , I″ _y sowie I′ _x und I″ _x auf.

Mit einem positionsempfindlichen Detektor, von dem in der Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel gegeben ist, sind die Koordinaten nicht nur eines, sondern auch mehrerer belichteter Punkte dann gleichzeitig meßbar, wenn die Belichtung jeweils intensitätsmoduliert mit unterschiedlicher Frequenzkodierung vorgenommen wird. Dann ergeben sich mit den entsprechenden Frequenzen pulsierende Gleichströme, die sich zunächst an den Elektroden überlagern und anschließend durch Anwendung eines Frequenzmultiplexverfahrens wieder voneinander getrennt werden müssen. Dies geschieht beispielsweise auf die in der Fig. 2 dargestellte Weise.

In Fig. 2 sind ein Objekt 1, dessen Lage zu bestimmen ist, eine Kamera 17 mit einer Optik 6 sowie einem positionsempfindlichen Detektor 5 in dessen Bildebene und schließlich eine Auswertevorrichtung 7 dargestellt. An der Außenfläche des Objektes 1 sind beispielsweise drei Lichtquellen 2, 3 und 4, etwa Leuchtdioden, angebracht, und zwar in einer von der Oberflächengestalt des Objektes 1 abhängigen Weise. Die Leuchtquellen 2, 3 und 4 werden in ihrer Intensität mit drei verschiedenen Frequenzen f ₁, f ₂ und f ₃ moduliert, und zwar mit Hilfe eines Modulators 18, welcher im Objekt 1 vorhanden sein kann. Die Lichtquellen 2, 3 und 4 werden von der Optik 6 der Kamera 17 auf die Oberfläche des positionsempfindlichen Detektors 5 abgebildet, wobei Bildpunkte P ₁, P ₂ sowie P ₃ entstehen. Nicht dargestellt in Fig. 2 sind die Gleichstromquelle U ₀ für den Detektor 5 sowie Meßvorrichtungen für die Teilströme I′ _x , I″ _x , I′ _y sowie I″ _y (siehe Fig. 1). Die entsprechenden Meßsignale, bei denen es sich um überlagerte pulsierende Gleichströme handelt, werden einer Auswertevorrichtung 7 zugeführt, welche unter Anwendung eines Frequenzmultiplexverfahrens die Bildkoordinaten x ₁, y ₁ und x ₂, y ₂ sowie x ₃, y ₃ der Bildpunkte P ₁, P ₂ sowie P ₃ der Lichtquellen 2, 3 und 4 berechnet.

Die Auswertevorrichtung 7 kann aus einem Summierglied 10, frequenzselektiven Filtern 11, 12 und 13 sowie Recheneinheiten 14, 15 und 16 bestehen. Im Summierglied 10 werden die Summen und Differenzen der vier Teilströme gebildet. Diese werden anschließend gleichzeitig drei frequenzselektiven Filtern 11, 12 und 13 zugeführt, welche auf die Modulationsfrequenzen f ₁, f ₂ sowie f ₃ schmalbandig abgestimmt sind. An den Ausgängen dieser frequenzselektiven Filter stehen dann gleichzeitig die Summen und Differenzen der auf die einzelnen Bildpunkte P ₁, P ₂ sowie P ₃ bezogenen Teilströme an. Schließlich werden in den Recheneinheiten 14, 15 und 16 aus diesen Summen und Differenzen die Quotienten S _x1, S _y1 usw. gebildet, aus denen wie oben erwähnt auf einfache Weise die Koordinaten x ₁, y ₁ usw. der Bildpunkte berechnet und ausgegeben werden können. Im Anschluß hieran besteht die Möglichkeit, die Bildpunkte auf einem Monitor sichtbar zu machen, auf einem Plotter darzustellen oder abzuspeichern.

Selbstverständlich ist die Meßvorrichtung nicht auf die Verwendung nur dreier Lichtquellen beschränkt, sondern vielmehr wird sich die Anzahl der Lichtquellen danach richten, wie kompliziert die Oberflächengestalt des Objektes 1 ist. Nach der Anzahl der Lichtquellen wird sich auch die Anzahl der zu verwendenden frequenzselektiven Filter sowie der weiteren Recheneinheiten richten. Selbstverständlich können die frequenzselektiven Filter sowie die Recheneinheiten jeweils auch in einem einzigen Multiplexer bzw. einer einzigen Recheneinheit zusammengefaßt sein.

Eine Variante der geschilderten Meßvorrichtung besteht noch darin, daß keine selbständig lichtaussendenden Lichtquellen verwendet werden, sondern das Objekt an mehreren Stellen punktförmig beleuchtet wird, beispielsweise mit Laserlicht, wobei diese Beleuchtung mit je unterschiedlichen Kodierfrequenzen intensitätsmoduliert zu erfolgen hat. Anstelle der aktiven Lichtquellen werden dann durch die Optik 6 die intensitätsmoduliert und frequenzkodiert reflektierenden Lichtflecke auf der Objektoberfläche auf den positionsempfindlichen Detektor abgebildet. Alles Weitere geschieht dann wie oben beschrieben.

Die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich durch hohe Präzision sowie gleichzeitige eindeutige Identifizierung mehrerer Leuchtquellen aus. Deren Signale durchlaufen weitgehend ein und dieselben Signalverarbeitungskomponenten. Drifteffekte wirken sich somit nicht als relative Fehler der Koordinatenwerte einzelner Leuchtquellen zueinander aus. Die rauschäquivalente Bandbreite der Demodulation (Frequenzmultiplexverfahren) kann entsprechend der erforderlichen Meßgeschwindigkeit sehr klein gewählt werden. Damit wird ein entsprechend großer Signal-Rauschabstand erreicht, der direkt die Auflösung der Meßvorrichtung bestimmt. Durch geeignete Demodulation werden Störquellen vollständig unterdrückt. Sie nehmen also keinen Einfluß auf die Auflösung bzw. die Meßgenauigkeit des Verfahrens.

Zur frequenzkodierten Intensitätsmodulation können beispielsweise Rechteckimpulse mit den Impulsfrequenzen 1000, 1700 sowie 2400 Hz verwendet werden. Die erzielbare Auflösung des Detektors liegt bei 0,01 µm. Störquellen mit der tausendfachen Intensität der Leuchtquellen lassen keine meßtechnisch nachweisbare Beeinflussung der Koordinatenmessung erkennen. Die Detektorflächen liegen in der Größenordnung von ca. 100 qmm. Die Meßvorrichtung wurde für Entfernungsbereiche zwischen 20 cm und 200 m erprobt.

Claims (4)

1. Meßvorrichtung zur Lagebestimmung eines Objektes, gekennzeichnet durch mehrere, am Objekt (1) angebrachte, mit je unterschiedlichen Kodierfrequenzen intensitätsmodulierte Lichtquellen (2, 3, 4), eine das Objekt (1) mit den Lichtquellen (2, 3, 4) auf einen positonsempfindlichen Detektor (5) abbildende Optik (6) sowie eine aus den Ausgangssignalen des positionsempfindlichen Detektors (5) unter Anwendung eines Frequenzmultiplexverfahrens die Bildkoordinaten der Lichtquellen (2, 3, 4) gleichzeitig berechnende Auswertevorrichtung (7).

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein positionsempfindlicher Detektor (5) mit zwei senkrecht zueinander orientierten, die Koordinatenrichtungen (x, y) definierenden Elektrodenpaaren (8, 9) verwendet wird und die Auswertevorrichtung (7) eingangsseitig ein jeweils die Summe und die Differenz aus den beiden Ausgangssignalen jeder der beiden Elektrodenpaare bildendes Summierglied (10) enthält.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere dem Summierglied (10) parallel nachgeschaltete, jeweils auf eine der Kodierfrequenzen abgestimmte, frequenzselektive Filter (11, 12, 13).

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den frequenzselektiven Filtern (11, 12, 13) nachgeschaltete, aus den selektierten Summen- und Differenzsignalen die Bildkoordinaten der Lichtquellen (2, 3, 4) berechnende Recheneinheiten (14, 15, 16).