DE4018981A1 - Verfahren zur messung der position und der bewegung eines beweglichen ziels und system fuer dessen anwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Posi­ tion und der Bewegung eines beweglichen Ziels.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein System für dessen Anwendung.

Es sind bereits Verfahren zur Messung der Position und der Bewegung eines beweglichen Ziels bekannt, insbesondere jenes, das in dem Kamera­ system "RADAC" angewendet wird, welches von der ONERA (Bericht Nr. 1/614300 Januar 1986, B. LAMISARRE et al.) entwickelt wurde.

Diese Verfahren sind jedoch sehr kompliziert, da für ihre Anwendung eine sehr fortgeschrittene, und daher äußerst kostspielige Technologie not­ wendig ist, und erfordern für ihren Einsatz besonders qualifiziertes Personal. Es wären insbesondere die Verfahren der Laser-Interferenz- Entfernungsmessung oder der Messung der Flugzeit zu nennen. Die bei diesen Verfahren eingesetzten elektronischen Systeme erfordern die neuesten integrierten und hybriden Schaltkreise, um die Verarbeitung der oft sehr komplizierten Signale auszuführen.

Außerdem erfordern einige Verfahren eine Vorbereitung des Ziels, die häufig in einer lokalen Veränderung desselben besteht. Darüber hinaus gibt es z. Z. kein Verfahren, das sowohl die Messung sehr kleiner Bewe­ gungen (einige Millimeter), als auch großer Bewegungen (einige Meter) ermöglicht und gleichzeitig einen sehr großen Bereich der Bewegungs­ geschwindigkeit des Ziels zuläßt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile, indem ein Verfahren vorgeschlagen wird zur Messung der Position und der Bewegung eines beweglichen Ziels mit vorbestimmter geometrischer Form, welches eine rückstrahlende Außenseite aufweist und von einer Träger­ fläche getragen wird.

Nach der Erfindung umfaßt dieses Verfahren:

• - eine Stufe der Emission eines Lichtstrahls (20), der auf die Träger­ fläche (3) hin gerichtet ist, die wesentlich weniger stark reflektierend ist, als das Ziel (30), so daß die Projektion besagten Strahls auf die Trägerfläche normalerweise eine geschlossene periodische Bahn beschreibt, die das bewegliche Ziel (30) eng umgibt und einen sicht­ baren Fleck des besagten Strahls festlegt.
• - eine Stufe der Erfassung und Analyse eines durch das bewegliche Ziel im Fall eines Überschneidens mit dem sichtbaren Fleck reflektierten Strahls, welche zu einer Stufe zur Richtungssteuerung besagten Licht­ strahls (20) führt, so daß die in der vorhergehenden Erfassungsstufe eventuell festgestellte Überschneidung in Verbindung mit der vorge­ nannten Emissionsstufe annulliert wird.

Somit ist es möglich, dank der periodischen Umschreibung des beweglichen Ziels durch den Fleck eines Lichtstrahls, ohne Schwierigkeit jede rela­ tive Bewegung des Ziels, in dem Maße wie diese Bewegung eine Änderung der Intensität des reflektierten Strahls hervorruft, zu erfassen. So­ lange das bewegliche Ziel nämlich normal durch den einfallenden Lichtstrahl verfolgt wird, weist der durch die Trägerfläche reflektierte Lichtstrahl eine sehr geringe Lichtintensität auf. Sobald es zur Überschneidung kommt, nimmt diese Intensität zu, und zeigt dadurch eine relative Bewegung an. Die Analyse des reflektierten Strahls erlaubt außerdem die Erfassung der Bewegungsrichtung und die Bestimmung von Position und Geschwindigkeit des beweglichen Ziels. Der Einsatz der vorgenannten Stufen erfordert außerdem keine sehr weit fortgeschrittenen optischen und elektronischen Vorrichtungen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfaßt die Stufe der Aussendung eine Modulationsstufe der momentanen Richtung des Licht­ strahls, die um eine Hauptrichtung herum angeordnet ist, so daß auf der Trägerfläche die periodisch geschlossene Bahn beschrieben wird, wobei besagte Hauptrichtung in der Richtungssteuerungsstufe ermittelt wird.

Auf diese Art erhält man eine periodische Strahlbahn um das bewegliche Ziel herum, aufgrund einer Modulation der Richtung des einfallenden Strahls um die Hauptrichtung herum, welche im allgemeinen die momentane Richtung des Zentrums des beweglichen Ziels ist.

In derselben Ausführungsart kann man vorteilhaft vorsehen, daß die Stufe der Erfassung und Analyse einer Stufe zur Messung der Position des beweglichen Ziels (30), in einem ebenen Bezugssystem, das durch die aus der Erfassung und Analyse des reflektierten Strahls entstandenen Infor­ mationen vorbestimmt wird.

Jede Erfassung einer Überschneidung des einfallenden Strahls mit dem beweglichen Ziel führt zu einer Änderung der Steuerung der Hauptrichtung des einfallenden Strahls, so daß besagte Überschneidung annulliert wird. Diese Änderung ist einfach festzustellen und erlaubt die Ableitung der relativen Position des Ziels, gefolgt von der absoluten Position in einem vorbestimmten ebenen Bezugssystem.

In einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung werden in den jewei­ ligen Stufen der Aussendung, Erfassung und Analyse und Steuerung, die Projektion des Lichtstrahls und die Modulation seiner momentanen Rich­ tung durch Zerlegung in zwei orthogonale Achsen, waagerecht und senk­ recht verarbeitet, wobei diese Achsen zu dem vorbestimmten Bezugssystem gehören.

Somit ist es also ganz besonders einfach, einerseits eine Modulation der momentanen Richtung des einfallenden Strahls zu erhalten, und anderer­ seits die Analyse des reflektierten Strahls durchzuführen.

In dieser Ausführungsart hat das bewegliche Ziel vorzugsweise eine geo­ metrisch elliptische Form, vorzugsweise kreisförmig, und die entspre­ chende Modulation der Richtung des Lichtstrahls ist elliptisch, vorzugs­ weise kreisförmig.

Auf diese Weise kann man direkt sinusförmige Modulationssignale verwen­ den, die in zahlreichen elektronischen Schaltkreisen die Referenz Wellenform darstellen. Außerdem garantiert die Wahl eines kreisförmigen Ziels eine absolut isotrope Verarbeitung aller Bewegungen des beweg­ lichen Ziels, unabhängig vom Bewegungswinkel.

Nach einem anderen Aspekt des Systems, das das Verfahren nach der Erfindung anwendet, umfaßt dieses System zur Messung der Position und der Bewegung eines beweglichen Ziels mit vorbestimmter geometrischer Form, das eine rückstrahlende Außenfläche aufweist und durch eine Trägerfläche getragen wird:

• - Vorrichtungen zum Aussenden eines einfallenden Lichtstrahls, der auf die Trägerfläche gerichtet ist, die wesentlich weniger stark reflek­ tierend ist, als das Ziel, so daß die Projektion besagten Strahls auf die Trägerfläche normalerweise eine geschlossene periodische Bahn beschreibt, die das bewegliche Ziel eng umgibt und einen sichtbaren Fleck des besagten Strahls festlegt.
• - Vorrichtungen zur Erfassung und Analyse eines durch das bewegliche Ziel im Falle eines Überschneidens des beweglichen Ziels und des sichtbaren Flecks reflektierten Strahls, und
• - Vorrichtungen zur Nachführung der Richtung des einfallenden Licht­ strahls, so daß die eventuell festgestellte Überschneidung annulliert wird, wobei die besagten Vorrichtungen zur Nachführung zum einen mit den Vorrichtungen zur Erfassung und Analyse verbunden sind, um von jenen Informationen über Position und Bewegung des beweglichen Ziels zu erhalten, und zum anderen mit den Vorrichtungen zur Aussendung ver­ bunden sind, um Signale der Ablenkung des einfallenden Strahls an jene zu übermitteln.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfol­ genden Beschreibung ersichtlich. Zu den als nicht erschöpfende Beispiele beigefügten Figuren:

- Fig. 1 ist eine Gesamtansicht der in dem System nach der Erfindung an­ gewandten Vorrichtung.

- Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das Ziel.

- Fig. 3 stellt das elektrische Schaltschema der Steuer- und Verarbei­ tungskarte des Systems nach der Erfindung dar.

- Fig. 4 zeigt die Chronogramme der in dem System nach der Erfindung benutzten charakteristischen Signale, in Verbindung mit der relativen Position des Strahls und des reflektierenden Ziels.

Im folgenden wird eine Ausführungsart des Systems zur Messung der Posi­ tion und der Bewegung eines beweglichen Ziels und gleichzeitig das Ver­ fahren nach der Erfindung beschrieben, unter besonderem Bezug auf Fig. 1.

Das Meßsystem 1 enthält eine optische Sende/Empfangsvorrichtung 2, die einen einfallenden Strahl 20 in Richtung auf ein bewegliches Ziel 30 aussendet, das fest mit einer Trägerfläche 3 verbunden ist und des weiteren empfängt es von dieser Trägerfläche einen reflektierten Strahl. Die optische Vorrichtung 2 enthält einen Lasergenerator 4, z. B. einen Helium-Neon-Laser mit 10 mW, einen Strahlaufweiter 5, der zur Verbrei­ terung des Strahls am Laserausgang bis auf eine vorbestimmte Vergröße­ rung, z. B. 10fach beiträgt, und dessen Fokussierung so eingestellt wird, daß ein paralleler Strahl mit einem Durchmesser von ca. 15 mm erhalten wird. Dieser Strahl wird anschließend durch zwei Spiegel 6, 7 reflektiert, die in der optischen Vorrichtung 2 so angeordnet sind, daß der Strahl eine Rotation von 180 Grad erfährt, und somit die Realisie­ rung einer sehr kompakten Vorrichtung erlauben. Der so reflektierte Strahl tritt dann in einen akustisch optischen Deflektor 10 ein, der durch Serienschaltung von zwei Bragg-Zellen 13, 14 gebildet wird, die in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen montiert sind, und zwischen eine Fokussierungslinse 11 am Eingang des Deflektors 10 und, einer Auf­ nehmelinse 12, die im Zentrum des Deflektors 10 angeordnet ist, und einer Linse 15 für die Neuformung des Strahls am Ausgang so zwischenge­ schaltet sind, daß die beiden Zellen 13, 14 mit einem fokussierten Strahl arbeiten. Am Ausgang der optischen Vorrichtung 2 wird der durch die beiden Zellen 13, 14 gebeugte Strahl 20 um einen Winkel proportional zu den Spannungen Vx, Vy abgelenkt, die an die jeweilige Stromversorgung der Zellen 13, 14 gemäß den beiden orthogonalen Richtungen x und y angelegt sind.

Die Regelung der beiden Linsen an Ausgang und Eingang 15, 11 erlaubt die Neuformung eines quasi parallelen Strahls 20, der übrigens wieder durch ein angefügtes (nicht dargestelltes) afokales Linsensystem aufgegriffen werden kann, um die Winkelauslenkung des Gesamtsystems in Abhängigkeit von den Abmessungen des beobachteten Blickfeldes je nach Verwendung zu vergrößern oder zu verkleinern.

Der Empfangsteil der optischen Vorrichtung Sender/Empfänger 2 enthält ein photographisches Objektiv 32 mit einer Brennweite von z. B. 35 mm oder 50 mm, ein Interferenzfilter 33 der Wellenlänge λ=6328 Å und der Änderung Δλ=100 Å, welches die Dämpfung des Umgebungslichtes erlaubt, und einen Photomultiplier 34.

Darüber hinaus kann das bewegliche Ziel 30 kreisförmig sein, unter Bezug auf Fig. 2, und besteht aus einem reflektierenden Material vorzugsweise zurückstrahlend in Form eines Klebebandes oder eines Anstrichs. Dieses Ziel 30 ist fest mit der Trägerfläche 3 verbunden, die einen Reflexions­ faktor besitzen muß, der sehr viel niedriger als der des beweglichen Ziels 30 ist. Wie in der Folge noch genauer beschrieben und erläutert wird, sendet im normalen Verfolgungsbetrieb die optische Vorrichtung 2 einen Strahl 20 aus, der so gerichtet ist, daß seine Projektion 32 auf die Trägerfläche 3 eine periodische kreisförmige Bahn 31 beschreibt, die das bewegliche Ziel 30 umgibt.

Die optische Vorrichtung 2 wird gesteuert durch eine Steuer- und Verar­ beitungsvorrichtung 100, die schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Steuer- und Verarbeitungsvorrichtung 100 umfaßt eine Einheit für Erfassung und Vorverarbeitung 60, eine Einheit für die Erzeugung von Modulations- und Referenzsignalen 40, und eine Einheit zur Nachführung 80, welche die Erzeugung der Steuersignale der beiden Bragg- Zellen 13, 14 gewährleistet.

Als erstes soll nun die Einheit 40 zur Erzeugung von Modulationsigna­ len SIN X, SIN Y und Referenzsignalen SQ X, SQ Y beschrieben werden. Diese Einheit 40 enthält einen Kreis 41 zur Signalerzeugung, der zu ein Sinussignal SIN Y über einen Filterkondensator C6 und ein Dämpfungs- Potentiometer Py liefert, und zum anderen, synchron zu vorgenanntem Signal, ein Signal mit quadratischer Wellenform liefert. Die gemeinsame Frequenz dieser beiden Signale kann unter zwei vorbestimmten Werten, z. B. 10 kHz oder 100 kHz, je nach Jumper-Position J3, so daß zwei Schwingungskondensatoren C1, C2, die mit einem Relaxationswiderstand R41 zusammengeschaltet sind, entweder verbunden oder nicht verbunden sind. Das aus dem Sinus-Ausgang des Erzeugerkreises 41 kommende Signal wird außerdem auf den Eingang eines Phasenverschiebungskreises 50 gelenkt, der in Anwendung wohlbekannter Prinzipien, zwei Transistoren T1, T2, z. B. Transistoren BFW 10, enthält. Das Grid des ersten Transistors T1 ist über einen Widerstand R1 einerseits mit dem Mittenpunkt eines poten­ tiometrischen Teilers R1, R3 verbunden, der an die Gleichspannungsver­ sorgung +V der Steuer- und Verarbeitungseinheit 100 angeschlossen ist. Der Drain des Transistors T1 ist über einen Widerstand R2 mit dem Poten­ tial +V verbunden, wogegen seine Source über einen Widerstand R4 mit der Masse verbunden ist. Das Grid des zweiten Transistors T2 ist zum einen mit dem Drain des Transistors T1 verbunden über eine Einheit, die aus der Parallelschaltung eines ersten Kondensators C5 und eines zweiten Kondensators C4 gebildet wird, der mit einem Jumper J4 in Serie ge­ schaltet ist, und zum anderen mit der Source des besagten Transistors T1 über ein Phasenregelpotentiometer PΦ verbunden. Das Drain des Transistors T2 ist mit dem Potential +V verbunden, wogegen seine Source zum einen über einen Widerstand R5 mit der Masse verbunden ist, und zum anderen mit der Serienschaltung eines Filterkondensators C7 und eines Dämpfungspotentiometers Px verbunden ist, welches ein Modulationssignal SIN X liefert, das um einen Winkel Φ in bezug auf das Sinus­ signal SIN Y phasenverschoben ist, wobei der Winkel Φ im Bereich [0,π/2] durch Betätigung des Potentiometers PΦ variieren kann. Die Amplitude der beiden Sinussignale SIN X, SIN Y ist regelbar zwischen den Spitzenwerten 0 und 200 mV mittels der Dämpfungspotentiometer Px, Py.

Das aus dem Erzeugerkreis 41 kommende quadratische Signal auf die beiden Eingänge A, B von zwei ersten Monoflops 42, 44 gelegt, wobei der Eingang A einer Triggerung auf einer absteigenden Flanke entspricht. Diese beiden Monoflop-Kreise 42, 44 sind jeder mit einem Widerstand R6, R7 verbunden, die an das Potential +V und an einen Kondensator mit Zeit­ konstante Null angeschlossen sind, was zu einer sehr kurzen Impulsdauer (0,5 µm) führt. Die durch die beiden Monoflop-Kreise 42, 44 erzeugten Impulse werden danach auf die jeweilige Anode von zwei Dioden D1, D2 gelegt, deren Kathoden miteinander und über einen Widerstand R8 mit der Masse verbunden sind. Diese beiden Dioden D1, D2 in Verbindung mit dem Widerstand R8 erfüllen die Funktion eines logischen Oder-Gliedes und beliefern zwei weitere Monoflops 43, 45 mit einem Signal aus kurzen Im­ pulsen, deren Frequenz doppelt so hoch ist, wie die Ausgangsfrequenz des Erzeugerkreises 41.

Mit jedem dieser besagten Monoflops 43, 45 ist ein eigener Zeitschalt­ kreis verbunden (P1, J1, C8, C9); (P2, J2, C10, C14), der durch ein Potentiometer P1, P2, zwei Kondensatoren C8, C9; C10, C14 und einem Wahljumper J1 und J2 gebildet ist, und es erlaubt, eine Monoflop-Zeit τx, τy zu wählen.

Die jeweiligen invertierten Ausgänge von jedem dieser besagten zweiten Monoflops 43, 45 werden auf den Takteingang CK von zwei Flip-Flops 46, 47 gelegt, deren Eingänge D gemeinsam mit dem quadratischen Ausgang des Erzeugerkreises 41 verbunden sind. Diese beiden Flip-Flops 46, 47 bilden jedes ein quadratisches Signal SQ X, SQ Y mit der gleichen Frequenz wie der quadratische Ausgang des Erzeugerkreises 41, aber im Verhältnis zu diesem quadratischen Ausgang um jeweils den Winkel Rx, Ry verschoben, die den vorbestimmten Dauern τx, τy entsprechen. Darüber hinaus sind Jumper J5, J6 vorgesehen, um die phasenverschobenen quadratischen Si­ gnale entweder am Ausgang Q, oder am Ausgang der Flip-Flops 46, 47 aufzunehmen, je nachdem, ob die Phasenverschiebungen größer oder kleiner als eine Halbperiode sind.

Somit verfügt man am Ausgang der Erzeugereinheit 40 über folgende vier Signale:

• - ein Signal SIN Y, mit vorbestimmter Frequenz,
• - ein Signal SIN X, mit der gleichen Frequenz, aber phasenabstimmbar durch das Potentiometer PΦ;
• - ein quadratisches Signal SQ X;
• - ein quadratisches Signal SQ Y, beide unabhängig voneinander phasen­ regelbar von 0 bis 2π durch die Potentiometer P1, P2, die jeweils die Phasenverschiebung Rx, Ry festlegen.

Die Einheit zur Erfassung und Vorverarbeitung 60 enthält den Photomulti­ plier 34, dessen Kathode, belastet mit einem Widerstand von 1 kΩ (nicht dargestellt), mit dem Eingang eines Verstärkerkreises, der aus einem Operationsverstärker 61, wie z. B. Typ LF 356, besteht, über einen Fil­ terkondensator C20, der dazu dient, die kontinuierliche Lichtkomponente herauszufiltern, verbunden ist.

Der Plus-Eingang des Verstärkers 61 ist zum einen mit dem Filterkonden­ sator C20 und zum anderen mit der Masse verbunden über einen Wider­ stand R20 und außerdem mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 61 über ein Potentiometer P20, das es erlaubt, den Verstärkungsfaktor wie z. B. von 1 bis 20 anzupassen. Der Ausgang des Verstärkers 61 ist mit den Eingängen X0, Y0 eines analogen Schalters 63 verbunden, dessen beiden andere Eingänge X1, Y1 mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 62 verbunden sind, der als Invertierer mit Faktor 1 montiert ist, über ihre beiden gleichen Widerstände R22, R23, die zur Invertierung des Aus­ gangssignals des Verstärkers 61 bestimmt sind.

Der Ausgang Sx des analogen Schalters 63 wird durch das quadratische Signal SQ X gesteuert und der Ausgang Sy wird durch das quadratische Signal SQ Y gesteuert.

Man erhält somit am Ausgang des analogen Schalters 63:

Sx = X0: verstärktes Signal aus dem Photomultiplier 34 während der ver­ zögerten Halbperiode von Rx.
Sx = X1: verstärktes invertiertes Signal während der folgenden Halbperiode.
Sx = Y0: verstärktes Signal aus dem Photomultiplier 34 während der ver­ zögerten Halbperiode von Ry.
Sy = Y1: verstärktes invertiertes Signal während der folgenden Halbperiode.

Die Nachführungseinheit 80 besteht aus zwei Untereinheiten 80x, 80y, einem Anpassungskreis 82x, 82y, an dessen Eingang des Ausgangssignal des Intergrierkreises 81x, 81y mit dem Modulationssignal SIN X, SIN Y ge­ mischt wird und am Ausgang ein Steuersignal für die Bragg-Zellen CELL X, CELL Y geliefert wird, sowie einen Meßausgangskreis 83x, 83y, der ein Meßsignal MES X, MES Y liefert.

Der Integrierkreis 81x, 81y besteht aus einem Operationsverstärker, wie z. B. Typ LF 356, in Verbindung mit einem Verschiebungspotentiometer Pox, Poy, und seine positive Eingangsklemme ist mit dem Ausgang Sx des analogen Schalters 63 verbunden und mit der Masse über einen Widerstand R1x, R1y verbunden, wogegen seine negative Klemme einerseits mit der Masse über einen Widerstand R2y, R2y und des weiteren mit einer Zusatzvorrich­ tung zur Voreinstellung der Position verbunden ist.

Ein Kondensator C1x, C1y ist zwischen den Ausgang und die negative Ein­ gangsklemme des Operationsverstärkers geschaltet.

Die Zusatzvorrichtung zur Voreinstellung der Position enthält ein Poten­ tiometer P1x, P1y, das zwischen einem Punkt mit Potential +V und der Masse angeordnet ist, einen Schalter Ix, Iy und einen Wiederauflade- Widerstand R3x, R3y. Sie erlaubt die Einstellung der Ausgänge der Inte­ grierkreise 81x, 81y auf einen regelbaren Wert, entsprechend der Posi­ tion des einfallenden Strahls auf dem Ziel vor der Nachführung, durch Übergabe des korrekten Ausgangswerts an die Integrierkreise 81x, 81y.

Beim Anpassungskreis 82x, 82y ist außerdem seine positive Eingangs­ klemme an einen potentiometrischen Teiler R5x, R5y und an eine Leitung, die das Modulationssignal SIN X, SIN Y trägt, angeschlossen, wogegen seine negative Klemme einerseits mit dem Ausgang des Integrier­ kreises 81x, 81y über einen Widerstand R8x, R8y verbunden ist, und des weiteren mit einem Gegenreaktions-Widerstand R6x, R6y verbunden, der seinerseits mit dem Ausgang CELL X, CELL Y des Anpassungskreises 82x, 82y verbunden ist.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Systems zur Messung der Posi­ tion und der Bewegung eines beweglichen Ziels nach der Erfindung be­ schrieben unter Bezugnahme auf Fig. 4, in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3.

Im normalen Verfolgungsmodus und bei Nichtbewegung des beweglichen Ziels umgibt der sichtbare Fleck 31, der durch die Rotation des Licht­ strahls 20 um das bewegliche Ziel 30 herum gebildet wird, unter Bezug auf Fig. 1, und der kreisförmig ist, genau besagtes Ziel 30. Die Modula­ tion der momentanen Richtung des Strahls 20 wird erhalten durch zwei Signale mit horizontaler und vertikaler Modulation, SIN X, SIN Y, die jeweils zu den quadratischen Signalen SQ X, SQ Y gehören.

In der vorgenannten Situation (keine Bewegung) weist das vom Photomulti­ plier 34 gelieferte Signal eine Wellenform mit einer Amplitude von quasi Null, bzw. vernachlässigbarem Wert auf, da der einfallende Strahl 20 nicht die rückstrahlende Fläche des Ziels erreicht, oder da die be­ leuchtete Oberfläche des Ziels quasi konstant ist.

Dagegen erhält man im Falle einer relativen Bewegung des Ziels 30 im Verhältnis zu dem sichtbaren Fleck 31, wie z. B. , horizontal in X- Richtung nach links, am Ausgang des Photomultipliers eine Wellenform b, die einen erkennbaren Amplitudenbuckel während der positiven Halbperioden des Modulationssignals SIN X aufweist. Der momentane Fleck 32, be­ zugnehmend auf Fig. 2 befindet sich dann in Überschneidung mit dem rückstrahlenden Ziel während der positiven Halbperioden, dagegen befin­ det er sich während der negativen Halbperioden außerhalb des Ziels und entspricht daher nicht einem reflektierten Strahl hoher Intensität.

Dagegen findet im Falle einer relativen Bewegung des Ziels 30 horizontal nach rechts, , die Überschneidung des Flecks 32 mit dem Ziel 30 während der negativen Halbperioden des Modulationssignals SIN X statt und führt zu der Erfassung eines reflektierten Strahls mit signifikanter Intensität durch den Photomultiplier 34, und zur Aussendung eines Er­ fassungssignals der Wellenform C. Man stellt fest, daß es mit dem Ver­ fahren nach der Erfindung sehr einfach ist, die Bewegungsrichtung des beweglichen Ziels 30 zu erfassen.

Die Begründung für die horizontalen Bewegungen gilt auch für die verti­ kalen Bewegungen in Y-Richtung. Man erhält dann im Falle von Bewegungen des Ziels 30 jeweils nach oben Y↑ oder nach unten Y↓, mit den jeweiligen Wellenformen d, e.

In der Praxis sind die tatsächlichen Bewegungen des Ziels eine Kombina­ tion einer horizontalen Bewegung und einer vertikalen Bewegung. Somit führt die Bewegung des beweglichen Ziels nach oben und nach links, +Y↑ zu einem Ausgangssignal des Photomultipliers 34 mit der Wellen­ form f, einem einzigen Signal, das gleichzeitig die horizontale und die vertikale Information enthält und durch die beiden Untereinheiten zur Nachführung 80x, 80y analysiert und verarbeitet wird. Die horizontale Untereinheit zur Nachführung 80x wird daher in der positiven Halbwelle von SIN X das verstärkte Signal f bearbeiten und in der negativen Halb­ welle von SIN Y das verstärkte und invertierte Signal f bearbeiten. Man erhält so zwei unabhängige Nachführungen der horizontalen und der verti­ kalen Projektion für die momentane Position des Flecks 32 auf die Trägerfläche 3, die zu einer ständigen Verfolgung des beweglichen Ziels durch den ringförmigen sichtbaren Fleck 31 führen und gleichzeitig, auf­ grund der Integratoren 81x, 81y, eine Bestimmung der Position und der Bewegung dieses Ziels im Verhältnis zu dem Bezugssystem des Meßsystems. Die analogen Ausgänge MES X, MES Y sind direkt proportional zur Position des Ziels und eine einfache Kalibrierung erlaubt die direkte Verbindung dieser analogen Werte mit den in Metern ausgedrückten Größen.

Das Beispiel einer Ausführungsart wie sie gerade beschrieben wurde, ent­ spricht einem leicht transportierbaren Gerät, da der Raumbedarf gering ist (750×250×250 mm) und das Gewicht gering ist (10 kg), das leicht aufzubauen ist, und dessen Einsatz kein hochqualifiziertes Personal be­ nötigt.

Dieses Gerät kann sowohl sehr kleine Bewegungen (einige Millimeter) be­ rücksichtigen, als auch sehr große Bewegungen (2 m auf 1,5 m über eine Entfernung von z. B. 10 m), gleich ob sie schnell oder langsam erfolgen.

Zum Beispiel kann der Durchmesser des beweglichen reflektierenden Ziels 2 bis 3 mm betragen und die gesamte elektronische Einheit für Steuerung und Verarbeitung läßt sich auf einer Karte im Format 200×100 mm unterbringen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Bei­ spiele beschränkt und zahlreiche Änderungen können bei diesen Beispielen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

So kann zum Beispiel die Verwendung anderer Lichtstrahlen als Laser­ strahlen, insbesondere inkohärente Lichtstrahlen ins Auge gefaßt werden.

Außerdem kann die optische Vorrichtung in vielen anderen Arten ange­ ordnet werden, als hier beschrieben. Insbesondere kann ein anderer op­ tischer Weg des Lichtstrahls im Innern der Vorrichtung vorgesehen werden.

Darüber hinaus kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit sehr viele Va­ rianten aufweisen und mit speziellen Komponenten der kombinatorischen und sequentiellen Logik bestückt sein, die sich von den oben beschrie­ benen unterscheiden, aber im allgemeinen die gleichen Funktionen aus­ üben. In gleicher Weise kann die Anordnung der analogen Schaltkreise, und insbesondere der Operationsverstärker zahlreiche Varianten auf­ weisen, je nach den bei der Entwicklung dieser Bauteile bekannten Techniken.

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung der Position und der Bewegung eines beweglichen Ziels (30) mit vorbestimmter geometrischer Form, welches eine rückstrahlende Außenseite aufweist und von einer Trägerfläche (3) getragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

• - eine Stufe der Emission eines Lichtstrahls (20), der auf die Trägerfläche (3) hin gerichtet ist, die wesentlich weniger stark reflektierend ist, als das Ziel (30), so daß die Projektion besagten Strahls (20) auf die Trägerfläche normalerweise eine geschlossene periodische Bahn be­ schreibt, die das bewegliche Ziel (30) eng umgibt und einen sichtbaren Fleck (31) des besagten Strahls festlegt.
• - eine Stufe der Erfassung und Analyse eines durch das bewegliche Ziel (30) im Fall eines Überschneidens mit dem sichtbaren Fleck (31) reflektierten Strahls, welche zu einer Stufe zur Richtungssteuerung be­ sagten Lichtstrahls (20) führt, so daß die in der vorhergehenden Erfas­ sungsstufe eventuell festgestellte Überschneidung in Verbindung mit der vorgenannten Emissionsstufe annulliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsstufe eine Modulationsstufe für die momentane Richtung des Lichtstrahls (20) enthält, die um eine Hauptrichtung herum angeordnet ist, so daß auf der Trägerfläche (3) die periodisch geschlossene Bahn beschrieben wird, wobei besagte Hauptrichtung in der Richtungssteuerungsstufe ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Er­ fassung und Analyse eine Stufe zur Messung der Position des beweglichen Ziels (30) enthält, in einem ebenen Bezugssystem, das durch die aus der Erfassung und Analyse des reflektierten Strahls entstandenen Informationen vorbestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Stufen der Emission, Erfassung und Analyse, Steuerung, die momentane Pro­ jektion des Lichtstrahls (20) und die Modulation seiner Richtung durch Zerlegung in zwei orthogonale Achsen, waagerecht und senkrecht (X, Y) ver­ arbeitet werden, wobei diese Achsen zu dem vorbestimmten Bezugssystem gehören.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Ziel (30) eine geometrisch elliptische Form, vorzugsweise kreisförmig, hat, und daß die entsprechende Modulation der Richtung des Licht­ strahls (20) elliptisch, vorzugsweise kreisförmig, ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Er­ fassung und Analyse eine Filterstufe enthält, um die kontinuierliche Kom­ ponente eines dem reflektierten Strahls entsprechenden Erfassungssignals zu unterdrücken, und daß sie eine Verstärkerstufe für besagtes gefilter­ tes Erfassungssignal enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsstufe außerdem noch eine Stufe zur Erzeugung von zwei Modu­ lationssignalen, einem horizontalen und einem vertikalen (SIN X, SIN Y) enthält, die durch einen ersten vorbestimmten Phasenwinkel voneinander phasenverschoben sind, in Form einer Sinuswelle mit vorbestimmter Fre­ quenz, und jeweils mit den zwei orthogonalen Achsen horizontal und veri­ kal (X, Y) zugeordnet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während der vor­ genannten Erzeugerstufe zwei Signale mit quadratischer Wellenform (SQ X, SQ Y) erzeugt werden, die jeweils durch einen vorbestimmten horizontalen Phasenwinkel und einen vorbestimmten vertikalen Phasenwinkel bezüglich des horizontalen Modulationssignals (SIN X) phasenverschoben sind.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Stufe der Erfassung und Analyse, die beiden Signale mit quadratischer Wellenform (SQ X, SQ Y), die genauso quadratisch ist, jeweils einem hori­ zontalen Modulationssignal (SIN X) und einem vertikalen Modulationssignal (SIN Y) zugeordnet sind, verwendet werden, um das vorher gefilterte und verstärkte Erfassungssignal zu verarbeiten, um die jeweiligen Änderungen der horizontalen und vertikalen Komponente der Hauptrichtung des Strahls abzuleiten, die während der Richtungsstufe durchzuführen sind, wobei eine Halbperiode jedes Signals in quadratischer Wellenform (SQ X) jeweils momentanen Situationen des Flecks ganz links und oberhalb des beweglichen Ziels (30) entspricht, und die andere Halbperiode jedes Signals in quadratischer Wellenform (SQ Y) jeweils momentanen Situationen des Flecks ganz rechts und unterhalb des beweglichen Ziels (30) entspricht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Er­ fassung und Analyse einer Stufe zur selektiven Integration des gefilterten und verstärkten Erfassungssignals enthält in Abhängigkeit von der jewei­ ligen momentanen Situation der beiden Signale mit quadratischer Wellen­ form, um, einerseits, die jeweiligen Messungen der horizontalen und verti­ kalen Position des beweglichen Ziels zu ermitteln, und andererseits jeweils ein horizontales und vertikales Steuersignal zu erzeugen durch Summation der jeweiligen integrierten Signale und der entsprechenden Modu­ lationssignale (SIN X, SIN Y).

11. System zur Messung (1) der Position und der Bewegung eines beweglichen Ziels (30) mit vorbestimmter geometrischer Form, das eine rückstrahlende Außenfläche aufweist und durch eine Trägerfläche (3) getragen wird, und das Verfahren nach der Erfindung anwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt:

• - Vorrichtungen (4, 5, 6, 7, 10, 15) zum Aussenden eines einfallenden Lichtstrahls (20), der auf die Trägerfläche (3) gerichtet ist, die wesentlich weniger stark reflektierend ist, als das Ziel (30), so daß die Projektion besagten Strahls auf die Trägerfläche normalerweise eine geschlossene periodische Bahn (31) beschreibt, die das bewegliche Ziel (30) eng umgibt und einen sichtbaren Fleck des besagten Strahls festlegt.
• - Vorrichtungen (60) zur Erfassung und Analyse eines durch das bewegliche Ziel (30) im Falle eines Überschneidens des beweglichen Ziels (30) und des sichtbaren Flecks (31) reflektierten Strahls, und
• - Vorrichtungen (80) zur Nachführung der Richtung des einfallenden Licht­ strahls (20), so daß die eventuell festgestellte Überschneidung annulliert wird, wobei die besagten Vorrichtungen zur Nachführung zum einen mit den Vorrichtungen zur Erfassung und Analyse (60) verbunden sind, um von jenen Informationen über Position und Bewegung des beweglichen Ziels (30) zu erhalten, und zum anderen mit den Vorrichtungen zur Aus­ sendung (4, 5, 6, 7, 10, 15) verbunden sind, um Signale der Ablenkung des einfallenden Strahls an jene zu übermitteln.

12. System (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich­ tungen zur Aussendung (4, 5, 6, 7, 10, 15) Vorrichtungen (4) enthalten, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, und Vorrichtungen (10), um besagten Strahl in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen (X, Y) abzulenken, die so vorbestimmt sind, daß besagte periodisch geschlossene Bahn erhalten wird, die um eine Hauptrichtung herum beschrieben wird, die durch die von den Nachführungsvorrichtungen (80) gelieferten Informationen über die Ab­ lenkung festgelegt wird.

13. System (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Erfassung und Analyse (60) Meßvorrichtungen enthalten, um In­ formationen über die momentane Position (MES X, MES Y) des besagten be­ weglichen Ziels in einem ebenen Bezugssystem, das durch die beiden vorbe­ stimmten senkrecht zueinanderstehenden Richtungen (X, Y) gebildet wird, zu liefern.

14. System (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch beschriebene Bahn (30) elliptisch, vorzugsweise kreis­ förmig, ist, und daß die Aussendevorrichtungen außerdem noch Vorrichtungen (40) enthalten, um zwei sinusförmige Modulationssignale (SIN X, SIN Y), die durch einen ersten vorbestimmten Phasenwinkel voneinander pha­ senverschoben sind, an die Nachführungsvorrichtungen (20) zu liefern.

15. System (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Erfassung und Analyse (60) außerdem noch Vor­ richtungen (34) enthalten, um ein elektrisches Erfassungssignal als Ant­ wort auf ihre Beaufschlagung durch den reflektierten Strahl auszusenden, Vorrichtungen (61), um besagtes Erfassungssignal zu filtern, und daraus eine alternative Erfassungskomponente herauszuziehen, und Vorrichtungen, um besagte alternative Erfassungskomponente zu verstärken.

16. System (1) nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Nachführung (80) Vorrichtungen zur Verarbeitung der alternativen Erfassungskomponente enthalten, die aus der Stufe für Er­ fassung und Analyse hervorgeht, in Verbindung mit den Modulationssignalen (SIN X, SIN Y) der Bahnsynchronisationssignale (SQ X, SQ Y), die von den Vorrichtungen (40) zur Lieferung der Modulationssignale geliefert werden, so daß zwei Ablenkungssignale (CELL X, CELL Y) des einfallenden Strahls erzeugt werden, die jeweils den beiden vorbestimmten senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen (X, Y) entsprechen.

17. System (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Erzeugung des Strahls (4) eine Laservorrichtung enthalten, die einen anfänglichen Laserstrahl aussendet, und optische Vor­ richtungen (5, 6, 7, 11) enthalten, um besagten anfänglichen Laserstrahl zu formen und ihn zum Eingang der Ablenkungsvorrichtungen (10) zu führen.

18. System (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkungs­ vorrichtungen (10) zwei akustisch-optische Zellen enthalten, die nach der Strahlachse am Eingang ausgerichtet sind und in zwei vorbestimmten sen­ krecht aufeinanderstehenden Ebenen (X, Y), die jeweils die beiden Ablen­ kungsrichtungen einschließen, angeordnet sind.

19. System (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der vorgenannten Vorrichtungen in einem Kasten (2) plaziert wird, der so angeordnet ist, daß der innere Weg des Lichtstrahls möglichst kurz ist.