DE4020019A1

DE4020019A1 - Anordnung zur kalibrierung von sensoren

Info

Publication number: DE4020019A1
Application number: DE19904020019
Authority: DE
Inventors: Alfred Link
Original assignee: CUBA ACAD CIENCIAS; Akademie der Wissenschaften der DDR
Current assignee: CUBA ACAD CIENCIAS; Akademie der Wissenschaften der DDR
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1992-01-02

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anordnung zur Kalibrierung von Sensoren ist für die aktuelle und genaue Positionierung von Objekten im Raum anwendbar, zum Beispiel für gezielte Beweglichkeitssteuerungen von Robotergreifarmen, für Ortsveränderungen von Flurförderfahrzeugen in Produktions- und Lagerhallen oder für Positionsänderungen von Satelliten im Raum. Die Anordnung ist überall dort anwendbar, wo für die Lage- oder Bewegungsregelung von Objekten Signale erforderlich sind, die nicht nur den Echtheitsforderungen des konkreten Regelungsprozesses genügen müssen, sondern die auch mit ausreichender Genauigkeit die aktuelle Position des zu regelnden Objektes feststellen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Kalibrierung von Sensoren bzw. von analogen Echtzeitsignalen zum Ausgleich von Temperatureffekten oder von Nullpunktabweichungen mit Hilfe von Einrichtungen zur mikroprozessorgesteuerten Erfassung, Verarbeitung, Anzeige, Speicherung und Ausgabe von analogen und/oder digitalen Meßwerten mehrerer Meßstellen oder Sensoren ist bereits bekannt. In der DE-PS 35 44 095 wird eine Lösung zum Kalibrieren von analogen Echtzeitsignalen vorgeschlagen, mit der eine Kalibrierung durch den Zugriff auf gespeicherte Werte erfolgt, welche die natürliche Nullpunktabweichung eines jeden verwendeten Sensors darstellen und die vom Gerät selbst einmalig gemessen und in einen Digitalspeicher abgelegt werden. Nachteilig ist es bei dieser Lösung, daß die Korrektursignale zur Kalibrierung außerhalb der eigentlichen Meßphase erzeugt werden bzw. dem Gerät zugeführt werden müssen. Die Aufteilung in eine Meß- und eine Kalibrierungsphase bedingt, daß die Kalibrierung der Echtzeitsignale mit Signalen erfolgt, die nicht dem aktuellen Gerätezustand entsprechen. Die Korrektursignale müssen nach einer in der Beschreibung nicht definierten Zeit aktualisiert werden.

Zur Gewinnung von hochgenauen Signalen, z. B. für die Positionierung von Objekten im Raum, ist eine Kalibrierung der Sensoren mit jederzeit aktuellen Korrektursignalen mit jedem neu aufgenommenen Meßwert notwendig.

Zum Verständnis der Positionierungs- bzw. Orientierungsproblematik von Objekten im Raum ist eine allgemeine Betrachtung der meßtechnisch und mathematisch zu gewinnenden und zu verarbeitenden Parameter bzw. Signale zweckmäßig. Ein starrer Körper im Raum hat 6 Freiheitsgrade.

Die Orientierung eines starren Körpers im Raum bedeutet, zunächst einen Punkt dieses Körpers zum Ursprung eines körperfesten Koordinatensystems zu machen und die räumlichen drei Koordinatenwerte dieses Punktes zu bestimmen. Die verbleibenden drei Freiheitsgrade werden durch die Orientierung des körperfesten Koordinatensystems im Raum festgelegt. Dazu sind mindestens drei Winkelwerte notwendig, die die Rotation zwischen körperfestem Koordinatensystem und dem Raumkoordinatensystem beschreiben. Die Ermittlung der Rotation zwischen zwei Koordinatensystemen genügt zur Orientierung eines starren Körpers im Raum, wenn die Translation zwischen den Koordinatensystemen bekannt oder vernachlässigbar klein ist. Bei der Orientierung von Raumflugkörpern im Inertialsystem liegt dieser Fall vor, wenn zur Bestimmung der Rotation zwischen dem Raumflugkörperkoordinatensystem und dem Inertialsystem die Sternpositionen im Flugkörperkoordinatensystem vermessen werden. Auf Grund der großen Entfernung der Meßobjekte darf die Translation zwischen dem Koordinatenursprung des Inertialsystems und dem Ursprung des Raumflugkörpersystems vernachlässigt werden.

Es ist allgemein bekannt, durch eine Transformation zwischen zwei Koordinatensystemen ein drittes Koordinatensystem derart zu bestimmen, daß sein Ursprung mit einem dieser Systeme zusammenfällt. Dementsprechend beschränkt sich die Orientierungsaufgabe eines starren Körpers im Raum auf die Ermittlung der Rotation zwischen zwei Koordinatensystemen. Das erste Koordinatensystem - das Raumsystem - wird als Referenzsystem bezeichnet, die Koordinaten werden als bekannt vorausgesetzt.

Die Messungen erfolgen im zweiten Koordinatensystem - im Körpersystem.

Es ist bereits bekannt, optische Sensoren zur Meßwerterfasssung im Körpersystem zu verwenden, so unter anderem in den DE-AS 14 48 564, DE-OS 34 28 741, DE-OS 35 37 871, in der US-PS 33 88 629.

Die Sensoren in den bekannten Systemen liefern die Ortskoordinaten der in Fokusebene dieser Systeme abgebildeten Meßpunkte.

Die Einfallsrichtung jedes Meßpunktes markiert auf einer gedachten Einheitsspäre, deren Mittelpunkt mit dem Ursprung des Körpersystems zusammenfällt, einen Punkt, der die wirkliche Einfallsrichtung kennzeichnet.

Das Referenzkoordinierungssystem wird in ähnlicher Weise aufgebaut. Die räumliche Orientierung des Körpersystems wird dann durch eine derartige Rotation der Sphären relativ zueinander bestimmt, welche die einander entsprechenden und markierten Punkte auf beiden Sphären möglichst gut zur Deckung bringt.

Die bisher bekannten Verfahren und Anordnungen verwenden das Minimum der Summe aller gewichteten Abstände zwischen den entsprechenden Sphärenpunkten, unabhängig von der geometrischen Anordnung der Meßpunkte zur Orientierungs- bzw. Positionierungsbestimmung. Der praktisch wichtige Fall, daß die von den Meßpunkten eingesetzte Sphärenfläche näherungsweise als eben betrachtet werden darf, d. h., daß die Meßpunkte nahe beieinander liegen, wird nicht behandelt. Es erfolgt keine Dekomposition kritischer und nichtkritischer Parameter; physikalisch bedingte Ungenauigkeiten werden nicht oder nur ungenügend eliminiert ("Spacecraft Attitude" Determination and Control, J. R. Wertz, Volume 73; D. Reidel Publishing Comp. 1978; J. L. Junkins, T. E. Strikwerda: "Autonomus Starsensing and Attitude Estimation", AA 579-013).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zu entwickeln, mit der die Kalibrierung von optischen Sensoren und damit die räumliche Orientierung von Objekten mit der erforderlichen Genauigkeit mit einem möglichst geringen Geräte- und Zeitaufwand realisiert werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kalibrierung von Sensoren zu schaffen, mit der stochastische Meßstörungen unterdrückt und mechanische Veränderungen der Sensorlage infolge von Temperaturänderungen, Alterung oder anderen die mechanische Stabilität der Sensorlage beeinflussende Umstände ausgeglichen werden können, so daß unter den Bedingungen des Echtzeitbetriebes jederzeit aktuelle Signale für hochgenaue Positionskorrekturen und Lageregelungen von Raumobjekten zur Verfügung stehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, die aus einem Speicher besteht, in den die Meßwerte der optischen Sensoren, die Wichtungsfaktoren und die Referenzkoordinaten des Raumsystems eingebracht sind, an den über eine Taktsteuerung Signalverarbeitungsbausteine so angeschlossen sind, daß die im Speicher abgelegten Werte an die Signalverarbeitungsbausteine zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung und zur Drehwinkelbestimmung geführt sind und die Signale am Ausgang des Signalverarbeitungsbausteines zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Hauptrichtungsbestimmung und sein weiterer Ausgang mit einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Drehwinkelbestimmung verbunden sind.

Der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Drehwinkelbestimmung ist an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation, an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation und an die Eingänge eines Zwischenspeichers für mindestens zwei Sensoren gelegt. Der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation ist ebenfalls an die Eingänge des Zwischenspeichers gelegt.

Der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Hauptrichtungsbestimmung ist mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation verbunden. Es ist des weiteren eine Signalleitung zwischen einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation und einem Eingang des Speichers angeordnet.

Der Ausgang des Zwischenspeichers ist an den Eingang des Signalbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation gelegt, dessen Ausgangssigna an den Eingang des Schieberegisterbausteins und an einen Eingang des Signalbausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion geführt ist. Der andere Eingang des Signalbausteins zur Korrektur der Anordnungspuaternion ist mit dem Ausgang des Signalbearbeitungsbausteins zur Schätzung des differentiellen Quaternionensignals verbunden. An den Eingang dieses zuletzt genannten Signalbausteins wird der Ausgang des Signalbausteins zur inversen Multiplikation zweier zeitlich aufeinander folgender Anordnungsquaternionensignale geführt, an dessen zwei Eingänge die beiden Schieberegisterbausteinausgänge gelegt sind. Am Ausgang des Bausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion wird als kalibrierte Signal der Anordnung zweier optischer Sensoren abgegriffen.

Ausführungsbeispiel

Der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Anordnung zur Kalibrierung von Sternsensoren, um zum Beispiel jeweils zwei Sensoren eines Sternsensorsystems in Form eines Dreibeins an Bord von Raumflugkörpern zu kalibrieren.

Bahnmanöver eines Satelliten oder Meßaufgabe an Bord eines Raumflugkörpers erfordern zur Änderung einer aktuellen Position oder bei der Stabilisierung der Lage des Raumflugkörpers bzw. einer Meßplattform auf ihm ständig die Kenntnis der aktuellen Position im Raum. Diese Information muß den innerhalb eines Regelkreises wirkenden Steuereinrichtungen des Statelliten bzw. einer Plattform in Form von Steuersignalen zugeleitet werden. Hochgenaue Positionsregelungen sind nur dann möglich, wenn auf hochgenaue Referenzquellen zurückgegriffen werden kann, wie sie durch die Richtungen der Sternorte im Raum gegeben sind.

In dem elektronischen Speicher S sind die zum Zeitpunkt t_i erhaltenen Meßwerte von zwei Sensoren, die die Meßpunkte im Körpersystem beschreiben, die diese Messungen charakterisierenden Wichtungsfaktoren und die Referenzkoordinaten der gemessenen Sterne abgelegt. An den Eingängen der Signalverarbeitungsbausteine HS liegen entsprechend den angegebenen Steuerungsbefehlen aus der Takteinheit TE einmal die Meßwerte der Sensoren mit den Wichtungsfaktoren und zum zweiten die Referenzkoordinatenwerte mit den Wichtungsfaktoren an. Im Signalverarbeitungsbaustein HS werden diese Werte nach der Vorschrift

x_S = N · Σg_ix_i,

y_S = N · Σg_iy_i

z_S = N · Σg_iz_i

N = 1/((g_ix_i)² + (g_iy_i)² + (g_iz_i)²)^1/2 (1)

und

u_S = M · Σg_iu_i,

v_S = M · Σg_iv_i

w_S = M · Σg_iw_i

M = 1/((g_iu_i)² + (g_iv_i)² + (g_iw_i)²)^1/2 (2)

miteinander zu Helligkeitspunkten verarbeitet.

Dabei bedeuten

u_i, v_i, w_i die von den optischen Sensoren gelieferten Signale der Meßpunktkoordinaten,
x_i, y_i, z_i Koordinatensignale im Referenzsystem,
g_i Wichtungsfaktoren (von den Sensoren geliefert),
x_s, y_s, z_s Helligkeitsschwerpunktsrichtungen im Referenzsystem,
u_s, v_s, w_s Helligkeitsschwerpunktsrichtungen im Meßsystem.

Die Helligkeitsschwerpunktsrichtungen bestimmen eindeutig eine Quaternion Q₁(q₁,q₂,q₃,q₄), deren Drehachse senkrecht zu beiden Schwerpunktsrichtungen angeordnet ist und deren skalarer Teil gleich dem Kosinus des haben von beiden Schwerpunktsrichtungen eingeschlossenen Winkels ist.

Am Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins HS stehen die Helligkeitsschwerpunktssignale des Meß- und Referenzkoordinatensystems zur Verfügung, die unmittelbar an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins HS geschaltet werden. In diesem Baustein HR werden nach der Vorschrift

die Signalkomponenten des ersten Quaternions Q₁ erzeugt, die einmal im Zwischenspeicher ZS abgelegt werden und zum anderen an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins TR gelegt werden. An den weiteren Eingang dieses Bausteins TR sind die Signale für die Referenzkoordinaten aus dem Speicher S gelegt. Es erfolgt eine Signalverarbeitung, d. h. eine Transformation der Referenzkoordinaten, die einer solchen Drehung der Referenzkoordinatenwerte durch die am Eingang der Transformationsstufe TR vorhandene Quaternion Q₁ entspricht, daß die Referenzschwerpunktsrichtung mit der Meßschwerpunktsrichtung übereinstimmt.

Die Signale am Ausgang des Bausteins TR sind an den Speicher S geschaltet und überschreiten dort die ursprünglich vorhandenen Referenzwerte.

An den von der Taktsteuerung TE aktivierten Signalverarbeitungsbaustein DRW sind nun alle im Speicher S abgelegten Meßwerte, Referenzwerte und Wichtungsfaktoren zugeschaltet, die zusammen mit den Signalen für die Helligkeitsschwerpunktskoordinaten der Meßdaten im Signalverarbeitungsbaustein HS nach den Vorschriften

d₁₃ = -Σg_iu_iz_i - Σg_ix_iw_i,

d₂₃ = -Σg_iv_iz_i - Σg_iy_iw_i,

d₃₃ = 2 · (Σg_iu_ix_i + Σg_iv_iy_i,

d₁ = Σg_iw_iy_i - Σg_iv_iz_i,

d₂ = Σg_iu_iz_i - Σg_iw_ix_i,

d₃ = Σg_iv_ix_i - Σg_iu_iy_i,

und
tgα/2 · (d₁₃u_s + d₂₃v_s + d₃₃w_s) = d₃ - tg²α/2 · (d₁u_sw_s + d₂v₂w_s + d₃w_s) (4)

verarbeitet werden, was zur Bildung der zweiten Quaternion Q₂ (q₁,q₂,q₃,q₄) mit den Signalkomponenten

q₁ = cosα/2,

q₂ = u_s · sinα/2,

q₃ = v_s · sinα/2,

q₄ = w_s · sinα/2

führt, die am Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins DRW liegen. Sie werden über die Ausgangsleitung an den Signalverarbeitungsbaustein zur Quaternionenmultiplikation QM geführt, an dessen zweiten Eingang die Signalkomponenten der ersten Quaternion aus dem Zwischenspeicher ZS geschaltet sind. Am Ausgang dieses Multiplikationsbausteins liegen die Signalkomponenten des Quaternionenproduktes Q₁ ○ Q₂ und überschreiben im Zwischenspeicher den zuvor abgelegten Wert von Q₁.

Durch Steuerungsbefehle der Takteinheit erfolgt die gleiche Signalbearbeitung für die Meß-, Referenz- und Wichtungswerte des zweiten optischen Sensors. Die Signalkomponenten des entsprechenden Quaternionenproduktes Q₁ ○ Q₂ werden ebenfalls im Zwischenspeicher ZS abgelegt.

Die Signale beider Quaternionenkomponenten werden den Eingängen eines Bausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation QIM1 zugeführt und in diesem Baustein nach der Vorschrift

Q = (Q₁ ○ Q₂) ○ (Q₁ ○ Q₂)^-1

bearbeitet. Das Ergebnis wird in einem zweistufigen Schieberegister SR abgelegt. Der Inhalt dieses Schieberegisters SR, aufgefüllt mit dem Signalbearbeitungsergebnis für den nachfolgenden Meßzeitpunkt t_i+1, liefert die Ausgangssignale für die weiteren Signalbearbeitungsschritte. Das Schieberegister SR enthält somit für alle weiteren Messungen die Quaternionensignalkomponenten von jeweils zwei zeitlich aufeinander folgenden Aufnahmen zweier optischer Sensoren. Diese Signakomponenten sind an die Eingänge eines weiteren Signalbearbeitungsbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation QIM2 gelegt, dessen Ausgangssignal ein differentielles Quaternionensignal von zwei aufeinander folgenden Sensoraufnahmen ist. Es wird an den Eingang des Signalbearbeitungsbausteins zur Schätzung des differentiellen Quaternionensignals DQS gelegt und hier nach den üblichen Vorschriften der Kalman-Filterung bearbeitet. Dieser Signalbearbeitungsbaustein DQS liefert ein Ausgangssignal, in dem stochastische Meßstörungen unterdrückt sind. Sein Ausgangssignal wird zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Signalbearbeitungsbaustein zur inversen Quaternionenmultiplikation QIM1 an den Eingang des Signalbearbeitungssteins KM zur Korrektur des Anordnungssingals beider Sensoren geführt, in dem eine Signalbearbeitung nach der üblichen Vorschrift zur Multiplikation zweier Quaternionensignale erfolgt. Das Ausgangssignal dieser Bearbeitungsstufe stellt das kalibrierte Anordnungssignal beider optischer Sensoren dar. Es liefert die aktuelle - bezogen auf den Meßzeitpunkt - Anordnung der Sensoren zueinander

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
S
Speicher
HS	Signalverarbeitungsbaustein Helligkeitsschwerpunktbestimmung
HR	Signalverarbeitungsbaustein Hauptrichtungsbestimmung
DRW	Signalverarbeitungsbaustein Drehwinkelbestimmung
TR	Signalverarbeitungsbaustein Transformation
QM	Signalverarbeitungsbaustein Multiplikation
ZS	Zwischenspeicher
QIM1	Signalverarbeitungsbaustein Quaternionenmultiplikation
QIM2	Signalverarbeitungsbaustein Quaternionenmultiplikation
SR	Schieberegister
DQS	Signalverarbeitungsbaustein Schätzung
KM	Signalverarbeitungsbaustein Korrektur
TE	Taktsteuerung

Claims

Anordnung zur Kalibrierung von optischen Sensoren für die Positionierung von Objekten im Raum, gekennzeichnet dadurch, daß ein Speicher (S), angefüllt mit den Meßwerten der optischen Sensoren, mit den Wichtungsfaktoren und mit den Referenzkoordinaten des Raumsystems, über eine Taktsteuerung (TE) mit Signalverarbeitungsbausteinen (HS; HR; DRW; QM; TR) derart verbunden ist, daß die im Speicher (S) abgelegten Sensorenmeßwerte, Signale der Wichtungsfaktoren und Signale der Referenzkoordinaten an die Eingänge der Signalverarbeitungsbausteine zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung (HS) und zur Drehwinkelbestimmung (DRW) geschaltet sind, daß ein Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Helligkeitsschwerpunktbestimmung (HS) mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Hauptrichtungsbestimmung (HR) und sein weiterer Ausgang mit einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Drehwinkelbestimmung (DRW) verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation (QM), an den Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation (TR) und an den Eingang eines Zwischenspeichers (ZS) gelegt ist, wobei der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Hauptrichtungsbestimmung (HR) mit dem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation (TR) verbunden ist und eine Signalverbindung zwischen einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Transformation (TR) und einem Eingang des Speichers (S) angeordnet ist, und daß der Ausgang des Signalverarbeitungsbausteins zur Multiplikation (QM) an die Eingänge des Zwischenspeichers (ZS) gelegt ist, dessen Ausgang an den Eingang eines Signalverarbeitungsbausteins zur inversen Quaternionenmultiplikation (QIM1) geschaltet ist, dessen Ausgang an den Eingang eines Schieberegisters (SR) und an den Eingang eines Signalverarbeitungsbausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion (KM) geführt ist, während die Ausgänge des Schieberegisters (SR) an die Eingänge eines weiteren Signalverarbeitungsbausteins zur inversen Quaternaionenmultiplikation (QIM2) geschaltet sind, dessen Ausgang wiederum an den Eingang eines Signalverarbeitungsbausteins zur Schätzung des differentiellen Quaternionensignals (DQS) geschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Signalverarbeitungsbausteins zur Korrektur der Anordnungsquaternion (KM) verbunden ist.