DE4415419A1 - Positionsmesseinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur
präzisen und zeitverzugsarmen Bestimmung
der Positionen von einem oder mehreren
Meßpunkten auf Entfernungen im Bereich
von wenigen Metern, sie ist in einer Ausge
staltung aber auch für Messungen im Bereich
von einigen hundert Metern vorteilhaft ein
setzbar.
Entsprechende Messungen auf kurzen Ent
fernungen sind beispielsweise für die Ver
messung von Handhabungsrobotern nötig,
während die präzise Ortsbestimmung auf
größere Entfernungen für mobile Roboter wie
beispielsweise Gabelstapler für Container,
sogenannte Containerstapler notwendig ist.
Beide Aufgabenstellungen erfordern von der
Meßeinrichtung mehrere Eigenschaften:
- - Präzision,
- - verzögerungsarme Messung,
- - Unabhängigkeit von der Umgebung, ins besondere hohe Präzision auch in einem durch Reflektionen gestörten Feld,
- - geringer Herstellungsaufwand.
Die Ortsbestimmung für den Containerstap
ler ist auf die Bestimmung in der Ebene
beschränkt. Die Präzision muß so hoch sein,
daß ein Container anhand seines Ortes zwei
felsfrei identifiziert werden kann. Bei dieser
Aufgabenstellung müssen in der Regel meh
rere Containerstapler ihren Orte selbst be
stimmen.
Die Vermessung eines Roboterarms erfordert
die Bestimmung nicht nur seiner Bewegungen
um alle drei Achsen im Raum, sondern auch
die der Bewegungen und Drehungen seiner
"Hände".
Für die Vermessung von Robotern ist eine
Einrichtung bekannt, bei der an den Robo
terarm ein Meßaufsatz mit mehreren opti
schen Reflektoren montiert wird.
Zwei CCD-Kameras mit einer Auflösung in
der Größenordnung von 5000×5000 beob
achten den Roboterarm aus verschiedenen
Winkeln. Ein Rechner bestimmt mit einem
Bildverarbeitungsprogramm die Winkel von
den beiden Kameras optischen Reflektor und
durch Triangulation dessen Ort.
Das Programm zur Bildverarbeitung und die
hochauflösenden CCD-Kameras sind jedoch
außerordentlich aufwendig, so daß hier Be
darf für eine preiswertere Lösung besteht.
Zur Ortsbestimmung von Containerstaplern
wird beispielsweise ein Navigationsgerät
eingesetzt, das nach dem Differential-GPS
Verfahren arbeitet. Es bestimmt seinen Ort
durch den Empfang der Signale von NAV
STAR/GPS Navigationssatelliten und stei
gert die Ortungsgenauigkeit durch Vergleich
der Meßwerte mit einem Referenzempfänger
an einem bekannten Standort.
Auch diese Einrichtung ist ausgesprochen
aufwendig, weil ein für weltweite Navigation
optimiertes System für Ortungsaufgaben in
einem Grundstücksbereich verwendet wird.
Um die Ergebnisse des Referenzempfängers
für den Vergleich zum Meßempfänger über
tragen zu können, benötigt diese Einrichtung
einen eigenen breitbandigen Funkkanal.
Satellitennavigationssysteme versagen dar
überhinaus, wenn Objekte wie Krane oder
Dächer den freien Blick zum Himmel ver
sperren.
Insgesamt besteht auch hier Bedarf nach
einer einfacheren und preiswerteren Lösung,
die auch unter Dach funktionsfähig ist und
keinen eigenen Funkkanal benötigt.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine einfa
che, kostengünstig zu realisierende Einrich
tung zur Bestimmung von Position und Aus
richtung eines Roboterarms oder eines mobi
len Roboters aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit
einer Einrichtung laut Oberbegriff des
Hauptanspruchs gelöst, vorteilhafte Wei
terbildungen ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Gelöst wird die Aufgabe sowohl für kleine,
als auch für größere Entfernungen durch
Laserscanner, die mit Hilfe rotierender Spie
gel Fächerstrahlen aussenden, und je zu
ortendem Punkt mindestens einer Fotodiode,
die Eintreffzeiten der Fächerstrahlen detek
tiert und einer Auswerteeinheit die Ortsbe
stimmung mittels Triangulation ermöglicht.
Fig. 1 zeigt einen Raum mit drei Laserscan
nern 1, die Fächerstrahlen 3 aussenden,
wobei Position der Laserscanner 1 und ihre
Rotationsachsen 2 so gewählt sind, daß jeder
Punkt im Raum um den zu vermessenden
Handhabungsroboter 4 von drei Fächerstrah
len aus unterschiedlichen Richtungen ange
strahlt wird. Wo die Gefahr von Abschattun
gen besteht, ist der Einsatz zusätzlicher La
serscanner 1 notwendig.
Auf diesen Handhabungsroboter 4 ist ein
Sensorkopf mit Photodioden 5 montiert,
deren Abstand untereinander auch die
Bestimmung von Drehungen der "Hand" des
Roboterarms ermöglicht. (Da eine Pho
todiode wegen ihrer Richtwirkung für den
Empfang der Fächerstrahlen 3 aller Laser
scanner 1 nicht ausreichend sein kann, wer
den für jede einzelne der am Roboterarm
dargestellten Photodioden mehrere Photodi
oden benötigt, die jeweils einen Raumwinkel
bestreichen. Da dies hier aber unwesentlich
ist, wird die weitere Beschreibung auf eine
einzige Photodiode beschränkt.)
Der Öffnungswinkel der Fächerstrahlen 3 ist
in der Ebene senkrecht zur jeweiligen Rota
tionsachse 2 sehr schmal, beispielsweise
0,5 mrad, während der Öffnungswinkel in der
um die Rotationsachse 2 rotierenden Ebene
so groß ist, daß der ganze zu vermessende
Raum bestrichen wird.
Fig. 2 zeigt dazu einen Aufbauvorschlag
eines Laserscanners 1 mit einem Prisma 21,
durch dessen zylindrisch geformte Oberflä
che 22 der annähernd rotationssymmetrische
Strahl des Halbleiterlasers 23 eintritt.
Das Prisma 21 rotiert um die Rotationsach
se 2, so daß der Strahl des Halbleiterla
sers 23 nach Reflektion im Prisma 21 senk
recht zur Rotationsachse 2 als Fächerstrahl 3
austritt.
Der Motor 24 mit angeflanschtem Winkel
kodierer 25 dreht den Spiegel, beispielsweise
mit 10 Umdrehungen/s.
Die Auswerteeinheit 26 empfängt die Signale
nicht nur des exemplarisch gezeigten,
sondern aller Winkelkodierer 25 und die
Signale der Photodiode 5 (Auf die Darstel
lung eines notwendigen Verstärkers wurde
hier verzichtet).
In dieser Ausführungsform für die Vermes
sung eines Roboters rotieren die Laserscan
ner 1 mit unterschiedlichen Geschwindigkei
ten, beispielsweise 10, 11 und 13 Umdre
hungen/s.
Jedesmal, wenn die Photodiode 5 von einem
der Laserfächer getroffen wird, sendet sie
einen Impuls zur Auswerteeinheit 26. Die
Pulsdauer tp ergibt sich aus der Umdrehungsgeschwindigkeit
und dem Verhältnis
aus dem Öffnungswinkel zum 360°-Vollkreis
zu
Da die Photodiode 5 von allen drei Fächer
strahlen 3, getroffen wird, registriert die
Auswerteeinheit 26 drei Pulszüge mit den
unterschiedlichen Pulsfolgefrequenzen 10, 11
und 13 Hz. Anhand dieser Pulsfolgefre
quenzen können die Pulszüge den jeweiligen
Laserscannern leicht zugeordnet und so bei
jedem Puls der Winkelwert des jeweils rich
tigen Laserscanners gelesen werden.
Aus den Winkelwerten von drei Laserscan
nern bestimmt die Auswerteeinheit 26 den
Ort der Photodiode 5 durch Triangulation.
Dieser geschilderte Algorithmus ist wesent
lich einfacher als eine bildverarbeitende
Software, während die Laserscanner erheb
lich weniger Aufwand erfordern als
hochauflösende CCD-Kameras.
Eine Anwendung für die Ortung eines mobi
len Roboters 31 zeigt Fig. 2. Die Auswerte
einheit befindet sich hier an Bord des mobilen
Roboters 20.
Wegen der großen Entfernungen und des
hohen Intensität des Tageslichtes ist eine
omnidirektional empfangende Photodiode
nicht mehr einsetzbar.
Statt dessen muß eine Optik gefunden wer
den, die sowohl bündelt, als auch aus allen
Richtungen empfangen kann.
Aus DE 43 08 254.8 ist ein Kommunikati
onssystem mit winkelsynchron rotierenden
Optiken bekannt, wobei die Empfangsanten
nen mit einer Phasenverschiebung von 180°
rotieren.
Dies gewährleistet, daß in genau dem Mo
ment, in dem eine Empfangsoptik auf einen
Sender zeigt, dessen Sendeoptik auf diesen
Empfänger zeigen wird.
Durch diese hohe Bündelung sowohl auf der
Empfangs- wie auch der Sendeseite werden
hohe Reichweiten möglich.
Dies Verfahren läßt sich auch zur Bestim
mung der Position und Ausrichtung eines
Fahrzeugs anwenden, besonders vorteilhaft
dort, wo hohe Genauigkeiten auf Sichtweite
gefordert sind.
Fig. 2 zeigt eine solche Anwendung, bei der
ortsfeste Laserscanner 1 ein Gebiet bestrei
chen, in dem sich mobile Roboter 20 bewe
gen und sowohl ihre Position als auch ihre
Ausrichtung gegenüber geographisch Nord
bestimmen müssen.
Die relevanten Schaltungsteile der in Fig. 2
gezeigten Einrichtung sind in Fig. 4 darge
stellt.
Ein Mikroprozessor 27 übernimmt von einem
Normalfrequenzempfänger 28 ein Zeitsignal
zur Synchronisation der Strahlrotation und
liest dazu aus dem Speicher 29 eine bei der
Installation abgelegten Information über die
Ausrichtung des Laserscanners 1 gegenüber
Nord, seinen Ort und die einhaltende
Drehgeschwindigkeit. Durch den Bezug auf
die Ausstrahlungen eines Normalfrequenz
senders entfallen Kabel zwischen den Laser
scannern.
Eine für alle Laserscanner verbindliche Re
lation definiert den Sendewinkel in Abhän
gigkeit von der Zeit. Angenommen seien
beispielsweise eine Drehgeschwindigkeit von
10/s, wobei die Senderichtung exakt zu jeder
vollen Sekunde mit geographisch Nord
übereinstimmen soll.
Durch Vergleich der vom Winkelkodierer 25
gemeldeten Winkel mit dem durch diese von
der Zeit bestimmtem Sollwinkel regelt der
Mikroprozessor 27 den Motor 24 entspre
chend nach.
Den Sollwinkel sendet der Mikroprozes
sor 27 zusammen mit den Angaben über den
Ort des Laserscanners 1 über das Datenmo
dem 31 und den Halbleiterlaser 23 ab.
Im mobilen Roboter 20 steuert die Auswer
teeinheit 26 den Motor 24 des Sensorkop
fes 30, wobei sich hier der Sollwinkel aus der
oben genannten Relation plus einem Offset
von 180° ergibt.
Dieser Sensorkopf 30 ist mit einem Laser
scanner 1 baugleich, wobei anstelle des
Laser 23 eine Photodiode 5 eingebaut ist.
Das trägerfrequente Signal der Photodiode 5
wird im Bandpaß 33 von störenden Signalen
befreit, im logarithmischen Verstärker 34 im
Pegel angehoben und gleichgerichtet. Der
hochfrequente Anteil, der die Daten enthält,
wird im Datendemodulator 35 demoduliert.
Der niederfrequente Anteil wird auf zwei
angepaßte Filter 37 gegeben, auf eines der
beiden Filter 37 durch die Verzögerungs
leitung 36 verzögert. Die angepaßten Fil
ter 37 dienen sowohl der genauen Feststel
lung, wann der Fächerstrahl 2 den Sensor
kopf 30 passiert hat, wie auch zur Feststel
lung zur Abweichung der Orientierung des
Sensorkopfes 30 von der Sollrichtung.
In Abhängigkeit von dieser Abweichung
regelt die Auswerteeinheit 26 den Motor 24
des Sensorkopfes 30 nach.
Wie die angepaßten Filter die Abweichung
erkennen, ist in Fig. 5 näher gezeigt.
Der Laserstrahl hat eine wesentlich schärfere
Bündelung, als mit der Optik und einer
empfindlichen Photodiode 5 erreichbar wäre.
Der sich daraus ergebende, an der Photodi
ode 5 meßbare Pegelverlauf 44 ergibt sich
durch Überlagerung der Richtdiagramme des
Lasers 40 und der Photodiode 43.
In der Überlagerung ergibt sich im Pegelver
lauf eine Asymmetrie, wenn die beiden
Richtdiagramme gegeneinander verschoben
sein sollten.
Diese Asymmetrie, die an den Pegeln von 42
gegenüber 41 und 46 gegenüber 45 erkennbar
ist, läßt sich für die Nachregelung der
Rotation des Sensorkopfes 30 verwenden.
Den vom Mikroprozessor 27 gesendeten
Datensatz mit dem Ort des Laserscanners
und der momentanen Senderichtung empfangt
die Auswerteeinheit 26 über den Da
tendemodulator 35.
Die Auswerteeinheit 26 vergleicht nun den
von den angepaßten Filtern 37 gemeldeten
Zeitpunkte mit dem Inhalt des empfangenen
Datensatzes und kann damit schon die
Richtung bestimmen, in der sich der mobile
Roboter aus der Sicht des Laserscanners 1
befindet.
Durch zwei solcher Nachrichten kann die
Auswerteeinheit 26 mit Hilfe der Triangula
tion ihren eigenen Standort feststellen.
Da der Winkelkodierer 24 des mobilen Ro
boters die Empfangsrichtung in Bezug auf
die Fahrzeuglängsrichtung angibt, läßt sich
so auch die Fahrtrichtung bestimmen.
Unter der Annahme der weiter oben genann
ten Werte für Öffnungswinkel und Umdre
hungsgeschwindigkeit und der Annahme, daß
sich Orts- und Winkelangabe mit 64 Bit
ausdrücken lassen, ergibt sich, daß für die
Sendung von 64 Bit nur 7,9 µs zur Verfü
gung stehen und daß diese Nachricht alle
7,9 µs wiederholt werden muß.
Daraus ergibt sich eine Datenübertragungsra
te von etwa 8 MBit/s, was durchaus in der
Modulationsbandbreite von Halbleiterlasern
liegt.
Die für eine hohe Datenübertragungsrate
erforderliche hohe Bandbreite reduziert bei
gegebener Empfindlichkeit des Empfängers
aber die Reichweite.
Es wäre nun möglich, die Strahlweite des
Lasers aufzuweiten und die Datenrate zu
reduzieren, was aber die Winkelauflösung
reduziert.
Eine weitere Möglichkeit wird hier in Aus
gestaltung der Erfindung gewählt. Dazu wird
das Prisma 21 des Lasers in der Horizontalen
so geformt, daß sich im Fernfeld ein Interfe
renzmuster ergibt mit beispielsweise dem in
Fig. 6 gezeigten Pegelverlauf 47. Geeignete
Verfahren zur Strahlformung sind bekannt
und werden in der Mikrowellentechnik für
Spezialantennen eingesetzt. Der Strahl ist
nun insgesamt um den Faktor 5 breiter
geworden, wodurch sich einerseits die
Beleuchtungsdauer erhöht und andererseits
der absolute Empfangspegel zurückgeht.
Beide Faktoren halten sich in etwa die
Waage, so daß kaum Verlust an Empfind
lichkeit zu erwarten ist.
Zusätzlich aber kann nun die Datenrate um
ebenfalls den Faktor 5 reduziert werden, was
eine Reduktion der Bandbreiten erlaubt und
damit letzlich eine Steigerung der Empfind
lichkeit.
Die Winkelmeßgenauigkeit bleibt erhalten,
wenn die angepaßten Filter 37 auf das Inter
ferenzmuster optimiert sind.
Es liegt nahe, die angepaßten Filter 37 digital
mit einem Signalprozessor auszuführen. Zur
Minimierung von Fehlern ist es dabei
vorteilhaft, die Datenrate des Modems 31, die
Abtastrate bei der Digitalisierung und die
Frequenz des Interferenzmusters 47 in Kohä
renz zu bringen, wobei sich die Frequenz des
Interferenzmusters aus der Drehgeschwindig
keit und dem Differenzwinkel der Maxima
der Interferenz ergeben.
Die Übertragung des Sollwinkels durch die
Laserscanner kann entfallen, wenn der mobi
le Roboter ebenfalls mit einem Normalfre
quenzempfänger 28 ausgerüstet ist, das
Signal des Normalfrequenzsender empfangen
und den Sollwinkel so selbst ermitteln kann.
Dadurch können die Datenübertragungsrate
und die Übertragungsbandbreite reduziert
und die Reichweite entsprechend erhöht
werden.
Eine weitere Reduktion der Datenübertra
gungsrate ist möglich, indem die Orte der
Laserscanner 1 in den Auswerteeinheiten 26
gespeichert sind und der Laserscanners 1 mit
einem kurzen Kode lediglich seine Identität
meldet, wofür wenige Bit ausreichen.
Das Verfahren, die Präzision der Winkel
messung durch ein Interferenzmuster zu
erhöhen, läßt sich genausogut auch auf die
Einrichtung zur Vermessung des Roboter
armsverwenden.
Damit ist gezeigt, daß sich mit rotierenden
Laserstrahlen Orte bei einem vertretbaren
Aufwand präzise vermessen lassen.
Claims (7)
1. Einrichtung zur Bestimmung der Position
eines Objektes mit einem mit dem Objekt
verbundenen Photoempfänger und einer
Auswerteeinheit,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Laserscanner je zu vermessender Raumachse jeweils einen Fächerstrahl sendet, der individuelle Merkmale aufweist,
daß die Auswerteeinheit Kenntnis von dem Ort und der momentanen Senderich tung der Laserscanner hat oder bekommt, daß der Photoempfänger oder die Aus werteeinheit über Einrichtungen verfügt, die anhand der Merkmale eines Fächer strahls den zugehörigen Laserscanner identifizieren können,
und daß die Auswerteeinheit anhand der Zeitpunkte, zu denen der Photoempfänger von einem Fächerstrahl getroffen wird, sowie der bekannten Orte der Laserscan ner und ihrer Senderichtung den Ort des Photoempfängers ermittelt.
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Laserscanner je zu vermessender Raumachse jeweils einen Fächerstrahl sendet, der individuelle Merkmale aufweist,
daß die Auswerteeinheit Kenntnis von dem Ort und der momentanen Senderich tung der Laserscanner hat oder bekommt, daß der Photoempfänger oder die Aus werteeinheit über Einrichtungen verfügt, die anhand der Merkmale eines Fächer strahls den zugehörigen Laserscanner identifizieren können,
und daß die Auswerteeinheit anhand der Zeitpunkte, zu denen der Photoempfänger von einem Fächerstrahl getroffen wird, sowie der bekannten Orte der Laserscan ner und ihrer Senderichtung den Ort des Photoempfängers ermittelt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
daß jeder Laserscanner über eine Einrich
tung verfügt, die den Laserstrahl mit ei
nem Datensatz moduliert, der Ort und
momentane Senderichtung angibt, und
daß der Photoempfänger über eine geeig
nete Einrichtung zum Lesen dieser Daten
verfügt.
3. Einrichtung nach einem der vorgenannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß in Laserscannern mit achsparalleler
Abtastung eine Einrichtung zur win
kelsynchronen Abtastung vorhanden sind,
um eine gleichzeitige Beleuchtung der
Photoempfänger zu vermeiden.
4. Einrichtung nach Anspruch 4 für die
Ortsbestimmung in einer größeren Fläche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Photoempfänger mit einer bün
delnden Optik ausgestattet ist, die
winkelsynchron mit den Laserscannern
abtastet, jedoch mit einer Abweichung
von 180°, so daß sie immer auf denjeni
gen Laserscanner zeigt, der sie gerade
anstrahlt.
5. Einrichtung nach einem der vorgenannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserempfänger die Ausrichtung
seiner Empfangsoptik regelt durch Aus
wertung der unterschiedlichen
Richtcharakteristiken von Laserscanner
und Empfangsoptik.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet,
daß der Laserscanner zur Steigerung der
Reichweite ein Interferenzmuster als Fächerstrahl
aussendet und der Empfänger
das Muster mit einem angepaßten Filter
detektiert.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2
bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit mobil ist und wie
die Laserscanner mit einem Zeitemp
fänger ausgerüstet ist, und sowohl
Laserscanner als auch die Auswerteein
heit die momentane Senderichtung aus der
gemeinsam empfangenen Zeit ableiten.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944415419 DE4415419A1 (de) | 1994-05-02 | 1994-05-02 | Positionsmesseinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944415419 DE4415419A1 (de) | 1994-05-02 | 1994-05-02 | Positionsmesseinrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4415419A1 true DE4415419A1 (de) | 1995-11-09 |
Family
ID=6517069
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944415419 Withdrawn DE4415419A1 (de) | 1994-05-02 | 1994-05-02 | Positionsmesseinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4415419A1 (de) |
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