DE4415419A1 - Positionsmesseinrichtung - Google Patents

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.

Beschreibung

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.

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.