DE4427724A1

DE4427724A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer winkelabhängigen Größe

Info

Publication number: DE4427724A1
Application number: DE19944427724
Authority: DE
Inventors: Alexander W Prof Dr-Ing H Koch; Olaf Dipl Ing Toedter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1994-08-05
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-06
Also published as: DE4427724C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Messen einer winkelabhängigen Größe. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, befaßt sich die Erfindung mit der Messung von Winkeln zur optischen trigonometrischen Vermessung und/oder Entfernungsbestimmung unter Benutzung einer Meßbasis. Hieraus abgeleitet können Geschwindigkeiten und Beschleunigun gen längs vorgegebenen Achsen gemessen und bestimmt werden.

Optische Vermessungsinstrumente mit optischen Visiereinrich tungen zur Feststellung des Azimutwinkels oder des Höhenwinkels sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt geworden. Da die mechanische Winkelablesung nur eine begrenzte Genauigkeit lie fert, sind auch bereits elektronische, drehempfindliche Vor richtungen bekanntgeworden, die auf dem Kreiseleffekt beruhen. Diese Anordnungen sind jedoch sehr aufwendig und teuer. Sie sind beispielsweise für Navigationszwecke geeignet.

Andere Verfahren der Triangulationsmessung beruhen auf der Detektion von auf der Objektoberfläche spiegelnd reflektiertem Licht mit Hilfe einer positionsempfindlichen Diode (PSD). Der Arbeitsabstand dieser Systeme liegt, bedingt durch die stören de Aufweitung eines Lichtstrahls, bei maximal einigen cm. In vielen technischen Anwendungen kann zudem eine spiegelnde Re flexion nicht gewährleistet werden, im allgemeinen besitzen technische Oberflächen eine im Vergleich zur eingestrahlten Wellenlänge rauhe Oberfläche, wobei eine diffuse Streuung re sultiert.

Die DE 41 15 785 C2 beschreibt ein Verfahren zur optischen Distanzvermessung eines Objektes nach dem Triangulationsprinzip, wobei als Detektionssignal die Position des Detektorstrahles auf einem PSD ausgegeben wird.

Darüber hinaus existieren Entfernungsmeßverfahren, welche die Laufzeit eines kurzen Laserpulses als Meßsignal ausnutzen. Wegen der zu kurzen Zeiten hin begrenzten Pulsdauer des Lasers sind diese Verfahren jedoch für größere Entfernungen, ab typisch einige 10 m bis einige km einsetzbar.

Die DE 42 34 849 C1 beschreibt ein optisches Wegmeßsystem, bei welchem als Detektor eine CCD-Zeilenkamera Verwendung findet.

Die herkömmlichen Verfahren zum optischen Abtasten von Objek ten besitzen jedoch den Nachteil, daß eine Triangulation nur bei spiegelnder Rückstreuung durchgeführt werden kann. Im technischen Einsatz ist es jedoch notwendig, daß nacheinander verschiedene Objekte erfaßt werden, auch solche mit einer im Vergleich zur eingestrahlten Wellenlänge rauhen Oberfläche.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches in einer einfachen, tragbaren Vorrichtung verwirklicht werden kann, um Winkel zwischen optisch erfaßbaren Punkten mit hoher Genauigkeit und Auflö sung zu messen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs teil der Patentansprüche 1 bzw. 2 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung beruht daher auf der Erkenntnis, daß die Winkel messung auf eine Zeitmessung zurückgeführt werden kann, indem die Zeit gemessen wird, die ein abgelenkter Strahl, beispiels weise ein Laserstrahl, aber auch ein anderer elektromagneti scher Strahl, benötigt, um von einem Bezugsobjekt nach einem Meßobjekt zu gelangen. Die Ablenkgeschwindigkeit, d. h. die Winkelgeschwindigkeit, kann dabei konstant sein, aber es kann auch eine beschleunigte oder eine verzögerte Bewegung sein, Voraussetzung ist lediglich, daß man die Beziehung zwischen der Ablenkgeschwindigkeit und der Zeit kennt. Die Ablenkung kann mittels rotierender Reflektoren erfolgen, sie kann jedoch auch aus einer begrenzten Winkelschwenkbewegung bestehen.

Auf diese Weise lassen sich nicht nur Winkel mit einfachen Mitteln präzise messen, sondern auch alle abgeleiteten Größen, wie z. B. Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung. Insbe sondere können jedoch Entfernungen längs einer vorbestimmten Achse bestimmt werden, woraus eine Geschwindigkeitsbestimmung durch mehrere Messungen innerhalb eines definierten Zeitfensters durchgeführt werden kann.

Ferner kann die Erfindung zur Fahrzeugscannung mittels mehre rer Meßpunkte benutzt werden, um ein Fahrzeug bei der Verkehrs überwachung und zur Fahrzeugklassifikation wiederzuerkennen.

Ferner können verschiedene Objekte innerhalb einer Produktions verfolgung abgetastet werden, und es ist es auch möglich, die Erfindung in Form eines Theodoliten mit Neigungssensor zu ver wirklichen. In der Meteorologie kann die Erfindung Anwendung finden zur Feststellung von Regen, Schnee und Nebel. Als Licht schranke kann die Erfindung ohne den sonst üblichen gegen überliegenden Detektor verwendet werden. Schließlich ist eine Vermessung von Gußteilen in einer Eisengießerei während der Produktion ins Auge gefaßt.

Ferner können die zu erfassenden Parameter der Objekte sich beziehen auf Veränderungen der Oberflächenstruktur, auf Ver änderungen der Oberflächenrauhheit, auf Veränderungen des Relativabstandes und Veränderungen der Geschwindigkeit und/ oder der Beschleunigung.

Vorstehend wurden nur einige von zahlreichen Anwendungen be schrieben, für die die Erfindung benutzt werden kann.

Durch die Erfindung wird es demgemäß möglich, mittels einer einfachen, tragbaren Vorrichtung lokale Objekteigenschaften zeitlich aufgelöst zu realisieren, wobei eine berührungslose, zerstörungsfreie, zeitlich und lokal hoch aufgelöste Messung mit variablem Meßbereich vorgenommen werden kann.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Dieses in der Anwendung nicht be schränkende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Entfer nungsmessung durch Winkelbestimmung nach dem trigonometrischen Prinzip.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der optischen Trigulationseinrichtung mit einem Laser und zwei Detektoren;

Fig. 2 das Meßprinzip, welches die Entfernungs messung mittels eines Rotationsspiegels (Polygonspiegel) auf eine Zeitmessung zurückführt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Auswerteeinheit mit Mikrokontroller;

Fig. 4 ein typisches Meßsignal bei der Detektion;

Fig. 5 das Meßsystem mit räumlich verteilten und entkoppelten Moduln;

Fig. 6 und 7 Meßanordnungen mit mehreren gegenläufigen Drehspiegeln;

Fig. 8 eine Entfernungsmeßanordnung, die einen Pulslaser benutzt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel findet die Erfindung Anwendung bei einer Vorrichtung zur Laserentfernungsmessung im mittleren Entfernungsbereich von 0,5 bis 50 m. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur adaptiven Beeinflussung eines solchen Entfernungssensors.

Das in der Erfindung eingesetzte Triangulationsverfahren wird in vielfältiger Weise im Zusammenhang mit positionssensitiven Detektoren und CCD-Zeilen eingesetzt. Durch die relativ klei nen räumlichen Abmaße solcher Lateraldioden wird ein lang reichweitiges Triangulationsmeßgerät geschaffen, welches durch den Einsatz eines Mikrokontrollers portabel und kostengünstig ist und mit einer Auflösung im Bereich weniger Millimeter mißt.

Das in der Erfindung beschriebene Meßgerät realisiert das die Entfernung ergebende Dreieck aus dem einfallenden und dem re flektierenden Laserstrahl eines rotierenden Spiegels 3 und der Achse vom diffus reflektierten Laserstrahl und dem diesen Leuchtfleck detektierenden Entfernungssensor 1 (Fig. 1). Bei einer bekannten, vom Sensor meßbaren Winkelgeschwindigkeit ω und mit Benutzung eines Referenzdetektors 2 zur Erzeugung eines Startsignals läßt sich aus der Zeitdifferenz zwischen dem Licht signal des Entfernungsdetektors 1 und dem Lichtsignal des Referenzdetektors 2 die Entfernung x₁ (Fig. 1) nach folgen der Gleichung bestimmen:

Die in der Gleichung vorkommenden Größen x₁ und x₃ ergeben sich aus der Geometrie des Aufbaus und können je nach gewünsch ten Abmaßen des Sensors und seiner Auflösung gewählt werden. Der Faktor 2, mit dem die gemessene Zeit t_mess belastet wird, ergibt sich aus dem Verhältnis der geometrischen und der Spie gelwinkel (Fig. 2).

Der Einsatz eines verspiegelten Polygons führt zu einer wesent lichen Erhöhung der Meßfrequenz bei konstantem Meßfehler. Die Zeitmessung erfolgt nach einer Signalpegelanpassung direkt mit
den Timer-Eingängen eines Mikrokontrollers (Fig. 3). Die in diesem Mikrokontroller ablaufende Software berechnet den Ent fernungswert und gibt diesen auf dem LC-Display aus.

Über die Position des Referenzdetektors und dem daraus resul tierenden Winkel α₂ läßt sich die zu messende Zeitdifferenz je Entfernungsbereich in einen für den Mikrokontroller opti malen Zeitmeßbereich bringen.

Eine Änderung des Einstrahlwinkels des Lasers gegenüber der Achse x₃ ermöglicht bei entsprechender Flächenwahl des Poly gonspiegels die Beschränkung des Meßbereichs in beide Rich tungen und realisiert in dieser Weise sowohl eine Vordergrund als auch eine Hintergrundausblendung. Wird hingegen ein größe rer Meßbereich gewünscht, muß dieser Forderung mit einer ge ringeren Flächenzahl des Polygonspiegels Rechnung getragen werden.

Die sich mit dem neuen Einstrahlwinkel ergebende Gleichung zur Bestimmung der Entfernung des Meßobjektes lautet:

Der Entfernungsdetektor zur Detektion des diffus reflektier ten Laserstrahls besteht aus zwei integrierten Photoempfängern mit analoger Tageslichtsubstraktion und einem Normalobjektiv zur optimalen Abbildung des Laserflecks auf den Photoempfänger. Mittels einer Gewindestange können die Photodetektoren und das Objektiv in den optimalen Abstand zueinander gebracht werden, um eine bestmögliche Leistungsausbeute des mit 1/r² abnehmen den Lichtsignals zu gewährleisten. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, zusätzliche Filter zu montieren, um in verschiedenen Wellenlängenbereichen arbeiten zu können (z. B. im nahen Infra rotbereich). Durch das Innere der Gewindestange werden die Ver sorgungsspannung und das vorverarbeitete Signal herausgeführt.

Die Gesetzmäßigkeiten eines Lambert′schen Strahlers, den die diffuse Reflexion darstellt, erfordern eine adaptive Messung des Lichtsignals, um den optimalen Zeitpunkt zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird mittels eines Peakholders über den A/D-Wandler des Mikrokontrollers der maximale Pegel des diffus reflektierten Lichtsignals bestimmt und in Abhängigkeit von diesem Wert ein programmierbarer Verstärker zur Signalanpassung angesteuert. Um Messungen mit den geforderten Meßabweichungen im Bereich weniger Millimeter durchführen zu können, ist unbedingt eine Drehzahl regelung der Umdrehungsgeschwindigkeit ω erforderlich. Da die Erfindung auch zur Messung von Geschwindigkeiten und zum Abscan nen von bewegten Objekten (z. B. Autos) geeignet ist, und um es dem Benutzer zu ermöglichen, das Meßgerät optimal auf die Bedürfnisse anzupassen, ist eine Sollwertvorgabe durch den Mikrokontroller vorgesehen. Der Sollwert und andere Systemgrößen können mittels einer Tastatur eingegeben werden.

Zur Vergrößerung der Auflösung des Entfernungsmessers kann das Meßgerät in zwei Komponenten aufgeteilt werden; einen Sender, bestehend aus dem Laser und dem Drehspiegel und dem Referenz signalgeber, und einen Empfänger, bestehend aus dem Entfernungs detektor. Die Kommunikation zwischen den beiden Komponenten erfolgt über Funk oder über eine serielle Schnittstelle. Die durch diese getrennte Anordnung mögliche Auflösung der zu mes senden Entfernung wird dann im wesentlichen nur noch durch die Gleichlaufschwankungen des Spiegels, die zeitliche Auflösung und das Rayleighkriterium bestimmt. Sichtkontakt ist hierbei nur vom Sendermodul zum Meßobjekt und vom Meßobjekt zum Empfän ger notwendig (Fig. 5). Bei weiten Wegen zwischen den beiden Moduln ist es notwendig, zum Ausgleich der Signallaufzeiten in beiden Moduln eine gemeinsame Zeitbasis einzusetzen (z. B. DCF oder GPS), mittels derer Start- und Endzeitpunkt als Absolutzeitwerte bestimmt werden, deren Differenz-Zeitpunkt unkritisch ausgewertet werden kann.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ergibt sich aus Fig. 6. Hier sind zwei gegenläufige Drehspiegel 3 in der Drehachse überein ander zusammen mit einem Strahlteiler 10 angeordnet. Der Strahl teiler 10 dient zum Auskoppeln der Reflexion. Hiermit kann gleichzeitig die Länge und Geschwindigkeit eines abgescannten Meßobjektes gemessen werden, das sich quer zum Beobachter erstreckt. Befindet sich das Meßobjekt in Ruhe (V₀ = 0) läßt sich aus dem zeitlichen Verlauf des Reflexionssignales bei bekannten Abstand d zum Meßobjekt dessen Länge l₀ berechnen.

v_spiegel ≈ ω · d
l₀ = ω · d · Δt

Mit zunehmender Geschwindigkeit verschieben sich die Endpunkte der beiden Reflexionssignale immer weiter auseinander. Aus dem Verhältnis der aus den verschiedenen Drehrichtungen hervorge gangenen Signale berechnet sich die gesuchte Geschwindigkeit des Meßobjektes wie folgt:

Grundlage dieser Berechnung ist die Entfernung d, die mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel trigonometrisch gemessen wurde.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Messung aller gewünschten Größen (d, l₀, v₀)möglich ist. Der Einsatz eines Mikrocontrollers macht diese Ausführung zu einem universellen Meßgerät, das beispielsweise in der Verkehrstech nik aber auch in der Prozeßverfolgung angewandt werden kann.

Ein weiteres wichtiges Ausführungsbeispiel betrifft die hoch präzise Überwachung von Drehzahlschwankungen. Hierzu werden bei einer fest eingestellten Entfernung die Schwankungen der Zeitdifferenzen erfaßt und mittels dieser Abweichungen die Schwankungen der Drehzahl im gewählten Winkelbereich nach der folgenden Formel errechnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 wird zur Entfernungs messung ein Pulslaser 4 benutzt, dessen Triggerzeitpunkte von einem Pulsgenerator vorgegeben werden. Jeweils zwei Zeitpunkte definierten Abstandes Δt werden in einem festen Zeitrahmen ausgesandt. Dieser Zeitrahmen wird, wie auch die Drehgeschwin digkeit des Rotationsspiegels 8, von einem Referenzgenerator vorgegeben. Durch die um Δt verschobenen Signale des Spiegels wird ein Puls direkt zum Meßobjekt und ein Puls über den Um lenkspiegel zum Meßobjekt abgestrahlt.

Mittels der Variation der Zeitverschiebung Δt der beiden Pulse lassen sich beide Strahlen auf dem Meßobjekt zur Deckung bringen, was wiederum von einem Detektor erfaßt werden kann. Aus dieser eingestellten Zeitverschiebung und der Winkelge schwindigkeit des Rotationsspiegels wird die sich aus dem Strahlendreieck ergebende Entfernung zum Meßobjekt berechnet.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer winkelabhängigen Größe gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- es wird ein Meßstrahl auf einen Reflektor gerichtet, der wenigstens über den zu messenden Winkelbereich schwenkbar ist;
- der reflektierte Meßstrahl wird nacheinander auf wenigstens zwei im Winkelabstand (mit dem Reflektor als Scheitelpunkt) zueinander angeordnete Detektoren gerichtet, die bei Empfang des reflektierten Meßstrahles ein Signal liefern;
- es wird der zeitliche Abstand der von den Detektoren gelieferten Signale bestimmt;
- aus dem zeitlichen Schwenkverlauf des Reflektors und dem zeitlichen Abstand der Signale wird der von den Detektoren eingeschlossene Winkel bestimmt.

2. Verfahren zur Messung einer winkelabhängigen Größe gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- es wird ein Meßstrahlimpuls oder eine Impulsfolge auf einen Reflektor gerichtet, der wenigstens über den zu messenden Winkelbereich schwenkbar ist;
- der bzw. die reflektierten Impulse werden auf einen Detektor gerichtet, der in dem zu bestimmenden Winkel (mit dem Reflektor als Scheitelpunkt) gegenüber der Meßstrahlquelle angeordnet ist;
- es wird der zeitliche Abstand zwischen dem abgestrahlten und dem empfangenen Impuls gemessen;
- aus dem zeitlichen Schwenkverlauf des Reflektors und dem zeitlichen Abstand der Impulse wird der von der Meßstrahlquelle und dem Detektor einge schlossene Winkel bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Entfernungs messung nach einem Meßobjekt der vom Reflektor reflektierte Meßstrahl auf das Meßobjekt gerichtet und von diesem nach dem einem Detektor gerichtet wird, wobei die Entfernung trigonometrisch aus dem gemessenen Winkel und einer Meßbasis berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßstrahl ein Laserstrahl verwendet wird, der durch den Reflektor kontinuierlich oder diskontinuierlich zwischen Referenzdetektor und Meßobjekt verschwenkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflektor ein rotierender Polygonspiegel Verwendung findet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur adaptiven Messung ein Peak holder in Kombination mit einem Analog-Digital-Wandler ver wendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßbasis (x₃) eine Funk verbindung zwischen Referenzdetektor und Entfernungsdetektor vorgesehen ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastbewegung des Sensor strahls durch einen akusto-optischen Modulator oder eine andere elektro-optische Vorrichtung bewirkt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Korrelation zwischen Lauf zeitmessung und Winkelzeitdifferenzmessung eine Ausblendung unerwünschter Reflexionen bewirkt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender-Array mit Laserstrah len eine flächige Abtastung mit Winkelbestimmung bewirkt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß detektierte, zeitliche Intensi tätsverläufe mit abgespeicherten Werten verglichen werden.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dauerstrichlaser (4) vorge sehen ist, dessen kohärenter Lichtstrahl auf einen Dreh spiegel (3) gerichtet ist, und daß im Schwenkbereich des vom Spiegel (3) reflektierten Laserstrahls ein Referenz detektor (2) und ein Entfernungsdetektor (1) angeordnet sind, und daß ein Komparator vorgesehen ist, der die vom Referenzdetektor (2) und vom Entfernungsdetektor (1) ge lieferten Signale vergleicht und aus der Zeitdifferenz den Drehwinkel ableitet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur trigonometrischen Messung der Meßsensor (1) auf das Meßobjekt gerichtet ist, das den vom Drehspiegel reflektierten Laserstrahl längs der Detek torachse reflektiert.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl mit Drehspie gel (3) auf einem diffus reflektierenden Meßobjekt ein ent fernungsabhängiges Dreieck bildet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit räumlich verteilte Detektorsysteme in fester Winkelbezie hung angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Zeitbasis (GPS, DFC) zur Bestimmung korrelierter Absolutwertmessungen vor gesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der gemeinsamen Zeitbasis durch eine Datenverbindung beispielsweise mit Hilfe elektromagnetischer Wellen realisiert ist.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenläufige Drehspiegel (3) vorgesehen sind, die in Verbindung mit einem Auskopp lungsstrahlteiler (10) bei festem Abstand (d) die Geschwin digkeit eines quer zum Beobachter bewegten Objektes fest legen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenläufigen Spiegel (3) um die gleiche Achse rotieren.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenläufig rotierenden Spiegel in einem vorbestimmten Abstand zueinander ange ordnet sind, wobei diese Spiegel über einen in der Mitte dazwischen angeordneten Strahlteiler (10) beaufschlagt werden, der seinerseits von einem Laser (4) bestrahlt wird.

21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulslaser (4) vorgesehen ist, dessen Triggerzeitpunkte von einem Pulsgenerator vor gegeben werden, wobei jeweils zwei Zeitpunkte definierten Abstandes Δt in einem festen Zeitrahmen ausgestrahlt werden (Fig. 8).

22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welchem einer der Detektoren durch einen die Spiegel stellung erfassenden Signalgeber ersetzt ist.

23. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22 zur Feststellung von Drehzahlschwankungen rotierender Teile.