DE60033794T2

DE60033794T2 - Kalibration eines optischen senders für positionsmesssysteme

Info

Publication number: DE60033794T2
Application number: DE60033794T
Authority: DE
Inventors: Thomas M. Sterling HEDGES; Scott Sterling CASTEEL; Thomas Sterling CUFF; Timothy Sterling PRATT; Rick Sterling SLATER; Donald Sterling TODD
Original assignee: Arc Second Inc
Current assignee: Nikon Metrology NV
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: EP1166042A1; WO2000057133A1; AU3766500A; DE60033794D1; EP1166042B1; CA2366730A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich Positionsmessung und spezieller ein(e) verbesserte(s) Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen von positionsbezogenen Informationen.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Es ist in der Technik eine Reihe verschiedener Methoden zur Positionsmessung bekannt, einschließlich Landvermessungstechniken und GPS-(Global Positioning Satellite)-Systemtechniken.
Viele dieser Methoden werden durch teure Geräte eingeschränkt, häufig aufgrund der Komplexität der Herstellung komplexer Geräte mit hoher Präzision und Genauigkeit. Zusätzlich erfordern viele dieser Methoden umfangreiches Training und können daher von nicht fachkundigen Personen nicht angewendet werden. Die GB-2213673 zeigt ein optisches Positionsermittlungsgerät, bei dem die Winkelparameter der Fächerstrahlen kalibriert werden müssen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten und kostenarmen optischen Sender bereitzustellen, der viele der mit Positionsmesssystemen des Standes der Technik assoziierten Probleme überwindet.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung der Anmelder, ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines kostenarmen und stabilen optischen Senders bereitzustellen, der in einem Positionsmesssystem nützlich ist.
Die US 5,884,239 offenbart ein System zum Überwachen der Position und Ausrichtung eines Objekts innerhalb eines Messvolumens. Am Überwachungsobjekt werden wenigstens 4 optische Sensoren angebracht. Die 4 optischen Sensoren dürfen nicht koplanar sein. Nach dem Anbringen der 4 optischen Sensoren am Objekt wird eine mathematische Matrix berechnet, die die Positionen der 4 optischen Sensoren auf das Objekt bezieht (Spalte 9, Zeilen 53–63). Nach dem Berechnen der Matrix kann das System zum Überwachen von Position und Lage des Objekts verwendet werden. Das System beinhaltet einen Scanner, der zwei planare (fächerförmige) Lichtstrahlen in Richtung auf die optischen Sensoren sendet. In einer Ausgestaltung wird eine horizontale Lichtebene vertikal abwärts durch das die Sensoren enthaltende Messvolumen abgetastet. Dann wird eine vertikale Lichtebene horizontal von links nach rechts durch das die Sensoren beinhaltende Messvolumen abgetastet. Die horizontale und die vertikale Lichtebene werden mit im Wesentlichen konstanter Winkelgeschwindigkeit abgetastet. Jeweilige Zeituhren werden zum Ermitteln der Zeitpunkte verwendet, wann die horizontale und die vertikale Lichtebene auf die einzelnen Sensoren fallen werden gemessen [sic]. Diese Zeitpunkte können dann zum Berechnen von Position und Lage der 4 optischen Sensoren und somit von Position und Lage des Objekts verwendet werden. Um Synchronisation zwischen dem Scanner und den Zeituhren zu erzielen, kann der Scanner entweder einen Taktimpuls aussenden oder ein zusätzlicher Lichtsensor kann an einem festen Ort innerhalb des Messvolumens vorgesehen werden (Spalte 7, Zeilen 24–31). In anderen Ausgestaltungen werden anstatt der horizontalen und vertikalen Lichtebene abgewinkelte Lichtebenen verwendet. In einer Ausgestaltung strahlt der Scanner zwei Lichtebenen aus, die jeweils in einem vorbestimmten Winkel relativ zur Vertikalen liegen, und diese Lichtebenen werden um eine gemeinsame Achse gedreht (13, Spalte 13, Zeilen 48–57, 11).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das in der vorliegenden Offenbarung beschriebene System enthält auf allgemeiner Ebene mehrere Sender und ein Empfangsgerät. Der Sender sendet Signale von seinen stationären Orten und der Empfänger empfängt diese Signale. Im vorliegenden System werden Laserstrahlen und LEDs als Signale verwendet. Das Empfangsgerät ermittelt dann ein Koordinatensystem und berechnet seine Position und sortierte sonstige Informationen von Interesse anhand dieser empfangenen Signale. Das Empfangsgerät zeigt die Informationen dann über eine Benutzerschnittstelle an. Die Informationen können beispielsweise der Ort des Empfangsgerätes oder sein Abstand von einem anderen Ort sein.
Wie aus der vorliegenden Offenbarung deutlich hervorgeht, kann die vorliegende Erfindung auf eine Reihe verschiedener Bereiche, Anwendungsgebiete, Industrien und Technologien angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann, ohne Begrenzung, mit jedem beliebigen System umgesetzt werden, in dem Informationen über Positionen ermittelt werden müssen, einschließlich, ohne Begrenzung, Bewegung, Dimensionsmessungen sowie Positions- und Lageverfolgung. Dazu gehören, ohne Begrenzung, viele verschiedene Prozesse und Anwendungen in einer riesigen Vielfalt von Industriebranchen. Einige dieser Industriebranchen und einige ihrer assoziierten Prozesse oder Anwendungsbereiche sind: Filmherstellung (digitalisierte Modelle, virtuelle Sätze, Kameraverfolgung, automatische Fokussierung), Bauwesen (Handel, Elektrowerkzeuge, Ortsvermessungen, CAD, Gerätesteuerung, Konstruktionsmessung und Layout), Roboter (Roboterkalibrierung, Arbeitszellenkonfiguration, mobile Roboternavigation, Ausgraben gefährlicher Abfallprodukte), Gesetzesvollzug (Abbildung von Unfallszenen, Abbildung von Verbrechensszenen, Fallrekonstruktionen), Computer (3D-Eingabegeräte, Videospiele), virtuelle Realität (erweiterte Realität, virtuelle Arkaden, 3D-Internet-Erfahrungen), Herstellung (Werksautomatisation, Außerbetriebnahme von Einrichtungen, Teileprüfung, Einrichtungswartung, Herstellungswerkzeuge und Inspektion, Herstellungsmessung), Medizin (chirurgische Navigation, „intelligente" OPs, medizinische Instrumente), und Verteidigung (Geländemodellierung, Simulationstraining, Flugeignungsprüfungen, Schiffsnachrüstung und -reparatur, Bioremediation).
Die vorliegende Offenbarung enthält verschiedene Figuren, um eine Reihe verschiedener Konzepte, Komponenten mehrerer Subsysteme, Herstellungsprozesse und Montage mehrerer Subsysteme zu illustrieren.
1. Sender
Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit den im US-Patent 645 2668 beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Die nachfolgende Beschreibung in diesem Teil soll bestimmte Merkmale der US 645 2668 hervorheben. Bestimmte Begleitfiguren, inklusive der Figuren „Rotor/Bearing Housing Assembly" (Rotor/Lagergehäusebaugruppe), der Figur „Laser Assembly" (Laserbaugruppe) und der Figur „Asymmetric Pulse Effect" (asymmetrischer Impulseffekt) geben zusätzliche Details. Weitere Figuren veranschaulichen ebenfalls verschiedene (i) Komponenten eines Senders, (ii) Herstellungsprozesse für Teile eines Senders, und (iii) Betriebskonzepte wie Strahlenfächerung, -verfolgung und senderbezogener Mathematik.
A. Vereinfachter Lichtweg
Aus der US 645 2668 geht deutlich hervor, dass einer der Hauptvorteile der Bogensekunden-Sender die Vereinfachung der Lichtwege ist, exemplifiziert durch die mit dem Kopf rotierenden Laser. Darüber hinaus gibt es im bevorzugten Sender kein Fenster. Daher werden durch die Bewegung des Laserstrahls über ein Fenster keine Verzerrungen verursacht. Wie beschrieben, arbeitet die bevorzugte Ausgestaltung mit einer Linse oder einer anderen mit dem Laser rotierenden Vorrichtung. So werden z.B. durch variable Fenstercharakteristiken oder Einfallswinkel oder zwischen einer rotierenden Linse und einem festen Laser keine Verzerrungen verursacht. Das Fehlen eines festen Fensters vereinfacht auch Herstellung, Wartung und Betrieb. Aufgrund des fehlenden Fensters muss dem Sender eine rotierende Dichtung hinzugefügt werden.
B. Rotationsgeschwindigkeit und Speicherung von Parametern
Wie in der US-645 2668 ebenfalls beschrieben ist, rotieren der Drehkopf sowie die Laser darin um volle 360 Grad mit einer konstanten, aber konfigurierbaren Geschwindigkeit. Die Anwesenheit eines leicht quantifizierbaren Drehpunkts vereinfacht die Algorithmen zum Ermitteln der Position und kann das Einrichten des Systems vereinfachen. Diese Ermittlung wird auch durch das Taktsignal vereinfacht, das in der bevorzugten Ausgestaltung einmal pro Umdrehung des Drehkopfes ausgelöst wird. Für die Genauigkeit in einem Positionsmesssystem darf sich die Winkelgeschwindigkeit des Drehkopfs nicht bei jeder Umdrehung des Kopfes ändern.
Die Geschwindigkeit des Drehkopfs kann mittels einer, in der bevorzugten Ausgestaltung, frei programmierbaren logischen Anordnung („FPLA") konfiguriert werden. Eine solche konfigurierbare Drehzahlregelung lässt es zu, dass ein Empfänger die Sender auf der Basis der Drehgeschwindigkeit der Sender unterscheidet. Die Benutzung mehrerer Sender verbessert, wie die durchschnittliche Fachperson verstehen wird, die Positionserkennung. Weitere Vorteile werden durch die Verwendung von programmierbarer Elektronik (FPLAs, Flash-Memory usw.) erhalten. Die gewünschte Geschwindigkeit kann nicht nur durch Ändern des Takts zu dem die Motordrehzahl regelnden Phasenregelkreis eingestellt werden, sondern die Gesamtverstärkung des Regelkreises kann so programmiert werden, dass die Leistung bei der Geschwindigkeit von Interesse maximiert wird.
C. Strahlentyp und -nummer
Wie in der US 645 2668 beschrieben und in der Technik bekannt ist, wird die Positionserkennung auch durch die Verwendung mehrerer Strahlen und durch Regeln der Form dieser Strahlen verbessert. Diese Strahlen können sich in derselben Drehkopfbaugruppe oder in separaten Drehkopfbaugruppen befinden.
Zwei Strahlen ist die bevorzugte Anzahl pro Drehkopfbaugruppe, aber es können auch mehr Strahlen verwendet werden. Speziell, eine andere Ausgestaltung arbeitet mit vier Strahlen, zwei für kurze Entfernungen und zwei für lange. Die beiden Strahlen für kurze Enfernungen sollten möglichst große Fächerwinkel haben. So kann der Benutzer in der Nähe der Sender arbeiten, wie z.B. in einem Raum. Für große Entfernungen würde der Benutzer normalerweise weiter von den Sendern weg arbeiten. Daher könnte unter diesen Umständen das vertikale Ausmaß der Strahlen zum Maximieren der Reichweite des Systems reduziert werden. Die Strahlen sind vorzugsweise vom Lasertyp III. Die Rotation der Strahlen reduziert jedoch ihre Intensität für den ortsfesten Beobachter, so dass sie als Lasertyp I klassifiziert werden können. Sicherheitsmerkmale sind in die Vorrichtung integriert, um ein Speisen der Laser zu verhüten, wenn der Drehkopf nicht in Bewegung ist. In der bevorzugten Ausgestaltung werden wenigstens zwei Verriegelungen benutzt. Die erste ist vom Phasenregelkreis abhängig. Die Laser werden abgeschaltet, bis das System wenigstens 1024 Phasen-Takt-Zyklen lang (etwa 32 Umdrehungen) phasenstarr ist. Die zweite überwacht die absolute Geschwindigkeit anhand des Einmal-pro-Umdrehung-Indexes auf dem Codierer. Eine Toleranz ist in das System einprogrammiert, derzeit 1 Teil pro 1000. Wenn die Geschwindigkeit außerhalb dieses Fensters liegt, dann darf der Laser nicht arbeiten.
D. Strahlenform
Der Sender bietet Flexibilität beim Einstellen der Strahlen auf die Anwendung. Ein Vorteil ist, dass die Strahlenform für die Anwendung modifiziert werden kann. Kernstück ist, dass die Strahlenform so sein sollte, dass sie das gewünschte Arbeitsvolumen korrekt ausfüllt. Für das Baugewerbe könnte dies ein Raum mit einer Größe von 20 m × 20 m × 5 m sein. Für eine Baumaschinensteuerung könnte dies ein Raum mit einer Größe von 100 m × 100 m × 10 m sein. Durch Modifizieren der Strahlenform kann die Energie ordnungsgemäß geleitet werden.
Die Strahlenform kann auch so geregelt werden, dass Strahlen unterschieden werden. Dies kann für mehrere Strahlen an einem Sender oder an verschiedenen Sendern erfolgen. Für einen bestimmten Sender müssen der erste und zweite Strahl unterschieden werden. Bei einem Ansatz wird ihre relative zeitliche Position in Bezug auf das Stroboskop benutzt. Ein weiterer Ansatz ist es sicherzustellen, dass die Strahlen unterschiedliche Breiten haben („Strahlenbreite" oder „Divergenzwinkel"). Dann könnte z.B. der erste Strahl der „größere" der beiden Strahlen sein.
Das Fächern des Strahls kann mit einer Reihe verschiedener in der Technik bekannter Methoden erfolgen, inklusive, ohne Begrenzung, Stablinsen, Pal-Linsen und zylindrische Linsen. Die Verwendung von Stablinsen bietet einen relativ einfachen Ansatz, während mit Pal-Linsen die Energieverteilung besser reguliert werden kann. Der Strahl wird typischerweise von der Quelle als konischer Strahl ausgestrahlt, dann wird der Strahl von einer Kollimationslinse zu einer Säule geformt und die Säule dann von der Fächerlinse gefächert.
Stablinsen können zum Verbessern der Divergenzregelung verwendet werden. Einer der Hauptvorteile von Stablinsen für die Linienerzeugung ist, dass sie die Qualität des Strahls in der Messrichtung (Strahlrichtung) nicht direkt beeinflussen. Daher sollten sie die Divergenz des Laserstrahls gemäß Einstellung durch die Kollimationsoptik nicht beeinflussen.
Pal-Linsen können zum Erhöhen der Regulierbarkeit der Energieverteilung in der Fächerrichtung verwendet werden. Linsen des PAL-Typs können sogar „gleichförmige" Verteilungen erzeugen, wo die Energie in Richtung der Fächerebene gleichförmig ist. Eine gleichförmige Verteilung ist jedoch häufig ineffizient, wenn potentielle Empfänger nicht gleichförmig entlang der gesamten Fächerebene verteilt sind. In einigen Anwendungen muss vor der Linse ein Brennpunkt erzeugt werden. Bei dieser Ausführung könnte die Anwendung der PAL-Technik den Strahl in der Messrichtung beeinflussen.
Gaußsche Strahlen können ebenfalls zum Maximieren der Leistung des Empfängers verwendet werden. Gaußsche Strahlen sind insofern symmetrische Strahlen, als die Energieverteilung über den Divergenzwinkel oder die Strahlenbreite symmetrisch ist. Wenn eine einfache Schwellentechnik im Empfänger zum Einsatz kommt, dann ist es richtig, dass die Impulse symmetrisch und ohne Absätze oder Seitenkeulen sind. Es ist auch hilfreich, wenn sich die Form der Verteilung über die Entfernung nicht ändert. Es gibt mehrere Impulsformen, die viele dieser Kriterien erfüllen. Die Gaußsche Verteilung erfüllt jedoch alle diese Kriterien. Mit symmetrischen Impulsen, die keine Absätze oder Seitenkeulen haben, kann der Empfänger die Mitte des Strahls erfassen. Nichtsymmetrische Impulse dagegen können verursachen, dass der Empfänger den genauen Zeitpunkt falsch identifiziert, an dem die Strahlenmitte den optischen Detektor des Empfängers schneidet.
E. Stroboskop
In einer offenbarten Ausgestaltung muss der Stroboskopimpuls symmetrisch sein und der Impuls muss im Flash/Strobe-Impulsgenerator geformt werden. Bei einer einfachen Schwellenwertbildungstechnik ist es wichtig, dass der Stroboskopimpuls symmetrisch ist. Ein Rechteckimpuls mit gleichen Anstiegs- und Abfallzeiten ist eine wünschenswerte Impulsform. Der Lichtausgang der LEDs ist direkt [sic...] zu dem durch die LEDs fließenden Strom. Aufgrund der beim Erzeugen des Stroboskopimpulses beteiligten starken Ströme muss mittels eines Impulsformungsnetzwerks gewährleistet werden, dass der Strom bei seinem Fluss durch die Dioden eine Rechteckwelle ist. Der ideale Stroboskopimpuls erzeugt im optischen Detektor des Empfängers eine Impulsform, die mit einem Laserimpuls identisch ist.
F. Kommunikationen und Steuerung
Ein offenbartes System arbeitet mit einem seriellen Port für Kommunikation und Steuerung. So können Kalibrationsdaten und Steuerparameter leicht übertragen werden. Man erinnere sich daran, dass Sender nach ihren Geschwindigkeiten unterschieden werden. Daher ist eine Technik erforderlich, um die Geschwindigkeitsänderungen zu vereinfachen. Zusätzlich müssen dem Empfänger die Senderparameter gegeben werden. Um eine einfache, zuverlässige und einheitliche Technik bereitzustellen, arbeitet die bevorzugte Ausgestaltung mit serieller Kommunikation zwischen dem Sender und dem Empfänger oder Testgerät. Für Testzwecke ist die serielle Verbindung eine gut bekannte RS-232-Verbindung. Für den Einsatz im Feld erfolgt die Verbindung durch einen seriellen Infrarotport. So kann der Sender versiegelt sein und doch mit der Außenwelt kommunizieren. Um Interferenzen mit der Messtechnik zu vermeiden, ist dieser Port nur dann aktiv, wenn die Laser ausgeschaltet sind.
G. VHDL
Viele der digitalen Designs einer offenbarten Ausgestaltung werden in frei programmierbaren logischen Anordnungen (FPLAs) implementiert. Diese Bauelemente erlauben die Programmierung komplexer Designs zu universeller Hardware, die von mehreren Anbietern erhältlich ist. Die Programme für diese Bauelemente werden dann in einer speziellen rechnerverständlichen Sprache VHDL (VHSIC = [very high-speed integrated circuit]-Hardware Description Language) geschrieben. Dies ist dieselbe Sprache, die auch zum Konstruieren von Mikroprozessoren und anderen Halbleiterbauelementen verwendet wird, und ist jetzt als IEEE 1076 standardisiert.
H. Zuführen von Leistung zum Laserkopf
Wie in der US 645 2668 erläutert, sind der Motor und die Zuführung von Leistung zur Drehkopfbaugruppe wesentliche Komponenten eines Senders gemäß der bevorzugten Ausgestaltung.
Es wird ein Drehtransformator verwendet. Es stehen mehrere Techniken zum Speisen von Bauelementen in einem Drehkopf zur Verfügung. Die üblichste ist die Verwendung von Schleifringen. Leider erfordern Schleifringe einen physikalischen Kontakt zwischen den „Bürsten" und dem „Schleifring". Dadurch entsteht Staub im System und kann Variationen der Motordrehzahl verursachen als ein Reibungsdrehmoment variiert. Die bevorzugte Methode ist die Verwendung eines Drehtransformators. Die Transformatortechnik verursacht minimalen Widerstand am Motor. Darüber hinaus ist die Technik aufgrund der Verwendung von Flachsignaltransformatoren als Leistungstransformatoren sehr kompakt.
Auf der Ständerseite des Transformators wird Rücklaufsteuerung eingesetzt. Um die Zahl der Komponenten im Drehkopf minimal zu halten, erfolgt die Spannungsregelung auf der Ständerseite des Transformators. Zum Optimieren der Effizienz wird eine Rücklaufansteuerungstechnik eingesetzt.
I. Rotationsstabilität und -präzision
Die Stabilität des Drehzahlregelsystems und der Antriebsmotoren wird in der integrierten Anmeldung ebenfalls erörtert. Wie die durchschnittliche Fachperson erkennen wird, ist ein Sinuswellen-Antriebsmotor ein kostenarmer Motor mit mit guter Eigenstabilität zwischen Umdrehungen und als solches nützlich beim Gewährleisten einer Rotation mit konstanter Geschwindigkeit.
Die Lagertrennung sollte maximiert werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Jegliches) Präzession und Wobbeln (Gleichlaufschwankungen auf einem Drehteller) sind eine Fehlerquelle im System. Dies führt direkt zu einem Fehler in der „z"-Richtung. Die Verwendung von zwei Präzisionslagern und das Maximieren des Abstands zwischen den Lagern kann diese Fehler minimieren.
Die Stroboskopimpulse werden durch einen an die Motorwelle gebundenen Einmal-pro-Umdrehung-Indikator getriggert. Es gibt viele Möglichkeiten, um diesen Wellenpositionsindex zu erzeugen. Die einfachste und bevorzugte Technik besteht darin, den normalerweise von einem optischen Geber gelieferten Index zu verwenden. Dieser separate Ausgang des Gebers ist direkt äquivalent mit einem Wellenpositionsindex.
Die optische Geberscheibe gibt Rotationsinformationen. Es könnten auch andere Bauelemente verwendet werden, einschließlich, ohne Begrenzung, Tachometer und Synchros. Die optische Geberscheibe besteht gewöhnlich aus Glas und trägt eine Reihe von radialen Markierungen, die beim Rotieren der Scheibe erfasst werden. Darüber hinaus hat die Scheibe typischerweise eine einzelne „Index"-Markierung mit einem anderen Radius, die zum Erfassen vollständiger Rotationen benutzt wird. Das Scheibensystem erzeugt eine Rechteckwelle mit einer Frequenz, die durch die Geschwindigkeit diktiert wird, mit der die radialen Markierungen passieren. Wenn beispielsweise die Scheibe mit 1 Umdr./Sek. rotiert, dann würde ein Scheibensystem mit 1000 Markierungen eine Rechteckwelle von 1000 Hz (1000 radiale Markierungen/Umdr. *1 Umdr./Sek. = 1000 Hz) erzeugen.
Die Drehzahl des Motors wird durch ein Feedback-PLL-(phase-locked loop/Phasenregelkreis)-System geregelt. Die Rechteckwelle des Scheibensystems ist ein Eingang, ein Taktsignal vom Sendersystem ist der andere Eingang. Der Sendertakt hat eine wählbare Frequenz. Der Ausgang des PLL dient zum Regeln der Drehzahl des Motors, so dass der PLL auf der gewählten Frequenz gerastet bleibt.
Die Indexmarkierung der Scheibe kann auch zum Aktivieren des Stroboskopimpulses bis zu einmal pro Umdrehung verwendet werden.
J. Niedrige Herstellungskorten
Wie hierin nach dem Betrachten der Kalibrierungseinrichtung ausführlicher beschrieben wird, muss ein Sender stabil sein. Ferner ist es wichtig, dass das Empfangsgerät die Betriebsparameter des Senders genau kennt. Der derzeitige Herstellungsprozess für den Sender gibt diese Betriebsparameter mit einer Präzision vor, die niedriger ist als die, die von den Empfangsgeräten benötigt wird. So kann der Herstellungsprozess relativ kostenarm sein. Die benötigte Präzision wird im Charakterisierungsprozess erzielt, der mit der nachfolgend beschriebenen Kalibrierungseinrichtung arbeitet.
2. Kalibrierung
Wie nachfolgend erörtert, erläutert die Kalibrierungseinrichtung den Vorgang des Ermittelns mehrerer Hauptparameter des Senders. Diese Parameter müssen dem Empfangsgerät gegeben werden, damit es die Positionsberechnungen durchführen kann. Diese Parameter werden vorzugsweise im Speicher in der PCE (Position Calculation Engine) gespeichert und können nach Bedarf aktualisiert werden. Wenn beispielsweise ein neuer Sender zum System hinzukommt, dann muss ein neuer Satz Parameter in die PCE geladen werden. Als zusätzliches Beispiel, wenn die Drehzahl eines Senders geändert wird, dann muss diese Information in der PCE aktualisiert werden.
3. Empfangsgerät
Im vorliegenden System ist das bevorzugte Empfangsgerät ein Stab, der in 18A dargestellt ist und als Walk-About Receiver (Handempfänger) bekannt ist, und ein Ende des Stabes enthält eine pistolenförmige Handeinheit mit der Bezeichnung Vulcan Receiver, wie 19 zeigt. Beide Geräte waren in früheren Versionen im Handel von Arc Second, Inc. aus Dulles in Virginia erhältlich. Der Stab enthält vorzugsweise zwei Detektoren/Empfänger.
18 („Vulcan Receiver") zeigt eine PCE (Position Calculation Engine), die die meisten Rechenvorgänge des Empfangsgerätes ausführt. Die PCE, die nachfolgend erläutert wird, ist in Setup, Verfolgung, Positionsberechnung und Informationsanzeige integriert.
Die Smart-Spitze kann ebenfalls Rechenvorgänge ausführen, angezeigt durch die FPLA (frei programmierbare logische Anordnung) und die „i-Schaltfläche" in jeder Smart-Spitze. Die Smart-Spitze kann an beiden Enden des vorliegenden Systems vorhanden sein und das Signal „Tip Present" (Spitze vorhanden) zeigt an, wenn sich eine Smart-Spitze an jedem der Enden befindet.
Der Stab stellt ein leichtes und mobiles Empfangsgerät dar. Es folgt eine ausführlichere Beschreibung des Betriebs des Stabes sowie seiner Konfiguration und der Ermittlung des Ortes der Stabspitze.
4. Positionsmesssysteme
Wie nachfolgend erläutert, werden die mathematische Beschreibung des Senders und seine Benutzung bei der Positionsermittlung ausführlicher erläutert; dies ist eine Funktion, die hauptsächlich in der PCE ausgeführt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die hierin offenbarte Funktionalität durch Hardware, Software und/oder eine Kombination von beiden implementiert werden. Software-Implementationen können in jeder geeigneten Sprache geschrieben werden, einschließlich, ohne Begrenzung, High-Level-Programmiersprachen wie C++, Mid- und Low-Level-Sprachen, Assemblersprachen sowie anwendungs- oder gerätespezifische Sprachen. Solche Software kann auf einem Univeralcomputer wie einem 486 oder Pentium, einem anwendungsspezifischen Stück Hardware oder einem anderen geeigneten Gerät laufen. Zusätzlich zur Verwendung von diskreten Hardware-Komponenten in einer Logikschaltung kann die benötigte Logik auch durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung („ASIC"), ein programmiertes PLD (programmierbares Logikbauelement) oder ein anderes Gerät ausgeführt werden. Das System beinhaltet auch verschiedene Hardware-Komponenten, die in der Techik gut bekannt sind, wie z.B. Verbinder, Kabel und dergleichen. Ferner kann wenigstens ein Teil dieser Funktionalität in rechnerlesbarem Medium ausgestaltet sein (das auch als Computerprogrammprodukte bezeichnet wird), wie z.B. magnetische, magnetooptische und optische Medien, die beim Programmieren einer Datenverarbeitungsvorrichtung zur Ausführung der Erfindung verwendet wird. Diese Funktionalität kann auch in rechnerlesbaren Medien oder Computerprogrammprodukten ausgestaltet werden, wie z.B. eine übertragene Wellenform, die beim Übertragen der Informationen oder Funktionen verwendet wird.
Die Grundsätze, bevorzugten Ausgestaltungen und Funktionsweisen der vorliegenden Erfindung wurden in der obigen Offenbarung beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf die besonderen offenbarten Formen begrenzt anzusehen, weil diese illustrativ und nicht begrenzend zu sehen sind. Darüber hinaus können Variationen und Änderungen von der Fachperson vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung gemäß Definition in den beiliegenden Ansprüchen abzuweichen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die oben beschriebenen neuartigen Aspekte der verbesserten Vorrichtungen und Methoden für Positionsmessungen der Anmelder werden mit Bezug auf die Begleitzeichnungen besser verständlich. Dabei zeigt:
1 eine Bildansicht eines verbesserten optischen Senders der Anmelder im Gegensatz zu Laserpunktstrahlen des Standes der Technik;
2, 2A und 2B jeweils eine schematische Grundriss- und Schnittansicht, die die bevorzugten Ausgestaltungen der neuartigen optischen Sendervorrichtung der Anmelder illustrieren;
3 ein Blockdiagramm verschiedener neuartiger Kalibrationsdatenmittel des verbesserten optischen Senders für Positionsermittlungsvorrichtungen und -verfahren der Anmelder;
4 eine Bildansicht des Bezugssystems für die Optikkopfbaugruppe der Anmelder;
5 eine grafische Darstellung eines Fächerstrahls gemäß Verbesserungen der Anmelder;
6 eine grafische Darstellung eines um die x-Achse gedrehten Fächerstrahls;
7 eine grafische Darstellung eines weiter um die z-Achse gedrehten Fächerstrahls;
8 eine grafische Darstellung einer Ebene eines einen Detektor schneidenden Fächerstrahls;
9 eine grafische Darstellung der Ebenen von zwei einen Detektor schneidenden Fächerstrahlen;
10 einen kartesischen Plot von Vektoren, die sich schneidende Fächerstrahlenebenen repräsentieren;
11 eine grafische Darstellung einer einzelnen Fächerstrahlenebene, die einen Detektor beleuchtet;
12 eine Bildansicht eines Positionsmesssystems mit drei Sendern, das Aspekte der/des neuartigen Vorrichtung und Verfahrens der Anmelder ausgestaltet;
13 einen linearen zeitlichen Plot einer typischen Impulsfolge für eine) verbesserte(s) optisches) Sender und Verfahren der Anmelder;
14 einen zeitlichen Plot der Impulsfolge bei einer einzelnen Rotation eines optischen Senders gemäß einer/m verbesserten Vorrichtung und Verfahren der Anmelder;
15 eine grafische Darstellung der bei einer einzelnen Rotation der/des verbesserten Vorrichtung und Verfahrens der Anmelder emittierten Impulse;
16 eine Draufsicht auf einen verbesserten Sender der Anmelder, die die bevorzugte Positionierung der Senderfront und der Null-Azimut-Ebene des verbesserten Senders illustriert;
17A und 17B schematische Ansichten einer Kalibrierungseinrichtung, die gemäß Aspekten der Erfindung der Anmelder eingesetzt werden kann;
18A und 18B Perspektivansichten von Empfänger/Detektor-Kombinationen, die gemäß Erfindungen der Anmelder eingesetzt werden können;
19 ein Blockdiagramm eines Positionsberechnungssystems, das gemäß Erfindungen der Anmelder eingesetzt werden kann.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugen Ausgestaltungen
1. Der Sender
A. Physische Beschreibung
Der Bogensekunden-Sender 10 ist ein Gerät, das einem Drehlaser 11 physisch ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass der Sender 10 anstatt eines einzelnen rotierenden Punktstrahls 12 zwei rotierende Fächer-Strahlen 14 und 16 wie in 1 gezeigt emittiert.
2 zeigt die bevorzugte Baugruppe des Senderkopfes 10. In der Figur gibt es drei wichtige Winkel: θ_off, Ø und Ø₂. θ_Off beschreibt den Winkelabstand zwischen den beiden Lasermodulen im Drehkopf von oben gesehen. Die Laser haben einen Nennabstand von 90°. Ø und Ø₂ beschreiben die Neigung der Fächerebene jeweils von Laser 1 und Laser 2. Diese beiden Winkel werden von der Vertikalen gemessen und wie in der Figur gezeigt auf einen Nennwert von –30° für Strahl 1 und von +30° für Strahl 2 eingestellt. Im nächsten Abschnitt erläutern wir die Vorzeichenkonvention für diese Winkel. Die Ist-Werte für θ_off, Ø und Ø₂ werden in einem Werkskalibrierungsvorgang bestimmt, der nachfolgend beschrieben wird.
Während der Rotation des Senderkopfes 10 tastet dieser das Messfeld, das nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, mit zwei Lichtebenen 14 und 16 ab. Das Messwerkzeug (nicht dargestellt) wird von der Fächerebene jedes Lasers genau einmal während einer Rotation des Kopfes beleuchtet. Zusätzlich zu diesem Abtastvorgang sendet der Sender auch einen optischen Stroboskopimpuls an einem festen Punkt in der Umdrehung des Kopfes. Der Stroboskopimpuls beleuchtet das Messwerkzeug und dient zum Erzeugen einer Nullreferenz für die Rotation des Kopfes. Dieser Abtastvorgang bildet die Basis für die vom Empfängersystem ausgeführten Messungen und wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Schließlich rotiert jeder Sender in einem Positionsmesssystem mit einer bekannten und einzigartigen Geschwindigkeit. Diese einzigartige Drehgeschwindigkeit erlaubt es der Software im Empfängersystem, zwischen den Sendern um das Messvolumen zu unterscheiden.
B. Ausführliche Beschreibung des kostenarmen Senders
Das Logikblockdiagramm von 3 illustriert einen verbesserten, kostenarmen optischen Sender, der in einem dreidimensionalen Messsystem gemäß mehreren Aspekten der Erfindung der Anmelder nützlich ist. In der gesamten Beschreibung und in den Zeichnungen erhielten gleichartige Elemente dieselben Bezugsziffern.
Zur Erzielung eines kostenarmen optischen Senders und Verfahrens erfolgt der Herstellungsprozess der Anmelder, wie nachfolgend ausführlicher erläutert, mit einem Kalibrierungsverfahren während des Herstellungs-/Montageprozesses zum Erzeugen individueller Daten zum Charakterisieren jedes optischen Senders 10, anstatt einen weitaus kostenintensiveren Präzisionsmontageprozess anzuwenden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung der Anmelder werden die Winkelkalibrationsdaten während des Herstellungs-/Montageprozesses jedes Senders erzeugt, um die jeweiligen Winkel der Fächerstrahlen im ersten und zweiten Radianten jedes Senders und den Winkel zwischen den Strahlen zu definieren, wenn der Sender für den Betrieb nivelliert wird, wie mit Bezug auf die 1 und 2 ausführlicher beschrieben wird. Diese Winkelkalibrationsdaten werden vorzugsweise im Kalibrationsdatenspeicher 2 gespeichert. Zusätzlich können Daten, die die gewünschte Drehgeschwindigkeit definieren, beim Herstellungsprozess vorgeladen werden und werden auch in den Kalibrationsdatenspeicher 2 oder den Verstellmotorsteuerspeicher 4 geladen. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, unterscheidet ein Empfänger/Detektor 24 (siehe 12) zwischen Radiantenstrahlen von mehreren individuellen Sendern 10, die innerhalb eines einzelnen Messfelds arbeiten können, in Abhängigkeit von der änderbaren Drehgeschwindigkeit für jeden Sender 10. Wie gezeigt, können Kalibrationsdaten in den Speicher 2 und den Speicher 4 über eine Tastatur oder einen optischen Port eingegeben werden, der mit dem Datenprozessor 3 assoziiert ist, der mit den Speichereinheiten 2 und 4 gekoppelt ist. Ebenso können Kalibrationsdaten von den Speichern 2 und 4 zum optischen Empfänger/Detektor 24 in einem Messsystem über das Kabel oder optische Ausgangsports von Speicher 2 und 4 ausgegeben werden. Wie illustriert, beinhaltet der optische Sender 10 einen Sendermotorantrieb 5 und eine Stroboskopreferenz sowie Laserbaugruppen 6 und 7. Wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird, wenn ein Sender 10 in ein Messsystem eingebaut wird, dann müssen die Kalibrationsdaten für jeden Sender 10 zu einem in 12 gezeigten Empfänger 24 übertragen oder darauf geladen werden. Ferner können über einen Feld-Setup-Datenport 8 des Verstellmotorsteuerspeichers 4 die Drehgeschwindigkeitskalibrationsdaten der Senderbaugruppe selektiv geändert werden, und auch diese Geschwindigkeitskalibrationsdaten müssen dem Systemempfängerdetektor 24 übermittelt werden. Diese Übertragung kann durch das Kabel oder durch optische Ports der Speicher 2 oder 4 oder über die Tastatureingabe des Datenprozessors 3 erfolgen.
C. Mathematische Beschreibung
Es wird nun ein mathematisches Modell dargelegt, das den physikalischen Abtastvorgang des Senders beschreibt. Wir benutzen dieses Modell im nächsten Abschnitt, um den Positionsberechnungsalgorithmus abzuleiten.
Der Abtastbetrieb des Senders 10 erfolgt physikalisch mit zwei Laserfächerstrahlen. Die Fächerstrahlen 14 und 16 (siehe 1 und 2) werden in dem mathematischen Modell individuell betrachtet. Zum Erstellen dieses Modells definieren wir zunächst den Sender-Bezugsrahmen wie in 4 gezeigt. Jeder Sender hat seinen eigenen lokalen Bezugsrahmen und diese Bezugsrahmen unterscheiden sich vom Benutzer-Bezugsrahmen, wie nachfolgend erläutert wird. Diese Rahmen werden nachfolgend auf den Benutzer-Bezugsrahmen bezogen. Wie aus 4 ersichtlich ist, rotiert der Kopf in positiver Richtung um die z-Achse im Uhrzeigersinn.
Zum Beschreiben der Abtastung eines Fächerstrahls beginnen wir mit einer vertikalen Ebene bei y = 0, d.h. eine Ebene auf der x-z-Achse. Mathematisch gesehen wird die Ebene durch einen Vektor normal zu seiner Oberfläche repräsentiert. Diese Ebene entspricht der Lichtebene, die durch einen vertikal orientierten Fächerlaser geschaffen wird. In 5 ist die Ebene als unendlich gezeichnet, aber in Wirklichkeit hat die Ebene ein finites Winkelausmaß, wie durch die punktierten Linien angedeutet wird. Dieses Winkelausmaß beeinflusst das mathematische Modell nicht, beeinflusst aber das Winkelsichtfeld des Senders.
Als Nächstes drehen wir diese vertikale Ebene um die x-Achse um einen Winkel Ø. Diese neue Ebene repräsentiert einen Fächerlaser, wie er in den Kopf des Senders eingeführt wurde. Ø ist der physische Neigungswinkel, der im vorherigen Abschnitt beschrieben wurde. Ein positiver Wert von Ø ist eine Rechtsdrehung um die x-Achse wie in 6 gezeigt.
Schließlich drehen wir diese neue Ebene um einen Winkel θ um die z-Achse. Dieser Winkel ist tatsächlich zeitabhängig, weil er die Lage des Fächerstrahls während der Rotation des Senderkopfes 10 um die z-Achse repräsentiert, d.h. θ(t) ist der Abtastwinkel zum Zeitpunkt t wie in den 7 und 13 gezeigt.
Im nachfolgend erläuterten Positionsberechnungsalgorithmus repräsentiert dieser Vektorausdruck die Laserfächerebene zu dem Zeitpunkt, an dem sie den Detektor wie in 8 gezeigt schneidet. Wir nennen diesen Vektorausdruck ν ^.
Für jede Rotation des Senderkopfes berechnet das nachfolgend beschriebene Empfängersystem zwei ν ^ Vektoren, ν ^₁ und ν ^₂, die die Lage der beiden Fächerstrahlen an ihrem Schnittpunkt mit dem Detektor 24 beschreiben. Da φ eine durch Werkskalibrierung bestimmte Konstante ist, hängt jeder ν ^ Vektor allein von seinem entsprechenden Abtastwinkel θ ab, der wiederum von Zeitmessungen abhängig ist, die vom Empfängersystem durchgeführt werden.
1. Positionsberechnung
Es gibt zwei mögliche Methoden, die wir zum Berechnen einer Position eines Detektors 24 am Messwerkzeug anwenden können: die Theodolit-Netzwerkmethode und die Arc Second non-theodolite transmitter Methode (Bogensekunden-Nicht-Theodolit-Sender-Methode). In dem in 9 bei 24 illustrierten Empfängersystem arbeiten wird mit der Bogensekundenmethode, weil sie schneller und für das individuelle Design des Senders am besten geeignet ist. Wir erörtern zunächst kurz die Theodolit-Netzwerkmethode, bevor wir die Bogensekundenmethode vorstellen.
Zum Anwenden der Theodolit-Netzwerkmethode würde das Empfängersystem den Schnittpunkt zwischen den gemessenen Azimut-Höhe-Vektoren von jedem Sender zum gewünschten Detektor wie in 10 illustriert berechnen.
9 zeigt beide Fächerebenen 26 und 28 an ihrem Schnittpunkt mit dem Detektor 24. Die Fächerebenen 26 und 28 schneiden sich in einer Linie und diese Linie ist ein Vektor r →, der durch den Detektor 24 geht: r → = ν ^1 × ν ^2
Auch hier gibt es wieder, während r → durch den Detektor 24 geht, keine Informationen über die Länge von r → von den Vektoren ν ^₁ und ν ^₂. Daher können wir nur Azimut und Höhe dieses Vektors relativ zum Bezugsrahmen des Senders wie in 10 gezeigt und in den nachfolgenden Gleichungen ausgedrückt berechnen:
Die 9 und 10 illustrieren die Beschränkung der Theodolit-Methode, d.h. es ist lediglich möglich, zwei Dimensionen von einem Sender zu bestimmen. Wir können die beiden Winkel, aber nicht den Abstand zum Detektor 24 ermitteln.
Der nächste Schritt in der Theodolit-Netzwerkmethode besteht darin, r → Vektoren für alle Sender im Arbeitsraum und dann den Schnittpunkt dieser Vektoren zu berechnen. Wir stellen die Mathematik für diese Methode hier nicht vor, weil sie mehr Rechenvorgänge erfordert als der Bogensekunden-Positionsberechnungsalgorithmus und weil er das individuelle Bogensekunden-Senderdesign nicht nutzt. Zusammenfassend sei jedoch gesagt, wenn die Basislinie zwischen den beiden Theodoliten und den Winkeln zu einem Empfänger bekannt sind, dann kann die Position des Sensors berechnet werden.
In der Bogensekunden-Nicht-Theodolit-Methode nutzen wir direkt den Abtastbetrieb des Senders, anstatt die Sender als Theodolite zu behandeln. 11 zeigt wiederum eine einzelne Fächerebene, die den Detektor schneidet. Vektor a → ist die Position des Detektors relativ zum Nullpunkt des Senders. Von 11 machen wir die folgende wichtige mathematische Beobachtung: ν ^·a → = 0
Das Punktprodukt ist null, weil diese Vektoren an dem Punkt, an dem die Strahlenebene den Detektor schneidet, orthogonal zueinander sind. Der Vektor ν ^ ist laut Definition lotrecht zur Ebene und a → liegt in der Ebene, wenn die Ebene den Detektor schneidet. Wie in 9 illustriert, haben wir zwei Fächerebenen, die durch ν ^₁ und ν ^₂ repräsentiert werden, so dass wir tatsächlich zwei Gleichungen pro Sender haben: ν ^1·a → = 0 ν ^2·a → = 0
Der Vektor a → enthält drei Unbekannte, (x, y, z), so dass wir wiederum nicht genügend Informationen haben, um die dritte Dimension zu berechnen. Das Addieren eines dritten Fächerstrahls zum Sender würde eine dritte Zeile zur Gleichung hinzufügen, aber diese Gleichung wäre nicht linear unabhängig von den beiden ersten. Daher müssen wir wenigstens einen zusätzlichen Sender hinzufügen.
In 12 haben wir einen Sender 10-1 am Nullpunkt, einen zweiten 10-2 entlang der x-Achse und einen dritten 10-3 entlang der y-Achse platziert. Dieser Achsenaufbau ist etwas willkürlich und soll zeigen, dass die Sender in einer gemeinsamen Bezugsebene aneinander gebunden sind. Wie zuvor erörtert, nennen wir diesen gemeinsamen Rahmen den Benutzer-Bezugsrahmen, um ihn von den zuvor beschriebenen Bezugsrahmen der Sender zu unterscheiden.
Da wir den Ort eines Detektors im Benutzer-Bezugsrahmen berechnen möchten, müssen wir den Bezugsrahmen jedes Senders im Sinne des Benutzer-Bezugsrahmens vorgeben. Dies erfolgt mit einem Ortsvektor p →_tx und einer Rotationsmatrix R_tx für jeden Sender. Wir können die Gleichung dann wie folgt neu schreiben: Rtxν ^·(p → – p →tx) = 0
In dieser neuen Gleichung ist p → der Ort des Detektors im Benutzer-Bezugsrahmen und ist der Wert, den wir berechnen möchten. R_txν ^ ist der Vektor, der die Laserfächerebene im Benutzer-Bezugsrahmen beschreibt, während ν ^ selbst die Laserfächerebene im Bezugsrahmen des Senders beschreibt. p → – p → ist ein Vektor vom Nullpunkt des Senders zum Detektorort im Benutzer-Bezugsrahmen. Für n ≥ 2 Sender haben wir den folgenden Satz Gleichungen. R1ν ^1,1·(p → – p →1) = 0 R1ν ^1,2·(p → – p →1) = 0 R2ν ^2,1·(p → – p →2) = 0 R2ν ^2,2·(p → – p →2) = 0 Rnν ^n,1·(p → – p →n) = 0
Der erste tiefgestellte Index ist die Sendernummer, der zweite bei ν ^ die Laserstrahlennummer. Um diese Gleichungsserie in Matrixform zu schreiben, so dass wir p → auflösen können, ordnen wir die Gleichungen wie folgt um: Rtxv ^·(p – p tx) = 0 Rtxv ^·p – Rtxv ^·p tx = 0 Rtxv ^·p = Rtxv ^·p tx (Rtxv ^)T p = Rtxv ^·p tx
Wir stellen fest, dass (R_txv ^)^T ein 1 × 3 Vektor ist,
und R_txν ^·p →_tx ist eine Konstante. Wir können die Gleichungen dieser Gleichungen dann in die Matrixform setzen:
Die Kurzmatrixbezeichnung lautet: A2n×3p →3×1 = b2n×1 wobei die tiefgestellten Indexe die Dimensionen der Matrizen anzeigen. Um die Position des Detektors im Benutzer-Bezugsrahmen zu berechnen, lösen wir diese Gleichung für p → einfach auf. Dazu wenden wir die Kleinste-Quadrate-Reduzierung auf die Matrix an, indem wir beide Seiten mit A^τ multiplizieren. Wir würden dann eine standardmäßige Hermetische-Matrix-Auflösung wie die LU-Zerlegung anwenden, um p → zu finden.
Alternativ könnten wir p → direkt mit einer Singularwertzerlegung auflösen. SVD ist das bevorzugte Verfahren zum Ermitteln einer Kleinste-Quadrate-Lösung, wenn die Matrix schlecht konditioniert ist, was wahrscheinlicher wird, wenn weitere Sender addiert werden.
2. Berechnen der Abtastwinkel mit Zeitmessungen
Wie zuvor erörtert, basieren die beiden ν ^ Vektoren von jedem Sender 10 auf den entsprechenden Abtastwinkeln θ₁(t) und θ₂(t) für die beiden Laserfächerstrahlen 14 und 16 am Sender 10. Wir erörtern jetzt, wie das Empfängersystem 24 (siehe 12) diese beiden Abtastwinkel berechnet. Speziell, zum Berechnen der Position für einen einzelnen Detektor benötigen wir θ₁(t) und θ₂(t) für jeden Sender im Arbeitsraum 30. Ein typisches Empfängersystem, das nachfolgend mit Bezug auf die 18A und 18B beschrieben wird, beinhaltet ein physikalisches Werkzeug mit einer Messspitze und einer Fotodiodendetektorschaltung 24, einer PCE (Position Calculation Engine) und einer Benutzeroberfläche. Wenn der Benutzer das Werkzeug im Arbeitsraum 30 umher bewegt, empfangen die Fotodetektoren 78 und 80 jedes Mal, wenn eine der Lichtebenen oder einer der optischen Stroboskopimpulse einen Detektor 24 beleuchtet, elektrische Impulse oder Schläge. Das System führt mittels eines Hochgeschwindigkeitszeitgebers (nicht dargestellt), der vorzugsweise in die PCE 90 eingebaut ist, Differentialzeitmessungen zwischen Impulsen durch. Diese Zeitmessungen werden dann zum Berechnen der Abtastwinkel benutzt.
13 illustriert eine typische Impulsfolge für eine einzelne Rotation des Senderkopfes 10. Die Zeit zwischen Bezugsimpulsen, durch T angedeutet, ist die Periode einer Senderkopfumdrehung. In 13 wird der Referenzimpuls 36 vorzugsweise von dem optischen Stroboskop 6 erzeugt. Das Empfängersystem macht zwei Differentialzeitmessungen, Δt₁ und Δt₂, für jede Rotation des Senderkopfes 10.
14 bezieht diese Impulszeitdifferenzen auf Winkeldifferenzen. Wir nehmen den obigen Zeitplot und betrachten ihn als einen Kreis von 2π Radians, der eine Umdrehung des Senderkopfs repräsentiert. Wir definieren zwei Winkelmessungen, α und α₂, als Winkel zwischen dem optischen Referenzimpuls und den jeweiligen Impulsen von Laserstrahl 1 und 2. Der Leser darf diesen Kreis nicht mit dem eigentlichen Drehsenderkopf verwechseln. Dieser Kreis zeigt einen Plot von Zeit und jeweiligem Winkel, wie er vom Detektor gesehen wird. Anhand der gemessenen Zeitintervalle Δt₁ und Δt₂ und der Tatsache, dass der Sender eine Umdrehung in T Sekunden vollzieht, berechnen wir α und α₂ durch Teilen des Kreises in Prozentanteile wie in 15 gezeigt.
Anhand dieser Prozentwerte und der Tatsache, dass es 2π Radians in einer einzelnen Kopfumdrehung gibt, erhalten wir die folgenden Gleichungen für α₁ und α₂:
Man beachte, dass der Grund für die Messung der Zeitintervalle von Strahl 1 anstatt vom Referenzimpuls der ist, eine Rückwärtskompatibilität in der Empfängersystemsoftware für andere Versionen eines Senders zu erzielen; dies könnte man jedoch bei Bedarf ändern.
Aus zwei wichtigen Gründen sind α₁ und α₂ nicht genau äquivalent mit den im obigen Sendermodell beschriebenen Winkeln θ₁ und θ₂. Erstens sind in dem Modell die beiden Strahlen nicht nach Azimut getrennt. Stattdessen werden sie wie in 9 illustriert überlappend zusammen abgetastet. In dem eigentlichen Sender trennen wir die beiden Strahlen nach Azimut am Kopf, so dass das Empfängersystem dazwischen unterscheiden kann. Wir definieren diese Winkeltrennung θ_Off wie oben beschrieben. Daher müssen wir θ_Off von α₁ bis Linie α₂ aufwärts mit α₁ subtrahieren. Wie zuvor erwähnt, wird θ_Off durch Werkskalibrierung ermittelt.
Zweitens werden die Winkel α₁ und α₂ relativ zum Bezugsimpuls wie in 14 gezeigt gemessen. Wenn wir diese Messung auf das Sendermodell beziehen, dann ist die Vorderseite des Senders – seine lokale x-Achse – der Punkt in der Rotation des Kopfes, an dem der Bezugsimpuls 36 ausgelöst wird. Daher definiert der Bezugsimpuls 36 auch die Null-Azimut-Ebene, da der Azimut von der x-Achse des Senders gemessen wird. Wenn ein einzelner Sender für Azimut- und Höhenberechnungen verwendet werden soll, dann ist es zuweilen wünschenswert, den Punkt auf dem Sender festzulegen, an dem der Azimut des Detektors null sein wird. Wir legen diesen Sollpunkt mit einer mit θ_Off bezeichneten werkskalibrierten Konstante fest. Wie in 16 gezeigt, ist θ_RP der Winkelabstand zwischen der gewünschten Vorderseite des Senders und dem Auftreten des Referenzimpulses. Das Vorzeichen von θ_Off wird wie illustriert ermittelt. Für die meisten Sender wird θ_RP auf null festgelegt, weil Azimut-Höhen-Messungen relativ zu einem einzelnen Sender nicht nötig sind. Daher konvertieren wir α₁ und α₂ in die gewünschten Abtastwinkel θ₁ und θ₂ mit Hilfe der folgenden beiden Gleichungen:
Zusammenfassend, diese Gleichungen werden zum Berechnen von θ₁ und θ₂ Werten für jeden Sender benutzt, der einen Detektor 24 beleuchtet. Wenn also in dem Arbeitsraum zwei Sender eingerichtet werden, dann werden vier θ Winkel für jeden Detektor berechnet und daher werden vier ν ^ Vektoren berechnet. Drei Sender würden sechs ν ^ Vektoren ergeben, usw. Unter Verwendung aller berechneter ν ^ Vektoren führt das Empfängersystem dann die oben dargestellte Matrixauflösung für jeden Detektor 24 an dem Werkzeug aus.
3. Senderkalibrierungseinrichtung
Damit das verbesserte dreidimensionale Bogensekunden-Messsystem funktionieren kann, braucht der Empfänger 24 vier Parameter für den Sender 10:

1. die Geschwindigkeit des Senders
2. den Winkel des ersten Fächerstrahls (Φ1)
3. den Winkel des zweiten Fächerstrahls (Φ2)
4. den Winkel zwischen den Strahlen, wenn der Sender eben ist (Θoff)

Der Benutzer kann die Geschwindigkeit des Senders 10 durch Steuern der Phasenregelkreismotorsteuerung (in 3 schematisch dargestellt) einstellen; die drei Winkelparameter wie oben beschrieben werden jedoch vorzugsweise als Teil des Montage- oder Herstellungsprozesses geliefert. Es stehen zwei Optionen zur Verfügung: (a) Bauen des Senders auf sehr präzise Weise, so dass die Winkel vom Herstellungsprozess inferiert werden können, oder (b) Bauen des Senders mit sinnvoller Präzision und dann Ermitteln der Winkel über einen Kalibrierungsprozess. Der zweite Ansatz ist weitaus rentabler.
Zum Erzeugen der Zahlen muss der Sender in eine Kalibriereinrichtung gesetzt werden, die mehrere wesentliche Eigenschaften hat:

1. Die resultierenden Kalibrationszahlen müssen die dynamischen Ist-Gebrauchsparameter repräsentieren. Diese Anforderung macht es zwingend notwendig, die Sensoren 40, 42 und 44 in einem bestimmten Abstand vom Sender weg zu platzieren, normalerweise mehr als 1 Meter.
2. Die Kalibriereinrichtung muss einfach zu bedienen sein. Diese Anforderung erfordert die Entwicklung von Sendermontage- und -zentrierungstechniken zusätzlich zur Verwendung von Messblöcken zum Gewährleisten wiederholbarer Messungen.
3. Die Kalibriereinrichtung muss die Zahlen präzise messen, insbesondere mit einer Präzision von besser als einer Bogensekunde. Dies erfordert die Durchführung einer Messung mit Präzision und mit ausreichend Mittelwertbildung zum Erfüllen der Anforderungen. Dies erfordert auch, dass Messungen bei +/– 180 Grad mit Bezug auf den Sender erfolgen, um Restversatzfehler zu beseitigen (ähnlich dem bekannten Prozess des „Plunging the Scope" (Absenken des Oszilloskops), der mit Theodoliten angewendet wird).
4. Die Kalibriereinrichtung muss „kalibriert" werden. Mit anderen Worten, es besteht die Anforderung, dass die Kalibrierung der Einrichtung auf anwendbare nationale Normen zurückverfolgbar ist.

Der von der Anmelderin bevorzugte Kalibrationsvorgang erfüllt alle diese hohen Anforderungen.
A. Ausführliche Beschreibung
Zur Erfüllung aller obigen Anforderungen und auf der Basis unserer früheren Erfahrungen wurde die in den 17A und 17B illustrierte Kalibriereinrichtung entwickelt. Es ist gut bekannt, dass die besten optischen Messungen mit optischen Bänken durchgeführt werden können. Diese Bänke bestehen aus Granit, so dass sie stabile Messplattformen darstellen. Optiklieferfirmen, wie z.B. die Newport Corporation, haben eine sinnvolle Substitution entwickelt, optische Stäbe. Mit diesen Stäbe lassen sich offene Konstruktionen erstellen, die nahe an die Messeigenschaften von optischen Bänken herankommen. Für unsere Zwecke bieten die Stäbe (nicht dargestellt) auch den offensichtlichen Vorteil, dass sie einen offenen Rahmen bilden. Mit einem Design auf der Basis einer optischen Bank würde man negative Höhenwinkel leicht messen können, da die Bank wahrscheinlich eine Blockierung verursachen würde. Mit den optischen Stäben können sowohl positive als auch negative Höhenwinkel leicht gemessen werden. Durch den Einsatz optischer Stäbe kann die Einrichtung auch groß genug gemacht werden, um die Anforderung von > 1 Meter zu erfüllen.
Wie in 17B gezeigt, wird der Sender 10 vorzugsweise auf einem Turm 50 montiert. Die Basis des Turms ist ein Drehteller 52, der ein Drehen des gesamten Turms unter Computersteuerung zulässt. Die Lage 54 über dem Drehteller ist ein Präzisions-XY-Tisch, der zum Zentrieren des Senders verwendet wird. Die nächste Lage ist ein Messblock 56, der das Positionieren des Senders in der Mitte des Messfeldes erleichtert. Dieser Block 56 ermöglicht es, Sender unterschiedlicher Höhen aufzunehmen. Die letzte Lage ist ein Dreifußadapter 58, wie er für Vermessungen verwendet wird. Mit dem Adapter kann der Sender präzise unter Verwendung der Schrauben an jeder der drei Ecken geneigt werden.
Nach dem Montieren des Senders 10 wird dieser mit einem optischen Nivelliergerät (nicht dargestellt) auf die Vorrichtung ausgerichtet. Die Nivelliervorrichtung lässt es zu, die Mittellinie der Laser auf dieselbe Höhe zu bringen wie der Mittendetektor 40 der Detektoranordnung. Um diese Messung zu erleichtern, werden vorzugsweise Markierungen sowohl am Drehkopf des Senders als auch an der Anordnung angebracht. Wenn Justierungen nötig sind, kann die vertikale Array mit einem z-Justagetisch 60 am Boden der Array bewegt werden.
Eine dynamische Zentrierung des Drehkopfes des Senders erfolgt vorzugsweise mit zwei induktiven Sonden (nicht dargestellt), die jeweils mit 90 Grad in Bezug aufeinander montiert sind. Das System ist so ausgelegt, dass die Sonden in ihre Position bewegt werden können, während der Sender rotiert. Wenn der Sender von der Mitte versetzt ist, können mit dem XY-Tisch 54 die entsprechenden Justierungen vorgenommen werden.
Nach diesen Justierungen sind die Sender kalibrierbereit. Die Detektorarray 39 wird zum Messen der Zeitschläge benutzt, während die Laserstrahlen die Array passieren. Es werden vorzugsweise wenigstens drei Detektoren 40, 42, 44 der Array 39 benutzt, um den Fächerwinkel ordnungsgemäß zu messen. In einem perfekten Messsystem wären nur zwei nötig. Der zusätzliche dritte Detektor kompensiert oder berücksichtigt Restfehlausrichtungen. Die Messungen erfolgen mit einem Oszilloskop, wie die Fachperson verstehen wird. Die Detektoren werden präzise in der Detektorarray montiert. Sie werden dann vermessen, um ihre präzise Lage zu ermitteln. Um die in den Detektoren verursachten Versätze minimal zu halten, werden eventuelle Fenster beseitigt. Die nötige Präzision wird dadurch verbessert, dass die Abtastrate des Oszilloskops optimiert wird, und unter Verwendung der Zeitverzögerungsfunktion, die in modernen Oszilloskopen vorhanden ist. Mit Hilfe von Mittelwertbildung werden die Messgenauigkeitsanforderungen erfüllt.
B. Kalibriersoftware-Algorithmus
Zweck der Kalibriersoftware ist es, die digitalisierten Wellenformen der Laserimpulse über die Fotosensoren zu analyiseren und die folgenden Spezifikationen des getesteten Senders zu ermitteln:

1. Geschwindigkeit des Senders (Geschwindigkeit)
2. Winkel des ersten Laserfächerstrahls (Φ1)
3. Winkel des zweiten Laserfächerstrahls (Φ2)
4. Winkel zwischen den Strahlen, wenn der Sender nivelliert ist (Θoff)

Alle benötigten Parameter können in 3 Schritten ermittelt werden:

1. Erfassen der Wellenformen von 2 Laserstrahlen an 3 Fotosensoren in einer vertikalen linearen Reihe.
2. Messen der Zeitdifferenzen der Mittelpunkte der Laser in Bezug aufeinander.
3. Berechnen der gewünschten Winkel wie oben beschrieben unter Verwendung dieser Zeitmessungen und der konstanten gemessenen Distanzen vom Sendenmittelpunkt zum mittleren Fotosensor und der Distanz zwischen dem oberen und dem unteren Fotosensor.

Der erste Schritt kann unter Verwendung eines handelsüblichen Digitalisierers mit drei Kanälen erfolgen, die bei 15 MHz oder darüber laufen. Jeder Kanal erfasst eine volle Rotation des Senders; Digitalisieren des Impulses von Laser eins, des Impulses von Laser zwei und des Folgeimpulses von Laser 1. Alle Impulse von allen Kanälen müssen auf denselben Zeitpunkt referenziert werden, um die folgenden Korrelationsmessungen zu ermitteln.

1. Ermitteln des ungefähren Zeitpunkts, wann jeder Laserimuls in den Wellenformen erfolgt
2. Zur Erzielung einer präziseren Zeitmessung für jeden Impuls, Verzögern des Oszilloskops um diese ungefähren Zeitpunkte, um jeden Laserimpuls mit einer Auflösung von 40 ns zu erfassen
3. Ermitteln der relativen Zeit von jeder Impulsmitte in Bezug auf die anderen Impulse.

Der zweite Schritt erfordert die Ermittlung der folgenden Zeiten:

• topLaser1 = Zeit oberer Sensor Laser1
• topLaser2 = Zeit oberer Sensor Laser1
• topPeriod = Zeit oberer Laser1 zu oberem Laser1
• midLaser1 = Zeit mittlerer Sensor Laser1
• midLaser2 = Zeit mittlerer Sensor Laser1
• midPeriod = Zeit mittlerer Laser1 zu mittlerem Laser1
• lowLaser1 = Zeit unterer Sensor Laser1
• lowLaser2 = Zeit unterer Sensor Laser1
• lowPeriod = Zeit unterer Laser1 zu unterem Laser1
• Period = (topPeriode + midPeriode + lowPeriode)/3

Der dritte Schritt leitet die oben identifizierten Parameter mit den gemessenen Distanzen ab. DISTANCE = Abstand von der Sendermitte auf der Laserachse zum mittleren Sensor HEIGHT = (Distanz von oberem Sensor zu unterem Sensor)/2 TopΦ1 = –atan[(DISTANCE/HEIGHT)·sin((midLaser1 – topLaser1)·2.0·P1/Period)] TopΦ2 = –atan[(DISTANCE/HEIGHT)·sin((lowLaser1 – midLaser1)·2.0·P1/Period)] BottomΦ1 = –atan[(DISTANCE/HEIGHT)·sin((midLaserl – topLaser1)·2.0·P1/Period)] BottomΦ2 = –atan[(DISTANCE/HEIGHT)·sin((lowLaser1 – midLaser1)·2.0·P 1/Period)] Geschwindigkeit = 1/Period Φ1 = TopΦ1 + BottomΦ1)/2 Φ2 = TopΦ2 + BottomΦ2)/2 Θo ff = (midLaser2 – midLaser1)/Period·2*PI
4. Kostenarme Herstellung
Der Motor 65 ist vorzugsweise ein bürstenloser Sinuswellenantriebsmotor. Ein Sinuswellenantriebsmotor wie der, der in VCRs zu finden ist, ist ein kostenarmer Motor mit guter Eigenstabilität zwischen Umdrehungen und ist als solcher nützlich bei der Gewährleistung einer Rotation mit konstanter Geschwindigkeit. Der Lagerabstand sollte zur Erzielung optimaler Ergebnisse maximiert werden. Jegliche Präzision [sic] und Taumeln, ähnlich wie Gleichlaufschwankungen bei einem Drehteller, sind eine Fehlerquelle in dem System. Dies führt direkt zu einem Fehler in der „z"-Richtung. Die Verwendung von zwei Präzisionslagern und die Maximierung der Distanz zwischen den Lagern kann diese Fehler minimieren. Die Trägheit des Drehkopfes dient ebenfalls zum Aufrechterhalten einer konstanten Winkelgeschwindigkeit durch jede Rotation.
Die optische Geberscheibe gibt Rotationsinformationen. Es könnten auch andere Vorrichtungen, wie z.B., ohne Begrenzung, Tachometer und Synchros verwendet werden. Die optische Geberscheibe besteht gewöhnlich aus Glas und trägt eine Serie von 1000 radialen Chrommarkierungen, die bei der Rotation der Scheibe erfasst werden. Zusätzlich hat die Scheibe typischerweise eine einzelne „Index"-Markierung mit einem anderen Radius, die zum Erfassen vollständiger Rotationen verwendet wird. Das Scheibensystem erzeugt eine Rechteckwelle mit einer Frequenz, die durch die Geschwindigkeit diktiert wird, mit der die radialen Markierungen passieren. Wenn beispielsweise die Scheibe mit 1 Umdr./Sek rotiert, dann würde das Scheibensystem eine Rechteckwelle von 100 Hz erzeugen (1000 radiale Markierungen/Umdr.*1 Umdr./Sek = 1000 Hz).
Die Geschwindigkeit des Senders wird durch ein Feedback-(„PLL"-phase-locked loop)-System geregelt. Die Rechteckwelle des Scheibensystems ist ein Eingang, ein Taktsignal vom Sendersystem ist der andere Eingang. Der Sendertakt hat eine wählbare Frequenz. Der Ausgang des PLL dient zum Regeln der Rotationsgeschwindigkeit, so dass der PLL auf der gewählten Frequenz gerastet bleibt. Unter Verwendung einer solchen Schaltung kann eine Geschwindigkeitsstabilität erzielt werden, die zwischen 1:200.000 und 1:1.000.000 liegt. Dies würde implizieren, dass bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 50 Hz die Geschwindigkeitsstabilität von 1 Sigma 10 ns für eine Geschwindigkeitsstabilität von 1:200.000 liegen würde.
Wie oben in Bezug auf die Kalibriereinrichtung ausführlicher beschrieben wurde, muss der Sender 10 stabil sein. Ferner ist es wichtig, dass das Empfangsgerät die Betriebsparameter des Senders 10 genau kennt. Der derzeitige Herstellungsprozess für den Sender 10 gibt diese Betriebsparameter, z.B. Laserpositionierung und Neigungswinkel, mit einer geringeren Präzision vor, als es das Empfangsgerät 24 verlangt. So kann der Herstellungsprozess relativ kostenarm sein. Die benötigte Präzision wird im Kalibrierungsprozess erzielt, der die oben beschriebene Kalibriereinrichtung nutzt.
5. Empfänger/Detektor
Es wird nun mit Bezug auf die 18A, 18B und 19 ein typischer Empfänger/Detektor 24 beschrieben. Es gibt eine Reihe von Typen von optischen Empfangseinheiten, die mit dem verbesserten kostenarmen optischen Sender 10 der Anmelder verwendet werden kann, um ein Positionsmesssystem des in 12 schematisch dargestellten Typs zu bilden. Zu weiteren Beispielen für andere Typen von nutzbaren Empfänger/Detektor-Einheiten wird auf das US-Patent Nr. 5,247,487 oder 5,110,202 verwiesen.
In dem in 12 gezeigten Raumpositionsmesssystem kann der Empfänger 24, der die Datenerfassungsvorrichtung beinhaltet, den in 18A gezeigten tragbaren stabförmigen Empfänger 70 beinhalten, bei dem es sich um einen oben beschriebenen Vulkan-Handempfänger handelt. Der Empfänger 70 beinhaltet einen Stab oder stabförmigen Teil 72 und einen Griffteil 74. Der Stabteil 72 endet in einem Sensorpunkt 76, der zum Berühren oder Kontaktieren einer Position im Messfeld verwendet wird, für das x-y-z-Daten erzeugt werden sollen.
Nun mit Bezug auf 18B, der Stabteil 72 beinhaltet zwei sphärisch geformte, beabstandete optische Detektoren 78 und 80 und einen Elektronikteil 82. Die richtige Ausrichtung und Positionierung des Sensorpunktes 76 mit den Detektoren 78 und 80 kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
wobei:

P →_TIP: = die Position der Spitze 76 ist
P →_DET2: = die Position des Detektors 80 ist, der dem Stabgriff 82 am nächsten liegt
P →_DET2: = die Position des Detektors 78 ist, der der Spitze 76 am nächsten liegt
d_TIP: = die Distanz 72 zwischen dem Detektor-2 78 zur Spitze 76 ist.

Eine ordnungsgemäße Ausrichtung und Beabstandung des Detektors 78 und 80 relativ zur Sensorspitze 76 entlang der Projektionslinie 84 wie in 18B gezeigt ist ein wichtiger Aspekt des verbesserten Positionsmesssystems der Anmelder, da ein Benutzer (nicht dargestellt) damit genaue Messungen innerhalb eines Messfeldes oder Raums durchführen kann, ohne den Empfänger 24 genau lotrecht zu einer Senderbezugsebene (siehe 12) oder irgendeiner besonderen Benutzerbezugsebene zu positionieren. In der Tat kann ein Benutzer durch Verwenden einer wie oben beschrieben ausgelegten Stabspitze 76 die Empfänger/Detektor-Stabspitze 76 und den Empfänger/Detektor 24 ohne Rücksicht auf irgendeine besondere Ausrichtung positionieren.
Es wird nun mit Bezug auf 19 der Handgriffteil 74 des tragbaren Empfängers 70 von 18A beschrieben. Der Empfängergriffteil 74 beinhaltet einen Trigger-Schalter 88 zum Aktivieren des Empfängers 70, um die x-y-z-Datenerzeugung als Reaktion auf die Beleuchtung von Detektoren 78 und 80 durch zwei oder mehr Sender 10 einzuleiten. Diese x-y-z-Positionsdaten können dann erzeugt werden, wenn von den Detektoren 78 und 80 ausgehende elektrische Signale einen internen programmierten Computer 90 aktivieren oder in diesen eingegeben werden. Die x-y-z-Positionsdaten entsprechen dabei der Position der Sensorpunktspitze 76, wenn der Trigger 88 aktiviert wird. Diese Positionsdaten können in einer Anzeigetafel 92 angezeigt und/oder zu einem anderen Datenprozessor (nicht dargestellt) über den Ausgangsdatenport 94 übertragen werden, wie die Fachperson in Sachen Datenverarbeitung verstehen wird.
INDUSTRIELLE ANWENDUNG
Wie aus der vorliegenden Offenbarung hervorgeht, kann die vorliegende Erfindung für eine Reihe verschiedener Bereiche, Anwendungsgebiete, Industrien und Techologien angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann, ohne Begrenzung, mit jedem System eingesetzt werden, in dem Informationen über eine Position ermittelt werden müssen, einschließlich, ohne Begrenzung, Bewegung, Dimensionsmessung sowie Positions- und Lageverfolgung. Dazu gehören, ohne Begrenzung, viele verschiedene Prozesse und Anwendungen, die in einer riesigen Vielfalt von Industriezweigen beteiligt sind. Einige dieser Industriezweige und einige ihrer assoziierten Prozesse oder Applikationen sind: Filmherstellung (digitalisierte Modelle, virtuelle Sätze, Kameraverfolgung, automatische Fokussierung), Bauwesen (Handel, Elektrowerkzeuge, Ortsvermessungen, CAD, Gerätesteuerung, Konstruktionsmessung und Layout), Roboter (Roboterkalibrierung, Arbeitszellenkonfiguration, mobile Roboternavigation, Ausgraben gefährlicher Abfallprodukte), Gesetzesvollzug (Abbildung von Unfallszenen, Abbildung von Verbrechensszenen, Fallrekonstruktionen), Computer (3D-Eingabegeräte, Videospiele), virtuelle Realität (erweiterte Realität, virtuelle Arkaden, 3D-Internet-Erfahrungen), Herstellung (Werksautomatisation, Außerbetriebnahme von Einrichtungen, Teileprüfung, Einrichtungswartung, Herstellungswerkzeuge und Inspektion, Herstellungsmessung), Medizin (chirurgische Navigation, „intelligente" OPs, medizinische Instrumente), und Verteidigung (Geländemodellierung, Simulationstraining, Flugeignungsprüfungen, Schiffsnachrüstung und -reparatur, Bioremediation).
Die bevorzugte Ausgestaltung wurde gewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern. Die vorangegangene Beschreibung soll es anderen Fachpersonen ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen und mit verschiedenen Modifikationen zu nutzen, die für die jeweiligen vorgesehenen Verwendungszwecke geeignet sind. Der Umfang der Erfindung ist durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims

Optischer Sender (10), der ein x-y-z-Positionsmeßsystem mit einem optischen Empfänger (24) umfasst, mit mindestens einer optischen Quelle, die so betrieben werden kann, dass sie zwei um eine Drehachse (Z) rotierende, im Wesentlichen fächerförmige Strahlen (14) erzeugt, wobei die Ebene jedes fächerförmigen Strahls in Bezug auf die Drehachse (Z) geneigt ist, gekennzeichnet durch ein Stroboskop (6), das so betrieben werden kann, dass es an einem vorgegebenen Punkt der Drehung der fächerförmigen Strahlen (14) einen optischen Stroboskopimpuls erzeugt und dass es den optischen Stroboskopimpuls zum Empfang durch den optischen Empfänger (24) des x-y-z-Positionsmeßsystems sendet, einen dem Sender (10) zugeordneten Speicher (2), in dem für den Sender (10) spezifische Kalibrierungsdaten gespeichert sind, die vorgegebene Winkelparameter der fächerförmigen Strahlen eindeutig definieren, und eine Verbindung (94) zur Übertragung der Kalibrierungsdaten aus dem Speicher (2) an den optischen Empfänger (24), der so konfiguriert ist, dass er die Kalibrierungsdaten und die fächerförmigen Strahlen (14) zur Bestimmung der Position des optischen Empfängers (24) empfängt.
Optischer Sender (10) nach Anspruch 1, bei dem die im Speicher gespeicherten Kalibrierungsdaten die Neigung (θ₁) der Ebene der fächerförmigen Strahlen (14) in Bezug auf die Drehachse angeben und die Verbindung einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben der Kalibrierungsdaten und damit zum Ermöglichen der Eingabe in den optischen Empfänger (24) des x-y-z-Positionsmeßsystems umfasst.
Optischer Sender (10) nach Anspruch 1 mit einer Motoreinrichtung (5) zum Drehen der fächerförmigen Strahlen (14) mit einer vorgegebenen, wählbaren Geschwindigkeit und einer Geschwindigkeitssteuereinrichtung (4) zum selektiven Steuern der Motoreinrichtung (5) zum selektiven Verändern der Drehgeschwindigkeit der fächerförmigen Strahlen (14).
Optischer Sender (10) nach Anspruch 3, bei dem die Geschwindigkeitssteuereinrichtung (4) einen durch eine phasenstarre Regelkreisrückführeinrichtung steuerbaren Drehtransformator umfasst.
Optischer Sender (10) nach Anspruch 1, bei dem die Kalibrierungsdaten. einen Winkelabstand zwischen den fächerförmigen Strahlen (14, 16) sowie einen vertikalen Neigungswinkel jedes Strahls eindeutig definieren.
Optischer Sender (10) nach Anspruch 1, bei dem die Kalibrierungsdaten eine bestimmte Drehgeschwindigkeit der fächerförmigen Strahlen (14) einschließen.
Optischer Sender (10) nach Anspruch 1, bei dem der optische Stroboskopimpuls eine Anfangsreferenz für die Drehung der fächerförmigen Strahlen (14) definiert.
Optischer Sender (10) nach Anspruch 4, bei dem die Geschwindigkeitssteuereinrichtung eine programmierbare logische Gattermatrixeinrichtung umfasst.
x-y-z-Positionsmeßsystem mit zwei oder mehr optischen Sendern (10) nach Anspruch (1) und einem optischen Empfänger (24) mit einem optischen Sensor zur Erfassung der jeweiligen, im Wesentlichen fächerförmigen Strahlen (14) der zwei oder mehr optischen Sender (10), einer Taktgebereinrichtung zur Bestimmung der Takte der von dem optischen Sensor erfassten fächerförmigen Strahlen (14), einer Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Position des optischen Sensors in Bezug auf die zwei oder mehr optischen Sender (10) auf der Grundlage der Takte der fächerförmigen Strahlen (14), dadurch gekennzeichnet, dass der optische Empfänger einen Eingangsanschluss zum Empfängen der die zwei oder mehr optischen Sender (10) betreffenden Kalibrierungsdaten umfasst, der so betrieben werden kann, dass er die Kalibrierungsdaten empfängt, die die jeweiligen Neigungen (θ₁) der fächerförmigen Strahlen (14) angeben, und dass die Berechnungseinrichtung so betrieben werden kann, dass sie auf der Grundlage der Kalibrierungsdaten im Zusammenhang mit den Takten der fächerförmigen Strahlen (14) die Position des optischen Sensors in Bezug auf die zwei oder mehr optischen Sender (10) berechnet.
x-y-z-Positionsmeßsystem nach Anspruch 9, bei dem die zwei oder mehr optischen Sender (10) jeweils einen Speicher (2) und einen Ausgangsanschluss gemäß Anspruch 2 umfassen und der Eingangsanschluss des optischen Empfängers so betrieben werden kann, dass er zum Empfangen der Kalibrierungsdaten von den optischen Sendern (10) mit den Ausgangsanschlüssen der optischen Sender (10) kommuniziert.