DE602004009429T2

DE602004009429T2 - Verfahren und vorrichtung für absolute optische codierer mit verringerter empfindlichkeit gegenüber skalierungs- oder plattenanbringfehlern

Info

Publication number: DE602004009429T2
Application number: DE602004009429T
Authority: DE
Inventors: Mikael Nordenfelt; Mikael Hertzman; Staffan Palm; Magnus Westermark
Original assignee: Trimble AB
Current assignee: Trimble AB
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: WO2004094957A1; SE0301164D0; EP1616151B1; US20060243895A1; US7589313B2; JP2006524335A; JP4927532B2; EP1616151A1; ATE375500T1; DE602004009429D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf absolute Codierer und insbesondere auf ein hochauflösendes Codierverfahren und eine Vorrichtung, die über eine adaptive Kompensation verfügt, um die Empfindlichkeit auf Skalierungs- oder Plattenanbringungsfehlern zu verringern.
Hintergrund der Erfindung
Optische Codierer sind elektromechanische Vorrichtungen, die normalerweise zum Messen der Position oder zur Überwachung der Bewegung und zum Steuern der Position mit hoher Präzision verwendet werden. Sie finden weit verbreitet Verwendung bei Anwendungen, bei denen extrem präzise Linear- oder Winkelpositionsinformationen erforderlich sind, wie etwa bei der computergesteuerten Fertigung, der Fabrikautomation oder bei Landvermessungsgeräten. Optische Drehcodierer erfassen die Winkelposition durch Erfassen von Laserlicht, das von Markierungen unterbrochen wird, die codierte Spuren bilden, die auf einer Platte eingebettet sind. Die Platte dreht sich synchron mit der Bewegung, die beobachtet wird. Drehcodierer werden im allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt, d. h. absolute und inkrementelle Codierer. Absolute Codierer lesen eine eindeutige codierte Spur auf der Platte, um eine eindeutige Position zu bestimmen und haben somit den Vorteil, dass sie in der Lage sind, die absolute Position nach einem Stromausfall zu bestimmen, ohne dass zu einer "Home"- oder Indexposition zurückkehren müssen. Inkrementelle Codierer können lediglich die Relativposition erfassen, so dass die Positionszählung im Falle eines Stromausfalles oder durch starke Erschütterung "verloren" gehen kann, was zu einer versehentlichen Bewegung der Platte führen kann. Der Vorteil in der Lage zu sein, die absolute Position zu beliebiger Zeit zu erhalten, macht die absoluten Codierer für zahlreiche Anwendungen wünschenswert.
Vorteile bei der computerautomatisierten Fertigungstechnologie verlangen Verbesserungen bei der Positionierungspräzision, um Platz, Kosten und Zeit zu sparen. Naturgemäß ist der Bedarf an hochauflösenden Codierern, die in der Lage sind, eine noch feinere inkrementelle Linear- oder Drehbewegung bereitzustellen, weiterhin groß. Versuche bei der Entwicklung hochauflösender Codierer wurden im Stand der Technik beschrieben. In diesen sind Drehcodierer enthalten, die in der Lage sind, sowohl die absolute als auch die inkrementelle Winkelposition gleichzeitig aus separaten Spuren zu messen, die in einer Glassplatte eingebettet sind. Die Spuren entsprechen einer absoluten Spur und einer inkrementellen Spur, die zusammenwirkend gelesen werden, um eine absolute Position zu bestimmen. Absolute Codierer des Standes der Technik, bei denen eine einzige Spur verwendet wird, in der sowohl absolute als auch inkrementelle Positionsinformationen enthalten sind, sind im allgemeinen als weniger genau als jene bekannt, bei denen getrennte Spuren verwendet werden.
Ein Beispiel eines absoluten Codierers des Standes der Technik ist im US-Patent 5.235.181 mit dem Titel: "ABSOLUTE POSITION DETECTOR FOR AN APPARATUS FOR MEASURING LINEAR ANGULAR VALUES" gegeben. Es beschreibt einen Positionsdetektor, bei dem die Position durch Lesen getrennter absoluter und inkrementeller Spuren erfasst wird. Die absolute Spur besteht aus einer Pseudo-Zufallsverteilung von Strichen, die mit Abständen angeordnet sind, um eine ununterbrochene Abfolge von eindeutigen Binärwörtern zu bilden, die jeweils einen bestimmten Wert der absoluten Position kennzeichnen. Die Anordnung zum Lesen der absoluten Spur enthält eine Fotoemitter-Lichtquelle, die über der Spur angeordnet ist, und lineare Ladungstransferdetektoren CCD, die sich unter der Spur befinden, so dass die absolute Pseudo-Zufallsspur durch eine bildvergrößernde optische Linse gelesen wird, die dazwischen angebracht ist. Die inkrementelle Spur wird mit einer Erfassungseinheit gelesen, die einen Fotoemitter und eine Gruppe von vier Fotodetektoren enthält, die in einem Abstand von 90 Grad angeordnet sind, um Signale in Quadratur für Interpolationsschritte in der Spur zu erzeugen. Ein Nachteil der Erfindung besteht darin, dass sie eine ältere Quadratur-Erfassungstechnik verwendet, die relativ fehleranfällig und hinsichtlich der Auflösung beschränkt ist. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass sie eine große Zahl von Bauteilen verwendet, die präzise ausgerichtet und zusammengesetzt werden müssen, wobei die Verwendung separater Sensoren zum Lesen der absoluten und inkrementellen Spuren jeweils zusätzlich die Ausrichtung erschwert. Darüber hinaus ist die Verwendung von optischen Linsen erforderlich, die zu den Kosten und zur Komplexität des Herstellungsvorgangs beiträgt und deren Verwendung bei einigen relativ kleinen Anwendungen ausschließt.
Eine weitere optische Codiervorrichtung, die in der Lage ist, sowohl absolute als auch inkrementelle Spuren zu lesen, ist im wissenschaftlichen Aufsatz mit dem Titel: "High-Resolution Optical Position Encoder with Large Mounting Tolerances" von K. Engelhardt und P. Seitz, Applied Optics, 1 Mai, 1997 beschrieben. Die beschriebene Codiervorrichtung erfasst die absolute Spur, die einen Pseudo-Zufalls-Bitcode enthält, und eine inkrementelle Spur, die aus in gleichem Abstand angeordneten Zeilen mit einem speziellen ASIC-Detektorchip besteht. Eine einzige Lichtquelle beleuchtet beide Spuren, die auf den Detektor abgebildet werden sollen, mit Hilfe einer positiven Kunststofflinse. Der spezielle Detektor besteht aus mehreren Abschnitten, von denen ein Abschnitt einen CCD-Zeilensensor enthält, der über lichtempfindliche Elemente zum Lesen einer einzigen Zeile besteht, um das absolute Codemuster zu bestimmen. Die anderen beiden Abschnitte, die verwendet werden, um das Bild einer inkrementellen Spur zu erfassen, beinhalten jeweils zwei Elemente mit Bereichen, die als Sinusquadratfunktionen geformt sind. Diese Sinusfunktionen haben dieselbe Frequenz wie das Bild des inkrementellen Musters. Die beiden Elemente in jedem Abschnitt sind um 180° verschoben, und die beiden Abschnitte sind 90° im Bezug zueinander verschoben.
Der Unterschied zwischen den Fotoströmen von den beiden Elementen in jedem Abschnitt repräsentiert einen Fourier-Koeffizient für eine Erweiterung des Bildes des inkrementellen Musters. Die Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden Abschnitten führt dazu, dass Strom vom ersten Abschnitt einen Sinus-Koeffizienten I_sin und der Strom vom zweiten Abschnitt einen Kosinus-Koeffizienten I_cos repräsentieren wird. Die Phase des Bildes der inkrementellen Spur wird anschließend berechnet mit:
Der Detektor ist in der Lage, optisch eine Fourier-Erweiterung der inkrementellen Lichtverteilungserfassung auszuführen, was eine relativ gute Auflösung ermöglicht. Ein Nachteil dieser Konfiguration besteht jedoch darin, dass sie nicht sehr flexibel ist, d. h. die Periode des Bildes der inkrementellen Spur muss mit der räumlichen Frequenz der Sinusform beinahe exakt übereinstimmen, oder die Genauigkeit geht verloren. Dies kann passieren, wenn die Platte erschüttert wird, wodurch bewirkt wird, dass sie unabsichtlich bewegt wird, oder durch ein unpräzises Einlegen der Platte. Dies erfordert, dass die Platte mit einer sehr geringen Exzentrizität eingelegt wird, und dass der Sensor im Bezug auf die Platte und die Lichtquelle präzise angebracht sein muss. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Bezugsperiode dadurch fixiert ist, dass sie in den Chip eingebettet ist, was während des Betriebs nicht geändert werden kann. Darüber hinaus trägt die Verwendung eines spezialisierten ASIC-Detektors zu den Gesamtkosten des Codierers bei und beschränkt die Produktion in großen Mengen.
Im Hinblick auf das zuvor Beschriebene ist es wünschenswert, eine Codiervorrichtung mit zugehörigem Verfahren hoher Auflösung anzugeben, die relativ kostengünstiger und einfacher mit weniger Bauteilen zusammenzusetzen ist, weniger anfällig für Platteneinlegefehler ist und sich für Einsatzzwecke geringer Abmessungen eignet.
Übersicht über die Erfindung
Kurz beschrieben und in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform und entsprechenden Merkmalen der Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben. Es wird eine hochauflösende Absolut-Codiervorrichtung angegeben, die eine Absolutposition berechnet. Der Codierer enthält eine optische Platte (Disk) bei Drehcodierern oder ein optisches Skalierelement bei linearen Codierern, auf denen jeweils eine inkrementelle und eine absolute Codespur eingebettet sind. Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält der optische Drehcodierer eine Fotoemitter-Lichtquelle, wie etwa eine Laserdiode, die die inkrementelle und die absolute Codespuren beleuchtet, so dass sie auf einen CCD-Gebietsarraysensor abgebildet werden. Das Bild wird auf eine Pixelmatrix ausgebildet, die eine Vielzahl von Reihen und Spalten hat, so dass eine erste Detektorlinie entsprechend einer Reihe der Pixelmatrix im Abschnitt des Bildes gelesen wird, das die inkrementelle Spur beinhaltet. Weiterhin wird eine zweite Detektorlinie gelesen, die einer Reihe in der Pixelmatrix des Bildes entspricht, das die Absolutspur enthält. Bei der Erfindung werden Anbringungsfehler infolge einer ungenauen Anbringung der Platte oder des Skalierelementes, die Schwankungen in der Bezugsperiode der Codespuren bewirken, die aus der Bewegung der Platte oder des Skalierelementes resultieren, kompensiert, indem eine konstante räumliche Frequenz durch dynamisches Andern der Reihe von Detektorlinien beibehalten wird, die aus der Bildmatrix gelesen werden. Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kompensation, indem der numerische Wert der Musterperiode geändert wird, die beim Fourier-Phasen-Algorithmus verwendet wird. Wenigstens ein Teil der numerischen Verarbeitung wird mit einer Logikschaltung, wie etwa einem Field-Programmable-Gate-Array (FPGA), ausgeführt. Bei der Ausführungsform sind wenigstens zwei Lichtquellen-Gebietsarraysensoren 180 Grad voneinander entfernt angeordnet, so dass die Codespuren an zwei unterschiedlichen Orten gelesen werden, was zu zwei unterschiedlichen Winkelberechnungen führt, wodurch die absolute Winkelposition auf dem Mittelwert der beiden Berechnungen basiert.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Totalstations-Theodolitvorrichtung, die für die topographische Erfassung verwendet wird, den optischen Drehcodierer zum Messen der Winkelposition in der vertikalen Ebene und in der horizontalen Ebene. Der Codierer arbeitet mit einem Servo-Mechanismus zusammen, der automatisch ein Ziel verfolgt, was als Robotikerfassung bezeichnet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen derselben am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich.
1a zeigt eine vereinfachte Seitenansicht der grundlegenden Bestandteile eines optischen Drehcodierers, der gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung arbeitet;
1b zeigt eine Seitenansicht eines optischen Drehcodierers, der gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung arbeitet;
2 ist eine Darstellung eines Teilschnittes der Codierer-Platte, die bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 zeigt einen beispielhaften CCD-Gebietsarraysensor 300, der bei der Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
4 zeigt ein Gebietsarraysensorbild der inkrementellen und der absoluten Spuren;
5 zeigt ein Bild einer beispielhaften Sensorlinie vom Absolutcode;
6 ist eine diagrammartige Aufsicht der Relativpositionen der Gebietsarraysensoren im Bezug auf die Drehcodierer-Platte bei der Ausführungsform;
7a und 7b zeigt grafisch das numerische Berechungsverfahren;
8 zeigt ein beispielhaftes Totalstations-Landerfassungsinstrument, das gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet;
9 ist eine diagrammartige Seitenansicht des Totalstations-Erfassungsinstrumentes; und
10 zeigt ein Funktionsblockschaltbild einer servobetriebenen Totalstation, die gemäß der Erfindung arbeitet.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ein hochauflösender optischer Codierer, der durch die vorliegende Erfindung beschrieben ist, vermeidet in großem Umfang die Nachteile des Standes der Tech nik. Der Codierer der Erfindung ermöglicht eine verbesserte Zuverlässigkeit und geringere Kosten im Vergleich zum Stand der Technik, wobei ein vereinfachter Aufbau die Verwendung von optischen Vergrößerungslinsen eliminiert und eine einzige Lichtquelle einsetzt, um sowohl absolute als auch inkrementelle Spuren auf einen einzigen zweidimensionalen CCD-Gebietsarraysensor abzubilden. Weiterhin weist die vorliegende Erfindung eine verbesserte Flexibilität auf, indem sie eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Platten-Anbringungsfehlern zeigt, und ist in gleicher Weise für Linear- und Drehcodierer-Anwendungen geeignet.
1a zeigt eine vereinfachte Seitenansicht der Basiskomponenten eines optischen Drehcodierers, der gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung arbeitet. Eine Platte 100 ist auf einer Welle 105 angebracht, die sich um die Wellenachse in direkter Beziehung zu dem Gegenstand dreht, der überwacht wird. Die Platten, die bei den optischen Drehcodierern verwendet werden, bestehen normalerweise aus Glas, Kunststoff, Keramik oder Metall und verfügen über codierte Markierungen, die präzise in einer Spur eingebettet sind, die den äußeren Abschnitt der Platte umgibt. Die Markierungen werden von einer Anordnung erfasst, die eine Fotoemitter-Lichtquelle 110, 111, die auf einer Seite der Platte 100 angebracht ist, sowie Fotodetektoren 115, 116 enthält, die an der anderen Seite der Platte angebracht sind. Die Platte kann einen Aufbau haben, der einen opaken Hintergrund mit transparenten Markierungen hat, so dass das Licht erfasst wird, das die transparenten Markierungen durchläuft. Alternativ kann die Platte transparent mit opaken Markierungen sein, wobei in diesem Fall die Fotodetektoren die Unterbrechung des Lichtes durch die passierenden Markierungen erfassen.
Die Codiererbestandteile sind normalerweise durch robuste Umhüllung geschützt, um den Lichtweg und die elektronischen Bauteile vor Staub und anderen Elementen zu schützen, die in unwirtlichen Industrieumgebungen enthalten sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dreht sich eine opake Platte in einer Weise, die es ermöglicht, dass Licht die transparenten Markierungen durchläuft, die von einem Fotodetektor erfasst werden.
1b zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des optischen Drehcodierers, der gemäß der Erfindung arbeitet. Die Anordnung hier ist so be schaffen, dass die Fotoemitter-Lichtquelle und der Fotodetektor (110, 115 und 111, 116) dicht nebeneinander und auf derselben Seite der Platte angeordnet sind. Tatsächlich können der Laser und der Sensor auf demselben Chip des integrierten Schaltkreises enthalten sein, wenngleich dies nicht erforderlich ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle 110, 111 leicht außerhalb der Platte 100 angebracht, so dass das abgestrahlte Licht mit dem Spiegel 118, 119 durch die Platte und die Markierungen reflektiert wird, die vom Fotodetektor 115, 116 erfasst werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist und andere Konfigurationen möglich sind, wie etwa, dass beispielsweise beide Lichtquellen unter der Platte anstelle leicht außerhalb derselben angeordnet sind, oder im Gegensatz dazu der Sensor leicht außerhalb der Platte anstelle der Lichtquelle angeordnet ist.
Die Fotodetektoren enthalten einen einzigen CCD-Gebietsarraysensor (CCD – Ladungsgekoppelte Schaltung), der ein hochdichtes Gitter von Pixeln zum Empfangen des Lichtes von der Lichtquelle, wie etwa einer LED oder einer Laserdiode, enthält. Der verwendete CCD kann aus einer Vielfalt von Arraysensoren gewählt sein, wenngleich der Sensor, der bei der Ausführungsform verwendet wird, vorzugsweise ein Interline Transfer (ILT) CCD wegen seines einfachen Aufbaus und relativ geringer Kosten ist. ILT-CCD-Gebietsarraysensoren sind nach dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden allgemein in Digitalkameras verwendet. Sie begründen eine große Mehrheit der Sichtgeräteindustrie-Produkte, wodurch sie durch Massenproduktion weitaus kostengünstiger werden als andere Arten von Arraysensoren. Wenngleich die ILT-CCD-Arraysensoren nicht die beste Bildauflösung bieten, sind sie eine gute Wahl bei der Erfassung von codierten Spuren bei optischen Codierern. Beispielsweise ist ein CCD-Arraysensor, der sich als gut arbeitend mit der Erfindung erwiesen hat, ein Sensor von Agilent Technologies aus Palo Alto, Kalifornien, USA, Modellnummer ADCS-1121, der 352 × 288 Pixel hat. Ein weiterer Sensor, der sich als zufriedenstellend arbeitend erwiesen hat, stammt von Hynix Semiconductor aus Ichon, Korea, Produktnummer HB-7121B, der 402 × 300 Pixel hat.
Wendet man sich nun 2 zu, so ist eine beispielhafte Codiertechnik, die bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Erfassen der Absolutposition verwendet wird, auf einem Teilabschnitt einer Platte dargestellt. Das inkrementelle Spurmuster besteht aus gleichmäßig beabstandeten Markierungen in radialer Verteilung, die gerade das Innere des Außenumfangs der Platte umgeben, wie es mit dem Bezugszeichen 210 dargestellt ist.
Die Absolutspur 220 besteht aus Markierungen, die aus einer Abfolge codierter Linien bestehen, die breite und schmale Linien enthalten, die radial unter der inkrementellen Spur verteilt sind. Die Absolutspur enthält 156 breite Linien, die die Spur in 156 Abschnitte gleicher Größe unterteilen. Jede breite Linie dient als Synchronisationslinie oder Bezugslinie für jeden Abschnitt. In jedem Abschnitt sind zwei schmale Datenlinien enthalten, die Informationen über die Abschnittsnummer oder die absolute Position enthalten. Beispielsweise kann die Position bestimmt werden, indem der Abstand x rechts von der Synchronisationslinie zur ersten Datenlinie gelesen wird, wobei der Abstand die erste Ziffer der Winkelposition repräsentiert. In ähnlicher Weise repräsentiert der Abstand y der zweiten Datenlinie von der Synchronisationslinie die zweite Ziffer der Winkelposition. Der räumliche Abstand kann durch Zählen der Markierungen der inkrementellen Spur gemessen werden. Die Abstände werden von den Sensorbildern in Zahl von Pixeln zwischen den Synchronisations- und Datenlinien erfasst. Der Abstand wird jedoch in der Zahl von Positionen im inkrementellen Code ausgedrückt, wobei eine Position entweder eine Linie oder eine Öffnung im inkrementellen Code sein kann. Beispielsweise wird die Breite einer Linie, die eine Markierung im inkrementellen Code ist, als Abstand zwischen zwei Synchronisationslinien geteilt durch 36 berechnet. Der Abstand zwischen den Synchronisations- und Datenlinien wird anschließend mit diesem Faktor skaliert, um den Abstand bei Positionen des inkrementellen Codes zu erhalten. Der Fachmann wird verstehen, dass das Codierschema, das in der Ausführungsform beschrieben ist, beispielhaft ist, wodurch die Erfindung nicht auf dieses beschränkt ist, und dass ein beliebiges geeignetes Codemuster verwendet werden kann, das es ermöglicht, dass die Absolutposition eindeutig und unzweifelhaft erfasst werden kann.
3 zeigt einen beispielhaften CCD-Arraysensor 300 der Ausführungsform, der in der Lage ist, ein Bild (oder einzelne Linien), das sowohl die inkrementellen als auch die absoluten Spuren enthält, in einem einzigen "Schnappschuss" zu erfas sen. Der Abbildungsbereich 310 des Array ist ein siliziumbasierter IC, der eine dichte Matrix von Fotodioden oder Pixelelementen aufweist, die das Bild erfasst, indem sie das einfallende Licht von den Spuren in eine elektrische Ladung umwandelt, die anschließend zu elektrischen Signalen verarbeitet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass sich andere etablierte Sensorarray-Technologien zur Verwendung mit der Erfindung eignen, wie etwa Komplementärmetalloxid-Halbleiter- oder CMOS-Sensoren, die aus einem Array von CMOS-Pixeln lichtempfindlicher Elemente bestehen. Das Bild, das vom Array-Sensor erfasst wird, wird in einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt, wobei der obere Abschnitt das Bild der inkrementellen Spur enthält. In ähnlicher Weise enthält der untere Abschnitt das Bild wenigstens eines kompletten Abschnittes der Absolutspur. Der Gebietsarraysensor ist ausreichend empfindlich und ist dicht genug an der Platte angeordnet, um in der Lage zu sein, die Bilder ohne das Erfordernis optischer Linsen zu erfassen.
4 zeigt ein erfasstes Bild, das sowohl die inkrementelle als auch die absolute Spur enthält. Die Spuren werden von zwei Bilddetektorlinien gelesen, wobei sich eine Linie (410) über den oberen Abschnitt des Bildes erstreckt, das ein Bild der inkrementellen Spur enthält, und eine weitere Linie (420) sich über den unteren Abschnitt erstreckt, der das Bild der Absolutspur enthält. Die Detektorlinie (420), die das Bild der Absolutspur enthält, wird mit einer sehr schnellen Logikschaltung verarbeitet, wie etwa mit einem Field Programmable Gate Array (FPGA). FPGAs sind vielfach verwendete programmierbare Vorrichtungen, die eine schnelle Verarbeitung in einer Hardware, kombiniert mit der Fähigkeit bereitstellen, für eine große Vielfalt von Anwendungen neu konfiguriert zu werden. Das Erfassen der Gegenwart einer Synchronisationslinie oder Datenlinie wird ausgeführt, indem die Intensitätsänderung erfasst wird, mit der sie über einen vorbestimmten Intensitätsschwellenwert ansteigt oder unter diesen abfällt, um zu bestimmen, wo die Spitzen beginnen und wo diese enden. Die Identifizierung wird durch Verwenden einer Summe der Pixelintensitäten von Rand zu Rand der abgebildeten Markierung und durch Vergleichen der Summen mit einem Unterscheidungsschwellenwert ausgeführt. Sobald eine Spitze erfasst worden ist, wird der Unterscheidungsschwellenwert verwendet, um zu unterscheiden und zu bestimmen, ob die Spitze eine Synchronisationslinie oder eine Datenlinie ist.
5 zeigt ein Bild einer beispielhaften Sensorlinie vom Absolutcode. In diesem Beispiel wird ein Intensitätsschwellenwert von 40 verwendet, um den Anfang und das Ende der Spitzen zu erfassen. Die Pixelwerte werden vom Beginn der Spitze zum Ende summiert, wie es mit dem schattierten Bereich auf jeder Spitze dargestellt ist. In diesem Fall sind die summierten Intensitäten [541, 519, 1155, 413, 500, 1278, 428], wie es im Bild zu erkennen ist. Um zu unterscheiden, welche Spitzen von Datenlinien stammen und welche von Synchronisationslinien stammen, werden die summierten Intensitäten mit dem Unterscheidungsschwellenwert verglichen, der in diesem Fall so gewählt ist, dass er 800 beträgt. Somit sind durch diese Kriterien die Spitzennummern 3 und 6 Synchronisationslinien, während die Spitzen 1, 2, 4, 5 und 7 Datenlinien sind.
Die Zentrumspositionen der Linien und die summierten Intensitäten werden anschließend vom FPGA zu einem Prozessor weitergeleitet, um die absolute Position zu berechnen. Ein Beispiel eines Prozessors, der sich als gut arbeitend mit der Erfindung erwiesen hat, ist der ARM-Prozessor mit der Bezeichnung AT91M42800A-33AI.
Die Abschnittszahlen werden aus dem Abstand von der Synchronisationslinie zur ersten und zur zweiten Datenlinie berechnet. Sobald die Abschnittszahl bestimmt ist, können die exakten Winkelpositionen von Synchronisationslinien und der Datenlinien berechnet werden. Mit Hilfe der bekannten Position der Linien kann eine grobe Schätzung der Winkelposition berechnet werden. Die grobe Winkelschätzung ist präzise genug, um die Position bis zu einer Periode der inkrementellen Spur zu bestimmen. Das Bild von der inkrementellen Spur wird mit Hilfe eines numerischen Fourier-Verfahrens analysiert, bei dem das FPGA den Großteil der Berechnungen ausführt und der Prozessor den Absolutwinkel berechnet.
6 ist eine diagrammartige Aufsicht der Codiererplatte, die die relativen Positionen der Gebietsarraysensoren darstellt, die bei der Ausführungsform verwendet werden. Die Arraysensoren sind um 180° entfernt zu einer Konfiguration verschoben, die es ermöglicht, dass beide Spuren an zwei getrennten Positionen gelesen werden, was zu zwei unterschiedlichen Winkeln führt. Die beiden Winkel sind da bei hilfreich, den optischen Absolutcodierer unempfindlich gegen Anbringungsfehler zu machen, da die resultierende Winkelposition, die vom Codierer gemessen wird, durch einen Mittelwert der beiden Winkel gegeben ist. Daher werden Fehler erster Ordnung wirkungsvoll für eine Bewegung entlang des Weges gelöscht, da der Mittelwert für Plattenbewegungen inhärent unveränderlich ist. Zahlreiche Arten von Anbringungsfehlern sind der Grund für Fehler beim gelesenen Winkel. Um die Genauigkeit zu erhöhen und die Kosten gering zu halten, indem die Präzision verringert wird, die zur Anbringung einer Platte erforderlich ist, ist es erwünscht, so viele Anbringungsfehler wie möglich zu kompensieren. Wenn beispielsweise der Gebietssensor mit einem Drehfehler in der Ebene der Codiererplatte angebracht ist, wird sich der gemessene Winkel ändern, sofern die Linie, die auf dem Sensor verwendet wird, geändert wird. Ist der Neigungswinkel bekannt, ist es glücklicherweise sehr einfach, diesen Fehler zu kompensieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass mehrere Linien gleichzeitig gelesen werden, während die Winkelposition unverändert bleibt, und die Winkelposition für sie alle bestimmt wird. Ist die Winkelposition für sämtliche Linien dieselbe, ist der Sensor korrekt angebracht, und wenn nicht, so ist der Sensor mit einem Fehler angebracht, der aus den unterschiedlichen Winkelpositionen berechnet und verwendet werden kann, um den Winkel zu kompensieren, wenn die verwendete Linie geändert wird.
Der Aufbau mit zwei Quellen-Detektorpaaren, die um 180° beabstandet sind, hat die vorteilhafte Eigenschaft, das sämtliche Fehler infolge einer Translation der Platte wirkungsvoll gelöscht werden. Anbringungsfehler können jedoch bewirken, dass die beiden Quellen-Detektorpaare nicht exakt in einem Abstand von 180° angeordnet sind. Einige dieser Fehler können kompensiert werden, wenn der tatsächliche Winkelabstand zwischen den beiden Quellen-Detektorpaaren bekannt ist. Dieser Abstand kann berechnet werden, indem der Winkel subtrahiert wird, der an den beiden Sensoren gelesen wird. Wenngleich zwei Quellen-Detektorpaare bei den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben sind, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist, und dass es möglich ist, ein einziges Quellen-Detektorpaar oder sogar drei oder mehr Quellen-Detektorpaare zu verwenden, um mit der Erfindung zu arbeiten.
Die äußere Spur, die den hochauflösenden inkrementellen Code enthält, wird abgebildet, wobei die Daten zur Vorverarbeitung zum FPGA gesendet werden, um die Auflösung zu berechnen.
7a zeigt grafisch das numerische Fourier-Verfahren, das vom FPGA ausgeführt wird. Das Ausgangssignal, das von der Platte durch den Arraysensor gelesen wird, wird digitalisiert und vom gezeigten oberen Signal dargestellt. Das Produkt des digitalisierten Ausgangssignals und eines digitalisierten Kosinussignals cos(V) (Mittelsignal) wird durch das untere Signal dargestellt. Jedes Ergebnis wird in Berechnungen summiert, die vom FPGA ausgeführt werden. In ähnlicher Weise zeigt 7b das Produkt des Signals mit einem sin(V)-Signal. Da jede Sinusfunktion geschrieben werden kann als Asin(x + φ) = Bsin(x) + Cos(x)können sowohl die Amplitudeninformation A als auch die Phaseninformation φ auf der linken Seite der Gleichung durch die beiden Koeffizienten B und C auf der rechten Seite der Gleichung dargestellt werden. Die Beziehung zwischen den beiden Arten, die Sinusfunktion zu schreiben ist;
Dies impliziert, dass, wenn wir unser Signal mit der Form Bsin(x) + Ccos(x) annähern können, die Phase als arctan(C/B) berechnet werden kann. Die Näherung wird mit Hilfe der Fourier-Mathematik gefunden. Die Fourier-Erweiterung einer periodischen Funktion f(x) mit der Periode T wird geschrieben als:
wobei a_n und b_n berechnet werden mit:
wobei der Koeffizient a₀ der Mittelwert von f(x) ist. Die beiden Koeffizienten erster Ordnung a₁ und b₁ ergeben eine Sinusnäherung von f(x) und die Koeffizienten höherer Ordnung ergeben eine exaktere Form von f(x). Wenn wir die beiden Koeffizienten erster Ordnung unseres Signals berechnen können, können wird dessen Phase als arctan(a₁/b₁) berechnen. Gemäß den Ausdrücken für a_n und b_n, werden sie unter Verwendung lediglich einer Periode des Signals berechnet. Das Signal ist jedoch nicht exakt periodisch, und wir wollen sämtliche Informationen im Signal nutzen. Daher ist es möglich den Ausdruck abzuändern auf:
wobei m die Zahl der verwendeten Perioden ist, d. h. (Zahl der Pixel)/(Periode des Musters). Dies bedeutet, dass wir über zahlreiche Perioden des Signals integrieren. In unserem Fall ist f(x) nicht kontinuierlich sondern diskret, f_j ist der Wert der Pixelzahl j, somit werden die Integrale daher durch die Summen über den Pixeln ersetzt:
wobei n die Gesamtzahl der Pixel und Δx_j die Breite jedes Pixels ist. Wir sind lediglich an den Koeffizienten erster Ordnung interessiert, d. h. n = 1. Und weiterhin ist lediglich das Verhältnis zwischen diesen von Interesse, wobei alles andere, was für beide Gleichungen dasselbe ist, gelöscht wird. Darüber hinaus ist x_j lediglich die Pixelzahl, die durch j ersetzt werden kann, was zu:
führt, wobei schließlich die Phase berechnet wird als arctan(a₁/b₁).
Der absolute Winkel ω_a wird aus dem Code der inneren Spur gelesen, wie es zuvor beschrieben wurde. Der Prozessor berechnet anschließend die Winkelposition ω_f,
wobei N_sect die Gesamtzahl von Perioden in der inkrementellen Spur ist. Bei der vorliegenden Erfindung enthält die inkrementelle Spur 2808 Perioden. Die Rundungsoperation zeigt, dass die Zahl auf die nächstgelegene ganze Zahl gerundet werden sollte.
Die Genauigkeit der Berechnungen geht bis zu etwa 1 Mikroradianten für die finale Position. Die Verbesserung der Genauigkeit hängt weitgehend vom Umfang der verfügbaren Rechenleistung ab, die die Berechnungen innerhalb einer angemessenen Zeit ausführen kann.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist im Vergleich mit dem Stand der Technik im Bezug auf die erforderliche Genauigkeit zur Anbringung der Platte im Decoder ziemlich flexibel. Wenn beispielsweise die Platte nicht präzise angebracht ist, verschieben sich die Spuren oder wobbeln diese leicht, wenn sich die Platte dreht, was zu Fehlausrichtungen der Neigung, zum Schlingern, Gieren oder anderen Fehlerarten führen kann. Das Verfahren versetzt den Codierer in die Lage, kleine Anbringungsfehler zu erfassen und zu kompensieren, wodurch größere Anbringungsfehler zulässig sind als beim Stand der Technik. Die Kompensation ist möglich, da die Fourier-Analyse numerisch ausgeführt wird, wodurch der Codierer in die Lage versetzt wird, dynamisch die Periode der Referenzen im Gegensatz zur räumlichen Frequenz zu ändern, die im Detektorchip fixiert ist, der während des Betriebs nicht geändert werden kann.
Der Codierer kann sich auf ein schwankendes Muster infolge einer ungenauen Anbringung der Platte anpassen und dieses Kompensieren. Die Kompensation kann angewendet werden, indem eine von zwei Techniken Verwendung findet. Die erste Technik besteht darin, dynamisch die Detektorlinie des inkrementellen Spurbildes zu ändern. Wenn sich die Musterperiode infolge der räumlichen Bewegung der Platte ändert, wird die verwendete Linie derart verschoben, dass sie immer ein Bild mit derselben Musterperiode enthält. Die zweite Option besteht darin, den numerischen Wert der Musterperiode zu ändern, der beim Fourier-Phasen-Algorithmus verwendet wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die erste Technik angewendet, um dynamisch die Detektorlinie zu ändern, da das numerische Verändern der räumlichen Frequenz einen großen Umfang an Rechenleistung erfordern kann. Wird jedoch die Alternative mit der Änderung der Linien gewählt, können die Sinus- und Kosinuswerte, die in den Summen im Fourier-Phasen-Algorithmus verwendet werden, im voraus erzeugt und in einer Tabelle im Speicher gespeichert werden. Wird die Periode in den Berechungen geändert, müssen neue Sinus- und Kosinuswerte immer dann erzeugt werden, wenn sich die Periode ändert. Zudem neigen einige Musterperioden dazu, eine höhere Genauigkeit zu liefern als andere, wie etwa wenn exakt eine ganze Zahl von Perioden in der Breite des Detektors enthalten ist. Durch Ändern der Linie besteht die Möglichkeit, eine zu bevorzugende Muster-Periode zu wählen, um sie bei der Berechnung zu verwenden, wodurch bis zu einem gewissen Grad der Berechungsaufwand verringert werden kann.
Die vorliegende Erfindung zieht einen hochauflösenden optischen Codierer in Erwägung, der weniger empfindlich für Plattenanbringungsfehler ist und keine optischen Einrichtungen erfordert, wodurch er insbesondere für Anwendung geeignet ist, bei denen ein kleines Codiererprofil und ein einfacher Aufbau vorteilhaft wären. Beispielsweise verwenden Theodoliten zum Ausführen topographischer Kartierungen, wie etwa Landvermessung, optische Codierer für die präzise Messung von vertikalen und horizontalen Winkelpositionen. Wie es in 8 gezeigt ist, sind diese Vorrichtungen dem Fachmann auch als Total Station 700 bekannt und eignen sich für die elektronische Entfernungsmessung (EDM) zur präzisen Messung von Distanzen zusätzlich zur Winkelverschiebung. Präzise Distanzanmessungen werden mit einem Laser ausgeführt, der ein frequenzmoduliertes Infrarotsignal 700 auf einer Lichtwelle zu einem retro-direktiven Prismenpolreflektor 720 sendet, um das Signal zurückzusenden, wobei die Phasendifferenz zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal verwendet wird, um die Distanz zu berechnen. Die Total Station 700 ist derart beschaffen, dass sie nach oben und unten schwenken kann und horizontal gedreht werden kann, um präzise Winkelmessungen in der vertikalen und horizontalen Ebene auszuführen.
9 ist eine diagrammartige Seitenansicht des Hauptkörpers der Total Station 700, die Positionen der optischen Coderierplatten 800, 810 zur Messung der Winkelverschiebung in der vertikalen Ebene zeigt, wenn der Hauptkörper nach oben und unten schwenkt und in der horizontalen Ebene von Seite zu Seite gedreht wird. Weiter entwickelte Instrumente, wie etwa 5600-Serie von Total Stationen, die von Trimbel AB aus Schweden hergestellt werden, verfügen über einen Servoantrieb und eine automatische Suche, die es dem Instrument gestatten, automatisch einem Ziel zu folgen, das bewegt wird. Weitere zusätzliche Merkmale umfassen die Funktelemetrie für die Kommunikation mit dem Prismenreflektor und aktiven Zielen, um das Risiko von Fehlreflexionen zu beseitigen, die fälschlicher Weise vom Instrument aufgenommen werden können. Die Codierer ermöglichen eine aktive und präzise Steuerung der Servomechanismen, was nach dem Stand der Technik als Auto Tracking Surveying oder Robotic Surveying bekannt ist.
10 zeigt ein Funktionsblockdiagramm wie eine servogesteuerte Total Station, die sich zur automatischen Verfolgung eines Ziels eignet, mit dem optischen Codierer der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Da das Instrument in der Lage ist, in zahlreichen unterschiedlichen Betriebsarten zu arbeiten, werden die Eingaben von den Betriebsarten individuell für die Verwendung im Servo-Regelkreis von einem Multiplexer 910 gewählt. Die Ausgabe des Multiplexers 910 wird einem Servo-Regelkreis zugeführt, der einen Controller 912, einen Antrieb 914 und einen Winkelsensor 916 enthält. Der Controller führt die geeigneten Analysen aus und bestimmt, wie der Antrieb zu bewegen ist. Der Winkelsensor des Codierers der vorliegenden Erfindung erfasst die Position der Achse und meldet für einen Vergleich mit dem eingegebenen Winkel zurück.
Die Funktion des Servo-Regelkreises besteht darin, die Achse, die vom Antrieb 914 angetrieben wird, in eine bestimmte Position zu positionieren, wie sie durch Eingabe gegeben ist. Der eingegebene Winkel kann sich unterscheiden, wenn das Instrument in unterschiedlichen Betriebsarten verwendet wird. Wenn es beispielsweise normal verwendet wird, werden die Steuerknöpfe 902 in erster Linie verwendet, um das Instrument zu betätigen. Möchte der Benutzer den vertikalen oder den horizontalen Winkel ändern, dreht er den Steuerknopf für die vertikale bzw. die horizontale Achse. Dies bedeutet, dass der eingegeben Winkel in das Servosystem im Verhältnis zur Bewegung der Knöpfe geändert wird. Bei einer weiteren Betriebsart kann das Instrument zur Ausgabe bestimmter Positionen, z. B. der Ecken eines Gebäudes, das zu errichten ist, verwendet werden. In diesem Fall wird die Position auf der Steuereinheit eingetippt und der eingegebene Winkel entsprechend dieser Position berechnet, wobei sich auf diesen als der Bezugswinkel 904 bezogen wird. Bei einer weiteren Betriebsart kann das Instrument zur automatischen Verfolgung eines Ziels verwendet werden. In diesem Fall erfasst die Verfolgereinheit 906 die Bewegungen des Ziels und ändert den eingegebenen Winkel für den Servo-Regelkreis derart, dass das Instrument die Bewegungen des Ziels verfolgt.
Wenn der Codierer zu Beginn gestartet wird, werden beide Spuren gelesen, um den exakten absoluten Winkel zu berechnen. Ist der absolute Winkel bekannt, ist es nicht erforderlich, den absoluten Winkel aus der Absolutspur zu berechnen. Anstelle dessen kann der Codierer in einer inkrementellen Betriebsart verwendet werden, bei der lediglich die inkrementelle Spur gelesen wird. Wird eine neuer inkrementeller Winkel aus der inkrementellen Spur gelesen, kann der neue absolute Winkel aus dem letzten absoluten Winkel und dem Wissen über die Drehzahl der Achse berechnet werden.
Wenn die beiden letzten absoluten Winkelpositionen ω_k–2 und ω_k–1 wären und der neue inkrementelle Winkel ist ω_inc, dann kann die neue absolute Winkelposition ω_k berechnet werden als:
wobei Δω_k–1 = ω_k–1 – ω_k–2
Dies gleicht der Art und Weise, in der der absolute und der inkrementelle Winkel aus den beiden Spuren zusammen umgeformt werden. Der absolute Winkel stammt jedoch nicht vom Lesen der Absolutspur sondern aus der Annahme, dass der absolute Winkel der letzte absolute Winkel plus die letzte bekannte Winkeländerung ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Annahme normalerweise korrekt ist, solange die Winkelbeschleunigung nicht zu groß ist. Laboranalysen haben gezeigt, dass das Instrument sehr stark erschüttert werden muss, um diese Art der Beschleunigung zu erhalten. Wird das Instrument trotzdem Kräften ausgesetzt, die es wahrscheinlich machen, dass es die Verfolgung des absoluten Winkels verliert, so werden damit wahrscheinlich starke Beschädigungen am Instrument hervorgerufen. Ein primärer Vorteil hierbei ist, dass die Berechnung des absoluten Winkels aus der absoluten Spur keine Aufgabe mit Priorität im Controller sein muss. Daher müssen die absoluten Winkel nicht mit derselben hohen Rate berechnet werden, wie die inkrementellen Winkel. Wenn bei der Ausführungsform ein absoluter Winkel aus der absoluten Spur berechnet wird, wird er mit dem Winkel verglichen, der in der inkrementellen Betriebsart berechnet wird, wie es oben beschrieben wurde, um zu prüfen, dass der Codierer nicht die Spur des absoluten Winkels verloren hat.
Die vorangegangene Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung diente den Zwecken der Darstellung und Veranschaulichung. Es ist damit nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die präzisen beschriebenen Formen zu erschöpfen oder einzuschränken, da zahlreiche Abänderungen oder Variationen derselben angesichts der obigen Lehre möglich sind. Das erfinderische Konzept eignet sich beispielsweise sowohl für die Verwendung bei Dreh- als auch bei Linearcodierern, die ein Skalierelement anstelle einer Platte verwenden. Zudem ist die Erfindung auf andere Sensorkonfigurationen anwendbar als jene, die in den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben sind, wie etwa Konfigurationen aus drei Sensoren, vier Sensoren, die 90° beabstandet sind, oder mehr als vier Sensoren und dergleichen. Es ist daher beabsichtigt, die folgenden Ansprüche so zu betrachten, dass Variationen und Abänderungen eingeschlossen sind, die vom Gegenstand der Erfindung abgeleitet sind.

Claims

Eine Absolutposition – Drehcodiervorrichtung, die umfasst: eine optische Disk (100), die eine erste Codespur und eine zweite Codespur auf der genannten optischen Disk ausgebildet aufweist; eine Lichtquelle (110, 111) zum Beleuchten der genannten Codespuren; einen Gebietsarraysensor (115, 116), der dazu ausgebildet ist, das Licht zu empfangen, das die genannten Codespuren beleuchtet, zum gleichzeitigen bildlichen Aufnehmen eines Teils der genannten ersten und zweiten Codespur, wobei der genannte Gebietsarraysensor in der Lage ist, auf einer Pixelmatrix aufzunehmen, die eine Mehrzahl von Reihen und Spalten aufweist, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Codiervorrichtung weiterhin umfasst ein Mittel zum Lesen einer ersten Detektorlinie (410) entsprechend einer Reihe in der Pixelmatrix, die die erste Codespur umfasst, ein Mittel zum Lesen einer zweiten Detektorlinie (420) entsprechend einer Reihe in der Pixelmatrix, die die zweite Codespur umfasst, Mittel zum Kompensieren von Schwankungen in der Codespur, die daraus resultieren, dass die optische Disk ungenau angebracht ist, durch Verschieben der Detektorlinie (410, 420) des inkrementellen Spurbilds auf dem Gebietsarraysensor, das gelesen wird, derart, dass die Periodenlänge des bildlich aufgenommenen Musters, d. h. die Musterperiode, der Codespuren mit der Periodenlänge übereinstimmt, die in der Positionsberechnung verwendet wird; und ein Verarbeitungsmittel zum numerischen Berechnen einer Absolutposition auf der Grundlage der bildlich aufgenommenen Codespuren von der Disk.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der optischen Disk, die in dem Drehcodierer verwendet werden kann, die erste Codespur eine inkrementelle Spur darstellt und die zweite Codespur eine absolute Spur darstellt.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Lichtquelle ein Photoemitter, wie eine LED, Laserdiode oder Glühlichtquelle, ist.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebietsarraysensor entweder aus einer CCD – oder CMOS – Photodioden – Technik gebildet ist.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Lichtquelle und der genannte Gebietsarraysensor sich nahe beieinander auf einer ersten Seite der optischen Disk befinden und sich ein Spiegel auf einer zweiten Seite befindet, wodurch das ausgestrahlte Licht durch den Spiegel durch die optische Disk hindurch reflektiert wird, um die Codespuren für den Empfang durch den Sensor zu beleuchten.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeitungsmittel weiterhin eine logische Field – Programmable – Gate – Array – Schaltung zum numerischen Berechnen der Phasenintensitätsverteilung, der räumlichen Frequenz und des Phasenwinkels des Bilds der Codespuren einschließt.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Gebietsarraysensoren (115, 116) sich um 180 Grad voneinander entfernt befinden, so dass die inkrementelle und die absolute Codespur an zwei unterschiedlichen Orten resultierend in zwei unterschiedlichen Winkelpositionen gelesen werden, und wobei die Absolutposition auf dem Mittelwert der Winkelpositionen basiert.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inkrementelle Spur eine Mehrzahl von gleich beabstandeten und radial verteilten Markierungen nahe der äußeren Kante der optischen Disk beinhaltet, und wobei die absolute Spur Markierungen beinhaltet, die eine Reihe von codierten Linien bilden, die breite und schmale Linien radial innerhalb der inkrementellen Spur verteilt einschließen, so dass die breiten Linien die Spur in gleich große Abschnitte teilen und innerhalb jedes Abschnitts zwei schmale Datenlinien sind, die Informationen über die Absolutposition tragen.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Kompensieren Mittel zum dynamischen Ändern der Detektorlinie des inkrementellen Spurbilds einschließen, wobei, wenn sich die Musterperiode aufgrund eines ungenauen Anbringens der optischen Disk ändert, wodurch eine ungewünschte räumliche Bewegung der Codespur verursacht wird, die Detektorlinie so verschoben wird, dass sie immer ein Bild mit derselben Musterperiode einschließt.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Kompensieren Mittel zum Verändern des numerischen Werts der Musterperiode einschließen, der in dem Fourier – Phasen – Algorithmus verwendet wird, um mit der räumlichen Frequenz schwankender Spuren überein zu stimmen.
Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich vier Gebietsarraysensoren um 90 Grad voneinander entfernt befinden, so dass die inkrementelle und die absolute Spur an vier verschiedenen Orten gelesen werden.
Totalstation – Theodolitvorrichtung (700), die für eine topographische Erfassung und Kartierung verwendet wird, die einen optischen Codierer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 enthält, zum Messen einer Winkelposition in der vertikalen Ebene und der horizontalen Ebene und die mit einem Servomechanismus zum automatischen Verfolgen eines Ziels zusammenwirkt.
Ein Verfahren zum Berechnen einer Absolutposition mit einer optischen Drehcodiervorrichtung, die Schritte umfassend: Beleuchten einer inkrementellen Codespur und einer absoluten Codespur, die auf einer optischen Disk (100) ausgebildet sind, mit einer Lichtquelle (110, 111); bildliches Aufnehmen eines Abschnitts der inkrementellen und der absoluten Codespur auf einem CCD – oder CMOS – Gebietsarraysensor (115, 116), wobei der Abschnitt auf einer Pixelmatrix bildlich aufgenommen wird, die eine Mehrzahl von Reihen und Spalten aufweist, wobei das Verfahren durch Schritte des Verfahrens gekennzeichnet ist, die einschließen: Lesen einer ersten Detektorlinie (410) entsprechend einer Reihe in der Matrix, die die inkrementelle Codespur umfasst, Lesen einer zweiten Detektorlinie (420) entsprechend einer Reihe in der Matrix, die die absolute Codespur umfasst, Kompensieren von Schwankungen in den Codespuren, die aus einem ungenauen Anbringen der optischen Disk resultieren, durch dynamisches Ändern der Detektorlinie des inkrementellen Spurbilds auf dem Gebietsarraysensor, so dass die Periodenlänge des bildlich aufgenommenen Musters der Codespuren mit der Periodenlänge übereinstimmt, die in der Positionsberechnung verwendet wird; und numerisches Berechnen der Absolutposition auf der Grundlage der Lichtverteilung der Bilder der inkrementellen und der absoluten Spur.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Gebietsarraysensoren (115, 116) sich um 180 Grad voneinander entfernt befinden, so dass die inkrementelle und die absolute Codespur an zwei unterschiedlichen Orten resultierend in zwei unterschiedlichen Winkelpositionen gelesen werden, und wobei die Absolutposition auf dem Mittelwert der Winkelpositionen basiert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Lichtquelle (110, 111) und der genannte Gebietsarraysensor (115, 116) sich nahe beieinander auf einer Seite der optischen Disk befinden und sich ein Spiegel auf der anderen Seite befindet, wodurch das ausgestrahlte Licht durch den Spiegel durch die optische Disk hindurch reflektiert wird, um die Codespuren für den Empfang durch den Sensor zu beleuchten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsschritt dynamisch die Detektorlinie des inkrementellen Spurbilds ändert, wenn sich die Musterperiode aufgrund einer räumlichen Bewegung der optischen Disk ändert, wobei die Detektorlinie so verschoben wird, dass sie immer ein Bild mit derselben Musterperiode einschließt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsschritt das Verändern des numerischen Werts der Musterperiode einschließt, der in dem Fourier – Phasen – Algorithmus verwendet wird, um mit der räumlichen Frequenz schwankender Spuren überein zu stimmen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Field – Programmable – Gate – Array zumindest einen Teil der numerischen Berechnungen ausführt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich vier Gebietsarraysensoren um 90 Grad voneinander entfernt befinden, so dass die inkrementelle und die absolute Spur an vier verschiedenen Orten gelesen werden.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13–19 in einer Totalstation – Theodolitvorrichtung (700) implementiert, die für eine topographische Erfassung und Kartierung verwendet wird, die einen optischen Codierer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 enthält, zum Messen einer Winkelposition in der vertikalen Ebene und der horizontalen Ebene und die mit einem Servomechanismus zum automatischen Verfolgen eines Ziels zusammenwirkt.