DE68913578T2

DE68913578T2 - Gerät zur Positionsbestimmung für einen sich unter Wasser bewegenden Körper.

Info

Publication number: DE68913578T2
Application number: DE68913578T
Authority: DE
Inventors: Tomio Kobe Shipyard Eng Aoyama; Masahiro Takasago Tec Fujiwara; Shinichi Takasago Tec Murakawa; Kiyoshi Kobe Shipyar Tachibana; Kyoichi Kobe Shipyard Yoshioka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1989-04-27
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2009-04-28
Also published as: EP0340632A3; US4981353A; EP0340632A2; DE68913578D1; EP0340632B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionsbestimmungssystem bzw. -gerät zum Bestimmen einer Position eines unter Wasser bewegbaren Körpers, das bei einem Ultraschall-Rißprüfungssystem für einen Atom- bzw. Kernreaktorbehälter (UT-Maschine) und zum Messen der Koordinaten von Rohr-Verteileröffnungen eines Atom- bzw. Kernreaktorbehälters, zum Messen der Mittelstellungen von Keilnuten (key-slots) und zum Messen von Längen bei Brückenbauverfahren ohne provisorische Aufbauten eingesetzt werden kann.

Beschreibung des Standes der Technik:

Die Fig. 7 zeigt eine Skizze eines Systems der vorstehend beschriebenen Art nach dem Stand der Technik. Beim Inspizieren bzw. Prüfen einer gemäß dieser Figur unter Wasser 1 befindlichen Struktur 2 wird im allgemeinen eine Ultraschall- Rißprüfungsinspektion durchgeführt, wenn die Struktur 2 ein Stahlprodukt oder ähnliches ist. Diese Inspektion bzw. Untersuchung wird ausgeführt, während ein mit einem Ultraschallsensor 3 beladener beweglicher Wagen oder Schlitten 40 durch die Drehung einer Stange 41 auf- und abwärts bewegt wird. Die Stange 41 wird durch einen auf einem Positionsbestimmungs- und Bewegungsmechanismus 42 angeordneten Antriebsmotor 43 in Drehung versetzt. Die von dem Ultraschallsensor 3 als Ergebnis der Bewegung des beweglichen Wagens bzw. Schlittens 40 gelieferten Prüf- bzw. Meßdaten der Struktur 2 werden zusammen mit Positionsdaten des beweglichen Wagens 40, die durch einen auf dem beweglichen Wagen 40 untergebrachten Positionsbestimmungsabschnitt 44 gemessen werden, zu einer Steuereinheit 45 übertragen; die früheren Daten werden mit den letzteren Daten verglichen und dadurch ausgewertet. Es ist zu beachten, daß der Ablauf der Inspektion bzw. Untersuchung durch die Steuereinheit 45 gesteuert wird. Während das dargestellte Beispiel die Situation zeigt, bei der eine Stange 41 eingesetzt wird, ist es durch Verwendung mehrerer Stangen 41 möglich, gleichzeitig unterschiedliche Untersuchungen durchzuführen. Zusätzlich können, wenn anstelle des Ultraschallsensors 3 ein anderer auf dem beweglichen Wagen bzw. Schlitten 40 angebrachter Meßsensor verwendet wird, unterschiedliche Messungen durchgeführt werden, ohne auf eine Ultraschall-Rißprüfungsinspektion beschränkt zu sein.
Das Inspektionssystem beim Stand der Technik wies jedoch noch zu lösende Probleme auf, die im folgenden aufgezählt sind:
(1) Der Positionsbestimmungs- und Bewegungsmechanismus 42 zum Bewegen und Steuern des mit dem Ultraschallsensor 3 beladenen beweglichen Wagens 40 wurde großvolumig und viel Zeit und Arbeit war zur Vorbereitung der Inspektion erforderlich.
(2) Eine Genauigkeit bei der Positionsbestimmung verschlechterte sich im Verhältnis zur Größe des Bestimmungs- und Bewegungsmechanismus 42 und der Anzahl der Stangen 41 und eine Wiederholgenauigkeit war ebenfalls nicht zufriedenstellend erzielbar.
(3) Zusätzlich zu der Tatsache, daß eine Freiheit beim Vorgang bzw. bei dem Verfahren der Inspektion gering ist, ist es erforderlich, die Positionen des beweglichen Wagens 40 und der Stangen 41 zu verändern, wenn der Ultraschallsensor 3 von der durch die Bewegung der Stangen 41 vorgegebenen Prüfposition abweichen soll; eine Arbeitseffizienz ist daher gering.
Die US-A-4 010 636 beschreibt ein Behälter-Untersuchungssystem, bei dem die Position eines Fahrzeuges, das Prüfeinrichtungen trägt und frei auf der Oberfläche eines großen Behälters, wie beispielsweise einem Kernreaktorbehälter, bewegbar ist, mit einem Ultraschall-System und einer Triangulationstechnik erfaßt und berechnet wird.
Die US-A-3 798 795 beschreibt die Kombination eines visuellen Systems und einer Entfernungsmeßeinrichtung in einem Zielbewertungssystem für Waffen. In diesem bekannten System ist jedoch eine Genauigkeit einer dreidimensionalen Positionsbestimmung gering, da eine Fernsehkamera als visuelles System und eine Entfernungsmeßeinrichtung basierend auf elektromagnetischen Wellen eingesetzt werden. Im übrigen ist ein auf elektromagnetischen Wellen basierendes Entfernungsmeßsystem unter Wasser nicht einsetzbar.
Aus "Transactions A.S.M.E., Abschnitt B: Journal of engineering for industry, Bd. 92B, Nr. 2, 1970" ist es bekannt, einen Argonlaser zum Messen von Unterwasserentfernungen zwischen Ecken von feststehenden Objekten einzusetzen. "Zeiss Informationen, Bd. 20, 1972" beschreibt ein geodätisches Instrument zum Messen von Entfernungen auf der Erdoberfläche mittels durch eine Lumineszenzdiode bzw. LED-Diode emittiertem normalem Licht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Positionsbestimmungssystem zum Bestimmen einer Position eines unter Wasser bewegbaren Körpers zu schaffen, mit dem schnell und angemessen eine Prüfung einer Struktur durchgeführt werden kann, und welches insbesondere eine Struktur bei einer hohen Genauigkeit der Positionsbestimmung beim Prüfen der Struktur inspizieren bzw. untersuchen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Positionsbestimmungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 geschaffen. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt.
Aufgrund der vorstehenden Ausgestaltung kann das neue Positionsbestimmungssystein gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen und Vorteile erzielen. Das bedeutet, daß eine Positionsbestimmung bzw. -messung mittels eines großen Positionsbestimmungs- und Bewegungsmechanismus nicht erforderlich ist. Folglich ist eine Manövrierbarkeit verbessert, eine Verkürzung der Vorbereitungszeit gewährleistet und eine Genauigkeit bei der Messung erhöht. Es ist damit möglich, die Freiheit eines bewegbaren Wagens bzw. Schlittens, eines Roboters oder ähnlicher Einrichtungen stark zu verbessern und eine Verringerung von Kosten sowie Einsparungen von menschlicher Arbeitskraft bei der Prüfung von Strukturen oder ähnlichem zu verwirklichen.
Die vorstehenden sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 bis 4 gemeinsam eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines generellen Aufbaus eines Positionsbestimmungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine detailliertere Darstellung wesentlicher Bereiche dieses Systems,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm einer Vorgehensweise zum Berechnen einer Position eines Wagens,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines bei der Berechnung der Position des Wagens zu verwendenden Winkels,
Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen eines kubischen Eckenreflektors und einer Lichtquelle auf einem bewegbaren Wagen sowie eines bei der erwähnten bevorzugten Ausführungsform verwendbaren Positionsbestimmungsabschnittes und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Positionsbestimmungssystems zum Bestimmen der Position eines unter Wasser bewegbaren Körpers nach dem Stand der Technik.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM:

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Es ist zu beachten, daß die Komponenten, die denen des bereits bekannten, in Fig. 7 dargestellten Systems entsprechen, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Ein genereller Aufbau des Positionsbestimmungssystems zum Bestimmen der Position eines unter Wasser bewegbaren Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Wagen-Zielobjekt 5, bestehend aus einem kubischen Eckenreflektor 5a, der durch einen Reflektor und eine sphärische bzw. kugelförmige Lichtquelle 5b gebildet wird, ist auf einem bewegbaren Wagen oder Schlitten 4 mit einer großen (Bewegungs-)Freiheit, wie beispielsweise ein schienenloser Inspektionswagen oder ein Unterwasserroboter, angebracht, welcher sich entlang einer Wand einer Struktur 2 im Wasser 1 bewegt. Ein Positionsbestimmungsabschnitt 7 für die Positionsbestimmung ist um seine lotrechte Achse drehbar an der Unterseite eines Endabschnitts eines Rahmens 6, der sicher an der Oberseite der Struktur 2 befestigt ist, montiert. An diesem Positionsbestimmungsabschnitt 7 ist ein Sensorkopf 8 montiert, der in einer vertikalen Ebene schwenkbar ist, um den bewegbaren Wagen 4 einfangen bzw. orten zu können. Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Steuereinheit zum Messen der Position des bewegbaren Wagens 4 auf Basis des Rotations- bzw. Drehwinkels θ des Positionsbestimmungsabschnitts 7 und des Schwing- bzw. Schwenkwinkels φ, d.h. des Schwenkwinkels des Kopfes des Sensorkopfes 8.
Die Fig. 2 zeigt noch detaillierter wichtige Bereiche des Positionsbestimmungssystems von Fig. 1. Im Sensorkopf 8 sind ein Längenmeßkopf 8a zum Emittieren bzw. Aussenden eines Laserstrahls B1 zum kubischen Eckenreflektor 5a auf dem bewegbaren Wagen 4 und ein visueller Sensor 8b zum Empfangen eines sphärischen Lichtstrahls B2, der von einer sphärischen Lichtquelle 5b auf dem bewegbaren Wagen 4 emittiert wird, vorgesehen. Der auf den aus einem Reflektor gebildeten kubischen Eckenreflektor 5a abgestrahlte Laserstrahl B1 wird durch diesen reflektiert. Der genannte Laserstrahl B1 und der sphärische Lichtquellenstrahl B2 werden so emittiert bzw. ausgestrahlt, daß ihre optischen Achsen parallel zueinander verlaufen. Die Steuereinheit 9 umfaßt einen Bildprozessor 10 zum Messen und Verarbeiten (Bildverarbeitung - image processing) eines Mittelpunktes der sphärischen Lichtquelle, nachdem die sphärische Lichtquelle (Muster-erkannt als ein Kreis) durch den visuellen Sensor 8b erfaßt bzw. ermittelt wurde, eine Folge- oder Nachführsteuereinheit 11 zum Messen und Verarbeiten eines Abweichungsbetrags und einer Richtung der sphärischen Lichtquelle und zum Übertragen bzw. Übermitteln eines Nachführsteuersignals zum Positionsbestimmungsabschnitt 7 und einem (nicht dargestellten) Steuerabschnitt des Sensorkopfes 8, um den visuellen Sensor 8b der sphärischen Lichtquelle 5b auf dem bewegbaren Wagen 4 folgen zu lassen, sowie eine Winkelmeßeinheit 12 zum Erfassen bzw. Ermitteln eines Kopf-Schwing- oder Schwenkwinkels φ des Positionsbestimmungsabschnittes 7, an dem der Sensorkopf 8 montiert ist, und eines Rotations- bzw. Drehwinkels θ des Rahmens, an dem der Positionsbestimmungsabschnitt 7 montiert ist, sobald der vorgenannte bewegbare Wagen 4 mittels des Positionsbestimmungsabschnitts 7 eingefangen bzw. geortet und verfolgt wird, und zum Ermitteln bzw. Bestimmen eines Azimut- bzw. Seitenwinkels des Sensorkopfes 8, basierend auf dem Erfassungs- bzw. Ermittlungssignal, zum Übermitteln des Azimutwinkels zu einer später noch zu beschreibenden 3D- Positionsmeßeinheit 15 und zum gleichzeitigen Übermitteln des Azimutwinkels zu der vorstehend beschriebenen Nachführsteuereinheit 11. Weiterhin umfaßt die Steuereinhit 9 eine Argonlaser-Modulationsoptik 13 zum Zuführen eines Laserstrahls zum Längenmeßkopf 8a (der Argonlaser besitzt eine Wellenlänge von 4880Å (1Å = 0,1 nm) und ist bei bzw. mit 80MHz intensitäts- bzw. helligkeitsmoduliert. Es ist zu beachten, daß die Wellenlänge von 4880Å eine unter dem Gesichtspunkt einer Minimierung der Dämpfung bzw. Abschwächung von Licht in Wasser ausgewählte Lichtwellenlänge ist, die Modulation bei bzw. mit 80MHz ein Zustand für die Entfernungsmessung mit Lichtwellen ist und eine Modulationswellenlänge im Wasser etwa 2,824 m beträgt), ein Interferenz-Phasendifferenzineßgerät 14 zum Messen des Abstandes zwischen dem Sensorkopf 8 und dem bewegbaren Wagen 4 und eine 3D-Positionsmeßeinheit 15 zum Berechnen der Position des bewegbaren Wagens, basierend auf den von der vorstehend beschriebenen Winkelmeßeinheit 12 und dem Phasendifferenzmeßgerät 14 gelieferten Informationen. Bezugszeichen 16 bezeichnet eine optische Faser zum Übertragen eines Lichtsignals.
Im folgenden wird der Betrieb des dargestellten Systems anhand einiger Gesichtspunkte erläutert:

(Wagen-Zielobjekt)

Die Bewegung des bewegbaren Wagens bzw. Schlittens 4 kann auf berührungslose Weise bestimmt werden, indem ein von der auf dem bewegbaren Wagen 4 angebrachten sphärischen Lichtquelle 5b emittierter Lichtquellenstrahl B2 durch den visuellen Sensor 8b eingefangen wird. Zusätzlich kann, basierend auf der Information über die Bewegung des bewegbaren Wagens 4 eine Längenmeßachse erzeugt werden, die aus dem Laserstrahl B1 besteht, der parallel zu dem sphärischen Lichtquellenstrahl B2 verläuft.

(Automatische Verfolgung bzw. Nachführung)

Ein Schwerkpunkt (dx, dy) der sphärischen Lichtquelle 5b wird berechnet und dadurch eine Abweichung vom Mittelpunkt der Achse ermittelt bzw. bestimmt.
Zusätzlich wird im Hinblick auf einen Steuerbetrag ein Signal zur Nachführsteuereinheit 11 übertragen, so daß die Abweichung durch die folgende Vorgehensweise konstant gehalten werden kann:
Somit wird die Abweichung stets konstant gehalten. Weiterhin wird die Positionsbestimmung des bewegbaren Wagens 4 mittels des Drehwinkels θ des Positionsbestimmungsabschnitts 7 und des Kopf-Schwenkwinkels φ des Sensorkopfes 8, die von der Winkelmeßeinheit 12 übermittelt werden, durchgeführt. Entsprechend wird die Nachführsteuereinheit 11 so gesteuert, daß der Positionsbestimmungsabschnitt 7 immer dem Wagen-Zielobjekt 5 folgen kann.

(Unterwasserlängenmessung mittels der Laser-Längenmeßeinheit)

Um den Abstand zwischen dem Wagen-Zielobjekt 5 und dem Nachführsensor 8 zu messen, wird in der Argonlaser- Modulationsoptik 13 eine Längenmeßinformation auf einen Lichtstrahl aufgeprägt, indem beispielsweise ein Argonlaser mit einer minimalen Lichtabschwächung bzw. -dämpfung in Wasser verwendet wird. Somit wird ein Lichtstrahl (ein Laserstrahl B1) von dem Längenmeßkopf 8a über eine Einmoden-Lichtleitfaser (single mode optical fiber) 16 übertragen und dadurch eine Länge zwischen dem Längenmeßkopf 8a und dem kubischen Eckenreflektor 5a gemessen.
Die zu messende Länge ist eine Entfernung DIS auf dem Laserstrahl B1. Um diese Entfernung zu messen, wird der von dem Längenmeßkopf 8a emittierte Argonlaserstrahl B1 vom kubischen Eckenreflektor 5a reflektiert, der Längenmeßkopf 8a empfängt diesen reflektierten Laserstrahl, und das elektrische Ausgangssignal wird zum Phasendifferenzmeßgerät 14 übertragen, nachdem dieser empfangene Laserstrahl einer opto-elektrischen Transformation unterworfen wurde. Sodann wird im Phasendifferenzmeßgerät 14 die Phasendifferenz zwischen dem zum kubischen Eckenref lektor 5a emittierten Laserstrahl Bl und dem von dem kubischen Eckenref lektor 5a reflektierten Laserstrahl 5gemessen. Aus Fig. 4 geht hervor, daß der Abstand DIS zwischen dem Wagen-Zielobjekt 5 und dem Nachführsensor 8, basierend auf den folgenden Gleichungen, berechnet wird. Es ist zu beachten, daß die Längenmeßinformation unter Annahme einer Modulationsfrequenz f von 80MHz als Beispiel für eine Modulationsperiode erläutert wurde.
wobei DIS eine gemessene Entfernung (m), C eine Lichtgeschwindigkeit (3x10&sup8; (m/s)), f eine Modulationsfrequenz (Hz), η einen Brechnungsindex des Mediums (1,333 in Wasser), N Wiederholschritte (ganze Zahl (integer)), P eine gemessene Phase (Grad) repräsentieren und eine Modulationswellenlänge etwa 2,824 in beträgt.
Es ist zu beachten, daß bei der Messung des Kopf-Schwenkwinkels φ mit zunehmender Wassertiefe eine Genauigkeit des Winkels φ abnimmt. Der Grund liegt darin, daß die sphärische Lichtquelle 5b durch den visuellen Sensor 8b unter einer Position betrachtet wird, die aufgrund der Brechung des Lichts etwas von deren korrekter Position abweicht. Daher wird in der Praxis die Entfernung DIS aus dem gemessenen Winkel φ und der Entfernung R in Horizontalrichtung des Positionsbestimmungsabschnitts 7 von der Struktur 2 berechnet; aus diesem berechneten Entfernungswert DIS wird ermittelt, wie viele Perioden die Modulationsphase abgewichen ist und somit werden die Wiederholschritte bzw. Zyklen N bestimmt. Obwohl die Genauigkeit des Winkels φ etwas niedrig ist, kann die Bewertung bzw. Ermittlung der Wiederholschritte N gut erreicht werden.
Die korrekte Entfernung DIS kann gemessen werden, indem die aus den Wiederholschritten N (ganzzahlig) berechnete Entfernung:
zu der aus der mit dem Phasendifferenzmeßgerät 14 gemessenen Phasendifferenz berechneten Entfernung:
addiert wird. Das ist die oben beschriebene Gleichung - 3.

(Positionsbestimmung des Wagen-Zielobjekts)

In der 3D-Positionsmeßeinheit 15 wird die Positionsbestimmung des bewegbaren Wagens 4, basierend auf dem Drehwinkel θ des Positionsbestimmungsabschnitts 7 und des Kopf-Schwenkwinkels φ des Sensorkopfes 8, die von der Winkelmeßeinheit 12 übermittelt werden, sowie basierend auf der vom Phasendifferenzmeßgerät 14 übermittelten Entfernungsinformation DIS durchgeführt.
Im folgenden wird anhand der Fig. 3 und 4 schrittweise die Vorgehensweise bzw. der Prozeß beim Bestimmen bzw. Lokalisieren der Position des bewegbaren Wagens beschrieben:

[Schritt 1]

Zu dem Zeitpunkt, an dem der Positionsbestimmungsabschnitt 7 und der Rahmen 6 in Position eingestellt wurden, wird die Positionsentfernung R des Positionsbestimmungsabschnitts 7 und des Rahmens 6 gemessen.

[Schritt 2]

Der Drehwinkel θ des vorstehenden Bestimmungsabschnitts 7 und der Kopf-Schwenkwinkel φ des Sensorkopfes 8 und die Entfernung DIS zwischen dem genannten Sensor 8 und dem Wagen-Zielobjekt 5 werden gemessen.

[Schritt 3]

Die Positionsbestimmung des bewegbaren Wagens 4 wird basierend auf der Entfernungsinformation DIS, dem Drehwinkel θ und dem Kopf-Schwenkwinkel φ durchgeführt.

(Der Drehwinkel θ ist Null)

Eine in Fig. 4(a) dargestellte Entfernung L1 des Wagen- Zielobjekts 5 wird durch die folgende Formel berechnet und die Positionsbestimmung durchgeführt:
L1 = DIS x Sin [Cos&supmin;¹(R/DIS)] ..... 4

(Der Drehwinkel θ ist nicht Null)

Eine in Fig. 4(b) dargestellte Entfernung L2 des Wagen- Zielobjekts 5 wird durch die folgende Formel berechnet und die Positionsbestimmung durchgeführt:
R' = R/Cosθ
L2 = DIS x Sin [Cos&supmin;¹(R'/DIS)] ..... 5
Mit anderen Worten, selbst wenn sich das zu lokalisierende Wagen-Zielobjekt 5 dreidimensional bezüglich der Bezugsposition R bewegt hat, ist eine Lokalisierung bzw. Positionsbestimmung möglich. Wie vorstehend beschrieben, wird der Kopf- Schwenkwinkel φ des Sensorkopfes 8 zum Bestimmen der in Gleichung - 3 erscheinenden Wiederholschritte N, und nicht unmittelbar bei der Berechnung für die Positionsbestimmung verwendet. Das ist eine Gegenmaßnahme zum Vermeiden von Meßfehlern, verursacht durch die Tatsache, daß die optischen Pfade des Laserstrahls B1 und des sphärischen Lichtquellenstrahls B2 aufgrund von Schwankungen eines Brechungsindex verursacht durch Dichteschwankungen von Wasser aufgrund einer Temperaturverteilung im Wasser gebogen bzw. gebeugt werden und daher eine Genauigkeit bei der Messung nicht eingehalten werden kann.
Als weiteres Beispiel des kubischen Eckenreflektors und der Lichtquelle auf dem bewegbaren Wagen 4 wird der mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform verwendbare Positionsbestimmungsabschnitt 7 anhand Fig. 6 genauer beschrieben. Bei dem dargestellten Gerät ist ein Zielobjekt als eine Einheit aufgebaut, indem ein kubischer Eckenreflektor und eine Lichtquelle auf derselben Achse angeordnet sind und indem in dem Positionsbestimmungsabschnitt ebenfalls eine derartige Struktur verwendet wird, daß eine Laser-Längenmeßeinheit und ein visueller Sensor Messungen auf derselben optischen Achse durchführen können, indem ein Halb- bzw. Teil (reflexions) spiegel und ein Voll (reflexions) Spiegel verwendet werden.
Gemäß Fig. 5(a) ist die Rückseite eines kubischen Eckenreflektors 21 in Form einer dreieckigen Pyramide geschnitten bzw. geformt und es ist gemäß Fig. 5(b) möglich, daß durch die geschnittene bzw. bearbeitete Fläche 21a eintretendes Licht zu einer Vorderfläche durchtreten kann. Bezugszeichen 22 bezeichnet eine beispielsweise aus einer Kugellinse bestehende Kondensorlinse, die Licht von einer Lichtquelle 23 auf die abgeschnittene bzw. bearbeitete Oberfläche 21a des kubischen Eckenreflektors 21 fokussiert und dieses an der Vorderfläche des kubischen Eckenreflektors gestreut austreten läßt. Dadurch ist es möglich, Licht einer Lichtquelle vom kubischen Eckenreflektor zu emittieren und eine Lichtquelle und ein kubischer Eckenreflektor, die beim Stand der Technik als Einzelteile vorgesehen sind, können als eine integrale Struktur ausgebildet werden.
Eine Konstruktion des Positionsbestimmungsabschnitts 7 ist in Fig. 6 dargestellt. In dieser Figur bezeichnet 28 einen Halb- bzw. Teil(reflexions)spiegel, der einen Lichtstrahl einer Lichtquelle 23 und einen zurückkehrenden Laserstrahl eines Laser-Längenmeßinstruments 30, die beide auf derselben Achse liegen, zu einem visuellen Sensor 29 und dem Laser- Längenmeßinstrument 30 verteilt. Mit 27 ist ein Voll(reflexions)spiegel bezeichnet, der den durch den Halb- bzw. Teilspiegel 28 verteilten Lichtstrahl zum visuellen Sensor 29 leitet. Aufgrund dieser Spiegel (des Halb- bzw. Teilspiegels und des Voll(reflexions)spiegels) wurde es möglich, den visuellen Sensor 29 und das Laser-Längenmeßinstrument 30 nebeneinander anzuordnen und einfallendes Licht auf derselben Achse zu nutzen. Durch Zusammenfassen von zwei optischen Achsen in eine Achse durch Anwendung des vorstehenden Aufbaus ist es möglich, eine genaue Funktion des visuellen Sensors 29 und des Laser-Längenmeßinstruments 30 zu erreichen.
In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 24 eine Antriebseinheit für die φ-Richtung, 25 eine Antriebseinheit für die θ-Richtung und 32 einen feststehenden Tisch (Rahmen). Die durch den visuellen Sensor 29 ermittelten Werte der Winkel φ und θ sowie der durch das Laser-Längenmeßinstrument 30 ermittelte Wert der Entfernung DIS werden der Positionsmeßeinheit 15 zugeführt, in der die Position des bewegbaren Wagens 4 basierend auf den zuvor beschriebenen Formeln berechnet wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine Positionsmessung unter Verwendung eines großen bewegbaren Positionsmeßmechanismus nicht erforderlich ist, sondern eine 3D-Positionsmessung auf berührungslose Weise möglich ist. Daher ist eine Manövrierbarkeit des Geräts verbessert, eine Verkürzung einer Vorbereitungszeit wird erreicht, eine Meßgenauigkeit ist verbessert, eine deutliche Verbesserung in einer (Bewegungs)- verbessert, eine deutliche Verbesserung in einer (Bewegungs)- Freiheit eines bewegbaren Wagens, eines Roboters oder Ähnlichem kann verwirklicht werden und eine Verringerung von Kosten sowie eine Einsparung von menschlicher Arbeit bei der Inspektion bzw. Prüfung oder Untersuchung einer Struktur kann erreicht werden.
Weiterhin würde bei Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung der von der Laser-Längenmeßeinrichtung emittierte Laserstrahl selbst bei einer Bewegung des Zielobjekts kaum von dem kubischen Eckenreflektor abweichen, da das System so aufgebaut ist, daß die Messung durchgeführt werden kann, während die Lichtquelle, der kubische Eckenreflektor, das Laser- Längenmeßinstrument und der visuelle Sensor alle auf derselben Achse angeordnet sind; daher ist eine Lageregelung des Zielobjektabschnittes einfach und ein hochgenauer Mechanismus für die Lageregelung ist in dem Antriebssystem ist nicht erforderlich. Zusätzlich ist in dem Zielobjektabschnitt auch eine Verkleinerung eines Geräts möglich, da die Lichtquelle und der kubische Eckenreflektor in einer Integralstruktur ausgebildet sind.

Claims

1. Positionsbestimmungsgerät zum Bestimmen einer Position eines unter Wasser bewegbaren Körpers (4), der sich längs einer Struktur (2) zu bewegen vermag und mit einer Inspektions- oder Prüfvorrichtung (3) versehen ist, umfassend:

eine am bewegbaren Körper < 4) montierbare Ortungs- oder Zielvorrichtung (5), enthaltend einen kubischen Eckenreflektor (5a, 21) mit Einheit zum Reflektieren eines Laserstrahls (B1) sowie eine Lichtquelleneinheit (5b, 23) zum Emittieren eines Lichtstrahls (B2),

eine um eine lotrechte Achse über einen Winkel drehbare und einen relativ zur lotrechten Achse winkelmäßig schwenkbaren Sensorkopf (8) aufweisende Nachführeinheit (7) zum automatischen Folgen der Ortungsvorrichtung (5), wobei der Sensorkopf (8) eine Längenmeßeinheit (30) aufweist, die mit einem von der Ortungsvorrichtung (5) um einen waagerechten Bezugsabstand (R) getrennten Längenmeßkopf (8a) zum Emittieren bzw. Aussenden eines Argonlaserstrahls (B1) zum kubischen Eckenreflektor (5a, 21), zum Empfangen des vom kubischen Eckenreflektor (5a, 21) reflektierten Argonlaserstrahls (B1) und zum Erzeugen eines darauf basierenden Längensignals sowie mit einer visuellen Sensoreinheit (8b) zum Detektieren des von der Lichtquelleneinheit (5b, 23) emittierten Lichtstrahls (B2) und zum Erzeugen eines visuellen Sensorsignals versehen ist, und eine Steuereinheit (9) zum Empfangen des Längensignals

und des visuellen Sensorsignals, zum Messen eines Rotationswinkels (θ) der Nachführeinheit (7) und eines Schwingwinkels (φ) des Sensorkopfes (8) sowie zum Bestimmen der Position des bewegbaren Körpers (4) auf der Grundlage des Schwingwinkels (φ), des Rotationswinkels (θ), des Längensignals und des waagerechten Bezugsabstands (R),

wobei die Lichtquelleneinheit (5b, 23), der kubische Eckenreflektor (5a, 21), die visuelle Sensoreinheit (8b) und der Längenmeßkopf (8a) jeweils in der Weise montiert sind, daß eine Linie zwischen dem Längenmeßkopf (8a) und dem kubischen Eckenreflektor (5a, 21) parallel zu einer Linie zwischen der Lichtquelleneinheit (5b, 23) und der visuellen Sensoreinheit (8b) liegt.

2. Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (9) eine Argonlaser-Modulationsoptik (13) und einen Phasendifferenzmesser (14) aufweist.

3. Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend

einen Rahmen (6, 32), der an der Struktur (2), längs welcher sich der unter Wasser bewegbare Körper (4) zu bewegen vermag, anbringbar ist, wobei die Nachführeinheit (7) am Rahmen (6, 32) montiert ist.

4. Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 1 , wobei der kubische Eckenreflektor (21) einen als stumpfe Dreieckspyramide mit einem engen stumpfen hinteren Ende (21a) und einem weiten Vorderende geformten hinteren Abschnitt aufweist, die Lichtquelleneinheit (23) rückwärts vom kubischen Eckenreflektor (21) montiert ist und zwischen der Lichtquelleneinheit (23) und dem kubischen Eckenreflektor (21) eine Linseneinheit (22), um das von der Lichtquelleneinheit (23) emittierte Licht durch das stumpfe hintere Ende (21a) hindurchfallen zu lassen, montiert bzw. angeordnet ist.

5. Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 4, wobei der kubische Eckenreflektor (21) eine Einheit zum Reflektieren des Laserstrahls zur Längenmeßeinheit zurück aufweist und

die Längenmeßeinheit (30) ferner den Argonlaserstrahl (B1) zu empfangen vermag, nachdem dieser durch die Reflektiereinheit des kubischen Eckenreflektors (21) reflektiert worden ist.

6. Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Nachführeinheit (7) ferner eine Einheit aufweist, um den von der Lichtquelleneinheit (5b, 23) emittierten Lichtstrahl (B2) mit dem Laserstrahl (B1) gleichlaufend bzw. gleichachsig (colinear) zu machen.

7. positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 6, wobei die Einheit, um den Lichtstrahl (B2) mit dem Laserstrahl (B1) gleichlaufend bzw. gleichachsig (colinear) zu machen, einen Teil(reflexions)spiegel (28) und einen Voll(reflexions)spiegel (27) umfaßt,

die visuelle Sensoreinheit (8b, 29) ein Bildsignal zu liefern vermag und

die Steuereinheit (9) eine Bildprozessoreinheit (10) zum Verarbeiten des Bildsignals sowie eine Folge- oder Nachführsteuereinheit (11) zum Erzeugen eines Steuersignals, um die Nachführeinheit (7) der Lichtquelleneinheit (5b, 23) der Zielvorrichtung (5) folgen zu lassen, aufweist.

8. Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 2, wobei die Argonlaser-Modulationsoptik (13) über einen Lichtleiter (16) mit der Längenmeßeinheit (30) verbunden ist.

9. Positionsbestimmungsgerät nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei die Längenmeßeinheit (30) ferner eine Einheit zum Erzeugen des auf 80 MHz modulierten Argonlaserstrahls aufweist.