FI74550C

FI74550C - Rörelseanalysator.

Info

Publication number: FI74550C
Application number: FI821835A
Authority: FI
Inventors: Raimo Ahola; Risto Myllylae
Original assignee: Raimo Ahola; Risto Myllylae; Escotek Ky
Priority date: 1982-05-24
Filing date: 1982-05-24
Publication date: 1988-02-08
Also published as: SE8302833L; SE8302833D0; FI74550B; FI821835A0; FI821835A; DE3318556A1

Description

7455074550

LIIKEANALYSAATTORI - RÖRELSEANALYSATORMOTION ANALYZER - RÖRELSEANALYSATOR

Keksinnön kohteena on menetelmä tietyn kohteen etäisyyden sekä siitä johdettavissa olevien tietojen, kuten etäisyyden muutoksen nopeuden ja kiihtyvyyden, mittaukseen ja laskemiseen perustuen sähkömagneettisen, optisella alueella olevan säteilyn kulkuajan mittaukseen.The invention relates to a method for measuring and calculating the distance of a certain object and the data derived therefrom, such as the rate and acceleration of the change in distance, based on the measurement of the propagation time of electromagnetic radiation in the optical region.

Liikkuvan kohteen etäisyyden ja nopeuden mittausta käytetään nykyisin monessa eri yhteydessä. Vanhin käyttäjäkunta lienee armeijan tulenjohto- ja tarkkailujoukot, kansanomaisesti tunnetuin poliisi 1iikennetutkineen. Yleiskäyttöön hyvin soveltuva etäisyys-, nopeus- ja mahdollisesti kiihtyvyysmittari tulisi olla helppokäyttöinen, kevyt ja pienikokoinen mutta kuitenkin erittäin nopea, tarkka ja riittävän tehokas, sekä tulostus-ja analysoi nti omi naisuuksi1 taan monipuolinen. Ajateltavissa olevat laitteistot voivat perustua mikroaaltojen (tutkat), ultraäänen tai valon kulkuajan mittaukseen.Measuring the distance and speed of a moving object is currently used in many different contexts. The oldest user base is probably the army's fire control and surveillance forces, the most popularly known police and traffic investigators. A distance, speed and possibly accelerometer, which is well suited for general use, should be easy to use, light and compact, yet very fast, accurate and sufficiently efficient, as well as versatile in terms of printing and analysis. Conceivable equipment can be based on microwave (radar), ultrasonic, or light travel time measurements.

Tutkat perustuvat mikroaaltojen Kulkuajan mittaukseen etäisyyden määrittämiseksi ja Doppler-iImiön hyväksi Käyttöön nopeuden lasKemiseKsi. Pienikokoisen kohteen tai suurikokoisen Koh-! teen tietyn pisteen liiketilan määritys tuottaa tutkalle vai-The radars are based on measuring the travel time of microwaves to determine the distance and to use the Doppler feature to calculate the speed. For a small item or a large item! The determination of the motion space at a certain point

Keuksia. Tarvitaan suuriKOKoisia antenneja onnistumisen ollessa silti epävarmaa. LisäKsi ympäristö-olosuhteet, kuten suuret metallipinnat, asettavat esteitä mittauksien onnistumiselle. Etäisyyden ja nopeuden samanaikainen mittaus on myös hanKalaa.Rights. Large SIZE antennas are needed while success is still uncertain. In addition, environmental conditions, such as large metal surfaces, pose obstacles to the success of the measurements. Simultaneous measurement of distance and speed is also difficult.

Ultraäänilaitteita, jotka perustuvat samoihin periaatteisiin Kuin tutKatkin vaivaa väliaineen (ilman) liikkeistä riippuva mittaustulos ja useasti huono heijastus Kohteesta. Lisäksi äänen etenemisnopeus on voimakkaasti riippuvainen väliaineen tilasta (lämpötila, kosteus, paine) ja sen avulla saavutettava mittausetäisyys on suhteellisen lyhyt.Ultrasonic devices based on the same principles As radar, the measurement result depends on the (air) movements of the medium and often poor reflection from the target. In addition, the speed of sound propagation is strongly dependent on the state of the medium (temperature, humidity, pressure) and the measurement distance achieved with it is relatively short.

: Nykyai Kaiseen yl ei SKäyttöön tar-Koitettu mittauslaite näyttää olevan parhaiten toteutettavi ssa sähKÖmagneetti sten. aaltojen 74550 optista aluetta hyväksikäyttämällä. Käytännössä valon generointi tapahtuu laserilla, joka pystyy tuottamaan riittävän intensiivistä ja monokromaattista valoa tähän tarkoitukseen. Tällä periaatteella toimivia laitteita on suuri määrä. Useimmat ratkaisut perustuvat valon kulkuajan mittaukseen joko suoraan tai välillisesti riippumatta siitä, mittaako laite ainoastaan etäisyyttä vai myöskin nopeutta.: Today, a measuring device intended for use does not appear to be the most feasible electromagnet. exploiting the 74550 optical range of the waves. In practice, the light is generated by a laser capable of producing sufficiently intense and monochromatic light for this purpose. There are a large number of devices operating on this principle. Most solutions are based on measuring the travel time of light, either directly or indirectly, regardless of whether the device only measures distance or also speed.

Er-äs tällainen periaate on vai hevertai luperiaate, jossa heijastuneen valon vaihetta verrataan lähtevän valon vaiheeseen. Tällä menetelmällä päästään tarkkoihin etäisyysmittauksiin, mutta liikkuvan kohteen mittauksessa ongelmana on pieni lähetysteho ja pitkä mittausaika, jolloin tuloksena on kapealla nopeus-alueella toimiva laite, joka on vaikeasti kohdistettavissa.One such principle is or hevertai or lupereri, in which the phase of the reflected light is compared with the phase of the outgoing light. This method achieves accurate distance measurements, but the problem with measuring a moving object is the low transmission power and long measurement time, resulting in a device operating in a narrow speed range that is difficult to target.

Pulssiperiaatteella toimivat nykyiset sekä etäisyyttä että nopeutta samanaikaisesti mittaavat laitteet on kehitetty toimimaan ns. passiiviseen kohteeseen, eli kohteeseen, jonka valon h eijastumisominaisuuksia ei voida muuttaa. Jotta passiivisesta kohteesta saataisiin riittävän voimakas kaiku tekaisin vastaanottimeen on lähettimen pulssiteho oltava suuri ja valokeila kapea. Tästä on haittana se, että laseria joudutaan pulssitta-maan melko pienellä taajuudella korkean pulssitehon vuoksi ja että valokeilaa on vaikea kohdistaa pieneen tai nopeasti liikkuvaan kohteeseen. Lisäksi suureen kohteeseen mitattaessa ei tiedetä tarkasti mistä kohteen pisteestä kaiku saadaan. Saatava mittaustulos οηκίη aina näytemäinen kertatulos eikä jatkuva.Current devices that measure both distance and speed at the same time as the pulse principle have been developed to operate in the so-called a passive object, that is, an object whose light-reflecting properties cannot be changed. In order to obtain a sufficiently strong echo from the passive object to the receiver, the transmitter must have a high pulse power and a narrow beam. The disadvantage of this is that the laser has to be pulsed at a relatively low frequency due to the high pulse power and it is difficult to focus the light beam on a small or fast-moving object. In addition, when measuring a large object, it is not known exactly from which point of the object the echo is obtained. The resulting measurement result is always a sample one-time result and not a continuous one.

Edellä mainitut haitat voidaan poistaa käyttämällä pulssitet-tuun valoon ja sen kulkuaikaan perustuvaa mittausmenetelmää, jossa sinänsä tunnetulla valolähteellä, kuten laserilla, kohdistetaan jaksottainen valokeila liikkuvan tai paikallaan olevan kohteen heijastavaa pintaa tai osaa kohti, jolle menetelmälle on tunnusomaista se, että kohteesta heijastuneen valopulssin kulkuaika muunnetaan siihen verrannolliseksi jännitteeksi mittaustaajuuden jaksonpituuden ja valopulssinThe above disadvantages can be eliminated by using a measurement method based on pulsed light and its propagation time, in which a light source known per se, such as a laser, directs a periodic beam towards a reflecting surface or part of a moving or stationary object. the voltage corresponding to the period of the measuring frequency and the light pulse are proportional to it

IIII

3 74550 kulkuajan muodostaman toimintajakson perusteella siten, että sakaramuotoisen jännitesignaalin kahdesta kiinteästä jännitetasosta muodostetaan toimintajakson suhteessa jännitesignaalin keskiarvo.3 74550 on the basis of the operating period formed by the travel time, so that the two fixed voltage levels of the claw-shaped voltage signal are formed as the average of the voltage signal with respect to the operating period.

Keksinnölle on myös tunnusomaista se, että valokeilan muodostava ja heijastuksen vastanottava optiikka sekä tarvittaessa myös lähetin ja vastaanotin on eristetty omaksi yksiköksi, jolloin siirrettävä informaatio kulkee kaapelia myöten varsinaisen elektroniikkaosan ja mittapään välillä. Tämän ansiosta mittapäästä saadaan kevyt, helposti suunnattava ja sijoitettava sekä mekaanisesti hyvin suojattu.The invention is also characterized in that the optics which form the light beam and receive the reflection and, if necessary, also the transmitter and receiver are isolated as a separate unit, whereby the information to be transmitted passes along the cable between the actual electronic part and the probe. This makes the probe light, easy to direct and position, and mechanically well protected.

Keksinnölle on lapuksi vielä tunnusomaista se, että tarvittavan suuren toimintajakson saavuttamiseksi käytetään DH-tyyppistä puolijohdelaseria.The invention is further characterized in that a DH-type semiconductor laser is used to achieve the required long operating period.

Keksintöä selostetaan esimerkin avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossaThe invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawing, in which

Kuva 1 esittää menetelmän mukaisen laitteen lohkokaaviota.Figure 1 shows a block diagram of a device according to the method.

Kuva 2 esittää valon kulkuaikaan verrannollisen jännitteen muodostamista.Figure 2 shows the generation of a voltage proportional to the light travel time.

Kuva 3 esittää laitteen erästä sovel1utusmuotoa ja sen käyttöä.Figure 3 shows an embodiment of the device and its use.

Kuvassa 1 esitetään lähinnä eri sovel1utusa 1 ojen kartoitukseen tarkoitettua laitetta, jonka mittausalue hyvällä heijastimella on 0-200 m. Siinä valopulssien ohjauseiektroniikkana toimii nopea kideohjattu oski1laattori 1, joka tahdistaa pulssitta-jaa 2, joka synnyttää laserin 3 tarvitsemat virtapulssit. Laser 3 on ns. DH (Double Hetero 1 -tyyppinen puo1ijohde1aser. Laserin 3 synnyttämät valopulssit kulkevat linssin 4 läpi kohteeseen, josta ne heijastuvat ja ohjataan peilien 5 avulla suodattimen 6 ja linssin 7 läpi detektoriin 8, joka on valodiodi. Detektorin 8 synnyttämät jännitepu1 ssit vahvistetaan esivahvistime 11 a 4 74550 9, jonka jälkeen vaimennin 10 säätää läjntöpulssi n likimain vakioksi seuraavia vaiheita varten. Vahvistin 11 ja takaisinkytkentä 12 määräävät väkiomurto-osa-aikadis kriminaattori11 e (CFTD) 13 menevän jännitepulssin tason. CFTD-yksikkö 13 pienentää nopeiden amplitudivaihtelujen vaikutusta ajoitukseen ja lisää vastaanottimen dynaamista aluetta. Aikavä1i-jännitemuun-nin (TAC) 14 määrittää kohteen etäisyyden kuvan 2 esittämällä tavalla. AC - kytkety1tä vahvistimelta 15 saadaan kohteen etäisyyden muutokseen, ”ac-etäisyyteen" verrannollinen jännite. Derivoivat piirit 16 ja 17 laskevat TAC-piirin 14 antamasta jännitteestä nopeuden ja kiihtyvyyden.Figure 1 shows a device for mapping mainly different applications, with a measuring range of 0-200 m with a good reflector. Laser 3 is the so-called. DH (Double Hetero 1 type semiconductor laser). 74550 9, after which the attenuator 10 adjusts the output pulse n to approximately constant for the following steps.The amplifier 11 and the feedback 12 determine the level of the voltage pulse going to the fracture part-time division criminator 11e (CFTD) 13. The CFTD unit 13 The time-to-voltage converter (TAC) 14 determines the distance to the target as shown in Figure 2. The AC-connected amplifier 15 provides a voltage proportional to the change in the distance to the target, the "ac-distance". and acceleration.

Kuvan 2 mukaisessa ajoituskaaviossa ilmenee, kuinka valon kulkueina T2 muutetaan analogiseksi jännitteeksi Ug.The timing diagram according to Figure 2 shows how the light paths T2 are converted to an analog voltage Ug.

Tällaisen laitteen eräs sovellutustapa on esitetty kuvassa 3. Siinä mitataan pikajuoksijan 23 nopeus- ja kiihtyvyysprofii1it juoksuradalla 22. Ajanmittauselektroniikka ja siihen läheisesti liittyvä muu elektroniikka sijaitsee kotelossa 18 ja tarvittava optinen mittapää kevyessä lähetin-, ja vastaanoti nlait-teessa 19 statiivilla 21.One embodiment of such a device is shown in Figure 3. It measures the speed and acceleration profiles of the fast runner 23 on the treadmill 22. The timing electronics and closely related other electronics are housed in a housing 18 and the required optical probe in a lightweight transmitter and receiver 19 on a tripod 21.

Laitteistot ovat yhdistetyt kaapelilla 20, joka siirtää informaatiota molempiin suuntiin. Juoksijalla 23 on selässään heijastin 24, johon valokeila suunnataan. Kun juoksija lähtee etenemään, mittauslaitteisto (16,19) mittaa jatkuvasti hänen etäisyytensä, nopeutensa ja kiihtyvyytensä. Tarvittaessa saadaan joka juoksun jälkeen profiilit tulostettua tietojenkäsittely-laitteella 25, jolloin juoksija ja hänen valmentajansa voivat heti arvioida juoksun eri vaiheiden onnistumista ja tehdä tarvittavat korjaukset.The equipment is connected by a cable 20 which transmits information in both directions. The runner 23 has a reflector 24 on its back to which the light beam is directed. As the runner begins to advance, the measuring equipment (16,19) continuously measures his distance, speed, and acceleration. If necessary, the profiles can be printed after each run with the data processing device 25, so that the runner and his coach can immediately assess the success of the various stages of the run and make the necessary corrections.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutus-muodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä laitekokoonpano voi olla mikä tahansaIt will be clear to a person skilled in the art that the various embodiments of the invention are not limited to the example given above, but may vary within the scope of the claims set out below. Thus, the device configuration can be anything

IIII

5 74550 tiettyyn tarkoitukseen sopiva ja kohde voi olla mikä tahansa elävä olento tai esine, johon heijastin voidaan kiinnittää tai jonka valonheijastuvuutta voidaan muulla tavoin parantaa halutusta kohdasta.5 74550 is suitable for a particular purpose and the object can be any living being or object to which the reflector can be attached or whose light reflectance can be otherwise improved from the desired point.

Claims

1. A method for measuring and calculating the distance to a given object and the data derived therefrom, such as distance change, velocity and acceleration, based on the measurement of the propagation time of electromagnetic radiation in an optical region, by periodically applying a light source known per se, such as a laser (1) a light beam towards a reflecting surface (24) or part of a moving or stationary object (23), characterized in that the travel time (Tg) of the light pulse reflected from the object is converted to a voltage proportional to it by the measurement frequency period length (T 1) and the light pulse travel time (T 1) W so that the two fixed voltage levels (U ^ .Ug) of the claw-shaped voltage signal form the average of the voltage signal <u3) with respect to the operating period.

Method according to Claim 1, characterized in that the optics which form the light beam and receive the reflection and, if necessary, also the transmitter and receiver are isolated as a separate unit (19), the information to be transmitted passing along the cable (20) between.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that a DH-type semiconductor laser is used to achieve the required long operating period. Il