NO317929B1 - Fremgangsmate og anordning for a male relativ bevegelse mellom to elementer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å måle av graden av relativ bevegelse mellom et første og et andre element som er innbyrdes bevegelige.

Oppfinnelsen er egnet for bruk innenfor tallrike områder, særlig innenfor området som gjelder transportsystemer der et kjøretøy (som danner det første elementet) beveger seg på en styretrasé (som danner det andre elementet). Denne anvendelse vil være hovedanvendelsen som det refereres til i det etterfølgende, men oppfinnelsen er også egnet for bruk innenfor mange andre områder og særlig innenfor industrielle installasjoner der et langstrakt produkt (som danner det andre elementet) passerer gjennom et apparat (som danner det første elementet), slik som en valsemølle eller en papirfremstillingsmaskin. I samtlige av disse installasjoner finnes der systemer for automatisk styring og overvåkning som krever måling av en grad av bevegelse og/eller en hastighet.

Mange fremgangsmåter for å måle graden av bevegelse eller hastighet er allerede kjente. Innenfor jembaneområdet består den mest hyppig anvendte metode i å måle hjulenes rotasjonshastighet. Den målemetoden har dårlig nøyaktighet på grunn av glipping. Dessuten krever den periodisk omkalibrering på grunn av hjulslitasje. Hastig-hetsmålingsmetoder basert på Doppler-effekten er også blitt foreslått, med anvendelse av en generator for mikrobølger som tilbakespres fra skinnegangen. Den metoden er vanskelig å realisere på pålitelig måte og gir ikke signifikante resultater ved lave hastigheter.

En målemetode er også blitt foreslått (US-patent 4162509) som innbefatter trinnene å danne to suksessive bilder, hvert tilveiebrakt av en blitz-fotodiodeoppstillingsenhet, idet de to enhetene er i en fast avstand fra hverandre. Blitsrørene kan utelates dersom om-givende lys er tilgjengelig. En krets justerer tidsintervallet mellom de to bildene, slik at de to bildene i alt vesentlig tilsvarer det samme området av bakken. En korrelasjon mellom de to bildene som er blitt oppnådd blir så foretatt.

Til sist omhandler sveitsisk patent 531178 en fremgangsmåte som gjør bruk av to kilder som kontinuerlig belyser en trasé med hensyn til hvilken et kjøretøy som er forsynt med måleapparaturen beveger seg. Der er verken generering av et bilde av en felles region heller generering av et bilde av en interferensoppstilling. Refleksjonsevnen hos det belyste området blir ganske enkelt målt ved hjelp av en fotoelektrisk omformer. De utmatede signaler fra de to omformerne multipliseres for derved å oppnå en krysskorre-leringsfunksjon. Slik som i tidligere nevnte publikasjon, blir tidsforsinkelsen mellom prøvetagningene justert. For å oppnå et signifikant resultat, er det vesentlig at tidsforsinkelsen meget nøyaktig justeres som følge av graden av bevegelse av kjøretøyet i forhold til traseen, og det representerer en ulempe.

Et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for måling som er forenlig med en høy hastighet og gir en høy grad av nøyaktighet. Fremgangsmåten kjennetegnes ved de trekk som fremgår av vedlagte krav 1.

Ved fremgangsmåten oppnås de to bildene ved å dirigere to suksessive korte lyspulser fra det første elementet mot det andre elementet, med i alt vesentlig samme innfallsvinkel, romlig forskjøvet med hensyn til det første elementet i bevegelsesretningen, idet nevnte forskyvning er omtrentlig lik graden av relativ bevegelse som oppsto mellom elementene mellom de to korte lyspulsene.

Det er tilstrekkelig at den relative hastigheten er omtrentlig kjent for realisering av fremgangsmåten. Det kjennskapet kan oppnås ved en annen fremgangsmåte, hvilken kan være mindre nøyaktig og mindre pålitelig enn fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Dersom suksessive målinger gjentas fra begynnelsen av bevegelsen, kan den relative hastigheten utledes fra graden av bevegelse og fra tidsintervallet mellom de to bildene under en måling og lagres. Forskyvningen for den neste målingen kan så velges på en verdi som tilsvarer graden av relativ bevegelse som ville ha opptrådt dersom den samme hastigheten var blitt opprettholdt. Det er også mulig å korrigere verdien av graden av bevegelse ved omtrentlig å måle akselerasjonen av kjøretøyet og beregne den for-ventede hastighetsvariasjon.

Dersom fremgangsmåten er for å måle hastigheten av et kjøretøy på en jernbane, vil det første elementet være kjøretøyet og det andre elementet vil være et langstrakt element av traseen, vanligvis en skinne.

Ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåten fremgår av de vedlagte krav 2-5.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning for å realisere den ovenfor beskrevne fremgangsmåte, og anordningen kjennetegnes ved de trekk som fremgår av vedlagte krav 6.

Ytterligere utførelsesformer av anordningen fremgår av de vedlagte krav 7-10.

Det lysgenererende middel kan således omfatte en eller flere pulsede laserdioder, selv om en laser (særlig en YAG-laser) har fordelen av å være mer monokromatisk, men på bekostning av en langt høyere kostnad. De bildedannende midler er generelt enten en CCD-remse (lineær oppstilling) slik plassert at dens utstrekningsretning er parallell med bevegelsesretningen, eller en matriseoppstilling dersom det er ønskelig også å måle en mulig tverrbevegelse. Det vil ofte være mulig å gi avkall på et bildedannende, optisk system ettersom det er ganske enkelt ønskelig å oppnå et bilde av skjæringen mellom et tredimensjonalt interferensmønster og et plan (i tilfellet av en oppstilling) eller en linje (i tilfellet av en CCD-remse).

Generatormidlet kan ha et stort utvalg av konstruksjoner, hvorav kun noen av disse vil bli gitt her i eksempels form.

De ovenstående trekk og øvrige, som med fordel anvendes i kombinasjon med de foregående eller eventuelt anvendes separat, vil fremtre tydeligere fra den etterfølgende beskrivelse av særlige utførelsesformer som er gitt kun i eksempels form.

Beskrivelsen refererer seg til de vedlagte tegninger, der:

fig. 1 er et blokkskjema over en første utførelsesform,

fig. 2 er en skjematisk fremstilling som viser suksessive trinn ved fremgangsmåten for

måling, og

fig. 3, 4 og 5, tilsvarende en del av fig. 1, viser modifiserte utførelsesformer.

Anordningen som er skjematisk vist i fig. 1 er knyttet til måling av hastigheten og/eller graden av bevegelse av et bevegelig objekt som består av et massetransportkjøretøy, langs en retning f som representeres av en skinne 10. Hele apparatet bæres av anordningen og apparatet kan befinne seg i kjøretøyets styreanordning, og vil tilveiebringe data vedrørende hastighet og forflytning av anordningen.

Apparatet omfatter middel for å generere et samme interferensmønster to ganger, ved å belyse en samme del av skinnen to ganger, under den samme innfallsvinkel, og hver gang under en kort tidsperiode.

I utførelsesformen som er vist i fig. 1 omfatter midlene for å generere to korte lysblink to pulsede kilder 12a og 12b, hvilke typisk er laserdioder.

De to laserdiodene styres slik at de gir to suksessive lyspulser som atskilles av et tidsintervall t. Midler er tilveiebrakt slik at et felles område av skinnen 10 kan belyses av de to suksessive lysblink, dvs. slik at strålene 14a og 14b dekker i alt vesentlig det samme området av skinnen 10, slik det er angitt med rektangel 16 i fig. 2. Det er ønskelig at den belyste del av skinnen er omtrentlig rektangulær og er langstrakt i bevegelsesretningen, slik at midlene som danner et bilde av mønsteret av interferensoppstillingen mottar et veldefinert mønster.

I utførelsesformen i fig. 1 blir de to belysningene av et felles område oppnådd ved servostyring av posisjonen av lysflekken som dannes på skinnen av kilden 12b, slik at den skal sammenfalle med flekken som dannes av kilden 12a, som leverer en fast utgangsstråle gjennom et fast, halvgjennomsiktig speil 18.

For det formålet blir strålen fra den andre kilden 12b reflektert mot skinnen ved hjelp av et fast speil 20 og det halvgjennomsiktige speilet 18, og den passerer gjennom et avbøyningsmiddel som kan forskyve strålen 14b med hensyn til strålen 14a, med en distanse d som er i alt vesentlig lik graden av bevegelse av de bevegelige elementer mellom de to lysblinkene.

Slik det er vist i fig. 1 omfatter avbøyningsmidlene en gjennomsiktig plate 22 med parallelle overflater som kan vinkelmessig justeres ved hjelp av en skrittmotor 24 eller en tilsvarende aktivator. Når platen er i den posisjon som er vist med heltrukne linjer, vil strålene 14a og 14b være i overensstemmelse. Når den er anbrakt skrått, slik som vist med stiplede linjer, forskyver den utgangsstrålen 14b med en distanse som er en funksjon av platens vinkelstilling. Den maksimale verdien som kan taes ved forskyvningen d velges som en funksjon av det faste tidsintervallet mellom de to lysblinkene og av den maksimale hastighet for det bevegelige elementet. Som eksempel kan laserdioder som gir lysblink som har en varighet lik 50 ns anvendes, idet denne verdi er kort nok til å oppnå skarpe bilder inntil ca. 350 km/t. Tidsintervallet mellom de to lysblinkene kan være av kun noen titalls mikrosekunder, hvilket tilsvarer en forskyvning d (fig. 1) lik noen få millimeter ved maksimumshastigheten lik 350 km/t.

Apparatet som er vist i fig. 1 omfatter en mikroprosessorbasert styredatamaskin 26 som styrer hver målesekvens og leverer, på en utgang 28, den målte verdien dj. av bevegelsen mellom to suksessive lysblink fra en samme sekvens. En annen beregningskrets 30 utleder hastigheten fra graden av bevegelse dj_ og fra det kjente tidsintervallet t som atskiller de to lysblinkene.

Styredatamaskinen 26 leverer en sekvensinitierende puls til en lysblinkstyrende elek-tronisk krets 32 som utløser strålen 14a, og med en forsinkelse t som er fast eller juster-bar ved hjelp av en komponent 34, utløser strålen 14b. Skrittmotoren 24 i avbøynings-midlet drives av en beregningsenhet 36 som utleder distansen d fra forsinkelsen t og fra hastigheten og som styrer vinkelposisjonen for platen 22. Dersom målinger gjentas, kan hastigheten V som innmates til styringsberegningsenheten 36 være hastighetsverdien som beregnes under den foregående sekvens av kretsen 30. Ved initialisering eller endog under eksisterende operasjon, kan en omtrentlig verdi av hastigheten tilveiebringes, som en innmatning 38, ved hjelp av et annet element, for eksempel en føler som er plassert på et kjøretøyhjul. Forskyvningen d involveres ikke i beregningen av hastigheten: den må kun være slik at de to lysblinkene rettes i alt vesentlig mot det samme området av skinnen, og under samme innfallsvinkel.

Beregningsenheten 36 kan også utformes til å motta et signal som representerer akselerasjonen fra et akselerometer 40 og for å justere hastighetsmålingen som mottas fra kretsen 30 som følge derav.

I den viste utførelsesform er midlene for å danne to suksessive bilder som er innbyrdes forskjøvet med en avstand dj_ (fig. 2) en remse av ladningskoblede følere 42 eller CCD-remser. Nærmere bestemt kan det anvendes en remse som omfatter et tusen lysføl-somme steder fordelt over en lengde lik 1 cm. Spredning av hvert lysblink ved hjelp av den grove overflaten av skinnen genererer et 3-dimensjonalt interferensmønster. Remsen vil motta et lysmønster som dannes av skjæringen av hvert 3-D interferens-mønster i tur med dets lysoppsamlende overflate. Remsen kan motta hvert interferens-mønster i tur gjennom et farget valgfilter som er tilpasset den utsendende bølgelengden for de pulsede kilder 12a og 12b. Styredatamaskinen 26 mottar de to suksessive bilder som sendes av den elektroniske utlesningsenheten 44, og beregner den tilbakelagte distanse dl ved hjelp av bildebehandling. Blant hensiktsmessige behandlingsmetoder for sammenligning mellom de to bildene kan det anvendes krysskorreleringsfunksjonen. Den funksjonen har en topp hvis abscisse representerer verdien dl for graden av bevegelse av toget mellom de to lysblink, med en proporsjonalitetskoefflsient dersom det er et optisk system som har en forstørrelse som er en annen enn 1 før remsen på lysbanen.

En eller flere ytterligere elektroluminiserende dioder kan anbringes mellom diodene 12a og 12b. Dioden 12b eller den ytterligere dioden anvendes avhengig av hastigheten. Eksempelvis kan antallet av dioder være slik at forsinkelsene som skal genereres er, for

det innstilte måleområdet, fra 200 us til 2 ms.

I den modifiserte utførelsesform som er vist i fig. 3, der komponenter som tilsvarer de som allerede er beskrevet er betegnet med de samme henvisningstall, blir en enkelt, pulset kilde 12 anvendt til å gi to suksessive lysblink som er atskilt med tidsintervallet t. Det første blinket belyser skinnen 10 gjennom et halvreflekterende speil 46, en første sperreinnretning eller lukker 48a og den halvgjennomsiktige platen 18. Det andre lysblinket følger en bane som innbefatter en refleksjon på det halvreflekterende speilet 46, en refleksjon på et fast speil 50, en vandring gjennom den vinkelmessig justerbare platen 22 med parallelle overflater, en refleksjon på det faste speilet 20 og en vandring gjennom en andre sperreinnretning eller lukker 48b. I det tilfellet blir styredatamaskinen 26 anordnet til å åpne lukkeren 48a under det første lysblink og lukke den under det andre lysblink, og å åpne lukkeren 48b kun under det andre lysblinket. Styring av skrittmotoren for remsen 22 kan være den samme som i det foregående tilfellet.

I den modifiserte utførelsesform som er vist i fig. 4 omfatter de lysgenererende midler

en enkelt pulset kilde 12 som gir koherent lys. Avbøyningsmidlene omfatter en plate 19 med parallelle overflater. Denne plate 19 kan være et rett prisme, med et firkantet tverr-snitt i utførelsesformen i fig. 4. Platen 19 blir kontinuerlig rotert av en motor (ikke vist) hvis hastighet velges slik at det oppnås den ønskede, romlige forskyvning d mellom de suksessive lysblink. For et tidsintervall At mellom de to lysblinkene, en rotasjonshastighet co og en platetykkelse e, er forskyvningen d # ecoAt(l-l/n), der n er platens brytningsindeks.

Den romlige forskyvning d kan justeres fra 0 til noen få millimeter ved å modifisere rotasjonshastigheten co og eventuelt tidsintervallet At mellom lysblinkene.

En anordning for å detektere vinkelstillingen av platen kan tilveiebringes og anordnes til å utløse det første lysblinket ved en forutbestemt stilling av platen, for derved å sikre at de to lysblinkene kommer inn på den samme overflaten i stedet for to innbyrdes hos-liggende overflater av platen. Den anordningen blir nødvendig dersom et prisme med mer enn fire sider parallelt med rotasjonsaksen anvendes, eksempelvis med åtte sider, for å avbøye utgangsstrålen fra kilden 12.

I den modifiserte utførelsesform i fig. 5 er avbøyningsmidlene akusto-optiske celler, hvorav kun en av disse celler er blitt vist. Ved å variere frekvensene for signalene Vi og V2 som anvendes på det styrende, piezoelektriske materialet, blir bølgelengdene av stasjonære ultralydbølger i kvartsen endret og modifiserer diffraksjonsgitteret som genereres av disse bølger. Utførelsesformen i fig. 5 har fordelen av å være særlig hurtig og kunne muliggjøre "følging", endog for hurtige variasjoner med hensyn til hastighet eller en meget kort tid t.

Andre utførelsesformer er mulige. Nærmere bestemt kan bildedannende midler bestå av en matriseføler i stedet for en remse 42. Det er da mulig å bestemme hastigheten av det bevegelige objekt, ikke bare i den regulære bevegelsesretning f, men også på tvers, og å styre posisjonen av strålen 14b i samtlige retninger ved å tilføye avbøyningselementer.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å måle graden av relativ bevegelse mellom et første og et andre element som er innbyrdes bevegelige, karakterisert ved trinnene: å danne, ved et sted på det første av elementene, et første bilde av et interferensmønster som oppnås ved en kort belysning av en overflate på det andre (10) av elementene ved hjelp av koherent lys som kommer fra det første elementet, å danne, ved det samme stedet, et andre bilde av interferensmønsteret som oppnås ved en kort belysning av en overflate på det andre elementet ved hjelp av koherent lys som har i alt vesentlig samme innfallsvinkel fra en posisjon på de første elementet som er forskjøvet fra posisjonen fra hvilken den første belysningen stammer med en distanse (d) som justeres til å svare omtrentlig til graden av relativ forflytning av elementene mellom de to belysninger, idet den belyste overflaten har en tilstekkelig utstrekning til at en felles del av overflaten til det andre elementet kan gripe inn ved dannelse av de to bildene av interferensmønsteret, og å beregne den faktiske graden av bevegelse til å være graden som gir den beste overensstemmelse mellom de to bildene.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved å utlede den relative hastigheten (v) mellom elementene fra graden av bevegelse (dl) og fra tidsintervallet (t) mellom de to bildene, å lagre hastigheten og å velge graden av forskyvning (d), som tilsvarer graden av relativ bevegelse ved den samme hastigheten.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at graden av forskyvning (d) velges fra den relative hastighet av de bevegelige elementene, målt ved hjelp av andre midler.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,2 eller 3, karakterisert v e d å måle graden av relativ akselerasjon mellom de to elementene og korrigere graden av forskyvning (d) som følge av akselerasjonen.

5. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav måling av hastigheten av et kjøretøy som danner det første elementet, karakterisert ved at bildene er de av en skinne som danner det andre elementet.

6. Anordning for å måle en grad av relativ bevegelse mellom et første og et andre element som er innbyrdes bevegelig, idet anordningen er tilveiebrakt på det første elementet, karakterisert ved : middel (12a) for å generere en første stråle (14a) av koherent lys som tilveiebringer en første, kort belysning på et areal av det andre elementet, middel (12b) for å generere etter den første belysning, en andre stråle (14b) av koherent lys som har i alt vesentlig den samme innfallsvinkel som den første strålen (14a) og som tilveiebringer en kort belysning på i alt vesentlig det samme areal av det andre elementet (10), middel (22) for å forskyve nevnte andre stråle (14b) med hensyn til den første strålen (14a) med en distanse (d) som er i alt vesentlig lik graden av relativ bevegelse mellom de bevegelige elementer innenfor et tidsintervall t mellom de to belysningene, middel (42) for å generere to suksessive bilder av interferensmønstrene som oppnås ved hjelp av henholdsvis nevnte første og andre belysninger, idet tidsintervallet t er tilstrekkelig kort for at de to bildene kan ha en overlapping, og middel for å beregne den faktiske grad av bevegelse (dl) til å være graden som tilveiebringer det beste sammenfall mellom de to bildene.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at midlene for å generere koherent lys omfatter minst en pulset laserdiode (12) eller en laser.

8. Anordning som angitt i krav 6 eller 7, karakterisert v e d at midlene for å danne to suksessive bilder omfatter en CCD-remse (42) som er utstrukket i bevegelsesretningen.

9. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 6-8, karakterisert ved at midlene for å generere koherent lys omfatter en enkelt kilde hvis utgangsstråle traverserer avbøyningsmidler (19) som består av en gjennomsiktig plate som har parallelle overflater og drives i rotasjon.

10. Anordning som angitt i krav 6, 7 eller 8, karakterisert v e d at midlene for å generere koherent lys omfatter en enkelt kilde (12) hvis utgangsstråle er separert i to baner, hvorav en er stasjonær og omfatter en første sperreanordning eller lukker (48a) og den andre traverserer avbøyningsmidlene og en andre sperreanordning eller lukker (48b).