PT88607B

PT88607B - Sistema de perseguicao de um alvo

Info

Publication number: PT88607B
Application number: PT88607A
Authority: PT
Inventors: Graham Alexander Parker; Ian Georg Taylor; David George Bailey; Rene Joseph Raymond Mayer
Original assignee: Europ Economic Community
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1988-09-28
Publication date: 1994-09-30
Also published as: EP0309845B1; LU87003A1; DE3870380D1; DK168249B1; ES2031562T3; DK539288D0; IE60915B1; US4866362A; PT88607A; IE882678L; EP0309845A1; DK539288A; GR3005185T3

Description

DESCRIÇÃO

DA

PATENTE DE INVENÇÃO

N.° 88 607

REQUERENTE: EUROPEAN ECONOMIC COMMUNITY, com sede em Bâ timent Jean Monnet, Plateau du Kirchberg.L-2920 Luxembourg.

EPÍGRAFE: SISTEMA DE PERSEGUIÇÃO DE UM ALVO

INVENTORES: Prof. Graham Alexander Parker, Ian George Taylor, David George Bailey, e René Joseph Raymond Mayer.

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.

Luxemburgo, em 29 de Setembro de 1987 , sob o n^e . 87 003.

INP1 MOO 113 R F 16732

EUROPEAN EGONOMIC COMMUNITY

SISTEMA DE PERSEGUIÇÃO DE UM ALVO

A presente invenção refere-se a um sistema de perseguição de um alvo, que compreende dois subsistemas idênticos, fixos e distanciados, compreendendo cada sistema uma fonte laser e dois espelhos com eixos de rotação ortogonais de tal modo que um feixe laser possa ser dirigido por cada um dos subsistemas para este alvo em movimento, compreendendo além disso, cada um, um detector sensível à luz laser e recebendo o feixe de luz depois da reflexão no alvo, sendo este último um alvo reflector do tipo de olho de gato, sendo a posição de rotação dos espelhos ajustável sob o controlo de sinais derivados do detector respectivo, de tal modo que o feixe considerado tenha tendência para se aproximar do cen tro do alvo e ser reflectido identicamente, compreendendo o sistema além disso meios para detectar a posição instantânea dos espelhos, e determinando meios de cálculo as coordenadas 3D instantâneas do alvo com base nas posições dos espelhos.

A presente invenção foi concebida em particular para medir, à distância, a posição de uma cabeça de robô em movimento.

Um sistema deste tipo foi descrito, por exemplo, no periódico Sensor Review, Outubro de 1982, páginas 180 a I84. Baseia-se num processo de triangulação e na perseguição da ca beça de um braço de um robô por dois feixes laser separados. Medindo os ângulos espaciais dos dois feixes e 0 erro de perseguição, e conhecendo a distância entre as duas fontes laser, pode calcular-se a posição do braço do robô. A perseguição é realizada fazendo a retro-reflexão do feixe para o detector

fotossensivel que, neste caso, e um detector de quatro quadrantes. Os sinais eléctricos derivados do detector de cada subsistema são utilizados para corrigir a direcção do feixe laser associado, de tal modo que o feixe tem tendência para incidir exactamente no espelho reflector fixado na cabeça do braço do robô.

A eficácia de um tal sistema depende fortemente da precisão e da velocidade do posicionamento do espelho. Se es ta velocidade for baixa, o feixe incide no alvo tão longe do centro que o feixe reflectido já não pode ser recebido pelo receptor fotossensível. A precisão com que o ângulo formado pelo feixe pode ser medido influencia a resolução que pode esperar-se num volume de medição dado. A resolução diminui quando esse volume aumenta.

sistema descrito na referido periódico utiliza gal vanámetros do tipo de ferro móvel para a rotação, e a posição actual do espelho é detectada por transdutores capacitivos de posição. Experiências feitas mostraram que tais meios de rotação apresentam vários inconvenientes e reduzem assim a precisão da medida, a reprodutibilidade, a velocidade de perseguição, a estabilidade de perseguição e o volume operacional.

Isso resulta provavelmente dos seguintes efeitos:

a) 0 espelho está montado de maneira imperfeita entre suportes com rolamentos de esferas, induzindo assim um erro de balanço longitudinal,

b) verificou-se a existência de uma histerese entre o movimento do espelho e os sinais de comando eléctrico para controlar este movimento,

c) os transdutores capacitivos não asseguram a preci-3-

são elevada requerida.

A presente invenção tem por objecto aperfeiçoar o sistema conhecido de perseguição de alvos de tal modo que pos. sam aumentar-se a precisão de medida, a velocidade do alvo e o volume de trabalho para o alvo sem que por isso 3e afecte a estabilidade da perseguição.

Segundo a presente invenção, este objectivo é atingido pelo facto de cada espelho de cada subsistema ser rodado por um motor de corrente contínua e sem escovas e de o veio co_ mum de rotação do motor e do espelho arrastar além disso um co_ dificador digital de ângulo.

emprego de um motor de corrente contínua sem esco_ vas permite obter movimentos reprodutíveis numa zona angular maior do que um galvanémetro do tipo de ferro móvel, e isso sem perda de eficácia dinâmica.

motor, o espelho e o codificador estão montados num veio comum que é suportado com grande precisão por suportes de gás. 0 codificador está colocado perto do motor sem escovas, sendo então o espelho montado no veio em consola, ou então o espelho á colocado entre o seu motor e o seu codificador. Neste último caso, podem colocar-se suportes de gás de um lado e do outro do espelho, assegurando assim uma montagem muito estável do espelho. Sm ambos os casos obtém-se uma boa rigidez para o veio do espelho, o que reduz o erro devido ao balanço longitudinal.

Sm ambos os casos é útil controlar o motor sem escovas por sinais digitais que são calculados em função do sinal de saída do detector fotossensível e do sinal de erro dependente da diferença instantânea entre a posição actual do espelho e a posição requerida. Sste tipo de controlo do espelho acele ra o posicionamento correcto do feixe laser sobre o alvo.

Experiências feitas mostraram que detectores de quatro quadrantes segundo o estado da técnica citado exigem uma expansão considerável do diâmetro do feixe para assegurar sinais simultâneos de pelo menos dois quadrantes do detector. Utilizando, pelo contrário, fotodetectores de efeito lateral em vez dos detectores de quatro quadrantes, esta limitação de_i xa de ser válida, porque os fotodetectores de efeito lateral fornecem sinais em função das cordenadas ortogonais do centro do feixe incidente.

De acordo com um outro aperfeiçoamento do sistema se gundo a presente invenção, cada subsistema compreende um dispc^ sitivo de controlo de modo susceptível de distinguir entre pelo menos dois modos, ou sejam, um modo normal de perseguição e um modo de busca automática, segundo o cual os espelhos são rodados de acordo com um programa pré-determinado, sendo a tran sição entre os modos controlada pelo sinal de saída do detector. Assim, o modo de busca automática é activado automaticamente se se tiver perdido o rasto da cabeça, por exemplo como consequência de um efeito de sombra. Logo que o detector recebe de novo luz reflectida quando do modo de busca, activa-se novamente o modo normal de perseguição. Além disso, previram-se meios para o posicionamento manual do feixe, necessário por exemplo para a calibração.

De acordo com um outro aperfeiçoamento do sistema segundo a presente invenção, é útil submeter os sinais de controlo ι

para a rotação dos espelhos de cada subsistema a um dispositivo de controlo dinâmico estado-espaço concebido para eliminar ressonâncias do espelho e dos seus amplificadores de potência.

Descreve-se a seguir com mais pormenor, a presente invenção, com o auxilio de um exemplo de realização preferido, ilustrado nos desenhos anexos, cujas figuras representam:

A fig. 1, o sistema completo no qual pode utilizar-se a presente invenção;

A fig. 2, esquematicamente, um subsistema do sistema representado na fig. 1;

A fig. 3, um espelho do subsistema da fig. 2, sob a forma de uma variante;

A fig. 4, esquematicamente, o fluxo geral dos sinais eléctricos num subsistema tal como o representado na fig. 2; e

A fig. 5, um diagrama que se refere ao dispositivo de controlo dinâmico estado-espaço incluído no sistema.

Com referência à fig. 1, vê-se um sistema que é aplicado, por exemplo, na perseguição de uma cabeça (1) de um robô (2) em relação a um sistema de coordenadas 3D nos eixos (X), (Y) e (Z) indicados por setas e associado à base (3) do robô.

Um alvo reflector (4) está montado na cabeça (1) do robô. 0 sistema compreende principalmente dois subsistemas (5) e (6) que estão fixos e podem dividir-se, cada um, em três grupos correspondentes às funções seguintes:

a) geração de um feixe laser,

b) deflexão do feixe de modo que ele persiga o centro do alvo (4 ),

c) medição do erro da perseguição.

A fig. 2 mostra um subsistema que compreende uma fonte laser (7) que está polarizada linearmente e que é seguida por uma lâmina de quarto de onda (8) que permite isolar opticamente a mesma e por um colimador (9) concebido para ampliar o feixe atá um diâmetro conveniente. Estes componentes pertencem ao referido primeiro grupo.

segundo grupo de componentes á constituído por dois espelhos planos (10) e (11), que são accionados por um motor sem escovas de corrente contínua, (12) e (13), respectivamente, sendo os eixos de rotação (14) e (15), respectivamente, destes espelhos perpendiculares entre si, de modo que o feixe (35) seja dirigido sobre o alvo num volume de trabalho no qual este alvo está autorizado a deslocar-se. Os espelhos (10) e (11) estão montados em consola num veio do motor (12) ou (13), respectivamente, ao qual está além disso acoplado um codificador do ângulo do veio (15,17), Suportes de gás suportam o veio de cada lado do motor (12,13).

A fig. 3 mostra uma disposição alternativa de um espelho, tal como (10* ), do motor correspondente (12* ) e do codi. ficador (15* ). Neste caso o espelho está colocado entre o motor e o codificador, num veio comum que é guiado entre dois suportes de gás (34) e (35). 2 evidente que uma tal disposição consegue aumentar ainda mais a estabilidade mecânica do espelho e reduzir o risco de oscilações de balanço longitudinal do veio comum.

terceiro grupo de componentes do subsistema á cons tituído por um detector de efeito lateral (18) e por um separador de feixe (19), estando este último interposto entre o colimador (9) e os dois espelhos (10,11). Filtros (não representados) estão colocados entre o separador de feixe (19) θ o fotodetector

-7com vista a cortar a luz ambiente.

Se os espelhos (10) e (11) estiverem correctamente posicionados, o feixe (37) é dirigido para o reflector do ti. po olho de gato, que constitui o alvo (4) na cabeça do robô (l). Um reflector do tipo olho de gato é um objecto de vidro constituído por dois hemisférios de diâmetros diferentes. A superfície exterior do hemisfério de maior diâmetro reflecte o feixe de tal modo que o feixe de retorno coincide com o fei. xe incidente apenas se este último atravessar o centro dos dois hemisférios. Nos outros casos, o olho de gato reflete o feixe paralelamente ao feixe incidente, dependendo a distância entre os dois feixes da distância deste centro a que o feixe inciden te atravessa o plano virtual perpendicular ao feixe incidente que corta o centro do hemisfério.

Para que o feixe laser (37) siga o centro do alvo (4), mede-se esta distância no fotodeteotor (18) de efeito lateral, que recebe o feixe de retorno depois da sua nova reflexão nos dois espelhos (11) e (12) e depois do seu desvio da via principal no separador de feixe (19). 0 fotodeteotor de efeito lateral (18) fornece sinais nos seus quatro eléctrodos (20), (21), (22) e (23) que permitem detectar a posição do centro do feixe na superfície activa do fotodeteotor. Estes sinais são então utilizados para fechar o anel e para activar os motores (12) e (13) dos espelhos (10) e (11) de tal modo que o feixe incida finalmente no centro do olho de gato. Neste caso, a dis tância entre o feixe incidente e o feixe reflectido torna-se igual a zero.

fluxo dos sinais eléctricos neste anel de controlo está representado na fig. 4.

f

Os sinais de saída dos detectores de efeito lateral (18) são amplificados em amplificadores (24) e são aplicados a iw circuito de amostragem (25). Este circuito recebe além disso um sinal de sincronização (26) proveniente de um computa dor principal (27). A saída deste circuito (27) está ligada a um conversor analégico-digital (28) que fornece a posição actual do feixe sob a forma digital a um microprocessador (29).

Este microprocessador (29) recebe além disso sinais de comando manual, por uma linha (30), um sinal de sincronização por uma linha (31) proveniente do computador (27) e os sinais digitais de posicionamento fornecidos pelos codificadores (16) e (17) dos dois espelhos (10) e (ll).

microprocessador (29) fornece sinais de controlo de posicionamento para os motores (12) e (13) de acordo com os sinais digitais que indicam a posição do feixe e fornecidos pelo conversor analégico-digital (28), bem como as posições actuais dos espelhos fornecidas na forma digital pelas linhas (23) e (33i 0 microprocessador compreende um dispositivo de controlo estado-espaço que está concebido para eliminar oscilações do sistema que compreende os espelhos, os motores e os seus amplificadores de potência.

As posições actuais dos espelhos e a posição actual do feixe são além disso sinalizadas para o computador principal (27^ que delas deduz as coordenadas no espaço do ponto central do olho de gato.

Deve aqui notar-se que, para uma perseguição correcta da cabeça, não é necessário que o feixe passe exactamente pelo centro do olho de gato. A distância entre o ponto de incidência

do feixe e o centro do olho de gato é medida continuaniente pelos detectores de efeito lateral e está disponível no micro_ processador (29), podendo portanto ter lugar a triangulação, mesmo que o feixe não atravesse exactamente o centro do olho de gato. Isso facilita o controlo da posição do espelho.

A fig. 5 representa uma resposta típica de frequência de um sistema motor de espelho que compreende o espelho, o seu motor e os seus amplificadores de potência. A frequência em rad/seg está representada em abscissas e a relação de ampli tudes em ordenadas. A curva superior constitui a resposta de frequência sem dispositivo de controlo dinâmico de estado-espa ço, enquanto a curva inferior representa a resposta obtida gra ças a este dispositivo de controlo. Pode ver-se que a resposta é muito achatada e que está isenta de qualquer fenómeno de ressonância.

A vantagem do sistema segundo a presente invenção relativamente ao sistema conhecido de perseguição de uma cabeça de robô é apreciável. Deveria ser possível perseguir uma cabeça de robô com uma precisão de posição de —0,5 mm num volume de trabalho até 1 m\ sendo a velocidade máxima da cabeça do robô igual a 5 m/s.

Apesar desta grande eficácia do sistema segundo a presente invenção, é sempre possível perder o rasto da cabeça do robô, por exemplo em consequência de um efeito de sombra.

Se o feixe deixar de iluminar o olho de gato, o anel de contro. lo para o posicionamento do espelho deve ser interrompido, devendo então ser percorrida uma fase de busca em anel aberto. Pode ser uma busca manual, mas é mais apropriado utilizar faci

-±υ-

lidades existentes de cálculo numérico com vista a programar um procedimento automático de busca e activar este procedimen to automaticamente logo que o detector de efeito lateral deixe de produzir sinais. Este modo de busca automática é novamente abandonado quando o feixe de retorno passar pela zona fotossensível do detector. 0 tempo de busca é tipicamente de um ou dois segundos.

Claims

Reivindicaçoe

1 Sistema de perseguição de um alvo, que compreende dois subsistemas (5,6) idênticos, fixos e distanciados, compreendendo cada subsistema uma fonte laser (7) e dois espelhos (10) e (11), rotativos em torno de eixos perpendiculares, de tal modo que um feixe laser (37) possa ser dirigido por cada um dos subsistemas para este alvo (4) em movimento, compreendendo além disso, cada um, um detoctor (18) sensível ã luz laser e recebendo o feixe de luz após a reflexão no alvo, sendo este último um alvo reflec tor do tipo olho de gato, sendo a posição de rotação dos espelhos (10,11) ajustável sob o controlo de sinais derivados do detector respectivo (18), de tal modo que o feixe considerado tenha tendência para se aproximar do centro do alvo (4) e para ser reflectido de maneira idêntica, compreendendo o sistema além disso meios (16, 17) para detectar a posição instantânea dos espelhos e meios de cálculo que avaliam as coordenadas 3D instantâneas do alvo com base nas posições dos espelhos, caracterizado por cada espelho (10,11) de cada subsistema (5,6) ser rodado por um motor de correm te contínua e sem escovas (12,13) e por o veio comum de rotação do motor e do espelho arrastar além disso um codificador digital de ângulo (16,17) .
2. - Sistema de perseguição de um alvo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o codificador de ângulo (16,17) estar colocado na proximidade do motor associado (12,13).
3. - Sistema de perseguição de um alvo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada espelho (10') estar colocado num veio entre o seu motor (12') e o seu codificador (16') associados .
4. - Sistema de perseguição de um alvo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por os dois motores sem escova de corrente contínua (12,13) destinados a accionar os espelhos (10,11) de cada subsistema (5) ou (6) serem controlados por sinais digitais que são calculados de acordo com os sinais de saída do detector (18) e com um sinal de erro dependente da diferença instantânea entre a posição instantânea do espelho e a posição requerida do espelho.
5. - Sistema de perseguição de um alvo de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o detector (18) de cada subsistema ser constituído por um fotodetector de efeito

-13lateral que fornece sinais em função das coordenadas do centro do feixe incidente de luz.
6. - Sistema de perseguição de um alvo de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por cada subsistema compreender um dispositivo de controlo de modo que distingue pelo menos entre o modo normal de perseguição e um modo de busca automática no qual os espelhos são rodados de acordo com um programa pre-determinado, sendo a transição entre os modos controlada pelo sinal de saída do detector.
7, - Sistema de perseguição de um alvo de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os sinais de controlo para a rotação dos espelhos em cada subsistema serem submetidos a um dispositivo de controlo estado-espaço concebido para eliminar ressonâncias do espelho e dos seus amplificadores de potência,