RU2015564C1 - Method of measuring three-dimensional coordinates - Google Patents

Method of measuring three-dimensional coordinates Download PDF

Info

Publication number
RU2015564C1
RU2015564C1 SU4920503A RU2015564C1 RU 2015564 C1 RU2015564 C1 RU 2015564C1 SU 4920503 A SU4920503 A SU 4920503A RU 2015564 C1 RU2015564 C1 RU 2015564C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coordinates
magnetometric
sensors
coordinate
magnetometric sensors
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Э.Н. Леонович
Original Assignee
Леонович Эдуард Николаевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Леонович Эдуард Николаевич filed Critical Леонович Эдуард Николаевич
Priority to SU4920503 priority Critical patent/RU2015564C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2015564C1 publication Critical patent/RU2015564C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: automatics; computer technology. SUBSTANCE: variable electromagnetic field is excited in coordinate system of working space. Strength of the field is induced in chosen point by means of two magneto-metric detectors, disposed in align in coordinate remover. Due to rotation of excited field in horizontal and vertical planes and due to fixation of angles of rotation of this field, at which signal with maximal amplitude is induced in magneto-metric detectors, coordinates of point of the remover may be measured with precision, being larger than precision of measurement by means of primary standard. EFFECT: improved precision of reading-out. 3 dwg

Description

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к индукционному измерению координат элементов трехмерных объемных объектов структурно сложной формы с последующим вводом трехмерной информации в ЭВМ. The invention relates to automation and computer technology, in particular to induction measurement of the coordinates of elements of three-dimensional volumetric objects of structurally complex shapes with the subsequent input of three-dimensional information into a computer.

Известен способ индукционного измерения координат элементов диэлектрических объектов на плоскости и в пространстве, заключающийся в генерировании импульсных электромагнитных полей в фиксированных точках осей системы координат, формировании сигналов ЭДС в приемных электрических контурах съемника координат, совмещаемого оператором с выбранным элементом объекта, цифровом представлении амплитуд индуцированных сигналов ЭДС и вычислении координат острия съемника функциональной обработкой цифровых эквивалентов амплитуд индуцированных сигналов по заданному алгоритму [1]. A known method of induction measurement of the coordinates of the elements of dielectric objects in the plane and in space, which consists in generating pulsed electromagnetic fields at fixed points of the axes of the coordinate system, generating EMF signals in the receiving electrical circuits of the coordinate picker, which is combined by the operator with the selected element of the object, and digitally representing the amplitudes of the induced EMF signals and calculating the coordinates of the puller tip by functional processing of the digital equivalents of the amplitudes induced s signals according to a given algorithm [1].

Недостатками этого способа являются невысокая точность, обусловленная необходимостью механической дискретизации координатных осей путем механического размещения большого количества излучающих электромагнитное поле координатных катушек, наличием "краевого эффекта" (неоднородности создаваемого координатными катушками магнитного поля вдоль координатных осей), и функциональное ограничение, требующее перед каждым циклом измерений вывода съемника координат в нулевую (базовую) точку отсчета, т.е. измерение перемещений только в относительной системе координат. The disadvantages of this method are the low accuracy due to the need for mechanical discretization of the coordinate axes by mechanically placing a large number of coordinate coils emitting an electromagnetic field, the presence of a "boundary effect" (heterogeneity of the magnetic field created by the coordinate coils along the coordinate axes), and a functional limitation that requires each measurement cycle output of the coordinate puller to the zero (base) reference point, i.e. measurement of displacements only in the relative coordinate system.

Наиболее близким к заявляемому является способ индукционного измерения координат, включающий возбуждение переменных электромагнитных полей в точках координатных осей пространственной системы координат с заданным шагом дискретизации рабочего пространства, формирование с помощью двух магнитометрических датчиков, расположенных в съемнике координат, обобщенного информационного сигнала E Σ = e1 2 + e2 2 + e3 2, где el (l = 1, 2, 3) - амплитуда сигналов, индуцируемых в трех взаимно перпендикулярных катушках индуктивности каждого из магнитометрических датчиков, формировании последовательности цифровых значений выходных сигналов датчиков, определение координат центров датчиков как положений экстремумов последовательностей значений их выходных сигналов по каждой из координатных осей и вычисление координат острия указателя, совмещаемого с выбранным элементом обрабатываемого объекта по формулам вида
U = U2-

Figure 00000001
Figure 00000002
U1-U
Figure 00000003
, где U = {x, y, z,}; a и b - константы съемника координат (а - расстояние от острия до центра первого датчика, b - расстояние между центрами датчиков) [2].Closest to the claimed one is a method of induction measurement of coordinates, including the excitation of variable electromagnetic fields at points of the coordinate axes of the spatial coordinate system with a given sampling step of the working space, the formation using two magnetometric sensors located in the coordinate picker, a generalized information signal E Σ = e 1 2 + e 2 2 + e 3 2 , where e l (l = 1, 2, 3) is the amplitude of the signals induced in three mutually perpendicular inductors of each magnetometer their sensors, the formation of a sequence of digital values of the output signals of the sensors, the determination of the coordinates of the centers of the sensors as the extreme positions of the sequences of the values of their output signals for each of the coordinate axes and the calculation of the coordinates of the tip of the pointer, combined with the selected element of the processed object according to the formulas of the form
U = U 2 -
Figure 00000001
Figure 00000002
U 1 -U
Figure 00000003
where U = {x, y, z,}; a and b are the coordinates of the stripper coordinates (a is the distance from the tip to the center of the first sensor, b is the distance between the centers of the sensors) [2].

Недостатком известного способа является невысокая точность, ограниченная механической (конструкционной) величиной (1-2 мм) шага размещения координатных катушек индуктивности, используемых для возбуждения переменных электромагнитных полей в выбранных точках координатных осей. The disadvantage of this method is the low accuracy, limited by the mechanical (structural) value (1-2 mm) of the pitch of the coordinate coils of inductance used to excite alternating electromagnetic fields at selected points of the coordinate axes.

Цель изобретения состоит в повышении точности индукционного считывания трехмерных координат за счет минимизации числа возбуждающих электромагнитное поле координатных катушек индуктивности (сведения их числа к трем) и функционального задания токов возбуждения упомянутых катушек индуктивности. The purpose of the invention is to improve the accuracy of the induction reading of three-dimensional coordinates by minimizing the number of coordinate excitation coils exciting the electromagnetic field (reducing their number to three) and the functional setting of the excitation currents of the mentioned inductors.

На фиг. 1 показана схема вращения вектора магнитной индукции

Figure 00000004
; на фиг. 2 - пример структурной схемы устройства, реализующего способ; на фиг. 3 - график зависимости амплитуды обобщенного информационного сигнала от расстояния.In FIG. 1 shows the rotation pattern of the magnetic induction vector
Figure 00000004
; in FIG. 2 is an example of a structural diagram of a device that implements the method; in FIG. 3 is a graph of the amplitude of the generalized information signal versus distance.

Сущность способа заключается в следующем. Если в начало декартовой системы координат (фиг. 1) поместить источник электромагнитного поля так, что его магнитные составляющие по координатным осям изменяются в соответствии с соотношениями

Figure 00000005
=
Figure 00000006
cosα·sinβ;
Figure 00000007
=
Figure 00000008
sinα·sinβ ; (1)
Figure 00000009
=
Figure 00000010
cosβ , где α, β - углы между вектором
Figure 00000011
магнитной индукции поля и положительными направлениями координатных осей OX и OZ соответственно, то при изменении углов в диапазоне 0≅ α ,β≅
Figure 00000012
в каждой точке окружающего пространства создается электромагнитное поле, вектор
Figure 00000013
которого вращается вокруг начала координат, сохраняя постоянство своего модуля B для равноудаленных от начала координат точек. Действительно, если рассмотреть две произвольные точки М1 и М2, лежащие на поверхности сферы радиуса R, то при выполнении соотношений (1) для модулей векторов
Figure 00000014
и
Figure 00000015
имеют однотипные соотношения
Figure 00000016
B
Figure 00000017
=
Figure 00000018
=
Figure 00000019
=→
→=
Figure 00000020
=
Figure 00000021
= B.The essence of the method is as follows. If the source of the electromagnetic field is placed at the beginning of the Cartesian coordinate system (Fig. 1) so that its magnetic components along the coordinate axes change in accordance with the relations
Figure 00000005
=
Figure 00000006
cosα sinβ;
Figure 00000007
=
Figure 00000008
sinα · sinβ; (1)
Figure 00000009
=
Figure 00000010
cosβ, where α, β are the angles between the vector
Figure 00000011
the magnetic induction of the field and the positive directions of the coordinate axes OX and OZ, respectively, when changing angles in the range 0≅ α, β≅
Figure 00000012
an electromagnetic field is created at each point in the surrounding space, a vector
Figure 00000013
which rotates around the origin, maintaining the constancy of its module B for points equidistant from the origin. Indeed, if we consider two arbitrary points M 1 and M 2 lying on the surface of a sphere of radius R, then when relations (1) are satisfied for the modules of vectors
Figure 00000014
and
Figure 00000015
have the same ratios
Figure 00000016
B
Figure 00000017
=
Figure 00000018
=
Figure 00000019
= →
→ =
Figure 00000020
=
Figure 00000021
= B.

При этом очевидно, что направление векторов

Figure 00000022
и
Figure 00000023
при выполнении условий (1) совпадают с направлением из точек М1 и М2 на начало координат O.Moreover, it is obvious that the direction of the vectors
Figure 00000022
and
Figure 00000023
when conditions (1) are satisfied, they coincide with the direction from the points M 1 and M 2 to the origin O.

Если теперь в точках М1 и М2 поместить магнитометрические датчики положения, включающие по три взаимно ортогональные катушки индуктивности одного радиуса r, развернутые вокруг общего центра каждого из датчиков, то амплитуда индуцируемого обобщенного информационного сигнала каждого из датчиков, формируемая как E Σ = e1 2 + e2 2 + e3 2 (el - амплитуда сигнала в каждой из трех приемных катушек), не зависит от пространственной ориентации каждого из датчиков, а является функцией напряженности магнитного поля в центре датчика, т.е., в конечном итоге, функцией расстояния R между центром датчика и источником электромагнитного поля. Действие вектора

Figure 00000024
магнитной индукции поля (в точке М1 - это вектор
Figure 00000025
, в точке М2 - вектор
Figure 00000026
) на такой магнитометрический датчик эквивалентно действию на одну приемную катушку индуктивности, плоскость которой все время остается перпендикулярной вектору
Figure 00000027
магнитной индукции, или, что то же самое, вектор нормали
Figure 00000028
(
Figure 00000029
- в точке М1и
Figure 00000030
- в точке М2) совпадает с вектором
Figure 00000031
. Для рассматриваемого графического примера такими положениями плоскостей эквивалентных катушек в точках М1 и М2 являются положения S1 и S2.If now we place magnetometric position sensors at points M 1 and M 2 , including three mutually orthogonal inductors of the same radius r, deployed around the common center of each of the sensors, then the amplitude of the induced generalized information signal of each of the sensors, formed as E Σ = e 1 2 + e 2 2 + e 3 2 (e l is the signal amplitude in each of the three receiving coils), does not depend on the spatial orientation of each of the sensors, but is a function of the magnetic field strength in the center of the sensor, i.e., ultimately , fu ktsiey distance R between the center of the sensor and the source of the electromagnetic field. Action vector
Figure 00000024
magnetic field induction (at point M 1 is the vector
Figure 00000025
, at the point M 2 - vector
Figure 00000026
) on such a magnetometric sensor is equivalent to acting on one receiving inductor, the plane of which remains perpendicular to the vector all the time
Figure 00000027
magnetic induction, or, equivalently, the normal vector
Figure 00000028
(
Figure 00000029
- at the point M 1 and
Figure 00000030
- at the point M 2 ) coincides with the vector
Figure 00000031
. For the graphic example under consideration, such positions of the planes of equivalent coils at points M 1 and M 2 are the positions S 1 and S 2 .

Справедливо утверждение, что при вращении вектора магнитной индукции В (при изменении углов α и β от 0 до 90о) амплитуда индуцированного обобщенного информационного сигнала E Σ достигает своего максимального значения E Σ макс при размещении центра магнитометрического датчика в точке, имеющей полярные координаты, соответствующие углам α и β. Действительно, если поместить центр магнитометрического датчика, например, в точку М1, положение которой задается величиной модуля радиуса-вектора R и углами α1 и β1, то суммарный поток Φ вектора магнитной индукции

Figure 00000032
, модуль которого равен модулю В вектора
Figure 00000033
, определяется соотношением
Φ 1 = B˙S1 ˙cos γ , (2) где γ - угол между нормалью
Figure 00000034
к поверхности S1 и вектором
Figure 00000035
. Так как в нашем случае угол γ , как очевидно из фиг. 1, равен нулю (направления
Figure 00000036
и
Figure 00000037
совпадают), то для точки М1 имеют
Φ = B˙ S1.True that during rotation of the magnetic induction B (changing the angles α and β of 0 to 90), the amplitude of the induced generalized information signal E Σ reaches its maximum value E Σ max when placed magnetometric sensor center point having a polar coordinates corresponding angles α and β. Indeed, if you place the center of the magnetometric sensor, for example, at point M 1 , the position of which is determined by the magnitude of the radius vector module R and angles α 1 and β 1 , then the total flux Φ of the magnetic induction vector
Figure 00000032
whose module is equal to the module B of the vector
Figure 00000033
is determined by the relation
Φ 1 = B˙S 1 ˙cos γ, (2) where γ is the angle between the normal
Figure 00000034
to the surface S 1 and the vector
Figure 00000035
. Since in our case the angle γ, as is obvious from FIG. 1 is zero (directions
Figure 00000036
and
Figure 00000037
coincide), then for the point M 1 have
Φ = B˙ S 1 .

Если центр магнитометрического датчика помещен в точку М2, удаленную на то же расстояние R от начала координат, то при состоянии магнитного поля, определяемом углами α1 и β1 и соответственно положением S'1 эквивалентной катушки индуктивности, для потока Φ 2 получают величину, меньшую величины потока Φ 1, так как положением S'1 образует с вектором

Figure 00000038
угол, отличный от 90о. При этом нормаль
Figure 00000039
к поверхности S'1 (не показанная на фигурах) не совпадает с вектором
Figure 00000040
, угол γ > 0 и для потока Φ2 имеют
Φ2 = B˙S'1 ˙cos γ < B˙S1 = Φ1.If the center of the magnetometric sensor is placed at point M 2 that is at the same distance R from the coordinate origin, then for a flux Φ 2 , when the magnetic field state is determined by the angles α 1 and β 1 and, accordingly, by the position S ' 1 of the equivalent inductor, smaller value of the flux Φ 1 , since the position S ' 1 forms with the vector
Figure 00000038
angle other than 90 about . Normal
Figure 00000039
to the surface S ' 1 (not shown in the figures) does not coincide with the vector
Figure 00000040
, the angle γ> 0 and for the flow Φ 2 have
Φ 2 = B˙S ' 1 ˙cos γ <B˙S 1 = Φ 1 .

Таким образом, использование вращающегося электромагнитного поля, обеспечивающего равную напряженность Н его магнитной составляющей в равноудаленных от центра вращения точках рабочего пространства, в сочетании с использованием магнитометрических датчиков амплитуда обобщенного информационного сигнала которых инвариантна к их пространственной ориентации, лежит в основе предлагаемого способа считывания трехмерных координат. С этой целью, последовательно задавая фиксированные значения βi от нуля до π/2 с выбранным шагом Δ β, для каждого из βi последовательно изменяют угол α также с выбранным шагом Δ α и определяют последовательность амплитуд E Σ i,j (j - индекс угла α) обобщенного информационного сигнала каждого из двух магнитометрических датчиков съемника координат. В процессе вращения электромагнитного поля с шагами Δ β и Δ α последовательным сравнением амплитуд индуцированных обобщенных сигналов для каждого из датчиков максимальное значение амплитуд и фиксируют максимум амплитуд и соответствующие им значения α1, β1 и α2, β2. По значению максимума амплитуды судят о величине радиуса-вектора центра каждого из датчиков, а по значениям α1, β1 и α2, β2 - о положении центров относительно осей OX и OZ декартовой системы координат, начало которой совмещают с центром O вращения.Thus, the use of a rotating electromagnetic field that ensures equal intensity H of its magnetic component at points of the working space equidistant from the center of rotation, in combination with magnetometric sensors, the amplitude of the generalized information signal which is invariant to their spatial orientation, is the basis of the proposed method for reading three-dimensional coordinates. To this end, sequentially setting fixed values of β i from zero to π / 2 with the selected step Δ β, for each of β i , the angle α is also successively changed with the selected step Δ α and the sequence of amplitudes E Σ i, j is determined (j is the index angle α) of the generalized information signal of each of the two magnetometric sensors of the coordinate picker. In the process of rotation of the electromagnetic field with steps Δ β and Δ α by sequential comparison of the amplitudes of the induced generalized signals for each of the sensors, the maximum value of the amplitudes and record the maximum amplitudes and the corresponding values of α 1 , β 1 and α 2 , β 2 . By the value of the maximum amplitude, one judges the value of the radius vector of the center of each of the sensors, and the values of α 1 , β 1 and α 2 , β 2 determine the position of the centers relative to the OX and OZ axes of the Cartesian coordinate system, the beginning of which is combined with the rotation center O.

По известным формулам перехода от полярных координат к декартовым
x = R˙ sin β ˙ cos α;
y = R ˙sin β˙sin α; (3)
z = R ˙cos β находят координаты x1, y1, z1 и x2, y2, x2 центров первого и второго магнитометрических датчиков. Так как датчики в съемнике координат располагаются соосно с острием съемника (фиг. 2), то координаты острия, совмещаемого со считываемой точкой трехмерного объекта, определяются по формулам
x = x2-

Figure 00000041
Figure 00000042
x1-x
Figure 00000043
;
y = y2-
Figure 00000044
Figure 00000045
y1-y
Figure 00000046
; (4)
z = z2-
Figure 00000047
Figure 00000048
z1-z
Figure 00000049
.According to the well-known formulas for the transition from polar coordinates to Cartesian
x = R˙ sin β ˙ cos α;
y = R ˙sin β˙sin α; (3)
z = R ˙cos β find the coordinates x 1 , y 1 , z 1 and x 2 , y 2 , x 2 the centers of the first and second magnetometric sensors. Since the sensors in the coordinate puller are aligned with the tip of the puller (Fig. 2), the coordinates of the tip, combined with the read point of a three-dimensional object, are determined by the formulas
x = x 2 -
Figure 00000041
Figure 00000042
x 1 -x
Figure 00000043
;
y = y 2 -
Figure 00000044
Figure 00000045
y 1 -y
Figure 00000046
; (4)
z = z 2 -
Figure 00000047
Figure 00000048
z 1 -z
Figure 00000049
.

Последовательность вышеизложенных действий над электромагнитным полем и индуцируемыми им обобщенными информационными сигналами магнитометрических датчиков и составляет содержание предлагаемого способа. The sequence of the above actions on the electromagnetic field and the generalized information signals of magnetometric sensors induced by it constitute the content of the proposed method.

На фиг. 2 представлен пример реализации изложенного способа. Вращающееся электромагнитное поле создается системой взаимно ортогональных идентичных катушек 1, 2, 3 индуктивности, располагаемых по плоскостям XOZ, YOZ и XOY декартовой системы координат. Общий центр катушек 1, 2, 3 совмещен с началом O системы координат. Катушки одновременно возбуждаются импульсами тока, амплитудные значения которых соответственно изменяются по соотношениям
I1 = I˙sin ˙cos α;
I2 = I˙sin ˙sin α;
I3 = I˙cos β .In FIG. 2 presents an example implementation of the above method. A rotating electromagnetic field is created by a system of mutually orthogonal identical inductors 1, 2, 3 located on the planes XOZ, YOZ and XOY of the Cartesian coordinate system. The common center of coils 1, 2, 3 is aligned with the origin O of the coordinate system. The coils are simultaneously excited by current pulses, the amplitude values of which respectively vary according to the relations
I 1 = I˙sin ˙cos α;
I 2 = I˙sin ˙sin α;
I 3 = I˙cos β.

Устройство содержит блоки 4, 5, 6 генерации импульсов тока I1, I2, I3, три регистра 7, 8, 9 текущих значений sin βi, cos αj sin αj, четыре блока 10-13 памяти на постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ), в которых записаны значения функций sin βi , cos αj , sin αj , cos βiс выбранным шагом Δβ и Δα. ПЗУ 11 и 12 подключены к управляющему выходу г, а ПЗУ 10 и 13 - к управляющему выходу д блока 14 управления, который входом а подключен к генератору 15 одиночных импульсов, связанному с кнопкой 16 пуска. В устройство входит съемник 17 координат с двумя магнитометрическими датчиками 18 и 19, включающими по три приемные катушки индуктивности, выходы которых в сочетании по три поданы через усилители-умножители 20-25 с квадратичной характеристикой усиления на аналоговые сумматоры 26 и 27, связанные с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) 28 и 29 соответственно. Выходы каждого из АЦП поразрядно связаны с соответствующими схемами 30, 31 сравнения и вентилями 32, 33 передачи кода. Информационные выходы последних связаны с информационными входами триггерных регистров 34, 35 хранения кода модулей радиусов-векторов R1 и R2 соответственно, а выходы схем 30, 31 сравнения - с управляющими входами вентилей 32, 33 передачи кода. В устройство входят триггерные регистры 36, 37 хранения углов β1, β2, информационными входами связанные через вентили 38, 39 передачи кода, управляющие входы которых подключены к выходам соответствующих схем 30, 31 сравнения, с выходами ПЗУ 10 хранения функции sin β, и триггерные регистры 40, 41 хранения углов α 1, α 2, которые имеют аналогичные связи с вентилями 42, 43 передачи кода, схемами 30, 31 сравнения и ПЗУ 11 хранения функции cos α . Блок 14 управления по выходу е связан с входами начальных установок АЦП 28, 29 и триггерных регистров 34, 35, 36, 40, 41, выходом г через элемент 44 задержки - с управляющими входами генераторов 4, 5, 6 импульсов тока и через второй элемент 45 задержки - с управляющими входами схем 30 и 31 сравнения, Входом б блок 14 управления подключен к выходу завершения цикла ПЗУ 13 хранения значений функций cos β, а входом в - к аналогичному выходу ПЗУ 12 хранения значений функции sin α .The device contains blocks 4, 5, 6 of generating current pulses I 1 , I 2 , I 3 , three registers 7, 8, 9 of the current values sin β i , cos α j sin α j , four blocks 10-13 of memory on read-only memory devices (ROM) in which the values of the functions sin β i , cos α j , sin α j , cos β i with the selected step Δβ and Δα are recorded. ROM 11 and 12 are connected to the control output g, and ROM 10 and 13 are connected to the control output d of the control unit 14, which input a is connected to a single pulse generator 15 connected to the start button 16. The device includes a 17-coordinate puller with two magnetometric sensors 18 and 19, including three receiving inductors, the outputs of which, in combination, are three supplied through amplifiers multipliers 20-25 with a quadratic gain characteristic to analog adders 26 and 27, connected with analog digital converters (ADC) 28 and 29, respectively. The outputs of each of the ADCs are bitwise coupled to respective comparison circuits 30, 31 and code transmitting gates 32, 33. The information outputs of the latter are connected to the information inputs of the trigger registers 34, 35 of the code storage of the radius vector modules R 1 and R 2, respectively, and the outputs of the comparison circuits 30, 31 are associated with the control inputs of the code transmission gates 32, 33. The device includes trigger registers 36, 37 for storing angles β 1 , β 2 , information inputs connected through code transmission gates 38, 39, the control inputs of which are connected to the outputs of the corresponding comparison circuits 30, 31, with the outputs of the ROM 10 for storing sin β, and trigger registers 40, 41 for storing angles α 1 , α 2 , which have similar connections with code transfer valves 42, 43, comparison circuits 30, 31, and ROM 11 for storing cos α functions. The control unit 14 for the output e is connected to the inputs of the initial settings of the ADC 28, 29 and trigger registers 34, 35, 36, 40, 41, the output g through the element 44 delay - with the control inputs of the generators 4, 5, 6 current pulses and through the second element 45 delays - with the control inputs of comparison circuits 30 and 31, by Input b the control unit 14 is connected to the output of the ROM cycle 13 storing the values of cos β functions, and by the input to the similar output of the ROM 12 storing sin α values.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При установке острия съемника 17 координат в считываемую точку М трехмерного объекта оператор замыкает кнопку 16 пуска, чем запускается генератор 15 одиночных импульсов, выдающий один импульс запуска в блок 14 управления, представляющий собой дискретную переключательную схему. По импульсу запуска блок 14 управления выдает по выходу е сигнал начальной (нулевой) установки триггерных элементов схемы (АЦП 28, 29, регистров 34, 35, 26, 37, 40, 41), после чего сигналом по выходу д заносит на регистр 7 и на блок 6 генерации импульса тока I˙cos β значения функции sin β o и cos β o соответственно. В следующем шаге блок 14 управления выдает серию импульсов по выходу г, которые последовательно передают с ПЗУ 11 и 12 на регистры 8, 9 значения функций cos α j, sin α j соответственно. При этом в блоках 4, 5 происходит формирование произведений соответственно sin βo ˙cosα j и sin βo ˙sin αjи задержанным элементом 44 задержки сигналом с того же выхода г в соответствующие катушки 1, 2, 3 индуктивности с блоков 4, 5, 6 генерации импульсов тока одновременно выдаются сигналы амплитуды I1 = I˙sin β o ˙ cos α j, I2 = I˙sin βo˙ sin αj, I3 = I˙cos βo. При протекании переменных токов в катушках 1, 2, 3 в приемных катушках индуктивности магнитометрических датчиков 18, 19 индуцируются импульсы ЭДС, которые усиливаются (с возведением в квадрат) усилителями-умножителями 20-25, по три суммируются на аналоговых сумматорах 26, 27 и поступают на АЦП 28, 29. К моменту преобразования амплитуд обобщенных информационных сигналов магнитометрических датчиков 18, 19 в код сигнал по выходу г блока 14 управления, пройдя элементы 44, 45 задержки, поступает на опрашивающий управляющий вход схем 30, 31 сравнения, сравнивающих текущий код на выходах АЦП 28, 29 с кодами регистров 34, 35 хранения модуля радиусов-векторов R1 и R2. Если текущий код на выходах АЦП 28, 29 больше соответствующих кодов, хранящихся в регистрах 34, 35 (начальная установка последних равна нулю), то коды с выходов АЦП через соответствующие вентили 32, 33 передачи кода передаются на регистры 34, 35, заменяя на них ранее хранящиеся значения. Одновременно сигналы с выходов схем 30, 31 сравнения через вентили 38, 42 передачи кода (для первого магнитометрического датчика 18) передают коды углов β1 и α 1 из ПЗУ 10 и 11 на регистры 36 и 40 и через вентили 39, 43 передачи кода (для второго магнитометрического датчика 19) - коды углов β2 и α 2 из ПЗУ 10 и 11 на регистры 37, 41.When installing the tip of the stripper 17 coordinates in the read point M of a three-dimensional object, the operator closes the start button 16, which triggers the single pulse generator 15, which generates one trigger pulse to the control unit 14, which is a discrete switching circuit. According to the start pulse, the control unit 14 generates an output signal e of the initial (zero) installation of the trigger elements of the circuit (ADC 28, 29, registers 34, 35, 26, 37, 40, 41), after which the signal on the output gives d to register 7 and to block 6 of the current pulse generation I˙cos β, the values of the function sin β o and cos β o, respectively. In the next step, the control unit 14 generates a series of pulses at the output r, which sequentially transmit from the ROMs 11 and 12 to the registers 8, 9 the values of the functions cos α j , sin α j, respectively. Moreover, in blocks 4, 5, the products are formed respectively sin β o ˙cosα j and sin β o ˙ sin α j and the delayed delay element 44 by the signal from the same output r to the corresponding inductors 1, 2, 3 from blocks 4, 5 6 of the generation of current pulses, amplitude signals I 1 = I˙sin β o ˙ cos α j , I 2 = I˙sin β o ˙ sin α j , I 3 = I˙cos β o are simultaneously generated. When alternating currents flow in coils 1, 2, 3 in the inductance coils of the magnetometric sensors 18, 19, EMF pulses are induced, which are amplified (squared) by the amplifiers-multipliers 20-25, three are summed up on analog adders 26, 27 and received on the ADC 28, 29. By the time the amplitudes of the generalized information signals of the magnetometric sensors 18, 19 are converted into a code, the output signal r of the control unit 14, having passed the delay elements 44, 45, is fed to the interrogating control input of the comparison circuits 30, 31, comparing current code at the outputs of the ADC 28, 29 registers with the codes 34, 35 storage unit radius vectors R 1 and R 2. If the current code at the ADC outputs 28, 29 is greater than the corresponding codes stored in the registers 34, 35 (the initial setting of the latter is zero), then the codes from the ADC outputs through the corresponding valves 32, 33 of the code transfer are transmitted to the registers 34, 35, replacing them previously stored values. At the same time, the signals from the outputs of the comparison circuits 30, 31 through the code transmission gates 38, 42 (for the first magnetometric sensor 18) transmit angle codes β 1 and α 1 from ROM 10 and 11 to the registers 36 and 40 and through the code transmission gates 39, 43 ( for the second magnetometric sensor 19) - angle codes β 2 and α 2 from ROM 10 and 11 to the registers 37, 41.

Таким образом, в процессе развертки (сканирования) рабочего пространства по углу α при фисированном βо на регистрах 34, 36, 40 фиксируются соответственно код максимального значения радиуса-вектора для центра (точки A1) первого магнитометрического датчика 18 и соответствующие максимуму углы β 1, α1. Аналогичные коды зафиксированы на регистрах 35, 37 и 41. Для второго магнитометрического датчика 19.Thus, in the process of scanning (scanning) the working space along the angle α with the fixed β о on the registers 34, 36, 40, the code of the maximum radius vector for the center (point A 1 ) of the first magnetometric sensor 18 and the angles β 1 corresponding to the maximum are recorded , α 1 . Similar codes are recorded on registers 35, 37 and 41. For the second magnetometric sensor 19.

После завершения полного цикла развертки рабочего пространства по углу α из ПЗУ 12 в блок 14 управления по входу в поступает сигнал, в ответ на который блоком управления по выходу д с ПЗУ 10, 13 на регистр 7 и блок 6 заносят очередные значения функций sin β и cos β и описанные действия повторяются для очередного значения угла β. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут использованы все значения β i. По завершении цикла по временной с ПЗУ 13 в блок 14 управления по входу б поступает сигнал, прекращающий сканирование рабочего пространства вращающимся электромагнитным полем.After the completion of the full cycle of scanning the workspace in the angle α from the ROM 12, a signal is received at the input control unit 14, in response to which the control unit at the output d from the ROM 10, 13 to the register 7 and block 6 enter the next values of the functions sin β and cos β and the described actions are repeated for the next value of angle β. This process is repeated until all β i values are used. At the end of the cycle in time with ROM 13, a signal is sent to control unit 14 at input b, which stops scanning the working space by a rotating electromagnetic field.

В итоге на регистре 34 зафиксирован код максимального значения радиуса-вектора R1, на регистрах 36 и 40 - углы β1 и α 1 соответственно для первого магнитометрического датчика 18, а на регистрах 35, 37 и 41 - аналогичные величины для вектора датчика 19. По этим данным вычисляются декартовы координаты центров, что представляет рутинную операцию, которая может быть выполнена в ЭВМ. Стоит остановиться на преобразовании условного цифрового кода амплитуды радиусов-векторов центров A1 и A2магнитометрических датчиков в метрическую форму.As a result, the maximum value of the radius vector R 1 is fixed on register 34, the angles β 1 and α 1 on the registers 36 and 40, respectively, for the first magnetometric sensor 18, and the same values on the registers 35, 37, and 41 for the sensor vector 19. Based on these data, the Cartesian coordinates of the centers are calculated, which represents a routine operation that can be performed on a computer. It is worth stopping at the conversion of the conditional digital code of the amplitude of the radius vectors of the centers A 1 and A 2 of the magnetometric sensors into metric form.

На фиг. 3 приведен график функционирования зависимости амплитуды обобщенного информационного сигнала магнитометрического датчика от его расстояния R до начала системы координат. Такую зависимость легко определить экспериментально (получение аналитически - трудно выполнимая задача), снимая показания E Σ ,i магнитометрического датчика в узловых точках Ri при линейном перемещении последнего, как показано на фиг. 3. Направление линейного перемещения с учетом вышеизложенного (пространственной инвариантности как генерирующей электромагнитное поле системы, так и приемной индукционной системы магнитометрического датчика) может быть любым в пределах рабочего пространства, но удобнее это сделать на плоскости. Экспериментально полученные значения E Σ ,iхранятся в памяти используемой ЭВМ.In FIG. Figure 3 shows a graph of the functioning of the dependence of the amplitude of the generalized information signal of the magnetometric sensor on its distance R to the origin of the coordinate system. Such a dependence can be easily determined experimentally (obtaining analytically is a difficult task), taking readings E Σ , i of the magnetometric sensor at the nodal points R i with linear movement of the latter, as shown in FIG. 3. The direction of linear displacement, taking into account the above (spatial invariance of both the system generating the electromagnetic field and the receiving induction system of the magnetometric sensor), can be any within the working space, but it is more convenient to do this on a plane. The experimentally obtained values of E Σ , i are stored in the memory of the computer used.

При получении устройством кодов амплитуд E Σ (на регистрах 34, 35) обобщенных информационных сигналов в ЭВМ запускается алгоритм их преобразования в метрическую систему расстояний R1 и R2. Для этого по экспериментально полученным значениям E Σ ,i строится полином Ln(R), например, по формуле Ньютона для равных промежутков и интерполирования вперед и путем последовательного сравнения зафиксированных в регистрах 34, 35 значений амплитуд E Σ для каждого из датчиков с последовательно вычисляемыми значениями Ln(Ri) полинома Ln(R) в диапазоне [Rмин, Rмакс] находятся соответствующие им значения радиусов-векторов центров каждого из датчиков.When the device receives codes of amplitudes E Σ (on registers 34, 35) of generalized information signals in a computer, an algorithm for converting them into a metric system of distances R 1 and R 2 is launched. For this, the experimentally obtained values of E Σ , i construct the polynomial L n (R), for example, according to Newton’s formula for equal intervals and forward interpolation, and by sequentially comparing the amplitudes E Σ for each of the sensors recorded in registers 34, 35 with successively calculated the values of L n (R i) of the polynomial L n (R) in the range [R min , R max ] are the corresponding values of the radius vectors of the centers of each of the sensors.

Таким образом, для получения по формулам (3) декартовых координат центров магнитометрических датчиков известны все величины: R1, α 1, β1и R2, α 2, β2. Координаты острия съемника координат (т.е. координаты элементов трехмерной информации) определяются по формулам (4).Thus, to obtain the Cartesian coordinates of the centers of magnetometric sensors using formulas (3), all quantities are known: R 1 , α 1 , β 1 and R 2 , α 2 , β 2 . The coordinates of the tip of the stripper coordinates (i.e. the coordinates of the elements of three-dimensional information) are determined by formulas (4).

Claims (1)

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ КООРДИНАТ, включающий в себя возбуждение переменного электромагнитного поля в системе координат рабочего пространства, формирование с помощью расположенных соосно в съемнике координат двух магнитометрических датчиков обобщенного информационного сигнала
EΣ=e1 2+e2 2+e3 2 ,
где el (l = 1, 2, 3) - амплитуды сигналов, индуцированных в трех взаимно перпендикулярных приемных катушках каждого из магнитометрических датчиков,
определение считываемых координат острия съемника координат U = { x, y, z } по формулам вида
U = U2 -
Figure 00000050
(U1-U2),
где U1 = { x1, y1, z1 }, U2 = { x2, y2, z2 } - координаты центров соответственно первого и второго магнитометрических датчиков;
a - расстояние от острия съемника координат до центра первого магнитометрического датчика;
b - расстояние между центрами магнитометрических датчиков,
отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, вращают вектор магнитной индукции возбуждаемого электромагнитного поля в рабочем пространстве вокруг начала его системы координат в горизонтальной и вертикальной плоскостях, фиксируют максимальные значения амплитуд EΣmax обобщенного информационного сигнала для первого и второго магнитометрических датчиков и соответствующие им углы α1 , β1 и α2 , β2 поворота вектора магнитной индукции поля соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, определяют координаты центров каждого из магнитометрических датчиков согласно выражениям
x=R˙cosα˙sinβ ;
y = R˙sinα˙sinβ ;
z=R˙cosβ ,
где R=f(EΣmax) - заранее определенная зависимость,
после чего и определяют искомые координаты.METHOD FOR MEASURING THREE-DIMENSIONAL COORDINATES, which includes the excitation of an alternating electromagnetic field in the coordinate system of the workspace, the formation of two generalized information signals using the coaxial coordinates of the stripper
E Σ = e 1 2 + e 2 2 + e 3 2 ,
where e l (l = 1, 2, 3) are the amplitudes of the signals induced in three mutually perpendicular receiving coils of each of the magnetometric sensors,
determination of the read coordinates of the tip of the coordinate stripper U = {x, y, z} using formulas of the form
U = U 2 -
Figure 00000050
(U 1 -U 2 ),
where U 1 = {x 1 , y 1 , z 1 }, U 2 = {x 2 , y 2 , z 2 } are the coordinates of the centers of the first and second magnetometric sensors, respectively;
a is the distance from the tip of the stripper coordinates to the center of the first magnetometric sensor;
b is the distance between the centers of the magnetometric sensors,
characterized in that, in order to increase the measurement accuracy, rotate the magnetic induction vector of the excited electromagnetic field in the working space around the origin of its coordinate system in horizontal and vertical planes, record the maximum amplitudes E Σmax of the generalized information signal for the first and second magnetometric sensors and their corresponding the angles α 1 , β 1 and α 2 , β 2 rotation of the magnetic field induction vector, respectively, in the horizontal and vertical planes, determine the coordinates of the center ditch of each of the magnetometric sensors according to the expressions
x = R˙cosα˙sinβ;
y = R˙sinα˙sinβ;
z = R˙cosβ,
where R = f (E Σmax ) is a predetermined dependence,
after which the desired coordinates are determined.
SU4920503 1991-03-19 1991-03-19 Method of measuring three-dimensional coordinates RU2015564C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4920503 RU2015564C1 (en) 1991-03-19 1991-03-19 Method of measuring three-dimensional coordinates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4920503 RU2015564C1 (en) 1991-03-19 1991-03-19 Method of measuring three-dimensional coordinates

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2015564C1 true RU2015564C1 (en) 1994-06-30

Family

ID=21565797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4920503 RU2015564C1 (en) 1991-03-19 1991-03-19 Method of measuring three-dimensional coordinates

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2015564C1 (en)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 1379598, кл G 01B 7/00, 1986. *
Авторское свидетельство СССР N 1550548, кл. G 06K 11/00, 1987. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4144519A (en) Position sensing readout
US5682019A (en) Position detecting apparatus and position pointing device including elapsed time period build up detector
US6879160B2 (en) Magnetic resonance scanner with electromagnetic position and orientation tracking device
US6573707B2 (en) Displacement detecting device power supply and data communication device
US6754596B2 (en) Method of measuring position and orientation with improved signal to noise ratio
CA1208366A (en) Distance-measuring sensor
EP0736838A1 (en) Position transducer and position sensing method
US20030142073A1 (en) Three-dimensional information detecting device, three-dimensional information detecting sensor device, and three-dimensional information indicating device
US4554409A (en) Method of electromagnetically reading coordinate data
US5530347A (en) Induction-based semi-automatic device and method for reading coordinates of objects with a complicated structure and inputting data thereon into a computer
Weiss et al. Current measurement of flat conductors with a circular array of magnetic sensors
EP0565852B1 (en) Optimal scan sequence for RF magnetic digitizers
RU2015564C1 (en) Method of measuring three-dimensional coordinates
EP0292704B1 (en) A device for determining position coordinates of points on a surface
JP4452868B2 (en) Measurement method in magnetic motion capture device
EP0014215B1 (en) Direction finder combining directional antenna signals with a non-directional antenna signal
RU2074419C1 (en) Method for reading three-dimensional information
EP0388860B1 (en) Coordinates input apparatus
EP0256327B1 (en) Electromagnetic induction type coordinates reader
RU2015565C1 (en) Method of measuring three-dimensional coordinates
JP3069706B2 (en) Coordinate reading device and its height information calculation method
WO2000068637A1 (en) Catheter device
US11402439B2 (en) Method for calibrating the sensitivity of monoaxial or multiaxial magnetic field sensors
CN1005289B (en) Method and apparatus for precision measurement of relative speed in interference adiationmeter
GB2179151A (en) Position coordinate determination devices