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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Erkennung der absoluten Position eines Objekts bezüglich eines
Referenzobjekts. Der Gegenstand der Erfindung wird regelmäßig in der
Fabrikautomation, Instrumentierung oder Prozesskontrolle für die Steuerungen
von Stellantrieben, die automatische Ablesung mechanischer Anzeigegeräte, zur
Bestimmung der Wellenposition von Maschinen, oder für Regelungen
im Robotik-Bereich eingesetzt.
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In Abhängigkeit von der Anwendung
wird die Position des Objekts bezüglich des Referenzobjekts entlang
einer linearen Wegstrecke oder die Winkelposition des Objekts bezüglich des
Referenzobjekts erfasst. Zur Bestimmung der Winkelposition sind
sogenannte Drehwinkelsensoren gebräuchlich.
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Derartige Drehwinkelsensoren sind
in unterschiedlichen Ausführungen,
Messbereichen, Auflösungen
und Genauigkeiten, sowohl als Absolut- als auch als Inkrementalgeber
bekannt.
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In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich werden
unterschiedliche Prinzipien der Drehwinkelmessung eingesetzt. Ein
analoges Verfahren ist beispielsweise die Resolver-Methode, bei
der das von einem magnetischen Dipol oder einem mehrpoligen, wechselstromerregten
Rotor erzeugte Magnetfeld von zwei orthogonal angeordneten Magnetfeldsensoren
oder Statorwicklungen nach der Sinus-Kosinus-Methode ausgewertet wird. Andere analoge
Verfahren verwenden kapazitive oder potentiometrische Prinzipien.
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Bekannte digitale Sensoren weisen üblicherweise
eine auf der Achse befestigte, drehbare Kodescheibe, auf der die
Winkelinformation längs
des Umfangs in radial angeordneten Bitmustern, die typischerweise
dem im Gray-Kode folgen, kodiert ist, auf. Die Winkelinformation
wird stellungsabhängig
von einem feststehenden, optischen Lesekopf, der aus einer Anordnung
von mehreren Sensoren bestehen kann, gelesen, und von einer Elektronik
in ein winkelproportionales, digitales oder analoges Ausgangssignal
umgewandelt. Zur Erzielung einer hohen mechanischen Genauigkeit
werden die Winkelscheiben aus Glas oder einem formbeständigen,
transparenten Kunststoff hergestellt. Als Informationsträger wird eine
auf die Oberfläche
aufgebrachte, intransparente Schicht verwendet, die entweder lithographisch, durch
Belichten und Entwickeln einer Photolackschicht, und anschließendes chemisches Ätzen, strukturiert
oder aufgedruckt wird. Die Information wird unter Verwendung gebündelten,
sichtbaren oder infraroten Lichtes in Transmission gelesen.
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Nach analogen Verfahren arbeitende
Drehwinkelmessgeräte
sind regelmäßig von
einfachem Aufbau und robust und damit unempfindlich gegenüber industriellen
Umgebungseinflüssen
wie Verschmutzungen oder Temperaturänderung. Nachteilig ist jedoch
deren begrenzte Messgenauigkeit. Soweit überhaupt eine ausreichend hohe
Genauigkeit erreichbar ist, erfordert diese einen aufwendigen Abgleich
und/oder manuelle Justage. Darüber
hinaus ist der Messbereich regelmäßig auf weniger als den Vollkreis
eingeschränkt.
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Mit digitalen Sensoren sind hohe
Messgenauigkeiten erreichbar. Nachteiligerweise ist jedoch die Herstellung
der Kode- und Teilerscheiben sehr aufwendig und für eine Massenfertigung
wenig geeignet. Glasscheiben haben darüber hinaus den Nachteil, dass
sie empfindlich gegenüber
starken Erschütterungen,
und aufgrund ihrer großen
Wärmekapazität auch gegen
Betauung sind.
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Darüber hinaus besteht das Problem,
dass Oberflächenverunreinigungen
auf der Winkelscheibe die Auslesefähigkeit beeinträchtigen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung der absoluten Position eines
Objekts bezüglich
eines Referenzobjekts anzugeben, das die hohe Genauigkeit digitaler Drehwinkelsensoren
aufweist und gegenüber
Verunreinigungen auf dem Datenträger
tolerant ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den
Schritten gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen
Ansprüchen
angegeben.
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Die Erfindung geht von einer Anordnung
bestehend aus einem Datenträger
mit einer Informationsspur und einer entlang der Informationsspur
beweglichen, optischen Abtasteinrichtung aus. Die Informationsspur
besteht aus äquidistanten
Datenspuren, auf denen die Positionsinformationen binärkodiert
aufgezeichnet sind.
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Die Positionsinformation wird mit
einen optischen Lesekopf erfasst, dessen Ausgangssignal von einer
elektronischen Schaltung aufbereitet wird, um am Sensorausgang ein
geeignetes digitales oder analoges, positionsproportionales Signal
zur Verfügung
zu stellen.
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Die aus mehreren Bits bestehenden
Positionsinformationen sind jeweils linear quer zur Bewegungsrichtung
des Lesekopfes auf dem Datenträger angeordnet.
Ihre Dichte bestimmt die Auflösung
des Sensors.
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Der Kern der Erfindung besteht nunmehr
darin, dass in jeder Abtastposition in regelmäßigen Zeitabständen aufeinanderfolgende
Positionsinformationen in Form von zweidimensionalen Pixelbildern
aufgenommen werden. Aus jedem Pixelbild wird die Positionsinformation
an der Abtastposition (zum Beispiel in der Bildmitte) unter Berücksichtigung
benachbarter Positionsinformationen rekonstruiert. Die zur Abtastposition
gehörige
Positionsinformation wird ausgegeben.
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Im Falle von Verunreinigungen auf
der Oberfläche
des Datenträgers
ist die binärkodierte
Positionsinformation an der Abtastposition als solche zunächst nicht
oder zumindest nicht zweifelsfrei zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße flächenhafte Abtastung
einer Mehrzahl unmittelbar aufeinanderfolgender Positionsinformationen
am Abtastort, werden benachbarte Positionsinformationen miterfasst, auf
deren Basis die für
sich nicht ermittelbare Positionsinformation an der Abtastposition
rekonstruiert wird.
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Vorteilhafterweise wird dadurch die
Positionsinformation an der Abtastposition auch unter rauhen Umgebungsbedingungen
mit hoher Zuverlässigkeit
ermittelt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, insbesondere
am Beispiel eines Drehwinkelsensors, näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen
zeigen
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Drehwinkelsensors
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2 eine
Prinzipdarstellung einer absolut kodierten Winkelscheibe
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3 eine
vergrößerte Darstellung
von Datenspuren
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4 eine
Detaildarstellung der Abtastfläche
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Ausgehend von einer für sich bekannten
Anordnung bestehend aus einem Datenträger mit einer Informationsspur
und einer entlang der Informationsspur relativ zum Datenträger beweglichen,
optischen Abtasteinrichtung kann vorgesehen sein, dass die optische
Abtasteinrichtung feststehend und der Datenträger an einem gegenüber der
optischen Abtasteinrichtung beweglichen Objekt, dessen Position
zu ermitteln ist, fixiert ist. Alternativ kann vorgesehen sein,
dass der Datenträger
feststehend und die optische Abtasteinrichtung an einem gegenüber dem Datenträger beweglichen
Objekt, dessen Position zu ermitteln ist, fixiert ist. Unabhängig von
diesen beiden Ausgestaltungsformen wird mit einer derartigen Anordnung
stets die absolute Position des Objekts bezüglich eines Referenzobjekts
ermittelt. Das Referenzobjekt ist dabei stets der feststehende Teil
der Einrichtung und damit in der erstgenannten Ausführungsform
die optische Abtasteinrichtung und in der zweitgenannten Ausführungsform
der Datenträger.
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Im weiteren wird die Erfindung anhand
eines Drehwinkelsensors beschrieben, bei dem die optische Abtasteinrichtung
feststehend und der Datenträger
an einem gegenüber
der optischen Abtasteinrichtung beweglichen Objekt, dessen Position
zu ermitteln ist, fixiert ist.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau eines Drehwinkelsensor 1 dargestellt.
Auf einer drehbaren Welle 2 ist eine absolut kodierte Winkelscheibe 3 als Datenträger befestigt.
Die Winkelinformation ist binärkodiert
in äquidistanten,
konzentrischen Datenspuren 4 als Bitmuster aufgezeichnet.
Der Drehwinkelsensor 1 weist darüber hinaus einen Lesekopf 5 auf,
der an eine elektronische Schaltung 6 zur Aufbereitung
des Ausgangssignals des Lesekopfes 5 und zur Ausgabe eines
geeigneten digitalen oder analogen, winkelproportionalen Signals
angeschlossen ist.
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Das Bitmuster ist in einer ersten
Ausgestaltungsform der Erfindung durch Vertiefungen in einer für sich planen
Oberfläche
der Winkelscheibe 3 abgebildet. In einer alternativen Ausgestaltungsform
ist das Bitmuster durch Erhebungen gegenüber der für sich planen Oberfläche der
Winkelscheibe 3 ausgeführt.
In einer dritten Ausgestaltungsform ist das Bitmuster durch verschiedenfarbige
Markierungen in der Ebene der für
sich planen Oberfläche
der Winkelscheibe 3 aufgetragen.
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Die Winkelworte bestehend aus mehreren Bits
und sind jeweils linear in Radialrichtung auf der Winkelscheibe 3 angeordnet.
Ihre Dichte bestimmt die Winkelauflösung des Drehwinkelsensors 1.
Die Winkelposition ist durch die radiale Folge von Bits benachbarter
Datenspuren 4 kodiert.
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Mit dem Lesekopf 5 wird
in jeder Position der Winkelscheibe 3 ein vorgebbarer Abschnitt
der Datenspuren 4 als Bitmuster abgetastet. Die Abtastfläche 7 überstreicht
gemäß 2 eine Mehrzahl unmittelbar
aufeinanderfolgender Winkelinformationen.
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Während
die einzelnen Bits auf den konzentrischen Datenspuren 4 angeordnet
sind, sind die Winkelworte senkrecht dazu in Radialrichtung angeordnet.
Benachbarte, gleichwertige Bits können sowohl in Radial- wie
auch in Umfangsrichtung als zusammenhängende Datenstruktur 8 dargestellt
sein. Dazu ist in 3 ein
begradigter Ausschnitt der Darstellung von 2 mit einer Kodierung der Winkelworte
im Gray-Code gezeigt. Dabei treten Strukturübergänge in Form von Flanken 9 nur
bei einem Wechsel der Bit-Wertigkeit auf.
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Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ist in 4 die Bitstruktur
innerhalb der Abtastfläche 7 an
einem ausgewählten
Abtastort vergrößert dargestellt,
wobei es sich in diesem Fall um eine unzusammenhängende Bitstruktur handelt. Wie
bereits oben ausgeführt
sind auf Datenspuren 4 angeordnete Bitpositionen 10 in
Winkelworte 12 senkrecht zum Verlauf der Datenspuren 4 in
Radialrichtung strukturiert, wobei die Darstellung der Einfachheit
halber linearisiert ist. Die Abtastfläche 7 an einem ausgewählten Abtastort
umfasst eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Winkelworte 12.
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Die Auslesung der Winkelworte 12 kann durch
Partikel 11 beeinträchtigt
sein, die eine oder mehrere Bitpositionen 10 zumindest
teilweise überdecken.
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Zur Erkennung der Winkelposition
werden die jeweils innerhalb der Abtastfläche 7 liegenden Winkelworte 12 in
regelmäßigen Zeitabständen in Form
von Pixelbildern aufgenommen. Aus jedem Pixelbild wird das zur Winkelposition
am Abtastort gehörige
Winkelwort 12 unter Berücksichtigung
benachbarter Winkelworte 12 rekonstruiert. Anschließend wird
das zur Winkelposition am Abtastort gehörige Winkelwort 12 ausgegeben.
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Zur Rekonstruktion des Winkelworts 12 an der
Abtastposition werden für
sich bekannte Mustererkennungsverfahren verwendet. Auf Bilderkennungsverfahren
basierende Geräte,
bei denen jedoch nur die relative Änderung zur vorhergehenden Position
von Interesse ist, sind heute bereits auf dem Markt erhältlich.
Dazu wird auf die optische Computermaus der Firmen Hewlett Packard
und Agilent verwiesen.
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Das Verfahren ist mit bereits marktüblichen Standardkomponenten
realisierbar. Mit fortschreitender Technik der CCD-Chips und CMOS-Bildsensoren sind
Auswertungen bereits auf dem Bilderfassungschip durchführbar. Zur
Datenreduktion kann eine Clusterung der Bildinformation im Sensor
durchgeführt
werden, und so einen Einsatz bekannter Mustererkennungsverfahren
ermöglichen.
Es lassen sich beliebige gängige
Methoden, wie beispielsweise Korrelation oder Kontrastverstärkung zur
Lokalisation des Bildes in der Referenzfläche einsetzen.
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Als Abtasteinrichtung können sowohl
Zeilen- als auch Flächenkameras
zum Einsatz kommen. Flächenkameras
führen
dabei zu einer höheren
Fehlertoleranz, da die Erkennungsalgorithmen exaktere Ergebnisse
liefern und Verschmutzungen der Winkelscheibe 3 prozentual
kleinere Anteile der Abtastfläche 7 überdecken.
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Vorteilhafterweise arbeitet das Verfahren ausschließlich auf
der Basis digitaler Informationen. Eventuell auftretende Fehlpositionierungen
durch Verschiebung, Verdrehung oder azentrische Anordnung werden
durch den eingesetzten Positionserkennungs-Algorithmus erkannt und
kompensiert.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass das Pixelbild zunächst als Grauwert-Bild aufgenommen
wird. Dadurch wird eine Reduzierung der zur Weiterverarbeitung vorgesehenen Datenmenge
erreicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, dass das Pixelbild in ein Schwarz-Weiß-Bild mit
einstellbarem Schwellwert umgewandelt wird. Auf diese Weise wird
aus dem Grauwert-Bild die binäre
Bitstruktur pixelweise rekonstruiert.
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In einer alternativen Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pixelbild nach seinem niveausensitiven
optischen Bildkontrast bewertet wird. Niveaukodierte Winkelscheiben
haben den Vorteil, dass sie in größeren Stückzahlen besonders kostengünstig mittels
mechanischer Replikation in einem Prägeverfahren hergestellt werden
können.
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In einer alternativen Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pixelbild nach seinem flankensensitiven
optischen Bildkontrast bewertet wird. Dieses Verfahren wäre vorteilhaft
in Fällen
anzuwenden, in denen die absolute Helligkeit der abgebildeten Einzelbits
aufgrund fertigungsbedingter mechanischer oder optischer Toleranzen
der Gesamtanordnung starken Schwankungen unterliegt.
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- 1
- Drehwinkelsensor
- 2
- Drehwelle
- 3
- Winkelscheibe
- 4
- Datenspuren
- 5
- Lesekopf
- 6
- Elektronische
Schaltung
- 7
- Abtastfläche
- 8
- Datenstruktur
- 9
- Flanke
- 10
- Bitposition
- 11
- Partikel
- 12
- Winkelwort