DE3926438A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermessung der bewegungsbahn eines eben oder raeumlich bewegten punktes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung von Bewegungsbahnen.

Die punktweise Vermessung großräumiger Bewegungsbahnen kann mit verschiedenen Hilfsmitteln, wie Maßverkörperungen, Koordinaten­ meßgeräten oder optischen Verfahren wie Triangulations- oder Laufzeitmessungen erfolgen. Alle diese genannten Methoden sind entweder sehr wenig flexibel, gerätetechnisch aufwendig oder erfordern umfangreichen regelungstechnischen Aufwand zur präzisen Nachführung.

In Vermeidung der geschilderten Nachteile liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit geringem apparativen Aufwand bei großer Variabilität eine ein­ fache Bahnbestimmung ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß am Rand der zu erwartenden Bewegungsbahn des räumlich oder eben bewegten Objekts drei Wegaufnehmer im Abstand d₁, d₂, bzw. d₃ von­ einander aufgestellt werden (siehe Fig. 1). Daß weiter in dieser Grundeinstellung die Abstände d₁, d₂ und d₃ der Wegaufnehmer durch zyklisches Ausmessen von jeweils einem zum nächsten be­ nachbarten Aufnehmer durch diese Aufnehmer selbst bestimmt werden und daß ferner diese Aufnehmer dann an dem oder den bewegten Punkten eingekoppelt werden und zur Bestimmung der Bewegungs­ bahn des Objekts in vorzugebenden Zeitabständen die Längen der Meßaufnehmer erfaßt und ausgewertet werden.

Dadurch, daß die Wegaufnehmer praktisch an beliebiger Stelle aufgestellt werden können, ist eine variable, anpaßbare Bahnbe­ stimmung mit geringem Aufwand möglich.

Zur Vermessung einer ebenen Bewegungsbahn und der Bestimmung des jeweiligen Orientierungswinkels eines in einer Ebene bewegten Objektes können in besonders vorteilhafter Weise im Randbe­ reich der zu erwartenden Bewegungsbahn die drei Wegaufnehmer wie oben beschrieben aufgestellt und ihre Abstände zueinander ausgemessen werden. Außerdem werden die Enden zweier Maßverkör­ perungen mit dem Anlenkpunkt "4" des bewegten Objektes (siehe Fig. 2) und das Ende der letzten Maßverkörperung mit einem im Abstand l vom Anlenkpunkt "4" befindlichen weiteren Koppelpunkt "5" verbunden und dann zur Bestimmung der ebenen Bewegungsbahn und der Orientierungsrichtung des bewegten Objekts in vor­ zugebenden Zeitabständen die Längen der Wegaufnehmer erfaßt und ausgewertet.

Zur Bestimmung der Raumbahn sind besonders vorteilhaft wie oben beschrieben die Wegaufnehmer aufzustellen und ihre Grundein­ stellung einzumessen. Dann werden alle Maßverkörperungen mit dem räumlich bewegten Punkt "P" verbunden und in vorzugebenden Zeitabständen jeweils die Länge zwischen dem zugeordneten Wegaufnehmer und dem bewegten Punkt erfaßt (siehe Fig. 3).

Durch die computergestützte Erfassung und Auswertung der Längen kann die Bewegungsbahn punktweise mit geringem Abstand berechnet werden.

Als Meßaufnehmer können generell beliebig geartete mechanische Maßverkörperungen wie Glasmaßstäbe, magnetisch kodierte Band- oder Stabmaßstäbe oder Seilzugwegaufnehmer eingesetzt werden, die mit der jeweils zugehörigen Leseeinheit abgetastet werden und ein Ausgangssignal in Form von Impulsen oder Analoggrößen liefern. Die Auswertung dieser Signale erfolgt mit Personal Computer oder VME-Bus-Rechner in Echtzeit. Dabei wird über die Software die Abtastfrequenz der Bahn festgelegt, die Berechnung der Koordinaten vorgenommen und Transformationen der ermittelten Koordinaten in beliebige andere Koordinatensysteme ermöglicht.

Die mit den Aufnehmern verbundenen Maßverkörperungen (Maßstäbe, Bänder, Seile) sind, um gegenseitige Behinderung beim Drehen des in einer Ebene bewegten Objekts zu vermeiden, höhenversetzt in verschiedenen Höhenlagen am Objekt angebracht (siehe Fig. 4).

Bei der ebenen Bahnvermessung kann darüber hinaus aus den ver­ messenen Bahnpunkten die Bahn jedes beliebigen Punktes des bewegten Objekts berechnet und ggf. transformiert werden.

Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden mit ihren Vorteilen anhand der beige­ fügten Zeichnungen in der nachstehenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Anordnung dreier Wegaufnehmer in Draufsicht sowie die Gegebenheiten beim Einmessen der Grundeinstellung,

Fig. 2 die Meßanordnung zur Bestimmung der ebenen Bewegungsbahn und Orientierung eines Objekts,

Fig. 3 die Meßanordnung für die Bestimmung der räumlichen Bewegung eines Punktes "P" in perspektivischer Darstellung und

Fig. 4 die Vorrichtung zum Ausschluß gegen­ seitiger Behinderungen der Maßverkörperungen bei der Vermessung ebener Bahnkurven, sowie die daran befindliche mechanische Ausführung des passiven Schalters zur Vorzeichen­ entscheidung.

Für die zwei beschriebenen Meßanordnungen werden für entsprechende Teile und Maße die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Gemäß Fig. 1 sind um die zu erwartende Bewegungsbahn herum auf fahrbaren, nicht näher dargestellten Stützen montiert, drei Wegaufnehmer "1", "2" und "3" angeordnet. Der Abstand der Wegaufnehmer "1" und "2" in der x-Achse beträgt dabei d₁ und entspricht der Rechengröße b. Der Abstand des Wegaufnehmers "2" zum Aufnehmer "3" beträgt d₂ und derjenige des Aufnehmers "3" zum Wegaufnehmer "1" beträgt d₃. Der Winkel zwischen den Wegaufnehmern "3", "1" und "2" beim Wegaufnehmer "1" beträgt α. Damit mißt der Abstand des Wegaufnehmers "3" von der y-Achse b₁, und der senkrechte Abstand des Wegaufnehmers "3" von der x- Achse e. Die geometrischen Beziehungen leiten sich wie folgt her:

b = d₁
α = arcos (d₁² + d₃² - d₂²)/(2 · d₁ · d₂)

daraus folgt:

b₁ = d₃ · cos α
und
e = d₃ · sin α.

Die Abstände der einzelnen Wegaufnehmer "1", "2" und "3" können durch diese selbst bestimmt werden, durch zyklisches Verbinden der Aufnehmer mit jeweils dem benachbart angeordneten Wegaufnehmer. Diese "Selbstkalibrierung" wird zu Beginn einer Meßreihe durchgeführt.

In Fig. 2 ist die Anordnung zur Vermessung der Bahnkurve eines eben bewegten Objekts dargestellt. Im Anlenkpunkt "4" sind die Maßverkörperungen der Wegaufnehmer "1" und "2" eingeklinkt, während im Abstand l vom Anlenkpunkt "4", im Anlenkpunkt "5" also, das Ende der Maßverkörperung des 3. Aufnehmers angekoppelt ist. Mit den Aufnehmern "1", "2" und "3" werden jeweils die Längen d₁, d₂ und d₃ zu vorzugebenden Zeitpunkten ermittelt.

Damit ergeben sich dann die Koordinaten wie folgt:

Durch Beschränkung von y auf positive Werte wird die Positions­ bestimmung eindeutig.

Der Orientierungswinkel ermittelt sich wie folgt:

ergeben sich die Hilfsgrößen

Weiter ergeben sich die in Fig. 2 eingezeichneten Winkel zu:

β = arctan (e - y′)/(b₁ - x′)
und:
ψ = arctan (y′/x′)

und schließlich der Winkel c zu:

c = ψ + β

Das Vorzeichen von y′ wird über einen passiven Schalter an der Meßvorrichtung des Fahrzeugs erhalten, dessen Signal von den Maßverkörperungen übertragen und dann vom Rechner ausgewertet wird.

Zur räumlichen Kurvenbestimmung gemäß Fig. 3 wird durch die Seillängen d₁ und d₂ die Lage einer x-z-Ebene festgelegt, deren x-Koordinate sich ergibt zu:

x = (b² + d₁² - d₂²)/(2 · b)

Der Abstand des bewegten Punktes "P" von der x-Achse beträgt demnach:

Entsprechend gilt auch:

r² = y² + z².

Die Meßlänge d₃ ist zugleich auch der Radius einer Kugel um den 3. Wegaufnehmer. Dabei gilt:

d₃² = (b - x)² + (e - y)² + z²

Weiter ergibt sich damit:

y = {d₁² + e² - d₃² - x² + (b₁ - x)²}/(2 · e)

Schließlich ergibt sich noch die z-Koordinate zu:

Wieder kann formal z positiv oder negativ sein. Aus praktischen Überlegungen, die Wegaufnehmer "1", "2" und "3" stehen auf dem Boden, entfällt aber die negative z-Koordinate, so daß dann die Position des gesuchten Punktes eindeutig bestimmt ist.

Nachdem diese Berechnungen in vorzugebenden relativ kleinen Zeitschriften durchgeführt werden, ist der jeweilige Bahnver­ lauf punktweise erfaßt und kann über EDV weiterverarbeitet und ausgewertet werden.

Die Genauigkeit und der Meßbereich der Anordnung hängt ab von Genauigkeit und Meßbereich der Aufnehmer "1", "2" und "3". Als Geber können Seilzugwegaufnehmer ebenso genommen werden, wie Linearpotentiometer, inkremental abgetastete Glasmaßstäbe oder induktiv abgetastete Metallbänder oder -stäbe.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der Bewegungsbahn eines eben oder räumlich bewegten Punktes, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich der erwarteten Bewegungsbahn drei Wegaufnehmer "1", "2" und "3" mit jeweils einer Maßverkörperung im Abstand d₁, d₂ und d₃ zueinander aufgestellt werden, daß ferner in dieser Grundeinstellung ggf. die Abstände d₁, d₂ und d₃ der Wegaufnehmer "1", "2" und "3" zueinander durch zyklisches Verbinden der Maßverkörperungen mit dem jeweils benachbarten Wegaufnehmer ("1", "2" bzw. "3") bestimmt werden.

2. Verfahren zur Messung einer ebenen Bewegungsbahn und der Bestimmung des jeweiligen Orientierungswinkels eines in dieser Bahn bewegten Objektes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß im Randbereich der zu erwarteten ebenen Bewegungsbahn drei Wegaufnehmer ("1", "2" und "3") wie unter Anspruch 1 beschrieben aufgestellt und eingemessen werden, daß weiter die Maßverkörperungen zweier Meßwertgeber ("1" und "2") am Anlenkpunkt "4" des Objekts und das Ende der Maßverkörperung des letzten Meßwertgebers ("3") mit einem im Abstand l zum Anlenkpunkt "4" befindlichen Anlenkpunkt "5" verbunden werden. Und daß damit zur Bestimmung der ebenen Bewegungs­ bahn und der Orientierungsrichtung des bewegten Objekts in vorzugebenden Zeitabständen die jeweiligen Längen der Maßverkörperungen erfaßt und ausgewertet werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach An­ spruch 1 zur Messung der räumlichen Bewegungsbahn eines be­ wegten Punktes "P", dadurch gekennzeichnet, daß drei wie unter Anspruch 1 aufgestellte und eingemessene Wegaufnehmer ("1", "2" und "3") vorgesehen sind, die über jeweils eine Maßverkörperung mit dem bewegten Punkt "P" verbunden sind und daß dabei in vorgegebenen Zeitabständen jeweils die Länge der Maßverkörperungen zwischen dem zugeordneten Weggeber ("1", "2" und "3") und dem bewegten Punkt "P" bestimmt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Weggeber ("1", "2" und "3") wie unter Anspruch 1 aufgestellt und eingemessen werden, daß weiter die Enden der Maßverkörperungen zweier Weggeber ("1", und "2") mit einem Anlenkpunkt "4" des bewegten Objekts verbunden sind und das Ende der letzten Maßverkörperung ("3") mit einem im Abstand l vom Anlenkpunkt "4" entfernten weiteren Koppelpunkt "5" des bewegten Objekts verbunden ist und daß an dieser Vorrichtung ein passiver Schalter so angebracht ist, daß eine eindeutige Vorzeichenentscheidung über die Winkellage des zu vermessenden Objekts getroffen werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 3 mit den Wegaufnehmern "1", "2" und "3" verbundenen Maßver­ körperungen höhenversetzt an dieser Vorrichtung, die starr mit dem Fahrzeug verbunden ist, angebracht sind und daß die Maßverkörperungen die Schaltinformation des passiven Schalters an dieser Vorrichtung übertragen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wegaufnehmer "1", "2" und "3" digitale Pulse oder analoge Signale abgeben, daß der passive Schalter an der Vorrichtung nach Anspruch 4 die Information "Kontakt oder kein Kontakt" zur Vorzeichenentscheidung liefert und daß diese Signale mit einem PC oder VME-Bus-Rechner erfaßt und verarbeitet werden.