DE3926438C2

DE3926438C2 -

Info

Publication number: DE3926438C2
Application number: DE3926438A
Authority: DE
Inventors: Achim Dipl.-Ing. Merklinger; Stephan Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart De Forster
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-08-10
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1993-01-07
Also published as: DE3926438A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer Bahnkurve eines räumlich bewegten Objekts oder eines in einer Ebene bewegten Objekts und Bestimmung des jeweiligen Orientierungswinkels des in der Ebene bewegten Objekts mit drei im Randbereich der erwarteten Bahn mit Abstand voneinander, nicht in einer Linie angeordneten Wegaufnehmern, bei dem die Abstände von einem zum jeweils nächst benachbarten Wegaufnehmer durch die Wegaufnehmer selbst durch zyklisches Ausmessen bestimmt werden und anschließend die Wegaufnehmer mindestens an einem Punkt des Objekts angekoppelt und zur Bestimmung der Bewegungsbahn des Objekts in vorzugebenden Zeitintervallen die jeweiligen Abstände des mindestens einen Punktes zu den Wegaufnehmern erfaßt und ausgewertet werden.

Bei einem solchen aus der DE-PS 32 05 362 bekannten Verfahren sind vier Laserinterferometer an vier in einer Ebene liegenden Eckpunkten eines Rohrgerüstes gehalten und auf der zu vermessenden Oberfläche ist ein als Meßpunkt dienender Doppelreflektor-Spiegel mittels einer Verstellvorrichtung (Meßroboter) in einer vorzugebenden Bahn verschiebbar. Aus einer Laserquelle gelangen Laserstrahlen über an den Eckpunkten des Gestells angeordneten servogelenkten Strahlrichtern auf den Tripelreflektor, von wo aus sie zur interferometrischen Distanzmessung an den Interferometern reflektiert werden. Nachteilig ist der hohe apparative Aufwand zum Nachführen der einzelnen auf den Retroreflektor auftreffenden Laserstrahlen. Es sind hier hochpräzise Bauteile und ein erheblicher Regelaufwand erforderlich. Ein noch größerer apparativer Aufwand ist für das Verfahren und die Vorrichtung nach der DE-OS 32 26 005 erforderlich.

Aus der DE-OS 36 29 689 ist eine Positionsmeßvorrichtung bekannt, die sich der Laserinterferometrie zur Entfernungsmessung bedient, so daß auch hier ein großer apparativer Aufwand erforderlich ist.

Diese bekannten Meßverfahren und Meßsysteme benötigen viel Energie, so daß zu deren Betrieb in der freien Feldvermessung zusätzliche Stromaggregate benötigt werden.

In Vermeidung dieser Nachteile liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahen und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit geringem apparativem Aufwand bei großer Variabilität eine einfache Bahnbestimmung ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß mechanische Wegaufnehmer, die jeweils eine Maßverkörperung aufweisen, verwendet werden, daß die Wegaufnehmer unabhängig voneinander in einer beliebig vorgebbaren Grundeinstellung aufgestellt und anschließend deren Abstände durch zyklisches Verbinden der Enden der Maßverkörperungen mit dem jeweils benachbarten Wegaufnehmer bestimmt werden, daß anschließend zur Bestimmung der Raumkurve des Objekts die Enden der mit den drei Wegaufnehmern verbundenen Maßverkörperungen an einem gemeinsamen Punkt P des Objekts oder zur Bestimmung der ebenen Bewegungsbahn und des jeweiligen Orientierungswinkels des Objekts die Enden von zwei der Maßverkörperungen an einem Anlenkpunkt und das Ende der anderen Maßverkörperungen an einem in einem bestimmten Abstand zum Anlenkpunkt befindlichen weiteren Anlenkpunkt des Objekts befestigt werden, und daß durch intermittierende Erfassung und Auswertung der Abstandsveränderung zwischen dem Punkt P oder den Anlenkpunkten des bewegten Objekts und den Wegaufnehmern in der Grundeinstellung die Raumkurve oder die ebene Bewegungsbahn und der Orientierungswinkel des Objekts bestimmt werden.

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

Eine Vermessung der räumlichen Bahnkurve eines Objekts kann besonders einfach mit geringem Aufwand dadurch erfolgen, daß drei mechanische Wegaufnehmer, die jeweils eine Maßverkörperung aufweisen, vorgesehen sind, daß die Wegaufnehmer jeweils unabhängig voneinander auf einer fahrbaren Stütze montiert und auf einer Ebene aufstell- und einmeßbar sind, daß am Objekt ein Anlenkpunkt P vorgesehen ist, an dem die Enden der mit dem jeweiligen Wegaufnehmer verbundenen Maßverkörperungen anbringbar sind, und daß in vorzugebenden Zeitintervallen jeweils die Längen der Maßverkörperungen zwischen dem bewegten Anlenkpunkt P und den zugeordneten Wegaufnehmern erfaßt und über einen Rechner zur Bestimmung der Bahnkurve des Objekts ausgewertet werden.

Ein besonders geringer apparativer Aufwand zur Durchführung des beschriebenen Meßverfahrens kann dadurch realisiert werden, daß drei mechanische Wegaufnehmer, die jeweils eine Maßverkörperung aufweisen, vorgesehen sind, daß die Wegaufnehmer jeweils unabhängig voneinander auf einer fahrbaren Stütze montiert und auf einer Ebene aufstell- und einmeßbar sind, daß am Objekt ein erster Anlenkpunkt und ein zweiter Anlenkpunkt mit einem bestimmten Abstand vom ersten Anlenkpunkt vorgesehen sind, wobei am ersten Anlenkpunkt die Enden von zwei der mit den zugeordneten Wegaufnehmern verbundenen Maßverkörperungen und am zweiten Anlenkpunkt das Ende der letzten mit dem zugeordneten Wegaufnehmer verbundenen Maßverkörperung anbringbar sind, und daß in vorzugebenden Zeitintervallen jeweils die Längen der Maßverkörperungen zwischen den Anlenkpunkten und den zugeordneten Wegaufnehmern erfaßt und über einen Rechner zur Bestimmung der Bahnkurve und des Orientierungswinkels des Objekts ausgewertet werden.

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 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 des Anlenkpunktes "4" wie folgt:

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

Der Orientierungswinkel C ermittelt sich wie folgt:

ergeben sich die Hilfsgrößen im System h_x, h_y

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

β = arctan (e - y′)/(b - 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 eines 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 + (b - 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 Zeitschritten 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

1. Verfahren zur Vermessung einer Bahnkurve eines räumlich bewegten Objekts oder eines in einer Ebene bewegten Objekts und Bestimmung des jeweiligen Orientierungswinkels des in der Ebene bewegten Objekts mit drei im Randbereich der erwarteten Bahn mit Abstand (d1, d2, d3) voneinander, nicht in einer Linie angeordneten Wegaufnehmern (1, 2, 3), bei dem die Abstände (d1, d2, d3) von einem zum jeweils nächst benachbarten Wegaufnehmer durch die Wegaufnehmer selbst durch zyklisches Ausmessen bestimmt werden und anschließend die Wegaufnehmer (1, 2, 3) mindestens an einem Punkt (P, 4, 5) des Objekts angekoppelt und zur Bestimmung der Bewegungsbahn des Objekts in vorzugebenden Zeitintervallen die jeweiligen Abstände des mindestens einen Punktes (P, 4, 5) zu den Wegaufnehmern (1, 2, 3) erfaßt und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische Wegaufnehmer (1, 2, 3), die jeweils eine Maßverkörperung aufweisen, verwendet werden, daß die Wegaufnehmer (1, 2, 3) unabhängig voneinander in einer beliebig vorgebbaren Grundeinstellung aufgestellt und anschließend deren Abstände (d1, d2, d3) durch zyklisches Verbinden der Enden der Maßverkörperungen mit dem jeweils benachbarten Wegaufnehmer (1, 2, 3) bestimmt werden, daß anschließend zur Bestimmung der Raumkurve des Objekts die Enden der mit den drei Wegaufnehmern (1, 2, 3) verbundenen Maßverkörperungen an einem gemeinsamen Punkt P des Objekts oder zur Bestimmung der ebenen Bewegungsbahn und des jeweiligen Orientierungswinkels des Objekts die Enden von zwei der Maßverkörperungen an einem Anlenkpunkt (4) und das Ende der anderen Maßverkörperungen an einem in einem bestimmten Abstand l zum Anlenkpunkt (4) befindlichen weiteren Anlenkpunkt (5) des Objekts befestigt werden, und daß durch intermittierende Erfassung und Auswertung der Abstandsveränderung zwischen dem Punkt P oder den Anlenkpunkten (4, 5) des bewegten Objekts und den Wegaufnehmern (1, 2, 3) in der Grundeinstellung die Raumkurve oder die ebene Bewegungsbahn und der Orientierungswinkel des Objekts bestimmt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 zur Vermessung der räumlichen Bahnkurve eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß drei mechanische Wegaufnehmer (1, 2, 3), die jeweils eine Maßverkörperung aufweisen, vorgesehen sind, daß die Wegaufnehmer (1, 2, 3) jeweils unabhängig voneinander auf einer fahrbaren Stütze montiert und auf einer Ebene aufstell- und einmeßbar sind, daß am Objekt ein Anlenkpunkt P vorgesehen ist, an dem die Enden der mit dem jeweiligen Wegaufnehmer (1, 2, 3) verbundenen Maßverkörperungen anbringbar sind, und daß in vorzugebenden Zeitintervallen jeweils die Längen der Maßverkörperungen zwischen dem bewegten Anlenkpunkt P und den zugeordneten Wegaufnehmern (1, 2, 3) erfaßt und über einen Rechner zur Bestimmung der Bahnkurve des Objekts ausgewertet werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 zur Vermessung der Bahnkurve und Bestimmung des Orientierungswinkels des in einer Ebene bewegten Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß drei mechanische Wegaufnehmer, die jeweils eine Maßverkörperung aufweisen, vorgesehen sind, daß die Wegaufnehmer (1, 2, 3) jeweils unabhängig voneinander auf einer fahrbaren Stütze montiert und auf einer Ebene aufstell- und einmeßbar sind, daß am Objekt ein erster Anlenkpunkt (4) und ein zweiter Anlenkpunkt (5) mit einem bestimmten Abstand l vom ersten Anlenkpunkt (4) vorgesehen sind, wobei am ersten Anlenkpunkt (4) die Enden von zwei der mit den zugeordneten Wegaufnehmern (1, 2) verbundenen Maßverkörperungen und am zweiten Anlenkpunkt (5) das Ende der letzten mit dem zugeordneten Wegaufnehmer (3) verbundenen Maßverkörperung anbringbar sind, und daß in vorzugebenden Zeitintervallen jeweils die Längen der Maßverkörperungen zwischen den Anlenkpunkten (4, 5) und den zugeordneten Wegaufnehmern (1, 2, 3) erfaßt und über einen Rechner zur Bestimmung der Bahnkurve und des Orientierungswinkels des Objekts ausgewertet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlenkpunkte auf einem Kragarmständer vorgesehen sind, wobei der erste Anlenkpunkt (4) zweigeteilt an einer vertikal verlaufenden Säule und der zweite Anlenkpunkt (5) an einem abstehenden Arm höhenversetzt zueinander angebracht sind, und daß als Objekt ein Fahrzeug dient, auf dem der Kragarmständer starr befestigt ist und somit die Bahnkurve des auf einer Ebene sich bewegenden Fahrzeugs bestimmbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Wegaufnehmer Leseeinheiten mit magnetisch kodiertem Bandmaßstab oder Seilzug-Wegaufnehmer sind.