DD290783A7

DD290783A7 - Messanordnung fuer den verdrehungswinkel freibeweglicher objekte

Info

Publication number: DD290783A7
Application number: DD23385281A
Authority: DD
Inventors: Bernd Reinhold; Helmut Seifert; Hermann Voelckel
Original assignee: Jenoptik Jena Gmbh
Priority date: 1981-10-05
Filing date: 1981-10-05
Publication date: 1991-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meszanordnung fuer den Verdrehungswinkel freibeweglicher Objekte um die Verbindungsachse. Die Meszanordnung ist auf dem Gebiet der Raumfahrttechnik, beispielsweise bei Kopplungs- und Navigationssystemen, anwendbar. Ziel der Erfindung ist die Messung des Verdrehungswinkels von freibeweglichen Objekten mit einer hohen Genauigkeit und ohne mechanische Kopplung. Dabei besteht die Aufgabe darin, eine Loesungsmoeglichkeit zur Messung der Verdrehung ohne Fixierung der Objekte in einer Bewegungsrichtung zu finden. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz auf den Objekten eine optische Sendeeinrichtung zur Projektion einer Strichstruktur auf zwei basisbildende Elemente und eine Empfangseinrichtung vorhanden sind. Aus der Positionsaenderung der Strichstruktur auf den basisbildenden Elementen kann auf den Verdrehungswinkel geschlossen werden. Die basisbildenden Elemente koennen von im definierten Abstand zueinander befindlichen optoelektronischen Empfaengerzeilen, beispielsweise CCD-Zeilensensoren oder von Tripelspiegeln gebildet werden. Fig. 2

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine optische Meßanordnung für die Verdrehung um die Verbindungsachse freibeweglicher Objekte. Die Anordnung kann überall dort vorteilhaft angewendet werden, wo die gegenseitige Verdrehung von freibeweglichen Objekten in einem kleinen Winkelbereich ohne mechanische Kopplung dieser Objekte mit hoher Genauigkeit gemessen werden soil. Die Meßanordnung ist besonders in der Raumfahrttechnik zur Komplettierung eines Drei-Koordlnaten-Meßsystems und in Kopplungs- bzw. Navigationssystemen anwendbar.

-2- 290 783 Charakteristik der bekannten technischen Lotungen

Jede Moieung der Verdrehung von zwei Objekten gegeneinander b»nötigt eine entsprechende Meßbasls der gegenüber die Verdrehung festgestellt werden kann. Diese Basis für die Messung d«r Verdrehung lit in bekannter Welse auf einem Objekt angeordnet, welches stets an ein .festes" Koordinatensystem gebunden ist.

Das Meßprinzip besteht nun darin, mittels der Bestimmung dos Winkels, den eine Markierung auf dem Objekt gegenüber der Meßbasis einnimmt, auf die Größe der Verdrehung zu schließen.

Anordnungen, wie sie In der amerikanischen Patentschrift US-PS 393Ü039 und in der sowjetischen Schrift SU-PS 687325 offenbart werden, arbolten beispielsweise unter Ausnutzung der Polarisationsebene von elektromagnetischen Wellen nach dem Polarimeterprinzip. Dabei sendet eine Strahlungsquelle ein elektromagnetisches Strahlenbündel aus, dessen Polarisationsebene definiert ist. Aus der Veränderung dieser Polarisationsebene bei einer Verdrehung der Objekte kann auf den Winkel dor Verdrehung, beispielsweise durch Nachsteilen eines Analysator, geschlossen werden.

Hierbei wird zwar eine relativ hohe Genauigkeit erzielt, jedoch Ist die technische Realisierung schwierig bzw. die Durchführung der Messung unmöglich, wenn beispielsweise die zwischen den Meßelellen befindliche Strecke nicht abgeschlossen von Staub, Luftschlieren o. ä. gehalten werden kann. Die Notwendigkeit aim Nach stellen des Analysator erfordert zusätzlichen apparativen Aufwand.

Fine große Zahl von weiteren Lösungsvorschlägen verwendet bei der Messung der Verdrehung in verschiedenen Variationen, speziell gestaltete geometrische Figuren o.a., wobei die Verdrehung der Objekte in eine Intensitätsänderung von Licht umgewandelt wird.

Solche Anordnungen offenbaren z.B. die Schriften US-PS 3241430, US-PS 3957377, SU-PS 074606, SU-PS 444053 und DE-AS 1274357. So werden beispielsweise in der letztgenannten Schrift durch eine geometrische Figur erzeugte Lichtzeiger über Fotoelemente geführt.

Aus der Veränderung des entstehenden Fotostromes kann der Verdrohungswinkel des zu messenden Objektes errechnet werden. Nachteil all dieser vorgeschlagenen Methoden ist die geringe Genauigkeit und die außerordentliche Abhängigkeit dor Meßwerte von der Stabilität der Lichtquelle bzw. der Strahlführung.

Alle vorgeschlagenen Lösungsmethoden sind nicht für eine Messung des Verdrehungswinkels bei freibeweglichen Objekten geeignet. Bestimmte Bewegungsmöglichkelten der zu messenden Objekte sind ausgeschlossen bzw. führen zu mehr oder weniger großen Meßfehlern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung tat eine Messung des Verdrehungswinkels von freibeweglichen, mechanisch nicht miteinander gekoppelter Objekte im Weltraum mit einer hohen Genauigkeit. Dabei soll Wert auf eine ökonomisch günstige und technologisch einfach realisiarba-e Lösung gelegt werden.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung der Verdrehung von freibeweglichen Objekten zu finden, bei der eine feste Anbindung der Objekte an ein äußeres Koordinatensystem nicht erforderlich ist. Die Aufgabe wird bei einer Meßanordnung für den Verdrehungswinkel freibeweglicher Objekte mit einer Meßbasis, einer Sende-Empfangseinrichtung, deren Sendeebene in Bezug auf die Meßbasis definiert ist und ein t Ausv/erteeinheit dadurch gelöst, daß eine optische Sende-Empfangseinrichtung an den freibeweglichen Objekten angeordnet ist, wobei die Empfangseinrichtung positionsempfindliche Sensoren enthält, und daß an einem der freibeweglichen Objekte im optischen Strahlengang zwischen dor optischen Sendeeinrichtung und der optischen Empfangseinrichtung eine strukturerzeugende und abbildende Einheit sowie zwei im definierten Abstand zueinander befindliche basisbildende Elemente angeordnet sind. Die strukturerzeugende und abbildende Einheit kann von einem Linienstrukturerzeuger gebildet werden, welcher im einfachsten Fall aus einer Linienmaske und einer Fokussiereinrichtung besteht.

Weiterhin ist es möglich, als strukturerzeugende und abbildende Einheit eine Zylinderlinse zu wählen, die der optischen Sendeeinrichtung nachgeordnet Ist. Die Elemente der Meßanordnung können auf unte/schledliche Art und Weise auf die freibeweglichen Objekte verteilt angeordnet werden:

Bei einer ersten Variante befindet sich die optische Sendeeinrichtung und die strukturerzeugende und abbildende Einheit an einem ersten freibeweglichen Objekt. Die basisbildenden Elemente und die optische Empfangseinrichtung werden an einem zweiten freibeweglichen Objekt angebracht. Die basisbildenden Elemente werden von zwei in definierten Abstand, parallel zueinander befindlichen opto-elektronischen Empfängerzeilen gebildet. Diese sind auf die optische Sendeeinrichtung ausgerichtet und ihre Verbindungslinie liegt im Tiefenschärfebereich der Abbildung der Linienstruktur vom Linienstrukturerzeuger.

Bei einer zweiten Variante befinden sich die optische Sende- und die optische Empfangseinrichtung sowie die basisbildenden Elemente am ersten freibeweglicher Objekt. Das zweite freibewegliche Objekt trägt die stmkturerzeugende und abbildende Einheit, welche von einer Zylinderlinse und einem totalreflektierenden 90°-Prisma gebildet wird. Die optischen Elemente sind analog der oben geschilderten Variante aufgebaut und angeordnet.

In einer dritten Variante befinden sich die optische Sende- und Empfangseinrichtung und die strukturerzeugende und abbildende Einheit an dem ersten freibeweglichen Objekt.

Die basisbildenden Elemente sind am zweiten freibeweglichen Objekt r.ngeordnet. Als basisbildende Elemente werden in diesem Fall zwei im definierten Abstand zueinander befindliche Tripelspiegel verwendet. Der Empfangseinrichtung Ist eine auf die Tripelspiegel ausgerichtete, senkrecht zur Verbindungslinie der Tripelspiegel verlaufende optoelektronische Empfängerzeile zugeordnet. Als opto-elektronische Empfängerzeile können in allen Fällen CCD-Zeilensensoren verwendet werden. Die erfindunqsgemäße Anordnung erlaubt eine hochgenaue automatische und digitale Mossung des Verdrehungswinkels freibeweglicher Objekte mit einer hohen Genauigkeit, ohne mechanische Kopplung und unabhängig von einem äußerem Bezug: system. Die Messung ist weiterhin unabhängig von der Entfernung und der Art des Mediums zwischen den Meßstellen.

Ausführungsbel.iplel Die Erfindung soll an Hand von Zeichnungen näher orläutert werden. Es neigen Fig. 1: die schematische Darstellung einer Meßanordnung für den Verdrehungswinkel freibeweglicher Objekte, Flg. 2: die basisbildenden Elemente der Meßanordnung an einem der freibeweglichen Objekte, Fig. 3: die schematische Darstellung einer weiteren Meßanordnung und Fig.4: die schematische Darstellung einer dritten Variante der Meßanordnung. Gemäß Fig. 1 enthält eine Meßanordnung für den Verdrehungswinkel freibeweglicher Objekte um die Verbindungsachse 1 eine

optische Sende· 2 und Empfangseinrichtung 3. Im Strahlengang 9 zwischen der optischen Sendeeinrichtung 2 und der optischen

Empfangseinrichtung 3 befindet sich eine strukturerzeugende und abbildende Einheit 5. Diese kann in unterschiedlicher Form

realisiert werden. Es ist möglich hierfür eine Zylinderlinse oJer auch einen Linienstrukturerzeuger, beispielsweise aus einer

Linienmaske und einer Fokussiereinrichtung bestehend, zu verwenden. Die optische Empfangseinrichtung 3 besitzt positionsempfindliche Sensoren, welche gleichzeitig die basisbildenden Elemente 8

darstellen. Ihre Ausgestaltung wird welter unten noch näher erläutert werden.

Die optische Sendeeinrichtung 2, die optische Empfangseinrichtung 3 sowie die strukturerzeugende und abbildende Einheit 5

sind fest mit den Objekten V3rbunden, wobei in dieser Ausführungsform die optische Sendeeinrichtung ?. und gleichfalls dasstrukturerzeugende und abbildende Element 6 am ersten freibeweglichen Objekt β angeordnet sind. Die optische

Empfangseinrichtung 3 sowie die basisbildenden Elemente 8 befinden sich an einem zweiten freibeweglichen Objekt 7. Die

basisbildenden Elemente 8 werden von zwei im definierten Abstand B, parallel zueinander angeordneten, opto-elektronischen

Empfängerzeilen gebildet. Diese sind auf die optische Sendeeinrichtung 2 ausgerichtet und ihre Verbindungslinie befindet sich

im Tiefenschärfebereich der Abbildung der von dem strukturerzeugenden und abbildenden Element 5 projizierten

Linienstruktur. Diese optischen Elemente 8 bilden die zur Bestimmung der Verdrehung notwendige geometrische Basis 8. Der optischen Empfangseinrichtung 3 ist eine elektronische Auswerteeinheit 10 nachgeordnet. Die von der Strahlungsquelle 4

der optischen Sendeeinrichtung 2 ausgesandte elektromagnetische Strahlung bildet nach dem Durchgang durch diestrukturerzeugende und abbildende Einheit 5 eine gleichmäßige Strichstruktur auf die basisbildenden Elemente 8 ab. Diese

Abbildung wird von der Empfängereinrichtung 3 registriert. Bei einer Drehung des Objektes 7 um die gemeinsame Verbindungsachse 1 ändert sich die Position der projizierten Strichstruktur auf den basisbildenden Elementen 8 um den Betrag

Δχι bzw. Ax₂. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 2 dargestellt.

Auch diese Positionsveränderung wird von der Empfangseinrichtung 3 registriert. Nach Weitergabe dieser Fositionsinformationen bzw. deren Veränderung kann mit Hilfe einer der Empfangseinrichtung 3 nachgeordneten Auswerteeinheit 10 der Verdrehungswinkel φ nach der Formel

Δχι + Δχ₂ φ = arctan

bestimmt werden.

In einigen speziellen Fällen kann es sich als notwendig erweisen, allezur Bestimmung der Verdrehung notwendigen Elemente an

einem einzigen Objekt gemeinsam anzuordnen. Eine Ausführungsform, die diesem Erfordernis entspricht, ist in Fig.3schematisch dargestellt.

Die optische Sendeeinrichtung 2, die optische Empfangseinrichtung 3, deren positionsempfindliche Sensoren die

basisbildenden Elemente 8 bilden, und die Auswerteeinheit 10 sind gemeinsam an dem ersten freibeweglichen Objekt βangeordnet.

Das zweite Objekt 7 enthält nur die strukturerzeugende und abbildende Einheit 5 beispielsweise bestehend aus einer Zylinderlinse und einem totalreflektierenden 90°-Prisma. Die Ausgestaltung der optischen Elemente 8 erfolgt analog der in Fig. 1 geschilderten Bedingungen. Im Unterschied zu dem bei Flg. 1 beschriebenen Meßvorgang sendet die Strahlungsquelle 4 der optischen Sendeeinrichtung 2

ein divergentes elektromagnetisches Strahlenbündel in Richtung des zweiten Objektes 7. Dieses wird in Folge des Aufbaus derstrukturerzeugenden und abbildenden Einheit 5 von dieser in Form einer gleichmäßigen Strichstruktur in Richtung der

Empfangseinrichtung 3 reflektiert. Bei einer entsprechenden Verdrehung des zweiten Objektes 7 um die Verbindungsachse 1 kann der Verdrehungswinkel analog

zu den in Fig. 2 geschilderten Sachverhalten ermittelt werden.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich gemäß Fig. 4. Die Sendeeinrichtung 2 mit Lichtquelle 4, die strukturerzeugende und abbildende Einheit 5 sowie die Empfangseinrichtung 3 befinden sich am ersten Objekt 6. Der Empfangseinrichtung 3 ist wiederum die Auswerteeinhoit 10 nachgeordnet. Als basisbildende Elemente 8 werden

in diesem Fall nun nicht die Positionssensoren der Empfangseinrichtung 3 selbst verwendet, sondern zwei im definierten

Abstand B voneinander befindliche Tripelspiegel 11. Diese Tripelspiegel 11 sind auf dem zweiten Objekt 7 im Strahlengang 9

der Sendeolnrichtung 2 angeordnet. Die Tripelspiegel 11 reflektieren die von dar optischen Sendeoinrichtung 2 und der strukturerzeugenden und abbildenden Einheit 5 ausgestrahlte Strichstruktur ζ jrück in Richtung der Empfangseinrichtung 3. Auf Grund der Reflexlonselgenschaften der Tripelspiegel 11 wird bei einer Verdrehung des zweiten Objektes 7 eine doppelte Strichstruktur auf den Sensoren der Empfangseinrichtung 3 abgebildet.

Aus diesem Grunde ist es ausreichend die positionsempfindlichen Sensoren nur in einer'Zeile senkrecht zur Verbindungslinie der Tripelspiegel 11 verlaufend und auf diese ausgerichtet anzuordnen. Aus dem Abstand Δχ' der Strichstrukturen kann von der nachgeordneten Auswerteeinheit 10 der Verdrehungswinkel φ nach der Formel

φ = arctan-||-

ermittelt werden.

Bei allen drei in den Figuren 1,3 und 4 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, die

positionsempfindlichen Sensoren der optischen Empfangseinrichtung 3 als CCD-Zeilensensoren auszubilden.

Claims

1. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel freibeweglicher Objekte mit einer Meßbasis, einer Sende-Empfangselnrlchtung, deren Sendeebene In bezug auf die Meßbasis definiert ist und einer Auswerteeinhoit, gekennzeichnet dadurch, daß eine optische Sende-Empfangseinrichtung an den freibeweglichon Objekten angeordnet Ist, wobei die Empfangseinrichtung positionsempfindliche Sensoren enthält und daß an einem Jer freibeweglichen Objekte im optischen Strahlengang zwischen der optischen Sendeeinrichtung und der optischen Empfangseinrichtung eine strukturerzeugende und abbildende Einheit sowie zwei im definierten Abstand zueinander befindliche basisbildende Elemente ungeordnet sind.

2. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß die strukturerzeugende und abbildende Einheit einen Linienstrukturorzeuger darstellt, der der optischen Sendeeinrichtung nachgeordnet ist.

3. Meßanordnung für den Verdrehunnswinkel nach Punkt 2, gekonnzeichnet dadurch, daß der Linienstrukturerzeuger aus einer Linienmaske und einer Fokussiereinrichtung besteht.

4. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die strukturerzeugende und abbildende Einheit eine Zylinderlinse darstellt, die der optischen Sendeeinrchtung nachgeordnet ist.

5. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß die optische Sendeeinrichtung und die strukturerzeugende und abbildende Einheit an einem ersten freibeweglichen Objekt und die zwei basisbildenden Elemente sowie die optische Empfangseinrichtung an einem zweiten freibeweglichen Objekt angeordnet sind, wobei die basisbildenden Elemente zwei im definierten Abstand, parallel zueinander angeordnete optoelektronische Empfängerzeilen darstellen, die auf die optische Sendeeinrichtung ausgerichtet sind und deren Verbindungslinie im Tiefenschärfeberoich der Abbildung der Linionstruktur uer Sendeeinrichtung liegt.

6. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die optische Sendeeinrichtung und die basisbildenden Elemente und die optische Empfangseinrichtung an einem ersten froibeweglichen Objekt angeordnet sind, wobei die basisbildenden Elemente zwei im definierten Abstand, parallel zueinander angeordnete optoelektronische Empfängerzellen darstellen, die auf die optische Sendeeinrichtung ausgerichtet sind und deren Verbindungslinie im Tiefenschärfebereich der Abbildung der Linienstruktur liegt, und daß die strukturerzeugende und abbildende optische Einheit an einem zweiten freibeweglichen Objekt angeordnet ist.

7. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß das strukturerzeugende und abbildende Element von einer Zylinderlinse und einem totalreflektierenden 90°-Prisma gebildet wird.

8. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß die optische Sende- und Empfangseinrichtung an einem ersten freibeweglichen Objekt und die basisbildenden Elemente an einem zweiten freibeweglichen Objekt angeordnet sind, wobei die basisbildenden Elemente von zwei im definierten Abstand zueinander befindlichen Tripelspiegel gebildet werden.

9. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß der optischen Empfangseinrichtung eine auf die Tripelspiegel ausgerichtete, senkrecht zur Verbindungslinie der Tripelspiegel verlaufende opto-elektronische Empfängerzeile zugeordnet ist.

10. Meßanordnung für den Verdrehungswinkel nach Punkt 1,5,6 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß die opto-elektronischen Ernpfänper7eiien von CCD-Zeilensensoren gebildet werden.