CZ281886B6 - Způsob zjišťování polohy tělesa a zařízení k jeho provádění - Google Patents

Abstract

Způsob zjišťování polohy spočívá ve snímání do skupin uspořádané řady značek (7) a zjišťování odchylky okamžité polohy skupiny od její pevné výchozí polohy. Zařízení zahrnuje alespoň řadu od sebe rozmístěných značek (7), tvořených alespoň dvěma odlišnými znaky a snímácí jednotku (8), pohyblivě uspořádanou k řadě značek (7) pro jejich snímání, přičemž řada značek (7) nebo snímací jednotka (8) jsou připojeny ke sledovanému tělesu, značky (7) jsou seskupeny v různých skupinách s pevným počtem v rozsahu alespoň dvou za sebou následujících značek (7), přičemž značky (7) ve skupině jsou vždy seskupeny v kodu, patřícím pouze jedné skupině. Vždy dvě po sobě jdoucí skupiny značek (7) se překrývají v pevném počtu společných značek (7), přičemž tento počet je menší než celkový počet značek (7) v každé skupině. ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká detekce polohy tělesa, měnícího svou pozici pomocí řady značek, provedených ve vzájemné vzdálenosti jedna od druhé a snímací jednotky, jež je pohyblivá vzhledem k řadě značek za účelem snímání značek, přičemž příslušná řada značek anebo snímací jednotka jsou připojeny k danému tělesu.

Dosavadní stav techniky

Řešení tohoto druhu je popsáno v německé přihlášce vynálezu DE 3 116 333. Řešení popisuje systém detekce polohy pro určování umístění pístové ojnice v sestavě pístového válce. Pro tento účel je na ojnici umístěna řada stejnotvarých značek ve stejných vzdálenostech od sebe, jež jsou snímány optickým senzorem. Za pomoci optického senzoru je zaznamenáván postupný průchod příslušných značek umístěných na ojnici, což je měřítkem vzdálenosti, po níž se daná ojnice pohybovala tak, aby z toho mohla být odvozena například pozice konce dané ojnice. Toto je tak zvaný přírůstkový (inkrementální) systém, který má ale své nevýhody.

Vyžaduje nepřetržité fungování a přesné monitorování pohybů ojnice během změny její pozice. Spatné fungování systému během změny pozice tělesa vede ihned k nepřesnému určení polohy tělesa. Spatným fungováním může být například to, že není zaznamenám průchod jedné či více značek okolo senzoru, či že špatně funguje například paměť čítacího systému, který je připojen k senzoru a používá se k záznamu počtu značek prošlých okolo senzoru od počátku dané řady.

Jelikož se pomocí rychlosti detekce používaného senzoru určuje přípustná rychlost pohybu dané ojnice, je pro přesné určení polohy tato přípustná rychlost relativně malá. Přesnost určení polohy je do značné míry určována rozměry příslušných značek a jejich vzájemnými mezerami. Čím jemnější jsou značky a čím menší je jejich vzájemná vzdálenost, tím větší je teoretická přesnost zjišťování. Avšak v případě velmi jemných značek jsou na senzor a na technologii aplikace daných značek kladeny přísné požadavky. Navíc se zvyšuje náchylnost systému ke špatnému fungování, jako například z důvodu usazování nečistoty na značkách. Například stanovení polohy s přesností na 3 m vyžaduje čárky značek široké 2 mm. Jejich rozměry jsou znatelně menší než ty, jež mají obvyklé částice prachu, které se vznáší volně ve vzduchu. Dobré spolehlivosti v případě přesného určování polohy je možno docílit pouze za relativně vysokých nákladů.

Z evropské patentové přihlášky EP-A-0085951 je znám systém pro zjišťování polohy, s původním unikátním kódem, zhotoveným ze skupin s pevným počtem sousedících tenkých a silných čar. Každá skupina je vytvořena s určitou hustotou čar, odlišnou od hustoty čar druhých skupin. Tak je vytvořen systém umožňující narozdíl od systému popsaného v německé přihlášce vynálezu DE 3 116 333 přesnější určení polohy.

Pomocí řady znaků uspořádaných tímto způsobem odpadá inkrementální odečítání celé délky řady znaků, neboť každá skupina znaků určuje určitý kód, jehož údaje jsou použity pro stanovení příslušné polohy. Určování polohy může proto začít pouze přiblížením skupiny znaků, ne ale drive, než v době kdy prošel první ze znaků.

- 1 CZ 281886 B6

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je vytvořit spolehlivou detekci polohy se zvýšenou přesností, výrobně nenáročnou a nevyžadující zvýšené výrobní náklady.

Vynález je založen na myšlence přesné a jednoznačně ohraničené vzájemné polohy jednotlivých skupin řady značek, aniž by k vytvoření takového obrazce bylo nutno měnit vzdálenosti mezi znaky, což by si žádalo více přesné, dokonalejší a tudíž náročnější a dražší senzory nebo jiné prvky systému. Tím je možno vytvořit přesné a kompaktní seskupení jednotlivých kódů, bez nutnosti zmenšovat vzdálenosti mezi znaky, což by vedlo k potížím a vyšším výrobním nákladům.

Výše uvedeného cíle je dosazeno způsobem zjišťování polohy tělesa měnícího svou polohu, založeným na snímání uspořádané řady značek detekčního systému, jehož podstatou je to, že se snímá alespoň jedna ze skupin značek řady a poté se zjišťuje, na základě určení okamžité polohy skupiny ze- sekvence značek uvnitř skupiny, odchylka okamžité polohy dané skupiny od její pevné vztažné výchozí hodnoty.

Pro zvýšení přesnosti určení polohy ve vztahu k rozměrům značek a jejich mezer je výhodné zjišťovat při snímání značek hranici, například čelo, alespoň jedné značky alespoň jedné skupiny značek řady.

Po načtení uvedené hranice se pak zjišťuje odchylka okamžité polohy hranice od její vztažné pevné výchozí hodnoty.

Zahmuje-li skupina například čtrnáct značek, tvořených čárkami 0,2 až 0,4 mm širokými, umístěnými jedna od druhé s mezerou 0,6 mm, přesnost určení polohy je nejméně 0,6 mm, přičemž přesnost se zvýší na alespoň 3 pm pomocí měření všech (28) stran značek řečené skupiny. Tímto způsobem může být dosaženo délky měření až do šesti metrů, při existenci asi deseti tisíc skupin, z nichž každá je odsazena jednou značkou od druhé. Pomocí načtení dvou a více skupin se eliminuje nesprávné načtení z nějaké skupiny, například v důsledku znečištění značek, a. to s udržením výše uvedené přesnosti.

Při snímání hranice alespoň dvou značek se výhodně určí vzájemná poloha těchto hranic a poté se zjišťuje její odchylka od její pevně dané výchozí hodnoty.

Zařízení k provádění tohoto způsobu zahrnuje alespoň řadu od sebe rozmístěných značek tvořených alespoň dvěma odlišnými znaky a snímací jednotku, pohyblivě uspořádanou vzhledem k řadě značek za účelem jejich snímání, přičemž řada značek nebo snímací jednotka jsou připojeny k sledovanému tělesu, značky jsou seskupeny v různých skupinách s pevným počtem v rozsahu alespoň dvou za sebou jdoucích značek, a přičemž značky ve skupinách jsou vždy seskupeny v kódu patřícím pouze jedné skupině. Jeho podstata spočívá v tom, že vždy každé dvě po sobě jdoucí skupiny značek se překrývají v pevném počtu společných značek, přičemž tento počet je menší než celkový počet značek v každé skupině.

Výhodně mohou být dvě po sobě jdoucí skupiny odsazeny navzájem jednou značkou.

Pro přesnost zjišťování polohy větší než 5 pm je výhodné vytvořit mezeru mezi značkami v rozmezí 0,1 až 1 mm, zejména 0,6 mm a značky v šířce v podélném směru řady od 0,1 do 1 mm, zejména 0,2 nebo 0,4 mm.

Každá skupina může obsahovat 5 až 30, zejména 10 až 20, značek. Může však obsahovat i jiný počet značek.

-2CZ 281886 B6

Snímací jednotka může mít optický senzor a značky jsou pak vytvořeny jako opticky snímatelné značky.

Rada značek může mít pevnou polohu. Výhodně je protažena ve směru pohybu sledovaného tělesa.

Je výhodné, když vždy následující skupina značek obsahuje alespoň jednu značku odlišnou od značek předchozí skupiny.

Rada značek může být tvořena opticky snímatelnými značkami uspořádanými ve dvoubitovém kódu, proti nim je pak uspořádána alespoň jedna LED, připojená k pulznímu zdroji napájení, přičemž čtecí jednotka pak zahrnuje jednopaprskové CCD, připojené k počítači přes A/D konvertor a optickou jednotku s čočkou, uspořádanou mezi CCD a příslušnou řadou značek.

Rada značek může být uspořádána v přímé řadě, ale i řadě jinak tvarované.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude podrobněji popsán pomocí příkladného provedení znázorněného na výkrese, na němž obr. 1 znázorňuje diagramaticky a částečně v příčném řezu zařízení k určování polohy, namontované na ojnici sestavy pístového válce a obr. 2 znázorňuje detail Π senzoru a pístnice z obr. I.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje válec 1, v němž se pohybuje píst 2 tam a zpět, na výkresu zleva doprava. Pístnice 3, která přečnívá ven skrze zadní stěnu válce 1, je připevněna k pístu 2, přičemž volný (nezobrazený) konec pístnice 3 je vhodný k uvedení nezobrazeného tělesa do pohybu. Hydraulická tekutina je pumpována z pumpy (nezobrazena) do a ven z válce 1 skrze trubky 4 přívodu a vývodu přes distributor 5 a vedení 6 pro vyvolání pohybu pístu 2 uvnitř válce L

Jak je zobrazeno, na pístnici 3 je řada značek 7. Jak podrobněji ukazuje obr. 2, tato řada značek 7 zahrnuje tlusté a tenké čárky, jednu vedle druhé, v určité vzdálenosti od sebe. Řada značek 7 zahrnuje po sobě následující skupiny z dvanácti značek 7, přičemž skupina je vždy odsazena jednou značkou 7 se zřetelem k předcházející skupině. Tímto uspořádáním jsou tenké a tlusté čárky uspořádány tak, že sekvence uvnitř nějaké skupiny je unikátní.

Obr. 2 představuje pole snímací jednotky 8, ohraničené pomocí čar tečka-čárka. Jak je vidět, snímací jednotka 8 je schopná detekce přesně jedné skupiny složené z dvanácti značek 7. Údaje jako sekvence značek 7 ve skupině, poloha stran (strany čelem jedna k druhé) značek 7, jsou přenášeny do centrální zpracovatelské jednotky 9. Data načtená snímací jednotkou 8 jsou dále zpracovávána v uvedené jednotce 9. Pak je provedeno srovnání s údaji uschovávanými v paměti počítače k zjištění odchylky pozice detekované skupiny vyznačené na pístnici 3 a podle ní se upraví pozice snímací jednotky 8 vzhledem k příslušné řadě značek 7. Například uschovávané údaje pocházejí z předchozí kalibrace potom, co byla vytvořena řada značek 7. Řízení distributoru 5 pro vyvolání pohybu pístu 2 se děje na základě řečeného porovnání. Válec pístu 2 může být pohybován buď hydraulicky, nebo pneumaticky.

Podle výhodného provedení vynálezu se použije dvoubitového kódování pomocí dvou druhů značek 7. čímž se vytváří příslušná řada značek 7 seskupených pseudoarbitrámím (náhodným) způsobem, přednostně řada maximální délky. Pomocí tohoto uspořádání, v nejjednodušším provedení, je každá následující skupina odsazena jednou značkou 7 proti skupině předcházející. Značka 7, která je ve srovnání s předcházející skupinou přidána, je stanovena tak zvanou nonekvivalencí z prvních dvou značek 7 předcházející skupiny. Tímto opatřením obsahují

-3 CZ 281886 B6 příslušné skupiny jistou nadbytečnost během snímání, pomocí níž chyby jako například načtení poškozených značek 7, mohou být značně rektifikovány. Na základě řady značek 7 provedených pseudoarbitrámím způsobem v řadě maximální délky je možno kontrolovat přesnost získaných informací načtením následujícího uskupení značek 7, tj. za značkami 7 patřícími k předešlé skupině, jestliže je načtena přilehlá část rady značek 7, což přesahuje více než dvakrát velikost skupiny. Aby se dosáhlo přiměřené použitelné množství řádově o velikosti deseti tisíc skupin, musí jedna skupina obsahovat alespoň deset značek 7, výhodně více než patnáct a zejména více než dvacet.

Pro optické načítání daných značek 7 se přednostně používá impulzní osvětlení. Pokud se pro osvětlování používají tak zvané LED, může být jejich počet omezen, což je navíc výhodné pro optickou čtecí jednotku, přednostně CCD. V případě impulzního osvětlování je tato optická čtecí jednotka schopná měřit za dvou podmínek: bez osvětlení a s osvětlením. Během osvětlení může čtecí jednotka načítat značky 2, zatímco při neexistenci osvětlení může být čtecí jednotka znova připravována pro následující načítání, například může být resetována a kalibrována. Tímto se zvyšuje přesnost načítání pohybující se řady značek 7. Navíc, doba kdy čtecí jednotka načítá, je řízena prostřednictvím frekvence osvětlování, výsledkem čehož je načítání znatelně zjednodušeno ve srovnání s kontinuálním osvětlením. Pro impulzní osvětlování musí být zvolena pulzní iluminace v trvání od dvaceti mikrosekund do stovky mikrosekund při frekvencí 300 Hz. Užívá-li se CCD jako čtecí jednotka, iluminace musí být užita v rozsahu elektromagnetické vlnové délky asi 850 nm. LED typu, který je účinný v řešené vlnové oblasti, zajišťuje vysoký světelný výkon. Například je pro daný účel možno použít diod IR GaAIA. Šest až deset, přednostně osm, LED se používá pro pulzní iluminaci povrchu načítání asi třináct milimetrů dlouhého a pět milimetrů širokého, v podstatě pravoúhlého tvaru.

Užije-li se CCD za optickou Čtecí jednotku přednostně se použije tzv. jednopólové CCD se 256 pixely. Je-li řada značek 7 vytvořena z tenkých a tlustých čárek s pevnými mezerami a skupina značek 2 zahrnuje 14 až 20 značek 2, značka 2 tenkou čárkou je za použití jednopólového CCD zobrazena na třech či více pixelech.

Pokud je optická čtecí jednotka uspořádána mezi řadami značek 7, jež mají být načítány a čtecí jednotkou je jednopólové CCD, je výhodné provést optickou čtecí jednotku tak, aby poměr zobrazení byl 2 : 1 ve všech směrech. Optická čtecí jednotka pak může být zhotovena jako dubletní čočka, což není drahé. V kombinaci s jednopólovým CCD, jež má výšku pixelu asi 2,5 mm, je přípustné čárkové značení vysoké 5 mm, což vede k malému riziku zanesení čárkového značení a tudíž k nesprávnému načtení v důsledku přítomných prachových částic. V kombinaci s čárkovým značením se rovněž upřednostňuje zvolit jednopólové CCD, jež má pixely znatelně vyšší než širší, protože pro optickou čtecí jednotku pak může být zvolena relativně jednoduchá konstrukce a například optická jednotka, jež má odlišné měřítko zobrazení ve dvou směrech, jako například cylindrová optika, není potřeba. Spojení jednopólového CCD s 256 vysokými pixely, dubletové čočky a rady značení z tenkých a tlustých čárek s pevnými mezerami a pulzní iluminace použitím LED, poskytuje účinný a relativně levný systém určování polohy, jenž je v provozu spolehlivý. Aby se dosáhlo lepších výkonů, je možné použít v optické čtecí jednotce tripietové čočky. Konstrukce optické čtecí jednotky je přednostně taková, že délka ohniska je 20 až 30 mm, zatímco mezera mezi čtecí jednotkou (příkladně CCD a řadou značek 2 je přibližně troj či čtyřnásobná než ohnisková délka.

Pokud je použito jednopólové CCD s 256 pixely, upřednostňuje se užití osmibitového konvertoru A/D ke zpracování signálů ze čtecí jednotky. Signály z konvertoru A/D jsou pak převáděny do počítače, který produkuje informace, týkající se dané pozice. Pokud je jednopólové CCD nahrazeno mnohopolovým CCD, signály mohou být předávány přímo do počítače i bez intervence konvertoru A/D.

-4CZ 281886 B6

Vynález není omezen na popsaná provedení. Například je též vhodný i pro jiné těleso než je pístnice, příkladně pro šroubové vřeteno. Je možné, aby detekce byla například magnetická či mechanická místo optické. Navíc je možné, aby řada značek byla stacionární a snímací jednotka namontována na tělese, jež mění pozici. Zařízení k určování polohy není vhodné jen pro ta tělesa, jež mění pozici pohybem v přímém směru, aleje také použitelné pro tělesa pohybující se v kruhu, například pro disk otáčející se okolo středového bodu. Detekční pole a snímací jednotka mohou být také přizpůsobeny pro detekci více než jedné skupiny značek. Mohou též být užity skupiny s více či méně než 12 značkami. Je rovněž možné použít různé řady značek, kde v tomto případě je každý kód po řadách unikátní, přičemž se ale jistý kód může vyskytnout častěji za všechny řady dohromady. V takovém případě je pak nezbytné identifikovat řadu, z níž daná skupina detekovaná v daném bodě v daném čase pochází. Podobně je možné použít proměnlivé mezery místo pevné mezi značkami. Konečně detekční pole detektoru může být menší než jedna skupina. Avšak, když se detekuje kompletní skupina, pak je nutné posunout systém detekce pozice, například posunout těleso, jež mění pozici anebo čočky tohoto systému, užívají-li se čočky. Polohový detekční systém je vhodný jak pro translační, tak rotační pohyby. Pro rotační pohyby je řada vytvořena v kruhovém vzoru.

Claims (14)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zjišťování polohy tělesa, měnícího svou polohu, a to snímáním do skupin uspořádané řady značek, vyznačující se tím, že se snímá alespoň jedna ze skupin značek řady a zjišťuje se odchylka okamžité polohy skupiny od její pevné výchozí hodnoty.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že při snímání se zjišťuje hranice, například čelo, alespoň jedné značky alespoň jedné skupiny značek řady.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se zjišťuje odchylka okamžité polohy hranice od její pevné výchozí hodnoty.
4. 4. Způsob podle nároků 2 nebo 3, vyznačující se tím, že se snímají hranice alespoň dvou značek, určí se vzájemná poloha těchto hranic a poté se zjišťuje její odchylka od její pevné výchozí hodnoty.
5. 5. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1, zahrnující alespoň řadu od sebe rozmístěných značek, tvořených alespoň dvěma odlišnými znaky a snímací jednotku, pohyblivě uspořádanou k řadě značek pro jejich snímání, přičemž řada značek anebo snímací jednotka jsou připojeny k sledovanému tělesu, značky jsou seskupeny v různých skupinách s pevným počtem v rozsahu alespoň dvou za sebou následujících značek, přičemž značky ve skupinách jsou vždy seskupeny v kódu patřícím pouze jedné skupině, vyznačující se tím, že každé dvě po sobě jdoucí skupiny značek (7) se překrývají v pevném počtu společných značek (7), přičemž tento počet je menší než celkový počet značek (7) v každé skupině.
6. 6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že skupiny značek (7) jsou vždy navzájem odsazeny jednou značkou (7).
7. 7. Zařízení podle jednoho z nároků 5a 6, vyznačující se tím, že mezera mezi značkami (7) je 0,1 až 1 mm, zejména 0,6 mm a značky (7) mají šířku v podélném směru řady od 0,1 do 1 mm, zejména 0,2 nebo 0,4 mm.
8. 8. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že každá skupina značek (7) je vytvořena z 5 až 30, zejména 10 až 20, značek (7).
9. 9. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že snímací jednotka (8) má optický senzor a značky (7) jsou opticky snímatelné.
10. 10. Zařízení podle jednoho z předcházej ících nároků, vyznačující se značek (7) má pevnou polohu.
11. 11. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se značek (7) je protažena ve směru, v němž je sledované těleso pohyblivé.

    tím, že řada t í m , že řada
12. 12. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vždy následující skupina značek (7) obsahuje alespoň jednu značku (7) odlišnou od značek (7) předcházející skupiny.
13. 13. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že řada značek (7) je tvořena opticky snímatelnými značkami (7) ve dvoubitovém kódu, proti nimž je uspořádána alespoň jedna LED, připojená k pulznímu zdroji napájení, přičemž snímací jednotka (8) zahrnuje jednopaprskový snímač CCD, připojený k počítači přes A/D konvertor a optickou jednotku s čočkou, uspořádanou mezi snímačem CCD a příslušnou řadou značek (7).
14. 14. Zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že řada značek (7) tvoří přímou řadu.