CZ155097A3 - Apparatus for position detection of objects - Google Patents

Description

Předkládaný vynález se týká zařízení a c^ů^dbu' pro optické snímání úhlové polohy terče. Zejména se ^ředkjfáganý vynález týká zařízení a způsobu pro stanovení trigonenrSTrické tangenty úhlu. příčného posunutí, vzhledem k centrální ose zařízení, k terči emitujícímu nebo odrážejícímu světlo.

Dosavadní stav techniky

Měření posunutí jsou důležitá v mnoha výrobních operacích,· zejména těch operací, které se týkají regulace se zpětnou - vazbou. . Optické ,. snímače jsou zvláště užitečné pro průmyslová nastavení, protože mohou provádět bezkontaktní měření a jsou relativně necitlivé na elektrické a magnetické rušení.

V současnosti existuje mnoho typů optických snímačů pro pevná zařízení,. které stanovují přítomnost terče,’to jest detekce předmětu, nebo přímou vzdálenost k terči, to jest měření .vzdálenosti. Níže uvedené patenty popisují některé z s-' · J těchto druhů optických snímačů. ' . '

US-patent č. 4,865,443 (Howe a, kol.) popisuje optický snímač pro měření posunutí, který používá inverzní kvadratický útlum světla doraženého od difúzního povrchu, aby vypočítal,., v podstatě přímo, vzdálenost mezi dorážejícím povrchem a snímačem. Tento snímač'zahrnuje dva ko - lineárně namontované snímače světla, upravené tak, že jejich, konce jsou v různých vzdálenost od vzdáleného reflexního 'terče, a laser nebo zdroj kolimovaného světla. Tento snímač může pouze stanovit vzdálenost, když je terč umístěn v podstatě v přímce se snímačem.

US patent č. 5, 056, 913 (Tanaka a kol·.)' popisuje optický snímač využívající světelných zdrojů upravených tak, aby měly optické charakteristiky proměnné jako funkci vzdálenosti od terče. tato' vzdálenost se mění buď prostřednictvím fyzického namontování světelných zdrojů do různých míst nebo prostřednictvím manipulace světelného paprsku --ze· světelného .. zdroj.e čočkami .nebo díchroickými zrcadly. Tento' snímač je užitečný pouze pro' stanovení přímých vzdáleností.

US patenty č. 5,196, 689 (Sugita a kol.) popisuje zařízení pro' detekci předmětů, u kterého jsou dva nebo více snímačů ' světla umístěny tak, že se částečně . přesahuj.!, aby vytvořily oblasti pro detekci předmětu. Kónický', tvar oblastí detekce .světla je rozdělen na části. Každá část reprezentuje oblast, ve které jiný snímač nebo sada '.snímačů .detekuje světlo. Poloha předmětu je stanovena prostřednictvím identifikace toho, ve které.části, uvnitř celkové detekční oblasti, je ' předmět umístěn'. Toto . detekční zařízení je schopné pouze stanovit, ve které oblasti se předmět objevuje, a není schopné stanovit jakoukoliv specifickou polohu uvnitř oblasti.

Existuje ještě jeden typ optického snímače, který je známý pro vytvoření proměnné signálové výstupní, úrovně, která indikuje' procento z celého .reflektoru, které je v daném okamžiku zacloněno. Tento snímač je využíván pro.monitorování účinné centrální polohy terče, když proměnný, rozsah terče je omezen na jednu, .nebo druhou, z hran šedesáti stupňové aktivní dopředně sledovací oblasti snímače. Tak je jeden detektor velmi .citlivý na změny v jeho světelném zdroji a rovněž zajišťuje velmi omezený údaj o reálném přímém umístění. Existují, také pohybující se nebo rotující laserové snímače, které opticky měří úhel k terči. Všechny optické snímače až doposud nemohou měřit úhel a/nebo příčnou. polohu optického terče s využitím pevné, nebo nerotující, sestavy .snímačů.

Podstata vynálezu :

, J

Je tedy cílem předkládaného'vynálezu'vytvořit optický · snímač, který je schopen měřit .úhlovou polohu terče,vzhledem : k centrální ose Optického ^snímače·:·· . ' ··.· .....t -' i,.. .Dalším ...cílem předkládaného,,.,..vynálezu .je vytvořit optické snímač, ; který .je schopen stanovit úhlovou polohu

1^..' terče .se zjednodušenou sestavou, která nevyžaduje, vynikající' optické vlastnosti nebo mechanickou přesnost.

. Ještě dalším cílem předkládaného vynálezu je vytvořit /optický snímač, který je schopen stanovit úhlovou polohu, terče,, a který eliminuje závislost na odrazových-vlastnostech ' ’.'· ' ' '· - . · ' ¹ ... . , ' . . '. a trvalé svítivosti těrce. ...

A ještě dalším cílem předkládaného. vynálezu . je navrhnout způsob . stanovení úhlu., terče- vzhledem k . centrální ose snímací .oblasti .zařízení, a -stanovení vzdálenosti buď ' -. terče oď centrální osy nebo. od snímače- při znalosti druhé z,' ' .' * nich. ,

Předkládaný'vynález se tedy. .týká zařízeni a způsobu pro optické snímání a stanoveníúhlové. polohy terče. Zařízení, zahrnuje dvojici optických snímačů upravených tak, že alespoň část jejich citlivých .oblastí se překrývá. Jejich', ti překrývající se oblasti definují celkovou snímací, nebo aktivní snímací, oblastzařízení. Každý z optických snímačů v zařízení snímá světlo, nebo jiný opticky snímatelný přenos, . buď vyslané nebo odražené od terče, umístěného uvnitř celkové snímací oblasti, a vytváří signál úměrný množství snímaného . světla. Tyto signály jsou potom interpretovány pro stanovení -úhlové, polohy terče na základě relativních signálů z optických snímačů.' .

Způsob podle'předkládaného·'vynáiezu-stanovuje -úhlovou polohu terče uvnitř oblasti,' definované překrývajícími- se citlivýmioblastmi dvojice optických snímačů, prostřednictvím interpretování, relativních intenzity signálů z .této .dvojice ’ i optických snímačů. Jakmile.· jé stanovena-' úhlová· poloha, '-může . být vypočítána vzdálenost '.'terče· od osy' buď. kolmé -k nebo paralelní' k centrální ose. pole snímačů, pokud .je známá, druhá vzdálenost. ' ··, ,V následujícím popisu- budou popsána některá výhodná provedení' předkládaného vyriále-zu ve . spojení s odkazy - na • ¹ í ’ připojené výkr-esý. .- · . ,-/..

Přehled Obrázků' na výkresech., ,

Obr.l je nárys sestavy optických snímačů podle ' předkládaného 'vynálezu,·. ‘

Obr.2 je diagram ilustrující, princip snímání polohy.

terče . prostřednictvím- -sestavy- snímačů, znázorněné na obr. 1;

Obr.3 je' diagram ilustrující dvě charakteristické křivky citlivosti a kruhovou .křivku citlivosti pro optické snímače, které mohou '

.

být použity v sestavě optických snímačů podle předkládaného vynálezu.

Příklady provedení vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje optické snímací zařízení 10 zahrnující první optický snímač.12, druhý optický snímač 14, filtr 16, sady světelných emitorů 18(a-d), a procesor 8.

. První a druhý optický snímač 12 a 14 jsou infračervené fotodiody, ale mohou být použity jakákoliv jiná' opticky citlivá zařízení vhodná pro tento účel. Přestože optické snímače mohou mít. různé konstrukce, je výhodné, aby měly v ' podstatě stejné citlivosti. ·* - ·· -..... · - - -... ...·...; Každý.· optický , snímač.. 12. a 14-^.má.. konečnou .citlivou i ..',· oblast a citlivost, která se mění jako funkce úhlového směru snímaného světla.. Citlivost snímače může být charakterizována tvarem křivky citlivosti jako funkce úhlu posunutí světelného zdroje. Optické snímače. mající ,křivky citlivosti 31 a 32' s , charakteristickým. tvarem listu' růže nebo tvaru srdce·...(viz ...obr. 3: , jsou poměrně , běžné : a...pracují ' velmi dobře- ·v

J předkládaném ý. vynálezu.·' Obr. . f^;3··.' znázorňuje' . tyto charakteristické křivky citlivosti.., a . také dokonale kruhovou křivku 32 citlivosti.

Opťické snímače 12 a 14 jsou umístěny tak,'· že se jejich citlivé oblasti překrývají.·. Překrývající se .oblast definuje celkovou snímací oblast, 22 zařízení, - viz obr. 2.

• ' ' - , · z

Protože' intenzita vysílaného- světla . se· mění, jako funkce vzdálenosti,' .je výhodné uspořádání; optických snímačů 12 a 14 .takové, že jsou umístěny bezprostředně vzájemně vedle sebe, ‘ i . ' takže jsou ekvidistantriě umístěny od terče 20. V.e výhodném, provedení předkládaného vynálezu jsou optické snímače namontovány vzájemně k sobě přiléhající na opačných stranách centrální osy 24 celkové snímací oblasti zařízení.. Přestože relativní úhlová .poloha optických snímačů závisí na jejich charakteristických křivkách citlivosti a' podmínkách použití, je výhodný úhel pro optický snímač s křivkou srdcového typu *

podle výhodného provedení přibližně 90°, přičemž každý snímač je výhodně skloněn s úhlem přibližně 45° směrem ven od centrální .osy. celkové snímací oblasti zařízení, viz obr. 2. .Toto. výhodné provedení zajišťuje_ celkovou snímací oblast, která pokrývá 45°. po každé straně centrální osy. S centrální osou 26 (a-b)' každého optického snímače vystupující směrem ven -pod úhlem 4.5° je definována · celková- snímací' oblast '22 ó . velikosti. 90°_x

Optické' snímací zařízení může být případně,· vybaveno

LS světelnými' emitory. 18(a-d) . Výhodným světelným emitorem je infračervená LED dioda, - ale' může to být. jakýkoliv typ· opticky citlivého snitoru, včetně emitoru ultrafialového nebo viditelného světla. Světelné' emitory jsou vybrány tak;.' aby .’ byly' kompatibilní' s optickými snímači 12 a 14-.

' ' ' ' ' .. ^: «··. ' ' '· - ' ' '·;

\ -Světelný'“zdroj, nébo světelné emitory 18'(a-dj / může ' být namontován v těsné blízkosti optických snímačů 12 a 14 . . uvnitř optického snímacího zařízení 10. Výhodně' bude vysílané světlo z jakéhokolivsvěte-lného' zdroje, namontovaného uvnitř sestavy optického ' snímacího zařízení, izolované.,' -například použitím oddělovačů, od optických snímačů tak, aby snímače neviděly přenášené světlo dokud se neodrazí zpět. V tomto¹ uspořádání, bude terčem 20 reflektor. Může být použit . jakýkoliv druh reflektoru, který je vhodný pro tento účel'.

Výhodně' bude reflektorem, plochý retro' reflektor nebo reflektor válcového nebo kulového typu, přičemž . odražené světlo je vysíláno spět směrem ke snímači paralelně vzhledem ke světlu dopadajícímu na reflektor ze světelného zdroje.

. Alternativně může terč zahrnovat světelné emitory nebo světelné emitory mohou svítit na terč z jiného místa -než je umístěna sestava optického snímacího zařízení.

20'

Velikost a síla (nebo množství) světelného zdroje (nebo světelných emítorů) je závislá na použití. Bez ohledu na to, zda světlo je odrážené nebo vysílané na snímače, by intenzita----světla- na snímaěích· měla být dostatečná pro zajištění přijatelného poměru signálu k šumu pro ' jakoukoliv polohu terče·uvnitř snímací oblasti, přičemž zároveň-není tak veliká, aby saturovala kterýkoliv ze snímačů. .

Zařízení zahrnující . dva optické'’ snímače 'mající' dokonale-kruhový - tvar křiv.ek citlivosti, viz obr. 2 a obr..'3, zajišťuje jednoduchý. prostředek pro trigonometrické vyřešení úhlu, terče na základe relativních signálů ze snímačů, viz níže. Přestože optické snímače mající dokonale .kruhový tvar křivky 32 'citlivosti nejsou-tak běžné jako některé'jiné typy, snímač magici .například srdcový tvar křivky 31 »citlivosti může- být .upraven-na přibližně ' dokonale kruhový tvar křivky. 32 citlivosti prostřednictvím filtrů,· čoček a/nebo, podobně. Ve .výhodném provedení předkládaného . vynálezu^; mají optické snímače . srdcový ' tvar křivek 31 citlivosti a jsou výhodně namontovány ve vybrání' 28 uvnitř montážního' bloku 30, takže světlo _rv krajních koncích .citlivých '.oblastí snímačů je oddělené od snímače. To umožňuje,, aby -křivky' citlivosti .ve 180° oblasti pohledu směrem dopředu tvořily přibližně kruh, čímž se zjednodušuje výpočet pro stanovení úhlové polohy terče z relativních.signálů.· ',

S výhodným optickým snímacím zařízením 10, jak je znázorněno na obr. 1 a popsáno výše, může být trigonometricky vypočítána úhlová poloha Θ terče vzhledem k centrální ose 24, nebo nulovému stupni, celkové snímací oblasti 22, viz obr. 2.

Terč 20 v celkové snímací oblasti 22, nebo aktivní oblasti, zařízení .odráží určitou intenzitu světla 1' zpět na zařízení 10. Intenzita’A. a B světla na příslušných optických snímačích 12 a 14 - -uvnitř· zařízení generuje signál s velikostí odpovídající...úhlu..posunutí (a respektive . β), , který terč 20 svírá s odpovídající centrální osou 26 (a-b) každého z optických snímačů... Výstupní signály uvedených dvou optických

snímačů mohou být matematicky	vyjádřeny následovně:
~ Velikost.-.signálu‘A v .1,	-'A=‘ I 'cos-ía-k .....
. Velikost'signálu B:	B = I*cos.(E)
i kde
a = 45-Θ v a.	β =,. 45+Θ ' ’
.'. potom:	* Φ
•, A = I’COS-(45-0)'. ' a	B = I:*cos (45+Θ)
Nyní podle' Cosinova zákona o součtu úhlů:

A = .I*cos(45-Θ) = I-cos(45)*cos(Θ)+I»sin(45)-sin(O) B = Icos(45+θ) = I«cos(45)*cos(θ)-I*sin(45)*sin(Θ)

Dělení rozdílu A a B součtem A a B může být úhel Theta ' (Θ)” · zjištěn prostřednictvím jeho tangenty následovně:

A - B = I*cos (45)*cos(Θ)+I*sin{45)»sin(Θ) I*cos (45)*cos(θ)-I-sin(45)*sin(θ)

A + Β = I‘cos(45)*cos(θ)+1*sin(45)*sin(Θ) +

I»cos(45)*cos(Θ)-I*sin(45)«sin (Θ) (A-B) / (A+B) = (·2 ·Ι·£!ίη (45) *sín (Θ) ) / .(2*I*cos(45)«cos(G)) .·, . -á. ...... . 'i\ .· . · ¹ i ... .... . 2

Protože sin(45)·' = cos(45) = 1//2':

(A-B)'/(A+B) = .sin(Θ)/cos (Θ) = tan(G) ' nebo ' . ······.

^v i ·

.. (Θ) = arctan (A-B) / (A+B)· .·· ' . \ . .. .-·-'· ··· ' ' .

20, ·' · ' ··· , Jakmile je tangenta úhlu' Theta, - zjištěna· může být vyřešena příčná posunutá vzdálenost +X os ' centrální osy celkové - snímací oblasti zařízení pro· v rozměru . Y, vzdálenosti k dráze terče od optických snímačů (viz obr. 2), ' ' , následovně:

X = Y»tan(G) kde: tan(G) = X/Y

Pro optické snímače mající různí křivky citlivosti mohou být úhlová poloha a posunutá vzdálenost podobně stanoveny a vyřešeny použitím vhodné funkce pro odpovídající křivky optických snímačů. Úhlová poloha terče může být stanovena z relativních signálů z optického snímače jakýmkoliv jiným dalším 'vhodným způsobem včetně empiricky odvozené pravdivostní tabulky.

Je noho použití optického snímače podle předkládaného vynálezu.. Například- by ^!tento •op-tíc-ký snímač mohl .být umístěn na běžné 'vozidlo bez.řidiče, aby umožnil tomuto vozidlu,bez řidiče sledovat .· terč upevněný na zavěšeném, dopravníku, na kterém kříží,· horizontální a lineární směr. Jak., se terč pohybuje“ snímá-optický’·, snímač· tento· pohyb*·a · generuje -signál odpovídající / úhlu '' posunuti /mezi centrální osou optického snímače . a ’ polohou ' terče. .Protože ' terč se pohybuje horizontálně a lineárně je vzdálenost mezi podlahou, na které se vozidlo bez řidiče· a tudíž optický snímač pohybuje/ a terčem pevná.. Proto, jakmile je stanoven·úhel posunutí polohy terče, .může. býc,vyřešena -absolutní posunutá vzdálenost a vozidlo , bez „řidiče ' se „může· posunout;' tak, aby udrželo, požadovanou, nebo centrální, polohu vzhledem k terči.

.Optické- snímací zařízení podle . předkládaného vynálezu,· použité na vo·,židle bez řidiče způsobem popsaným výše generuje signály vzhledem k úhlu posunutí polohy, terče podobně jako signály, úhlu posunutí generované snímacími cívkami drátově vedených,vozidel bez řidiče podle US patentu č.'. 5,434,781 stejného._p přihlašovatele, který je do tohoto popisu začleněn pro účely odkazu. Podle toho by tedy mělo být zřejmé, že optický' snímač podle předkládaného vynálezu může být snadno zaměněn za snímací cívkové zařízení, aby přeměnil drátově vedené vozidlo bez řidiče na opticky vedené vozidlo bez řidiče.

Sestava optických snímačů podle předkládaného vynálezu může být vybavena čočkami, filtry nebo podobnými prvky. Zařízení podle obr. 1 zahrnuje filtr 16, který chrám snímače před prachem a dalšími fyzickými rušivými vlivy, zatímco umožňuje průchod infračerveného světla. Zařízení může rovněž zahrnovat procesor 3_ pro přijímání signálů z optických snímačů a., stanovení 'úhlové 'polohy terče. Procesor může být integrální součástí zařízení 10 nebo může být částí kusu vybavení, například vozidla bez řidiče, ke kterému je. optický snímač upevněn. Procesorem může být jakýkoliv typ procesoru, vhodný pro' tento účel,' včetně^- mikroprocesoru- nebo skupiny vzájemně propojených diskrétních integrovaných obvodů.

' 15

Zastupuje :

v ·« · · · · « * · « · • · · · ··· • 9 · · · ·· «· • · 9« • · « • · » · » ·* ·« *

Claims (10)

1. PATE. NTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro detekci polohy objektů, v yznačující se tím, že zahrnuje:

   sestavu optických snímačů, mající celkovou snímací oblast (22) s centrální osou (24) zahrnující první optický snímač (12) mající první snímací oblast, druhý. . optický snímač, (14) mající .. druhou snímací oblast, .'přičemž první a druhá snímací oblast se překrývají pro vytvoření celkové' snímací oblasti (22), a prostředky pro stanovení úhlové, polohy terče (20) uvnitř celkové' snímací oblasti (22) na základě' relativních¹ signálů přijatých do prvního a druhého snímače (12,

   14 .) .. ' r. .

   i z
2. 2. .Zařízení podle nároku 1, vyznačuj.ic í . s e tím,· že centrální osa (26a) první snímací oblasti a centrální osa (26b) druhé snímači oblasti jsou neparalelní. , . í’ _fc _ .
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující .se tím, že snímače (12, 14) jsou uspořádány na opačných stranách centrální osy- (24) celkové snímací oblasti (22).
4. 4; Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že. centrální osa (26a, 26b) každé první a druhé snímací oblasti svírá v podstatě stejný úhel s centrální osou (24) celkové snímací oblasti (22).
5. 5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se t . í m , že první a druhý snímač (12, 14) mají citlivé strany nasměrovány směrem k ose kolmé k centrální ose (24) celkové snímací oblasti (22).

   ♦ · · • 4 « · 4 • · ·· 4 4 · • 4 · φ 4 • · * · 4 4 • · 4 4 4

   4* 44· 444 44

   - 13
6. 6. Zařízení podle nároku 1, vyznačují cí se tím, že úhlová poloha, terče (20) je stanovena vzhledem k centrální ose (24) celkové snímací oblasti (22).
7. 7. Zařízení podle nároku 1, vyznačují c í se tím, že první a druhý snímač (12, 14) jsou citlivé na stejný druh optických signálů.
8. 8. Zařízení podle nároku 1, vyznačují cí, se tím, že první a druhý snímač (12, 14) mají v podstatě stejné charakteristiky ..citlivosti ......
9. 9.' Zařízení podle nároku' I, ' vy’z cí se tím, že sestava snímače alespoň jeden světelný emitor (18).

   n a ' č u j í’ dále zahrnuje
10. 10. Zařízení podle nároku 5, '-vyznačují , $ c í se , t í m , že sestava snímače dále zahrnuje alespoň -jeden světelný .zdroj,, přičemž tento světelný zdroj emituje světlo směrem k ose kolmé vzhledem k centrální o.se ,(24) celkové snímací oblasti (22).. ’ ' ' *