PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA MEDICION OPTOELECTRONICA DE DISTANCIA SIN CONTACTO CONFORME AL PRINCIPIO DE TIEMPO DE TRANSITO.
Procedimiento para la medición optoelectrónica de distancia sin contacto conforme al principio de tiempo de tránsito,
en el que una distancia de un objeto (14) a una unidad de sensor (10) es determinada a partir de una diferencia temporal entre una señal de inicio (L3) y una señal de eco (L5), que es derivada de un pulso óptico de medición (15) reflejado por el objeto (14), con lo que para la determinación de la diferencia temporal se realizan los siguientes pasos:
a) a través de la comparación de la señal de inicio (L3) y la señal de eco (L5) con un reloj digital (80) se obtiene un valor digital en bruto (S10),
b) con ayuda de, al menos, dos interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) se determina una diferencia temporal de inicio entre la señal de inicio (L3) y el comienzo del valor digital en bruto (S10) así como una diferencia temporal final entre la señal de eco y el final del valor digital en bruto (S10),
c) a los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) se suministran, en cada caso, señales analógicas que corresponden a la diferencia temporal de inicio o a la diferencia temporal final y estas se transforman en una diferencia temporal de inicio digital o una diferencia temporal final digital,
caracterizado porque para la calibración automática de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) se realiza una pluralidad de mediciones de la diferencia temporal entre una señal de inicio (L3) y una señal de eco (L5) de acuerdo a los pasos a) hasta c), con lo que los intervalos de tiempo a medir no presentan una correlación de fases con el reloj digital y donde, asumiendo una distribución uniforme para la probabilidad con la que se miden valores en un determinado intervalo de valores para la diferencia temporal de inicio y la diferencia temporal final, se calculan correcciones para no-linealidades y/o derivas de las características de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69)
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E06013854.
Solicitante: PEPPERL + FUCHS GMBH.
Nacionalidad solicitante: Alemania.
Dirección: KONIGSBERGER ALLEE 87,68307 MANNHEIM.
Inventor/es: SATZKY,UWE, TABEL,ERNST.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 4 de Julio de 2006.
Fecha Concesión Europea: 25 de Noviembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- G01S17/10C
- G01S7/486 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01S LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION; DETERMINACION DE LA DISTANCIA O DE LA VELOCIDAD MEDIANTE EL USO DE ONDAS DE RADIO; LOCALIZACION O DETECCION DE PRESENCIA MEDIANTE EL USO DE LA REFLEXION O RERRADIACION DE ONDAS DE RADIO; DISPOSICIONES ANALOGAS QUE UTILIZAN OTRAS ONDAS. › G01S 7/00 Detalles de sistemas según los grupos G01S 13/00, G01S 15/00, G01S 17/00. › Receptores.
- G01S7/497 G01S 7/00 […] › Medios para monitorización o calibración.
Clasificación PCT:
- G01S17/10 G01S […] › G01S 17/00 Sistemas que utilizan la reflexión o rerradiación de ondas electromagnéticas que no sean ondas de radio, p. ej. sistemas lidar. › que utilizan la transmisión de ondas discontinuas moduladas por pulsos (determinación de la distancia mediante mediciones de fase G01S 17/32).
- G01S7/486 G01S 7/00 […] › Receptores.
- G01S7/497 G01S 7/00 […] › Medios para monitorización o calibración.
Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.
Fragmento de la descripción:
Procedimiento y dispositivo para la medición optoelectrónica de distancia sin contacto conforme al principio de tiempo de tránsito.
La presente invención hace referencia, en un primer aspecto, a un procedimiento para la medición optoelectrónica de distancia sin contacto conforme al principio de tiempo de tránsito de acuerdo al concepto genérico de la reivindicación 1.
En un segundo aspecto, la presente invención hace referencia a un dispositivo para la medición optoelectrónica de distancia sin contacto conforme al principio de tiempo de tránsito de acuerdo al concepto genérico de la reivindicación 13.
Sensores optoelectrónicos para la medición de distancia sin contacto se dividen, de acuerdo al procedimiento utilizado, en diferentes categorías.
Una primera posibilidad para medir distancias de manera muy precisa consiste en medir la transición de fase de una onda emitida y recibida. En el caso de este procedimiento, un diodo láser emite ondas sinusoidales. A través de la comparación de la transición de fase de la onda emitida con la transición de fase la onda recibida se puede determinar la distancia.
En cambio, en el caso de procedimientos de tiempo de tránsito de pulsos, una fuente luminosa emite pulsos cortos. A través de la medición del tiempo de tránsito entre la emisión del pulso y la determinación de la luz reflejada se puede determinar la distancia del objeto reflector. La presente invención hace referencia a este procedimiento.
En un procedimiento, conforme a este tipo, la determinación de una distancia de un objeto a una unidad de sensor a partir de una diferencia temporal entre una señal de inicio y una señal de eco, que es derivada de un pulso óptico de medición reflejado por el objeto. Para la determinación de la diferencia temporal se realizan los siguientes pasos: a) a través de la comparación de la señal de inicio y la señal de eco con un reloj digital se obtiene un valor digital en bruto; b) con ayuda de, al menos, dos interpoladores de precisión se determina una diferencia temporal de inicio entre la señal de inicio y el comienzo del valor digital en bruto, así como una diferencia temporal final entre la señal de eco y el final del valor digital en bruto; c) a los interpoladores de precisión se suministran, en cada caso, señales analógicas que corresponden a la diferencia temporal de inicio o a la diferencia temporal final y estas se transforman en una diferencia temporal de inicio digital o una diferencia temporal final digital.
Un dispositivo de este tipo presenta una unidad de sensor con, al menos, una fuente luz para la emisión de pulsos luminosos y un detector para la determinación de pulsos luminosos, con lo que una distancia de un objeto a la unidad de sensor se puede determinar a partir de una diferencia temporal entre una señal de inicio y una señal de eco, que es derivada de un pulso óptico de medición reflejado por el objeto. Además, el dispositivo conforme a la clase contiene una unidad de medición de tiempo para determinar la diferencia temporal, que presenta los siguientes componentes: un reloj digital para determinar un valor en bruto digital a partir de una señal de inicio y una señal de eco, al menos, dos interpoladores de precisión para determinar una diferencia temporal de inicio entre la señal de inicio y el comienzo del valor digital en bruto y una diferencia temporal final entre la señal de eco y el final del valor digital en bruto para lo cual se convierten las señales analógicas correspondientes a la diferencia temporal de inicio o a la diferencia temporal final en una diferencia temporal de inicio digital o una diferencia temporal final digital.
Procedimientos y dispositivos de este tipo se implementan, por ejemplo, en la técnica de almacenamiento y transporte para el posicionamiento de aparatos de control de estanterías, pero también en una pluralidad de otras aplicaciones en el área de la automatización industrial.
Un procedimiento y un dispositivo para la medición de tiempo de alta resolución aquí implementada se describen en la CH 631 860 G.
Un problema general en el caso de la implementación de interpoladores de precisión consiste en que los componentes necesarios para la conversión de las señales analógicas en valores digitales siempre presentan no-linealidades y además se encuentran sometidos a derivas, por ejemplo derivas de temperatura y envejecimiento. Estos mecanismos tienen un efecto directo en la exactitud de medición conseguida para el resultado final. Mientras más alta es la exigencia de precisión realizada a este tipo de componentes, más altos son en general los costes de estos elementos de construcción.
La DE 198 30 684 C1 hace referencia a un dispositivo optoelectrónico para la determinación de la distancia de objetos a través del procedimiento del tiempo de tránsito del pulso. En este caso, la idea básica es determinar, para cada uno de una pluralidad de pulsos emisores de luz, a través de la valoración de la secuencia de valores de muestreo en la unidad de control obtenida de la correspondiente señal de recepción, el tiempo de tránsito del pulso emisor de luz, y a partir de este, calcular un valor de distancia. Para ello se determina en cada caso, a partir de los valores de muestreo obtenidos de una señal de recepción, el valor máximo de la amplitud de la señal de recepción. El retardo temporal de este valor máximo frente al pulso emisor de luz da como resultado el tiempo de tránsito del pulso emisor de luz y, con ello, la distancia.
La US 2005/0119846 A1 hace referencia a un método de calibración de aparatos de medición de tiempo. Allí se utiliza un método estadístico para la calibración de interpoladores de precisión que se basa en pulsos separados y artificiales producidos para ello.
La DE 197 04 340 A1 también hace referencia a un distanciómetro de acuerdo al principio de tiempo de tránsito de la luz, con lo que, en este caso, no se describe una calibración de interpoladores de precisión.
La DE 197 03 633 A1 hace referencia a un procedimiento de medición para la determinación de un intervalo temporal entre dos eventos en el que se utilizan interpoladores de precisión.
Es objeto de la presente invención, crear un procedimiento y un dispositivo del tipo arriba mencionado con el que se pueda aumentar la exactitud de medición.
Este objeto es resuelto por el procedimiento con las características de la reivindicación 1 y por el dispositivo con las características de la reivindicación 13.
Variantes preferentes del procedimiento conforme a la invención y ejemplos de ejecución ventajosos del dispositivo conforme a la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.
Conforme a la invención, el procedimiento del tipo arriba mencionado se encuentra perfeccionado porque para la calibración automática de los interpoladores de precisión se realiza una pluralidad de mediciones de acuerdo a los pasos a) hasta c) y porque, asumiendo una distribución uniforme para la probabilidad, con la que se miden valores en un determinado intervalo de valores para la diferencia temporal de inicio y la diferencia temporal final, se calculan correcciones para no-linealidades y/o derivas de las características de los interpoladores de precisión.
Conforme a la invención, el dispositivo del tipo arriba mencionado se encuentra perfeccionado porque para la calibración automática de los interpoladores de precisión se encuentra previsto un ordenador, que sobre la base de una pluralidad de mediciones de diferencias temporales realiza una valoración estadística y, asumiendo una distribución uniforme para la probabilidad, con la que se miden valores en un determinado intervalo de valores para la diferencia temporal de inicio y la diferencia temporal final, calcula correcciones para no-linealidades y/o derivas de los interpoladores de precisión.
La invención conforme a la invención es especialmente adecuada para la ejecución del procedimiento conforme a la invención.
Como primera idea básica de la presente invención se puede considerar el conocimiento, que a partir de una probabilidad determinada, con la que aparecen determinados valores para la diferencia temporal de inicio o la diferencia temporal final, más precisamente una misma probabilidad a lo largo de un intervalo de valor determinado, y a partir de una medición de las frecuencias, con las que aparecen los valores de interpoladores de precisión correspondientes, en principio se puede deducir la característica con la que se realiza...
Reivindicaciones:
1. Procedimiento para la medición optoelectrónica de distancia sin contacto conforme al principio de tiempo de tránsito, en el que una distancia de un objeto (14) a una unidad de sensor (10) es determinada a partir de una diferencia temporal entre una señal de inicio (L3) y una señal de eco (L5), que es derivada de un pulso óptico de medición (15) reflejado por el objeto (14), con lo que para la determinación de la diferencia temporal se realizan los siguientes pasos:
- a) a través de la comparación de la señal de inicio (L3) y la señal de eco (L5) con un reloj digital (80) se obtiene un valor digital en bruto (S10),
- b) con ayuda de, al menos, dos interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) se determina una diferencia temporal de inicio entre la señal de inicio (L3) y el comienzo del valor digital en bruto (S10) así como una diferencia temporal final entre la señal de eco y el final del valor digital en bruto (S10),
- c) a los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) se suministran, en cada caso, señales analógicas que corresponden a la diferencia temporal de inicio o a la diferencia temporal final y estas se transforman en una diferencia temporal de inicio digital o una diferencia temporal final digital,
caracterizado porque para la calibración automática de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) se realiza una pluralidad de mediciones de la diferencia temporal entre una señal de inicio (L3) y una señal de eco (L5) de acuerdo a los pasos a) hasta c), con lo que los intervalos de tiempo a medir no presentan una correlación de fases con el reloj digital y donde, asumiendo una distribución uniforme para la probabilidad con la que se miden valores en un determinado intervalo de valores para la diferencia temporal de inicio y la diferencia temporal final, se calculan correcciones para no-linealidades y/o derivas de las características de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69).
2. Procedimiento conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque se mide una distancia de referencia, y para ello se conducen pulsos de referencia (36) a través de una trayectoria de referencia óptica.
3. Procedimiento conforme a la reivindicación 2, caracterizado porque los pulsos de referencia (36) se determinan con el mismo detector (20) que los pulsos de eco (30).
4. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los anchos de pulso de las señales de inicio (L3), las señales de eco (L5) y/o de las señales de referencia (L5) se compensan.
5. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque para la corrección de los valores del interpolador de precisión (FI) se forma una suma (S) de las frecuencias (H) con las que aparecen valores individuales del interpolador de precisión (FI), y que se obtienen valores del interpolador de precisión corregidos (FI') y para ello se divide la suma (S) por una constante.
6. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque en total se implementan cuatro interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69).
7. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque para la determinación del valor en bruto digital (S10) el conteo solamente se realiza a partir de un segundo flanco de onda del reloj (80) que sucede a un evento disparador.
8. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la señal de inicio (L3) es derivada de una electrónica de control de una fuente de luz (12) de la unidad de sensor.
9. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque antes de iniciar una operación de medición real se confeccionan tablas para la compensación de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) y/o para la compensación de pulsos.
10. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque durante la operación de medición se realiza una lectura continua de una tabla para la compensación de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69).
11. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque para los valores de medición se realiza la formación de un valor medio dinámico.
12. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 5 a 11, caracterizado porque la división se realiza por una constante y para ello se elimina un determinado número de "bits menos significativos".
13. Dispositivo para la medición optoelectrónica de distancia sin contacto conforme al principio de tiempo de tránsito, especialmente para la ejecución del procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 12, con una unidad de sensor (10) con, al menos, una fuente de luz (12) para emitir pulsos luminosos (13) y un detector (20) para determinar pulsos luminosos (13), con lo que una distancia de un objeto (14) a la unidad de sensor (10) se puede determinar a partir de una diferencia temporal entre una señal de inicio (L3) y una señal de eco (L5), que es derivada de un pulso óptico de medición (15) reflejado por el objeto (14), y con un dispositivo de medición de tiempo (40) para determinar la diferencia temporal, que presente los siguientes componentes:
caracterizado porque para la calibración automática de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) existe un procesador computacional (70), que sobre la base de una pluralidad de mediciones de la diferencia temporal entre una señal de inicio (L3) y una señal de eco (L5), que es derivada de un pulso óptico de medición (15) reflejado por el objeto (14), realiza una valoración estadística, con lo que los intervalos de tiempo a medir no presentan una correlación de fases con el reloj digital y
con lo que el procesador computacional (70), asumiendo una distribución uniforme para la probabilidad con la que se miden valores en un determinado intervalo de valores para la diferencia temporal de inicio y la diferencia temporal final, calcula correcciones para no-linealidades y/o derivas de los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69).
14. Dispositivo conforme a la reivindicación 13, caracterizado porque existe un dispositivo (48) para dividir los pulsos luminosos (13) en, respectivamente, un pulso de medición (15) y un pulso de referencia (36) y
porque existe una óptica de medición (18, 22) para conducir los pulsos de medición (15) hacia el objeto (14) y para conducir los pulsos de medición (15) reflejados por el objeto (14) como pulsos de eco (30) sobre el detector (20),
porque existe una óptica de referencia (27) para conducir los pulsos de referencia (36) en dirección al detector (20), con lo que una trayectoria óptica de los pulsos de referencia (36) es más corta o más larga, al menos en una trayectoria de desplazamiento del pulso, que una trayectoria óptica de los pulsos de medición (15), y
porque el detector (20) sirve para determinar alternadamente de manera cuantitativa tanto los pulsos de eco (30) como también los pulsos de referencia (36).
15. Dispositivo conforme a la reivindicación 14, caracterizado porque en la trayectoria del haz de los pulsos de eco (30) se encuentra dispuesto un atenuador de pulsos controlable (50) para la atenuación específica de los pulsos de eco (30), de manera que la magnitud de estos se pueda comparar con los pulsos de referencia (36).
16. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque los interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69) presentan, en cada caso, una TAC y un ADC.
17. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque la TAC es un elemento de RC.
18. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque en total existen cuatro interpoladores de precisión (66, 67, 68, 69).
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