Zeitreferenzierter Dreharm

Der zeitreferenzierte Dreharm bildet die Basis des 4-D Kalibriersystems zur Bestimmung von Verzögerungszeiten einzelner Messgrößen in Bezug zum messungsauslösenden Zeitpunkt. Geeignet ist der Dreharm für kinematisch optische Messsysteme wie z.B. Robottachymeter, Lasertracker oder iGPS.

Technische Realisierung

Der Dreharm selbst weist eine gesamte Länge von ca. 2 m und eine mechanisch stabile Konstruktion auf. Die Rotation ist in einer horizontalen und vertikalen Ebene, sowie in schrittweisen Ebenen dazwischen möglich. Am Ende des Arms ist eine drehbare Halterung für einen Reflektor oder Sensor vorhanden, die durch ein auf der gegenüberliegenden Seite entsprechendes Gegengewicht ergänzt wird. Der Antrieb des Dreharms besteht aus einem rotativen Direktantrieb mit einem intergrierten Encoder. Für die Positionsbestimmung wurde eine Kalibrierung des Direktantriebs durchgeführt und je nach räumlicher Position des Dreharms, eine Funktion für die Biegung des Arms berücksichtigt.

Die Ansteuerung des Dreharms erfolgt über einen echtzeitfähigen Servo Motion Controller, der durch seine Leistungsfähigkeit und Rechengeschwindigkeit komplexe Bewegungsabläufe ermöglicht und vor allem zu der Postions- und Geschwindigkeitsregelung dient. Die zeitliche Referenzierung ist ebenfalls in Echtzeit gelöst und die Kommunikation zwischen Dreharm und Prüfling erfolgt über einen externen Trigger oder eine serielle Schnittstelle.

Die folgende Skizze zeigt den Aufbau des 4-D Kalibriersystems mit dem Dreharm und der Erweiterung durch die Doppelrotation am Beispiel eines Robottachymeters. Schematisch angedeutet ist die Ansteuerung durch den Servo Motion Controller (PMAC) und die zeitliche Referenzierung bei einer seriellen Schnittstelle über FPGA und Pegelwandler.

schwenkbarer Dreharm schematische Darstellung 4-D Kalbiriersystem mit Robottachymeter als Prüfling

Kinematische Modellierung

Für die Bestimmung der Verzögerungszeiten bedarf es für jedes Messsystem einer geeigneten Modellbildung, die das Messverfahren berücksichtigt. Entwickelt wurde ein polares Modell, ein 3-D-Vorwärtsschnitt-Modell und ein 3-D-Bogenschlag-Modell.

Der Grundgedanke für die Erstellung eines Modells basiert auf der Annahme, dass jede Messgröße eines Prüflings zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen wird und auf diese Weise einer eindeutigen raumzeitlichen Position am Dreharm zugeordnet werden kann. Durch die bekannte Winkelgeschwindigkeit des Dreharms ist ein Rückschluss auf die zugehörige Zeit möglich und durch die Zeitreferenzierung ergibt sich die Verzögerungszeit, immer in Relation zum messungsauslösenden Zeitpunkt. Die Modellbildung muss so gestaltet sein, dass sie nur eine einzige Unbekannte enthält, nämlich die Verzögerungszeit bzw. den Drehwinkel des Dreharms.

Besonders geeignet für diese Modellierung ist die Quaternionen Algebra. Eine Quaternion enthält in ihrer trigonometrischen Form einen einzelnen Drehwinkel. Ein Vorteil der Quaternionen ist die effiziente Verkettung mehrerer Rotationen miteinander. Eine benötigte Koordniatentransformation vom Koordinatensystem des Dreharms in das Koordinatensystem des Prüflings, erfolgt ebenfalls auf der Basis der Quaternionen Algebra. Die einzelne Messgröße eines Prüflings wird am Ende als Funktion in Abhängigkeit des Drehwinkels am Dreharm ausgedrückt, wobei dieser Drehwinkel dann dem Zeitpunkt der Messwertentstehung entspricht. Die Lösung einer solchen nichtlinearen Gleichung erfolgt numerisch über das Newton Verfahren.

Dreharm - Clip

Mitschnitt der Messung eines Leica Absolute Trackers™ auf den mit einem Reflektor ausgestatteten Dreharm bei hoher Geschwindigkeit.

Literatur

Depenthal C.

Entwicklung eines zeitreferenzierten 4-D-Kalibrier- und Prüfsystems für kinematische optische Messsysteme.

München, Bayer. Akademie d. Wissenschaften, Deutsche Geodätische Kommission (DGK), Reihe C, Heft-Nr. 627. 2009.

zur Internetveröffentlichung

Depenthal C.

A Time-referenced 4D Calibration System for Kinematic Optical Measuring Systems.

Ingensand, H., Stempfhuber, W. (Hrsg.): Proceedings 1st International Conference on Machine Control & Guidance, June 24-26, 2008, ETH Zurich, Switzerland, S. 41-49.

(Artikel als PDF)

Depenthal, C. / Barth, M.

Zur Leistungsfähigkeit eines zeitreferenzierten Dreharms als Prüfmittel für 4D-Messsysteme in Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Allgemeine Vermessungsnachrichten (AVN), Heft 7/2007, S. 244-249.

(Artikel als PDF)

Ansprechpartner:

Arbeitsgruppe:

Dipl.-Ing. Christoph Herrmann

Dipl.-Ing. Thomas Ulrich

Michael Barth