DE4324381A1 - Optischer Positionsgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Positionsgeber zur Bestimmung der Längen- oder Winkellage eines Körpers anhand der Auswertung einer Strichcodespur. Der Positionsgeber ist aufgrund seiner hohen Auflösung und Redundanz insbesondere für Bereiche mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen (z. B. Kfz-Technik, Luft- und Raumfahrt, Bauindustrie etc.) geeignet.

Bei hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Positionsgebern werden über­ wiegend digitale Systeme eingesetzt. In bekannten digitalen Systemen führen Bit­ fehler häufig zu falschen Positionsangaben. Für die eindeutige Erkennung von 2ⁿ Positionen werden üblicherweise n Lichtschranken und n Codespuren benötigt. Die Lichtschranken, die im allgemeinen aus einer Lumineszenzdiode, einem Foto­ transistor und dazwischen liegenden Blenden bestehen, sind entweder in Reihe oder um eine oder mehrere Perioden des Codemusters in Bewegungsrichtung versetzt an­ geordnet. Häufig wird ein einschrittiger Code, z. B. der Gray-Code, beim Übergang von einer Position zur nächsten verwendet, wobei sich von einer Position zur benachbarten immer nur ein Bit ändern darf.

Bei Verwendung einer Codescheibe mit n Spuren und n Schranken beträgt die Auf­ lösung 2 ⁿ. Die Auflösung wird dabei stets vom kleinsten Modul des Codemusters bestimmt, Zwischenpositionen können nicht erfaßt werden.

Um die zuverlässige Positionserkennung auch bei Fehlern in der Codespur zu ge­ währleisten, ist in der DE-OS 40 24 983 eine Methode zur Erkennung von Fehlern offenbart. Diese benutzt eine Feinstrukturierung des Codeträgers in den Feldern (Modulen) geringer Transmission zur Überwachung der Funktionsfähigkeit der Lichtschranken. Es könnte auch die Verschmutzung eines Moduls geringer Trans­ mission als Fehlerquelle erkannt werden. Eine (teilweise) Verschmutzung eines Moduls hoher Transmission führt jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit zu keiner Fehlersignalausgabe, jedoch zur Bestimmung einer falschen Position.

In der DE-OS 38 33 115 ist eine Lösung angegeben, bei der Positionen durch lo­ gische Verknüpfungen von positiven und negativen Beugungsordnungen ermittelt werden. Dazu wird von einer Gitterspur mit einheitlicher Gitterkonstanten, aber unterschiedlichem Verhältnis von lichtsperrenden und -durchlässigen Abschnitten das Licht aus mehreren Beugungslichtstrahlen aufgenommen. Damit wird zwar der Aufwand an Codespuren und Lichtschranken verringert, jedoch können Fehler in den Codespuren nur bei Bewegung des Codeträgers und fehlerfreien Nachbar­ bereichen erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Bestimmung der Längen- oder Winkellage eines Körpers anzugeben, die bei auftretenden Fehlern in der Codespurabtastung, bedingt durch Kontamination, Triggerpegelschwankungen, Intensitätsschwankungen der Lichtquelle oder elektrische Störimpulse, die richtige Position des Körpers zuverlässig ermittelt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem optischen Positionsgeber mit einem Codeträger, dessen Lage zu erfassen ist, einer optischen Lesevorrichtung zum Aus­ lesen eines erfaßten Codeträgerabschnittes, die eine Lichtquelle, eine Einrichtung zum Führen eines von der Lichtquelle erzeugten Strahlenbündels und eine Detek­ tionseinheit enthält, wobei die Detektionseinheit Empfängersignale binarisiert aus­ gibt, dadurch gelöst, daß der Codeträger eine Strichcodespur aufweist, bei der Ele­ mente mit binär unterschiedlichem Reflexions- oder Transmissionsvermögen orts­ abhängige Codemuster darstellen, die eineindeutig einem Ort des Codeträgers zu­ geordnet sind, daß die Elemente der Strichcodespur jeweils ein ganzzahliges Viel­ faches der Modulbreite eines elementaren Moduls sind, daß die Detektionseinheit mindestens eine Empfängerzeile enthält, die in Bewegungsrichtung der Strichcode­ spur angeordnet ist, daß ein innerhalb des erfaßten Codeträgerabschnittes liegendes Codemuster derart auf die Empfängerzeile abgebildet wird, daß das Abbild jedes be­ sagten Moduls in seiner Modulbreite mehrere Empfängerelemente überdeckt und mindestens im Mittel eines durch die Empfängergeometrie vorgegebenen Zeilen­ raster übereinstimmt, daß Mittel zum Verschieben des Codemusters relativ zum Zeilenraster der Empfängerzeile vorhanden sind, wobei die Verschiebung derart er­ folgt, daß das Zeilenraster wenigstens im Mittel mit den Binärübergängen des Codemusters zur Deckung gebracht wird, und daß die Detektionseinheit Mittel zum Vergleichen der von der Empfängerzeile erfaßten, binarisierten Codemuster mit den für sämtliche mögliche Codeträgerpositionen gespeicherten Bitmustern aufweist, wobei die Grundlage des Vergleichs ein Codespurabschnitt ist, der größer ist als ein Fenster aus dem Produkt von Modulbreite und einer zur eindeutigen Ortsbe­ stimmung notwendigen Anzahl von Modulen bei vorgegebener Zahl der Abtast­ schritte des Positionsgebers.

Eine vorteilhafte Gestaltung der Detektionseinheit baut darauf auf, daß die Code­ muster des erfaßten Codespurabschnittes so abgebildet werden, daß die Empfänger­ zeile in zahlenmäßig gleiche, überlappungsfrei angeordnete Empfängergruppen ein­ geteilt ist, die das Zeilenraster der Empfängerzeile darstellen und in ihrer Größe der Breite eines abgebildeten Moduls entsprechen, wobei der Durchschnitt der Bitzu­ stände innerhalb jeder Empfängergruppe den Ausschlag für die Bewertung des be­ troffenen Moduls des Codemusters gibt.

Zweckmäßig beinhalten die Mittel zum Verschieben des Codemusters bezüglich des Zeilenrasters ein der Empfängerzeile und einer Binarisierungseinrichtung nachge­ ordnetes Schieberegister, wobei das binarisierte Codemuster dem Schieberegister zugeführt und in diesem gegenüber dem vorgegebenen, mit dem Zeilenraster korrespondierenden Datenabgriff um die durchschnittliche Differenz der Zustands­ übergänge des Codemusters bezüglich der Grenzen der Empfängergruppen, maximal um die Hälfte der abgebildeten Modulbreite, verschoben wird. Die Erfassung der Größe der durchgeführten Verschiebung erfolgt vorzugsweise durch einen Zähler, wobei dem Zählvorgang die Taktfrequenz der Empfängerzeile zugrunde gelegt wird. Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Mittel zum Verschieben - in diesem Fall des Zeilenrasters bezüglich des Codemusters - enthält einen Zähler zum Zählen der empfängertaktsynchronen Bitzustände bis zur ersten Änderung des Bitzustandes, dem ein Ablagespeicher zur Speicherung der Abweichung des Codemusters vom Zeilenraster folgt, wobei der Zähler mit der Änderung des Bitzustandes zurückge­ setzt wird und der Ablagespeicher über mindestens einen weiteren Zähler bei abwei­ chenden Ablagen nachfolgender Bitzustandsänderungen korrigierbar ist.

Die Mittel zum Vergleichen sind zweckmäßig so ausgelegt, daß als Vergleichsbasis jeweils ein definiertes Fenster des ausgelesenen Codemusters mit einer Fensterbreite von F = k · P M verwendet wird, wobei M die elementare Modulbreite, P die Anzahl der zur eindeutigen Positionszuordnung erforderlichen Module je Abtastschritt und k eine Konstante sind, sowie Speichermittel und Komparatoren zum Vergleichen des Fensters mit allen gespeicherten Bitmustern, soweit a-priori-Informationen über die vorherige Position des Positionsgebers fehlen. Ist die Position aus den voran­ gegangenen Abtastschritten bekannt, werden nur Bitmuster im maximalen Schritt­ bereich des Positionsgebers zum Vergleich herangezogen. Es erweist sich als zweckmäßig, daß die Mittel zum Vergleichen eine vorgeschaltete erste Stufe enthal­ ten, die aus zwei gleichwertigen Teilen auf Basis der Auswertung zweier benach­ barter, gleichgroßer Teilfenster zusammengesetzt ist, wobei jedes Teilfenster eine Breite von P · M (mit der Modulbreite M und der Anzahl P der für die eineindeutige Positionszuordnung erforderlichen Module je Abtastschritt) aufweist und einzeln Gegenstand des Vergleichs mit den gespeicherten Bitmustern ist. Diese erste Stufe des Vergleichens wird je nach dem Ergebnis des Vergleichs unterschiedlich ver­ knüpft. Bei Fehlerfreiheit, d. h. bei einer im Abstand der Teilfenster (P · M) benach­ barten Position der ausgewerteten Codemuster beider Teilfenster, werden Mittel zur Ausgabe der auf eine gemeinsame Bezugskante (z. B. die Mitte des gesamten Fensters) bezogene Position aktiviert, und bei Fehlerhaftigkeit, d. h. nicht korrespon­ dierender Positionsbestimmung in den Teilfenstern, besteht eine Umschaltmöglich­ keit zum Vergleich der erweiterten Fensterbreite F = k P M mit k < 2. Jede Erhö­ hung von k bedeutet jeweils eine weitere Vergleichsstufe mit größerem Fenster und eine höhere Redundanz. Man kann eine erhöhte Redundanz aber auch bei gering­ fügig kleinerem Fenster mit k≲2 (z. B. k = 1,8 bei P = 10) erreichen. Die Größe der Teilfenster betrüge dann 9 M, ihr Einzelvergleich mit den gespeicherten Bitmustern würde jedoch wegen der Unterschreitung der minimalen Fensterbreite (10 M) sehr hohe Ansprüche an die generierte Strichcodespur stellen, so daß nur der Vergleich des Gesamtfensters sinnvoll ist. Die effiziente Größe von k hängt in entscheidendem Maße von der Anzahl der Abtastschritte des Positionsgebers und der maximal zu­ lässigen Fehlerzahl im Fenster, bei der die Position noch sicher erkannt wird, ab. Beide Faktoren bestimmen auch die speziell zu generierenden Strichcodespur, die wiederum die minimale Fensterbreite vorschreibt, mit der bei fehlerfreier Abtastung der Ort des Positionsgebers eindeutig bestimmbar ist.

Für die Organisation der Speicher zum Vergleich der Codemuster mit den gespei­ cherten Bitmustern ergeben sich zwei vorteilhafte Varianten. Einerseits ist es zweckmäßig, für jeden möglichen Abtastschritt in der Schrittweite von einem Modul das gesamte im jeweiligen Teilfenster ablesbare Codemuster als Bitmuster auf der entsprechenden Positionsadresse zu speichern. Andererseits erweist es sich bei zu­ nehmender Anzahl der Abtastschritte als sinnvoll, daß für jeden möglichen Abtastschritt nur der Wert des ersten Moduls des ausgelesenen Teilfensters auf der jeweiligen Positionsadresse abgelegt ist und für den Fenstervergleich die folgenden P Adressen mit deren Einzelwert gleichzeitig abfragbar sind.

Die Grundidee der Erfindung basiert auf der Überlegung, daß bei Vorliegen einer eineindeutigen Ortszuordnung der Codemuster einer Strichcodespur die Auflösung und der Verfahrbereich eines Positionsgebers über die Größe des Abtastfensters be­ liebig gesteigert werden kann, solange es gelingt, die Strichcodespur bei Abtast­ schritten in der Größe eines Moduls für die entsprechende Fenstergröße ohne Wie­ derholung von Codemustern zu gestalten. Eine steigende Anzahl von Abtastschritten (Positionen) wird dabei zunehmend die binären kombinatorischen Möglichkeiten be­ schränken. Für die Fenstergröße sind jedoch weiterhin die theoretisch möglichen 2^P Kombinationen als Codemuster maßgebend. Aus dem Exponenten P und der ele­ mentaren Modulbreite der Strichcodespur ergibt sich die minimale Fenstergröße, die ein signifikantes Codemuster ausmacht. Der erfindungsgemäße Einsatz einer Empfängerzeile ermöglicht sowohl die hochgenaue Aufnahme des Codemusters als auch die Erweiterung der Fenstergröße auf ein Mehrfaches der minimalen Fenster­ größe, wodurch jeweils Abtastfelder unterdrückt werden und die Redundanz der Positionsauswertung zunimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Positionsgeber ist es möglich, eine zuverlässige Positionsbestimmung anhand nur einer Strichcodespur zu erreichen, wobei auf­ tretende Abtastfelder - hervorgerufen durch Kontamination der Strichcodespur, Triggerpegelschwankungen der Detektionseinheit, Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, elektrische Störimpulse etc. - die Positionsauswertung kaum beein­ flussen. Insbesondere bei einer Kontamination der Strichcodespur - als häufigste Fehlerquelle - kann bei Bedarf die Fehlerfeststellung durch die Auswertung von Teilfenstern zur Ausgabe einer entsprechenden Fehlermeldung genutzt werden.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur geeigneten Aufnahme einer Strichcodespur,

Fig. 2 eine faseroptische Ausgestaltung des Positionsgebers,

Fig. 3 die Gestaltungsmerkmale des Strichcodes und die Wahl der Größe der Fenster,

Fig 4 eine von der Empfängerzeile gelieferte Abtastung eines Strichcodeab­ schnittes mit den Folgeschritten Digitalisierung und elektronische Verschie­ bung des Zeilenrasters,

Fig. 5 eine Ausführungsvariante der Detektionseinheit zur Realisierung von Rasterverschiebung und Vergleich,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung des Fenstervergleichs zur Positionsermittlung bei Vorliegen eines Fehlers.

Der erfindungsgemäße Positionsgeber besteht in seinem Grundaufbau aus einer Lichtquelle, einer Einrichtung zum Führen des Beleuchtungsstrahles 2, einer Detek­ tionseinheit mit Empfängerzeile 5, sowie einem Codeträger 3, dessen Position zu erfassen ist. Während die bestimmenden Elemente, wie Codeträger 3 und Detektionseinheit relativ unveränderlich sind, sind die Art der Führung des Beleuch­ tungsstrahles und der Lichtquelle weitgehend variabel und vornehmlich durch den Verwendungszweck des Positionsgebers geprägt.

Einen Positionsgeber für große Maßstabslängen (< 1 Meter) zeigt Fig. 1 in bezug auf die Einrichtung zum Führen des Beleuchtungsstrahles 2, die in diesem Fall aus einem Kollektor 21 vor und einer Abbildungsoptik 22 hinter dem Codeträger 3 zur Abbildung der Codeträgerinformation auf eine Empfängerzeile 5 besteht. Mittels einer der Abbildungsoptik 22 zugeordneten Öffnungsblende 23 werden Abbildungs­ fehler reduziert.

Eine andersartige Lösung für die Führung des Beleuchtungsstrahles 2 und Auslesung des Codeträgers 3 zeigt Fig. 2. Diese Variante eignet sich insbesondere für hohe Anforderungen an Genauigkeit, Redundanz und Unanfälligkeit gegen verschiedenste Störungen, wie sie beispielsweise in Luft- und Raumfahrt gestellt werden. Hier er­ folgt die Führung des Lichtes der LED 1 in einer optischen Faser 24 zu einem als Abtaster ausgelegten Glasblockgitter 25, das in Reflexion den Codeträger 3 ausliest und dazu ein Gitter 27 auf einer gewölbten Oberfläche enthält. Das Licht wird vom Gitter 27 spektral zerlegt, am Codeträger 3 reflektiert und danach vom Gitter 27 zu­ sammengesetzt, um mittels einer weiteren Faser 24 auf ein identisch aufgebautes Glasblockgitter 26 geleitet zu werden. Das Gitter 27 dieses Glasblockgitters 26 zer­ legt das ankommende Licht erneut und projiziert somit ein Abbild der Codeträgerin­ formation auf die Empfängerzeile 5.

Für den Codeträger 3, der im Beispiel vorzugsweise stets linear angeordnet und translatorisch beweglich dargestellt ist, sind jedoch auch gekrümmte Strichcode­ spuren 4 auf kreisförmigen Codeträgern 3 geeignet. Die Empfängerzeile 5 ist dann tangential zur Bewegungsrichtung anzubringen.

Die erfindungsgemäße Auswertung der mittels der Empfängerzeile 5 aufgenomme­ nen Abbilder der Codeträgerinformation soll im folgenden anhand von Fig. 3, 4 und 5 erläutert werden. Fig. 3 zeigt dazu die auf dem Codeträger 3 befindliche Strich­ codespur 4, die aus Elementen 42 mit binär unterschiedlichem Transmissions- bzw. Reflexionsvermögen besteht. Die Elemente 42 basieren auf einem elementaren Modul 41, d. h. jedes Element 42 der Strichcodespur 4 ist ein ganzzahliges Viel­ faches der Modulbreite M. Die Besonderheit der Strichcodespur 4 besteht erfin­ dungsgemäß in ihrer eineindeutigen Zuordnung von Codemuster 43 und Ort auf dem Codeträger 3, d. h. das im Abstand von einem Modul 41(= minimale Schrittweite bzw. maximale Positioniergenauigkeit) fortgesetzte Codemuster 43 unterscheidet sich von allen anderen Codemustern 43 um mindestens ein Bit. Um diesen Sach­ verhalt realisieren zu können, ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen Maß­ stabslänge (maximaler Abtastweg des Positionsgebers) und gewünschter Positio­ niergenauigkeit (Auflösung) einerseits sowie der minimalen Größe des Abtast­ fensters andererseits herzustellen. Um beispielsweise bei einer Maßstabslänge von einem Meter eine gewünschte Auflösung des Positionsgebers von 1 mm zu er­ reichen, sind mindestens 2¹⁰ verschiedene Kombinationen von Modulen 41 mit der Bitbelegung L oder 0 notwendig. Diese Voraussetzung erfordert die Festlegung der minimalen Größe eines Abtastfensters, in die der Exponent zur Basis 2 und die Modulbreite M eines Moduls 41 eingehen, um einen Ort auf dem Codeträger 3 an­ hand des betrachteten Codemusters 43 eindeutig zu erkennen.

Diese minimale Fenstergröße geht in den erfindungsgemäßen Positionsgeber vor­ zugsweise über die Definition von Teilfenstern 61 bzw. 62 ein, die jeweils die Teil­ fensterbreite F₁ = F₂ = P · M aufweisen. Zur Erkennung und Bereinigung von Bit­ fehlern bei der Auslesung der Codemuster 43 entlang der Codespur 4 werden min­ destens zwei Teilfenster 61 und 62 dem Vergleich mit im Speicher 7 gespeicherten Bitmustern 72 zugrunde gelegt. Dadurch kann zuverlässig ein im gesamten Fenster 6 enthaltener Fehler bemerkt und korrigiert werden, wenn die Fensterbreite F = F₁ + F₂ = k · P M mit k = 2 ist. Für jede (rationale) Konstante k < 2 kann die zulässige Fehlerzahl im Fenster größer sein. Für k ist aus Gründen der einfachen Strichcodeerzeugung und der genauen optischen Abbildung der Bereich 2 k 4 sinnvoll. Es ist aber für kurze Maßstäbe mit geringen Auflösungs- und nicht allzu hohen Redudanzanforderungen möglich, k auch geringfügig kleiner als zwei zu wählen, beispielsweise k = 1,8. Dabei ist die erste Vergleichsstufe mit den zwei Teilfenstern 61, 62 nahezu wirkungslos, da die minimale Fensterbreite F = P M unterschritten wird. Der Gesamtvergleich des Fensters 6 erweist sich jedoch ggf. als ausreichend redundant. Diese Aussage ist bei geeigneter Gestaltung der Strichcodespur 4 (z. B. jedes Codemuster 43 unterscheidet sich um mehr als ein Bit von jedem anderen) sogar soweit erweiterbar, daß genügende Redundanz auch bereits bei Überschreitung der minimalen Fensterbreite F = P M um mehr als eine Modulbreite M erreicht wird. Für die gängigen Anwendungen, die eine hohe Redundanz erfordern, wird die Konstante k bei k 2 richtig anzusetzen sein.

Eine weitere Maßnahme, um den Einfluß von Bitfehlern bei der Abtastung einzu­ schränken, ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäßen dinglichen Voraussetzungen liegen in der Wahl der Abbildungsbedingungen der Strichcodespur 4 auf die Empfängerzeile 5. Dabei wird jeder erfaßte Codespurabschnitt so abge­ bildet, daß das Abbild eines elementaren Moduls 41 mit der Modulbreite M mehrere Empfängerelemente überdeckt und mindestens im Mittel mit einem durch die Empfängergeometrie vorgegebenen Zeilenraster 51 übereinstimmt. Das Zeilenraster 51 wird zweckmäßig durch die Einteilung der Empfängerzeile 5 in Empfänger­ gruppen 52 angepaßt, wobei die Empfängergruppen 52 die gleiche Anzahl von Empfängerelementen aufweisen und überlappungsfrei angeordnet sind. Das so ent­ standene Zeilenraster 51, gebildet durch die Grenzen der Empfängergruppen 52, ist in Fig. 4 dem binarisierten Signalverlauf aus der Empfängerzeile 5 unterlegt. Die Empfängergruppen 52 beinhalten in diesem Beispiel zehn Empfängerelemente.

Fig. 4 zeigt im oberen Teil einen typischen Signalverlauf bei einer Auslesung der Empfängerzeile 5. Die Einführung einer Schwelle 53 bei der Binarisierung der Signalfolge in der Binarisierungseinrichtung 54 z. B. mittels eines Komparators mit der festen Schwelle 53, unterdrückt die Einflüsse von Inhomogenitäten der Empfind­ lichkeit der Empfängerelemente und des Transmissions-/Reflexionsvermögens der Elemente 42 der Codespur 4. Im Ergebnis der Schwellbewertung steht die zweite Signalfolge von Fig. 4 als binäres Codemuster 43 zur Verfügung, wobei zu erkennen ist, daß das Codemuster 43 sich nicht mit dem aus rein geometrischen Gesichts­ punkten der Empfängerzeile 5 festgelegten Zeilenraster 51 deckt. Zur Behebung die­ ses Mangels erfolgt, wie Fig. 5 zu entnehmen ist, eine elektronische Verschiebung der Signalfolge mittels eines Schieberegisters 55 solange, bis die größte durch­ schnittliche Übereinstimmung mit dem Zeilenraster 51 besteht und in den Zwischen­ speicher 58 übernommen wird, wobei der Zähler 56 jeweils die Lagen der 0/L-Über­ gänge in den Empfängergruppen 52 ermittelt, die (gemittelt) die Größe der Ver­ schiebung angeben.

Verschiebt man das Zeilenraster 51 gegenüber dem Codemuster 43 kann das Schieberegister 55 entfallen, da der Zähler 56 explizit die Empfängerzeilentakte bis zum ersten 0/L- oder L/0-Übergang des Codemusters 43 zählt, in einem Ablage­ speicher speichert und dann zurückgesetzt wird (damit er wieder die Module aus­ zählt). Der Ablagespeicher ist dabei durch einen weiteren Zähler, der die späteren Bitübergänge auszählt (bezüglich des Zeilenrasters 51), korrigierbar.

Die Verschiebung im Schieberegister 55 erfolgt stets um maximal ± ½ Modulbreite M. Mit dieser Verschiebung, die zwingend erforderlich ist, um Bitfehler in den Empfängergruppen 52 bei der Bestimmung des Bitzustandes der Module 41 der Strichcodespur 4 zu vermeiden, können gemäß Fig. 5 sowohl die Module 41 und Elemente 42 exakt ausgezählt als auch Zwischenpositionen (< M) mittels Zähler 56 genau interpoliert werden. Der Zähler 57 nimmt danach die Anzahl der Bitzustände (L oder 0) auf und ordnet den zum Zeilenraster 51 konform liegenden Empfänger­ gruppen 52 den jeweils überwiegenden Bitzustand zu. Der Inhalt des Zwischen­ speichers 58, der in Fig. 4 durch die dritte (unterste) Signalfolge dargestellt ist, wird anschließend in Form des bereits oben erwähnten Fensters 6 mit den Bitmustern 72 aus dem Speicher 7 in einem Komparator 8 verglichen. Bei entsprechender Über­ einstimmung, die weiter unten noch erläutert wird, gibt eine Positionsausgabeeinheit 9 die ermittelte Position an.

In Fig. 6 wird nochmals die Funktionsweise des Fenstervergleichs näher beleuchtet. Um den Vergleichsaufwand zu minimieren, der sinnvollerweise auf dem Vergleich des minimal notwendigen Fensters (Teilfenster 61, 62) basiert, werden in einer ersten Vergleichsstufe zunächst die Teilfenster 61 und 62 getrennt mit den gespei­ cherten Bitmustern 72 verglichen und bei "Übereinstimmung" (d. h. bei einem Ver­ satz der Positionsadressen 71 um die Anzahl P [in Fig. 6: P = 6]) der Vergleichs­ vorgang abgebrochen.

Fig. 6 zeigt jedoch den Negativfall, wenn die Positionsadressen 71 nicht "benachbart" (um P = 6) sind.

In diesem Fall ergeben sich zwei Positionsadressen 71 aus dem Speicher 7, die nicht, wie oben angegeben, zueinander "benachbart" sind, sondern die Positionsadressen m und n (n ≠ m + P) aufweisen. Somit wird ein Fehler bemerkt, der eine zweite Ver­ gleichsstufe initiiert, bei der das gesamte Fenster 6 der Fensterbreite F = F₁ + F₂ = 2 P M (hier: F = 12 M mit k = 2 und P = 6) mit jeweils zwei aufeinanderfolgenden Bitmustern 72 gleicher Größe verglichen wird. Dabei finden sich im Speicher 7 an den zuvor schon ermittelten Positionsadressen m und n in der Regel an einer der Positionen weniger Übereinstimmungen zwischen den Codemustern 43 des Fensters 6 und den gespeicherten Bitmustern 72 als an der anderen Position, so daß die Bitmuster 72 mit der größeren Übereinstimmung die richtige Position des Positionsgebers ergeben. Sollte - was ein seltener Fall ist - dem fehlerfreien Teilfenster 62 als Anschlußbitmuster aus der Zuordnung des fehlerhaften Teilfensters 61 ein Bitmuster 72 auf der Positionsadresse n + 6 zugeordnet werden, das sich um nur ein einziges Bit vom Bitmuster 72 auf der Positionsadresse m + 6 unterscheidet, so muß - weil beide Positionsadressen n und m sich von dem in der Fensterbreite F = 2 P M enthaltenen Codemuster 43 ebenfalls um ein Bit unterscheiden - die Fensterbreite F erweitert werden und ein dritter Vergleichsprozeß einsetzen oder die Position mit Hilfe von a-priori-Informationen aus der letzten Positionsbestimmung und der Kenntnis der maximalen Verfahrgeschwindigkeit des Positionsgebers seit der letzten Positionsbestimmung ermittelt werden.

Eine erweiterte Fensterbreite F = k P M mit k < 2 ist dann unumgänglich, wenn die mögliche Fehlerdichte bei der Abtastung der Strichcodespur 4 größer als ein Fehler in der Fensterbreite F = 2P M ist. Das mit dem Codemuster 43 die größte Überein­ stimmung aufweisende Bitmuster 72 gibt dabei wiederum die richtige Positions­ adresse 71 wieder. Auch hier gilt der Grundsatz, daß ein Vergleich mit allen gespei­ cherten Bitmustern 72 nur dann notwendig ist, wenn Informationen über die letzte Position und die Verfahrgeschwindigkeit des Positionsgebers nicht vorliegen.

Bezugszeichenliste

1 LED
2 Einrichtung zum Führen des Beleuchtungsstrahles
21 Kollektor
22 Abbildungsoptik
23 Öffnungsblende
24 Faser
25 Glasblockgitter
26 Glasblockgitter
26 Glasblockgitter
27 Gitter
3 Codeträger
41 Modul
42 Elemente
43 Codemuster
5 Empfängerzeile
51 Zeilenraster
52 Empfängergruppen
53 Schwelle
54 Binarisierungseinrichtung
55 Schieberegister
56 Zähler
57 Zähler
58 Zwischenspeicher
6 Fenster
61 Teilfenster
62 Teilfenster
7 Speichermittel
71 Positionsadressen
72 gespeichertes Bitmuster
8 Komparator
9 Positionsausgabeeinheit
F Fensterbreite
F₁ Teilfensterbreite
F₂ Teilfensterbreite
k Konstante
M Modulbreite
P Anzahl (von Modulen, die zur eindeutigen Ortsbestimmung notwendig sind)

Claims (11)

1. Optischer Positionsgeber mit einem Codeträger, dessen Lage zu erfassen ist, einer optischen Lesevorrichtung zum Auslesen eines erfaßten Codeträger­ abschnittes, die eine Lichtquelle, eine Einrichtung zum Führen eines von der Lichtquelle erzeugten Strahlenbündels und eine Detektionseinheit enthält, wobei die Detektionseinheit Empfängersignale binarisiert ausgibt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) der Codeträger (3) eine Strichcodespur (4) aufweist, bei der Elemente (42) mit binär unterschiedlichem Reflexions- oder Transmissionsvermögen orts­ abhängige Codemuster (43) darstellen, die eineindeutig einem Ort des Code­ trägers (3) zugeordnet sind,
• b) die Elemente (42) der Strichcodespur (4) jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Modulbreite (M) eines elementaren Moduls (41) sind,
• c) die Detektionseinheit mindestens eine Empfängerzeile (5) enthält, die in Be­ wegungsrichtung der Strichcodespur (4) angeordnet ist,
• d) ein innerhalb des erfaßten Codeträgerabschnittes liegendes Codemuster (43) derart auf die Empfängerzeile (5) abgebildet wird, daß das Abbild jedes be­ sagten Moduls (41) in seiner Modulbreite (M) mehrere Empfängerelemente überdeckt und mindestens im Mittel eines durch die Empfängergeometrie vorgegebenen Zeilenraster (51) übereinstimmt,
• e) Mittel zum Verschieben des Codemusters (43) relativ zum Zeilenraster (51) der Empfängerzeile (5) vorhanden sind, wobei die Verschiebung derart er­ folgt, daß das Zeilenraster (51) wenigstens im Mittel mit den Binärüber­ gängen des Codemusters (43) zur Deckung gebracht wird, und
• f) die Detektionseinheit Mittel zum Vergleichen der von der Empfängerzeile (5) erfaßten, binarisierten Codemuster (43) mit den für sämtliche mögliche Codeträgerpositionen gespeicherten Bitmustern (72) aufweist, wobei die Grundlage des Vergleichs ein Codespurabschnitt ist, der größer ist als ein Fenster (6) aus dem Produkt von Modulbreite (M)und einer zur eindeutigen Ortsbestimmung notwendigen Anzahl (P) von Modulen (41) bei vorgege­ bener Zahl der Abtastschritte des Positionsgebers.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerzeile (5) in zahlenmäßig gleiche, überlappungsfrei angeord­ nete Empfängergruppen (52) eingeteilt ist, die das Zeilenraster (51) der Empfän­ gerzeile (5) darstellen und in ihrer Größe der Breite eines abgebildeten Moduls (41) entsprechen, wobei der Durchschnitt der Bitzustände innerhalb jeder Empfängergruppe (52) den Ausschlag für die Bewertung des betroffenen Moduls (41) des Codemusters (43) gibt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verschieben des Codemusters (43) bezüglich des Zeilenrasters (51) ein der Empfängerzeile (5) und einer Binarisierungseinrichtung (54) nachgeordnetes Schieberegister (55) beinhalten, wobei das aus der Binarisierungseinrichtung (54) ausgegebene Codemuster (43) dem Schieberegister (55) zugeführt und in diesem gegenüber dem vorgegebenen, mit dem Zeilenraster (51) korrespondierenden Datenabgriff um die durchschnittliche Differenz der Zustandsübergänge des Codemusters (43) bezüglich der Grenzen der Empfängergruppen (52), maximal um ± ½ M, verschoben wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Größe der durchgeführten Verschiebung mindestens ein Zähler (56) vorgesehen ist, wobei dem Zähler (56) die empfängertaktsynchrone Bitfolge der Empfängerzeile (5) zugrunde gelegt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Zähler (57) zur Zählung der in jeder Empfängergruppe (52) auftretenden Bitzustände dem Schieberegister (55) zugeordnet ist, wobei ein Zwischenspeicher (58) zur Übernahme des mit dem Zeilenraster (51) korrespon­ dierenden Codemusters (43) nachgeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verschieben des Zeilenrasters (51) bezüglich des Code­ musters (43) einen Zähler (56) zur Zählung der empfängertaktsynchronen Bit­ zustände bis zur ersten Änderung des Bitzustandes enthält, dem ein Ablage­ speicher zur Speicherung der Ablage des Codemusters (43) gegenüber dem Zeilenraster (51) folgt, wobei der Zähler (56) bei Änderung des Bitzustandes zurückgesetzt wird und der Ablagespeicher über mindestens einen weiteren Zähler aufgrund abweichender Ablagen nachfolgender Bitzustandsänderungen korrigierbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vergleichen als Vergleichsbasis ein Fenster (6) des ausgelesenen Codemusters (43) mit einer Fensterbreite von F = k P M enthalten, wobei M die elementare Modulbreite, P die Anzahl der zur eindeutigen Positionszuordnung erforderlichen Module je Abtastschritt und k eine Konstante sind, sowie Speicher (7) und Komparatoren zum Vergleichen des Fensters (6) mit allen gespeicherten Bitmustern (72), soweit a-priori-Informationen über die vorherige Position des Positionsgebers fehlen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vergleichen eine vorgeschaltete erste Stufe enthalten, die aus zwei gleichwertigen Teilen auf Basis der Auswertung zweier benachbarter, gleichgroßer Teilfenster (61, 62) zusammengesetzt ist, wobei jedes Teilfenster (61, 62) eine Breite (F₁ , F₂) aufweist, die sich aus dem Produkt der elementaren Modulbreite (M)und der Anzahl (P) der zur eindeutigen Positionszuordnung je Abtastschritt erforderlichen Module (41) bestimmt, und einzeln mit den gespei­ cherten Bitmustern (72) verglichen wird, daß die besagte erste Stufe mit Mitteln zur Ausgabe der Positionsdaten in Verbindung steht, wenn für beide Teilfenster (61, 62) bei Fehlerfreiheit der betreffenden Codespurabschnitte eine bezüglich einer gemeinsamen Bezugskante übereinstimmende Position ermittelt wird, und daß die besagte erste Stufe eine Verbindungsmöglichkeit zu einer zweiten Stufe auf der Basis der erweiterten Fensterbreite (F) mit F = k P M bei k < 2 besitzt, wenn bei mangelnder Positionsübereinstimmung der Teilfenster (61, 62) infolge eines Fehlers in einem der Teilfenster (61, 62) die Positionsbestimmung unsicher ist, wobei die Erhöhung von k bei Unsicherheit infolge eines Fehlers jeweils die Aktivierung einer weiteren Vergleichsstufe bedeutet.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Bezugskante der Teilfenster (61, 62) und die Bezugskante der erweiterten Fensterbreite (F) jeweils die Mitte des gesamten Fensters (6) ist.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher für jeden möglichen Abtastschritt in der Schrittweite von einem Modul (41) das gesamte im Teilfenster (61, 62) ablesbare Codemuster (43) als Bitmuster (72) auf der jeweiligen Positionsadresse gespeichert haben.

11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Speichern (7) für jeden möglichen Abtastschritt in der Schrittweite von einem Modul (41) nur der Wert des ersten Moduls (41) auf der jeweiligen Positionsadresse (71) gespeichert sind und für den Fenstervergleich die folgen­ den k · P Positionsadressen (71) mit deren Einzelwerten gleichzeitig abfragbar sind.