Benutzer:Maximilian Wimmer/preped/Positionserfassung

Der Begriff Positionserfassung subsumiert die Methoden, Systeme, Vorgänge und Geräte in technischen Zusammenhängen, bei denen Abstände im Bezug auf einen vorgegebenen Bearbeitungsraum und in Anwendung eines Maßsystems ermittelt werden, um Ort und räumliche Lage eines Werkzeugs zu quantifizieren. Die Abstände sind dabei Längen und Winkel, letztere insbesondere zur Erfassung der Orientierung des Werkzeugs. Eine Abgrenzung gegen die sehr eng verwandten Begriffe Ortsbestimmung, Lokalisierung und Lokalisation folgt aus der Forderung an die Positionserfassung, dass die Referenzen als Maßverkörperungen ein immanenter Bestandteil des Systems sind.

Begriff

Hauptartikel: Geometrie

Die Positionserfassung dient dem Ziel, die Bewegungen eines Systems in demjenigen Raum zu regeln, der durch die Maßverkörperungen der Positionserfassung definiert wird. Im Unterschied dazu nennt man Messungen von Ort und Orientierung eines Körpers in Bezug auf eine Umgebung dieses Körpers Positionsbestimmung. Die Positionsbestimmung als Teilgebiet der angewandten Geometrie des Raumes war zugleich historische Wurzel und Motivation für die Entwicklung der Mathematik als Wissenschaft. Die Positionsbestimmung eines als Ganzes autonom beweglichen Roboters in deiner Umgebung heißt auch Lokalisierung. Lokalisation dagegen bezeichnet das Schließen auf den Ort einer Schallquelle auf der Basis der empfangenen Schallsignale.

Bezugssysteme

Hauptartikel: Bezugssystem

Eine Position wird stets im Rahmen eines Bezugssystems erfasst. Das jeweilige Bezugssystem legt wenigstens einen Referenzpunkt fest, relativ zu dem die Position vom Erfassungssystem durch Messung wenigstens eines Abstandes bestimmt wird. In ihrer generalisierten Bedeutung umfasst Technik auch die evolutionär erworbenen Fähigkeiten der Lebewesen. Die Technik des Sehens als Beispiel erfasst die Orte auf der Retina, an denen durch Lichtreize ausgelöste, chemische Reaktionen stattfinden. Die retinotope Organisation des Sehnervs aus Axonen der Photorezeptoren realisiert in diesem Beispiel die Positionserfassung. Der Bezugspunkt ist dabei ein Punkt der Fovea centralis, der als Ursprung eines Polarkoordinatensystems mit den Stützstellen Zapfen und Stäbchen interpretiert werden kann. Ein Beispiel für Positionserfassung nach dem eng gefassten Technik-Begriff, der zielgerichtetes Handeln eines Menschen bedeutet, ist die Ausstattung einer Bearbeitungsmaschine mit Messgeräten für Längen und/oder Winkel zur Kontrolle aller für die Bearbeitung relevanten Bewegungsabläufe der Maschinenteile. Auch in diesem Beispiel sind die Bezüge und Stützstellen als immanente Systemvorgaben, nämlich die Referenzmarken und Teilungen der Strichplatten der Encoder, verkörpert und definieren den Bearbeitungsraum. Die Lokalisation beim Hören hingegen beruht ausschließlich auf rechnerischer Auswertung gewichteter Laufzeitdifferenzen und relativer Signalstärken der Reize. Im akustischen Lokalisations-System existiert also keine immanente Maßverkörperung. In allen Anwendungen der Positionserfassung, der Positionsbestimmung und der Lokalisation erweist sich die Verwendung von Koordinatensystemen als Vorteil, durch den eine Abstraktion der Aufgabe, die ermittelten Positionen in reproduzierbare Beziehungen zueinander zu setzen, gelingt. Auf diese Weise können standardisierte Methoden verwendet werden, um notwendige Bewegungen abzuleiten, unabhängig von den Details der ursprünglichen Aufgabe und der eingesetzten Messmethoden. Die Wahl des jeweiligen Koordinatensystems legt die geforderten Messgrößen fest, die zu erheben sind, um die zu erfassende Position vollständig zu beschreiben.

• Polarkoordinaten erfordern die Festlegung eines Pols von dem aus bzw. in Bezug auf den mittels einer oder mehrerer Winkelmessungen eine Richtung relativ zu einer ebenfalls vorzugebenden Fixpunktgeraden festgestellt wird. Winkelmessgeräte liefern Messwerte, deren Bedeutung als Quotient der Länge des zugehörigen Kreisbogens zum Kreisumfang gleichen Durchmessers gegeben ist. Linear unabhängig von der Richtung liefert zusammen mit letzterer der Abstand zum Pol, festgestellt mittels einer Längenmessung, die Position.
• Kartesische Koordinaten erfordern die Festlegung eines Koordinatenursprungs, von dem aus oder in Bezug auf den die Position mittels einer oder bis zu drei Längenmessung(en) festgestellt wird.

Prozesse

Hauptartikel: Prozess

Prozesse definieren alles, was in der Welt wahrgenommen werden kann. Ein Stillleben als Ausdruck für das unbewegte Dasein wahrzunehmen, erfordert immense Mengen an Bewegung im Wahrnehmungsapparat des Rezipienten. Die Bewegung von Photonen, ihre Absorption durch Sehpigmente, die Transformation der Reize in den Rezeptorzellen und die Nervenströme bildende, gerichtete Bewegung der Elektronen sind notwendige Voraussetzungen für Wahrnehmung. Jede Information, die wir von der Welt erhalten können, erfordert spätestens während des Empfangs durch unsere Sinne, dass Materie in definierter Weise ihren Ort wechselt. Selbst, wenn man übersinnliche Wahrnehmung in die Betrachtung einschließen wollte, die Sinneszellen also ausklammerte, bleibt die neurologische Verarbeitung, die wir als Wahrnehmung bezeichnen, eine Prozesskette mit elektrischen Strömen. Diese Ströme werden durch Ionenpumpen der Zellen generiert. Die Verteilung der Orte, an denen sich etwa die Natriumionen aufhalten, ist wesentlich für die Frage, ob Gedanken im Gehirn verarbeitet werden und welche Gedanken das sind. Umgekehrt kann auch argumentiert werden, wir seien frei im Verfolgen von Gedanken, so dass die Gehirnströme, welche diese Gedanken repräsentieren, eben fließen, damit diese Gedanken gedacht werden. Ohne entscheiden zu müssen, was derzeit noch umstrittener Gegenstand in der Philosophie ist, bleibt die Gemeinsamkeit aller rationalen Modelle für Wahrnehmung, dass sie gekoppelt ist mit örtlichen Anordnungen von materiellen Teilchen. Ebenso Voraussetzung für Wahrnehmung ist die zeitliche Abfolge der Ortsänderungen. Wahrnehmung ist ein Prozess und damit das unmittelbare Erleben von Bewegung. Bewegung ist die Änderung der Position von Etwas im Laufe der Zeit. Voraussetzung für das Erkennen von Bewegung ist die Erfassung von Positionen zu bestimmten Zeiten. Im allgemeinsten Sinn bildet die Positionserfassung die fundamentale Grundlage jeder Wahrnehmung.

Anwendungen

• Navigation meint zunächst die Bestimmung des eigenen Standortes bezüglich des geographischen Koordinatensystems. Der Begriff wird auch allgemeiner und in unterschiedlichen Kontexten als Synonym für Positionserfassung verwendet, umfasst aber meistens auch diejenigen Vorgänge, welche sich einer Positionserfassung zur Korrektur der ermittelten Richtung oder des ermittelten Standortes anschließen (vgl. lat. navigare = steuern, lenken). Im Kontext der Navigation tritt die Bedeutung der Positionserfassung für den zielgerichtet Handelnden sehr deutlich in den Vordergrund: um ein Ziel erfolgreich anzusteuern, bedarf es der ständig aktuellen, möglichst präzisen Erfassung der eigenen Position wenigstens relativ zum angestrebten Ziel. In allen Prozessen, bei denen wir einen linearen Zusammenhang zwischen Start und Ziel unterstellen, ist es gleichwertig, ob die Startposition oder die Zielposition unscharf ist. Wer in solchen Systemen nicht weiß, wo er steht, der gleicht dem, der nicht weiß, wohin er will. Daraus ergibt sich, dass eine präzise Positionserfassung notwendige aber nicht hinreichende Voraussetzung für Prozess-Steuerung ist.
  • Die Erfassung der geografischen oder ekliptikalen Länge entspricht bei der Navigation in ihrem ursprünglichen Sinn jeweils einer Winkelmessung.
  • Das erste sehr präzise Werkzeug zur Positionserfassung mit dem Ziel, Schiffe zu steuern, ist der Sextant.
  • Im Kontext der Informationstechnologie meint Navigation die Steuerung von Programmabläufen mittels HID oder einem ähnlichen Gerät. Die Regeln für das Navigieren legt dabei eine Logik des Anwendungsprogramms in Software fest, welche Bestandteil eines Editors oder wenigstens eines Dateibetrachters ist.

• Landesvermessung erfasst für ein jeweils größeres, zusammenhängendes Gebiet der Erdoberfläche die Abstände und Richtungen zwischen markanten Vermessungspunkten. Jeder Vermarkung oder Abmarkung entspricht eine möglichst präzise Positionserfassung. Um die Ergebnisse einer Landvermessung zu konservieren und nachvollziehbar zu präsentieren dient die Kartographie. Zu den ältesten Zeugnissen der Landesvermessung zählen archäologische Funde aus der Türkei, Ägypten und Mesopotamien.

• Positionierung (Technik) meint diejenigen Vorgänge, welche einen Punkt (Referenz für eine Werkzeugspitze, eine LASER-Apertur, einen Sensor oder ähnliches) relativ zu einem zweiten Punkt oder einem Gebiet im Bearbeitungsraum in seiner Lage und/oder Orientierung verändern. Die Positionserfassung ermittelt hierbei dynamisch fortlaufend jeweils aktuelle Istpositionen (Start), aus denen rechnerisch die optimalen Stellbewegungen abgeleitet werden, um das Werkzeug zu seiner angestrebten Sollposition (Ziel) zu führen. Im technischen Kontext führen Automaten derartige Positionierungen aus und verwenden dazu Systeme aus Encodern, Servoantrieben und Steuerungen mit Kaskadenreglern.
  • Standardmethode zur Positionierung eines Werkzeugs im Bearbeitungsraum einer Maschine ist, diese Maschine als orthogonales Dreibein aus Linearachsen zu konstruieren.
  • Linearachsen sind nach dem Stand der Technik meist Systeme aus einem Längenmessgerät zur Erfassung der Ist-Position und einem Elektromotor, der eine Kugelumlaufspindel antreibt als Stellsystem.
  • Zur Justierung eines Strahlengangs bei optischen Experimenten eignen sich Prismentische, deren Plattform jeweils in allen drei Drehachsen des Raums präzise eingestellt werden kann. Die zu justierenden (Winkel-)Positionen erfasst der Experimentator dabei aus den Abweichungen des Lichtstrahls vom Ziel.

• astronomische Großteleskope erfassen den Azimutwinkel und - bei entsprechender Bauart - den Elevationswinkel ihrer Blickrichtung mit präzisen Winkelmessgeräten.

• Teilchendetektoren in Teilchenbeschleunigern erfassen die Streuwinkel mit präzisen Winkelmessgeräten.

Merkzettel

Bewegungsführung Messtechnik Die Bünde der Musikinstrumente aus der Familie der Laute sind die Maßverkörperung des Positionserfassungssystems des jeweiligen Instruments. Die Pixelmatrix ist die Maßverkörperung für das Browsing

Meilensteine

Ägypter

• Pyramidenausrichtung definiert den Raum für die Reisen des bestatteten Pharaos ...
• Pegel sind Positionserfassung im eindimensionalen Raum der Wasserstandshöhe

Pythagoras

• Grundlagen zur Vermessung der Erde

Euklid

• Geometrie der Ebene, Trigonometrie

Johannes Heidenhain

• Visionär der Robotik

Einzelnachweise

immer wieder der -- 212.168.185.27 22:28, 19. Sep. 2009 (CEST)