DE102012101640B4

DE102012101640B4 - Verfahren und System zum Ermitteln einer Position und Orientierung eines Objekts in einem Bezugssystem

Info

Publication number: DE102012101640B4
Application number: DE102012101640A
Authority: DE
Inventors: Frank Höller; Oliver Schmidt
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: DE102012101640A1

Abstract

Um eine Position eines Objekts (2) in einem Bezugssystem (3) zu ermitteln, wird für jeden von mindestens drei Sendern (11–13) mit bekannter Position in dem Bezugssystem (3) jeweils eine Weglänge zwischen dem entsprechenden Sender (11–13) und einem Retroreflektor (5) gemessen, der an dem Objekt angebracht ist. Um eine Orientierung des Objekts (2) in dem Bezugssystem (3) zu ermitteln, fokussiert eine an dem Objekt (2) angebrachte Abbildungsoptik (7) die Strahlen, die von den mindestens drei Sendern (11–13) ausgesandt werden, auf einen Bildsensor (6). Die Orientierung des Objekts (2) wird abhängig von Koordinaten der mindestens drei Bildpunkte auf dem Bildsensor (6) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Ermitteln einer Position und Orientierung eines Objekts in einem Bezugssystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und System, bei dem die Position und Orientierung des Objekts berührungslos unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung ermittelt wird.
Die Messung einer Position und Orientierung eines Objekts in einem dreidimensionalen Raum hat vielfache Anwendungen, beispielsweise bei der industriellen Fertigung oder bei der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Beispielsweise können in der quantitativen Qualitätskontrolle taktile Koordinatenmessmaschinen eingesetzt werden, die hohe Genauigkeiten in Volumina von einigen Kubikmetern erreichen können, wobei jedoch die Position eines Messtasters mit entsprechender Genauigkeit ermittelt werden muss. Andere Anwendungen für die Bestimmung der Position und Orientierung eines Objekts relativ zu einem Bezugssystem beinhalten eine Roboterkinematik in der industriellen Fertigung oder Messung, bei der jedenfalls einzelne Elemente der Roboterkinematik drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade aufweisen. Bei derartigen und anderen Vorrichtungen ist es erforderlich, sowohl die Position als auch die Orientierung einer Komponente der Anlage im Raum zu bestimmen. Beispielsweise muss bei einer Koordinatenmessmaschine die Lage, d. h. die Position und Orientierung des Messkopfes im Raum mit hoher Genauigkeit bestimmbar sein.
Bei den in der US 7 358 516 B2 und der DE 10 2010 039 984 A1 beschriebenen Verfahren werden mehrere Längenmessungen durchgeführt, um die Position und Orientierung eines Objekts zu ermittelt. Nach dem in der US 7 358 516 B2 beschriebenen Verfahren wird von einem Punkt oder mehreren Punkten aus jeweils ein Strahlkegel ausgesendet, der gleichzeitig mehrere Reflektoren erfasst. Bei dem in der DE 10 2010 039 948 A1 beschriebenen Verfahren wird wenigstens ein Lichtstrahl über mehrere Reflektoren gerastert. Die in der US 7 358 516 B2 und der DE 10 2010 039 984 A1 beschriebenen Verfahren erlauben den Einsatz kostengünstiger Reflektoren, beispielsweise von Kugelreflektoren. Um bei einem Objekt mit drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden die Position und Orientierung genau bestimmen zu können, werden bei den in der US 7 358 516 B2 und der DE 10 2010 039 984 A1 beschriebenen Verfahren mindestens sechs Weglängen gemessen.
Bei dem in der US 7 400 416 B2 beschriebenen Verfahren wird ein in der Mitte durchbohrtes Hohltripelprisma verwendet. Zur Positionsbestimmung wird nur eine Lichtquelle verwendet. Eine Richtung, in der das Hohltripelprisma relativ zu der Lichtquelle angeordnet ist, wird bestimmt. Aus der Richtung und einem Abstand zwischen Hohltripelprisma und Lichtquelle kann auf die Position rückgeschlossen werden. Eine Positionsbestimmung mit hoher Genauigkeit erfordert dabei eine steuerbare Ablenkoptik, deren Ablenkwinkel genau bestimmbar sind, was die Implementierungskosten erhöht. Bei Verwendung einer weniger hochwertigen Ablenkoptik kann die erreichbare Ortsauflösung unbefriedigend sein. Auch das gebohrte Hohltripelprisma stellt einen signifikanten Kostenfaktor dar. Zur Bestimmung der Orientierung wird bei dem in der US 7 400 416 B2 beschriebenen Verfahren ein durch die Mittelbohrung des Hohltripelprismas auf einen Chip fallendes, ausgedehntes Bild ausgewertet, das durch den Durchtritt des von der Lichtquelle ausgehenden Strahls durch die Mittelbohrung erzeugt wird. Die Ausgestaltung des Hohltripelprismas kann den Winkelbereich beschränken, über den Orientierungsmessungen erfolgen können.
Die DD 295 229 A5 offenbart eine räumliche Wegmesseinrichtung mit drei Laserinterferometern. Die Wegmesseinrichtung umfasst Fotoflächendioden, deren Position jeweils so eingestellt wird, dass die Strahlen der Laserinterferometer stets ins Zentrum der Fotoflächendioden zurückgeführt werden.
Die EP 0 405 423 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Objekts mit einem an dem Objekt angebrachten Retroreflektor. An dem Retroreflektor reflektierte Strahlen werden mittels ortsempfindlicher Sensoren erfasst. Ein Teil der auf den Retroreflektor auftreffenden Beleuchtungs-Lichtstrahlen tritt durch den Retroreflektor hindurch und wird in einer Sensorebene erfasst.
Die US 4 964 722 A offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Objekts, bei dem an dem Objekt mehrere Retroreflektorflächen angebracht sind. Dabei werden unter Verwendung mehrerer Laser Weglängenmessungen durchgeführt.
Die US 6 157 368 A offenbart ein System, bei dem zur Positionsbestimmung die Richtungen von Signalquellen relativ zu einem Messwandler bestimmt werden, der eine Videokamera umfassen kann.
Die US 5 229 828 A offenbart ein System zum Messen der Position eines Punktes, wobei das System ein Prisma in Kombination mit einem Flächendetektor verwendet.
Die EP 1 710 602 A1 offenbart ein Messsystem zum Bestimmen von sechs Freiheitsgraden eines Gegenstands. Das Messsystem umfasst einen Ringsensor mit einer ringförmigen Reihe von lichtempfindlichen Elementen, die um einen Reflektor angebracht sind.
Es besteht weiterhin ein Bedarf an Verfahren und Systemen, mit denen die Position und Orientierung eines Objekts relativ zu einem Bezugssystem unter Verwendung elektromagnetischer Strahlen ermittelt werden kann. Insbesondere besteht ein Bedarf an derartigen Verfahren und Systemen, bei denen sowohl die Position als auch die Orientierung genau ermittelt werden können. Es besteht ein Bedarf an derartigen Verfahren und Systemen, die nicht notwendig die Verwendung eines gebohrten Hohltripelprismas erfordern.
Erfindungsgemäß wird eine Verfahren und ein System mit den in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmalen angegeben. Es wird auch eine an einem Objekt anzubringende Anordnung mit einem Retroreflektor, einem Bildsensor und einer dem Bildsensor zugeordneten Abbildungsoptik angegeben. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Nach einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und Orientierung eines Objekts in einem Bezugssystem angegeben. An dem Objekt sind ein Retroreflektor, ein Bildsensor und eine dem Bildsensor zugeordnete Abbildungsoptik vorhanden. Für jeden von mindestens drei Sendern mit bekannter Position in dem Bezugssystem wird jeweils eine Weglänge zwischen dem entsprechenden Sender und dem Retroreflektor gemessen. Die Position des Objekts in dem Bezugssystem wird abhängig von den mindestens drei gemessenen Weglängen ermittelt. Koordinaten von mindestens drei Bildpunkten auf dem Bildsensor werden bestimmt, auf die die Abbildungsoptik Strahlen fokussiert, die von den mindestens drei Sendern ausgesandt werden. Die Orientierung des Objekts wird abhängig von den bestimmten Koordinaten der mindestens drei Bildpunkte ermittelt.
Bei dem Verfahren wird eine Abbildungsoptik eingesetzt, die jeden von mindestens drei Strahlen auf einen Bereich des Bildsensors fokussiert, dessen laterale Abmessungen kleiner als ein Durchmesser des entsprechenden, auf die Anordnung einfallenden Strahls ist. Aus den Koordinaten der drei Foki auf dem Bildsensor kann die Orientierung des Objekts ermittelt werden. Die Position des Objekts kann aus den mindestens drei Weglängen durch Multilateration ermittelt werden.
Die mindestens drei Sender, deren Strahlen von der Abbildungsoptik auf den Bildsensor fokussiert werden, sind nicht alle auf einer Geraden angeordnet. Die mindestens drei Sender können so das Bezugssystem definieren. Die mindestens drei Sender spannen eine Ebene auf.
Die Koordinaten der drei oder mehr Bildpunkte auf dem Bildsensor, auf die die Strahlen fokussiert werden, können jeweils Koordinaten-2-Tupel sein, die mindestens ein Pixel des Bildsensors identifizieren. Die Koordinaten der drei oder mehr Bildpunkte können auch eine andere geeignete Form aufweisen. Beispielsweise kann jeweils ein Abstand eines Bildpunkts von einem Punkt, an dem die optische Achse der Abbildungsoptik auf den Bildsensor trifft, ermittelt werden. Der Abstand definiert die r-Koordinate des Bildpunkts in einem Polarkoordinatensystem auf dem Bildsensor und kann zur Bestimmung des Einfallswinkels verwendet werden. Es kann auch der zugeordnete Polarwinkel bestimmt werden.
Die Abbildungsoptik und der Bildsensor sind an fixen Positionen relativ zueinander angebracht. Der Retroreflektor, die Abbildungsoptik und der Bildsensor können durch eine Halterung an fixen Positionen zueinander montiert sein. Die Anordnung aus Retroreflektor, Abbildungsoptik und Bildsensor ist an dem Objekt angebracht. Die Abbildungsoptik kann eine nicht-verstellbare Abbildungsoptik sein.
Der Retroreflektor reflektiert einen auf eine Eintrittsfläche des Retroreflektors einfallenden Teil eines Strahls, der von einem Sender der mindestens drei Sender ausgesandt wird. Die Abbildungsoptik fokussiert einen weiteren Teil des Strahls, der versetzt zu der Eintrittsfläche des Retroreflektors einfällt, auf den Bildsensor. Die Verwendung eines gebohrten Hohltripelprismas ist so nicht mehr erforderlich. Eine Orientierungsbestimmung ist über einen größeren Bereich von Einfallswinkeln möglich.
Die Strahlen, die von den mindestens drei Sendern abgestrahlt werden, weisen einen Strahldurchmesser bzw. eine Strahltaille auf, die so bemessen ist, dass der entsprechende Strahl am Objekt nicht nur den Reflektor abdeckt, sondern auch auf die Abbildungsoptik einfällt. Der Strahldurchmesser bzw. die Strahltaille jedes Strahls kann so gewählt sein, dass sowohl der Retroreflektor als auch die Abbildungsoptik von dem Strahl abgedeckt werden.
Die Abbildungsoptik kann eine ringförmige Apertur aufweisen. Die ringförmige Apertur kann kreisringförmig sein. Die Apertur der Abbildungsoptik kann ein geschlossener Bereich sein, der den Retroreflektor umläuft. Die Abbildungsoptik umfasst eine Ringlinse und/oder eine Ringblende. Die Abbildungsoptik kann eine Fischaugenoptik umfassen. Durch derartige Ausgestaltungen kann eine Orientierungsbestimmung auch über große Winkelbereiche erfolgen.
Der weitere Teil des Strahls, der seitlich versetzt zu der Eintrittsfläche des Retroreflektors einfällt, kann einen Querschnitt in einer Ebene parallel zu dem Bildsensor aufweisen, der die Eintrittsfläche des Retroreflektors umgibt.
Der Retroreflektor kann eine um eine Achse rotationssymmetrische Ausgestaltung aufweisen. Dies erlaubt den Einsatz eines Retroreflektors mit einfachem Aufbau, beispielsweise eines Kugelreflektors. Der Retroreflektor kann ein Kugelschalen-Retroreflektor sein. Der Retroreflektor muss keine Rotationsachse aufweisen. Der Retroreflektor kann ein Tripelprismen-Retroreflektor sein.
Die Abbildungsoptik kann eine optische Achse aufweisen und so angeordnet sein, dass die optische Achse der Abbildungsoptik und die Achse des Retroreflektors zusammenfallen.
Ein mit dem Bildsensor gekoppeltes elektronisches Auswertesystem kann abhängig von den bestimmten Koordinaten der mindestens drei Bildpunkte Einfallswinkel der von den mindestens drei Sendern ausgesandten Strahlen auf den Bildsensor ermitteln.
Das elektronische Auswertesystem kann in einer Zuordnungsprozedur jeden der mindestens drei Bildpunkte jeweils genau einem der mindestens drei Sender zuordnen. Dazu können die Sender jeweils einen steuerbaren Shutter umfassen. Die mindestens drei Sender können in der Zuordnungsprozedur so gesteuert werden, dass jeweils nur einer der drei Sender einen Strahl elektromagnetischer Strahlung auf Reflektor und Abbildungssystem abgibt. So kann ermittelt werden, welcher der drei Foki auf dem Bildsensor in der anfänglichen Position und Orientierung des Objekts jeweils dem entsprechenden Sender zugeordnet ist. Die Zuordnungsprozedur kann bei einer Initialisierung des Systems durchgeführt werden. Anschließend kann das Auswertesystem die Bewegung der verschiedenen Foki auf dem Bildsensor verfolgen bzw. „tracken”, so dass die Zuordnung von Foki und Sendern erhalten bleibt.
Das elektronische Auswertesystem kann eine numerische Verzeichnungskorrektur vornehmen, um abhängig von den bestimmten Koordinaten der mindestens drei Bildpunkte die Einfallswinkel zu ermitteln. Die numerische Verzeichnungskorrektur kann unter Verwendung einer in einem Speicher hinterlegten Funktion erfolgen, die eine Beziehung zwischen Position des Bildpunkts und Einfallswinkel herstellt. Die numerische Verzeichnungskorrektur kann unter Verwendung einer in einem Speicher hinterlegten Tabelle erfolgen, die eine Beziehung zwischen Position des Bildpunkts und Einfallswinkel herstellt. Die numerische Verzeichnungskorrektur erlaubt die Verwendung einer Abbildungsoptik mit nicht-linearer Abbildungsfunktion.
Alternativ oder zusätzlich kann durch die Abbildungsoptik eine optische Verzeichnungskorrektur erfolgen.
Das elektronische Auswertesystem kann bei der Bestimmung der Einfallswinkel die Position des Objekts in dem Bezugssystem, die durch Multilateration bestimmt wird, verwenden. Beispielsweise kann die Position des Objekts in dem Bezugssystem, die durch Multilateration bestimmt, in Kombination mit den bekannten Positionen der Sender verwendet werden, um eine Zuordnung zwischen Bildpunkten und Sendern vorzunehmen.
Die Abbildungsoptik kann ein optisches Filter umfassen. Das optische Filter kann ein Interferenzfilter sein. Das optische Filter kann zwischen Abbildungsoptik und Bildsensor angeordnet sein. Ein Durchlassbereich des optischen Filters kann auf eine Wellenlänge der von den mindestens drei Sendern ausgesandten Strahlen abgestimmt sein.
Jeder der mindestens drei Sender kann eine Laserlichtquelle umfassen. Die Laserlichtquelle kann einen Laser umfasst. Es kann für mehrere Sender ein gemeinsamer Laser vorgesehen sein. Optische Fasern können den Ausgangsstrahl des Lasers zu den mindestens drei Sendern führen, wobei Enden der optischen Fasern als Laserlichtquelle des jeweiligen Senders dienen. Wenigstens einer der drei Sender und insbesondere jeder der mindestens drei Sender kann eine weitere Lichtquelle und eine Optik umfassen, um den von der Laserlichtquelle ausgegebenen Laserstrahl und den von der weiteren Lichtquelle ausgegebenen Strahl in einen gemeinsamen Strahlengang einzukoppeln. Der von der weiteren Lichtquelle erzeugte Strahl kann einen Strahldurchmesser aufweisen, der größer als ein Strahldurchmesser des von der Laserlichtquelle ausgegebenen Laserstrahls ist. Eine Ausgestaltung, bei der die von den Sendern ausgesandten Strahlen elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen aufweisen, erlaubt es, zur Positionsbestimmung Strahlung zu verwenden, deren Wellenlänge nicht in dem Spektralbereich liegen muss, in dem der Bildsensor empfindlich ist. Darüber hinaus kann eine solche Ausgestaltung auch Vorteile im Hinblick auf den Energieverbrauch bieten, da nur der auf den Bildsensor abgebildete Lichtstrahl einen Strahldurchmesser aufweisen muss, der größer als ein Durchmesser des Retroreflektors ist. Die Laserlichtquelle kann einen Laserstrahl im IR-Wellenlängenbereich ausgeben. Die weitere Lichtquelle kann Licht im sichtbaren Spektralbereich ausgeben. Auf diese Weise kann der von einem Sender ausgesandte Strahl zusammengesetzt sein aus einem ersten Teilstrahl mit einer Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich, der beispielsweise von einer Laserlichtquelle erzeugt wird, und einem koaxial dazu laufenden zweiten Teilstrahl mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich. Der erste Teilstrahl wird zur Abstandsmessung verwendet. Es genügt, wenn der erste Teilstrahl den Retroreflektor abdeckt. Der zweite Teilstrahl wird über die Abbildungsoptik auf den Bildsensor gelenkt und dort erfasst. In den von unterschiedlichen Sendern ausgesandten Strahlen kann der zweite Teilstrahl jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisen und/oder ein spektrales Maximum bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen. Dies erlaubt, die vom Bildsensor erfassten Bildpunkte anhand ihrer Farbe jeweils genau einem Sensor zuzuordnen.
Jeder der mindestens drei Sender kann einen Strahlteiler oder optischen Koppler umfassen, um von dem Retroreflektor zurückreflektiertes Licht zu einem optoelektronischen Sensor zu lenken. Der optoelektronische Sensor kann eingerichtet sein, um eine Intensität des reflektierten Lichts als Funktion der Zeit zu messen. Verschiedene Methoden können eingesetzt werden, um die Weglänge zwischen Sender und Retroreflektor unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung zu messen. Beispielsweise kann eine Laufzeitmessung („time-of-flight”(TOF)-Messung) durchgeführt werden. Zur Durchführung der Laufzeitmessung kann ein Kurzpulslaser verwendet werden, der Lichtpulse mit einer Dauer ausgibt, die kurz im Vergleich zur inversen Repetitionsrate ist. Jeder der mindestens drei Sender kann eine steuerbare Ablenkoptik umfassen, um den von dem Sender ausgesandte Strahl auf die Anordnung mit Retroreflektor, Bildsensor und Abbildungsoptik zu senden. Die steuerbare Ablenkoptik kann jeweils in einer Regelschleife kontrolliert werden, so dass der von einem Sender ausgesandte Strahl auf die Anordnung mit Retroreflektor, Bildsensor und Abbildungsoptik am Objekt gerichtet bleibt, auch wenn sich das Objekt translatorisch bewegt und/oder rotiert.
Der Bildsensor kann ein hochauflösender Kamerachip sein. Der Bildsensor kann einen CCD-Chip oder CMOS-Chip umfassen.
Das Objekt kann ein handgehaltenes Messgerät oder ein robotergehaltenes Messgerät sein. Das Objekt kann ein handgehaltener oder robotergehaltener Messkopf eines Koordinatenmessgeräts, insbesondere einer taktilen Koordinatenmessmaschine sein.
Die von den Sendern ausgesandten Strahlen können Strahlen mit einer Wellenlänge im IR-, sichtbaren oder UV-Teil des elektromagnetischen Spektrums sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein System zum Ermitteln einer Position und Orientierung eines Objekts in einem Bezugssystem angegeben. Das System umfasst mindestens drei Sender, die an bekannten Positionen in dem Bezugssystem angeordnet und jeweils zum Aussenden eines Strahls elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sind. Das System umfasst eine an dem Objekt angebrachte Anordnung mit einem Retroreflektor, einem Bildsensor und einer dem Bildsensor zugeordneten Abbildungsoptik zum Fokussieren der von den mindestens drei Sendern ausgesandten Strahlen auf den Bildsensor. Das System umfasst ein Auswertesystem mit wenigstens einer elektronischen Auswerteeinheit. Das Auswertesystem ist eingerichtet, um die Position des Objekts in dem Bezugssystem abhängig von mindestens drei Weglängen zwischen den mindestens drei Sendern und dem Retroreflektor zu ermitteln. Das Auswertesystem ist eingerichtet, um die Orientierung des Objekts abhängig von Koordinaten von mindestens drei Bildpunkten zu ermitteln, auf die die Abbildungsoptik die von den mindestens drei Sendern ausgesandten Strahlen fokussiert.
Weiterbildungen des System und die damit erreichten Wirkungen entsprechen den Weiterbildungen des Verfahrens.
Das System kann zur Durchführung des Verfahrens nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel der Erfindung eingerichtet ist.
Die Abbildungsoptik ist eingerichtet, um einen versetzt zu einer Eintrittsfläche des Retroreflektors einfallenden Teil eines von einem der Sender ausgesandten Strahls auf den Bildsensor zu fokussieren. Eine Orientierungsbestimmung ist über einen größeren Bereich von Einfallswinkeln möglich.
Die Abbildungsoptik kann eine ringförmige Apertur aufweisen. Die Abbildungsoptik umfasst eine Ringlinse und/oder eine Ringblende. Die Abbildungsoptik kann eine Fischaugenoptik umfassen. Durch derartige Ausgestaltungen kann eine Orientierungsbestimmung auch über große Winkelbereiche erfolgen.
Die Verfahren, Systeme und Anordnungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zum Ermitteln der Position und Orientierung eines Objekts relativ zu einem Bezugssystem eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems nach einem Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Schnittansicht einer an dem Objekt angebrachten Anordnung nach einem Ausführungsbeispiel.
3 ist eine Draufsicht der Anordnung von 2.
4 zeigt schematisch Bildpunkte auf dem Bildsensor der Anordnung von 2 zur Bestimmung der Orientierung nach einem Ausführungsbeispiel.
5 zeigt schematisch Bildpunkte auf dem Bildsensor der Anordnung von 2 bei einer Orientierungsänderung des Objekts zur Bestimmung der Orientierung nach einem Ausführungsbeispiel.
6 zeigt schematisch Bildpunkte auf dem Bildsensor der Anordnung von 2 bei einer Orientierungsänderung des Objekts zur Bestimmung der Orientierung nach einem Ausführungsbeispiel.
7 ist eine Draufsicht einer an dem Objekt angebrachten Anordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
8 ist eine Schnittansicht der Anordnung von 7.
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext eines hand- oder robotergehaltenen Messgeräts, beschrieben werden, ist die Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems 1 nach einem Ausführungsbeispiel. Das System 1 ist so eingerichtet, dass eine Position und Orientierung eines Objekts 2 in einem Bezugssystem 3 ermittelt wird. Als Position des Objekts 2 kann die Position eines beliebigen charakteristischen Punkts des Objekts 2 definiert werden. Beispielsweise kann die Position eines Retroreflektors 5 bzw. eines Mittelpunkts eines Retroreflektors 5, der fix an dem Objekt 2 angebracht ist, als Position des Objekts 2 definiert werden.
Das Objekt 2 kann ein hand- oder robotergehaltenes Messgerät sein. Das Objekt 2 kann ein Messkopf eines taktilen Koordinatenmessgeräts sein. Das Objekt 2 kann eine Halterung für einen Retroreflektor mit daran befestigten weiteren Komponenten sein.
Das System 1 umfasst eine Anordnung 4 optischer Komponenten. Durch Bestimmung der Position und Orientierung der Anordnung 4 in dem Bezugssystem 3 kann die Position und Orientierung des Objekts 2 ermittelt werden. Die Anordnung 4 umfasst einen Retroreflektor 5, einen Bildsensor 6 und eine Abbildungsoptik 7, die auf die Anordnung 4 einfallende Strahlen auf den Bildsensor 6 fokussiert. Der Retroreflektor 5, der Bildsensor 6 und die Abbildungsoptik 7 werden durch eine Halterung in vorgegebenen Positionen relativ zueinander gehalten.
Das System 1 umfasst eine Anordnung 10 von Sendern 11–13. Jeder der Sender 11–13 ist ausgestaltet, um einen Strahl elektromagnetischer Strahlung auf die Anordnung 4 abzustrahlen. Die elektromagnetische Strahlung kann Licht mit einer Wellenlänge im IR-Spektralbereich, im sichtbaren Spektralbereich und/oder im UV-Spektralbereich umfassen. Jeder der abgegebenen Strahl kann einen Laserlichtstrahl mit einer ersten Wellenlänge, beispielsweise im IR-Spektralbereich, und einen weiteren mit dem Laserlichtstrahl kollinear propagierenden Lichtstrahl mit größerem Durchmesser und einer zweiten Wellenlänge, die beispielsweise im sichtbaren Spektralbereich liegen kann, aufweisen. Während in 1 schematisch nur drei Sender 11–13 dargestellt sind, kann auch eine größere Anzahl von Sendern vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Anordnung von Sendern verwendet werden, bei der Sender an einer Vielzahl von einen Raumbereich umgebenden Positionen angeordnet sind, beispielsweise in einer gitterartigen Anordnung. In diesem Fall können mindestens drei Sender zur Bestimmung der Position und Lage ausgewählt werden, die ohne Abschattung einen Strahl auf die Anordnung 4 aussenden können.
Das System 1 umfasst ein Auswertesystem 8, das mit der Anordnung 4 am Objekt 2 und der Anordnung 10 von Sendern 11–13 gekoppelt ist. Das Auswertesystem 8 kann eine elektronische Auswerteeinheit 9 oder mehrere elektronische Auswerteeinheiten 9 umfassen. Das Auswertesystem 8 kann als elektronische Recheneinrichtung oder Kombination mehrerer elektronischer Recheneinrichtungen ausgestaltet sein.
Die Funktionsweise des Systems 1 wird nachfolgend näher beschrieben. Allgemein wird bei dem System 1 eine Multilateration zur Bestimmung der Position des Retroreflektors 5 in dem Bezugssystem 3 kombiniert mit einer Auswertung der Positionen mehrerer Foki auf dem Bildsensor 6 zur Bestimmung der Orientierung der Anordnung 4 bzw. des Objekts 2. Die Multilateration kann eine Trilateration sein.
Zur Bestimmung der Position werden mindestens drei Weglängenmessungen unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung durchgeführt. Jeder von mindestens drei Sendern 11–13 sendet einen Strahl in Richtung der Anordnung 4. Ein Strahldurchmesser bzw. eine Strahltaille ist jeweils so eingestellt, dass der Strahl sowohl auf den Retroreflektor 5 als auch auf die Abbildungsoptik trifft. Der Strahl kann den Retroreflektor 5 und die Abbildungsoptik abdecken. Ein Teil des Strahls, der auf eine Eintrittsfläche des Retroreflektors 5 trifft, wird von dem Retroreflektor 5 in Richtung des entsprechenden Senders 11–13 reflektiert. Der reflektierte Strahl kann durch einen Strahlteiler oder einen anderen optischen Koppler zu einem Detektor, beispielsweise einem Fotodetektor, geführt werden. Auf diese Weise können berührungslos die Weglängen zwischen einem ersten Sender 11 und dem Retroreflektor 5, zwischen einem zweiten Sender 12 und dem Retroreflektor 5, und zwischen einem dritten Sender 13 und dem Retroreflektor 5 gemessen werden. Der erste, zweite und dritte Sender 11–13 sind nicht alle auf einer Geraden angeordnet, sondern spannen eine Ebene auf. Verschiedene Messtechniken können zur Weglängenmessung eingesetzt werden. Diese beinhalten Laufzeitmessungen, Laufzeitmessungen unter Verwendung einer Folge von Laserpulsen, interferometrische Messungen oder Kombination der genannten Messtechniken. Aus den mindestens drei gemessenen Weglängen bestimmt das Auswertesystem 8 rechnerisch die Position des Retroreflektors 5 in dem Bezugssystem 3. Dabei verwendet das Auswertesystem 8 die bekannten Koordinaten der Sender 11–13 in dem Bezugssystem und die gemessenen Weglängen bzw. Abstände zwischen Sendern und Retroreflektor 5. Falls mehr als drei Weglängen gemessen werden, kann das Auswertesystem durch Berechnung der Position aus dem überbestimmten Gleichungssystem die Position mit weiter erhöhter Genauigkeit ermitteln.
Zur Bestimmung der Orientierung werden die Positionen von Bildpunkten bzw. Foki auf dem Bildsensor 6 verwendet, in die die Strahlen abgebildet werden. Die Abbildungsoptik 7 fokussiert einen Teil jedes der von den drei Sendern 11–13 ausgesandten Strahls, der seitlich versetzt an dem Retroreflektor vorbeiläuft, auf den Bildsensor 6. Die Position der Bildpunkte auf dem Bildsensor 6 hängt vom Einfallswinkel des entsprechenden Strahls ab, gemessen beispielsweise relativ zur Normalen des Bildsensors 6. Das Auswertesystem 8 berechnet aus den Positionen der Bildpunkte auf dem Bildsensor 6 die Orientierung der Anordnung 4 bzw. des Objekts 2 in dem Bezugssystem 3. Dazu verwendet das Auswertesystem 8 eine Zuordnungsinformation, die Bildpunkte und Sender 11–13 einander zuordnet.
Im Betrieb der Vorrichtung kann das Auswertesystem 8 aus einer Weglänge, die ein Strahl zwischen dem ersten Sender 11 und dem Retroreflektor 5 durchläuft, den Abstand des Retroreflektors 5 von der bekannte Position des ersten Senders 11 bestimmen. Der von dem ersten Sender 11 ausgesandte Strahl verläuft entlang eines Pfads 16 zu der Anordnung 4. Aus der Position des Bildpunkts, auf den der von dem ersten Sender 11 ausgesandte Strahl von der Abbildungsoptik 7 fokussiert wird, ermittelt das Auswertesystem 8 einen ersten Einfallswinkel des ersten Strahls, der entlang des Pfads 16 verläuft. Das Auswertesystem 8 kann aus einer Weglänge, die ein Strahl zwischen dem zweiten Sender 12 und dem Retroreflektor 5 durchläuft, den Abstand des Retroreflektors 5 von der bekannte Position des zweiten Senders 12 bestimmen. Der von dem zweiten Sender 12 ausgesandte Strahl verläuft entlang eines Pfads 17 zu der Anordnung 4. Aus der Position des Bildpunkts, auf den der von dem zweiten Sender 12 ausgesandte Strahl von der Abbildungsoptik 7 fokussiert wird, ermittelt das Auswertesystem 8 einen zweiten Einfallswinkel des zweiten Strahls, der entlang des Pfads 17 verläuft. Das Auswertesystem 8 kann aus einer Weglänge, die ein Strahl zwischen dem dritten Sender 13 und dem Retroreflektor 5 durchläuft, den Abstand des Retroreflektors 5 von der bekannte Position des dritten Senders 13 bestimmen. Der von dem dritten Sender 13 ausgesandte Strahl verläuft entlang eines Pfads 18 zu der Anordnung 4. Aus der Position des Bildpunkts, auf den der von dem dritten Sender 13 ausgesandte Strahl von der Abbildungsoptik 7 fokussiert wird, ermittelt das Auswertesystem 8 einen dritten Einfallswinkel des dritten Strahls, der entlang des Pfads 18 verläuft. Durch Multilateration kann das Auswertesystem 6 aus den gemessenen Weglängen die Position des Retroreflektors 5 in dem Bezugssystem 3 ermitteln. Aus den Positionen der drei Foki auf dem Bildsensor 6 bzw. den daraus ermittelten Einfallswinkeln kann das Auswertesystem 6 die Orientierung der Anordnung 4 und somit des Objekts 2 rechnerisch ermitteln.
Durch Ermittlung der Einfallswinkel der mindestens drei Strahlen aus dem auf dem Bildsensor 6 zeugten Bild kann bei bekannter Position der Sender 11–13 und bei bekannter Position des Retroreflektors 5, die aus dem Multilaterationsverfahren ermittelt wird, eindeutig die Orientierung der Anordnung 4 ermittelt werden.
Das Auswertesystem 8 kann auch Polarwinkel zwischen den Sendern und dem Retroreflektor berechnen, beispielsweise aus der rechnerisch ermittelten Position des Retroreflektors 5 und den bekannten Positionen der Sender 11–13. Die berechneten Polarwinkel können bei der rechnerischen Ermittlung der Orientierung der Anordnung 4 im Bezugsystem verwendet werden. Beispielsweise können die berechneten Polarwinkel verwendet werden, um Positionen von Bildpunkten, in die die Strahlen auf dem Bildsensor 6 abgebildet werden, den unterschiedlichen Sendern 11–13 zuzuordnen.
Die Abbildungsoptik 7 kann verschiedene Ausgestaltungen aufweisen. Die Abbildungsoptik 7 kann eine den Retroreflektor 5 ringförmig umgebende Apertur aufweisen. Die Apertur kann kreisringförmig sein. Erfindungsgemäß umfasst die Abbildungsoptik 7 eine Ringlinse und/oder eine Ringblende. Die Ringlinse kann rotationssysmmetrisch ausgestaltet sein, wobei eine Mittelachse der Ringlinse mit einer Mittelachse des Retroreflektors 5 zusammenfallen kann. Die Abbildungsoptik 7 kann zusätzlich oder alternativ eine Ringblende umfassen. Die Ringblende kann rotationssysmmetrisch ausgestaltet sein, wobei eine Mittelachse der Ringblende mit einer Mittelachse des Retroreflektors 5 zusammenfallen kann. Die Abbildungsoptik 7 kann eine Fischaugenoptik oder eine andere Optik mit nicht-linearer Abbildungsfunktion umfassen. Das Auswertesystem 8 kann bei der rechnerischen Bestimmung der Einfallswinkel eine numerische Verzeichnungskorrektur vornehmen. Dazu kann das Auswertesystem eine in einem Speicher hinterlegte Funktion oder Tabelle, die für die Abbildungsoptik 7 spezifisch ist, abrufen, um aus Koordinaten eines Bildpunkts, in den ein von einem der Sender 11–13 ausgesandter Strahl fokussiert wird, den zugehörigen Einfallswinkel dieses Strahls zu ermitteln.
2 und 3 illustrieren eine Ausgestaltung der Anordnung 4, bei der die Abbildungsoptik 7 eine Ringlinse 21 und eine Ringblende 22 umfasst. Der Retroreflektor 5 kann ein Kugelreflektor bzw. Kugelschalen-Retroreflektor mit einer Mittelachse 24 sein. 2 zeigt eine Schnittansicht in einer Ebene, in der die Mittelachse 24 des Retroreflektors 5 liegt. Eine Mittelachse 23 der Ringlinse 21 kann mit der Mittelachse 24 des Retroreflektors 5 zusammenfallen. 3 zeigt eine Draufsicht mit Blickrichtung entlang der Mittelachse 24 des Retroreflektors 5 und normal zu einer Ebene des Bildsensors 6.
Ein auf die Anordnung 4 von einem der Sender 11–13 einfallender Strahl 27 weist einen Durchmesser auf, der größer als ein Durchmesser des Retroreflektors 5 ist. Ein Teil 25 des Strahls 27 fällt auf eine Eintrittfläche des Retroreflektors 5 und wird von dem Retroreflektor zurück in Richtung des entsprechenden Senders 11–13 reflektiert. Ein weiterer Teil 26 des Strahls 27 trifft nicht auf die Eintrittsfläche des Retroreflektors 5, sondern fällt seitlich versetzt zu dem Retroreflektor 5 ein. Der weitere Teil 26 wird über die Ringlinse 21 auf den Bildsensor 6 fokussiert. Der entsprechende Bildpunkt 30 bzw. Fokus auf dem Bildsensor 6 weist laterale Abmessungen auf, die klein im Vergleich zum Durchmesser des auf die Anordnung 4 einfallenden Strahls 27 ist. Der Bildpunkt 30 bzw. Fokus auf dem Bildsensor 6 kann sich über mehrere Pixel des Bildsensors 6 erstrecken. Als „Position” des entsprechenden Bildpunkts 30 kann dann beispielsweise die Position eines Intensitätsmaximums oder eines Flächenmittelpunkts des Bildpunkts 30 definiert werden. In einer parallel zum Bildsensor 6 verlaufenden Ebene, die durch den Retroreflektor 5 verläuft, kann der weitere Teil 26 des Strahls 27, der von der Abbildungsoptik auf den Bildsensor 6 fokussiert wird, eine den Retroreflektor 5 umlaufende Querschnittsfläche aufweisen.
Die Abbildungsoptik der Anordnung 4 kann weitere Komponenten und/oder alternative Ausgestaltungen aufweisen. Beispielsweise kann ein optisches Filter 29 vorgesehen sein, um Umgebungslicht zu unterdrücken. Dadurch wird die Erfassung und rechnerische Verarbeitung von Referenzbildern überflüssig. Das optische Filter 29 weist einen Durchlassbereich, der auf die Wellenlänge des Teils 26 des von einem Sender ausgesandten Strahls 27 abgestimmt ist. Das optische Filter 29 kann ein Interferenzfilter sein.
Bei einer weiteren Ausgestaltung kann die Ringblende 22 weggelassen werden. Die Abbildungsoptik kann eine Ringlinse 21, möglicherweise mit nachgeordnetem optischen Filter, umfassen, um für jeden von den verschiedenen Sendern einfallenden Strahl einen Teil des entsprechenden Strahls, der seitlich versetzt zu dem Retroreflektor 5 einfällt, auf den Bildsensor 6 zu fokussieren. Bei einer weiteren Ausgestaltung kann die Abbildungsoptik eine andere Linse bzw. ein anderes Linsensystem umfassen. Insbesondere kann ein Fischaugenobjektiv oder ein anderes Linsensystem mit nichtlinearer Abbildungsfunktion eingesetzt werden.
Der Strahl 27, der von einem Sender in Richtung der Anordnung ausgesandt wird, kann Licht mehrerer Wellenlängen umfassen. Beispielsweise kann der Teil 25, der auf den Retroreflektor einfällt, ein hohes spektrales Gewicht bei einer Wellenlänge im IR-Bereich aufweisen. Der Teil 26, der von der Abbildungsoptik auf den Bildsensor 6 fokussiert wird, kann ein Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich aufweisen. Eine Energiedichte kann im zentralen Bereich 25 des Strahls größer sein als im äußeren Bereich 26 des Strahls. Der Strahl 27 kann somit aus wenigstens zwei koaxial zueinander propagierenden Teilstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen bestehen, von denen ein erster Teilstrahl 25 zur Weglängenmessung und ein zweiter Teilstrahl 26 zur Orientierungsmessung verwendet wird. Der erste Teilstrahl 25 kann eine Wellenlänge im IR-Spektralbereich aufweisen. Der zweite Teilstrahl 26 kann einen größeren Durchmesser und eine Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich aufweisen. Wenn mehrere der Sender 11–13 jeweils einen derartigen Strahl aussenden, der aus zwei koaxial propagierenden Teilstrahlen besteht, kann der zweite Teilstrahl, der zur Orientierungsmessung verwendet wird, für unterschiedliche Sender jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge bzw. Schwerpunktwellenlänge aufweisen. Dies erlaubt eine Zuordnung von Foki auf dem Bildsensor 6 zu Sendern 11–13.
Während in 2 schematisch nur ein Strahl dargestellt ist, können gleichzeitig mehrere Strahlen, insbesondere mindestens drei Strahlen auf die Anordnung 4 einfallen. Entsprechend fokussiert die Abbildungsoptik die mehreren Strahlen auf mehrere Bildpunkte auf dem Bildsensor. Aus der Anordnung der mehreren Bildpunkte, in die die von unterschiedlichen Sendern ausgesandte Strahlen abgebildet werden, kann die Orientierung der Anordnung bestimmt werden. Das Bild mit mehreren Foki verändert seine Form, wenn das Objekt 2 mit der Anordnung 4 gekippt wird.
4–6 veranschaulichen die Bestimmung der Orientierung der Anordnung 4 in dem Bezugssystem 3.
4 zeigt eine von dem Bildsensor 6 erfassten Lichtintensität, wenn drei Sender jeweils einen Strahl in Richtung der Anordnung 4 aussenden. Der Bildsensor 6 kann gleichzeitig mindestens drei Bildpunkte 31–33 erfassen, in die drei Strahlen abgebildet werden. Falls beispielsweise die Sender 11–13 in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind und die optische Achse der Abbildungsoptik mit der Mittelachse dieses gleichseitigen Dreiecks zusammenfällt, sind die drei Bildpunkte 31–33 am Bildsensor 6 ebenfalls in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Aus den Positionen der drei Bildpunkte 31–33 auf dem Bildsensor 6 können die Einfallswinkel der von den drei Sendern 11–13 ausgesandten Strahlen auf die Anordnung 4 bestimmt werden. Aus den drei Einfallswinkeln kann die Orientierung der Anordnung 4 ermittelt werden.
Bei einer Verkippung des Objekts 2 mit daran angebrachter Anordnung 4 verschieben sich die Positionen der Bildpunkte 31–33 auf dem Bildsensor, wie in 5 und 6 dargestellt. Der Abstand zwischen den Bildpunkten 31–33 kann variieren. Aus den Positionen der Bildpunkte 31–33 auf dem Bildsensor 6 kann jeweils auf den Einfallswinkel rückgeschlossen und aus den Einfallswinkeln die Orientierung der Anordnung 4 bestimmt werden.
5 illustriert beispielhaft, wie sich die Bildpunkte 31–33 zu neuen Positionen auf dem Bildsensor 6 verschieben, wenn das Objekt 2 um eine Achse 39 verkippt wird, die parallel zu der von den Sendern 11–13 aufgespannten Ebene verläuft. Die Positionen 36–38 der Bildpunkte 31–33 in dem in 4 dargestellte Zustand sind zum Vergleich als offene Kreise dargestellt. Ähnlich illustriert 6 beispielhaft, wie sich die Bildpunkte 31–33 zu neuen Positionen auf dem Bildsensor 6 verschieben, wenn das Objekt 2 um eine Achse verkippt wird, die nicht parallel zu der von den Sendern 11–13 aufgespannten Ebene verläuft. Die Positionen 36–38 der Bildpunkte 31–33 in dem in 4 dargestellte Zustand sind zum Vergleich als offene Kreise dargestellt.
Um eine Zuordnung zwischen den Bildpunkten 31–33 und jeweils einem Sender 11–13 zu ermöglichen, können wenigstens in einer Betriebsphase Shutter der Sender 11–13 so betätigt werden, dass der Bildsensor 6 jeweils nur Licht von einem der Sender 11–13 empfängt. Werden die Position und Orientierung des Objekts 2 kontinuierlich oder quasikontinuierlich überwacht, kann eine derartige Aktivierung der Shutter zur Zuordnung von Bildpunkten und Sendern nur in einer Initialisierungsphase durchgeführt werden. Alternativ können die Shutter auch während des laufenden Betriebs aktiviert werden, so dass die mehreren Bildpunkte 31–33 zeitsequentiell vom Bildsensor 6 erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Zuordnung zwischen den Bildpunkten 31–33 und jeweils einem Sender 11–13 unter Verwendung der ermittelten Position des Objekts 2 erfolgen. Dazu kann das Auswertesystem 8 die Position des Retroreflektors 5 durch Multilateration ermitteln und anschließend Polarwinkel zwischen jedem der Sender 11–13 und dem Retroreflektor 5 berechnen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Wellenlänge der von unterschiedlichen Sendern 11–13 ausgesandten Strahlen, die auf den Bildsensor 6 fokussiert werden, unterschiedlich sein. In diesem Fall kann anhand der Farbe der Punkte auf dem Bildsensor 6 eine Zuordnung zu den Sendern 11–13 erfolgen.
Andere Ausgestaltungen von abbildenden Systemen mit Bildsensor und Abbildungsoptik können bei weiteren Ausführungsbeispielen verwendet werden. Es kann eine Abbildungsoptik verwendet werden, deren Apertur nicht ringförmig ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Abbildungsoptik so angeordnet sein, dass ihre optische Achse nicht durch eine Mittelachse des Retroreflektors verläuft. Die Anordnung von Retroreflektor, Bildsensor und Abbildungsoptik am Objekt ist dabei so, dass die Position des Retroreflektors relativ zu dem abbildenden System mit Bildsensor und Abbildungsoptik bekannt ist.
7 und 8 zeigen eine Anordnung 40 mit einem Retroreflektor, einem Bildsensor 6 und einer Abbildungsoptik 47, die in einem System und bei einem Verfahren nach einem weiteren Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Die Anordnung 40 wird im Gebrauch an einem Objekt befestigt, dessen Position und Orientierung in einem Bezugssystem bestimmt werden soll. 7 zeigt eine Draufsicht der Anordnung 40 mit Blickrichtung entlang einer optischen Achse der Abbildungsoptik 47. 8 zeigt eine Schnittansicht.
Die Anordnung 40 umfasst mehrere Retroreflektoren 41–43. Jeder der Retroreflektoren 41–43 kann als Kugelreflektor bzw. Kugelschalen-Retroreflektor ausgestaltet sein. Die Retroreflektoren 41–43 sind seitlich versetzt zu dem Bildsensor 6 angeordnet. Die Position der Retroreflektoren relativ zueinander ist bekannt. Die Abbildungsoptik 47 kann ein Fischaugenobjektiv, ein anderes Weitwinkelobjektiv oder ein anderes Linsensystem umfassen. Mehrere ortsfest in dem Bezugssystem angeordnete Sender senden jeweils einen Strahl auf mindestens einen der Retroreflektoren aus. Einer oder mehrere der Retroreflektoren können auch von mehreren Sendern angepeilt werden, so dass für jeden Retroreflektor 41–43 jeweils mindestens ein Strahl vorhanden ist, der von der Abbildungsoptik 47 auf den Bildsensor 6 fokussiert wird.
8 veranschaulicht die Funktionsweise der Anordnung 40. Einer der Sender, die ortsfest in dem Bezugssystem angeordnet sind, sendet einen Strahl 49 aus, der auf die Anordnung 40 fällt. Ein Teil 45 des Strahls 49 wird von dem Retroreflektor 41 zurück zu dem Sender reflektiert. Die Weglänge zwischen Sender und Retroreflektor 41 wird beispielsweise durch eine optische Weglängenmessung ermittelt. Ein weiterer Teil 46 des Strahls fällt nicht auf eine Eintrittsfläche des Retroreflektors 41, sondern wird von der Abbildungsoptik 46 auf einen Bildpunkt 30 auf dem Bildsensor 6 fokussiert.
Entsprechend kann für jeden der beiden anderen Retroreflektoren 42 und 43 ein Sender so gewählt werden, dass ein Teil des zu der Anordnung 40 gesendeten Strahls von dem entsprechenden Retroreflektor reflektiert wird und ein weiterer Teil des Strahls von der Abbildungsoptik 47 auf den Bildsensor 40 fokussiert wird.
Wie unter Bezugnahem auf 1–6 beschrieben, kann aus dem mindestens drei ermittelten optischen Weglängen in Kombination mit den bekannten Positionen der Sender und in Kombination mit den bekannten Abständen zwischen den Retroreflektoren 41–43 die Position der Anordnung 40 durch Multilateration ermittelt werden. Das Auswertesystem ermittelt aus den Koordinaten der Foki von mindestens drei Strahlen auf dem Bildsensor 6 die Orientierung der Anordnung 40. Dazu können beispielsweise aus den Positionen des Bildpunkts 30 und der weiteren Bildpunkte, in die weitere, von anderen Sendern ausgesandte Strahlen auf dem Bildsensor 6 fokussiert werden, die entsprechenden Einfallswinkel ermittelt werden. Aus den Einfallswinkeln kann rechnerisch die Position bestimmt werden.
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 50 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann mit dem System nach einem Ausführungsbeispiel ausgeführt werden. Das Verfahren verwendet mehrere Sender, die ein Bezugssystem definieren. Das Verfahren verwendet eine Anordnung mit mindestens einem Retroreflektor, einem Bildsensor und einer Abbildungsoptik, die dem Bildsensor zugeordnet ist. Der Retroreflektor, der Bildsensor und die Abbildungsoptik können fix an einem Objekt angebracht sein, dessen Position und Orientierung bestimmt werden soll. Die Bestimmung der Position erfolgt durch Multilateration. Die Bestimmung der Orientierung erfolgt basierend auf Positionen von Bildpunkten, in die von den Sendern in Richtung der Anordnung gesandte Strahlen auf dem Bildsensor abgebildet werden.
Bei 51 kann eine Zuordnungsprozedur ausgeführt werden, um jeden von mehreren Bildpunkten an dem Bildsensor, insbesondere jeden von mindestens drei Bildpunkten, genau einem Sender zuzuordnen. Dazu können Shutter der mehreren Sender zeitsequentiell betätigt werden. Die Zuordnungsprozedur kann wiederholt werden, beispielsweise falls die Position und Orientierung der Anordnung nicht kontinuierlich oder quasikontinuierlich nachverfolgt wird.
Bei 52 werden mindestens drei Weglängen gemessen. Jede der Weglängen entspricht dem von einem Strahl elektromagnetischer Strahlung, der zwischen einem der Sender und dem Retroreflektor verläuft, zurückgelegten Weg. Bei 53 wird die Position der an dem Objekt angebrachten Anordnung ermittelt. Das Ermitteln der Position kann durch Multilateration erfolgen. Falls mehr als drei Weglängen gemessen wurden, kann aus dem resultierenden überbestimmten Gleichungssystem die Position der Anordnung ermittelt werden.
Bei 54 werden Positionen von mindestens drei Bildpunkten auf dem Bildsensor bestimmt, in die Strahlen abgebildet werden, die von den mindestens drei Sendern auf den Bildsensor abgebildet werden. Die Positionen der Bildpunkte können beispielsweise als Positionen von Intensitätsmaxima oder von Flächenmittelpunkten der auf dem Bildsensor ausgeleuchteten Bereiche definiert werden. Es können Koordinatenpaare für jeden der Bildpunkte bestimmt werden, die kartesische Koordinaten des Bildpunkts auf dem Bildsensor angeben. Es kann wenigstens ein Abstand des entsprechenden Bildpunkts von einer Position des Bildsensors bestimmt werden, an dem eine optische Achse der Abbildungsoptik den Bildsensor schneidet.
Bei 54 wird abhängig von den Positionen der Bildpunkte auf dem Bildsensor, in die die Strahlen abgebildet werden, die Orientierung des Objekts bestimmt. Dazu können Einfallswinkel der Strahlen aus den Positionen der Bildpunkte ermittelt werden. Das Auswertesystem kann rechnerisch eine numerische Verzeichnungskorrektur vornehmen.
Bei einer kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Überwachung der Position und Orientierung kehrt das Verfahren zurück, um Schritte 52–55 zu wiederholen.
Während unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wurden, können bei weiteren Ausführungsbeispielen Abwandlungen realisiert werden. Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich zu einer numerischen Verzeichnungskorrektur, die von dem Auswertesystem vorgenommen wird, die Abbildungsoptik auch eine oder mehrere Komponenten zur optischen Verzeichnungskorrektur aufweisen. Alternativ zur Verwendung von Shuttern in den Sendern können auch Lichtquellen der Sender selektiv zeitabhängig aktiviert werden, um eine Zuordnung zwischen Sendern und zugehörigen Bildpunkten auf dem Bildsensor durchzuführen.
Während die Abbildungsoptik eine rotationssymmetrische Ringblende aufweisen kann, sind auch andere Ausgestaltungen der Abbildungsoptik möglich. Insbesondere kann eine Abbildungsoptik verwendet werden, deren Apertur nicht ringförmig ist. Es kann eine Abbildungsoptik verwendet werden, deren optische Achse nicht mit einer Mittelachse des Retroreflektors zusammenfällt.
Während die am Objekt angebrachte Anordnung einen oder mehreren Kugelschalen-Retroreflektoren umfassen kann, können auch andere Retroreflektoren eingesetzt werden. Beispielsweise kann wenigstens ein Glastripelprisma oder Tripelprismenretroreflektor verwendet werden. Es kann auch ein Hohltripelprisma mit nachgeschalteter Abbildungsoptik verwendet werden. Das Hohltripelprisma muss keine zentrale Bohrung aufweisen.
Während beispielhaft Systeme und Verfahren beschrieben wurden, bei denen drei Sender ortsfest in dem Bezugssystem vorgesehen sind, kann auch eine größere Anzahl von Sendern verwendet werden. Entsprechend kann die Orientierung des Objekts aus einer größeren Anzahl von Bildpunkten auf dem Bildsensor ermittelt werden.
Die Verfahren und Systeme nach Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine Bestimmung der Position und Orientierung eines Objekts im Raum. Beispielhafte Anwendungen liegen in der Anlagentechnik, in der industriellen Fertigung und in der Qualitätskontrolle.

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Position und Orientierung eines Objekts (2) in einem Bezugssystem (3), wobei an dem Objekt ein Retroreflektor (5; 41–43), ein Bildsensor (6) und eine dem Bildsensor (6) zugeordnete Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29; 47) vorhanden ist, wobei: für jeden von mindestens drei Sendern (11–13) mit bekannter Position in dem Bezugssystem (3) jeweils eine Weglänge zwischen dem entsprechenden Sender (11–13) und dem Retroreflektor (5; 41–43) gemessen wird; die Position des Objekts (2) in dem Bezugssystem (3) abhängig von den mindestens drei gemessenen Weglängen ermittelt wird; Koordinaten von mindestens drei Bildpunkten (30; 31–33) auf dem Bildsensor (6) bestimmt werden, auf die die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29; 47) Strahlen fokussiert, die von den mindestens drei Sendern (11–13) ausgesandt werden; und die Orientierung des Objekts (2) abhängig von den bestimmten Koordinaten der mindestens drei Bildpunkte (30; 31–33) ermittelt wird, wobei der Retroreflektor (5; 41–43) einen auf eine Eintrittsfläche des Retroreflektors (5; 41–43) einfallenden Teil (25; 45) eines Strahls (27; 49), der von einem Sender (11–13) der mindestens drei Sender (11–13) ausgesandt wird, reflektiert, und wobei die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29) eine Ringlinse (21) und/oder eine Ringblende (22) umfasst, und wobei die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29; 47) einen versetzt zu der Eintrittsfläche des Retroreflektors (5; 41–43) einfallenden weiteren Teil (26; 46) des Strahls (27; 49) auf den Bildsensor (6) fokussiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29) eine ringförmige Apertur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der weitere Teil des Strahls (27) einen Querschnitt in einer Ebene parallel zu dem Bildsensor (6) aufweist, der die Eintrittsfläche des Retroreflektors (5) umgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Retroreflektor (5) eine um eine Achse (24) rotationssymmetrische Ausgestaltung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29) eine optische Achse (23) aufweist und so angeordnet ist, dass die optische Achse (23) der Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29; 47) und die Achse (24) des Retroreflektors (5; 41–43) zusammenfallen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Retroreflektor (5; 41–43) ein Kugelreflektor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein mit dem Bildsensor (6) gekoppeltes elektronisches Auswertesystem (8) abhängig von den bestimmten Koordinaten der mindestens drei Bildpunkte (30; 31–33) Einfallswinkel der von den mindestens drei Sendern (11–13) ausgesandten Strahlen auf den Bildsensor (6) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das elektronische Auswertesystem (8) in einer Zuordnungsprozedur jeden der mindestens drei Bildpunkte (30; 31–33) jeweils genau einem der mindestens drei Sender (11–13) zuordnet.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das elektronische Auswertesystem (8) eine numerische Verzeichnungskorrektur vornimmt, um abhängig von den bestimmten Koordinaten der mindestens drei Bildpunkte (30; 31–33) die Einfallswinkel zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29) ein optisches Filter (29) umfasst, und wobei ein Durchlassbereich des optischen Filters (29) auf eine Wellenlänge der von den mindestens drei Sendern (11–13) ausgesandten Strahlen (27; 49) abgestimmt ist.
System zum Ermitteln einer Position und Orientierung eines Objekts (2) in einem Bezugssystem (3), umfassend: mindestens drei Sender (11–13), die an bekannten Positionen in dem Bezugssystem (3) angeordnet und jeweils zum Aussenden eines Strahls (27; 49) elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sind, eine an dem Objekt angebrachte Anordnung mit einem Retroreflektor (5; 41–43), einem Bildsensor (6) und einer dem Bildsensor (6) zugeordneten Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29; 47) zum Fokussieren der von den mindestens drei Sendern (11–13) ausgesandten Strahlen auf den Bildsensor (6), wobei der Retroreflektor (5; 41–43) eingerichtet ist, um einen auf eine Eintrittsfläche des Retroreflektors (5; 41–43) einfallenden Teil (25; 45) eines von einem Sender (11–13) der mindestens drei Sender (11–13) ausgesandten Strahls (27; 49) zu reflektieren, wobei die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29) eine Ringlinse (21) und/oder eine Ringblende (22) umfasst, und wobei die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29; 47) eingerichtet ist, um einen versetzt zu der Eintrittsfläche des Retroreflektors (5; 41–43) einfallenden weiteren Teil (26; 46) des Strahls (27; 49) auf den Bildsensor (6) zu fokussieren, und ein Auswertesystem (8) mit wenigstens einer elektronischen Auswerteeinheit (9), wobei das Auswertesystem (8) eingerichtet ist, um die Position des Objekts (2) in dem Bezugssystem (3) abhängig von mindestens drei Weglängen zwischen den mindestens drei Sendern (11–13) und dem Retroreflektor (5; 41–43) zu ermitteln, und um die Orientierung des Objekts (2) abhängig von Koordinaten von mindestens drei Bildpunkten (30; 31–33) zu ermitteln, auf die die Abbildungsoptik (7; 21, 22, 29; 47) die von den mindestens drei Sendern (11–13) ausgesandten Strahlen fokussiert.