WO2020104666A1 - Method and apparatus for determining at least one spatial position and orientation of at least one measured object - Google Patents

Method and apparatus for determining at least one spatial position and orientation of at least one measured object

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WO2020104666A1
WO2020104666A1 PCT/EP2019/082258 EP2019082258W WO2020104666A1 WO 2020104666 A1 WO2020104666 A1 WO 2020104666A1 EP 2019082258 W EP2019082258 W EP 2019082258W WO 2020104666 A1 WO2020104666 A1 WO 2020104666A1
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Wolfgang Högele
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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Abstract

The invention relates to a measurement apparatus (110) for determining at least one spatial position and orientation of at least one measured object (112), wherein the measurement apparatus (110) has at least three retroreflectors (114) and at least six localization units (116) or at least three localization units (116) and at least six retroreflectors (114). According to the invention, each of the localization units (116) is designed to generate at least one illumination light beam (117) and to illuminate at least one retroreflector (114) by means of the illumination light beam, wherein each of the retroreflectors (114) is illuminated by at least one of the localization units (116), wherein each of the localization units (116) is designed to receive at least one reflected light beam (121) from the retroreflector (114) illuminated by it and to generate at least one measurement signal. Furthermore, the measurement apparatus (110) has an evaluating unit (118), wherein the evaluating unit (118) is designed to determine the spatial position and orientation of the measured object (112) from the measurement signals of the localization units (116).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts  Method and device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object
Gebiet der Erfindung Field of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung min destens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik. The invention relates to a device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, a coordinate measuring machine and a method for determining at least one spatial position and orientation at least one measurement object. The present invention relates in particular to the field of coordinate measuring technology.
Stand der Technik State of the art
Beim Bau von Bearbeitungs- und Messmaschinen muss in der Regel ein Bearbeitungs- oder Messkopf genau positioniert werden. So müssen, beispielsweise im Rahmen von Bearbei tungsprogrammen, definierte zeitliche und räumliche Verläufe einer Position und Ausrich tung des Werkzeuges relativ zu einem Werkstück geregelt werden, was üblicherweise mit erheblichem Aufwand, insbesondere maschinenbaulichen Aufwand, einhergeht. Es kann nö tig sein, ein Werkzeug genau, beispielsweise im Mikrometerbereich oder auch darunter, zu zuführen, was üblicherweise eine aufwendige Mess- und Regeltechnik erfordert. Der Auf wand kann sich weiter erhöhen, beispielsweise wenn für die Bearbeitungsmaschine Invari anz gegenüber möglichst vielen für einen genauen Betrieb der Maschine zu berücksichtigen den Einflüsse, insbesondere eine gleichbleibende Genauigkeit, gegenüber Altem, Tempera tureinflüssen und/oder sonstigen Umwelteinflüssen, Bearbeitungskräften, sowie allgemein variierenden statischen und dynamischen Lasten, gefordert wird. When building processing and measuring machines, a processing or measuring head usually has to be positioned exactly. For example, in the context of machining programs, defined temporal and spatial courses of a position and alignment of the tool must be regulated relative to a workpiece, which usually involves considerable effort, in particular mechanical engineering. It may be necessary to feed a tool precisely, for example in the micrometer range or below, which usually requires complex measurement and control technology. The costs can increase further, for example if the machine is invariant to as many influences as possible to ensure accurate operation of the machine, in particular constant accuracy, to the old, temperature and / or other environmental influences, machining forces and generally varying ones static and dynamic loads.
Üblicherweise wird versucht, durch Auslesen von Sensorik eine voraussichtliche Relativpo sition und Relativorientierung zwischen Werkstück und Werkzeug zu prognostizieren, wie sie sich für die verwendete Maschinenachsstapelfolge einer Maschinenstruktur beispiels weise unter Verwendung von Kalibrierdaten aus einem Maschinenmodell ergibt. Usually, an attempt is made to predict an expected relative position and relative orientation between workpiece and tool by reading out sensors, such as it results for the machine axis stack sequence of a machine structure used, for example, using calibration data from a machine model.
Die Kalibrierdaten können dabei mit Methoden ermittelt werden, welche darauf ausgelegt sind, die Fehler der Maschinenkinematik so zu ermitteln, dass eine anschließende rechneri sche Korrektur unter Verwendung dieser Kalibrierdaten möglich wird. Abhängig von der Komplexität des Fehlerbildes der zu kalibrierenden Kinematik kann auch das Kalibrierver fahren sehr aufwendig werden. Insbesondere kann es so aufwendig werden, dass auf eine vollständige Erfassung aller Fehler aus Kosten- oder Prozessgründen verzichtet wird.  The calibration data can be determined using methods which are designed to determine the errors in the machine kinematics in such a way that a subsequent computational correction is possible using these calibration data. Depending on the complexity of the error pattern of the kinematics to be calibrated, the calibration procedure can also be very complex. In particular, it can be so complex that a complete recording of all errors for cost or process reasons is dispensed with.
Bekannt ist beispielsweise der Einsatz von vier sogenannten Lasertracem oder Lasertrackem und einem Retroreflektor. Durch geeignete Messstrategie kann aus einer Abfolge von unter schiedlichen Positionen des Retroreflektors im Raum eine eindeutige Rekonstruktion der Position der Lasertracer oder Lasertracker im Raum und der unterschiedlichen angefahrenen Positionen des Retroreflektors möglich sein. So können regelmäßig Genauigkeiten im Be reich von Mikrometern erreicht werden, wobei bei geeigneter Umgebung auch Submikro meter-Genauigkeiten möglich sein können. For example, it is known to use four so-called laser tracers or laser trackers and a retroreflector. A suitable measurement strategy can make it possible to unambiguously reconstruct the position of the laser tracers or laser trackers in the room and the different positions of the retroreflector from a sequence of different positions of the retroreflector in the room. Accuracies in the range of micrometers can be achieved on a regular basis, although submicron accuracies can also be possible in a suitable environment.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen diese noch Verbesserungspotential auf. So sind derartige, bekannte Verfahren und Vorrichtungen in der Regel komplex, teuer, wenig robust und außerdem aufwendig, bei spielsweise aufwendig bezüglich einer nötigen Rechenleistung und/oder bezüglich der An zahl benötigter Vorrichtungen, wie Retroreflektoren und/oder Lasertracer. Weiterhin kann zur Erfassung der dreidimensionalen Position des Retroreflektors insbesondere eine Verket tung mehrerer Messungen nötig sein. Weiter darf während der Messung, insbesondere einem Tracking, ein Interferometerstrahlengang nicht unterbrochen werden. Ferner sind bekannte Vorrichtungen und Verfahren häufig lediglich geeignet, die dreidimensionale Position des Retroreflektors zu bestimmen, nicht jedoch die Orientierung. Despite the advantages of the devices and methods known from the prior art, they still have room for improvement. Such known methods and devices are generally complex, expensive, not very robust and also complex, for example complex in terms of the necessary computing power and / or in terms of the number of devices required, such as retroreflectors and / or laser tracers. Furthermore, in order to detect the three-dimensional position of the retroreflector, a chain of several measurements may be necessary. Furthermore, an interferometer beam path must not be interrupted during the measurement, in particular tracking. Furthermore, known devices and methods are often only suitable for determining the three-dimensional position of the retroreflector, but not the orientation.
Ferner kann es insbesondere nötig sein, aufwendige und fehlerverkettend sehr unvorteilhafte Wiederholungsmessreihen bei gleichbleibender Maschinenachssteilungsreihenfolge und auskragenden Retroreflektorhaltem durchzuführen. Nicht vorliegende Reproduzierbarkeit der Maschinenachssteilungen während der Wiederholungsmessreihen sowie Instabilitäten und Ungenauigkeit der relativen Retroreflektorlagen zwischen den Messreihen können die Aussagekraft der Messungen häufig begrenzen und erlauben üblicherweise nicht, die Sys temgrenzen der verwendeten Lokalisierungstechnologie zu nutzen. Furthermore, it may be necessary, in particular, to carry out complex and error-linked, very disadvantageous repeat measurement series with the same machine axis division order and projecting retroreflector holders. The lack of reproducibility of the machine axis divisions during the repeat measurement series as well as instabilities and inaccuracy of the relative retroreflector positions between the measurement series can often limit the meaningfulness of the measurements and usually do not allow the system limits of the localization technology used to be used.
DE 10 2010 039 948 Al beschreibt eine Messeinheit zum Ermitteln einer relativen Position und relativen Orientierung zwischen der Messeinheit und einer Anordnung von mindestens drei optischen Elementen. Die Messeinheit umfasst eine Längenmesseinrichtung, die Mess strahlen aussendet, und mindestens eine Strahllenkeinrichtung, die eingerichtet ist, um die Messstrahlen auf optische Elemente der Anordnung zu lenken. Die mindestens eine Strahl- lenkeinrichtung ist steuerbar, um wenigstens einen der Messstrahlen zeit sequentiell auf meh rere optische Elemente der Anordnung zu lenken, um zeitsequentiell mehrere Längenmess vorgänge derart durchzuführen, dass bei den mehreren Längenmessvorgängen jeder Mess strahl des wenigstens einen Messstrahls auf genau eines der optischen Elemente trifft. Ins gesamt werden so sechs Längen gemessen. DE 10 2010 039 948 A1 describes a measuring unit for determining a relative position and relative orientation between the measuring unit and an arrangement of at least three optical elements. The measuring unit comprises a length measuring device which emits measuring beams and at least one beam steering device which is set up to direct the measuring beams onto optical elements of the arrangement. The at least one beam steering device can be controlled in order to direct at least one of the measurement beams sequentially over time to a plurality of optical elements of the arrangement, in order to carry out several length measurement processes sequentially in such a way that, in the multiple length measurement processes, each measurement beam of the at least one measurement beam onto exactly one of the optical elements. In total, six lengths are measured.
DE 101 18392 Al beschreibt ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position zweier Objekte relativ zueinander, umfassend: eine Quelle kohärenter Strahlung, eine Strahl führung zur Bereitstellung eines Meßzweigs für einen Meßstrahl, der eine von der Position der beiden Objekte abhängige optische Weglänge aufweist, einen Strahlungsintensitätsmes ser zum Messen einer Intensität einer interferierenden Überlagerung von Strahlung, die we nigstens Strahlung nach Durchlaufen des Meßzweiges umfaßt, und einen Rechner, der auf ein Meßsignal des Strahlungsintensitätsmessers anspricht, um optische Weglängen des Meß zweiges und daraus die Position der beiden Objekte relativ zueinander zu ermitteln. Der Meßzweig umfaßt: wenigstens einen an einem ersten der beiden Objekte fest anbringbaren Emitter zum Aussenden der dem Meßzweig zugeführten Strahlung in einen Raum zwischen den beiden Objekten, wenigstens drei an dem zweiten der beiden Objekte derart anbringbare Retroreflektoren, daß diese mit festen Abständen relativ zueinander angeordnet sind, und wenigstens einen an dem ersten der beiden Objekte anbringbaren Empfänger zum Empfang von von den Retroreflektoren zurückgeworfener Strahlung und zur Zuführung der empfan genen Strahlung zu dem Strahlungsintensitätsmesser. Der Emitter sendet die Strahlung in einen solchen Raumwinkelbereich aus, daß die wenigstens drei Retroreflektoren darin ent halten sind. DE 101 18392 A1 describes a system and a method for determining a position of two objects relative to one another, comprising: a source of coherent radiation, a beam guide for providing a measuring branch for a measuring beam, which has an optical path length dependent on the position of the two objects, a radiation intensity meter for measuring an intensity of an interfering superposition of radiation, which we at least comprises radiation after passing through the measuring branch, and a computer, which responds to a measuring signal of the radiation intensity meter, by optical path lengths of the measuring branch and hence the position of the two objects relative to one another to determine. The measuring branch comprises: at least one emitter which can be fixedly attached to a first of the two objects for emitting the radiation supplied to the measuring branch into a space between the two objects, at least three retroreflectors which can be attached to the second of the two objects in such a way that they are arranged at fixed distances relative to one another and at least one receiver that can be attached to the first of the two objects for receiving radiation reflected by the retroreflectors and for supplying the received radiation to the radiation intensity meter. The emitter emits the radiation in such a solid angle range that the at least three retroreflectors are contained therein.
EP 3 165 876 A2 beschreibt ein Opto-elektronisches Vermessungsgerät zur Distanz- und/o der Positionsbestimmung mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung optischer Messstrahlung einer ersten Wellenlänge. Die Messstrahlung wird gerichtet in den freien Raum emittiert. Die Strahlungsquelle ist derart ausgebildet, dass die erste Wellenlänge im Bereich zwischen 1210nm und 1400nm liegt und die Leistung der emittierten Messstrahlung im zeitlichen und räumlichen Mittel wenigstens 14mW beträgt. EP 3 165 876 A2 describes an optoelectronic measuring device for determining distance and / or position with a radiation source for generating optical measuring radiation of a first wavelength. The measuring radiation is emitted into the free space. The radiation source is designed in such a way that the first wavelength is in the range between 1210 nm and 1400 nm and the power of the emitted measuring radiation is at least 14 mW on average over time and space.
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Ver fahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung von mindes tens einer räumlichen Position und Orientierung mit hoher Genauigkeit und geringerer Kom plexität erfolgen. It is therefore the object of the present invention to provide an apparatus and a method for determining at least one spatial position and orientation to provide a measurement object, which at least largely avoid the disadvantages of known devices and processes. In particular, at least one spatial position and orientation should be determined with high accuracy and less complexity.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. This object is achieved by a device and a method with the features of the independent claims. Preferred configurations, which can be implemented individually or in combination, are presented in the dependent claims.
Im Folgenden werden die Begriffe„haben“,„aufweisen“,„umfassen“ oder„einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise ver wendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merk-male vorhanden sind oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vor handen sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck„A hat B“, ,,A weist B auf‘,„A umfasst B“ oder„A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließ lich aus B besteht) als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente. In the following, the terms “have”, “have”, “include” or “include” or any grammatical deviations therefrom are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, in addition to the feature introduced by these terms, there are no further features or to situations in which one or more other features are present. For example, the expression "A has B", "A has B", "A includes B" or "A includes B" both refer to the situation in which, apart from B, there is no further element in A. is (ie a situation in which A consists exclusively of B) as well as the situation in which, in addition to B, one or more further elements are present in A, for example element C, elements C and D or even more Elements.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe„mindestens ein“ und„ein oder meh rere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vor gesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff„mindestens ein“ oder„ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Mög lichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann. Furthermore, it is pointed out that the terms “at least one” and “one or more” as well as grammatical modifications of these terms or similar terms, if used in connection with one or more elements or features and are intended to express that the element or feature can be seen once or several times before, usually used only once, for example when the feature or element is first introduced. When the feature or element is mentioned again, the corresponding term “at least one” or “one or more” is generally no longer used without restricting the possibility that the feature or element can be provided one or more times.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe„vorzugsweise“,„insbesondere“,„beispiels weise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, wel che durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsich- tigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unab hängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch„in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch„in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merk male verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese ein leitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit an deren Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unan getastet bleiben. Furthermore, the terms “preferably”, “in particular”, “for example” or similar terms are used in the following in conjunction with optional features, without this restricting alternative embodiments. Thus, features introduced by these terms are optional features, and it is not intended uses these features to limit the scope of protection of the claims and in particular the independent claims. Thus, as the person skilled in the art will recognize, the invention can also be carried out using other configurations. Similarly, features that are introduced by “in an embodiment of the invention” or by “in an embodiment of the invention” are understood as optional features, without this being intended to restrict alternative configurations or the scope of protection of the independent claims. Furthermore, all of the possibilities of combining the features introduced thereby with other features, be they optional or non-optional features, should remain unaffected by these leading expressions.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung zur Bestim mung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Mess objekts vorgeschlagen. Die Messvorrichtung weist mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Retroreflektoren auf. Jede der Lokalisierungseinheiten ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und mindestens einen Retroreflektor mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten, wobei jeder der Retroreflektoren von min destens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist. Jede der Lokalisierungseinheiten ist eingerichtet, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor mindestens einen reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Messvorrichtung weist weiterhin eine Auswerteeinheit auf, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. In a first aspect of the present invention, a measuring device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object is proposed. The measuring device has at least three retroreflectors and at least six localization units or at least three localization units and at least six retroreflectors. Each of the localization units is set up to generate at least one illuminating light beam and to illuminate at least one retroreflector with the illuminating light beam, each of the retroreflectors being illuminated by at least one of the localization units. Each of the localization units is set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector illuminated by it and to generate at least one measurement signal. The measuring device furthermore has an evaluation unit, the evaluation unit being set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units.
Unter einem„Messobjekt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig ge formtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt auch ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetas tet werden kann. In the context of the present invention, a “measurement object” can be understood to mean any object to be shaped. For example, the measurement object can also be a measurement head of a sensor or a tool with which a component can be scanned.
Unter einer„Messvorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrich tung verstanden werden, welche eingerichtet ist die mindestens eine räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesi schen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinaten systeme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein. Unter einer„räumlichen Position“ kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage des Messobjekts. Die räumliche Position kann durch die Ortskoordinaten X, Y und Z definiert sein. Unter einer„Orientierung“ kann eine Lage im Raum, insbesondere eine Rotation, des Messobjekts verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Nei gungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel. Die räumliche Position und Orientierung des Ob jektes kann zusammen auch als sechsdimensionale Information oder 6D-Information be zeichnet werden. In the context of the present invention, a “measuring device” can be understood to mean a device which is set up to determine the at least one spatial position and orientation of the measurement object. The spatial position and the orientation can be determined in a coordinate system, for example a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate system. Other coordinate systems are also conceivable. An origin or zero point of the coordinate system can be in a point of the device. A “spatial position” can be understood to mean a three-dimensional point (X, Y, Z) in the coordinate system, in particular a position of the Target. The spatial position can be defined by the location coordinates X, Y and Z. An “orientation” can be understood to mean a position in space, in particular a rotation, of the measurement object, in particular an angular position. The orientation can be specified by at least three angles, for example Euler angle or inclination angle, roll angle and yaw angle. The spatial position and orientation of the object can also be referred to as six-dimensional information or 6D information.
Unter einem„Retroreflektor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche einen Lichtstrahl in diejenige Richtung reflektiert aus der der Lichtstrahl eingetroffen ist. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 Al, US 2013/0050410 Al oder US 2017/0258531 Al, deren Inhalt hier mit in diese Anmeldung aufgenommen wird; einem Würfelprisma; einem comercube. In the context of the present invention, a “retroreflector” can be understood to mean any device which reflects a light beam in the direction from which the light beam has arrived. For example, the retroreflector can be a marker. For example, the retroreflector can be selected from the group consisting of: a cat's eye; a cat's eye with a reflective layer; a marker described in US 2011/0007326 A1, US 2013/0050410 A1 or US 2017/0258531 A1, the content of which is hereby incorporated into this application; a cube prism; a comercube.
Unter einer„Lokalisierungseinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grund sätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausge- wählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsig nal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors; einer Information über einen Abstand des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Ret roreflektors zu der Lokalisierungseinheit; eine Information über eine Entfernung des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; eine Infor mation über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflek tors zu der Lokalisierungseinheit; und einer Information über eine Längenänderung. In the context of the present invention, a “localization unit” can basically be understood to mean any device which is set up to generate at least one localization information item. The location information can be selected from at least one item of information from the group consisting of: a measurement signal depending on the location of the retroreflector illuminated by the location unit; information about a distance of the retroreflector illuminated by the localization unit from the localization unit; information about a distance of the retroreflector illuminated by the localization unit to the localization unit; information about a relative position of the retroreflector illuminated by the localization unit to the localization unit; and information about a change in length.
Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, mindestens einen Retroreflektor mit min destens einem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten. Unter einem„Beleuchtungslicht strahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Lichtstrahl verstanden werden, welcher emittiert und/oder ausgesandt wird, um den Retroreflektor zu beleuchten. Insbesondere kann es sich bei dem Beleuchtungslichtstrahl um einen von einer der Lokalisierungseinheiten zur Beleuchtung eines der Retroreflektoren erzeugten Licht strahl handeln. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils mindestens eine Beleuchtungs einheit aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann eine Lichtquelle aufweisen, insbesondere eine Laserquelle. Unter“Licht” kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 pm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 pm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 pm bis 1000 pm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Unter einem „Lichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. The localization unit can be set up to illuminate at least one retroreflector with at least one illuminating light beam. An “illuminating light beam” can in principle be understood in the context of the present invention to be any light beam which is emitted and / or emitted in order to illuminate the retroreflector. In particular, the illuminating light beam can be a light beam generated by one of the localization units for illuminating one of the retroreflectors. The localization units can each have at least one lighting unit. The lighting unit can have a light source, in particular a laser source. In the context of the present invention, “light” can be understood to mean electromagnetic radiation in at least one spectral range selected from the visible spectral range, the ultraviolet spectral range and the infrared spectral range. The term visible spectral range basically covers a range from 380 nm to 780 nm. The term infrared (IR) spectral range basically covers a range from 780 nm to 1000 pm, the range from 780 nm to 1.4 pm as near infrared (NIR), and the range from 15 pm to 1000 pm is referred to as far infrared (FIR). The term ultraviolet basically encompasses a spectral range from 100 nm to 380 nm. In the context of the present invention, a “light beam” can basically be understood as an amount of light which is emitted and / or emitted in a specific direction.
Jeder der Retroreflektoren ist von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet. Ein Retroreflektor kann von einer Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten beleuchtet werden. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils eingerichtet sein mindestens einen reflektierten Lichtstrahl von dem von der jeweiligen Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektor zu empfangen und mindestens ein Messsignal in Antwort auf den reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen. Unter einem„Messsignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grund sätzlich ein beliebiges, insbesondere ein elektrisches, Signal verstanden werden, beispiels weise eine Spannung oder ein Strom, welches gemäß dem reflektierten, empfangenen Licht strahl oder unter Verwendung des reflektierten, empfangenen Lichtstrahls erzeugt wurde. Each of the retroreflectors is illuminated by at least one of the localization units. A retroreflector can be illuminated by a plurality of localization units. The localization units can each be set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector illuminated by the respective localization unit and to generate at least one measurement signal in response to the reflected light beam. In the context of the present invention, a “measurement signal” can in principle be understood to mean any, in particular an electrical, signal, for example a voltage or a current, which was generated in accordance with the reflected, received light beam or using the reflected, received light beam .
Jede der Lokalisierungseinheiten kann mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, be vorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor. Auch eine Verwendung von einer Mehrzahl von Lichtquellen ist denkbar. Each of the localization units can comprise at least one element selected from the group consisting of: a laser tracer; a laser tracker; a LIDAR sensor, preferably an FMCW LIDAR sensor. The use of a plurality of light sources is also conceivable.
Unter einem„Lasertracer“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Messvorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist interferometrisch ei nen Abstand, insbesondere eine Abstandsänderung, zu einem Retroreflektor zu bestimmen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, eine Position des Retroreflektors zu verschiedenen Zeitpunkten nachzuverfolgen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, einem sich im Raum bewegenden Retroreflektor mittels eines Laserstrahls zu folgen. Eine Messung der Abstand sänderung kann inkrementell erfolgen. Der Lasertracer kann ein inkrementeiles Messsys teme mit großem Blickbereich, insbesondere einem großen Schwenkbereich einer Laser strahlrichtung, sein. Beispielsweise können zur Messung der Abstandsänderung mindestens zwei aufeinanderfolgende Messungen erforderlich sein. Der Lasertracer kann einen großen Winkelbereich abdecken. Beispielsweise kann der Laserstrahl des Lasertracers in dem gro- ßen Winkelbereich schwenkbar sein. Unter einem„Lasertracker“ kann im Rahmen der vor liegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Messvorrichtung verstanden werden, wel che eingerichtet ist interferometrisch einen Abstand und/oder eine Richtung eines Retrore- flektors zu bestimmen, insbesondere relativ zu Achsen, welche von einer Optomechanik des Lasertrackers definiert werden. In the context of the present invention, a “laser tracer” can in principle be understood to mean any measuring device which is set up to determine an interferometric distance, in particular a change in distance, from a retroreflector. The laser tracer can be set up to track a position of the retroreflector at different times. The laser tracer can be set up to follow a retroreflector moving in space by means of a laser beam. The distance change can be measured incrementally. The laser tracer can be an incremental measuring system with a large field of view, in particular a large swivel range of a laser beam direction. For example, at least two successive measurements may be required to measure the change in distance. The laser tracer can cover a wide angular range. For example, the laser beam of the laser tracer can be be angular pivotable. In the context of the present invention, a “laser tracker” can in principle be understood to mean any measuring device which is set up to determine a distance and / or a direction of a retroreflector interferometrically, in particular relative to axes which are defined by an optomechanics of the laser tracker will.
Unter einem„LID AR- Sensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche auf dem LID AR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LAD AR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Insbe sondere kann der LIDAR-Sensor eingerichtet sein, einen Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, zu erzeugen und zu empfangen, insbesondere den zuvor von ihr ausgesendeten und zu ihr zurückreflektierten Lichtstrahl, und daraus einen Abstand zwischen dem LIDAR- Sensor und dem Retroreflektor zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unter schieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Bevorzugt kann die Lokalisierungsein heit einen LMCW-LIDAR-Sensor aufweisen. Hierbei steht„LMCW“ als Abkürzung für den englischen Ausdruck„Lrequency Modulated Continuous Wave“. Der EMC W-LID AR- Sen sor kann eingerichtet sein, den Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Lrequenz nach dem LMCW- Verfahren kontinuierlich durchgestimmt wird. Beispielsweise kann die Lrequenz des Licht strahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LID AR- Verfahren und LMCW-Verfahren sind dem Lachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2, US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 Al ausgestaltet sein. LMCW-LIDAR-Sensoren sind gegenüber Lasertracem robuster und kostengünstiger. Des Weiteren können die LMCW-LIDAR-Sensoren unemp findlich gegen sogenannte line-of-sight-Unterbrechungen sein, da es sich um absolute Mess systeme handelt. In the context of the present invention, a “LID AR sensor” can in principle be understood to mean any device which is based on the LID AR (“light detection and ranging”) measurement principle, also called LAD AR (laser detection and ranging). In particular, the LIDAR sensor can be set up to generate and receive a light beam, for example a laser beam, in particular the light beam previously emitted by it and reflected back to it, and from this to determine a distance between the LIDAR sensor and the retroreflector. for example, taking advantage of differences in the return times and wavelengths. The localization unit can preferably have an LMCW LIDAR sensor. "LMCW" stands for "Lrequency Modulated Continuous Wave". The EMC W-LID AR sensor can be set up to generate the light beam, the frequency of which is continuously tuned using the LMCW method. For example, the frequency of the light beam can be modulated linearly with time. A combination of the LID AR method and the LMCW method is known to the Lachmann, for example from Chip scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB / EECS.2017-4. For example, the LIDAR unit can be configured as in US 9,559,486 B2, US 8,913,636 B2 or US 2016/123718 A1. LMCW-LIDAR sensors are more robust and cheaper than laser tracers. Furthermore, the LMCW-LIDAR sensors can be insensitive to so-called line-of-sight interruptions, since they are absolute measuring systems.
Die Messvorrichtung weist mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokali sierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Ret roreflektoren auf. Beispielsweise kann die Messvorrichtung mindestens drei Retroreflek toren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten aufweisen, wobei jede der Lokalisie rungseinheiten mindestens einen Lasertracer oder mindestens einen Lasertracker umfasst. The measuring device has at least three retroreflectors and at least six localization units or at least three localization units and at least six retro reflectors. For example, the measuring device can have at least three retroreflectors and at least six localization units, each of the localization units comprising at least one laser tracker or at least one laser tracker.
In einer Ausführungsform kann die Messvorrichtung drei Retroreflektoren und sechs Loka lisierungseinheiten aufweisen. Einer, insbesondere ein erster der Retroreflektoren kann von maximal vier der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Die übrigen mindestens zwei Lo kalisierungseinheiten können auf die anderen beiden Retroreflektoren ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch andere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten auf die Retrore- flektoren sind denkbar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflek- toren und sechs Lokalisierungseinheiten die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflek- toren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: vier Lokalisierungseinheiten auf einen ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungsein heit auf einen zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf einen dritten Ret roreflektor (vier-eins-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-eins); zwei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Ret roreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokali sierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (zwei-zwei-zwei). In one embodiment, the measuring device can have three retroreflectors and six localization units. One, in particular a first, of the retroreflectors can be illuminated by a maximum of four of the localization units. The remaining at least two lo calization units can be aligned with the other two retroreflectors and illuminate them. Other orientations of the localization units to the retroreflectors are also conceivable. In particular, when using three retroreflectors and six localization units, the localization units and the retroreflectors can be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: four localization units on a first retroreflector, one localization unit on a second retroreflector and one localization unit to a third retroreflector (four-one-one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-two-one); two localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (two-two-two).
Beispielsweise kann die Messvorrichtung den ersten Retroreflektor, den zweiten Retrore flektor und den dritten Retroreflektor aufweisen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung eine erste Lokalisierungseinheit, eine zweite Lokalisierungseinheit, eine dritte Lokalisie rungseinheit, eine vierte Lokalisierungseinheit, eine fünfte Lokalisierungseinheit und eine sechste Lokalisierungseinheit aufweisen. Die erste, die zweite, die dritte und die vierte Lo kalisierungseinheit können auf den ersten Retroreflektor ausgerichtet sein, auch als auf die sen eingelocked bezeichnet, und diesen beleuchten. Die fünfte Lokalisierungseinheit kann auf den zweiten Retroreflektor ausgerichtet sein und diesen beleuchten. Der dritte Retrore flektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Kon figuration vier-eins-eins. Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl in diesem als auch in den folgenden Beispielen die Ordnungszahlen der Retroreflektoren und Lokalisierungseinheiten als Bezeichnungen zur Unterscheidung verwendet werden. Dementsprechend können die Lokalisierungseinheiten untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Auch die Ret roreflektoren können untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Bezogen auf das obige Beispiel kann beispielsweise der zweite Retroreflektor von der sechsten Lokalisie rungseinheit beleuchtet sein und der dritte Retroreflektor kann von der fünften Lokalisie rungseinheit beleuchtet sein. Weitere Kombinationen sind möglich. For example, the measuring device can have the first retroreflector, the second retroreflector and the third retroreflector. For example, the measuring device can have a first localization unit, a second localization unit, a third localization unit, a fourth localization unit, a fifth localization unit and a sixth localization unit. The first, the second, the third and the fourth localization unit can be aligned with the first retroreflector, also referred to as being locked onto the latter, and illuminate it. The fifth localization unit can be aligned with the second retroreflector and illuminate it. The third retrorector can be illuminated by the sixth localization unit. This corresponds to the configuration four-one-one. It is pointed out that both in this and in the examples below, the ordinal numbers of the retroreflectors and localization units are used as designations to distinguish them. Accordingly, the localization units can be interchangeable or interchangeable. The retroreflectors can also be interchangeable or interchangeable. For example, based on the above example, the second retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit and the third retroreflector can be illuminated by the fifth localization unit. Other combinations are possible.
Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten und der dritten der Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-zwei- eins. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten und der zweiten der Loka lisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der dritten und der vierten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der fünften und der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration zwei-zwei-zwei. Vertauschungen der Lokalisierungseinheiten untereinander und der Ret- roreflektoren untereinander sind möglich. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, the second and the third of the localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the fourth and fifth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit. This corresponds to the configuration three-two-one. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first and the second of the localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the third and fourth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the fifth and the sixth localization unit. This corresponds to the configuration two-two-two. It is possible to interchange the localization units with each other and the reflector with each other.
Eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand, der Ret- roreflektoren zueinander und/oder eine relative Position, insbesondere eine räumliche Posi tion und/oder ein Abstand der Lokalisierungseinheiten zueinander können bekannt sein. Bei spielsweise kann die Messvorrichtung drei Retroreflektoren aufweisen und die Retroreflek- toren können in einer Ebene in Form eines Dreiecks angeordnet sein. Die Längen der Seiten des Dreiecks können bekannt sein. Unter der Voraussetzung, dass die relative Lage der Ret roreflektoren zueinander bekannt ist, kann eine Ausgestaltung der Messvorrichtung mit drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungseinheiten ausreichen, um aus einer Abfolge von mit den Lokalisierungseinheiten gemessenen Längenänderungen 3D-Trajektorien aller drei Retroreflektoren, bzw. eine 6D-Trajektorie eines Systems der Retroreflektoren zu rekonstru ieren. A relative position, in particular a spatial position and / or a distance, of the retroreflectors to one another and / or a relative position, in particular a spatial position and / or a distance of the localization units to one another, can be known. For example, the measuring device can have three retroreflectors and the retroreflectors can be arranged in one plane in the form of a triangle. The lengths of the sides of the triangle can be known. Provided that the relative position of the retroreflectors to one another is known, an embodiment of the measuring device with three retroreflectors and six localization units can suffice to generate 3D trajectories of all three retroreflectors, or a 6D, from a sequence of changes in length measured with the localization units. To reconstruct the trajectory of a system of retroreflectors.
Die Messvorrichtung kann mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sieben Lokali sierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sieben Ret roreflektoren aufweisen. Einer, insbesondere der erste der Retroreflektoren kann von maxi mal fünf der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Die übrigen mindestens zwei Lokali sierungseinheiten können auf die anderen beiden Retroreflektoren ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch andere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten auf die Retrore flektoren sind denkbar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflek toren und sieben Lokalisierungseinheiten die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflek toren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: fünf Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (fünf-eins-eins); vier Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisie rungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (vier-zwei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, drei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-drei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lo kalisierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-zwei). So kann einer der drei Retroreflektoren von vier der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein, einer der zwei weite ren Retroreflektoren kann von zwei weiteren der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein und der verbleibende der Retroreflektoren kann von der verbleibenden der Lokalisierungs einheiten beleuchtet sein. Insbesondere kann jeder der drei Retroreflektoren von mindestens zwei Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein, beispielsweise unter Nutzung der oben ausge führten Konfiguration drei-zwei-zwei. Eine Ausgestaltung mit mindestens sieben Lokalisie- rungseinheiten kann vorteilhaft sein, da eine Unterbrechung einer Sichtlinie (Line-Of-Sight- Unterbrechung) zwischen einem der Retroreflektoren und einem der ihn bestrahlenden Lo- kalisierungseinheiten, insbesondere eine Unterbrechung des Beleuchtungslichtstrahls, be ziehungsweise des reflektierten Lichtstrahls, nicht zu einem Ausfall der Messvorrichtung führt. Bei dieser Ausgestaltung kann ein Verlust oder Ausfall einer Lokalisierungseinheit folgenlos bleiben, da jeder Retroreflektor von mindestens zwei Lokalisierungseinheiten ver folgt wird. Weiter kann bei dieser Ausgestaltung auf ein Einmessen oder Kalibrieren der Lokalisierungseinheiten verzichtet werden, so dass alle Lokalisierungseinheiten gleich auf ihre Messposition, also auf„ihren“ Retroreflektor, ausgerichtet werden können. The measuring device can have at least three retroreflectors and at least seven localization units or at least three localization units and at least seven retro reflectors. One, in particular the first, of the retroreflectors can be illuminated by a maximum of five of the localization units. The remaining at least two localization units can be aligned with and illuminate the other two retroreflectors. Other orientations of the localization units on the retro reflectors are also conceivable. In particular, when using three retroreflectors and seven localization units, the localization units and the retroreflectors can be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: five localization units on the first retroreflector, one localization unit on the second retroreflector and one localization unit on the third Retroreflector (five-one-one); four localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (four-two-one); three localization units on the first retroreflector, three localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-three-one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (three-two-two). Thus, one of the three retroreflectors can be illuminated by four of the localization units, one of the two further retroreflectors can be illuminated by two further of the localization units and the remaining one of the retroreflectors can be illuminated by the remaining one of the localization units. In particular, each of the three retroreflectors can have at least two localization units can be illuminated, for example using the configuration three-two-two outlined above. An embodiment with at least seven localization units can be advantageous since an interruption of a line of sight (line-of-sight interruption) between one of the retroreflectors and one of the localization units irradiating it, in particular an interruption of the illuminating light beam or the reflected light beam , does not lead to a failure of the measuring device. In this embodiment, a loss or failure of a localization unit can have no consequences since each retroreflector is followed by at least two localization units. With this configuration, there is also no need to calibrate or calibrate the localization units, so that all localization units can be aligned equally with their measurement position, ie with “their” retroreflector.
Beispielsweise kann die Messvorrichtung den ersten Retroreflektor, den zweiten Retrore flektor und den dritten Retroreflektor aufweisen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung die erste Lokalisierungseinheit, die zweite Lokalisierungseinheit, die dritte Lokalisierungs- einheit, die vierte Lokalisierungseinheit, die fünfte Lokalisierungseinheit, die sechste Loka lisierungseinheit und eine siebte Lokalisierungseinheit aufweisen. Der erste Retroreflektor kann von der ersten, der zweiten, der dritten, der vierten und der fünften Lokalisierungsein heit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der siebten Lokalisierungseinheit be leuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration fünf-eins-eins. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ordnungszahlen der Retroreflektoren und Lokalisierungseinheiten als Bezeichnun gen und zur Unterscheidung verwendet werden. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten der Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der fünften und der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der siebten Lokalisierungseinheit be leuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration vier-zwei- eins. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten und der dritten Lokalisierungseinheit be leuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der der vierten, der fünften und der sechs ten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der siebten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-drei-eins. Bei spielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten und der dritten Lokali sierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der sechs ten und der siebten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-zwei-zwei. Vertauschungen der Lokalisierungseinheiten untereinander und der Retrore flektoren untereinander sind möglich. Alternativ zu einer Ausgestaltung der Messvorrichtung mit mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten kann die Messvorrichtung mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs eindeutig identifizierbare Retroreflektoren aufweisen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen LIDAR-Sensor um fasst. Der LIDAR-Sensor kann durch Aufweitung des Beleuchtungslichtstrahls oder Scan nen mehr als einen Retroreflektor erfassen, insbesondere den gesamten Messbereich, bei spielsweise alle Retroreflektoren. Für die Ausrichtung der mindestens sechs Retroreflek toren und mindestens drei Lokalisierungseinheiten zueinander kann auf obige Beschreibung der Ausgestaltung der Messvorrichtung mit mindestens drei Retroreflektoren und mindes tens sechs Lokalisierungseinheiten verwiesen werden, wobei die mindestens drei Retrore flektoren durch die mindestens drei Lokalisierungseinheiten und die mindestens sechs Lo kalisierungseinheiten durch die mindestens sechs Retroreflektoren ersetzt werden. Die Be leuchtungslichtstrahlen der Lokalisierungseinheiten, insbesondere der LID AR- Sensoren, können, beispielsweise mittels einer Vorrichtung zur Strahlaufweitung, derart aufgeweitet sein, dass die Lokalisierungseinheit mit dem aufgeweiteten Beleuchtungslichtstrahl mehr als einen Retroreflektor, beispielsweise zwei oder auch mehr Retroreflektoren, überstrahlt. Die mindestens sechs Retroreflektoren können beispielsweise auf diese Weise mit den Beleuch tungslichtstrahlen der mindestens drei Lokalisierungseinheiten gleichzeitig beleuchtet sein, auch wenn eine Anzahl der Lokalisierungseinheiten eine Anzahl der Retroreflektoren unter schreitet. Alternativ oder zusätzlich können die Lokalisierungseinheiten die Retroreflektoren scannen, beispielsweise mittels eines Laserlinien- oder Laserrasterscans. Beispielsweise kann mindestens eine der Lokalisierungseinheiten durch eine veränderbare Ausrichtung des Beleuchtungslichtstrahls eine Mehrzahl von Retroreflektoren, beispielsweise zwei oder auch mehr Retroreflektoren scannen, insbesondere abwechselnd in kurzen zeitlichen Abständen beleuchten. For example, the measuring device can have the first retroreflector, the second retroreflector and the third retroreflector. For example, the measuring device can have the first localization unit, the second localization unit, the third localization unit, the fourth localization unit, the fifth localization unit, the sixth localization unit and a seventh localization unit. The first retroreflector may be illuminated by the first, second, third, fourth and fifth localization units. The second retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit. The third retroreflector can be illuminated by the seventh localization unit. This corresponds to the five-one-one configuration. It is pointed out that the atomic numbers of the retroreflectors and localization units are used as designations and for differentiation. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, second, third and fourth of the localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the fifth and the sixth localization unit. The third retroreflector can be illuminated by the seventh localization unit. This corresponds to the configuration four-two-one. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, the second and the third localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the fourth, fifth and sixth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the seventh localization unit. This corresponds to the configuration three-three-one. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, second and third localization units. The second retroreflector can be illuminated by that of the fourth and fifth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the sixth and seventh localization units. This corresponds to the configuration three-two-two. It is possible to interchange the localization units with one another and the retrore reflectors with one another. As an alternative to an embodiment of the measuring device with at least three retroreflectors and at least six localization units, the measuring device can have at least three localization units and at least six clearly identifiable retroreflectors, each of the localization units comprising at least one LIDAR sensor. The LIDAR sensor can detect more than one retroreflector by expanding the illuminating light beam or scanning, in particular the entire measuring range, for example all retroreflectors. For the alignment of the at least six retroreflectors and at least three localization units to one another, reference can be made to the above description of the configuration of the measuring device with at least three retroreflectors and at least six localization units, the at least three retroreflectors by the at least three localization units and the at least six localization units be replaced by the at least six retroreflectors. The illumination light beams of the localization units, in particular the LID AR sensors, can be expanded, for example by means of a device for beam expansion, in such a way that the localization unit with the expanded illumination light beam outshines more than one retroreflector, for example two or more retroreflectors. In this way, for example, the at least six retroreflectors can be simultaneously illuminated with the illuminating light beams of the at least three localization units, even if a number of the localization units falls below a number of the retroreflectors. Alternatively or additionally, the localization units can scan the retroreflectors, for example by means of a laser line or laser raster scan. For example, at least one of the localization units can scan a plurality of retroreflectors, for example two or more retroreflectors, in particular alternately illuminate them at short time intervals by changing the alignment of the illuminating light beam.
Die Retroreflektoren können als„Fix-Stem-Himmel“ mit vergleichsweise nahen Sternen fungieren, so dass mit abstandsmessender Messtechnik eine hochgenaue Messung von Ort und Lage im Raum möglich ist. Eine derartige Anordnung mit einer Betrachtungsrichtung nach außen kann auch als„invertierte Navigation“ bezeichnet werden. Die Messvorrichtung kann in dieser Ausführungsform eine Mehrzahl von Retroreflektoren aufweisen, beispiels weise eine Retroreflektorverteilung. Eine Vielzahl von Permutationsmöglichkeiten für die invertierte Navigation, insbesondere die Möglichkeit einer Verwendung einer Retroreflek torverteilung, mit welchen Line-Of-Sight-Unterbrechungen beispielsweise aufgrund von Störkonturen von Werkstück und/oder Maschine folgenlos für eine Bestimmung der 6D- Information ist, sind denkbar. Die Retroreflektoren können an dem Messobjekt angeordnet sein und die Lokalisierungs einheiten können im Raum angeordnet sein und/oder die Lokalisierungseinheiten können an dem Messobjekt angeordnet sein und die Retroreflektoren können im Raum angeordnet sein. Die Retroreflektoren können weit auseinanderhegend angeordnet sein. Die Retroreflektoren können gemeinsam mit den Lokalisierungseinheiten ein Arbeitsvolumen aufspannen und/o der definieren. Die Retroreflektoren können derart angeordnet sein, dass sie innerhalb des Arbeitsvolumens weit auseinanderhegen. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstehung und/oder Befestigung der Lokalisierungs- einheiten. Insbesondere können, beispielsweise im Falle einer Messvorrichtung mit mindes tens der Lokalisierungseinheiten in Form von LID AR- Sensoren und mindestsens sechs Ret roreflektoren, die mindestens drei LID AR- Sensoren an dem Messobjekt angebracht sein und die mindestens sechs, insbesondere sieben, Retroreflektoren können im Raum angeordnet sein. Auch die Retroreflektoren können jeweils mindestens eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstehung und/oder Befestigung der Retroreflektoren. The retroreflectors can act as a "fixed-stem sky" with comparatively close stars, so that with distance-measuring technology, a highly precise measurement of location and position in space is possible. Such an arrangement with a viewing direction to the outside can also be referred to as “inverted navigation”. In this embodiment, the measuring device can have a plurality of retroreflectors, for example a retroreflector distribution. A large number of permutation options for inverted navigation, in particular the possibility of using a retroreflector distribution, with which line-of-sight interruptions, for example due to interference contours of the workpiece and / or machine, are inconsequential for determining the 6D information, are conceivable. The retroreflectors can be arranged on the measurement object and the localization units can be arranged in the room and / or the localization units can be arranged on the measurement object and the retroreflectors can be arranged in the room. The retroreflectors can be arranged far apart. Together with the localization units, the retroreflectors can span and / or define a working volume. The retroreflectors can be arranged such that they are widely separated within the working volume. The localization units can each have a holder for arranging, standing up and / or fastening the localization units. In particular, for example in the case of a measuring device with at least the localization units in the form of LID AR sensors and at least six retro reflectors, the at least three LID AR sensors can be attached to the measurement object and the at least six, in particular seven, retroreflectors can be in the room be arranged. The retroreflectors can also each have at least one holder for arranging, standing up and / or fastening the retroreflectors.
Die Messvorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen. Unter einer„Steuereinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens ein Bauteil oder einen Prozess zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf weisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Steuereinheit kann insbesondere als zentrale Steuereinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Steuereinheit kann weiterhin min destens eine Benutzerschnittstehe aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Lokalisie- rungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten. Die Steuereinheit kann einge richtet sein, eine Bewegung der Lokalisierungseinheiten zu steuern oder zu regeln. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein eine Geschwindigkeit einer Bewegung der Retrore flektoren zu bestimmen. Beispielsweise können die Lokalisierungseinheiten der Messvor richtung als FMCW-LIDAR-Sensoren ausgebildet sein. Die Messvorrichtung kann einge richtet sein eine Bewegung des Messobjekts durch Nach verfolgen, auch Tracking genannt, der auf dem Messobjekt angebrachten Retroreflektoren zu bestimmen. Bei einer Abstands messung der Retroreflektoren von den Lokalisierungseinheiten kann bei bewegten Retrore flektoren unter Ausnutzung der bei den FMCW-LIDAR-Sensoren auftretenden Dopplerver schiebung die Geschwindigkeiten der Retroreflektoren, insbesondere des Retroreflektoren- sembles, mit der Messvorrichtung instantan bestimmbar sein. Dies kann insbesondere für eine Bewegungsregelung einer Maschine von großem Vorteil sein. Bei Nutzung der FMCW- LIDAR-Sensoren als Lokalisierungseinheiten kann direkt ein Signal gemäß der Bewegung des Retroreflektors erzeugt werden. Die FMCW-Lidar-Sensoren können den Vorteil aufwei sen, dass sich die Bewegung eines Objektes direkt als Signal äußert. Die Bewegung des Retroreflektors kann zu einer Dopplerverschiebung einer Schwebungsfrequenz führen, wo bei die Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz den Abstand des Retroreflektors ko dieren kann. Die Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz kann zu jedem Zeitpunkt vorliegen. Beispielsweise kann es nötig sein, die Dopplerverschiebung der Schwebungsfre quenz zu verrechnen, um den Abstand des Retroreflektors bei sich bewegendem Retrore- flektor mit einer gewünschten Genauigkeit ermitteln zu können. Eine Information über eine Momentangeschwindigkeit des Retroreflektors kann als Messsignal in Form der Dopp lerverschiebung der Schwebungsfrequenz jederzeit vorliegen und damit die Geschwindig keit des Retroreflektors instantan bestimmbar sein. Bei Messsystemen, die auf Interferomet rie beruhen, kann die Geschwindigkeit des Retroreflektors nur aus dem räumlichen Abstand zweier zeitlich beabstandeter Messungen errechenbar sein. The measuring device can have a control unit. In the context of the present invention, a “control unit” can basically be understood to be a device which is set up to control or regulate at least one component or process. For example, the control unit can have at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The control unit can in particular be designed as a central control unit for the entire measuring device. Alternatively, however, a decentralized evaluation unit with several individual, cooperating components is also possible. The control unit can furthermore have at least one user interface, for example at least one keyboard and / or at least one display. The control unit can be set up to align the localization units relative to the retroreflectors. The control unit can be set up to control or regulate a movement of the localization units. The measuring device can be set up to determine a speed of a movement of the retro reflectors. For example, the localization units of the measuring device can be designed as FMCW LIDAR sensors. The measuring device can be set up to determine a movement of the measurement object by tracking, also called tracking, the retroreflectors attached to the measurement object. When measuring the distance of the retroreflectors from the localization units, the speeds of the retroreflectors, in particular of the retroreflector ensemble, can be determined instantaneously with the measuring device in the case of moving retroreflectors using the Doppler shift occurring in the FMCW LIDAR sensors. This can be of great advantage in particular for motion control of a machine. When using the FMCW-LIDAR sensors as localization units, a signal can be sent directly according to the movement of the retroreflector are generated. The FMCW lidar sensors can have the advantage that the movement of an object is directly expressed as a signal. The movement of the retroreflector can result in a Doppler shift of a beat frequency, where the distance of the retroreflector can co-exist in the Doppler shift of the beat frequency. The Doppler shift of the beat frequency can be present at any time. For example, it may be necessary to calculate the Doppler shift of the beat frequency in order to be able to determine the distance of the retroreflector with the desired accuracy when the retroreflector is moving. Information about an instantaneous speed of the retroreflector can be present at any time as a measurement signal in the form of a double shift of the beat frequency and thus the speed of the retroreflector can be determined instantaneously. In measurement systems based on interferometry, the speed of the retroreflector can only be calculable from the spatial distance between two measurements that are spaced apart in time.
Die Messvorrichtung weist weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit auf, welche einge richtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein 3D-Trajektorien aller drei Retroreflektoren, bzw. eine 6D-Trajektorie eines Systems der Ret- roreflektoren zu rekonstruieren. Unter einer„Auswerteeinheit“ kann im Rahmen der vorlie genden Erfindung grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen oder mehrere Auswerteschritte durchzuführen. Beispielsweise kann die Auswer teeinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindes tens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Auswerteeinheit kann insbesondere als zent rale Auswerteeinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzer schnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Messsignale der Lokalisierungs einheiten aufzunehmen und zu verarbeiten. The measuring device also has at least one evaluation unit, which is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units. The evaluation unit can be set up to reconstruct 3D trajectories of all three retroreflectors or a 6D trajectory of a system of retro reflectors. In the context of the present invention, an “evaluation unit” can in principle be understood as a device which is set up to carry out one or more evaluation steps. For example, the evaluation unit can have at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The evaluation unit can in particular be designed as a central evaluation unit for the entire measuring device. Alternatively, however, a decentralized evaluation unit with several individual, cooperating components is also possible. The evaluation unit can furthermore have at least one user interface, for example at least one keyboard and / or at least one display. The evaluation unit can be set up to record and process the measurement signals of the localization units.
Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, die räumlichen Position und Orientierung des Messob jektes aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten zu bestimmen. Die Auswerteein heit kann eingerichtet sein mindestens ein Multilaterationsverfahren, insbesondere ein weiter unten beschriebenes Multilaterationsverfahren, zur Bestimmung der 6D-Information durch zuführen. Unter einem„Multilaterationsverfahren“ kann im Rahmen der vorliegenden Er findung grundsätzlich ein beliebiges Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position mindestens eines Punktes verstanden werden, wobei das Verfahren auf der Verwendung von Abständen des Punktes zu einer Mehrzahl von weiteren Punkten beruht. Die Abstände kön nen durch Abstandsmessungen bestimmt werden. Zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines dreidimensionalen Objekts mit dem Multilaterationsverfahren kön nen beispielsweise die räumlichen Positionen von mindestens drei von dem Objekt umfass ten Punkten bestimmt werden. The evaluation unit is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units. The evaluation unit can be set up to carry out at least one multilateration method, in particular a multilateration method described below, for determining the 6D information. In the context of the present invention, a “multilateration method” can basically be understood to mean any method for determining the spatial position of at least one point, the method being based on the use of Distances of the point based on a plurality of further points. The distances can be determined by distance measurements. To determine the spatial position and orientation of a three-dimensional object using the multilateration method, for example, the spatial positions of at least three points encompassed by the object can be determined.
Beispielsweise kann die Messvorrichtung drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungs einheiten aufweisen. Der erste Retroreflektor kann von der ersten, der zweiten und der dritten der Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Die relative Position des ersten, zweiten und dritten Retroreflektors kann zueinander bekannt und/oder vorbestimmt und/oder vorbe stimmbar sein. Beispielsweise kann die relative Position in einem Datenspeicher der Aus werteeinheit hinterlegt sein, beispielsweise in Form einer Lookup-Tabelle. Beispielsweise können die drei Retroreflektoren in Form eines Dreiecks an dem Messobjekt angeordnet sein. Der Ortsvektor des ersten Retroreflektors sei der Ortsvektor des zweiten Retrore- flektors sei und der Ortsvektor des dritten Retroreflektors sei Die bekannten und/oder vorbestimmten und/oder vorbestimmbaren Abstände zwischen den Retroreflektoren mit den Ortsvektoren und
Figure imgf000017_0001
und sowie und seien duv, duw und d™. Der Ortsvektor der ersten Lokalisierungseinheit sei
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der Ortsvektor der zweiten Lokalisierungseinheit sei der Ortsvektor der dritten Lokalisierungseinheit sei
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der Orts vektor der vierten Lokalisie rungseinheit sei
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der Ortsvektor der fünften Lokalisierungseinheit sei und der Orts
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For example, the measuring device can have three retroreflectors and six localization units. The first retroreflector can be illuminated by the first, the second and the third of the localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the fourth and fifth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit. The relative position of the first, second and third retroreflector can be known to one another and / or predetermined and / or predetermined. For example, the relative position can be stored in a data memory of the evaluation unit, for example in the form of a lookup table. For example, the three retroreflectors can be arranged in the form of a triangle on the measurement object. The location vector of the first retroreflector is the location vector of the second retroreflector and the location vector of the third retroreflector is the known and / or predetermined and / or predeterminable distances between the retroreflectors with the location vectors and
Figure imgf000017_0001
and as well and be d uv , d uw and d ™. The location vector of the first localization unit is
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the location vector of the second location unit is the location vector of the third location unit
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is the location vector of the fourth localization unit
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is the location vector of the fifth localization unit and the location
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vektor der sechsten Lokalisierungseinheit sei Beispielsweise können die Ortsvektoren
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The vector of the sixth localization unit is, for example, the location vectors
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der Lokalisierungseinheiten vorbekannt und/oder vorbestimmt und/oder vorbestimmbar sein, beispielsweise durch ein Kalibrierungsverfahren. Die Ortsvektoren der Lokalisierungs einheiten können in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit hinterlegt sein, beispielsweise in Form einer Lookup-Tabelle. Die drei der sechs Lokalisierungseinheiten mit den Ortsvek toren— — > und— » können den ersten Retroreflektor mit Ortsvektor beleuchten und zuthe localization units are known and / or predetermined and / or predeterminable, for example by a calibration method. The location vectors of the localization units can be stored in a data memory of the evaluation unit, for example in the form of a lookup table. The three of the six localization units with the location vectors— -> and— »can illuminate and close the first retroreflector with location vector
Ml M2 M3 u Ml M2 M3 u
diesem die Abstände h, h und h aufweisen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal der jeweiligen Lokalisierungseinheit die Abstände h, h und h zu bestim men. Ferner können die zwei Lokalisierungseinheiten mit den Ortsvektoren—> und—> den have the distances h, h and h. The evaluation unit can be set up to determine the distances h, h and h from the measurement signal of the respective localization unit. Furthermore, the two localization units with the location vectors—> and—> den
M 4 MS zweiten Retroreflektor mit Ortsvektor beleuchten und zu diesem die Abstände U und h aufweisen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal der jeweiligen Illuminate the M 4 MS second retroreflector with the location vector and have the distances U and h from it. The evaluation unit can be set up from the measurement signal of the respective
Lokalisierungseinheit die Abstände U und h zu bestimmen. Weiterhin kann die Lokalisie rungseinheit mit dem Ortsvektor— » den dritten Retroreflektor mit Ortsvektor beleuchten Localization unit to determine the distances U and h. Furthermore, the localization unit can illuminate the third retroreflector with the location vector with the location vector
M6  M6
und zu diesem den Abstand f, aufweisen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal der Lokalisierungseinheit den Abstand f, zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts nach dem folgendem Mult ilaterations- Verfahren zu bestimmen. Die Auswer teeinheit kann eingerichtet sein zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts das folgende Gleichungssystem zu lösen. Die Abstände f mit i = 1 bis 6 können durch die Ortsvektoren der Retroreflektoren und Lokalisierungseinheiten wie folgt beschrieben werden: für i = 1 bis 3 (1) and to this have the distance f. The evaluation unit can be set up to determine the distance f from the measurement signal of the localization unit. The evaluation unit can be set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object according to the following multilateration method. The evaluation unit can be set up to solve the following system of equations to determine the spatial position and orientation of the measurement object. The distances f with i = 1 to 6 can be described by the location vectors of the retroreflectors and localization units as follows: for i = 1 to 3 (1)
für i = 4 bis 5 (2)  for i = 4 to 5 (2)
für i = 6 (3). for i = 6 (3).
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Ferner gehen aus der Geometrie des von den drei Retroreflektoren gebildeten Dreiecks die folgenden Gleichungen hervor: duv2 = (ui - Vl )2 + (U2 -V2)2 + (U3 - V3)2 (4) The following equations also result from the geometry of the triangle formed by the three retroreflectors: duv 2 = (ui - Vl) 2 + (U2 -V2) 2 + (U3 - V3) 2 (4)
duw2 = (ui - Wl)2 + (U2 -W2)2 + (U3 - W3)2 (5) duw 2 = (ui - Wl) 2 + (U2 -W2) 2 + (U3 - W3) 2 (5)
dvw2 = (vi - Wl)2 + (V2 -W2)2 + (V3 - W3)2 (6), wobei ui, U2 und U3 die Vektorkomponenten des Ortsvektors
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vi, V2 und V3 die Vektor- komponenten des Ortsvektors und wi, W2 uns W3 die Vektorkomponenten des Ortsvektors sind. dvw 2 = (vi - Wl) 2 + (V2 -W2) 2 + (V3 - W3) 2 (6), where ui, U2 and U3 are the vector components of the location vector
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vi, V2 and V3 are the vector components of the location vector and wi, W2 and W3 are the vector components of the location vector.
Die Abstände f können in Vektorkomponentenschreibweise folgendermaßen bestimmt wer den: li2 = (Mn - ui)2 + (Mi2 - U2)2 + (Mi3 -U3)2 für i = 1 bis 3 (?) The distances f can be determined in vector component notation as follows: li 2 = (Mn - ui) 2 + (Mi2 - U2) 2 + (M i3 -U3) 2 for i = 1 to 3 (?)
li2 = (Mn - vi)2 + (Mi2 - V2)2 + (Mi3 -V3)2 für i = 4 bis 5 (8) li 2 = (Mn - vi) 2 + (M i2 - V2) 2 + (M i3 -V3) 2 for i = 4 to 5 (8)
li2 = (Mn - wi)2 + (Mi2 - W2)2 + (Mi3 -W3)2 für i = 6 (9), wobei Mn die x-Komponente des Ortsvektors der i-ten Lokalisierungseinheit, Mi2 die y- Komponente des Ortsvektors der i-ten Lokalisierungseinheit und Mΰ die z-Komponente des Ortsvektors der i-ten Lokalisierungseinheit ist. Bei einer Anzahl von M Lokalisierungsein heiten ergeben sich somit zusätzlich zu den drei aus der Geometrie des Dreiecks folgenden Gleichung (4), (5) und (6) für die 9 unbekannten Vektorkomponenten der Vektoren und M weitere Gleichungen, so dass insgesamt M + 3 Gleichungen für 9 Unbekannte vorliegen. Dieses Gleichungssystem ist ab einer Anzahl von M = 6 Lokalisierungseinheiten eindeutig lösbar. Wie oben ausgeführt können die Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten beispielsweise durch ein Kalibrierverfahren vorbestimmt sein. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein die Position und Orientierung ohne bekannte Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten zu bestimmen, insbesondere auf eine Kalibrierung zu verzichten. Bei Verwendung einer Mess vorrichtung mit drei Retroreflektoren und mindestens sieben Lokalisierungseinheiten kann auf den Kalibrierungsschritt verzichtet werden. Für einen ersten Messzeitpunkt mit M Lo kalisierungseinheiten können sich 3+M Gleichungen mit 3 M + 3 -3 Unbekannten ergeben. Für jeden weiteren Messzeitpunkt können sich weitere 3+M Gleichungen und weitere 3 -3 Unbekannte ergeben. Ein solches Gleichungssystem kann eindeutig lösbar sein unter der Bedingung, dass li 2 = (Mn - wi) 2 + (M i2 - W2) 2 + (M i3 -W3) 2 for i = 6 (9), where Mn is the x component of the location vector of the i th localization unit, Mi2 the y - Component of the location vector of the i-th localization unit and M ΰ is the z component of the location vector of the i-th localization unit. With a number of M localization units, in addition to the three equations (4), (5) and (6) resulting from the geometry of the triangle, there are further equations for the 9 unknown vector components of the vectors and M, so that a total of M + 3 Equations for 9 unknowns are available. This system of equations can be clearly solved from a number of M = 6 localization units. As stated above, the location vectors of the localization units can be predetermined, for example, by a calibration method. The measuring device can be set up to determine the position and orientation without known location vectors of the localization units, in particular to dispense with calibration. When using a measuring device with three retroreflectors and at least seven localization units, the calibration step can be omitted. For a first measurement point with M localization units, 3 + M equations with 3 M + 3 -3 unknowns can result. For each additional time of measurement, further 3 + M equations and further 3 -3 unknowns can result. Such a system of equations can be clearly solved on the condition that
3+M > 3 -3 (10) gilt. Diese Bedingung ist ab einer Anzahl von M = 7 Lokalisierungseinheiten erfüllt. In ei nem solchen Fall kann die Bestimmung von der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts mittels der Messvorrichtung ohne die weiter unten noch näher erläuterte Kalib rierung durchführbar sein. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein eine Messung der Abstände von den Lokalisierungseinheiten zu den jeweiligen Retroreflektoren an einer Mehrzahl von Messzeitpunkten durchzuführen. Insbesondere kann die Messvorrichtung ein gerichtet sein eine Messung der Abstände von den Lokalisierungseinheiten zu den jeweili gen Retroreflektoren an N Messzeitpunkten durchzuführen. Bei M Lokalisierungseinheiten kann für die Anzahl N der Messzeitpunkte folgende Bedingung gelten 3 + M> 3 -3 (10) applies. This condition is fulfilled from a number of M = 7 localization units. In such a case, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object by means of the measurement device can be carried out without the calibration explained in more detail below. The measuring device can be set up to measure the distances from the localization units to the respective retroreflectors at a plurality of measuring times. In particular, the measuring device can be arranged to carry out a measurement of the distances from the localization units to the respective retroreflectors at N measuring times. With M localization units, the following condition can apply to the number N of measurement times
N·(3+M) > 3 ·M + N·3 ·3 (11) N · (3 + M)> 3 · M + N · 3 · 3 (11)
N- (3+M-3+3) > 3 -M (12) N- (3 + M-3 + 3)> 3 -M (12)
N-> (13) N-> (13)
~ 3+M— 3-3 ~ 3 + M— 3-3
Für M = 7 Lokalisierungseinheiten kann die Messvorrichtung eingerichtet sein eine Messung der Abstände von den Lokalisierungseinheiten zu den jeweiligen Retroreflektoren an N Messzeitpunkten mit For M = 7 localization units, the measuring device can be set up to measure the distances from the localization units to the respective retroreflectors at N measuring times
N >— = 21 (14) N> - = 21 (14)
durchzuführen. Aus den 21 Messzeitpunkten ergeben sich bei 7 Lokalisierungseinheiten pro Messung 3 + M = 10 Gleichungen sowie 3 -M + 3 -3 Unbekannte für die erste Messung und jeweils 3 -3 Unbekannte für jede weitere Messung, so dass sich bei 21 Messungen 210 Glei chungen mit 210 Unbekannten ergeben und das Gleichungssystem demnach eindeutig lösbar ist. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, eine Kalibrierung durchzuführen, insbesondere zur Bestimmung der Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, bei der Kalibrierung die räumlichen Positionen der Lokalisierungseinhei ten zu bestimmen. Die Messvorrichtung kann sechs Lokalisierungseinheiten und drei Ret- roreflektoren aufweisen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Lokalisierungseinhei ten in der Kalibrierung auf einen einzigen Retroreflektor auszurichten. Zur Bestimmung der Position einer der Lokalisierungseinheiten relativ zu dem einen der Reflektoren kann zu nächst der Abstand ALj der Lokalisierungseinheit zu dem Retroreflektor zu insgesamt 6perform. From the 21 measurement times, 7 localization units per measurement result in 3 + M = 10 equations as well as 3 -M + 3 -3 unknowns for the first measurement and 3 -3 unknowns for each subsequent measurement, so that 210 equations result in 21 measurements with 210 unknowns and the system of equations is therefore clearly solvable. The evaluation unit can be set up to carry out a calibration, in particular for determining the location vectors of the localization units. The evaluation unit can be set up to determine the spatial positions of the localization units during calibration. The measuring device can have six localization units and three retro reflectors. The control unit can be set up to align the localization units in the calibration to a single retroreflector. To determine the position of one of the localization units relative to the one of the reflectors, the distance ALj of the localization unit to the retroreflector can be set to a total of 6
Messzeitpunkten, gekennzeichnet mit j=l bis 6, bestimmt werden, so dass sich für die Kom ponenten des Ortsvektors— > der Lokalisierungseinheit und den gemessenen Abständen ALj Measurement times, marked with j = 1 to 6, are determined so that for the components of the location vector—> the localization unit and the measured distances ALj
X tv  X tv
folgendes Gleichungssystem ergibt: the following system of equations results:
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Figure imgf000020_0001
roreflektors zu den Messzeitpunkten j sein. Weiter können xtr, ytr und ztr die Vektorkompo nenten des Vektors— » der Lokalisierungseinheit sein. In Vektorschreib weise ergibt sich: roreflektor at the measuring times j. Furthermore, x tr , y tr and z tr can be the vector components of the vector of the localization unit. In vector notation we get:
Xtr
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was auch folgendermaßen geschrieben werden kann: mit j = 1 bis 6 (22)Xtr
Figure imgf000020_0002
which can also be written as follows: with j = 1 to 6 (22)
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Für die Messvorrichtung mit einer Anzahl von i Lokalisierungseinheiten, welche zur Kalib rierung alle auf einen der Retroreflektoren gerichtet sein können, und j Messzeitpunkten ergibt sich damit: und For the measuring device with a number of i localization units, which can all be directed to one of the retroreflectors for calibration, and j measuring times, the result is: and
ALji2 = (Xj - Xtr i)2 + (yj - ytr i)2 + (z; - ztr i)2 (24) ALji 2 = (Xj - Xtr i) 2 + (yj - ytr i) 2 + (z; - z tr i) 2 (24)
Die Messvorrichtung, insbesondere die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die Abstände ALji zwischen der jeweiligen Loka lisierungseinheit und dem einem Retroreflektor zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten durch Lösung des Glei chungssystems (24) zu bestimmen. Bei einem Gleichungssystem (24) ergeben sich j - i Glei chungen mit 3 · i + 3 · j Unbekannten. Bei Verwendung der Messvorrichtung mit i = 6 Loka lisierungseinheiten ergeben sich also j-6 Gleichungen und 3 · 6 + 3 · j Unbekannte. Die Mess vorrichtung kann eingerichtet sein eine Bestimmung der Abstände ALi an j Messzeitpunkten durchzuführen, wobei die Anzahl der Messzeitpunkte die Bedingung j-6 > 3 -6 + 3 - j erfüllt. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein das Gleichungssystem (24) eindeutig zu lösen bei j > 6 Messzeitpunkten, beispielsweise in Form von einer Messung und fünf Wiederho lungen. The measuring device, in particular the evaluation unit, can be set up to determine the distances ALji between the respective localization unit and a retroreflector from the measurement signals of the localization units. The evaluation unit can be set up to determine the location vectors of the localization units by solving the equation system (24). In a system of equations (24) there are j - i equations with 3 · i + 3 · j unknowns. When using the measuring device with i = 6 localization units, this results in j-6 equations and 3 · 6 + 3 · j unknowns. The measuring device can be set up to determine the distances ALi at j measuring times, the number of measuring times fulfilling the condition j-6> 3 -6 + 3 - j. The evaluation unit can be set up to uniquely solve the system of equations (24) at j> 6 measurement times, for example in the form of one measurement and five repetitions.
Weiter kann die Messvorrichtung eingerichtet sein, eine aufgrund von schwankenden Luft säuleneigenschaften schwankende optische Pfadlänge zu korrigieren. Insbesondere können die Lokalisierungseinheiten der Messvorrichtung als FMCW-LIDAR-Sensoren ausgebildet sein. Die Bestimmung von Abständen zwischen den FMCW-LIDAR-Sensoren und dem je weils mindestens einen von dem FMCW-LIDAR-Sensor beleuchteten Retroreflektor kann wiederholt durchgeführt werden. Die Messung der Abstände mit den FMCW-LIDAR-Sen soren kann schnell erfolgen, derart dass aus mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bestim mungen der Abstände Änderungen der optischen Pfadlänge zwischen den FMCW-LIDAR- Sensoren und den Retroreflektoren, welche auf Schwankungen der Luftsäuleneigenschaften, insbesondere auf Temperatureinflüsse, beruhen können, ermittelbar und korrigierbar sein können. Insbesondere können die Änderungen der optischen Pfadlänge langsam sein im Ver gleich zu den aufeinanderfolgenden Bestimmungen der Abstände zwischen den FMCW-LI DAR-Sensoren und den Retroreflektoren. Dies stellt einen weiteren großen Vorteil der be schriebenen Messvorrichtung mit Lokalisierungseinheiten in Form von FMCW-LIDAR- Sensoren dar. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen. Das Koordinatenmessgerät um fasst mindestens eine Messvorrichtung gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder ge mäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen. Weiterhin weist das Ko ordinatenmessgerät mindestens ein Messobjekt auf, welches eingerichtet ist, das Werkstück abzutasten. Insbesondere kann das Messobjekt die Lokalisierungseinheiten oder die Retrore- flektoren aufweisen. Unter einem„Koordinatenmessgerät“ kann im Rahmen der vorliegen den Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche einge richtet ist, zumindest eine Raumkoordinate eines Objekts, beispielsweise eine x-, y- oder z- Koordinate eines kartesischen Koordinatensystems oder eine Kugelkoordinate eines Kugel koordinatensystems, zu erfassen oder zu bestimmen. Unter einer„Vermessung“ eines Ob jekts kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Bestimmen, das Ableiten und/oder das Registrieren mindestens einer Eigenschaft des Objekts verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um einen Abstand des Objekts von dem Messobjekt und/o der um eine Position, eine Lage oder eine Stellung des Objekts im Raum oder relativ zu dem Messobjekt handeln. Weiter kann es sich bei der Eigenschaft auch um eine Beschaffenheit, beispielsweise eine Oberflächenbeschaffenheit handeln. Unter einem„Werkstück“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Objekt verstanden werden, dessen Vermessung beispielsweise im Rahmen eines Arbeitsprozesses, insbesondere zur Ausrichtung des Objekts, erforderlich oder erwünscht ist. Unter einem„Abtasten“ des Werk stücks kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein In-Wechselwirkung- Treten des Messobjekts mit dem Werkstück verstanden werden. Hierbei kann es sich bei spielsweise um ein taktiles oder ein optisches Abtasten handeln. Gleichberechtigt kann die Wechselwirkung zwischen Messobjekt und Werkstück aber auch eine Bearbeitung, bzw. allgemeiner Modifikation und/oder Manipulation sein, beispielsweise ein CNC-geregelter Präzisionsbearbeitungs- bzw. Füge- und/oder Montageschritt. Furthermore, the measuring device can be set up to correct an optical path length that fluctuates due to the properties of the air column. In particular, the localization units of the measuring device can be designed as FMCW LIDAR sensors. The determination of distances between the FMCW-LIDAR sensors and the respective at least one retroreflector illuminated by the FMCW-LIDAR sensor can be carried out repeatedly. The measurement of the distances with the FMCW-LIDAR sensors can be carried out quickly, so that from at least two successive determinations of the distances, changes in the optical path length between the FMCW-LIDAR sensors and the retroreflectors, which are due to fluctuations in the air column properties, in particular temperature effects , can be based, can be determined and correctable. In particular, the changes in the optical path length can be slow compared to the successive determinations of the distances between the FMCW-LI DAR sensors and the retroreflectors. This represents another great advantage of the measuring device described with localization units in the form of FMCW LIDAR sensors. In a further aspect of the present invention, a coordinate measuring machine for measuring at least one workpiece is proposed. The coordinate measuring machine comprises at least one measuring device according to one of the embodiments described above or according to one of the embodiments described below. Furthermore, the coordinate measuring device has at least one measurement object, which is set up to scan the workpiece. In particular, the measurement object can have the localization units or the retroreflectors. In the context of the present invention, a “coordinate measuring device” can basically be understood to mean any device that is set up, at least one spatial coordinate of an object, for example an x, y or z coordinate of a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate of a spherical coordinate system , capture or determine. In the context of the present invention, “measuring” an object can be understood to mean determining, deriving and / or registering at least one property of the object. In particular, the property can be a distance of the object from the measurement object and / or that of a position, a position or a position of the object in space or relative to the measurement object. Furthermore, the property can also be a condition, for example a surface condition. In the context of the present invention, a “workpiece” can basically be understood to mean any object whose measurement is necessary or desired, for example, as part of a work process, in particular for aligning the object. In the context of the present invention, “scanning” of the workpiece can basically be understood to mean that the measurement object interacts with the workpiece. This can be, for example, tactile or optical scanning. However, the interaction between the measurement object and the workpiece can also have the same status as machining or general modification and / or manipulation, for example a CNC-controlled precision machining or joining and / or assembly step.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung gemäß einer der weiter oben be schriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen vor geschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt die Retrore- flektoren oder die Lokalisierungseinheiten aufweist; In a further aspect of the present invention, a method for measuring at least one measurement object with a measurement device according to one of the embodiments described above or according to one of the embodiments described below is proposed. The method comprises the following steps: a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the retroreflectors or the localization units;
b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls mit jeder der Lokalisierungs einheiten und Beleuchten der Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen, wo bei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuch tet wird; b) generating the at least one illuminating light beam with each of the localization units and illuminating the retroreflectors with the illuminating light beams, where at least one of the retroreflectors illuminates in each of the locating units, wherein each of the retroreflectors is illuminated by at least one localization unit;
c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren reflektierten Licht strahlen und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungsein- heiten, insbesondere aus den empfangenen Lichtstahlen, wobei jede der Lokalisie- rungseinheiten den reflektierten Lichtstrahl des von ihr beleuchteten Retroreflektors empfängt; und c) receiving in each case at least one of the light reflected by the retroreflectors and generating at least one measurement signal with each of the localization units, in particular from the received light beams, each of the localization units receiving the reflected light beam from the retroreflector illuminated by it; and
d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts aus den Mess signalen der Lokalisierungseinheiten mit der mindestens einen Auswerteeinheit. d) determining the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units with the at least one evaluation unit.
Hinsichtlich Ausführungsformen und Definitionen kann auf obige Beschreibung der Mess vorrichtung und des Koordinatenmessgeräts verwiesen werden. Die Verfahrensschritte kön nen in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können wei tere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. With regard to embodiments and definitions, reference can be made to the above description of the measuring device and the coordinate measuring machine. The method steps can be carried out in the order given, wherein one or more of the steps can at least partially also be carried out simultaneously and one or more of the steps can be repeated several times. In addition, regardless of whether or not they are mentioned in the present application, further steps can also be carried out.
Das Verfahren kann insbesondere in Schritt b) ein Ausrichten jeder der Lokalisierungsein heiten oder zumindest einer der Lokalisierungseinheiten umfassen derart, dass die Retrore flektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen beleuchtet werden, wobei jede der Lokalisie rungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retrore flektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuchtet wird. The method can in particular in step b) align each of the localization units or comprise at least one of the localization units such that the retroreflectors are illuminated with the illuminating light beams, each of the localization units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors of at least a localization unit is illuminated.
Bezüglich des Bestimmens der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts mit der Auswerteeinheit in Schritt d) kann auf das oben beschriebene Multilaterationsverfahren verwiesen werden. With regard to the determination of the spatial position and orientation of the measurement object with the evaluation unit in step d), reference can be made to the multilateration method described above.
Das Verfahren kann insbesondere weiterhin mindestens einen Kalibrierungsschritt aufwei sen, wobei der Kalibrierungsschritt die folgenden Verfahrensschritte umfasst: In particular, the method can also have at least one calibration step, the calibration step comprising the following method steps:
A) Beleuchten eines der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten; A) illuminating one of the retroreflectors with each of the location units;
B) Empfangen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten; und  B) receiving the light beams reflected by the retroreflector and generating measurement signals with the localization units; and
C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit. Bezüglich des Bestimmens der räumlichen Position der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit kann auf die oben beschriebene Kalibrierung, insbesondere auf die Glei chungen (15) bis (24), verwiesen werden. C) Determining a spatial position for each of the localization units from the measurement signals of the localization units with the evaluation unit. With regard to determining the spatial position of the localization units with the evaluation unit, reference can be made to the calibration described above, in particular to the equations (15) to (24).
Insbesondere kann in Schritt A) ein einzelner der Retroreflektoren von allen Lokalisierungs- einheiten beleuchtet werden. Der Verfahrensschritt A) des Kalibrierungsschritts kann wei terhin ein Ausrichten jeder der Lokalisierungseinheiten oder zumindest eines Teils der Lo- kalisierungseinheiten umfassen derart, dass der eine, insbesondere ein einzelner, der Ret roreflektoren von allen Lokalisierungseinheiten mit jeweils mindestens einem Beleuch- tungslichtstrahl beleuchtet wird. In particular, in step A) a single one of the retroreflectors can be illuminated by all localization units. Method step A) of the calibration step can furthermore include aligning each of the localization units or at least part of the localization units such that one, in particular a single one, of the retroreflectors is illuminated by at least one illumination light beam from all localization units.
Weiterhin kann in Schritt B) jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen empfangen und ein Messsignal erzeugen, insbe sondere aus oder gemäß dem empfangenen, reflektierten Lichtstrahl. Ferner können die Schritte A) und B) mehrfach, insbesondere mindestens fünf Mal, beispielsweise genau fünf Mal wiederholt werden, so dass die Schritte A) und B) insgesamt mindestens sechs Mal, beispielsweise genau sechs Mal, ausgeführt werden. Dadurch kann es möglich sein, mindes tens ein Gleichungssystem zur Bestimmung von Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten eindeutig zu lösen, beispielsweise im Rahmen von Verfahrensschritt C) des Kalibrierungs verfahrens. Insbesondere kann Schritt C) weiterhin das Bestimmen von Abständen zwischen dem einen Retroreflektor und den Lokalisierungseinheiten umfassen. Furthermore, in step B) each of the localization units can receive at least one of the light beams reflected by the retroreflector and generate a measurement signal, in particular from or according to the received, reflected light beam. Furthermore, steps A) and B) can be repeated several times, in particular at least five times, for example exactly five times, so that steps A) and B) are carried out at least six times, for example exactly six times. This can make it possible to uniquely solve at least one system of equations for determining location vectors of the localization units, for example in the course of method step C) of the calibration method. In particular, step C) can further comprise determining distances between the one retroreflector and the localization units.
Der Kalibrierungsschritt kann dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts vorausgehen. Dementsprechend kann sich der Schritt b) dem Schritt C) des Kalibrierungsschritts anschließen. Insbesondere kann das Beleuchten der Retroreflek toren mit den Beleuchtungslichtstrahlen in Schritt b), wobei jede der Lokalisierungseinhei ten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuchtet wird, nach dem Beleuchten des einen der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten in Schritt A) ein erneutes Ausrichten der Lokalisierungseinheiten erfordern. The calibration step can precede step b) of the method for measuring at least one measurement object. Accordingly, step b) can follow step C) of the calibration step. In particular, illuminating the retroreflectors with the illuminating light beams in step b), each of the localization units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors being illuminated by at least one localization unit, after illuminating the one of the retroreflectors with each of the localization units in step A) require realignment of the localization units.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk zumindest Schritt d) des Ver fahrens zur Vermessung des Messobjekts in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. Weiter hin kann das Computerprogramm eingerichtet sein, bei Ablauf auf einem Computer oder Computer- Netzwerk den Verfahrensschritt C) des Kalibrierungsschritts auszuführen. Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Pro grammcode-Mitteln vorgeschlagen, um mindestens Schritt d) des erfindungsgemäßen Ver fahrens in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Weiterhin kann das Computerpro gramm mit den Programmcode-Mitteln eingerichtet sein, den Verfahrensschritt C) des Ka librierungsschritts durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer- Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem com puterlesbaren Datenträger gespeichert sein. Furthermore, within the scope of the present invention, a computer program is proposed which, when running on a computer or computer network, executes at least step d) of the method for measuring the measurement object in one of its configurations. Furthermore, the computer program can be set up to execute method step C) of the calibration step when it is running on a computer or computer network. Furthermore, in the context of the present invention, a computer program with program code means is proposed in order to carry out at least step d) of the method according to the invention in one of its embodiments if the program is executed on a computer or computer network. Furthermore, the computer program can be set up with the program code means to carry out method step C) of the calibration step when the program is executed on a computer or computer network. In particular, the program code means can be stored on a computer-readable data carrier.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, insbesondere die Messvorrichtung und das Koordi natenmessgerät, und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren auf. The devices according to the invention, in particular the measuring device and the coordinate measuring device, and the method according to the invention have numerous advantages over known devices and methods.
Übliche Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Mess objekts, welche auch als 6D-Information bezeichnet werden kann, erfordern eine Vielzahl von Messungen und/oder eine Vielzahl von Retroreflektoren und/oder Lokalisierungsein heiten. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Verfahren können eingerichtet sein, die Position und die Orientierung des Messobjektes gleichzeitig und mit deutlich geringerer Anzahl von Retroreflektoren und/oder Lokalisierungseinheiten zu be stimmen. Usual methods for determining the spatial position and orientation of a measurement object, which can also be referred to as 6D information, require a large number of measurements and / or a large number of retroreflectors and / or localization units. The devices according to the invention and the method according to the invention can be set up to determine the position and the orientation of the measurement object simultaneously and with a significantly smaller number of retroreflectors and / or localization units.
Weiterhin kann der Einsatz von LMCW-LIDAR-Sensoren als Lokalisierungseinheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des Verfahrens besonders vorteilhaft sein. Insbeson dere kann die Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts auf einer Abstandsmessung beruhen. Im Gegensatz zu Tracking mit nicht absolut messenden Lokalisierungseinheiten, bei welchen eine Rekonstruktion von einer 3D-Trajektorie des Ret- roreflektors im Raum nur durch Verkettung mehrerer Messungen möglich ist, kann beim Einsatz von LMCW-LIDAR-Sensoren eine Unterbrechung der Sichtverbindungen zwischen den LMCW-LIDAR-Sensoren und den von ihnen bestrahlten Retroreflektoren beinahe fol genlos sein und lediglich zum Verlust der Bestimmung der räumlichen Position und Orien tierung des Messobjekts während der Unterbrechung führen. Nach Beseitigung der Unter brechung kann es insbesondere möglich sein, dass die Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts wieder aufgenommen werden kann, insbesondere ohne dass hierzu zusätzliche Maßnahmen nötig sind. Furthermore, the use of LMCW-LIDAR sensors as localization units of the inventive devices and the method can be particularly advantageous. In particular, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object can be based on a distance measurement. In contrast to tracking with non-absolutely measuring localization units, in which a reconstruction from a 3D trajectory of the reflector in space is only possible by chaining several measurements, the use of LMCW-LIDAR sensors can interrupt the line of sight between the LMCW- LIDAR sensors and the retroreflectors irradiated by them are almost without consequence and only lead to the loss of the determination of the spatial position and orientation of the measurement object during the interruption. After the interruption has been eliminated, it may in particular be possible that the determination of the spatial position and orientation of the measurement object can be resumed, in particular without additional measures being necessary for this.
Weiterhin kann es möglich sein, dass mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Ver fahren eine hochgenaue Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Mess objekts, insbesondere eine hochgenaue Bestimmung von Ort und Lage des Messobjekts im Raum, möglich ist, beispielsweise bei Einsatz von mindestens drei Lokalisierungseinheiten, insbesondere FMCW-LIDAR-Sensoren, und mindestens sechs, insbesondere sieben, Ret- roreflektoren. Furthermore, it can be possible that with the devices and methods according to the invention a highly precise determination of the spatial position and orientation of the measurement object, in particular a highly precise determination of the location and position of the measurement object in the Space is possible, for example when using at least three localization units, in particular FMCW-LIDAR sensors, and at least six, in particular seven, reflector reflectors.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungs- for men besonders bevorzugt: In summary, the following embodiments are particularly preferred in the context of the present invention:
Ausführungsform 1 : Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, wobei die Messvorrichtung min destens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindes tens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Retroreflektoren aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und mindestens einen Retroreflektor mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu be leuchten, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten eingerichtet ist, von dem von ihr be leuchteten Retroreflektor mindestens einen reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und min destens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die Messvorrichtung weiterhin eine Auswer teeinheit aufweist, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lo- kalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestim men. Embodiment 1: Measuring device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, the measuring device having at least three retroreflectors and at least six localization units or at least three localization units and at least six retroreflectors, each of the localization units being set up to provide at least one illuminating light beam generate and illuminate at least one retroreflector with the illuminating light beam, each of the retroreflectors being illuminated by at least one of the localization units, each of the localization units being set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector illuminated by it and to at least one measurement signal generate, wherein the measuring device further comprises an evaluation unit, the evaluation unit being set up from the measurement signals of the localization units Determine the spatial position and orientation of the measurement object.
Ausführungsform 2: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, be vorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor. Embodiment 2: Measuring device according to the preceding embodiment, each of the localization units comprising at least one element selected from the group consisting of: a laser tracer; a laser tracker; a LIDAR sensor, preferably an FMCW LIDAR sensor.
Ausführungsform 3 : Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Messvorrichtung mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungs- einheiten aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den mindestens einen Lasertracer oder mindestens einen Lasertracker umfasst, oder wobei die Messvorrichtung mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Retroreflektoren aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den mindestens einen LIDAR-Sensor umfasst. Embodiment 3: Measuring device according to the preceding embodiment, wherein the measuring device has at least three retroreflectors and at least six localization units, each of the localization units comprising the at least one laser tracer or at least one laser tracker, or wherein the measuring device has at least three localization units and at least six retroreflectors, wherein each of the localization units comprises the at least one LIDAR sensor.
Ausführungsform 4: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung genau drei Retroreflektoren und genau sechs Lokalisierungsein heiten aufweist, wobei einer der Retroreflektoren von maximal vier der Lokalisierungsein heiten beleuchtet ist. Ausführungsform 5: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sind: vier Lokalisierungseinheiten auf einen ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf einen zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf einen dritten Retroreflektor (vier-eins-eins); drei Lokalisierungs einheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Ret roreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-eins); zwei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokalisierungseinheiten auf den dritten Retrore flektor (zwei-zwei- zwei). Embodiment 4: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device having exactly three retroreflectors and exactly six localization units, one of the retroreflectors being illuminated by a maximum of four of the localization units. Embodiment 5: Measuring device according to the preceding embodiment, the localization units and the retroreflectors being arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: four localization units on a first retroreflector, one localization unit on a second retroreflector and one localization unit on a third retroreflector (four -one one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-two-one); two localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (two-two-two).
Ausführungsform 6: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sieben Loka lisierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sieben Retroreflektoren aufweist. Embodiment 6: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the measuring device has at least three retroreflectors and at least seven localization units or at least three localization units and at least seven retroreflectors.
Ausführungsform 7: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Messvorrichtung genau drei Retroreflektoren und genau sieben Lokalisierungseinheiten aufweist, wobei einer der Retroreflektoren von maximal fünf der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist. Embodiment 7: Measuring device according to the preceding embodiment, the measuring device having exactly three retroreflectors and exactly seven localization units, one of the retroreflectors being illuminated by a maximum of five of the localization units.
Ausführungsform 8: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: fünf Lokalisierungseinheiten auf den ers ten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf den zweiten Retroreflektor und eine Lo kalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (fünf-eins-eins); vier Lokalisierungsein heiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retrore flektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (vier-zwei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, drei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei- drei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungs einheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokalisierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-zwei). Embodiment 8: Measuring device according to the preceding embodiment, wherein the localization units and the retroreflectors are arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: five localization units on the first retroreflector, one localization unit on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (five-one-one); four localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (four-two-one); three localization units on the first retroreflector, three localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-three-one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (three-two-two).
Ausführungsform 9: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Retroreflektoren an dem Messobjekt angebracht sind und die Lokalisierungsein- heiten in einem das Messobjekt umgebenden Raum angeordnet sind und/oder die Lokalisie rungseinheiten an dem Messobjekt angebracht sind und die Retroreflektoren in dem das Messobjekt umgebenden Raum angeordnet sind. Embodiment 9: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the retroreflectors being attached to the measurement object and the localization devices units are arranged in a space surrounding the measurement object and / or the localization units are attached to the measurement object and the retroreflectors are arranged in the space surrounding the measurement object.
Ausführungsform 10: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei eine relative Position der Retroreflektoren zueinander und/oder eine relative Position der Lokalisierungseinheiten zueinander bekannt ist. Embodiment 10: Measuring device according to one of the preceding embodiments, a relative position of the retroreflectors to one another and / or a relative position of the localization units to one another being known.
Ausführungsform 11 : Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung weiterhin eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten. Embodiment 11: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device further comprising a control unit, the control unit being set up to align the localization units relative to the retroreflectors.
Ausführungsform 12: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung eingerichtet ist, Geschwindigkeiten der Retroreflektoren zu be stimmen. Embodiment 12: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device being set up to determine speeds of the retroreflectors.
Ausführungsform 13: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung eingerichtet ist, eine aufgrund von schwankenden Luftsäulenei genschaften schwankende optische Pfadlänge zu korrigieren. Embodiment 13: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device being set up to correct an optical path length which fluctuates due to fluctuating air column properties.
Ausführungsform 14: Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werk stücks, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden Ansprüche umfasst, wobei das Koordi natenmessgerät mindestens ein Messobjekt aufweist, welches eingerichtet ist das Werkstück abzutasten. Embodiment 14: Coordinate measuring device for measuring at least one workpiece, the coordinate measuring device comprising at least one measuring device according to one of the preceding claims relating to a measuring device, wherein the coordinate measuring device has at least one measuring object which is set up to scan the workpiece.
Ausführungsform 15: Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Messobjekt die Lokalisierungseinheiten oder die Retroreflektoren aufweist. Embodiment 15: Coordinate measuring device according to the preceding embodiment, the measurement object having the localization units or the retroreflectors.
Ausführungsform 16: Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden An sprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt die Retrore flektoren oder die Lokalisierungseinheiten aufweist; Embodiment 16: Method for measuring at least one measurement object with a measurement device according to one of the preceding claims relating to a measurement device, the method comprising the following steps: a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the retroreflectors or the localization units;
b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls mit jeder der Lokalisierungs einheiten und Beleuchten der Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen, wo bei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuch tet wird; b) generating the at least one illuminating light beam with each of the localization units and illuminating the retroreflectors with the illuminating light beams, where at least one of the retroreflectors illuminates in each of the locating units, wherein each of the retroreflectors is illuminated by at least one localization unit;
c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren reflektierten Licht strahlen und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungsein- heiten, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den reflektierten Lichtstrahl des von ihr beleuchteten Retroreflektors empfängt; und c) receiving in each case at least one of the light reflected by the retroreflectors and generating at least one measurement signal with each of the localization units, each of the localization units receiving the reflected light beam of the retroreflector illuminated by it; and
d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts aus den Mess signalen der Lokalisierungseinheiten mit der mindestens einen Auswerteeinheit. d) determining the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units with the at least one evaluation unit.
Ausführungsform 17: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren weiterhin mindestens einen Kalibrierungsschritt aufweist, wobei der Kalibrie- rungsschritt die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Embodiment 17: Method according to the preceding embodiment, the method further comprising at least one calibration step, the calibration step comprising the following method steps:
A) Beleuchten eines der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten; A) illuminating one of the retroreflectors with each of the location units;
B) Empfangen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten; und  B) receiving the light beams reflected by the retroreflector and generating measurement signals with the localization units; and
C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit;  C) determining a spatial position for each of the localization units from the measurement signals of the localization units with the evaluation unit;
Kurze Beschreibung der Liguren Brief description of the ligures
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungs beispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Liguren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffem in den einzelnen Liguren bezeichnen dabei gleiche oder fünktions- gleiche bzw. hinsichtlich ihrer Lunktionen einander entsprechende Elemente. Further details and features of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments, in particular in connection with the subclaims. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The invention is not limited to the execution examples. The exemplary embodiments are shown schematically in the ligures. The same reference numerals in the individual ligures denote the same or functionally identical elements or elements which correspond to one another with respect to their lunations.
Im Einzelnen zeigen: Show in detail:
Ligur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfin dungsgemäßen Messvorrichtung; Ligur 1 is a schematic representation of a first embodiment of a measuring device according to the invention;
Ligur 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Mess vorrichtung; und  Ligur 2 is a schematic representation of a further embodiment of the measuring device; and
Ligur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführungsbeispiele Ligur 3 is a schematic representation of a method according to the invention. Embodiments
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Messvorrichtung 110 zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts 112. Wie in Figur 1 zu sehen, kann die Messvorrichtung 110 insbesondere drei Retroreflektoren 114 und sechs Lokalisierungsein heiten 116 aufweisen. Jede der Lokalisierungseinheiten 116 ist eingerichtet, mindestens ei nen Beleuchtungslichtstrahl 117 zu erzeugen und mindestens einen Retroreflektor 114 mit dem Beleuchtungslichtstrahl 117 zu beleuchten, wobei jeder der Retroreflektoren 114 von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet ist. Jede der Lokalisierungsein heiten 116 ist eingerichtet, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor 114 mindestens ei nen reflektierten Lichtstrahl 121 zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Beleuchtungslichtstrahlen 117 und die reflektierten Lichtstrahlen 121 sind in den Figu ren 1 und 2 jeweils durch Doppelpfeile symbolisiert. Die Messvorrichtung 110 weist weiter hin eine Auswerteeinheit 118 auf, wobei die Auswerteeinheit 118 eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116 die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts 112 zu bestimmen. Dazu kann jede der Lokalisierungseinheiten 116 mit der Auswerteeinheit 118, insbesondere mit jeweils einem Kabel 119, verbunden sein. Auch ka bellose Verbindungen sind jedoch denkbar. FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of a measuring device 110 according to the invention for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object 112. As can be seen in FIG. 1, the measuring device 110 can in particular have three retroreflectors 114 and six localization units 116. Each of the localization units 116 is set up to generate at least one illumination light beam 117 and to illuminate at least one retroreflector 114 with the illumination light beam 117, each of the retroreflectors 114 being illuminated by at least one of the localization units 116. Each of the localization units 116 is set up to receive at least one reflected light beam 121 from the retroreflector 114 illuminated by it and to generate at least one measurement signal. The illuminating light beams 117 and the reflected light beams 121 are symbolized in FIGS. 1 and 2 by double arrows. The measuring device 110 also has an evaluation unit 118, the evaluation unit 118 being set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object 112 from the measurement signals of the localization units 116. For this purpose, each of the localization units 116 can be connected to the evaluation unit 118, in particular each with a cable 119. However, connections without cables are also conceivable.
Wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen, können die Lokalisierungseinheiten 116 insbesondere als Lasertracer 120, aus gebildet sein. Einer der Retroreflektoren 114 kann von maximal vier der sechs Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein. Die übrigen mindestens zwei Loka lisierungseinheiten 116 können auf die anderen beiden Retroreflektoren 114 ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch andere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten 116 auf die Retroreflektoren 114 sind denkbar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren 114 und sechs Lokalisierungseinheiten 116 die Lokalisierungseinheiten 116 und die Retroreflektoren 114 in einer der folgenden Konfigurationen zueinander ange ordnet und/oder ausgerichtet sein: vier Lokalisierungseinheiten 116 auf einen ersten Ret roreflektor 114, eine Lokalisierungseinheit 116 auf einen zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf einen dritten Retroreflektor 114 (vier-eins-eins); drei Lo kalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (drei-zwei-eins); zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Ret roreflektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (zwei-zwei-zwei). Wie in Figur 1 gezeigt, kann einer der drei Retroreflektoren 114 von drei der Lokalisierungs einheiten 116 beleuchtet sein, einer der zwei weiteren Retroreflektoren 114 kann von zwei weiteren der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein und der verbleibende der Retrore flektoren 114 kann von der verbleibenden der Lokalisierungseinheit 116 beleuchtet sein. Die Konfiguration drei-zwei-eins ist in Figur 1 zu sehen und soll zum besseren Verständnis der Konfigurationen hier noch einmal beispielhaft beschrieben werden. Die drei Retroreflek toren 114 können als erster Retroreflektor 136, zweiter Retroreflektor 138 und dritter Ret- roreflektor 140 bezeichnet werden. Die sechs Lokalisierungseinheiten 116 können als erste Lokalisierungseinheit 142, zweite Lokalisierungseinheit 144, dritte Lokalisierungseinheit 146, vierte Lokalisierungseinheit 148, fünfte Lokalisierungseinheit 150 und sechste Lokali- sierungseinheit 152 bezeichnet werden. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise der erste Retroreflektor 136 von der ersten Lokalisierungseinheit 142, der zweiten Lokalisie- rungseinheit 144 und der dritten Lokalisierungseinheit 146 beleuchtet sein. Der zweite Ret roreflektor 138 kann von der vierten Lokalisierungseinheit 148 und der fünften Lokalisie- rungseinheit 150 beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor 140 kann von der sechsten Loka- lisierungseinheit 116 beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-zwei-eins und ist in Figur 1 zu sehen. Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl in diesem als auch in den folgenden Beispielen die Ordnungszahlen der Retroreflektoren 114 und Lokalisierungsein- heiten 116 lediglich veranschaulichen sollen, wie viele der Lokalisierungseinheiten 116 ge meinsam auf denselben Retroreflektor 114 ausgerichtet sein können. Dementsprechend kön nen die Lokalisierungseinheiten 116 untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Auch die Retroreflektoren 114 können untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Bezogen auf das obige Beispiel kann beispielsweise der zweite Retroreflektor 138 von der sechsten Lokalisierungseinheit 152 beleuchtet sein und der dritte Retroreflektor 140 kann von der fünften Lokalisierungseinheit 150 beleuchtet sein. Weitere Kombinationen sind möglich. As can be seen in FIGS. 1 and 2, the localization units 116 can be formed in particular as a laser tracer 120. One of the retroreflectors 114 can be illuminated by a maximum of four of the six localization units 116. The remaining at least two localization units 116 can be aligned with and illuminate the other two retroreflectors 114. Other orientations of the localization units 116 to the retroreflectors 114 are also conceivable. In particular, when using three retroreflectors 114 and six localization units 116, the localization units 116 and the retroreflectors 114 can be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: four localization units 116 to a first retro reflector 114, one localization unit 116 to a second Retroreflector 114 and a locator 116 to a third retroreflector 114 (four-one-one); three localization units 116 on the first retroreflector 114, two localization units 116 on the second retroreflector 114 and one localization unit 116 on the third retroreflector 114 (three-two-one); two localization units 116 on the first retroreflector 114, two localization units 116 on the second retroreflector 114 and two localization units 116 on the third retroreflector 114 (two-two-two). As shown in FIG. 1, one of the three retroreflectors 114 can be illuminated by three of the localization units 116, one of the two further retroreflectors 114 can be illuminated by two further of the localization units 116 and the remaining one of the retroreflectors 114 can be illuminated by the remaining one of the localization unit 116 be illuminated. The configuration three-two-one can be seen in FIG. 1 and is intended to be described again here by way of example for better understanding of the configurations. The three retroreflectors 114 can be referred to as the first retroreflector 136, the second retroreflector 138 and the third retroreflector 140. The six localization units 116 can be referred to as first localization unit 142, second localization unit 144, third localization unit 146, fourth localization unit 148, fifth localization unit 150 and sixth localization unit 152. In this embodiment, for example, the first retroreflector 136 can be illuminated by the first localization unit 142, the second localization unit 144 and the third localization unit 146. The second retroreflector 138 can be illuminated by the fourth localization unit 148 and the fifth localization unit 150. The third retroreflector 140 can be illuminated by the sixth localization unit 116. This corresponds to the configuration three-two-one and can be seen in FIG. 1. It is pointed out that in this as well as in the following examples, the ordinal numbers of the retroreflectors 114 and localization units 116 are only intended to illustrate how many of the localization units 116 can be aligned together towards the same retroreflector 114. Accordingly, the localization units 116 may be interchangeable or interchangeable. The retroreflectors 114 can also be interchangeable or interchangeable. For example, based on the above example, the second retroreflector 138 may be illuminated by the sixth localization unit 152 and the third retroreflector 140 may be illuminated by the fifth localization unit 150. Other combinations are possible.
Die Retroreflektoren 114 können an dem Messobjekt 112 angeordnet sein und die Lokali- sierungseinheiten 116 können im Raum, beispielsweise in einem das Messobjekt umgeben den oder umfassenden Raum, angeordnet sein. Insbesondere kann eine relative Position, ins besondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand, der Retroreflektoren zueinander, wie in den Figuren 1 und 2 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet, bekannt sein. Weiter hin kann die Messvorrichtung 112 eine Steuereinheit 154 aufweisen, wobei die Steuereinheit eingerichtet sein kann, die Lokalisierungseinheiten 116 relativ zu den Retroreflektoren 114 auszurichten. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt 112 um ein Werkzeug 122 handeln. Insbesondere können die Retroreflektoren 114 derart an dem Werkzeug 122 ange- bracht sein, dass ein geometrischer Mittelpunkt des Werkzeugs und ein geometrischer Mit telpunkt eines von den drei Retroreflektoren gebildeten Dreiecks zusammenfallen können, wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen. The retroreflectors 114 can be arranged on the measurement object 112 and the localization units 116 can be arranged in space, for example in a space surrounding or encompassing the measurement object. In particular, a relative position, in particular a spatial position and / or a distance, of the retroreflectors to one another, as indicated by dashed lines in FIGS. 1 and 2, can be known. Furthermore, the measuring device 112 can have a control unit 154, wherein the control unit can be set up to align the localization units 116 relative to the retroreflectors 114. In particular, the measurement object 112 can be a tool 122. In particular, the retroreflectors 114 can be attached to the tool 122 in this way. It is necessary that a geometric center of the tool and a geometric center of a triangle formed by the three retroreflectors can coincide, as can be seen in FIGS. 1 and 2.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Messvor richtung 110 umfassend drei Retroreflektoren 114 und sieben Lokalisierungseinheiten, wo bei einer der Retroreflektoren 114 von maximal fünf der Lokalisierungseinheiten 116 be leuchtet sein kann. Die übrigen mindestens zwei Lokalisierungseinheiten 116 können auf die anderen beiden Retroreflektoren 114 ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch an dere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten 116 auf die Retroreflektoren 114 sind denk bar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren 114 und sieben Lokalisierungseinheiten 116 die Lokalisierungseinheiten 116 und die Retroreflektoren 114 in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: fünf Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, eine Lokalisierungsein heit 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den drit ten Retroreflektor 114 (fünf-eins-eins); vier Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Ret roreflektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (vier-zwei- eins); drei Lo kalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, drei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (drei-drei-eins); drei Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retrore flektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (drei-zwei-zwei). FIG. 2 shows a schematic illustration of a further embodiment of the measuring device 110 comprising three retroreflectors 114 and seven localization units, where in one of the retroreflectors 114 a maximum of five of the localization units 116 can be illuminated. The remaining at least two localization units 116 can be aligned with and illuminate the other two retroreflectors 114. Other orientations of the localization units 116 on the retroreflectors 114 are also conceivable. In particular, when using three retroreflectors 114 and seven localization units 116, the localization units 116 and the retroreflectors 114 can be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: five localization units 116 on the first retroreflector 114, one localization unit 116 on the second retroreflector 114 and a location unit 116 on the third retroreflector 114 (five-one-one); four localization units 116 on the first retroreflector 114, two localization units 116 on the second retroreflector 114 and one localization unit 116 on the third retroreflector 114 (four-two-one); three localization units 116 on the first retroreflector 114, three localization units 116 on the second retroreflector 114 and one localization unit 116 on the third retroreflector 114 (three-three-one); three localization units 116 on the first retroreflector 114, two localization units 116 on the second retroreflector 114 and two localization units 116 on the third retroreflector 114 (three-two-two).
Wie in Figur 2 gezeigt, kann einer der drei Retroreflektoren 114 von drei der Lokalisierungs einheiten 116 beleuchtet sein, einer der zwei weiteren Retroreflektoren 114 kann von zwei weiteren der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein und der verbleibende der Retrore flektoren 114 kann von den zwei verbleibenden der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein. Die Konfiguration drei-zwei-zwei ist in Figur 2 zu sehen und soll zum besseren Ver ständnis der Konfigurationen hier noch einmal beispielhaft beschrieben werden. Die drei Retroreflektoren 114 können als der erste Retroreflektor 136, der zweite Retroreflektor 138 und der dritte Retroreflektor 140 bezeichnet werden. Die sieben Lokalisierungseinheiten 116 können als die erste Lokalisierungseinheit 142, die zweite Lokalisierungseinheit 144, die dritte Lokalisierungseinheit 146, die vierte Lokalisierungseinheit 148, die fünfte Lokalisie rungseinheit 150, die sechste Lokalisierungseinheit 152 und siebte Lokalisierungseinheit 156 bezeichnet werden. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise der erste Retroreflektor 136 von der ersten Lokalisierungseinheit 142, der zweiten Lokalisierungseinheit 144 und der dritten Lokalisierungseinheit 146 beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor 138 kann von der vierten Lokalisierungseinheit 148 und der fünften Lokalisierungseinheit 150 be leuchtet sein. Der dritte Retroreflektor 140 kann von der sechsten Lokalisierungseinheit 152 und der siebten Lokalisierungseinheit 156 beleuchtet sein. Weitere Kombinationen und/oder Vertauschungen sind möglich. As shown in FIG. 2, one of the three retroreflectors 114 can be illuminated by three of the localization units 116, one of the two further retroreflectors 114 can be illuminated by two further of the localization units 116 and the remaining one of the retroreflectors 114 can be illuminated by the two remaining ones of the localization units 116 be illuminated. The configuration three-two-two can be seen in FIG. 2 and is to be described here again by way of example for a better understanding of the configurations. The three retroreflectors 114 may be referred to as the first retroreflector 136, the second retroreflector 138, and the third retroreflector 140. The seven location units 116 may be referred to as the first location unit 142, the second location unit 144, the third location unit 146, the fourth location unit 148, the fifth location unit 150, the sixth location unit 152 and the seventh location unit 156. In this configuration, for example, the first retroreflector 136 can be illuminated by the first localization unit 142, the second localization unit 144 and the third localization unit 146. The second retroreflector 138 can be lit by the fourth localization unit 148 and the fifth localization unit 150. The third retroreflector 140 may be illuminated by the sixth localization unit 152 and the seventh localization unit 156. Other combinations and / or exchanges are possible.
Insbesondere kann jeder der drei Retroreflektoren 114 von mindestens zwei Lokalisierungs- einheiten 116 beleuchtet sein, beispielsweise unter Nutzung der oben ausgeführten und in Figur 2 dargestellten Konfiguration drei-zwei-zwei. Insbesondere kann dies vorteilhaft sein, da eine Unterbrechung einer Sichtlinie zwischen lediglich einem der Retroreflektoren 114 und einer der ihn bestrahlenden Lokalisierungseinheiten 116, insbesondere eine Unterbre chung des Beleuchtungslichtstrahls 117 und/oder des reflektierten Lichtstrahls 121, nicht zu einem Ausfall der Messvorrichtung führt. In particular, each of the three retroreflectors 114 can be illuminated by at least two localization units 116, for example using the three-two-two configuration described above and shown in FIG. In particular, this can be advantageous since an interruption of a line of sight between only one of the retroreflectors 114 and one of the localization units 116 irradiating it, in particular an interruption of the illuminating light beam 117 and / or the reflected light beam 121, does not lead to a failure of the measuring device.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts 112 mit einer Messvorrichtung 110 gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts 112 , wobei das Messobjekt 112 die Retroreflektoren 114 oder die Lokalisierungseinheiten 116 aufweist; FIG. 3 shows an embodiment of a method for measuring at least one measurement object 112 with a measurement device 110 according to one of the embodiments described above or according to one of the embodiments explained below. The method comprises the following steps: a) providing the at least one measurement object 112, the measurement object 112 having the retroreflectors 114 or the localization units 116;
b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls 117 mit jeder der Lokalisie rungseinheiten 116 und Beleuchten der Retroreflektoren 114 mit den Beleuchtungs lichtstrahlen 117, wobei jede der Lokalisierungseinheiten 116 mindestens einen der Retroreflektoren 114 beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren 114 von mindestens einer Lokalisierungseinheit 116 beleuchtet wird; b) generating the at least one illuminating light beam 117 with each of the localization units 116 and illuminating the retroreflectors 114 with the illuminating light beams 117, each of the locating units 116 illuminating at least one of the retroreflectors 114, each of the retroreflectors 114 being illuminated by at least one locating unit 116;
c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren 114 reflektierten Lichtstrahlen 121 und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokali sierungseinheiten 116, insbesondere aus den empfangenen Lichtstahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten 116 den reflektierten Lichtstrahl 121 des von ihr beleuch teten Retroreflektors 114 empfängt; und c) receiving at least one of the light beams 121 reflected by the retroreflectors 114 and generating at least one measurement signal with each of the localization units 116, in particular from the received light beams, each of the localization units 116 receiving the reflected light beam 121 of the retroreflector 114 illuminated by it; and
d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116 mit der mindestens einen Auswerteein heit 118. d) determining the spatial position and orientation of the measurement object 112 from the measurement signals of the localization units 116 with the at least one evaluation unit 118.
Die Auswerteeinheit 118 ist eingerichtet, die räumlichen Position und Orientierung des Messobjektes 112 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116 zu bestimmen. Zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines dreidimensionalen Objekts kann mindestens ein Multilaterationsverfahren verwendet werden. Insbesonder kann die Auswerteeinheit 118 eingerichtet sein, die räumliche Position und Orientierung des Mess objekts 112 nach dem bereits weiter oben beschriebenen Mult ilaterations- Verfahren, insbe sondere anhand der Gleichungen und Gleichungssysteme (1) bis (14), zu bestimmen. The evaluation unit 118 is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object 112 from the measurement signals of the localization units 116. At least one multilateration method can be used to determine the spatial position and orientation of a three-dimensional object. In particular, the Evaluation unit 118 can be set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object 112 according to the multilateration method already described above, in particular using the equations and systems of equations (1) to (14).
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens, wobei Bezugszeichen 128 Ver fahrensschritt a) bezeichnet, wobei Bezugszeichen 130 Verfahrensschritt b) bezeichnet, wo bei Bezugszeichen 132 Verfahrensschritt c) bezeichnet und wobei Bezugszeichen 134 Ver fahrensschritt d) bezeichnet. FIG. 3 shows a schematic representation of the method, reference numeral 128 denoting process step a), reference numeral 130 denoting process step b), reference numeral 132 denoting process step c) and reference numeral 134 denoting process step d).
Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Beispielsweise kann eine Wiederholung mindestens eines Verfahrensschritts systemausle gungsabhängig notwendig sein. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden, beispielsweise, um die Kriterien für die Lösbarkeit der Gleichungssysteme zur ein deutigen Ermittlung der 6D-Information zu erfüllen. The method steps can be carried out in the order specified, it being possible for one or more of the steps to be carried out at least in part at the same time and for one or more of the steps to be repeated several times. For example, it may be necessary to repeat at least one process step depending on the system design. In addition, regardless of whether they are mentioned in the present application or not, further steps can also be carried out, for example in order to meet the criteria for the solvability of the systems of equations for a clear determination of the 6D information.
Insbesondere kann das Verfahren einen in den Figuren nicht gezeigten Kalibrierungsschritt umfassen, wobei der Kalibrierungsschritt die folgenden Verfahrensschritte umfasst: In particular, the method can include a calibration step, not shown in the figures, the calibration step comprising the following method steps:
A) Beleuchten eines der Retroreflektoren 114 mit jeder der Lokalisierungseinheiten 116;A) illuminating one of the retroreflectors 114 with each of the location units 116;
B) Empfangen der von dem Retroreflektor 114 reflektierten Lichtstrahlen 121 und Erzeu gen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten 116; und B) receiving the light rays 121 reflected by the retroreflector 114 and generating measurement signals with the localization units 116; and
C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten 116 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116 mit der Auswerteeinheit 118.  C) Determining a spatial position for each of the localization units 116 from the measurement signals of the localization units 116 with the evaluation unit 118.
Die Auswerteeinheit 118 kann eingerichtet sein, eine Kalibrierung durchzuführen, insbeson dere zur Bestimmung der Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten 116. Die Auswerteein- heit 118 kann eingerichtet sein bei der Kalibrierung die räumlichen Positionen der Lokali sierungseinheiten 116 zu bestimmen. Insbesondere kann die Auswerteeinheit 118 eingerich tet sein, eine Kalibrierung nach dem bereits weiter oben beschriebenen Verfahren durchzu führen, insbesondere anhand der Gleichungen und Gleichungssysteme (15) bis (24). The evaluation unit 118 can be set up to carry out a calibration, in particular to determine the location vectors of the localization units 116. The evaluation unit 118 can be set up to determine the spatial positions of the localization units 116 during the calibration. In particular, the evaluation unit 118 can be set up to carry out a calibration according to the method already described above, in particular on the basis of the equations and systems of equations (15) to (24).
Insbesondere kann der Kalibrierungsschritt dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts 112 vorausgehen. Insbesondere kann das Verfahren den Ka librierungsschritt umfassen, wenn die bei dem Verfahren eingesetzte Messvorrichtung 112 drei Retroreflektoren 114 und sechs Lokalisierungseinheiten 116 aufweist. Insbesondere kann auf den Kalibrierungsschritt verzichtet werden, wenn die bei dem Verfahren einge setzte Messvorrichtung 110 drei Retroreflektoren und mindestens sieben, insbesondere sie ben, Lokalisierungseinheiten 116, aufweist. In particular, the calibration step can precede step b) of the method for measuring at least one measurement object 112. In particular, the method can include the calibration step if the measuring device 112 used in the method has three retroreflectors 114 and six localization units 116. In particular The calibration step can be omitted if the measuring device 110 used in the method has three retroreflectors and at least seven, in particular seven, localization units 116.
Insbesondere kann in Schritt A) ein einzelner der Retroreflektoren 114 von allen Lokalisie- rungseinheiten 116 beleuchtet werden. Der Verfahrensschritt A) des Kalibrierungsschritts kann weiterhin ein Ausrichten jeder der Lokalisierungseinheiten 116 oder zumindest eines Teils der Lokalisierungseinheiten 116 umfassen derart, dass der eine der Retroreflektoren 114 von allen Lokalisierungseinheiten 116 mit jeweils mindestens einem Beleuchtungslicht- strahl 117 beleuchtet wird. Weiterhin kann in Schritt B) jede der Lokalisierungseinheiten 116 mindestens einen der von dem Retroreflektor 114 reflektierten Lichtstrahlen 121 emp fangen und ein Messsignal erzeugen, insbesondere aus oder gemäß dem empfangenen, re flektierten Lichtstrahl 121. Ferner können die Schritte A) und B) mehrfach, insbesondere mindestens fünf Mal, beispielsweise fünf Mal, wiederholt werden, so dass die Schritte A) und B) insgesamt mindestens sechs Mal, beispielsweise sechs Mal, ausgeführt werden. Wei terhin kann Verfahrensschritt C) ein Lösen eines Gleichungssystems mit der Auswerteein- heit 118 umfassen, insbesondere zum Bestimmen von der räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten 116 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116. Insbe sondere kann Schritt C) weiterhin das Bestimmen von Abständen zwischen dem einen Ret roreflektor 114 und den Lokalisierungseinheiten 116 umfassen. In particular, in step A) a single one of the retroreflectors 114 can be illuminated by all localization units 116. The method step A) of the calibration step can further comprise aligning each of the localization units 116 or at least a part of the localization units 116 such that one of the retroreflectors 114 is illuminated by at least one illumination light beam 117 from each of the localization units 116. Furthermore, in step B) each of the localization units 116 can receive at least one of the light beams 121 reflected by the retroreflector 114 and generate a measurement signal, in particular from or according to the received, reflected light beam 121. Furthermore, steps A) and B) can be carried out several times, in particular, are repeated at least five times, for example five times, so that steps A) and B) are carried out at least six times, for example six times. Furthermore, method step C) can include solving an equation system with the evaluation unit 118, in particular for determining the spatial position for each of the localization units 116 from the measurement signals of the localization units 116. In particular, step C) can furthermore determine the distances between the comprise a reflector 114 and the localization units 116.
Der Kalibrierungsschritt kann dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts 112 vorausgehen. Dementsprechend kann sich der Schritt b) dem Schritt C) des Kalibrierungsschritts anschließen. Insbesondere kann das Beleuchten der Retrore flektoren 114 mit den Beleuchtungslichtstrahlen 117 in Schritt b) nach dem Beleuchten des einen der Retroreflektoren 114 mit jeder der Lokalisierungseinheiten 116 in Schritt A) ein erneutes Ausrichten der Lokalisierungseinheiten 116 erfordern. The calibration step can precede step b) of the method for measuring at least one measurement object 112. Accordingly, step b) can follow step C) of the calibration step. In particular, illuminating the retroreflectors 114 with the illuminating light beams 117 in step b) after illuminating the one of the retroreflectors 114 with each of the localization units 116 in step A) may require realignment of the localization units 116.
Bezugszeichenliste Messvorrichtung Reference list of measuring devices
Messobjekt Target
Retroreflektor Retroreflector
Lokalisierungseinheit Localization unit
Beleuchtungslichtstrahl Illumination light beam
Auswerteeinheit Evaluation unit
Kabel electric wire
Lasertracer Laser tracer
reflektierter Lichtstrahl reflected light beam
Werkzeug Tool
geometrischer Mittelpunkt des Werkzeugs geometric center of the tool
geometrischer Mittelpunkt des von den drei Retroreflektoren gebildetengeometric center of that formed by the three retroreflectors
Dreiecks Triangular
Verfahrensschritt a) Process step a)
V erfahrensschritt b) Process step b)
Verfahrensschritt c) Process step c)
Verfahrensschritt d) Process step d)
erster Retroreflektor first retroreflector
zweiter Retroreflektor second retroreflector
dritter Retroreflektor third retroreflector
erste Lokalisierungseinheit first localization unit
zweite Lokalisierungseinheit second localization unit
dritte Lokalisierungseinheit third localization unit
vierte Lokalisierungseinheit fourth localization unit
fünfte Lokalisierungseinheit fifth localization unit
sechste Lokalisierungseinheit sixth localization unit
Steuereinheit Control unit
siebte Lokalisierungseinheit seventh localization unit

Claims

Ansprüche Expectations
1. Messvorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts (112), wobei die Messvorrichtung (110) mindestens drei Retroreflektoren (114) und mindestens sechs Lokalisierungs einheiten (116) oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten (116) und mindestens sechs Retroreflektoren (114) aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (117) zu erzeugen und min destens einen Retroreflektor (114) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (117) zu beleuch ten, wobei jeder der Retroreflektoren (114) von mindestens einer der Lokalisierungs einheiten (116) beleuchtet ist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) eingerich tet ist, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor (114) mindestens einen reflektier ten Lichtstrahl (121) zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die Messvorrichtung (110) weiterhin eine Auswerteeinheit (118) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (118) eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungsein heiten (116) die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts (112) zu be stimmen. 1. Measuring device (110) for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object (112), the measuring device (110) having at least three retroreflectors (114) and at least six localization units (116) or at least three localization units (116) and has at least six retroreflectors (114), each of the localization units (116) being set up to generate at least one illuminating light beam (117) and at least one retroreflector (114) with the illuminating light beam (117), each of the retroreflectors (114 ) is illuminated by at least one of the localization units (116), each of the localization units (116) being set up to receive at least one reflected light beam (121) from the retroreflector (114) it illuminates and to generate at least one measurement signal, the measuring device (110) further comprising an evaluation unit (118), the Evaluation unit (118) is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object (112) from the measurement signals of the localization units (116).
2. Messvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jede der Lokali sierungseinheiten (116) mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer (120); einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor. 2. Measuring device (110) according to the preceding claim, wherein each of the localization units (116) comprises at least one element selected from the group consisting of: a laser tracer (120); a laser tracker; a LIDAR sensor, preferably an FMCW LIDAR sensor.
3. Messvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messvorrich tung (110) mindestens drei Retroreflektoren (114) und mindestens sechs Lokalisie rungseinheiten (116) aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) den min destens einen Lasertracer (120) oder den mindestens einen Lasertracker umfasst, oder wobei die Messvorrichtung (110) mindestens drei Lokalisierungseinheiten (116) und mindestens sechs Retroreflektoren (114) aufweist, wobei jede der Lokalisierungsein heiten (116) den mindestens einen LIDAR-Sensor umfasst. 3. Measuring device (110) according to the preceding claim, wherein the measuring device (110) has at least three retroreflectors (114) and at least six localization units (116), each of the localization units (116) having at least one laser tracer (120) or comprising the at least one laser tracker, or wherein the measuring device (110) has at least three localization units (116) and at least six retroreflectors (114), each of the localization units (116) comprising the at least one LIDAR sensor.
4. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess vorrichtung (110) mindestens drei Retroreflektoren (114) und mindestens sieben Lo kalisierungseinheiten (116) oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten (116) und mindestens sieben Retroreflektoren (114) aufweist. 4. Measuring device (110) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (110) has at least three retroreflectors (114) and at least seven localization units (116) or at least three localization units (116) and at least seven retroreflectors (114).
5. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess vorrichtung (110) weiterhin eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit ein gerichtet ist, die Lokalisierungseinheiten (116) relativ zu den Retroreflektoren (114) auszurichten. 5. Measuring device (110) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (110) further comprises a control unit, wherein the control unit is directed to align the localization units (116) relative to the retroreflectors (114).
6. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess vorrichtung (110) eingerichtet ist, Geschwindigkeiten der Retroreflektoren (114) zu bestimmen. 6. Measuring device (110) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (110) is set up to determine speeds of the retroreflectors (114).
7. Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werkstücks, wobei das Ko ordinatenmessgerät mindestens eine Messvorrichtung (110) nach einem der vorherge henden, eine Messvorrichtung (110) betreffenden Ansprüche umfasst, wobei das Ko ordinatenmessgerät mindestens ein Messobjekt (112) aufweist, welches eingerichtet ist, das Werkstück zu abzutasten. 7. Coordinate measuring device for measuring at least one workpiece, wherein the coordinate measuring device comprises at least one measuring device (110) according to one of the preceding claims relating to a measuring device (110), wherein the coordinate measuring device has at least one measuring object (112) which is set up, to scan the workpiece.
8. Koordinatenmessgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Messobjekt (112) die Lokalisierungseinheiten (116) oder die Retroreflektoren (114) aufweist. 8. Coordinate measuring device according to the preceding claim, wherein the measurement object (112) has the localization units (116) or the retroreflectors (114).
9. Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts (112) mit einer Messvor richtung (110) nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung (110) betreffen den Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts (112), wobei das Messobjekt (112) die Retroreflektoren (114) oder die Lokalisierungseinheiten (116) aufweist; 9. A method for measuring at least one measurement object (112) with a measurement device (110) according to one of the preceding, a measurement device (110) relates to the claims, the method comprising the following steps: a) providing the at least one measurement object (112) , wherein the measurement object (112) has the retroreflectors (114) or the localization units (116);
b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls (117) mit jeder der Loka lisierungseinheiten (116) und Beleuchten der Retroreflektoren (114) mit den Be leuchtungslichtstrahlen (117), wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) min destens einen der Retroreflektoren (114) beleuchtet, wobei jeder der Retroreflek toren (114) von mindestens einer Lokalisierungseinheit (116) beleuchtet wird; c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren (114) reflek tierten Lichtstrahlen (121) und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten (116), wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) den reflektierten Lichtstrahl (121) des von ihr beleuchteten Retroreflektors (114) empfängt; und b) generating the at least one illuminating light beam (117) with each of the localization units (116) and illuminating the retroreflectors (114) with the illuminating light beams (117), each of the locating units (116) illuminating at least one of the retroreflectors (114), wherein each of the retroreflectors (114) is illuminated by at least one localization unit (116); c) receiving at least one of the light beams (121) reflected by the retroreflectors (114) and generating at least one measurement signal with each of the localization units (116), each of the localization units (116) receives the reflected light beam (121) from the retroreflector (114) illuminated by it; and
d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts (112) aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten (116) mit der mindestens einen Auswerteeinheit (118). d) determining the spatial position and orientation of the measurement object (112) from the measurement signals of the localization units (116) with the at least one evaluation unit (118).
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