DE10054282A1

DE10054282A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes

Info

Publication number: DE10054282A1
Application number: DE2000154282
Authority: DE
Inventors: Friedrich Niederndorfer
Original assignee: ABATEC ELECTRONIC AG REGAU
Current assignee: ABATEC ELECTRONIC AG REGAU
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-29
Also published as: WO2002035904A3; WO2002035904A2; AU2002215993A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, bei welchem von einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern (A-G, M) elektromagnetische Signale ausgesendet werden, wobei die Signalgeber (A-G, M) derart gesteuert werden, daß die einzelnen Signale voneinander unterscheidbar sind; diese Signale auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor (PSD) projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden und aus den Lagekoordinaten die Position, Orientierung und/oder Verformung des Objektes bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes.

Oftmals ist es wünschenswert die Flugbahn und genaue Bewegung eines Objektes analysieren zu können. Beispielsweise werden im Sportbereich Analysen von Bewegungsabläufen, insbesondere unter Einsatz modernster Technik immer stärker nachgefragt. So finden heutzutage bereits im großen Maße Videoanalysen statt, bei de nen beispielsweise der zu analysierende Schlag eines Tennis- oder Golfspielers auf Band aufgezeichnet wird und anschließend von einem Sportkundigen durch Abspielen des Bandes in Zeitlupe analysiert wird. Aufgrund der zweidimensionalen Aufzeichnung eines in drei Dimensionen stattfindenden Bewegungsablaufs ist es jedoch schwierig, genaue Analysen erstellen zu können.

So sind aus dem Stand der Technik bereits einige Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen die Position und Orientierung eines Objektes bestimmt werden kann.

Die Druckschrift EP 0 704 715 A1 zeigt beispielsweise ein por tables System für die Bestimmung der Anfangsflugbahn eines Golfballes, Basketballes, Fußballes, etc. Hierzu sind auf dem Objekt mehrere reflektierende oder kontrastreiche Flächenmar kierungen aufgebracht. Diese Flächenmarkierungen werden von einer oder zwei Kameras aufgenommen, indem eine Kamerablende syn chron mit dem Aussenden eines Blitzlichtes geöffnet wird. Somit zeichnet die Kamera also ein Lichtmuster aller sichtbaren Flä chenmarkierungen in Form von Momentaufnahmen auf. Die Position und Orientierung des Golfballes wird anschließend aus den er haltenen zweidimensionalen Kameradaten der Flächenmarkierungen und Kalibrierungsdaten bestimmt. Die Kalibrierungsdaten werden vor Inbetriebnahme des Systems durch Aufzeichnen von 20 Flä chenmarkierungen eines Objektes, dessen Position und Orientie rung bekannt ist, sowie der Brennweite, Orientierung und Posi tion der Kamera bestimmt. Von der Kamera wird lediglich das von beispielsweise 6 Markierungen stammende Lichtmuster aufgezeich net, das somit 6 voneinander ununterscheidbare Lichtflecke zeigt. Die Auswerteelektronik muß schließlich jedem aufgezeich neten Lichtfleck die zugehörige Markierung auf dem Golfball (z. B. unter Analyse des zuvor aufgenommen Lichtmusters und ei ner Bewegungsvorhersage) zuordnen. Dies ist solange möglich, solange sich die Lichtflecke von Aufnahme zu Aufnahme nur wenig auf der Kameraaufnahmefläche verschieben (wenn der Zeitraum zwischen den Aufnahmen zu groß ist, ist eine solche Zuordnung nicht mehr eindeutig möglich) und die Bewegungsfreiheitsgrade des Objektes, insbesondere hinsichtlich einer Verformung des selben, nicht zu groß sind.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und die zugehörige Vor richtung derart weiterzuentwickeln, daß die Positions-, Orien tierungs- und/oder Verformungsbestimmung, insbesondere unabhän gig von der Aufnahmegeschwindigkeit und der Bewegungsfreiheits grade, eindeutig wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Gegenständen der Ansprüche 1 und 14. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Danach ist ein Verfahren zum Bestimmen der Position, Orientie rung und/oder Verformung eines, insbesondere sich bewegenden Objektes geschaffen, bei welchem von einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern elektromagnetische Signale ausgesendet werden, wobei die Signalgeber derart gesteuert wer den, daß die einzelnen Signale voneinander unterscheidbar sind, diese Signale auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoor dinaten umgewandelt werden und aus den Lagekoordinaten die Po sition, Orientierung und/oder Verformung des (sich bewegenden) Objektes bestimmt wird. Vorteilhaft wird die Positions-, Orien tierungs- und/oder Verformungsbestimmung mit der zusätzlichen Kennzeichnung jedes Signals erstens erleichtert, da keine ent sprechenden mathematischen Identifikationsverfahren erforder lich sind, und zweitens eindeutig (siehe oben). Hierbei können bei einer einfachen möglichen Kennzeichnungsvariante die Si gnalgeber Lichtsignale auf unterschiedlichen Frequenzen aussen den, wobei der Lagedetektor oder ein zusätzlich bei dem Lagede tektor angeordneter Detektor die jeweiligen Frequenzen identi fizieren kann. Zudem können mehrere Lagedetektoren, für jede Frequenz ein Lagedetektor, eingesetzt werden, die beispielswei se Filter vor ihrer Aufnahmefläche haben und somit frequenzse lektiv arbeiten. Diese einfache Kennzeichnung wird erstmals möglich, da bei der Erfindung - im Gegensatz zum oben beschrie benen Stand der Technik - aktiv leuchtende Signalgeber anstelle von passiven Reflektoren verwendet werden. Je nach Zahl der Translations-, Rotations- und Verformungsfreiheitsgrade des Ob jektes sowie der Anzahl an Lagedetektoren ist eine bestimmte Mindestzahl der am Objekt vorgesehenen Signalgebern erforder lich. Diese Signalgebern können zu Gruppen zusammengefaßt wer den und an verschiedenen Orten am Objekt angebracht werden. Insbesondere werden solche Gruppen an Stellen des Objektes an gebracht, die sich zu anderen Stellen des Objektes bewegen kön nen. Umfaßt das Objekt beispielsweise ein Schwenkgelenk, so kann je eine Gruppe an Signalgebern an einem Schwenkarm des Schwenkgelenks starr angebracht werden, wobei jede Gruppe ab hängig von den Translations- und Rotationsfreiheitsgraden des jeweiligen Schwenkarms eine bestimmte Anzahl an Signalgebern umfaßt.

Bevorzugt wird das Aussenden der Signale von den Signalgebern derart gesteuert, daß die Signale beim Lagedetektor zeitlich nacheinander in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen. Somit muß nicht zwingend ein frequenzauflösender Lagedetektor einge setzt werden, da mit einer entsprechenden Steuerschaltung bei den Signalgebern und einer entsprechenden Auswerteschaltung beim Lagedetektor (die untereinander synchronisiert sind) zu jedem Zeitpunkt feststeht, welcher Signalgeber gesendet hat. Vorteilhaft kann auch ein sogenannter PSD-Detektor (position sensitive detector) verwendet werden, der pro Zeitfenster die Koordinaten eines einzigen auf ihn projizierten Lichtfleckes ausgibt (wenn beispielsweise ein Lichtsignal als elektromagne tisches Signal verwendet wird). Es können bei dieser Ausfüh rungsform beispielsweise auch zwei Signalgeber gleichzeitig ih re Signale aussenden, sofern sich die Signalgeber an zwei ge genüberliegenden Seiten eines Objektes befinden und der Lagede tektor somit zu jedem Zeitpunkt nur eines der beiden Signale abhängig von der Orientierung des Objektes empfängt.

Bevorzugt wird zusammen mit jedem Signal eine Zusatzinformation zum Identifizieren des ausgesendeten Signals übertragen. Dies kann die oben bereits angesprochene Frequenz des Signals sein. Alternativ ist die Zusatzinformation bevorzugt als Codierung in jedem Signal enthalten. Besonders bevorzugt kann die Zusatzin formation dabei dem jeweiligen Signal aufmoduliert werden. Die Modulation kann eine Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenmodula tion sein. Diese Zusatzinformation kann dabei zusätzlich oder alternativ zu der Maßnahme eingesetzt werden, die Signale in festen Zeitfenstern zu senden. Ersteres erhöht die Identifika tionssicherheit.

Sollte der Lagedetektor von seiner Verarbeitungsgeschwindigkeit dazu in der Lage sein, kann die codierte bzw. modulierte Zusat zinformation bevorzugt von dem Lagedetektor direkt decodiert bzw. demoduliert werden. Dies erübrigt eine zusätzliche Emp fangseinheit. Wird die Frequenz, mit der die einzelnen Signale zeitlich nacheinander gesendet werden, jedoch weiter erhöht (um beispielsweise eine feinere Positionsauflösung auch bei hohen Objektgeschwindigkeiten zu erzielen), so kann es erforderlich werden, die Zusatzinformation bevorzugt von einer separaten Empfangseinheit zu empfangen. Der Lagedetektor beschäftigt sich dann allein mit der Ausgabe der zweidimensionalen Lagekoordina ten der eintreffenden Signale.

Bevorzugt wird die Zusatzinformation von einem separaten Zusat zinformation-Sender übertragen, der beispielsweise an dem Ob jekt angebracht ist. Hierzu kann eine Steuerschaltung am Objekt vorgesehen werden, welche das Senden der einzelnen Signalgeber steuert. Das hierzu verwendete Steuersignal wird dann ebenfalls über den Zusatzinformation-Sender an eine entsprechende mit der Auswerteschaltung gekoppelte Zusatzinformation-Empfangseinheit übertragen, insbesondere drahtlos, beispielsweise per Funk, Ul traschall oder optisch.

Bevorzugt wird die Position des sich bewegenden Objektes in Form der drei orthogonalen Koordinaten im Raum und die Orien tierung in Form der drei orthogonalen Drehwinkel im Raum be stimmt, wobei hierzu wenigstens sieben Signalgeber verwendet werden. So ist es bereits mit einem Lagedetektor und sieben Si gnalgebern möglich, die derart starr an einem steifen Objekt angeordnet sind, daß der Lagedetektor ihre Signale in jeder Po sition und Orientierung des Objektes empfangen kann, die Posi tion und Orientierung in allen drei Translations- und drei Ro tationsfreiheitsgraden zu bestimmen. Ist das Objekt in sich nicht steif, sondern beispielsweise über Gelenke verformbar, so kann über entsprechend angeordnete Signalgeber auch die Verfor mung des Objektes bestimmt werden.

Bevorzugt werden jedoch objektabhängig (d. h. beispielsweise auch bei größeren steifen Objekten) mehr als sieben Signalgeber verwendet, welche so an dem Objekt angeordnet sind, daß in je der möglichen Position und Orientierung des Objektes immer sie ben Signale von sieben verschiedenen Signalgebern auf dem zwei dimensionalen Lagedetektor abgebildet werden.

Bevorzugt sind die elektromagnetischen Signale Infrarot-Licht signale, welche vorteilhaft erstens eine gute Richtwirkung zei gen und zweitens nicht so stark vom Umgebungslicht gestört wer den.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nunmehr anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Be zug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeich nung zeigen:

Fig. 1 in schematischer Ansicht die Anordnung von vier an einem Objekt angebrachten Signalge bern und eines Lagedetektors mit Optik,

Fig. 2 in schematischer Ansicht ein erstes Beispiel, bei dem zwei Lagedetektoren PSD1 und PSD2 und ein einzelner an dem Objekt angebrachter Si gnalgeber L verwendet werden,

Fig. 3 in schematischer Ansicht ein zweites Bei spiel, bei dem ein Lagedetektor PSD und zwei an dem Objekt angebrachte Signalgeber L1 und L2 verwendet werden,

Fig. 4 in schematischer Ansicht das zweite Beispiel, bei dem ein Lagedetektor PSD und zwei an dem Objekt angebrachte Signalgeber L1 und L2 ver wendet werden, jedoch das Objekt im Vergleich zu Fig. 3 andere Bewegungsfreiheitsgrade hat,

Fig. 6a, b, c schematisch in drei Ansichten in der xyz-, der xz- und der yz-Ebene die Position und Orientierung eines Objektes, dessen Position mit einem Lagedetektor und sieben an dem Ob jekt angebrachten Signalgebern bestimmt wird.

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht eine Anordnung von vier an einem (nicht dargestellten) Objekt, beispielsweise einem Golfschlägerkopf, angebrachten Signalgebern A bis C und M, die in einer festen Lage zueinander stehen. Sollten die Signalgeber beweglich zueinander sein, so sollte für die anschließende Aus wertung zu jedem Auswertezeitpunkt immer die genaue Lage der Signalgeber zueinander bekannt sein. In der Fig. 1 sind die Signalgeber A bis C und M an einem eine Signalgebereinheit bil denden Dreibein angebracht, mit den drei Signalgebern A bis C an den Beinenden und dem Signalgeber M im Zentrum. Diese Signalgeber A bis C und M können auch an beliebigen Positionen eines starren Objektes, d. h. ohne das Dreibein, oder über ein beliebig geformtes Gestell, d. h. anders als das Dreibein, an dem Objekt angebracht sein. Ferner können mehrere solcher Drei beine mit jeweils vier Signalgebern A bis C und M an verschie denen Positionen eines Objektes befestigt sein, so daß entweder verschiedene Bewegungen eines Objektes, z. B. die Kopf-, Schul ter-, Hüft, Arm-, Hand-, Golfschläger- und/oder Beinbewegung eines Golfspielers, oder aber die Bewegung eines Teils eines größeren Objektes von mehreren Seiten verfolgt werden können. Im letzteren Fall kann beispielsweise bei einem Objekt, an des sen Vorderseite und Rückseite je ein solches Dreibein ange bracht ist, auch bei einer Objektdrehung um 180°, d. h. bei der Vorder- und Rückseite mit Bezug auf einen Beobachtungsstand punkt vertauscht sind, die Objektbewegung weiter verfolgt wer den. Umgekehrt kann natürlich bei nur einem Dreibein an der Vorder- oder Rückseite des Objektes die Objektbewegung selbst verständlich auch von zwei gegenüberliegenden Lagedetektoren (hinter und vor dem Objekt) unabhängig von der Position und Orientierung des Objektes verfolgt werden. Somit hängt es ganz von Ausgestaltung des Objektes an, wo die einzelnen Dreibeine oder Signalgeber bzw. die einzelnen Lagedetektoren angeordnet sein müssen, um alle Objektbewegungen sicher bestimmen zu kön nen.

Die Signalgeber A bis C und M können beispielsweise einfache in einen Halbraum isotrop ausstrahlende Leuchtdioden sein, insbe sondere Infrarot-Leuchtdioden. Im übrigen eignen sich aber alle Arten von Signalgebern, welche ein elektromagnetisches, akusti sches oder optisches Signal aussenden können, sofern ein ent sprechender Lagedetektor anhand des eintreffenden Signals die Richtung angeben kann, aus welcher das Signals ausgesendet wur de.

In der Fig. 1 ist die sensitive Aufnahmefläche eines solchen zweidimensional auflösenden Lagedetektors 1 gezeigt. Auf diese Aufnahmefläche wird der von den einzelnen Infrarot-Leuchtdioden als Signalgeber A bis C und M ausgesandte Infrarot-Lichtstrahl über eine Projektionslinse 2 projiziert. Der Lagedetektor PSD ist bevorzugt ein PSD-Detektor (position sensitive detector), der unmittelbar die x- und y-Koordinate der Bildpunkte B_A bis B_C und B_M der jeweiligen Signale der Signalgeber A bis C und M als Lagekoordinaten ausgibt. Der Vorteil dieses Lagedetektors liegt darin, daß bereits detektorintern der Schwerpunkt eines auffallenden Lichtfleckes bestimmt wird und lediglich die x- und y-Koordinaten des Schwerpunkts ausgegeben werden. Ein sol cher kostengünstiger und in der Auflösung hochgenauer Lagede tektor kann aber lediglich die Schwerpunktkoordinaten eines einzigen Lichtfleckes bzw. eines komplizierteren Lichtmusters ausgeben, was jedoch in diesem Fall aus den nachfolgend behan delten Gründen völlig ausreichend ist.

So werden die optischen Signale der einzelnen Signalgeber A bis C und M nämlich zeitlich nacheinander ausgesendet. Das Aussen den kann dabei in einer sich periodisch wiederholenden Abfolge fest vorgegebener Zeitfenster erfolgen. Nach einer Periode, bei der alle Signalgeber nacheinander ihr Signal ausgesendet haben, kann eine kurze Pause erfolgen, um den Beginn einer neuen Peri ode zu kennzeichnen. Hierzu kann bei den Signalgebern A bis C und M eine entsprechende Steuerschaltung vorgesehen sein, die mit einer entsprechenden dem Lagedetektor nachgeschalteten Aus werteschaltung von Zeit zu Zeit (beispielsweise lediglich zu Beginn der Positionsbestimmung) synchronisiert wird.

Für die Kommunikation mit den einzelnen Signalgebern A bis C und M (beispielsweise für deren Steuerung) bzw. für die Syn chronisation der einzelnen Signalgeber A bis C und M kann fer ner eine optische Sendeeinheit an dem Lagedetektor verwendet werden, die die einzelnen Signalgeber A bis C und M und/oder Signalgebereinheiten ansteuert und bestimmt, welche Signalgeber A bis C und M und/oder Signalgebereinheiten zu welchem Zeit punkt senden dürfen. Dazu werden an jedem Signalgeber A bis C und M oder an jeder Signalgebereinheit eine oder mehrere opti sche Empfangseinheiten und eine Logikschaltung vorgesehen, die entscheidet, ob, wie und wann gesendet werden darf. Die Kommu nikation bzw. Synchronisation der Signalgeber A bis C und M kann dabei auch über Funk, Ultrasschall, etc. erfolgen. Wird beispielsweise eine Signalgebereinheit mit mehreren Signalgebern A bis C und M zum Aussenden ihrer Signale aktiviert, so kann die Logikschaltung der zugehörigen Signalgebereinheit die einzelnen Sendefenster für ihre jeweiligen Signalgeber A bis C und M generieren. Die Information über die Abfolge der Sende fenster ist dabei entweder bei der dem Lagedetektor nachge schalteten Auswerteschaltung bekannt oder aber sie wird von der Logikschaltung nochmals zurück an eine entsprechende Empfangs einheit bei dem Lagedetektor gesendet und dann der Auswerte schaltung bereitgestellt.

Falls es erforderlich wird, die einzelnen optischen Signale zu sätzlich oder alternativ zu der Aussendung in fest vorgegebenen Zeitfenstern voneinander unterscheiden zu müssen, können die Signale entsprechend gekennzeichnet werden. Dazu werden die op tischen Signale beispielsweise verschieden moduliert oder co diert. Falls die Modulationsart bzw. die Codierung genügend langsam ist, könnte der Lagedetektor selbst die optischen Si gnale demodulieren bzw. decodieren, um sie zu identifizieren. Wenn jedoch schnellere Modulationsarten bzw. Codierungen einge setzt werden, kann zusätzlich zu dem Lagedetektor, insbesondere in dessen unmittelbarer Nähe, eine optische Empfangseinheit (z. B. ein Infrarot-Empfänger) verwendet werden, welche aus schließlich das eintreffende Signal demoduliert bzw. decodiert, jedoch keine Lagebestimmung vornimmt. Das demodulierte bzw. de codierte Signal der optischen Empfangseinheit stellt zusammen mit dem im wesentlich gleichzeitig ausgegebenen Positionssignal (x- und y-Koordinaten) die Information dar, welcher Signalgeber A bis C oder M gerade gesendet hat.

Prinzipiell können zur Auswertung der von den Signalgebern A bis C und M gesendeten optischen Signale ein oder mehrere Lage detektoren verwendet werden. Bei zwei Lagedetektoren im bekann ten Abstand zueinander kann eine dreidimensionale Bestimmung der Objekt-Koordinaten ermöglicht werden. Durch verschiedene Einschränkungen der Bewegungsfreiheit des Objektes ergeben sich Sonderfälle, welche die anschließende Positionsberechnungen vereinfachen. Diese Sonderfälle werden nachfolgend anhand je weils eines speziellen Beispiels beschrieben. Abschließend wird ein Beispiel für den allgemeinen Fall aufgeführt, bei dem sowohl die Position (Raumkoordinaten) als auch die Verdrehungen der Achsen eines ansonsten steifen Objektes berechnet werden können. Für ein verformbares Objekt können zusätzlich an ver schiedenen Stellen des Objektes, welche sich zueinander bewegen können, gerade so viele Signalgeber A bis C und M angebracht werden, daß die Bewegung dieser Stellen aus den Signalen der dieser Stelle zugeordneten Signalgeber sowie der bereits be stimmten Position und Orientierung des gesamten Objektes und der übrigen beweglichen Stellen des Objektes abgeleitet werden kann.

Die Fig. 2 zeigt ein erstes spezielles Beispiel, bei dem zwei Lagedetektoren PSD1 und PSD2 und ein einzelner an dem Objekt angebrachter Signalgeber L verwendet werden. Mit dieser Kon stellation können zwar die Raumkoordinaten des Objektes, jedoch keinerlei Verdrehungen des Objektes berechnet werden. Es wird angenommen, daß der Abstand der Lagedetektoren PSD1 und PSD2 bekannt ist. Für die Positionsbestimmung des Objektes werden die beiden x- und y-Koordinaten der auf die beiden Lagedetekto ren PSD1 und PSD2 abgebildeten Bildpunkte des Signalgebers L ausgelesen und einer Auswerteschaltung zugeführt. Aus diesen Koordinaten läßt sich bei Kenntnis der Ausrichtung und Position der beiden Lagedetektoren PSD1 und PSD2 sowie der Brennweite der beiden (nicht dargestellten) Projektionslinsen vor den La gedetektoren PSD1 und PSD2 die Richtungen der eintreffenden Lichtstrahlen ableiten. Der Schnittpunkt der beiden Richtungen ergibt die 3D-Koordinaten des Objektes.

Bei dieser Variante kann das zeitlich aufeinanderfolgende Aus senden von Lichtsignalen von dem Signalgeber L beispielsweise den Auswertetakt der Auswerteschaltung triggern. Durch Erhöhen der Sendefrequenz wird somit die Auflösung der Positionsbestim mung genauer. Umfaßt das Objekt beispielsweise einen integrier ten Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsmesser, so kann die Sendefrequenz abhängig von der gemessenen Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung eingestellt werden. Auch hier findet somit er findungsgemäß eine Unterscheidung der einzelnen von dem einen Signalgeber L ausgesendeten Lichtsignale statt.

Ein Anwendungsbeispiel für diesen einfachen Aufbau wäre die Messung der Kopfbewegung eines Golfspielers, wenn Kopfdrehungen nicht weiter bestimmt werden sollen.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites spezielles Beispiel, bei dem ein Lagedetektor PSD und zwei an dem Objekt angebrachte Signalgeber L1 und L2 verwendet werden. Ferner wird angenommen, daß das Ob jekt sich lediglich in einer Ebene parallel zu dem Lagedetektor PSD bewegen kann und der Abstand dieser Ebene zum Lagedetektor PSD bekannt ist. Außerdem soll lediglich eine Drehung des Ob jektes in dieser Ebene erlaubt sein, d. h. daß die zwei Signal geber L1 und L2 ebenfalls immer in der Ebene bleiben. Bei die ser Konstellation können die Koordinaten des Objektes in der Parallelebene und der eine Drehwinkel berechnet werden. Aus den zeitlich nacheinander aufgezeichneten x- und y-Koordinaten der beiden auf den Lagedetektor PSD abgebildeten Bildpunkte lassen sich die beiden Richtungen der eintreffenden Lichtstrahlen, je weils von dem Signalgeber L1 und dem Signalgeber L2, ableiten. Aus den beiden Richtungen und dem Abstand der Parallelebene zum Lagedetektor PSD können dann in einem ersten Schritt die Koor dinaten der Signalgeber L1 und L2, und damit die Koordinaten des zugehörigen Objektes (bei bekannter fester Anordnung der Signalgeber L1 und L2 am Objekt), und in einem zweiten Schritt der eine Drehwinkel des Objektes in dieser Ebene bestimmt wer den.

Ein Anwendungsbeispiel für diese Konstellation ist die Beinbe wegung eines Golfspielers entlang einer Parallelebene.

Bei der Konstellation der Fig. 4 ist noch ein weiterer Bewe gungsfreiheitsgrad unter folgender Annahme bestimmbar: das Ob jekt soll sich einerseits in einer Parallelebene drehen und be wegen können und andererseits soll sich die Parallelebene in die Tiefe bewegen können. Der Abstand der beiden Signalgeber L1 und L2 ist wiederum bekannt. Bei dieser Konstellation werden also der Abstand der Parallelebene zum Lagedetektor PSD und der Drehwinkel und die Position des Objektes innerhalb der Paralle lebene berechnet. Aus der Kenntnis, daß sich die Signalgeber L1 und L2 in einer Parallelebene zum Lagedetektor PSD befinden, und aus einer Bestimmung des Abstandes der Bildpunkte der beiden Signalgeber L1 und L2 zueinander kann der Abstand g der Paral lelebene zum Lagedetektor PSD wie folgt bestimmt werden:

wobei L₂ - L₁ der bekannte Abstand der beiden Signalgeber L1 und L2 voneinander ist, B₂ - B₁ der berechenbare Abstand der beiden Bildpunkte der beiden Signalgebern L1 und L2 und e die Brenn weite der Projektionslinse ist. Die Fig. 4 verdeutlicht den obigen Sachverhalt.

Dann können - wie oben erläutert - aus den x- und y-Koordinaten der beiden auf den Lagedetektor PSD abgebildeten Bildpunkte die beiden Richtungen der eintreffenden Lichtstrahlen von den Si gnalgebern L1 und L2 bestimmt werden und schließlich aus den bestimmten Richtungen und dem Abstand die Position des Objektes in der Parallelebene und der Drehwinkel berechnet werden.

Ein Anwendungsbeispiel für diese Konstellation ist die Bestim mung der Vor- und Rückwärtsbewegung des Kopfes eines Golfspie lers entlang einer Linie senkrecht zum Lagedetektor und eine seitliche Bewegung und Verdrehung des Kopfes in der Parallele bene.

Die Fig. 5a und 5b zeigen in zwei Ansichten in der yz- und der xz-Ebene die Position und Orientierung eines Objektes, des sen Position mit einem Lagedetektor PSD und drei an dem Objekt angebrachten Signalgebern A, B und C bestimmt werden soll, so wie die entsprechenden drei Bildpunkte auf dem Lagedetektor. Bei diesem Beispiel soll die Position des Objektes im Raum be stimmt werden, während die Drehungen des Objektes lediglich auf eine Drehung in der yz-Ebene beschränkt ist. Die drei Signalge ber A bis C sind hierbei rechtwinkelig zueinander angeordnet, d. h. sie liegen an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks mit dem Signalgeber B an der Ecke mit dem rechten Winkel. Die Ab stände AB und CB der Signalgeber A bis C haben die Länge a/2 und stehen - wie gesagt - orthogonal zueinander. Aus dieser Kenntnis können die Abstände g_A, g_B und g_C der Signalgeber von der Projektionslinse und der Drehwinkel ϕ in der yz-Ebene wie folgt bestimmt werden:

wobei G_Ax und G_Ay die x- und y-Koordinaten des Signalgebers A, B_Ax und B_Ay die x- und y-Koordinaten der Bildpunkte des Signal gebers A bei dem Lagedetektor PSD, gA der Abstand des Signalge bers A von der Projektionslinse und e die Brennweite der Pro jektionslinse (bzw. der Abstand Projektionslinse zur Aufnahme fläche des Lagedetektors PSD) ist. In den Fig. 5a und 5b sind noch die y-Koordinaten G_By und G_Cy der Signalgeber B und C sowie die x- und y-Koordinaten B_Bx, B_Cx und B_By, B_Cy der Bild punkte der Signalgeber B und C eingezeichnet.

Für die Signalgeber B und C ergeben sich aus den Abbildungsge setzen analoge Gleichungen. Da die drei Signalgeber A bis C für alle Werte des Drehwinkel immer in der yz-Ebene liegen, gilt (wie auch aus Fig. 5b leicht ersichtlich wird):

G_Ax = G_Bx = G_Cx (3)

Der Drehwinkel ϕ läßt sich - wie aus der Fig. 5a leicht er sichtlich wird - aus den Differenzabständen g_A - g_B bzw. g_B - g_C ableiten:

Aus dem Verhältnis der Differenzabstände und den Abbildungs gleichungen erhält man den Drehwinkel ϕ auch folgendermaßen:

Damit läßt sich der Abstand des Signalgebers B von der Projek tionslinse (und damit die Objektposition) auch wie folgt schreiben:

Ein Anwendungsbeispiel wäre die Bestimmung der Vor- und Rück wärtsbewegung des Rückens eines Golfspielers entlang einer Li nie mit einer zusätzlichen Verdrehung in dieser Richtung.

Die Fig. 6a, b und c zeigen in drei Ansichten in der xyz-, der xz- und der yz-Ebene die Position und Orientierung eines Objektes, dessen Position mit einem Lagedetektor PSD und sieben an dem Objekt angebrachten Signalgebern A bis G bestimmt werden soll. Bei diesem allgemeinen Beispiel soll die Position des Ob jektes im Raum sowie alle drei Drehwinkel im Raum bestimmt wer den. In der Fig. 6a ist die geometrische Anordnung der 7 Si gnalgeber A bis G gezeigt. Die Signalgeber A bis G seien so an geordnet, daß die Strecken BA, BC, BE und BG die Länge a/2 und die Strecken BD und BF die Länge a√3/4 haben. Das Koordinaten system ist ferner so gewählt, daß die Orte aller Signalgeber anfangs direkt auf den Koordinatenachsen x, y und z liegen. So liegen die Signalgeber A und C also auf der x-Achse, die Si gnalgeber D und F auf der y-Achse und die Signalgeber E und G auf der z-Achse und der Signalgeber B im Mittelpunkt der Koor dinatenachsen. Diese geometrische Anordnung der sieben Signal geber A bis G kann im kartesischen Koordinatensystem verschoben und verdreht werden. Dabei wird der Signalgeber B im Mittel punkt der Anordnung um die Koordinaten G_Bx, G_By und G_Bz gegen über dem anfänglichen Koordinatensystem verschoben. Der Winkel ϕ1 beschreibe eine Drehung um die y-Achse, der Winkel ϕ2 eine Drehung um die x-Achse und der Winkel ϕ3 eine Drehung um die z- Achse.

Die sieben Signalgeber A bis G haben die folgenden Koordinaten im Raum:

Die Bildpunkte A bis G als Abbildungen der sieben Signalgeber A bis G auf dem Lagedetektor PSD haben folgende Koordinaten:

Die Koordinaten der Signalgeber A und C bis G im Raum können abhängig von den Koordinaten des Signalgebers B und der drei Drehwinkel ϕ1, ϕ2 und ϕ3 folgendermaßen dargestellt werden:

Ferner ergeben sich - wie aus den Fig. 6b und 6c leicht er sichtlich wird - die folgenden Gleichungen über das Abbildungs gesetz:

Für die Signalgeber B, C, D, E, F und G ergeben sich analoge Gleichungen.

Aus diesen über das Abbildungsgesetz erhaltenen Gleichungen (15) und den oben aufgestellten Gleichungen (9) bis (14) können die Drehwinkel ϕ1, ϕ2 und ϕ3 und der Abstand G_Bz in Abhängig keit der Koordinaten der Bildpunkte und der jeweils bereits be rechneten Drehwinkel beschrieben werden.

Drehwinkel ϕ3

Drehwinkel ϕ2

Drehwinkel ϕ1

Abstand g_B

Aus den berechneten Drehwinkeln ϕ1, ϕ2 und ϕ3 sowie dem Abstand g_B können über die Gleichungen (9) bis (14) die Koordinaten der Punkte A, B, C, D, E, F und G im Raum berechnet werden. Es kann hierfür ein Referenzpunkt festgelegt werden, welcher folgende Koordinaten hat.

Die Koordinaten des Punktes A bezogen auf den Referenzpunkt R ergeben sich folgendermaßen.

Die Koordinaten der Punkte B, C, D, E, F und G werden analog be rechnet.

Aus den bestimmten Positionen beispielsweise eines geschwunge nen Golfschlägers und der bekannten Position eines zu treffen den Golfballes lassen sich dann beispielsweise erst die Schwungbahn des Golfschlägers, dann der genaue Treffpunkt des Golfballes (hook, slice, draw, etc.) und die Treffgeschwindig keit und schließlich die Flugbahn des Golfballes errechnen. Diese kann beispielsweise großformatig auf einem Bildschirm vor dem Golfspieler zusammen mit dem Golfterrain angezeigt werden, so daß insgesamt eine vollständige, absolut realistische Golf simulation möglich wird.

Die Anmelderin behält sich vor, den Gegenstand des oben aufge führten speziellen Auswerteverfahren für die Positions- und Orientierungsbestimmung getrennt von der Unterscheidung der einzelnen Signale von den Signalgebern weiterzuverfolgen. Die ser Gegenstand betrifft ein Verfahren eine Vorrichtung zum Be stimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, bei welchem von einem oder mehreren mit dem Objekt gekoppelten Signalgebern elektromagnetische Signale ausgesendet werden, diese Signale auf einen oder mehrere zweidimensional auflösende Lagedetektoren projiziert und dort in zweidimensio nale Lagekoordinaten umgewandelt werden, und über einfach Ab bildungsgesetze aus den Lagekoordinaten die Position, Orientie rung und/oder Verformung des sich bewegenden Objektes bestimmt wird.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, bei welchem

a) von einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern (A-G, M) elektromagnetische Signale aus gesendet werden, wobei die Signalgeber (A-G, M) der art gesteuert werden, daß die einzelnen Signale von einander unterscheidbar sind;
b) diese Signale auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor (PSD) projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden; und
c) aus den Lagekoordinaten die Position, Orientierung und/oder Verformung des Objektes bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Aussenden der Signale von den Signalgebern (A-G, M) derart gesteuert wird, daß die Signale beim Lagedetektor (PSD) zeitlich nacheinander in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zusammen mit jedem Signal eine Zusatzinformation zum Identifizieren des ausgesendeten Signals übertragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Zusatzinforma tion als Codierung in jedem Signal enthalten ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Zusatzinforma tion dem jeweiligen Signal aufmoduliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die codierte bzw. modulierte Zusatzinformation von dem Lagedetektor (PSD) direkt decodiert bzw. demoduliert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welcher die Zusatzinformation von einer separaten Empfangseinheit empfangen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zusatzinformation von einem separaten Zusatz information-Sender übertragen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem das Steuersignal für die Sendesteuerung der Signalgeber (A-G, M) drahtlos an die Signalgeber (A-G, M) übertragen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Steuersignal optisch, per Funk oder per Ultraschall übertragen wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Position des sich bewegenden Objektes in Form der drei orthogonalen Koordinaten im Raum und die Orien tierung in Form der drei orthogonalen Drehwinkel im Raum bestimmt wird, wobei wenigstens sechs Signalgeber (A-G) verwendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem objektabhängig mehr als sechs Signalgeber (A-G, M) verwendet werden, wel che so an dem Objekt angeordnet sind, daß in jeder mögli chen Position, Orientierung oder Verformung des Objektes immer sechs Signale von sechs verschiedenen Signalgebern (A-G, M) auf dem zweidimensionalen Lagedetektor (PSD) ab gebildet werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektromagnetischen Signale Infrarot-Licht signale sind.

14. Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, mit:

a) einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Si gnalgebern (A-G, M) zum Aussenden elektromagnetischer Signale, wobei die Signalgeber (A-G, M) derart ge steuert werden, daß die Signale voneinander unter scheidbar sind;
b) wenigstens einem zweidimensional auflösenden Lagede tektor (PSD), der derart ausgestaltet ist, daß die auf ihn projizierten Signale in zweidimensionale La gekoordinaten umgewandelt werden; und
c) einer Auswerteschaltung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung des sich bewegenden Objektes aus den Lagekoordinaten.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, mit einer Steuerschaltung zum Steuern der Signalgeber (A-G, M) derart, daß die Si gnale der Signalgeber (A-G, M) beim Lagedetektor (PSD) zeitlich nacheinander in entsprechenden Zeitfenstern ein treffen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei welcher jeder Signalgeber (A-G, M) derart ausgestaltet ist, daß er zu sammen mit dem Signal eine Zusatzinformation zum Identifi zieren des von ihm ausgesandten Signals überträgt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher jeder Signalge ber (A-G, M) derart ausgestaltet ist, daß die Zusatzinfor mation als Codierung in dem von dem Signalgeber (A-G, M) gesendeten Signal enthalten ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher jeder Signalge ber (A-G, M) derart ausgestaltet ist, daß die Zusatzinfor mation dem von dem Signalgeber (A-G, M) gesendeten Signal aufmoduliert ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei welcher der La gedetektor (PSD) derart ausgestaltet ist, daß er codierte bzw. modulierte Zusatzinformation decodiert bzw. demodu liert.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei wel cher ferner eine separate Empfangseinheit zum Empfangen der Zusatzinformation vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei wel cher ein mit den Signalgebern (A-G, M) gekoppelter Zusat zinformation-Sender zum Senden der Zusatzinformation vor gesehen ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei wel cher eine Steuersignal-Übertragungseinheit zum drahtlosen Übertragen des Steuersignals an die Signalgeber (A-G, M) vorgesehen ist, welches das Aussenden der Signalgeber steuert.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher das Steuersignal optisch, per Funk oder per Ultraschall übertragen wird.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, bei wel cher wenigstens sechs Signalgeber (A-G) verwendet werden und die Auswerteschaltung derart ausgestaltet ist, daß die Position des sich bewegenden Objektes in Form der drei or thogonalen Koordinaten im Raum und die Orientierung in Form der drei orthogonalen Drehwinkel im Raum bestimmt wird.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher objektabhängig mehr als sechs Signalgeber (A-G, M) verwendet werden, wel che so an dem Objekt angeordnet sind, daß in jeder mögli chen Position, Orientierung und/oder Verformung des Objek tes immer sechs Signale von sechs verschiedenen Signalge bern (A-G, M) auf dem zweidimensionalen Lagedetektor (PSD) abgebildet werden.

26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die elektromagnetischen Signale Infrarot-Licht signale sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, bei wel cher der Lagedetektor (PSD) ein PSD-Detektor ist.