DE10054282A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines ObjektesInfo
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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 BA bis
BC und BM 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 gA, gB und gC der Signalgeber von
der Projektionslinse und der Drehwinkel ϕ in der yz-Ebene wie
folgt bestimmt werden:
wobei GAx und GAy die x- und y-Koordinaten des Signalgebers A,
BAx und BAy 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 GBy und GCy der Signalgeber B und C
sowie die x- und y-Koordinaten BBx, BCx und BBy, BCy 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):
GAx = GBx = GCx (3)
Der Drehwinkel ϕ läßt sich - wie aus der Fig. 5a leicht er
sichtlich wird - aus den Differenzabständen gA - gB bzw. gB - gC
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 GBx, GBy und GBz 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 GBz in Abhängig
keit der Koordinaten der Bildpunkte und der jeweils bereits be
rechneten Drehwinkel beschrieben werden.
Aus den berechneten Drehwinkeln ϕ1, ϕ2 und ϕ3 sowie dem Abstand
gB 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 (27)
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.
Priority Applications (3)
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DE2000154282 DE10054282A1 (de) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes |
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