DE10130423B4

DE10130423B4 - Optisches 3D-Positionsmesssystem für die simultane Erfassung von sechs Freiheitsgraden

Info

Publication number: DE10130423B4
Application number: DE2001130423
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dr. Hempel; Latifa Abdelmalek
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2001-06-23
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2021-06-24
Also published as: WO2003001237A2; DE10130423A1; WO2003001237A3

Abstract

Optisches Positionsmesssystem für die simultane Erfassung von allen sechs Freiheitsgraden eines bewegten Objekts im dreidimensionalen Raum, bestehend aus einem Messaufnehmer, einer Erkennungsmarke, einer Beleuchtung sowie einer Steuerungseinheit,dadurch gekennzeichnet, dass
a) der Messaufnehmer ein Flächenbildsensor (14) ist, welcher auf dem bewegten Objekt appliziert ist,
b) die Erkennungsmarke eine punktförmige Öffnung ist, welche in einer mit einem bestimmten Abstand parallel vor dem Flächenbildsensor (14) angeordneten lichtabschwächenden oder lichtundurchlässigen Folie eingebracht ist,
c) die Beleuchtung mindestens fünf im Idealfall punktförmige Lichtquellen sind,
d) die Anzahl und Positionierung der Lichtquellen im dreidimensionalen Raum so gewählt ist, dass in jeder zu messenden Position und Ausrichtung des Objekts die Lichtstrahlen von wenigstens fünf Lichtquellen, welche nicht in einer Linie angeordnet sind, durch die punktförmige Öffnung hindurch ungehindert den Flächenbildsensor erreichen, sowie
e) die Steuerungseinheit eine Bildverarbeitung mit implementiertem mathematischen Modell und einem dazugehörigen mathematischen Auswertealgorithmus zur Ermittlung der Lage und Position des bewegten Objekts, eine Triggerschaltung für die laufende oder taktweise Ansteuerung der Lichtquellen sowie für die laufende oder taktweise Aufnahme der entsprechenden Schattenbilder auf dem Flächenbildsensor enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches dreidimensionales Positionsmesssystem (3D-Positionsmesssystem) für die simultane Erfassung von sechs Freiheitsgraden eines bewegten Objekts.
Die Erfindung befasst sich mit dem Problem der berührungslosen Lagebestimmung von bewegten Objekten, welche sich in einem dreidimensionalen Raum mit sechs möglichen Freiheitsgraden, nämlich mit drei Translations- und drei Rotationsfreiheitgraden bewegen.
Einsatzmöglichkeiten bieten sich u. A. im Bereich der Robotik und bei der Gerätepositionierung von Geräten in der Medizintechnik, wobei eine zuverlässige und genaue Lagebestimmung der zuvor genannten Art insbesondere bei einer Automatisierung eine absolut notwendige Bedingung ist. Mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit des bewegten Objekts steigt zudem die Bedeutung, dass alle sechs Freiheitsgrade möglichst simultan erfassbar sind.
Optische Positionsmesssysteme bestehen meist aus einer Steuereinheit, einer oder mehreren Messaufnehmern sowie Erkennungsmarken, welche auf dem bewegten Objekt aufgebracht sind. Für eine Lagebestimmung werden die oder der Messaufnehmer auf die Erkennungsmarken ausgerichtet, wobei diese durch den Messaufnehmer mit Hilfe der Steuerungseinheit detektierbar sind. Dabei ermittelt die Steuerungseinheit des Positionsmesssystems die Koordinaten und die Orientierung des Objekts im dreidimensionalen Messraum und ermittelt bei einer Bewegung des Objekts quantitativ dessen Relativbewegung.
In DE/EP 1034440 T1 wird ein berührungsloses Positionsmesssystem beschrieben, bei dem mindestens drei Erkennungsmarken nahe beieinander eine zweidimensionale Struktur aufspannend auf dem bewegten Objekt angebracht sind. Die Erkennungsmarken sind Marker, welche mit separaten Lichtquellen angeleuchtet, mit Hilfe mehrerer Kameras als Messaufnehmer laufend verfolgt werden, welche wiederum die Messdaten an eine Steuerungseinheit weiterleiten. Bei diesem Positionsmesssystem sind somit in vorteilhafter Weise keine elektrischen Anschlüsse an das bewegte Objekt erforderlich. Jedoch sind mehrere Lampen und mehrere Kameras ortsfest neben dem bewegten Objekt zu positionieren und gegen jegliche Verschiebungen zu sichern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Positionsmessung eines bewegten Objektes in einem dreidimensionalen Raum anzugeben, welches einerseits unempfindlich gegen äußere Störungen, insbesondere mechanischer Art, andererseits als 3D-Positionsmesssystem sich bereits vom Grundaufbau her für einen Einsatz in sehr beengtem Raum eignet. Dabei sollen alle Bewegungen des Objekts in allen sechs möglichen Freiheitsgraden zeitgleich und fortlaufend messbar sein und für die Ermittlung der Positionsdaten zur Verfügung stehen.
Die Aufgabe wird mit einem Positionsmesssystem mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 oder 2 gelöst, welches in Analogie zu einer Sonnenuhr den Schattenwurf speziell einer auf dem bewegten Objekt abstehend aufgebrachten punktförmigen Öffnung oder eines Punktes als Erkennungsmarke zur Positionsmessung ausnutzt.
Das Messprinzip basiert darauf, dass der Schatten der abstehenden Öffnung oder des Punktes als Erkennungsmarke auf dem Flächenbildsensor als Messaufnehmer in Größe, Form und Position laufend oder taktweise für eine weitere Verarbeitung detektiert wird. Daraus sowie aus der bekannten Position von mindestens fünf, nicht in einer Linie angeordneten Lichtquellen, Idealerweise Punktstrahler, welche die Struktur aus verschiedenen Richtungen simultan oder hintereinander anstrahlen, wird in einer dem Flächenbildsensor nachgeschalteten Steuereinheit mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus die Lage und die Ausrichtung der Struktur und damit des bewegten Objekts, auf dem die Struktur und der Flächenbildsensor fixiert sind, im Raum berechnet. Die fünf für einen Messvorgang heranzuziehenden Lichtquellen müssen dabei so ortsfest im dreidimensionalen Raum angeordnet sein, dass die Schattenbilder der Öffnung oder des Punktes von jeder der fünf Lichtquellen vollständig auf dem Flächenbildsensor abgebildet sind. Sollen größere laterale oder Rotationsbewegungen erfassbar sein, müssen zu Sicherstellung der zuvor genannten Bedingung eine entsprechende Anzahl von Lichtquellen im dreidimensionalen Raum positioniert sein. Die Ausgabe der Positionsdaten erfolgt als Koordinatensatz.
Zusätzlich um das bewegte Objekt aufgestellte ortsfeste Kameras sind somit nicht mehr erforderlich. Die Anordnung des Flächenbildsensors direkt unter, d. h. in unmittelbarer Nähe der Öffnung oder des Punktes bewirkt zudem in besonders vorteilhafter Weise, dass der mit dem Objekt und der Öffnung oder dem Punkt verbundene Flächenbildsensor im Vergleich zu einer ortsfesten Bilderfassung für eine ausreichende Erfassungsgenauigkeit nur ein relativ geringes Auflösungsvermögen mit wenig Reserven aufweisen muss. In Folge dessen kommt die anschließende Bildauswertung mit einer erheblich geringeren Anzahl von Bilddaten aus, was einerseits die Auswertungsgeschwindigkeit erhöht, andererseits Aufwand und Kosten der erforderlichen Hardware im Vergleich zu den eingangs genannten kameragestützten Systemen erheblich reduziert.
Als Flächenbildsensor eignet sich aufgrund der geringen Bauform und des ausreichenden Auflösungsvermögens insbesondere ein Kameramodul in Form einer Fotodiodenmatrix (CCD- oder PSD-Sensorchip). Die Steuereinheit besteht einerseits aus einer Bildverarbeitung mit implementiertem mathematischen Modell und einem dazugehörigen mathematischen Auswertealgorithmus zur Ermittlung der Lage und Position des bewegten Objekts und andererseits aus einer Triggerschaltung für die Ansteuerung der Lichtquellen sowie für die Aufnahme der entsprechenden Schattenbilder auf dem Flächenbildsensor. Dabei bietet sich in Anbetracht der relativ zu anderen Systemen geringen zu verarbeitenden Bilddatenmenge der Einsatz einer kompakten Steuerungseinheit, möglichst direkt unter dem CCD-Sensorchip auf dem bewegten Objekt, geradezu an. Für die Übertragung der Koordinaten in Form von Koordinatensät zen zu einer weiteren Verarbeitung außerhalb des 3D-Messsystems ist, wenn dies nicht drahtlos über Funk-, Ultraschall- oder Infrarotsignale geschieht, über ein einfaches Datenkabel.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiel basierend auf einem mathematischen Modell mit einer Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein mathematisches Modell zu einer Ausführungsform des 3D-Positionsmesssystems mit einer punktförmigen Öffnung oder einem Punkt als Erkennungsmarke; Zur Ableitung der gültigen Beziehungen dient in diesem Modell eine I-förmige Struktur als Erkennungsmarke.
1 zeigt ein mathematisches Modell zu einer Ausführungsform des 3D-Positionsmesssystems. Das Modell zeigt fünf punktförmige Lichtquellen 9 bis 13, vorzugsweise Leuchtdioden, welche eine auf dem PSD-Sensorchip 14 (PSD = Position Sensitive Device) orthogonal abstehende I-Sruktur 15 als Erkennungsmarke anleuchten und auf der Oberfläche des PSD-Sensorchips Schattenbilder 16 bis 20 erzeugen und durch diesen detektiert werden.
PSD-Sensorchips weisen gegenüber dem CCD-Sensorchip ein wesentlich höheres laterales Auflösungsvermögen auf, eignen sich jedoch nur zur Detektion von Helligkeitsminima und -maxima. Für die tatsächliche Realisierung der Ausführungsform muss die I-Struktur auf jeden Fall durch eine lichtabschwächende oder lichtundurchlässige Folie ersetzt werden, welche mit Abstand h parallel zu dem PSD-Sensorchip aufgespannt wird. In dieser Folie ist eine im Idealfall punktförmige Öffnung eingebracht, welche das abstehende Ende der I-Struktur (Punkt H in 1) subsitutuiert und direkt über dem Ursprung O' des definierten SKS, d. h. auf der Achse z' des SKS, positioniert ist. Der Balken der I-Struktur ist somit als Verbindungslinie entlang der z'-Achse zwischen Ursprung O' und der punktförmigen Öffnung nur noch fik tiv vorhanden. Ebenso sind die Schattenwürfe der I-Struktur nur noch fiktiv vorhanden, aber genau in der Lage definiert.
Als lichtabschwächende oder lichtundurchlässige Folie eignet sich insbesondere eine dünne Metallfolie, für die Herstellung der punktförmigen Öffnung in der Folie insbesondere ein mechanisches Bearbeitungs-, ein Laserbearbeitungs- oder ein Ätzverfahren.
Ebenso lässt sich die zuvor beschriebene lichtundurchlässige oder lichtschwächende Folie durch eine transparente Folie und die punktförmige Öffnung durch einen auf die Folie aufgebrachten schattenwerfenden Punkt ersetzen.
Der mathematische Algorithmus der Ausführungsform für die Positionsermittlung der eingangs beschriebenen Art stellt sich mit Bezug auf die in 1 dargestellten Parameter wie folgt dar:
Als Parameter sind mit Bezug auf 1 folgende Fixpunkte, Abmessungen und Linien des Positionsmesssystems im dreidimensionalen Raum, aufgespannt durch ein sog. Weltkoordinatensystem WKS, d. h. ein kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung 0 und den Achsen x, y und z definiert:
L₀ Position der Lichtquelle 9 im Ursprung des Koordinatensystem
L₁ Position der Lichtquelle 10 auf und in positiver Richtung der x-Achse mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu L₀
L₂ Position der Lichtquelle 11 auf und in negativer Richtung der x-Achse mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d, h. zu L₀
L₃ Position der Lichtquelle 12 auf und in positiver Richtung der y-Achse ebenfalls mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu L₀
L₄ Position der Lichtquelle 13 auf und in positiver Richtung der y-Achse ebenfalls mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu L₀
O' Position des Fußpunkts des I-Struktur und Ursprung eines Sensorkoordinatensystems SKS, ebenfalls ein kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen x', y' und z'
O'H Verbindungslinie der Punkte O' und H, entspricht dem Balken der I-Struktur mit der Länge h
O'S₀ Verbindungslinie der Punkte O' und S₀ entspricht dem Schattenbild 16 des Balkens der I-Struktur (O'H) ausgehend von der Lichtquelle 9 (L₀) mit der Länge l₀
O'S₁ Verbindungslinie der Punkte O' und S₁ entspricht dem Schattenbild 17 des Balkens der I-Struktur (O'H) ausgehend von der Lichtquelle 10 (L₁) mit der Länge l₁
O'S₂ Verbindungslinie der Punkte O' und S₂ entspricht dem Schattenbild 18 des Hauptbalkens der I-Struktur (O'H) ausgehend von der Lichtquelle 11 (L₂) mit der Länge l₂
O^'S₃ Verbindungslinie der Punkte O' und S₃ entspricht dem Schattenbild 19 des Balkens der I-Struktur (O'H) ausgehend von der Lichtquelle 12 (L₃) mit der Länge l₃
O'S₄ Verbindungslinie der Punkte O' und S₄ entspricht dem Schattenbild 20 des Balkens der I-Struktur (O'H) ausgehend von der Lichtquelle 13 (L₄) mit der Länge l₄
Alle Koordinaten werden zunächst im Sensorkoordinatensystem SKS berechnet, so dass deren Ursprung der Fußpunkt der T-Struktur O' ist: SKS = [o', (x', y', z')]. Der Ursprung O des Weltkoordinatensystems WKS hat dabei folgende Koordinaten:
Um die Position des Sensors zu bestimmen, braucht man neben dem Invarianten Punkt O' bei bekannter Länge h nach dem beschriebenen mathematischen Modell gemäß 1 auch die Koordinaten der Punkte S₀ bis S₄ auf der Oberfläche des PSD-Sensorchips 4. Durch Anwendung des Strahlensatzes und der Formel zur Bestimmung vom Schnittpunkt zwischen Gerade und Ebene bekommt man folgende sechs Gleichungen für je drei Translations- und drei Rotati onsfreiheitgrade zur Ermittlung der entsprechenden Koordinaten im SKS.
Es folgt eine Rücktransformation der im SKS ermittelten Koordinaten auf das Koordinatensystem WKS und damit die relative Lage und Ausrichtung des bewegten Objektes:
Dabei sind x₀, y₀ und z₀ die Koordinaten des Fußpunktes der I-förmigen Struktur im WKS und θ der Winkel um die x-Achse , ? der Winkel um die y-Achse und φ der Winkel um die z-Achse.

9 – 13: Lichtquellen
14: PSD-Sensorchip
15: I-Struktur
16 – 20: chattenbilder

Claims

Optisches Positionsmesssystem für die simultane Erfassung von allen sechs Freiheitsgraden eines bewegten Objekts im dreidimensionalen Raum, bestehend aus einem Messaufnehmer, einer Erkennungsmarke, einer Beleuchtung sowie einer Steuerungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Messaufnehmer ein Flächenbildsensor (14) ist, welcher auf dem bewegten Objekt appliziert ist, b) die Erkennungsmarke eine punktförmige Öffnung ist, welche in einer mit einem bestimmten Abstand parallel vor dem Flächenbildsensor (14) angeordneten lichtabschwächenden oder lichtundurchlässigen Folie eingebracht ist, c) die Beleuchtung mindestens fünf im Idealfall punktförmige Lichtquellen sind, d) die Anzahl und Positionierung der Lichtquellen im dreidimensionalen Raum so gewählt ist, dass in jeder zu messenden Position und Ausrichtung des Objekts die Lichtstrahlen von wenigstens fünf Lichtquellen, welche nicht in einer Linie angeordnet sind, durch die punktförmige Öffnung hindurch ungehindert den Flächenbildsensor erreichen, sowie e) die Steuerungseinheit eine Bildverarbeitung mit implementiertem mathematischen Modell und einem dazugehörigen mathematischen Auswertealgorithmus zur Ermittlung der Lage und Position des bewegten Objekts, eine Triggerschaltung für die laufende oder taktweise Ansteuerung der Lichtquellen sowie für die laufende oder taktweise Aufnahme der entsprechenden Schattenbilder auf dem Flächenbildsensor enthält.
Optisches Positionsmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässige oder lichtschwächende Folie durch eine transparente Folie und die punktförmige Öffnung durch einen auf die Folie aufgebrachten schattenwerfenden Punkt ersetzt ist.
Optisches Positionsmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Lichtquellen lichtstarke Leuchtdioden sind.