DE102009059890A1

DE102009059890A1 - Optische Positionierungs-Vorrichtung und ihr Positionierungs-Verfahren

Info

Publication number: DE102009059890A1
Application number: DE102009059890A
Authority: DE
Inventors: Yu-Hsiang Chen; An-Shun Cheng
Original assignee: Cheng Uei Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Cheng Uei Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-01-13
Also published as: TWI379224B; US8204275B2; FR2947343A1; TW201101154A; JP2011027447A; US20110110559A1; GB2471534A; GB0921655D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Positionierungs-Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Gegenstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das eine erste Achse und eine zweite Achse sowie eine dritte Achse aufweist, die lotrecht zueinander angeordnet sind. Die optische Positionierungs-Vorrichtung weist eine Host-Vorrichtung auf, die mit einem ersten optischen Sensor und einem zweiten optischen Sensor versehen sind, welche auf der ersten Achse mit einem ersten Abstand zwischen ihnen angeordnet sind, sowie einen Prozessor, der mit den optischen Sensoren verbunden ist, und eine Kalibriereinrichtung, die in dem Empfindlichkeitsbereich der optischen Sensoren liegt, wobei ein zweiter Abstand zwischen einem Ursprung der zweiten Achse und einer Koordinate der Kalibriereinrichtung gegeben ist, welche sich in der zweiten Achse erstreckt. Die optischen Sensoren tasten die Kalibier-Vorrichtung ab, so daß der Prozessor einen Kalibriervorgang durchführt, und tasten dann den Gegenstand ab, um den Prozessor zu veranlassen, einen Positionierungsvorgang durchzuführen, um die Position des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu bestimmen.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein eine Positionierungs-Vorrichtung und insbesondere eine optische Positionierungs-Vorrichtung und ein zugehöriges Positionierungs-Verfahren.
2. Diesbezüglicher Stand der Technik
Optische Positionierungs-Vorrichtungen sind bekannt. Sie werden für vielfältige Anwendungsfälle verwendet, einschließlich gewöhnlicher automatischer Toilettenspüler, Videospiele und ausgefallene lasergestützte Munition, usw. Beispielsweise steuert die optische Maus die Videospiele wie folgt. Die optische Maus stützt sich auf eine Licht emittierende Diode (LED), die eine Oberfläche am Lichteinfall erhellt, sowie auf einen zweidimensionalen CMOS-Detektor, der die resultierenden Bilder einfängt, des weiteren auf eine Software, die aufeinanderfolgende Bilder zur Positionsbestimmung zuordnet und Geschwindigkeitssensoren, die die Geschwindigkeit bestimmen, mit der die Maus bewegt worden ist.
Die optische Maus hat jedoch Nachteile, betreffend eine komplizierte Anordnung und Verwendung. Darüber hinaus leidet die optische Maus bei Abschwächung des LED an einem niedrigen optischen Wirkungsgrad und relativ unterscheidungsschwacher sich ergebender Bilder, worunter die Positionierungsgenauigkeit leidet. Es besteht daher der Wunsch nach einer verbesserten optischen Positionierungs-Vorrichtung, die in der Lage ist, die obigen Probleme zu beseitigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Positionierungs-Vorrichtung zu schaffen, die zur Bestimmung einer Position eines Gegenstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem geeignet ist, das eine erste Achse, eine zweite Achse und eine dritte Achse aufweist, die zueinander senkrecht stehen. Die optische Positionierungs-Vorrichtung weist eine Host-Einrichtung und eine Kalibriereinrichtung auf. Die Host-Einrichtung hat einen ersten optischen Sensor und einen zweiten optischen Sensor, die längs der ersten Achse mit einem ersten Abstand dazwischen angeordnet sind. Die Host-Einrichtung weist ferner einen Prozessor auf, der mit dem ersten und dem zweiten optischen Sensor verbunden ist. Die Kalibriereinrichtung liegt in dem Empfindlichkeitsbereich des ersten und des zweiten Sensors mit einem zweiten Abstand zwischen einem Ursprung der zweiten Achse und einer Koordinate der Kalibriereinrichtung, die auf die zweite Achse projiziert wird. Die ersten und zweiten optischen Sensoren tasten die Kalibriereinrichtung ab, um den Prozessor zu veranlassen, einen Kalibrierungs-Vorgang auszuführen, woraufhin der erste und der zweite optische Sensor den Gegenstand abtasten, um den Prozessor zu veranlassen, einen Positionierungsvorgang auszuführen, um dadurch die Position des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem weiter zu bestimmen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches Positionierungs-Verfahren zu schaffen, mit dem die Position eines Gegenstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem bestimmt werden kann, das eine erste Achse, eine zweite Achse und eine dritte Achse aufweist, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Das optische Positionierungs-Verfahren weist die folgenden Schritte auf. Anordnen eines ersten optischen Sensors und eines zweiten optischen Sensors auf der ersten Achse mit einem ersten Abstand zwischen ihnen. Plazieren einer Kalibriereinrichtung in dem Empfindlichkeitsbereich des ersten und des zweiten optischen Sensors mit einem zweiten Abstand zwischen einem Ursprung der zweiten Achse und der Koordinate der Kalibriereinrichtung, die in die zweite Achse füllt. Die ersten und zweiten optischen Sensoren tasten die Kalibriereinrichtung ab, um ein erstes Bild zu erhalten, und übertragen dann dieses erste Bild an einen Prozessor. Der Prozessor empfängt das erste Bild und berechnet daraufhin ein Verhältnis aus einer tatsächlichen Abmessung der Kalibriereinrichtung zu einem entsprechenden Pixel des ersten Bildes. Die ersten und zweiten optischen Sensoren tasten ein Objekt ab, um ein zweites Bild bzw. ein drittes Bild zu erhalten. Der Prozessor empfängt das zweite Bild und das dritte Bild und bestimmt dann eine erste Koordinate und eine zweite Koordinate des Gegenstandes, der in dem zweiten Bild bzw. in dem dritten Bild abgetastet wird. Der Prozessor berechnet erste, zweite und dritte eingeschlossene Winkel gemäß den entsprechenden umgekehrten trigonometrischen Funktionen mit Hilfe der ersten Koordinate, der zweiten Koordinate, dem Verhältnis und dem zweiten Abstand, wobei der erste eingeschlossene Winkel zwischen der zweiten Achse und einer geraden Linie gebildet ist, die durch den ersten optischen Sensor und eine Koordinate läuft derart, daß der Gegenstand in eine Ebene projiziert wird, die durch die erste Achse und die zweite Achse gebildet wird, wobei der zweite eingeschlossene Winkel zwischen der zweiten Achse und der durch den zweiten optischen Sensor und die Koordinate verlaufenden geraden Linie gebildet wird derart, daß der Gegenstand in eine Ebene projiziert wird, die von der ersten und der zweiten Achse gebildet wird, und wobei der dritte eingeschlossene Winkel zwischen der zweiten Achse und einer geraden Linie liegt, die sich durch den Gegenstand und eine Koordinate erstreckt, so daß der Gegenstand in die erste Achse projiziert wird. Schließlich erhält der Prozessor eine Koordinate des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem mit Hilfe des ersten Abstandes sowie der ersten, zweiten und dritten eingeschlossenen Winkel, um dadurch die Position des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem aufzuzeigen.
Wie oben beschrieben, verwenden die optische Positionierungs-Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung die ersten und zweiten optischen Sensoren, um die Kalibriereinrichtung sowie den Gegenstand abzutasten, und benutzen dann den Prozessor zur Durchführung des Kalibrierungsvorgangs und schließlich zur Durchführung des Positionierungsvorgangs, um die Koordinate des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu erhalten. Daher lassen sich die optische Positionierungs-Vorrichtung und das Verfahren vorteilhafterweise leicht planen und benutzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird den auf diesem Gebiet tätigen Fachleuten durch Lesen der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen offenbart, in denen sind:
1 eine Ansicht einer optischen Positionierungs-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Lage eines Gegenstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem zu bestimmen ist;
2 ein Blockschaubild einer Host-Vorrichtung der optischen Positionierungs-Vorrichtung von 1;
3 eine Ansicht des in 1 gezeigten Gegenstandes;
4–7 Funktionsschaubilder, die zeigen, daß die optische Positionierungs-Vorrichtung von 1 die Position des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem auf der Grundlage eines Parallaxenprinzips bestimmt;
8 eine Teilansicht einer optischen Positionierungs-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ein Blockschaubild einer Host-Vorrichtung der optischen Positionierungs-Vorrichtung von 8; und
10 ein Fließbild eines Positionierungs-Verfahrens, das die optische Positionierungs-Vorrichtung von 1 benutzt, um die Lage des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu bestimmen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die 1, 2 und 4 zeigen eine optische Positionierungs-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die dazu dient, eine Position eines Gegenstandes 6 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem zu bestimmen, das eine erste Achse X, eine zweite Achse Z und eine dritte Achse Y aufweist, so daß sich eine Koordinate (Dx, Dz, Dy) ergibt, wo Dx die Koordinate des Gegenstandes 6 auf der ersten Achse X, Dz die Koordinate des Gegenstandes 6 auf der zweiten Achse Z und Dy die Koordinate des Gegenstandes 6 auf der dritten Achse Y darstellen. Die optische Positionierungs-Vorrichtung weist eine Host-Vorrichtung 2 und eine Kalibriereinrichtung 4 auf.
Wie aus 2 ersichtlich, ist die Host-Vorrichtung 2 mit einem ersten optischen Sensor 8, einem zweiten optischen Sensor 10, einer Steuereinheit 12 und einem Prozessor 14 versehen. Der erste optische Sensor 8 und der zweite optische Sensor 10 sind entsprechend mit der Steuereinheit 12 verbunden, und die Steuereinheit 12 ist des weiteren an den Prozessor 14 angeschlossen. Die Steuereinheit 12 empfängt Signale der Kalibriereinrichtung 4 und des Gegenstandes 6, die durch den ersten optischen Sensor 8 und den zweiten optischen Sensor 10 festgestellt werden, und überträgt dann die Bildsignale an den Prozessor 14. Der Prozessor 14 führt zunächst einen Kalibrier- oder Eichvorgang durch und schließlich einen Positionierungsvorgang, und zwar auf einem Parallaxenprinzip, um die Koordinaten (Dx, Dz, Dy) des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu erhalten.
Der in den 1, 6 und 7 gezeigte erste optische Sensor 8 und zweite optische Sensor 10 sind auf der ersten Achse X und nebeneinander angeordnet, um zwischen sich einen ersten Abstand Df zu bilden. Ein Mittelpunkt des ersten Abstandes Df dient als Ursprung (0, 0, 0) des dreidimensionalen Koordinatensystems. Darüber hinaus ist der erste optische Sensor 8 auf einem negativen Teil der ersten Achse X angeordnet, während der zweite optische Sensor 10 auf einem positiven Teil der ersten Achse X liegt. Die ersten und zweiten optischen Sensoren 8, 10 können entweder CMOS-Bildsensoren oder CCD-Bildsensoren sein.
Wenn unter Bezug auf die 4 und 5 die optische Positionierungs-Vorrichtung damit beginnt, die Position des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu bestimmen, wird die Kalibriereinrichtung 4 zunächst in dem Empfindlichkeitsbereich des ersten optischen Sensors 8 und des zweiten optischen Sensors 10 angeordnet. Die Kalibiervorrichtung 4 liegt des weiteren lotrecht zu der zweiten Achse Z, und zwischen der Kalibiervorrichtung 4 und der ersten Achse X besteht ein zweiter Abstand Ds, in dem der erste optische Sensor 8 und der zweite optische Sensor 10 fluchtend ausgerichtet sind. Der erste optische Sensor 8 bzw. der zweite optische Sensor 10 ermitteln dann die Kalibiervorrichtung 4 und erhalten ein erstes Bild 16. Darüber hinaus übertragen die ersten und zweiten optischen Sensoren 8, 10 eine tatsächliche Abmessung der Kalibiervorrichtung 4 und eines Pixels des ersten Bildes 16 an den Prozessor 14 durch die Steuereinheit 12. Der Prozessor 14 berechnet daraufhin ein Verhältnis R der tatsächlichen Abmessung der Kalibiervorrichtung 4 zu dem Pixel des ersten Bildes 16. Bei dieser Ausführungsform ist die Kalibiervorrichtung 4 eine Kalibrierplatte, bestehend aus mehreren schwarzen Blöcken 50 und mehreren weißen Blöcken 51, die einander abwechselnd angeordnet sind. Wenn der schwarze Block 50 der Kalibiervorrichtung 4 eine Höhe von etwa 10 mm aufweist und die Höhe eines entsprechenden schwarzen Blockes 50' in dem ersten Bild 16 zwanzig Pixel beträgt, dann ist das Verhältnis R der augenblicklichen Abmessung der Kalibiervorrichtung 4 zu dem Pixel des ersten Bildes 16 gleich 0,5 mm/Pixel.
Unter Bezug auf die 1 und 5–7 ist wiederum festzustellen, daß dann der Gegenstand 6 in dem Empfindlichkeitsbereich der ersten und zweiten optischen Sensoren 8, 10 mit der Koordinate (Dx, Dz, Dy) in dem dreidimensionalen Koordinatensystem liegt. Demzufolge bedeutet die Koordinate (Dx, Dz, 0), daß der Gegenstand 6 in die Ebene projiziert wird, die von der ersten Achse X und der zweiten Achse Z gebildet wird, während die Koordinate (Dx, 0, 0) bedeutet, daß der Gegenstand 6 in die erste Achse X projiziert wird. Ein erster eingeschlossener Winkel θ1 ist zwischen der zweiten Achse Z und der geraden Linie ausgebildet, die durch die Koordinate (Dx, Dz, 0) und den ersten optischen Sensor 8 verläuft, während ein zweiter eingeschlossener Winkel θr zwischen der zweiten Achse Z und einer geraden Linie, die durch die Koordinate (Dx, Dz, 0) verläuft sowie den zweiten optischen Sensor 10 ausgebildet ist und ein dritter eingeschlossener Winkel θ, der zwischen der zweiten Achse Z und der geraden Linie durch die Koordinate (Dx, Dz, Dy) ausgebildet ist und durch die Koordinate (Dx, 0, 0) läuft. Somit ermitteln der erste optische Sensor 8 und der zweite optische Sensor 10 den Gegenstand 6, um ein zweites Bild 18 bzw. ein drittes Bild (nicht gezeigt) zu erhalten, und der Prozessor 14 kann des weiteren die Koordinaten des Gegenstandes 6 bestimmen, die in dem zweiten Bild 18 bzw. dem dritten Bild festgestellt werden und als eine erste Koordinate (x, z, y) (nicht gezeigt) und eine zweite Koordinate (x', z', y') (nicht gezeigt) bezeichnet werden. Danach rechnet der Prozessor 14 die eingeschlossenen Winkel θ1, θr, θ gemäß einer inversen trigonometrischen Funktion auf der Grundlage der ersten Koordinate (x, z, y), der zweiten Koordinate (x', z', y'), dem Verhältnis R und dem zweiten Abstand Ds.
In den 1, 3 und 5 ist der Gegenstand 6 ein Handgriff mit einer Lichtquelle 20, die an seiner einen Stirnfläche angeordnet ist, so daß sie von dem ersten bzw. dem zweiten optischen Sensor 8, 10 festgestellt werden kann. Die Lichtquelle 20 wird als Lichtpunkt in dem zweiten Bild 18 und dem dritten Bild ermittelt und auch auf der ersten Koordinate (x, z, y) in dem zweiten Bild 18 und auf der zweiten Koordinate (x', z', y') in dem dritten Bild ermittelt. Bei der ersten Ausführungsform ist das zweite Bild 18 bzw. das dritte Bild ein VGA(Video Graphics Array)-Bild mit 640·480 Pixel, die durch die erste Achse X und die dritte Achse Y zu sehen sind, so daß die erste Koordinate als (x, y) und die zweite Koordinate als (x', y') zu bezeichnen sind, wobei entweder x oder x' jede beliebige Zahl im Bereich von 0 bis 639 längs der ersten Achse X und entweder y oder y' eine beliebige Zahl im Bereich von 0 bis 479 auf der dritte Achse Y sind. Darüber hinaus ist y = y', da die ersten und zweiten optischen Sensoren 8, 10 in der Ebene liegen, die von der ersten Achse X und der zweiten Achse Z gebildet wird. Somit werden die eingeschlossenen Winkel θ1, θr, θ gemäß der entsprechenden inversen trigonometrischen Funktion wie folgt berechnet: θ1 = arctan(x·R/Ds), θr = arctan(x'·R/Ds) und θ = arctan(y·R/Ds). Wenn (x, y) = (336, 240), (x', y') = (146, 240) und Ds = 200 mm betragen, dann sind die entsprechenden Winkel für θ1 = arctan(336·0,5/200) = 40°, θr = arctan(146·0,5/200) = 20° und θ = arctan(240·0,5/200) = 31°.
In den 1 und 7 berechnet der Prozessor 14 wieder die Koordinate (Dx, Dz, Dy) des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem mit Hilfe des ersten Abstands Df und der eingeschlossenen Winkel θ1, θr, θ. Das Verfahren zur Berechnung von Dz der Koordinate (Dx, Dz, Dy) ist im folgenden beschrieben. Zunächst wird der Empfindlichkeitsbereich der ersten und zweiten optischen Sensoren 8, 10 in drei Abschnitte auf der ersten Achse X aufgeteilt, die entsprechend als zweiter Abschnitt II, erster Abschnitt I und dritter Abschnitt III bezeichnet sind, wobei der erste Abschnitt I sich auf den Raum zwischen dem ersten optischen Sensor und dem zweiten optischen Sensor 10 bezieht, der zweite Abschnitt II sich auf den Raum neben dem ersten optischen Sensor 8 und von dem zweiten optischen Sensor 10 abgelegen bezieht und der dritte Bereich III sich auf den Raum neben dem zweiten optischen Sensor 10 und von dem ersten optischen Sensor 8 abgelegen bezieht. In welchem Bereich der Gegenstand 6 angeordnet ist, wird durch den Prozessor 14 gemäß der ersten Koordinate (x, z, y) und der zweiten Koordinate (x', z', y') bestimmt.
Wenn der Gegenstand 6 in dem ersten Bereich I liegt, ist die Formel, die Dz der Koordinate (Dx, Dz, Dy) berechnet: Dz = Df/(|tanθ1| + |tanθr|). Wenn der Gegenstand 6 in dem zweiten Bereich II liegt, heißt die Formel, die zur Berechnung Dz der Koordinate (Dx, Dz, Dy): Dz = Df/(|tanθr| – |tanθ1|). Wenn der Gegenstand 6 sich in dem dritten Bereich III befindet, lautet die Formel zur Berechnung von Dz der Koordinate (Dx, Dz, Dy): Dz = Df/(|tanθ1| – |tanθr|). Wenn der Gegenstand 6 in dem ersten Bereich I liegt und Df = 300 mm ist, dann beträgt gemäß der obigen entsprechenden Formel Dz = 300/(|tan40| – |tan20|) = 249.
Die Berechnungsformel für Dx der Koordinate (Dx, Dz, Dy) schreibt sich wie folgt: Dx = Dz·tanθ1 – Df/2. So ergibt sich Dx = 249·tan40 – 300/2 = 59 in der ersten Ausführungsform. Außerdem können der erste optische Sensor 8 und der zweite optische Sensor 10 auf der ersten Achse X willkürlich angeordnet werden. In einer solchen Situation hängt das Vorzeichen von Dx von einer Versetzung des Gegenstandes 6 ab, der dem Ursprung (0, 0, 0) des dreidimensionalen Koordinatensystems benachbart ist. Wenn eine positive Versetzung gegeben ist, dann ist Dx = |Dx|. Im Gegensatz dazu, wenn eine negative Versetzung gegeben ist, dann ist Dx = –|Dx|.
Letztlich läßt sich die Berechnungsformel von Dy der Koordinate (Dx, Dz, Dy) wie folgt beschreiben: Dy = Dz·tanθ. Somit ist Dy = 249·tan31 = 149. Deshalb wird die Koordinate (59, 249, 149) erhalten, um die Position des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu zeigen.
Wie aus den 8 und 9 ersichtlich, ist eine optische Positionierungs-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich derjenigen der ersten Ausführungsform. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, daß eine Host-Vorrichtung 2' in der zweiten Ausführungsform zwei Gruppen von Sensoren aufweist, die als eine erste Gruppe Sensoren A und eine zweite Gruppe Sensoren B bezeichnet sind. Die erste Gruppe Sensoren A weist einen ersten optischen Sensor 8 und einen zweiten optischen Sensor 10 auf, und die zweite Gruppe der Sensoren B weist einen dritten optischen Sensor 22 und einen vierten optischen Sensor 24 auf. Der dritte optische Sensor 22 und der vierte optische Sensor 24 sind entsprechend neben dem ersten optischen Sensor 8 und dem zweiten optischen Sensor 10 auf der ersten Achse X angeordnet, um zwischen sich einen ersten Abstand Df festzulegen. Bei der zweiten Ausführungsform kann entweder die erste Gruppe der Sensoren A oder die zweite Gruppe der Sensoren B eine 30 Bilder/S-Leistung bieten, so daß beide, also die erste und die zweite Gruppe Sensoren A, B eine 60 Bilder/S-Leistung insgesamt bei normaler Umgebung erzeugt und auch eine 30 Bilder/S-Leistung insgesamt erzeugt, selbst wenn die Umgebung dunkler wird, so daß die Koordinate (Dx, Dz, Dy) des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem genau erhalten werden kann. Darüber hinaus kann die optische Positionierungs-Vorrichtung der zweiten Ausführungsform auch eine Beschleunigung des Gegenstandes 6 auf Kosten der 60 Bilder/S-Leistung erhalten, und zwar sowohl von der ersten Gruppe als auch der zweiten Gruppe Sensoren A, B, wobei eine Proben-Koordinate für den Gegenstand 6 verdoppelt wird. Die dritten und vierten optischen Sensoren 22, 24 können entweder CMOS-Bildsensoren oder CCD-Bildsensoren sein.
Wie aus 9 ersichtlich, ist die Steuereinheit 12 ein FPGA (frei programmierbarer, integrierter Schaltkreis) und weist eine phasenverriegelte Schleife 26, einen Frequenzgenerator 28, einen Parallel-zu-Reihen-Wandler 30 und einen Puffer 32 auf. Die phasenverriegelte Schleife 26 ist mit den optischen Sensoren 8, 10, 22, 24 verbunden, um die optischen Sensoren 8, 10, 22 bzw. 24 zu betätigen. Der Frequenzgenerator 28 ist an die optischen Sensoren 8, 10, 22 bzw. 24 angeschlossen, um für sie eine Arbeitsfrequenz zu schaffen. Der Parallel-zu-Reihen-Wandler 30 ist mit den optischen Sensoren 8, 10, 22, 24 zum Empfang von Bild-Signalen verbunden, die durch die erste Gruppe der Sensoren A bzw. die zweite Gruppe der Sensoren B ermittelt werden, um dann an den Prozessor 14 übertragen zu werden. Der Puffer 32 steht mit dem Parallel-zu-Reihen-Wandler 30 in Verbindung, um die Bildsignale zeitweilig zu speichern, die durch den Parallel-zu-Reihen-Wandler 30 empfangen werden, so daß die Bildsignale von der ersten Gruppe der Sensoren A und der zweiten Gruppe der Sensoren B auf den Prozessor 14 durch den Parallel-zu-Reihen-Wandler 30 nur einmal übertragen werden.
In 10 wird ein Positionierungsverfahren, das die optische Positionierungs-Vorrichtung der ersten Ausführungsform zum Erhalt der Koordinate (Dx, Dz, Dy) des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem verwendet, wie folgt beschrieben.
Schritt 1, der erste optische Sensor 8 und der zweite optische Sensor 10 werden auf der ersten Achse X angeordnet, wobei zwischen ihnen der erste Abstand Df herrscht.
Schritt 2, die Kalibriereinrichtung 4 wird in dem Empfindlichkeitsbereich des ersten und des zweiten optischen Sensors 8, 10 angeordnet, wobei zwischen dem Ursprung der zweiten Achse Z und einer Koordinate der Kalibriereinrichtung 4, die auf die zweite Achse Z projiziert wird, der zweite Abstand Ds gegeben ist.
Schritt 3, der erste und der zweite optische Sensor 8, 10 steuern die Kalibriereinrichtung 4 so, daß das erste Bild 16 erhalten wird und übertragen daraufhin das erste Bild 16 auf den Prozessor 14.
Schritt 4, der Prozessor 14 empfängt das erste Bild 16 und führt daraufhin einen Kalibrierungsvorgang aus, wobei der Prozessor 14 das Verhältnis R der tatsächlichen Messung der Kalibriereinrichtung 4 zu dem entsprechenden Pixel des ersten Bildes 16 berechnet.
Schritt 5, die ersten und zweiten optischen Sensoren 8, 10 steuern den Gegenstand 6 so, daß das zweite Bild 18 bzw. das dritte Bild (nicht gezeigt) erhalten wird.
Schritt 6, der Prozessor 14 empfängt das zweite Bild 18 und das dritte Bild und bestimmt dann die erste Koordinate (x, z, y) und die zweite Koordinate (x', z', y') des Gegenstandes 6, der in dem zweiten Bild 18 bzw. dem dritten Bild ermittelt wird.
Schritt 7, der Prozessor 14 berechnet die eingeschlossenen Winkel θ1, θr, θ gemäß der entsprechenden inversen trigonometrischen Funktion, auf der Grundlage der ersten Koordinate (x, z, y), der zweiten Koordinate (x', z', y'), des Verhältnisses R und des zweiten Abstandes Ds, wobei der erste eingeschlossene Winkel θ1 zwischen der zweiten Achse Z und der geraden Linie liegt, die durch die Koordinate (Dx, Dz, 0) läuft, gebildet wird, und der erste optische Sensor 8, der zweite eingeschlossene Winkel θr zwischen der zweiten Achse Z und der geraden Linie ausgebildet ist, die sich durch die Koordinate (Dx, Dz, 0) erstreckt und der zweite optische Sensor 10 sowie der dritte eingeschlossene Winkel θ zwischen der zweiten Achse Z und der geraden Linie liegt, die durch die Koordinate (Dx, Dz, Dy) und die Koordinate (Dx, 0, 0) läuft.
Schritt 8, der Prozessor 14 berechnet Dz, Dx bzw. Dy mit Hilfe des ersten Abstandes Df und der eingeschlossenen Winkel θ1, θr, θ, um letztlich die Koordinate (Dx, Dz, Dy) des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu erhalten.
Wie oben beschrieben, benutzen die optische Positionierungs-Vorrichtung und das Positionierungs-Verfahren der vorliegenden Erfindung die ersten und die zweiten optischen Sensoren 8, 10, um die Kalibriereinrichtung 4 und den Gegenstand 6 zu ermitteln, verwenden dann den Prozessor 14 zur Durchführung des Kalibrierungsvorgangs und führen schließlich den Positionierungsvorgang aus, und zwar auf der Basis des Parallaxenprinzips, um die Koordinate (Dx, Dz, Dy) des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem zu erhalten. Daher hat die optische Positionierungs-Vorrichtung die Vorteile des leichten Planens und Benutzens. Darüber hinaus kann die optische Positionierungs-Vorrichtung eine Beschleunigung des Gegenstandes 6 auf Kosten der 60 Rahmen/S-Leistung sowohl von der ersten als auch von der zweiten Gruppe Sensoren A, B bekommen, so daß Geschwindigkeitssensoren des Standes der Technik weggelassen werden können. Sowohl die erste als auch die zweite Gruppe Sensoren A, B kann auch eine 30 Rahmen/S-Leistung insgesamt bieten, selbst wenn sich die Umgebung verdunkelt. Somit kann eine genaue Koordinate (Dx, Dz, Dy) des Gegenstandes 6 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem immer durch die optische Positionierungs-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bestimmt werden.

Claims

Optische Positionierungs-Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das eine erste Achse (X), eine zweite Achse (Z) und eine dritte Achse (Y) aufweist, die lotrecht zueinander angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Host-Vorrichtung (2) mit einem ersten optischen Sensor (8) und einem zweiten optischen Sensor (10), die längs der ersten Achse (Z) mit einem ersten Abstand (Df) zwischen sich angeordnet sind, wobei die Host-Vorrichtung (2) des weiteren einen Prozessor (14) aufweist, der mit dem ersten und dem zweiten optischen Sensor (8, 10) verbunden ist; und durch eine Kalibriereinrichtung (4), die in dem Empfindlichkeitsbereich der ersten und zweiten optischen Sensoren (8, 10) liegt, mit einem zweiten Abstand zwischen einem Ursprung der zweiten Achse (Z) und einer Koordinate der Kalibriereinrichtung, die in der zweiten Achse ausgebildet ist, wobei die ersten und zweiten optischen Sensoren (8, 10) die Kalibriereinrichtung (4) ermitteln, damit der Prozessor (14) einen Kalibriervorgang ausführen kann, woraufhin die ersten und zweiten optischen Sensoren den Gegenstand 6 feststellen, damit der Prozessor (14) einen Positionierungsvorgang ausführen kann, um die Position des Gegenstandes (6) in dem dreidimensionalen Koordinatensystem weiter zu bestimmen.
Optische Positionierungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Host-Vorrichtung (2) des weiteren einen dritten optischen Sensor (22) und einen vierten optischen Sensor (24) aufweist, die entsprechend neben dem ersten optischen Sensor (8) und dem zweiten optischen Sensor (10) auf der ersten Achse (X) und mit dem ersten Abstand zwischen ihnen angeordnet sind.
Optische Positionierungs-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Host-Vorrichtung (2) des weiteren eine Steuereinheit (12) aufweist, die zwischen den optischen Sensoren und dem Prozessor (14) zur Aufnahme von Bildsignalen der Kalibriereinrichtung (4) und des Gegenstandes (6) angeordnet sind, die durch die optischen Sensoren ermittelt werden, und daß dann die Bildsignale auf den Prozessor (14) übertragen werden.
Optische Positionierungs-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (12) ein FPGA (frei programmierbarer, integrierter Schaltkreis) ist.
Optische Positionierungs-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (12) eine phasenverriegelte Schleife (26) aufweist, die mit den optischen Sensoren zur Betätigung der optischen Sensoren verbunden ist, daß ein Frequenzgenerator (28) mit den optischen Sensoren verbunden ist, um eine Arbeitsfrequenz für sie zu erzeugen, daß ein Parallel-zu-Reihen-Wandler (30) an die optischen Sensoren (8, 10, 22, 24) zum Empfang der Bildsignale angeschlossen ist, die dann auf den Prozessor (14) übertragen werden, und daß ein Puffer (32) an den Parallel-zu-Reihen-Wandler (30) angeschlossen ist, um die Bildsignale, die von dem Parallel-zu-Reihen-Wandler (30) erhalten werden, zeitweilig zu speichern.
Optische Positionierungs-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sensoren (8, 10, 22, 24) entweder CMOS-Bildsensoren oder CCD-Bildsensoren sind.
Optische Positionierungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Gegenstand (6) eine Lichtquelle (20) befindet, die durch die ersten und zweiten optischen Sensoren (8, 10) abgetastet wird.
Optische Positionierungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung (4) eine Kalibrierungsplatte aus mehreren schwarzen Blöcken (50) und mehreren weißen Blöcken (51) ist, die einander abwechselnd angeordnet sind.
Optisches Positionierungs-Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Gegenstandes (6) in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, das eine erste Achse (X), eine zweite Achse (Z) und eine dritte Achse (Y) aufweist, die lotrecht zueinander angeordnet sind, gekennzeichnet durch Anordnen eines ersten optischen Sensors (8) und eines zweiten optischen Sensors (10) auf der ersten Achse (X) in einem ersten Abstand dazwischen; Plazieren einer Kalibriereinrichtung (4) in dem Empfindlichkeitsbereich des ersten und des zweiten optischen Sensors (8, 10) in einem zweiten Abstand zwischen einem Ursprung der zweiten Achse (Z) und einer Koordinate der Kalibriereinrichtung, die in der zweiten Achse liegt; wobei der erste und der zweite optische Sensor die Kalibriereinrichtung (4) abtasten, um ein erstes Bild zu erhalten und dann das erste Bild an einen Prozessor (14) zu übertragen; wobei ferner der Prozessor das erste Bild empfängt und dann ein Verhältnis (R) einer tatsächlichen Abmessung der Kalibriereinrichtung (4) zu einem entsprechenden Pixel des ersten Bildes berechnet; wobei des weiteren der erste und der zweite optische Sensor (8, 10) den Gegenstand (6) abtasten, um ein zweites Bild bzw. ein drittes Bild zu erhalten; wobei des weiteren der Prozessor (4) das zweite Bild und das dritte Bild empfängt und dann eine erste Koordinate und eine zweite Koordinate des Gegenstandes bestimmt, der in dem zweiten Bild bzw. im dritten Bild abgetastet ist; wobei darüber hinaus der Prozessor erste, zweite und dritte eingeschlossene Winkel gemäß entsprechender inverser trigonometrischer Funktionen mit Hilfe der ersten Koordinate, der zweiten Koordinate, des Verhältnisses (R) und des zweiten Abstandes berechnet, wobei der erste eingeschlossene Winkel zwischen der zweiten Achse und einer geraden Linie liegt, die durch den ersten optischen Sensor und einer Koordinate verläuft derart, daß der Gegenstand (6) in der Ebene abgebildet wird, die durch die erste Achse und die zweite Achse gebildet wird, wobei des weiteren der zweite eingeschlossene Winkel zwischen der zweiten Achse und einer geraden Linie ausgebildet ist, die durch den zweiten optischen Sensor und die Koordinate verläuft derart, daß der Gegenstand in der Ebene abgebildet wird, die durch die erste Achse und die zweite Achse gebildet wird, wobei der dritte eingeschlossene Winkel zwischen der zweiten Achse und einer geraden Linie ausgebildet wird, die durch den Gegenstand und eine Koordinate verläuft derart, daß der Gegenstand in der ersten Achse abgebildet wird; und wobei schließlich der Prozessor (14) eine Koordinate des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem mit Hilfe des ersten Abstandes und der ersten, zweiten und dritten eingeschlossenen Winkel erhält, um dadurch die Position des Gegenstandes in dem dreidimensionalen Koordinatensystem anzuzeigen.
Optische Positionierungs-Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Berechnung einer Koordinate, bei der der Gegenstand in der zweiten Achse projiziert wird, der Empfindlichkeitsbereich der ersten und der zweiten optischen Sensoren zuerst in drei Abschnitte entlang der ersten Achse unterteilt wird, entsprechend bezeichnet als ein zweiter Bereich, ein erster Bereich und ein dritter Bereich, wobei der erste Bereich sich auf den Raum zwischen dem ersten optischen Sensor und dem zweiten optischen Sensor bezieht, der dritte Bereich sich auf den Raum neben dem ersten optischen Sensor und von dem zweiten optischen Sensor abgelegen bezieht und der dritte Bereich sich auf den Raum neben dem zweiten optischen Sensor und von dem ersten optischen Sensor abgelegen bezieht und woraufhin dann der Bereich, in dem sich der Gegenstand befindet, durch den Prozessor gemäß der ersten Koordinate und der zweiten Koordinate bestimmt wird, so daß die Koordinate, in der der Gegenstand in der zweiten Achse projiziert wird, mit Hilfe einer entsprechenden Formel berechnet wird.