DE102011100723A1

DE102011100723A1 - Markerelement zur Referenzierung einer Raumposition an einer Struktur

Info

Publication number: DE102011100723A1
Application number: DE102011100723A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Becker; Holger Schmidt; Franz Kocvara
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Markerelement (2) zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an einer Struktur (24), aufweisend zumindest ein Indikatorelement (4) zur Bestimmung eines definierten Punktes (18), ein Befestigungselement (6) zum Befestigen des Markerelementes (2) in definierter Raumposition und/oder Orientierung an der Struktur (24) und ein Übersetzungselement (8), welches eingerichtet ist, eine definierte Relation zwischen dem zumindest dem definierten Punkt (18) des Indikatorelementes und der definierten Raumposition (20) bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Positionserfassungssysteme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Markerelement für ein Positionserfassungssystem zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an einer Struktur, ein Halteelement zum Anbringen eines erfindungsgemäßen Markerelementes an einer Struktur zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung an der Struktur sowie ein System zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung an/in einer Struktur.
Positionserfassungssysteme finden vielfältige Anwendung. Positionserfassungssysteme werden einerseits verwendet, die eigene Position in einem vorgegebenen Koordinatensystem bzw. Raum definiert aufzufinden, andererseits zur Bestimmung relativer Positionen, beispielsweise zweier Punkte zueinander (deren relative Position) und/oder der Orientierung eines Objektes in Relation zu einem Positionserfassungssystem. Von Interesse mögen hierbei auch der Abstand zwischen Punkten bzw. eine Entfernungsmessung oder aber die Lage im Raum mit einer gewissen Winkelabhängigkeit sein.
Allgemein lässt sich anzeigen, dass Positionserfassungssysteme dazu verwendet werden, eine Pose (Position und Orientierung) eines Punktes bzw. eines Gegenstandes in einem Raum zu detektieren und eine Relation dieser Anordnung zu zumindest einem weiteren Raumpunkt zu bemaßen. Auch die absolute Position eines Punktes, beispielsweise auf einer Oberfläche einer Struktur, mag sich hierdurch feststellen bzw. bestimmen lassen. Auch mag eine relative Bewegung zwischen zwei Punkten bzw. Objekten im Raum bestimmbar, die Objekte mögen somit trackbar sein.
Positionserfassungssysteme verwenden hierzu Marken, welche zumindest ein Markerelement aufweisen, das vom Positionserfassungssystem im Raum detektiert werden mag. So mag eine stereoskopische Kamera (eine Kamera mit zumindest zwei aufeinander abgestimmten Einzelkamerasystemen) eine Punktmarke, angeordnet in Sichtbereich der Kamera und eine geeignete Kalibrierung vorausgesetzt, in einem Raum anordnen bzw. der Position der Punktmarke eine definierte Position im Raum bzw. in einem Koordinatensystem zuordnen können.
Unterschiedliche Positionserfassungssysteme mögen hierbei unterschiedliche Marken bzw. Markentypen verwenden. Mögliche Unterscheidungen sind hierbei aktive bzw. passive Markerelemente, zum Beispiel Infrarotmarker, welche selbstleuchtend im Falle von aktiven Markern oder zumindest IR-reflektierend im Fall von passiven Markern ausgebildet sind, so dass eine passende Kamera bzw. ein passendes Kamerasystem eines Positionserfassungssystems in seinem Bildbereich eine entsprechende Marke zu detektieren vermag. Andere Positionserfassungssysteme mögen eine andere bzw. unterschiedliche Markentechnologie aufweisen und beispielsweise Laserelemente für eine hochpräzise Entfernungsmessung verwenden.
Um eine gewünschte Anwendung optimal konzipieren zu können, mögen unterschiedliche Positionserfassungssysteme nacheinander oder insbesondere auch gleichzeitig zum Einsatz kommen. Diese unterschiedlichen Positionserfassungssysteme mögen hierbei unterschiedliche Aufgaben bzw. Anforderungen erfüllen. So mag nicht nur eine aktuelle Positionserfassung vorgenommen werden (tracking), sondern auch eine Transformation dieser erfassten Position in ein gefordertes bzw. gewünschtes Koordinatensystem (Registrierung), beispielsweise eines Objektes, zum Beispiel eines Flugzeuges. Z. B. mag ein laserbasiertes Positionserfassungssystem eine hochgenaue Längen- bzw. Distanzermittlung ermöglichen, somit die Bestimmung einer eindimensionalen Position, während ein weiteres Positionserfassungssystem eine dreidimensionale Position, somit eine Raumposition, sowie gegebenenfalls eine Bewegung im Raum zu detektieren vermag.
Aufgrund der unterschiedlichen Marken des jeweiligen Positionserfassungssystems mag jedoch die gleichzeitige Verwendung bzw. parallele Verwendung von Positionserfassungssystemen nur unter erschwerten Bedingungen bzw. gar nicht möglich sein.
Zwar mögen Standardadapter verwendet werden, welche die jeweiligen Marken unterschiedlicher Positionserfassungssysteme zumindest aufnehmen und definiert halten mögen. So gibt es Adapter für einzelne Positionserfassungssysteme bzw. Messsysteme, welche an einem Objekt platziert bzw. befestigt werden können, um eine geforderte Messung durchzuführen. Allerdings müssen die unterschiedlichen Marken der unterschiedlichen Positionserfassungssysteme an individuellen, eigenständischen Positionen in bzw. an einem Objekt platziert/befestigt werden, so dass eine einfache Umrechnung bzw. ein direktes Verwenden eines Messergebnisses eines Systems im Kontext eines weiteren Systems nicht möglich sein mag.
Aufgrund der unterschiedlichen Positionen der individuellen Marken des jeweiligen Positionserfassungssystems mögen insbesondere die vom jeweiligen Positionserfassungssystem verwendete Koordinatensysteme nicht derart kompatibel sein, um ein Messwert eines Systems direkt im Kontext eines weiteren Systems zu verwenden.
Die internationale Anmeldung PCT/EP 2010/070155 betrifft eine „mixed reality”-Anwendung in einem Flugzeug und verwendet hierzu ein Positionsbestimmungs- bzw. Positionserfassungssystem mit einem Referenzmarker mit Standardadapter.
Es mag als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein neuartiges System zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung an einer Struktur mit erhöhter Flexibilität bereitzustellen. Insbesondere mögen unterschiedliche Marken unterschiedliche Positionserfassungssysteme zeitgleich oder nacheinander unter Verwendung identischer Raumpunkte zur Positionsreferenzierung verwendet werden.
Demgemäß wird ein Markerelement zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an einer Struktur, ein Halteelement zum Anbringen eines erfindungsgemäßen Markerelementes an einer Struktur zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung an/in der Struktur sowie ein System zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an einer Struktur aufweisend ein erfindungsgemäßes Markerelement sowie ein erfindungsgemäßes Halteelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Markerelement zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung an/in einer Struktur bereitgestellt, aufweisend zumindest ein Indikatorelement zur Bestimmung eines definierten Punktes des Markerelementes, ein Befestigungselement zum Befestigen des Markerelementes in definierter Raumposition und/oder Orientierung an der Struktur und ein Übersetzungselement, welches eingerichtet ist, eine definierte Relation zwischen einem definierten Punkt des Indikatorelementes und der definierten Raumposition bereitzustellen.
Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Halteelement zum Anbringen eines erfindungsgemäßen Markerelementes an einer Struktur zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an der Struktur bereitgestellt, aufweisend eine Aufnahme, welche eingerichtet ist, ein Befestigungselement eines erfindungsgemäßen Markerelementes lösbar fest aufzunehmen und in definierter Pose in einem definierten Punkt zu halten, wobei bei wiederholtem Lösen und Rekonnektieren eines Markerelementes derselbe definierte Punkt vom Befestigungselement einnehmbar ist.
Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an einer Struktur bereitgestellt, aufweisend ein erfindungsgemäßes Markerelement sowie ein erfindungsgemäßes Halteelement.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag darin gesehen werden, dass eine Marke zur Positionsbestimmung bzw. Positionserfassung aufgeteilt wird in ein Markerelement sowie ein Halteelement bzw. Markerbracket zur Aufnahme, Befestigung und definierten Anordnung bzw. Ausrichtung des Markerelementes mittels dessen Befestigungselementes.
Das Markerelement mag hierzu ausgebildet bzw. eingerichtet sein, eine Information, zum Beispiel einen Raumpunkt bzw. eine Orientierung oder aber auch beispielsweise nur eine definierte Entfernung eines Punktes dem Positionserfassungssystem bereitzustellen. In anderen Worten mag das Markerelement Bestandteile aufweisen, welche vom Positionserfassungssystem erkannt und verarbeitet werden mögen. Das Erkennen mag hierbei zum Beispiel unter Verwendung einer stereoskopischen Kamera für eine 3D- oder 6D-Bestimmung erfolgen, oder aber es mag beispielsweise ein Lasersystem insbesondere für eine Entfernungsmessung verwendet werden.
Das Markerbracket oder Halteelement mag wiederum eine definierte Anbringung bzw. Aufnahme eines erfindungsgemäßen Markerelementes bzw. dessen Befestigungselementes bereitstellen. Insbesondere mögen Markerelement und Markerbracket lösbar koppelbar sein, wobei das Markerbracket und das Befestigungselement des Markerelementes derart eingerichtet sind, bei wiederholten Koppelvorgängen dieselbe, im Rahmen einer gewissen Genauigkeit, Position einnehmen zu können.
In anderen Worten weist das Markerelement eine definierte Schnittstelle zum Halteelement auf, welches wiederum eine definierte Aufnahmevorrichtung für diese Schnittstelle bereitstellt. Die Schnittstelle ist hierbei unabhängig von einem bestimmten Indikatorelement des Markerelementes sein, welches Indikatorelement mit dem Positionserfassungssystem, zum Beispiel mit dessen Aufnahmeelementen bzw. Aufnahmevorrichtung, zur Detektion des Markerelementes zusammenspielt. Das Schnittstellenelement oder Befestigungselement des Markerelementes ermöglicht somit die definierte, wiederholte Anbindung des Markerelementes an ein erfindungsgemäßes Halteelement in reproduzierbar identischer Position.
Das Auftrennen von Markerelement und Befestigungselement mag somit das Verwenden unterschiedlicher Positionserfassungssysteme in Reihe, nacheinander ermöglichen. Unterschiedliche Markerelemente mit unterschiedlichen Indikatorelementen, z. B. jeweils angepasst auf ein bestimmtes Positionserfassungssystem, mögen nacheinander auf die vom Markerbracket definierte Position aufgebracht werden und somit unter Verwendung desselben Raumpositionspunktes verwendet werden. Das Markerelement mag hierbei unter Verwendung eines Übersetzungselementes eine definierte Relation von Indikatorelement zu der Raumposition bereitstellen, welche durch das Halteelement definiert ist. Das Übersetzungselement mag hierbei auch als eine Ausgestaltung des Markerelementes verstanden werden, welche es beispielsweise ermöglicht, das Indikatorelement selbst exakt in die zu referenzierende Raumposition anzuordnen. Das Übersetzungselement mag somit nicht zwingend als ein eigenständiges Element angesehen werden. Die Anordnung eines Indikatorelementes direkt in dem Raumpunkt bzw. der Raumposition, welche referenziert werden soll, mag jedoch die Konsequenz aufbringen, dass ein und dieselbe Raumposition nur jeweils von einem bestimmten Indikatorelement eingenommen werden mag.
Wenn nun unterschiedliche Positionserfassungssysteme parallel verwendet werden sollen, ergibt sich hieraus die Folge, dass jeweils nur ein Indikatorelement, zugehörig zu einem bestimmten Positionserfassungssystem, selbst in der Raumposition angeordnet sein mag. Hierzu stellt nun das Übersetzungselement oder das Schnittstellenelement eine Relation zwischen Indikatorelement und zu referenzierender Raumposition derart bereit, so dass das Indikatorelement nicht mehr selbst in der entsprechenden Raumposition angeordnet werden muss.
Ein solches Übersetzungselement mag auf einfachste Weise als ein Element verstanden werden, welches ermöglicht, ein Indikatorelement in Bezug auf eine gewünschte Raumposition definiert festzulegen. Als einfachstes Übersetzungselement mag somit ein im Wesentlichen länglich ausgebildetes Element gesehen werden, welches es ermöglicht, das Indikatorelement in einem bestimmten, definierten Abstand von der zu referenzierenden Raumposition anzuordnen. Hierbei muss jedoch sichergestellt sein, dass die Positionsverschiebung zwischen der Position des Indikatorelementes und der zu referenzierenden Raumposition für das jeweilige Positionserfassungssystem eineindeutig ist. In anderen Worten muss sichergestellt sein, dass zwischen dem zumindest einen Indikatorelement und der zu referenzierenden Raumposition eine definierte Relation besteht, so dass bei Detektion des Indikatorelementes unmittelbar und eindeutig auf die zu referenzierende Raumposition geschlossen werden mag.
Ein entsprechendes Übersetzungselement mag auch als ein Pivotierungsmechanismus angesehen werden, welcher es ermöglicht, ein Indikatorelement nicht mehr zusammenfallend mit der zu referenzierenden Raumposition anzubringen, sondern in definierter Weise von der zu referenzierenden Raumposition beabstandet anzuordnen. Ein entsprechender Pivotierungsmechanismus oder ein Übersetzungselement ermöglicht es somit, auf ein bestimmtes Bauteil, zum Beispiel auf einem Markerelement, eine Mehrzahl von unterschiedlichen Indikatorelementtypen aufzubringen, welche jedoch einen einheitlichen, gemeinsamen, definierten Punkt referenzieren, so dass unterschiedliche Positionserfassungssysteme trotz unterschiedlicher Indikatorelemente einen einheitlich definierten, identischen Punkt bzw. Raumposition zeitgleich verwenden mögen. Hierdurch mögen mehrere unterschiedliche Positionserfassungssysteme zeitgleich parallel verwendet werden, so dass Registrierung und/oder Tracking einer Raumposition durch unterschiedliche Positionserfassungssysteme zeitgleich parallel durchgeführt werden mag.
Durch die Trennung von unterschiedlichen Marken in Markerelement und Markerbracket oder Halteelement ist es somit möglich, ein Halteelement für unterschiedliche Positionsbestimmungssysteme zu verwenden. Somit ist zunächst eine Kombination unterschiedlicher Systeme in Reihe möglich. Zum Beispiel mag eine Raumposition, referenziert über ein Indikatorelement für ein erstes Positionsbestimmungssystem, welches beispielsweise einen Laser verwendet, eingemessen werden. Nach erfolgter Einmessung, somit absoluter Referenzierung der Raumposition in einem Koordinatensystem, mag das Markerelement gegen ein weiteres Markerelement für ein weiteres Positionserfassungssystem getauscht werden, welches beispielsweise Infrarot-LED-Marker als Indikatorelemente verwendet.
So mögen insbesondere unterschiedliche Eigenschaften unterschiedlicher Positionserfassungssysteme kombiniert und optimiert verwendet werden. Ein Positionserfassungssystem mag beispielsweise erschütterungsanfällig, verhältnismäßig langsam sein und nur einen Punkt bzw. eine Raumposition zeitgleich bestimmen können, jedoch hochgenau sein, während ein weiteres Positionserfassungssystem im Wesentlichen robust gegenüber Erschütterungen sein mag, eine Mehrzahl von Punkten gleichzeitig zu messen vermag, wenngleich auch mit einer gegebenenfalls reduzierten Genauigkeit.
Durch die Verwendung eines Übersetzungselementes, welches allgemein eingerichtet ist, Indikatorelemente außerhalb eines zu referenzierenden Raumpunktes jedoch in definierter Relation zu diesem anzuordnen, mag sich ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Marken ergeben, die nur für eine Punktmessung verwendet werden mögen. Bei Verbundmarken bzw. Multi-Markerelementen, welche eine Mehrzahl von (unterschiedlichen) Indikatorelementen bzw. Indikatorelementtypen aufweisen, ist es physikalisch nicht möglich, sämtliche (unterschiedliche) Indikatorelemente in den Ursprung bzw. in die zu referenzierende Raumposition zu legen. Während ein Positionsbestimmungselement eine Raumposition, bei Anordnung eines Indikatorelementes in genau dieser Raumposition, im besten Fall nur unter Verwendung eines einzelnen Indikatorelementes zu detektieren vermag, mag ein Positionserfassungssystem, welches Indikatorelemente unter Verwendung eines Übersetzungselementes vom zu referenzierenden Raumpunkt beabstandet angeordnet aufweist, bestenfalls mindestens drei Indikatorelemente benötigen bzw. verwenden, um die Indikatorelemente auf den Ursprung bzw. die zu referenzierende Raumposition einzukalibrieren, um sie später bei einer Messanwendung herleiten zu können bzw. verwenden zu können.
Die Verwendung eines Übersetzungselementes mag es im Weiteren ermöglichen, Markerelemente auszubilden, welche eine Mehrzahl an Indikatorelementen für unterschiedliche Positionserfassungssysteme aufweisen. Bei herkömmlichen Markerelementen mag es insbesondere notwendig sein, ein Indikatorelement im Zentrum des Markers, somit in der Raumposition, welche referenziert werden soll, anzuordnen bzw. zu positionieren. Aufgrund dieses Zusammenfallens der zu referenzierenden Raumposition mit der Position eines Indikatorelementes mag es bei herkömmlichen Markerelementen auch nicht möglich sein, zwei Indikatorelemente unterschiedlicher Positionsbestimmungssysteme zu kombinieren, da diese zwangsweise am selben Ort bzw. an derselben Position angeordnet sein müssten, im Ursprung der Marke bzw. an der entsprechenden Raumposition. So wäre bestenfalls eine parallele Nutzung von verschiedenen Positionsbestimmungssystemen möglich, falls beide Positionsbestimmungssysteme einheitliche Indikatorelemente verwenden.
Durch die Verwendung des Übersetzungselementes des erfindungsgemäßen Markerelementes, somit durch die Pivotierung eines Indikatorelementverbundes relativ zu der zu referenzierenden Raumposition, mag die Raumposition selbst durch einen weiteren Indikatorelementtyp eingenommen werden während ein Indikatorelementverbund definiert beabstandet zur zu referenzierenden Raumposition unter Verwendung des Übersetzungselementes angeordnet ist. In anderen Worten mag ein Indikatorelementtyp direkt in der Raumposition bzw. mit der zu referenzierenden Raumposition zusammenfallend angeordnet sein, während ein Indikatorelementverbund, beispielsweise aus zumindest drei Indikatorelementen, unter Verwendung des Übersetzungselementes von der zu referenzierenden Raumposition beabstandet angeordnet sein mag. Gleichfalls ist denkbar, dass durch das Übersetzungselement bzw. mehrere Übersetzungselemente unterschiedliche Indikatorelementverbunde pivotiert zum Zentrum bzw. zur zu referenzierenden Raumposition angeordnet sind.
Ein Markerelement mag sich hierbei erweitern lassen und unter Verwendung von einem geeignet ausgebildeten Übersetzungselement oder zwei unterschiedlichen Übersetzungselementen drei oder mehr unterschiedliche Indikatorelemente bzw. Indikatorelementverbunde für drei oder mehr unterschiedliche Positionsbestimmungssysteme bereitzustellen, welche jeweils auf eine gemeinsame zu referenzierende Raumposition einkalibriert bzw. pivotiert werden.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Markerelementes beschrieben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Befestigungselement einen definierten Punkt aufweisen, und das Markerelement mag derart an der Struktur anbringbar sein, so dass ein definierter Punkt mit festgelegter Relation zur Struktur und der definierte Punkt des Befestigungselementes deckungsgleich zueinander bringbar sind.
Der definierte Punkt des Befestigungselementes mag insbesondere in einer definierten Relation zum zumindest einen Indikatorelement ausgebildet sein, so dass der definierte Funkt unter Verwendung zum Beispiel eines Indikatorelementverbundes bezüglich seiner Position und/oder Orientierung an ein Positionsbestimmungssystem weitergegeben werden mag. Beispielsweise mag das Befestigungselement eine Kugelform aufweisen, wobei der definierte Punkt im Zentrum der Kugel angeordnet sein mag. Hierdurch mag das Markerelement im Wesentlichen um die Kugeloberfläche drehbar sein, indem das kugelförmige Befestigungselement in ein geeignet ausgebildetes Halteelement eingebracht wird, so dass sich der zu referenzierende Raumpunkt, somit der definierte Punkt mit festgelegter Relation zur Struktur, durch den Mittelpunkt des kreisförmigen Befestigungselementes definierbar darstellen mag. Ein Indikatorelementverbund, welcher somit unter Verwendung eines Übersetzungselementes von dem definierten Punkt beabstandet angeordnet ist, mag trotz einer Dreh- bzw. Rotationsmöglichkeit des Markerelementes um die Kugeloberfläche des Befestigungselementes unabhängig von der jeweiligen Anordnung bzw. Ausrichtung immer den definierten Punkt des Befestigungselementes darstellen bzw. vermitteln und hierdurch den definierten Punkt mit festgelegter Relation zur Struktur. Das Befestigungselement muss hierbei nicht zwangsläufig kugelförmig ausgebildet sein, vielmehr ist jegliche Ausgestaltung denkbar, welche einen definierten Punkt aufweist. So mag ein definierter Punkt beispielsweise auch durch eine Ebene sowie eine Gerade, welche nicht parallel zur Ebene ausgebildet ist, definiert werden. Beispielsweise mag hierbei das Befestigungselement als ein zylinderförmiges Element ausgebildet sein, welches einen sprunghaften stetigen Durchmesser aufweist. Die sich durch den Sprung ausbildende Ebene zwischen den beiden Zylinderabschnitten mag zusammen mit der Rotationsachse eines Zylinderelementes einen Punkt im Inneren des zylinderförmigen Befestigungselementes definieren. Hierbei mag beispielsweise das Ende des zylinderförmigen Befestigungselementes mit einem kleineren Zylinderradius in ein Bohrloch eingebracht werden und bis zur Ebene/Auflagefläche, somit bis zu dem Zylinderabschnitt mit größerem Zylinderdurchmesser in das Bohrloch eingeschoben werden. Zusammen mit der Rotationsachse des zylinderförmigen Befestigungselementes mag somit ein Punkt definiert werden. Das Markerelement mag im Weiteren um die Rotationsachse des zylinderförmigen Befestigungselementes drehbar sein, jedoch unabhängig von einer genauen Winkelanordnung immer den definierten Punkt unter Verwendung der Indikatorelemente, beispielsweise eines Indikatorelementverbundes, referenzieren.
Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Markerelement als Multimarkerelement ausgebildet sein und eine Mehrzahl von Indikatorelementen aufweisen, wobei jedes der Indikatorelemente eingerichtet ist, dieselbe Raumposition und/oder Orientierung zu referenzieren.
Somit mögen eine Mehrzahl von Indikatorelementen bzw. von Indikatorelementverbunden an einem Markerelement angeordnet sein und unter Verwendung von einem oder mehreren Übersetzungselementen vom definierten Punkt des Befestigungselementes beabstandet angeordnet sein, um mit jedem Indikatorelementverbund dieselbe Raumposition, mithin den definierten Punkt, zu referenzieren. Zum Beispiel mag auf diese Weise die Sichtbarkeit eines Markerelementes vergrößert werden durch unterschiedliche Ausrichtung von Indikatorelementen bzw. Indikatorelementverbunde in Bezug auf den definierten Punkt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag die Mehrzahl von Indikatorelementen als eine Mehrzahl von unterschiedlichen Indikatorelementen bzw. unterschiedlichen Indikatorelementverbunden ausgebildet sein.
Durch die Verwendung von unterschiedlichen Indikatorelementen, welche jedoch gleichzeitig dieselbe Raumposition referenzieren, mag es beispielsweise möglich sein, unterschiedliche Positionsbestimmungssysteme mit unterschiedlichen Technologien bzw. unterschiedlichen Indikatorelementtypen zu verwenden, um diese parallel zu betreiben, wobei die Raumposition, welche von jedem der unterschiedlichen Positionsbestimmungselemente referenziert wird, dieselbe ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das zumindest eine Indikatorelement ausgebildet sein als ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Spiegellaserindikatorelement, fotogrametrisches Indikatorelement, Reflexionsindikatorelement, IR-Indikatorelement, passives IR-Indikatorelement, aktives IR-Indikatorelement, LED-Indikatorelement, Rundmarkerindikatorelement, Flachmarkerindikatorelement und Kombinationsindikatorelement aus zumindest zwei vorgenannten Indikatorelementen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Übersetzungselement als ein Pivotelement ausgebildet sein.
Ein Pivotelement mag hierbei insbesondere als ein Element verstanden werden, das eine definierte Positionsumsetzung zwischen einem Indikatorelement bzw. einem Indikatorelementverbund sowie der zu referenzierenden Raumposition, somit dem definierten Punkt des Befestigungselementes, bereitstellen mag. Das Pivotelement mag hierbei eine Rotation bzw. Pivotierung um den definierten Punkt des Befestigungselementes ermöglichen oder aber mag eine beliebig ausgestaltete Verbindung ermöglichen, welche eine fest definierte Relation zwischen Indikatorelement/Indikatorelementverbund und definiertem Punkt/Raumposition bereitstellt. Das Pivotelement ermöglicht somit das Indikatorelement bzw. der Indikatorelementverbund aus der zu referenzierenden Raumposition bzw. dem definierten Punkt des Befestigungselementes herauszutransformieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Übersetzungselement ausgebildet sein als ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Kugelelement, Steckelement und Steckverbindungselement.
Das Übersetzungselement ist als Element bzw. Eigenschaft zwischen einem Indikatorelement bzw. Indikatorelementverbund und einem Befestigungselement eines Markerelementes angeordnet bzw. ausgebildet und mag insbesondere derart beliebig ausgebildet sein, so lange eine definierte Position bzw. Relation zwischen Indikatorelement bzw. Indikatorelementverbund und denn Befestigungselement bereitgestellt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag das Markerelement eine eindeutige Identifikation jedes Indikatorelementes bereitstellen.
Hierbei mag eine Identifikation eines bestimmten Indikatorelementes durch das Markerelement selbst möglich sein, oder aber die Identifikation mag durch das Indikatorelement erfolgen.
Zum Beispiel mag eine visuelle Identifikation, beispielsweise eine Form, ein Schriftzug, ein maschinenlesbarer Code oder dergleichen am Indikatorelement bzw. in der Nähe eines Indikatorelementes angeordnet sein, welches beispielsweise durch eine geeignete Kamera des Positionsbestimmungselementes detektiert und analysiert werden mag, wodurch sich ein Indikatorelement eineindeutig identifizieren lassen mag. Auch mag ein Indikatorelement, beispielsweise ein aktives IR-Indikatorelement, eine eindeutige Identifikation ermöglichen durch Abstrahlen einer bestimmten Pulsfolge, einer festgelegten Modulation oder durch Senden auf einer eng begrenzt definierten Wellenlänge, welches Unterscheidungsmerkmal bzw. Identifikationsmerkmal nachfolgend vom Positionsbestimmungssystem erkannt und zugeordnet werden mag. Eine entsprechende Identifikation eines Indikatorelementes mag es nachfolgend ermöglichen, das Markerelement in Bezug auf einen zu referenzierenden Raumpunkt einfacher auszugestalten. Beispielsweise mögen bei nicht unterscheidbaren Indikatorelementen eine räumlich definierte Anordnung eines Indikatorelementverbundes gefordert sein, um eineindeutig eine Raumposition referenzieren zu können, welche dreidimensionale Anordnung wesentlich komplexer ausgebildet sein mag als beispielsweise im Falle, dass zumindest eines der Indikatorelemente unter Verwendung einer eindeutigen Identifikation identifiziert werden mag. Auch mögen gleiche (räumliche) Indikatorverbundanordnungen durch unterschiedliche Identifikation unterschieden werden. So mag eine Indikatorverbundanordnung eine erste eindeutige Identifikation aufweisen sowie eine weitere Indikatorelementverbundanordnung eine weitere eindeutige Identifikation, so dass auch unterschiedliche Raumpunkte trotz geometrisch gleicher Ausgestaltung des Indikatorelementverbundes referenziert werden mögen.
Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. In verschiedenen Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
Die Darstellung in den Figuren ist schematisch und nicht maßstäblich, mag jedoch qualitativ Größenverhältnisse wiedergeben.
Es zeigen
1 einen Referenzmarker;
2a–c eine exemplarische Ausgestaltung eines Markerelementes sowie eines Halteelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
3a–d exemplarische Ausgestaltungen von unterschiedlichen Markerelementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a, b weitere exemplarische Ausgestaltungen von Indikatorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
5a–d eine exemplarische Ausgestaltung eines Markerelementes mit generischem Übersetzungselement; und
6a, b ein exemplarisches Applikationsszenario eines erfindungsgemäßen Systems zur Referenzierung einer Raumposition in einem Flugzeug.
Figurenbeschreibung
Weiter Bezug nehmend auf 1 wird ein Referenzmarker dargestellt.
1 zeigt Markerelement 2, welches sich mit drei Befestigungselementen 6, ausgebildet als Klammern an einer beliebigen geeigneten Position einer Struktur befestigen lässt. Die Oberfläche des Markerelementes 2 weist eine Vielzahl von Indikatorelementen 14 auf, beispielsweise in 1 exemplarisch als Infrarotmarker ausgebildet.
Weiterhin weist Markerelement 2 eine Mehrzahl von Kalibrierungspunkten 10 auf, welche verwendet werden, um die Anordnung des Markerelementes 2 an der Struktur zu vermessen, da Markerelement 2 unter Verwendung der Befestigungselemente 6 im Wesentlichen beliebig und nicht vorbestimmt an der Struktur anbringbar ist. Dieser Prozessschritt mag als eine Alternative zur Pivotierung gemäß der vorliegenden Erfindung angesehen werden. Die Pivotierung gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt den Versatz eines Markerverbundes zu einem definierten Punkt (Pivot-Punkt), mag jedoch nicht das gesamte Koordinatensystem in Bezug auf die drei Freiheitsgrade einer Rotation definieren. Das Antasten von mindestens drei Punkten, z. B. drei Kalibrierungspunkten 10, erlaubt anstelle der Pivotierung die Definition/Kalibrierung des 6D Versatzes, somit Position und Orientierung, benötigt jedoch hierzu ein separates eingemessenes und trackbares Tastwerkzeug, um dies durchführen zu können. Die Pivotierung gemäß der vorliegenden Erfindung benötigt dementgegen im Kalibrierprozess nur ein invariantes Rotationszentrum, z. B. den definierten Punkt eines Halteelementes, um das sich der definierte Punkt eines Befestigungselementes drehen bzw. pivotieren lässt. Das Übersetzungselement bzw. Pivot-Element der vorliegenden Erfindung mag allgemein in diesem Zusammenhang insbesondere eine definierte Verbindung bzw. Relation zwischen zumindest einem Indikatorelement und dem definierten Punkt des Befestigungselementes bereitstellen. In anderen Worten mag durch das Übersetzungselement bzw. Pivot-Element der vorliegenden Erfindung eine definierte Relation zwischen dem definierten Punkt des Befestigungselementes sowie dem definierten Punkt eines Indikatorelementes, der von einem Positionsbestimmungssystem als Position des Indikatorelementes detektiert wird, bereitstellen.
Ein solches Markerelement gemäß 1 mag z. B. mit drei Halterungen an eine Struktur eingeschraubt und über mindestens vier Messungen eines messtechnischen Systems eingemessen bzw. kalibriert werden. Diese Messpunkte bzw. Kalibrierungspunkte 10 sind bereits auf der Grundfläche des Markerelementes 2 vorgesehen.
Weiter Bezug nehmend auf 2a–c wird eine exemplarische Ausgestaltung eines Markerelementes sowie eines Halteelementes gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
2a–c zeigen ein System 30, bestehend aus Markerelement 2 sowie Halteelement 12. Halteelement 12 ist angebracht auf einer Struktur 24, wobei die Art der Anbringung im Weiteren nicht näher beschrieben wird.
Die Marken bzw. Systeme der vorliegenden Erfindung wurden aufgeteilt und bestehen somit aus einem Halteelement 12 bzw. Markerbracket sowie (unterschiedlichen) Markerelementen 2, die sich auf Halteelement 12 aufstecken lassen bzw. sich mit diesem wiederholt verbinden lassen, wobei die unterschiedlichen Markerelemente 2 sich je nach verwendetem Positionsbestimmungssystem unterscheiden.
Das Markersystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet hierbei nur nach einen Referenzpunkt, exemplarisch definiert als der Mittelpunkt einer Kugel bzw. des Befestigungselementes 6.
Das Halteelement 12 hat exemplarisch ein Magnetelement 14 zum schnellen Auf- und Abbau bzw. Montage und Demontage unterschiedlicher Markerelemente 2. Das Halteelement 12 positioniert hierbei ein Markerelement 2 bzw. das kugelförmige Befestigungselement 6 derart, dass das Zentrum des Befestigungselementes 6 immer mittig in einem zuvor definierten Punkt positioniert ist. Eine definierte Position des Markerelementes 2 innerhalb eines Markerbrackets 12 ist somit bei Entfernen und Wiedereinbringen eines Markerelementes 2 oder unterschiedlicher Markerelemente 2 exakt und wiederholgenau zu treffen.
Die Halteelemente 12 mögen an einer Struktur 24 angebracht sein, zum Beispiel in einem Flugzeug für einen Teil eines Fertigungszeitraumes eingebaut, zum Beispiel geklebt oder verschraubt werden und mögen gegebenenfalls später wieder entfernt werden. Denkbar ist auch die standardisierte Anbringung von entsprechenden Halteelementen 12 an einer Struktur 24 während der Herstellung, so dass diese bereits in einem Entwicklungsprozess eingeplant und zu Fertigungsbeginn vorhanden sind.
Markerelement 2 ist hierbei im Wesentlichen jedoch exemplarisch als Kugelelement ausgebildet, beispielsweise ein passiver Infrarotmarker mit einer geeigneten Infrarot reflektieren Oberfläche. Ein entsprechender kugelförmiger Infrarotmarker 2 mag aus einem beliebigen Blickwinkel für eine Kamera als kreisrunder Punkt erscheinen, so dass sie aufgrund der bekannten Geometrie des Markerelementes 2 einen definierten Punkt 18 anzeigen. Im Falle des Markerelementes 2 der 2a–c ist dies das Zentrum des kugelförmigen Markerelementes 2.
Das Halteelement 12 wiederum ist exemplarisch als ein längliches, U-Profil Bracket ausgebildet, welches auf der Oberfläche (vgl. 2c) eine Öffnung 15 aufweist, in welche sich das kugelförmige Markerelement einbringen bzw. aufbringen lässt und dabei in definierter Position angeordnet ist.
Beispielsweise in 2c liegt die Oberfläche des Markerelementes 2 an vier Punkten am Halteelement 12 in Öffnung 15 an und ist somit in Bezug auf ihre Position zum Markerelement 12 bestimmt. Im Falle, dass das Markerelement ein Befestigungselement 6 sowie ggf. ein (generell optionales) Übersetzungselement 8 aufweist, mag z. B. ein kugelförmiges Befestigungselement 6 in der Öffnung 15 definiert angeordnet sein. Das für das Markerelement 2 gesagte mag in diesem Fall analog für ein Befestigungselement 6 gelten.
Eine Haltekraft zwischen Halteelement 12 und Markerelement 2 mag beispielsweise durch ein Magnetelement 14 aufgebracht werden, welches im Halteelement 12 angeordnet ist. Hierzu mag das Markerelement 2 selbst eingerichtet sein, von dem Magnetelement 14 eine Anziehungskraft zu erfahren, so dass Markerelement 2 in der Öffnung 15 des Halteelements 12 definiert fest angeordnet ist. Das Halteelement 12 wiederum weist ebenso einen definierten Punkt 23 auf, welcher jedoch nicht mit dem Volumen des Halteelementes 12 zusammenfallen bzw. in diesem angeordnet sein muss.
Die kugelförmige Ausgestaltung des Markerelementes 2 der 2a–c mag hierzu als die Funktion des Übersetzungselementes 8 verstanden werden. Auch Befestigungselement 6 weist einen definierten Punkt 22 auf, welcher im Falle der kugelförmigen Ausgestaltung des Markerelementes 2 der 2a–c mit dem definierten Punkt 18 des Indikatorelementes sowie dem definierten Punkt 23 des Halteelementes 12 zusammenfällt. Gleichzeitig entspricht im Falle der kugelförmigen Ausgestaltung des Markerelementes 2 dieser definierte Punkt der unter Verwendung in Markerelement 2 und Halteelement 12 zu referenzierenden Raumposition 20. Somit ergibt sich, dass der definierte Punkt 18 des Indikatorelementes, die zu referenzierende Raumposition 20 in Relation zur Struktur 24, der definierte Punkt 22 des Befestigungselementes sowie der definierte Punkt 23 des Halteelementes im selben Raumpunkt zusammenfallen. Diese Punkte sind jeweils im Zentrum und somit im Ursprung des Markerelementes 2 angeordnet.
Weiter Bezug nehmend auf 3a–d werden exemplarische Ausgestaltungen von unterschiedlichen Markerelementen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
3a–d zeigen unterschiedliche Markerelemente 2a-d, die für das Halteelement 12 gemäß 2a–c geeignet sind.
3a zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Markerelementes 2a, ausgebildet als ein Spiegellaserindikatorelement. Auf der in 3a dargestellten Oberseite des Markerelementes 2a weist dieses eine dreieckförmige lasertransparente Öffnung auf. Im Inneren des Markerelemente 2a angeordnet ist ein Spiegelsystem, welches einen Laserstrahl, der über das dreieckförmige Fensterelement in das Innere des Markerelementes 2a eintritt, jeweils zum Zentrum des Markerelementes 2a leitet und dort reflektiert. Somit wird ein durch das Fensterelement eintretender Laserstrahl immer aus dem definierten Punkt 22 des Markerelementes 2a reflektiert und stellt somit die Möglichkeit bereit, mittels eines Laserstrahls eine hochpräzise Positions- bzw. Entfernungsbestimmung des Raumpunktes 20 vorzunehmen.
Die äußere Oberfläche des Markerelementes 2a, somit das Befestigungselement 6 sowie das Übersetzungselement 8a, weisen wiederum eine Kugelform auf, so dass sie beispielsweise mit einem Halteelement gemäß 2a–c an einer Struktur 24 im definierten Punkt 23 des Halteelementes an der zu referenzierenden Raumposition 20 angeordnet werden mögen.
Markerelement 2a ist hierbei ein Spiegelsystem, das entsprechend für Messtechniksysteme/Trackingssysteme auf Basis von Laserstrahlen entworfen ist. Der Laser wird durch ein Spiegelsystem aus dem optischen Zentrum des Markerelementes 2a bzw. dem definierten Punkt 22 des Befestigungselementes 6 reflektiert. Das Markerelement 2b gemäß 3b ist exemplarisch halbkreisförmig aufgebaut und mit zwei auseinanderlaufenden Griffelementen zum Ausrichten bzw. Abnehmen des halbkreisförmigen Markerelementes 2b vom Halteelement 12 versehen.
Zumindest ein Teil des kreisförmigen Durchmessers ist als kreisförmige Reflektionsfläche bzw. Indikatorelement 4b ausgebildet. Aufgrund der halbkugelförmigen Ausgestaltung des Markerelementes 2b liegt der durch das Indikatorelement 4b referenzierte definierte Punkt 18 in der Ebene, insbesondere im Zentrum des kreisförmigen Indikatorelementes 4b. Indikatorelement 4b mag hierbei eine kreisförmige Reflektionsfläche für zum Beispiel IR-Systeme oder Lasersysteme bereitstellen und mag somit Informationen über einen definierten Raumpunkt bereitstellen im Falle, dass Indikatorelement 4b von einer geeigneten Kamera detektiert wird.
Im Falle des Markerelements 2b liegen der definierte Punkt 18 des Indikatorelementes, die zu referenzierende Raumposition 20, der definierte Punkt 22 des Befestigungselementes sowie der definierte Punkt 23 des Halteelementes wieder auf demselben Punkt, hier in der Ebene des Indikatorelementes 4b im Zentrum der kreisförmigen Reflexionsfläche.
Die kreisförmige Reflexionsschicht des Markerelementes 2b mag einfach in Bildern identifiziert werden und mag die Berechnung des Kreismittelpunktes erlauben. Die Oberfläche der Reflexionsschicht läuft genau durch den Kugelmittelpunkt. Markerelement 2b mag auch für Positionsbestimmungssysteme eingesetzt werden, welche Lichtblitze erzeugen und über (Multi-)Kamerasysteme eine Positionserfassung umsetzen.
In 3c dargestellt ist Markerelement 2c, welches ein kugelförmiges Befestigungselement 6 aufweist, an dem exemplarisch ein Flächenelement angebracht ist, welches wiederum exemplarisch vier Indikatorelemente 4c aufweist, beispielsweise aktive Infrarotelemente oder LEDs. Befestigungselement 6 weist wiederum einen definierten Punkt 22 auf, welcher jedoch von den vier einzelnen, von den Indikatorelementen 4c definierten Punkten 18 räumlich abweicht. Eine Übersetzung bzw. Positionsverschiebung, im Weiteren als Pivotierung bezeichnet, zwischen den Positionen bzw. definierten Punkten 18 der Indikatorelemente 4 und dem definierten Punkt 22 des Befestigungselementes wird von Übersetzungselement 8b bereitgestellt.
Ein Kamerasystem eines Positionsbestimmungssystems mag somit die (im Raum eindeutig) angeordneten Indikatorelemente 4c bzw. den in 3c dargestellten Indikatorelementverbund detektieren und aufgrund eines Wissens um die Ausgestaltung des Übersetzungselementes 8 bzw. die Pivotierung einen definierten Punkt 22 des Befestigungselementes bestimmen, welcher über die vier Indikatorelemente 4c festgelegt bzw. definiert wird.
Wenn nun das Markerelement 2c gemäß 3c in ein Halteelement 12 gemäß 2a–c eingebracht wird, wird der definierte Punkt 22 des Befestigungselementes 6 wiederum mit dem definierten Punkt 23 eines Halteelementes 12 zur Deckung gebracht, welcher gleichzeitig die zu referenzierende Raumposition 20 angibt. Hierdurch mag sich nun unter Verwendung der vier Indikatorelemente 4c, welche sich derart detektieren lassen, dass eine definierte Relation zwischen den Indikatorelementen 4c und dem definierten Punkt 22 des Befestigungselementes bestimmbar ist, eine zu referenzierende Raumposition 20 anzeigen. In anderen Worten ist für Markerelement 2c ein definierter Zusammenhang zwischen der Anordnung der einzelnen Indikatorelemente 4c bzw. deren Gesamtheit als Indikatorelementverbund und dem durch das Befestigungselement definierten Punkt 22 bekannt. Diese Relation mag entweder durch eine definierte Geometrie bzw. Anordnung der einzelnen Indikatorelemente 4c zueinander festgelegt sein oder aber mag über weitere Mittel angezeigt werden.
Im Falle, dass Indikatorelemente 4c beispielsweise aktive Indikatorelemente sind, mag über eine Pulsfrequenz, Modulation oder eine definierte Wellenlänge diejenige Information bereitgestellt werden, welche über die relative Zusammengehörigkeit zwischen Markerverbund und definiertem Punkt des Befestigungselementes informieren mag. Weiterhin denkbar ist beispielsweise, dass die Information über den Versatz bzw. die Pivotierung zwischen Indikatorelementen 4c und definiertem Punkt 22 des Befestigungselementes 6 und somit der zu referenzierenden Raumposition 20 als Information, zum Beispiel als maschinenlesbarer Code, auf die Oberfläche des Grundelementes aufgebracht ist, welches die einzelnen Indikatorelemente 4c trägt und diese relativ zueinander anordnet. Die entsprechende Information bezüglich des definierten Zusammenhanges bzw. der Relation oder Pivotierung von Indikatorelementen 4c zu definiertem Punkt 22 des Befestigungselementes mag über eine geeignete Kamera, beispielsweise eine einfache Videokamera mit Framegrabber und nachfolgender Bildanalyse ausgewertet werden.
Markerelement 2c weist somit keine Einzelmarke bzw. Einzelindikatorelement im Zentrum der Kugel bzw. des Befestigungselementes 6 auf, vielmehr werden auf einer zusätzlichen Konstruktion, beispielsweise einem Trägerelement zumindest drei Einzelindikatorelemente 4c aufgebracht, die es wiederum erlauben, eine Transformation des Indikatorelementverbundes in das Kugelzentrum zu berechnen. Die drei Indikatorelemente 4c definieren somit ein Koordinatensystem, in dem die Verschiebung zum Ursprung der Kugel, somit zum definierten Punkt 22 des Befestigungselementes 6, definiert ist, also eine Kalibrierung auf die Kugel bzw. eine Pivotierung. Dabei mag die kugelförmige Ausgestaltung des Befestigungselementes 6 als Drehzentrum während der Kalibrierung verwendet werden um hierüber die Transformation der einzelnen Indikatorelemente 4c zu bestimmen.
In 3d ist ein Multimarkerelement abgebildet, welches im Wesentlichen aus den beiden zusammengesetzten Markerelementen der 3a und 3c besteht. Die Gehäuse- bzw. die Kugelausgestaltung des Markerelementes 2a wird gleichzeitig als Befestigungselement 6 für die Gesamtheit der Indikatorelemente 4a, c verwendet. In anderen Worten, sowohl Indikatorelement 4a als auch Indikatorelementverbund der Indikatorelemente 4c verwenden Befestigungselement 6 zur Anbringung des Markerelementes 2d an einem Halteelement 12. Hierbei fallen die definierten Punkte 18a, c der Indikatorelemente 4a, c mit dem definierten Punkt 22 des Befestigungselementes 6 zusammen, so dass sowohl Markerelement 4a (vgl. 3a) als auch Indikatorelementverbund der Indikatorelemente 4c den identischen definierten Punkt 22 des Befestigungselementes 6 und somit die Raumposition 20 referenzieren.
Die Indikatorelemente 4a, c können hierbei insbesondere unterschiedliche Indikatorelement-Typen implementieren, so dass unterschiedliche Positionsbestimmungssysteme parallel verwendet werden mögen, hierbei gleichzeitig jedoch den identischen definierten Punkt 22 des Befestigungselementes 6 bzw. nachfolgend die zu referenzierende Raumposition 20 anzeigen. Auf diese Weise mögen sich auch Vorteile der einzelnen Systeme kombinieren lassen. Beispielsweise mag ein Kombipositionsbestimmungssystem ausgerüstet sein mit einer stereoskopischen Kamera zur Erkennung der Markerelemente 4c sowie einem Laserelement zur hochpräzisen Positions- bzw. Entfernungsbestimmung des Markerelementes 4a.
Somit mag Markerelement 2d an einem Halteelement 12 angebracht und nachfolgend das Kombinationspositionsbestimmungssystem aktiviert werden. Der vergleichsweise große Blickwinkel eines stereoskopischen Kamerasystems mag nunmehr ein (fast) beliebig angeordnetes Markerelement 2d im Raum erkennen. Das zum Kombinationspositionsbestimmungssystem gehörende Laserelement mag diese initiale grobe Position derart verwenden, einen automatisierter Ansteuerungsprozess vorzunehmen, bei welchem das Laserelement, unter Verwendung des Indikatorelementes 4a, eine hochpräzise Laserpositionsbestimmung des Markerelementes 2 vornimmt. Nachfolgend lässt sich die somit hochpräzise detektierte Raumposition 20, welche beim Markerelement 2d sowohl durch Indikatorelement 4a als auch Indikatorelementverbund der Indikatorelemente 4c referenziert wird, vom zweiten Positionsbestimmungsteilsystem, welches mit den Indikatorelementen 4c zusammenarbeitet, verwenden. Hierdurch mag sich beispielsweise eine hochpräzise Positionsbestimmung durch ein Laserpositionsbestimmungssystem mit einem vergleichsweise großen Blickwinkel einer stereoskopischen Kamera für ein weiteres Positionsbestimmungssystem kombinieren lassen.
Markerelement 2d stellt somit eine Kombination aus Markerelement 2a und 2c dar. Marker 2a muss hierbei nicht zwingend symmetrisch zwischen den Indikatorelementen 4c mit der Kugel im Zentrum angeordnet sein, da die Transformation der einzelnen Indikatorelemente 4c zum definierten Punkt 22 des Befestigungselementes mittels der Pivotierung bestimmt wird.
Weiter Bezug nehmend auf 4a, b sind weitere exemplarische Ausgestaltungen von Indikatorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In 4a dargestellt sind exemplarische Rundmarker als Indikatorelement 4e, welche über ein Kamerasystem detektiert werden mögen. Hierbei mag insbesondere der jeweilige Mittelpunkt eines solchen Indikatorelementes 4e für eine Positionsbestimmung verwendet werden, somit dem definierten Punkt 18 des jeweiligen Indikatorelementes 4e entsprechen, während die konzentrisch um den Mittelpunkt angeordneten Kreisabschnitte eine Information bzw. einen maschinenlesbaren Code abbilden mögen, um hierdurch beispielsweise einzelne Indikatorelemente 4e individuell zu referenzieren.
Die Indikatorelemente 4e der 4a definieren typischerweise jeweils nur einen Punkt, den Mittelpunkt des konzentrischen Kreises. Zum Bereitstellen einer definierten Übersetzung zwischen Indikatorelementen 4e und dem definierten Punkt 22 des Befestigungselementes mögen somit zumindest drei Markerelemente 4e verwendet werden.
In 4b wird ein Flachmarker als Indikatorelement 4f angezeigt. Der Flachmarker mag hierbei insbesondere eingerichtet sein, eine 6D-Positionsbestimmung zu ermöglichen, somit 3D-Position sowie 3D-Orientierung und mag somit definierte Informationen über eine bestimmte Pose (Position und Orientierung im Raum) bereitstellen. Entsprechende Indikatorelemente 4f mögen sich beispielsweise mit dem Markerelement 2c gemäß 3c kombinieren lassen, indem das Indikatorelement 4f auf der freien Fläche des Trägerelementes zwischen den Indikatorelementen 4c aufgebracht wird.
Weiter Bezug nehmend auf 5a–d wird eine exemplarische Ausgestaltung eines Markerelementes mit generischem Übersetzungselement dargestellt.
Das Markerelement 2 der 5a–d weist ein Befestigungselement 6 auf, welches keine kugelförmige Ausgestaltung aufweist. Vielmehr ist das Befestigungselement 6 im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei es einen ersten Teil 32a und einen zweiten Teil 32b aufweist, welche unterschiedliche Zylinderdurchmesser aufweisen. So mag beispielsweise zweiter Teil 32b mit seinem Durchmesser geeignet sein, in ein Bohrloch oder eine sonstige runde Öffnung an einer Struktur anbringbar zu sein.
Der unstetige Übergang zwischen erstem Teil 32a und zweitem Teil 32b entspricht hierbei im Wesentlichen einer Ebene (vgl. 5c, d). Zusammen mit der Rotationsachse der zylinderförmigen Abschnitte wird wiederum ein Punkt im Inneren des Befestigungselementes 6 definiert, welcher als der definierte Punkt 22 des Befestigungselementes 6 angenommen werden mag. Um diesen Punkt im Verhältnis zu den Indikatorelementen 4c festzulegen, wird Kalibrierungselement 10 verwendet, welches letztendlich einen kugelförmigen Adapter zwischen Befestigungselement 6 der 5a–d und dem Befestigungselement 6 der 2a–c, 3a–d entspricht.
Wie in 5c, d dargestellt, mag das Befestigungselement 6 in das Innere des Kalibrierungselementes 10 eingebracht werden. Das Zentrum des kreisförmigen Kalibrierungselementes 10 fällt hierbei mit dem definierten Punkt 22 des Befestigungselementes 6 der 5a–d zusammen. Somit wird der definierte Punkt 22 des Befestigungselementes 6 im Wesentlichen im Zentrum, somit im Drehzentrum des Kalibrierungselementes 10, angeordnet. Eine derartige Kombination aus Befestigungselement 6 und Kalibrierungselement 10 mag in seiner Wirk- und Funktionsweise insbesondere mit den Befestigungselementen 6 der 2a–c sowie 3a–d im Wesentlichen identisch sein.
Befestigungselement 6 mag hierbei wiederum als Übersetzungselement 8 ausgebildet sein, welches die definierte Übersetzung zwischen den definierten Punkten 18 der Indikatorelemente 4c und dem definierten Punkt 22 des Befestigungselementes, nachfolgend gleichzusetzen mit dem definierten Punkt 23 des Halteelementes sowie der zu referenzierenden Raumposition 20, bereitstellt.
Das Befestigungselement 6 der 5a–d mag somit als ein weiterer Abstraktionsschritt durch Verzicht auf die kugelförmige Schnittstelle zwischen Indikatorelementen 4c und Halteelement 12 angesehen werden. Dadurch, dass das Befestigungselement 6 nunmehr beispielsweise definiert in eine Öffnung an der Struktur 24 angebracht werden kann, muss ein Markerelement gemäß 5a–d nicht zwingend mit einem Halteelement 12 verwendet werden. Hierfür mögen die Markerelemente 2 eines bestimmten Positionsbestimmungssystems direkt an Strukturteilen eines zu vermessenden Objektes angebracht werden, beispielsweise durch die zuvor erwähnte Bohrung.
Die Position einer solchen Bohrung mag entweder mit einem hochgenauen Messsystem bestimmt werden (Ist-Position) und mit einem weiteren Markerelement 2 für eine Echtzeitanwendung verwendet werden. Alternativ ist denkbar, dass die Position der Bohrung zur Aufnahme des Befestigungselementes 6 und somit des Markerelementes 2 gemäß 5a–d aus einem Computermodell, beispielsweise einem CAD-Modell, für die Planung einer entsprechenden Struktur entnommen wird (Soll-Position).
Eine Kombination beider Schritte mag auch mit unterschiedlichen Systemen zeitgleich erfolgen, indem beispielsweise ein Multimarkerelement gemäß 3d zusammen mit einem Befestigungselement 6 gemäß 5a–d verwendet wird. Eine Einkalibrierung eines Markerelementes 2 mag hierbei unter Verwendung des abgebildeten Kalibrierungselementes 10 erfolgen.
Das Konzept der Pivotierungsvorrichtung ist hierbei, dass während einer Kalibrierung das Markerelement 2 eine definierte Position im Kalibrierungselement 10 einnimmt. Bei einer Kalibrierung eines Markerelementes 2 gemäß 5a–d wird somit das Befestigungselement 6 bzw. dessen definierter Punkt 22 derart im Ursprung des Kalibrierungselementes 10 angeordnet, so dass dieses mit dem Zentrum der Kugelform des Kalibrierungselementes 10 zusammenfallt. Hierdurch wird der definierte Punkt 22 des Befestigungselementes 6 mittig auf die Übergangsfläche zwischen erstem Teil 32a und zweitem Teil 32b auf die Rotationsachse der beiden zylinderförmigen Abschnitte 32a, b pivotiert.
Somit mag sich gemäß 5a–d eine Pivotierung auf ein generisches Befestigungselement bzw. ein generisches Markerelement vornehmen lassen. Hierdurch mögen sich Markerelemente, welche keine kugelförmigen Befestigungselemente als Schnittstelle zwischen Markerelement 2 und Halteelement 12 aufweisen, unter Verwendung eines Kalibrierungselementes 10 in Bezug auf einen definierten Punkt 22 kalibrieren lassen, um nachfolgend durch Befestigungselement 6, nicht ausgebildet als eine Kugel, an geeigneter Stelle an der Struktur zum Beispiel eines Flugzeugs angebracht zu werden.
Für eine entsprechende Kalibrierung wird Kalibrierungselement 10 verwendet, mithin ein Kugeladapter für die Pivotierung. Nach erfolgter Kalibrierung mag ein Befestigungselement 6 gemäß 5a–d an einer Standardkomponente einer Struktur 24 fixiert bzw. angebracht werden und stellt somit zum Beispiel eine Steckverbindung für eine definierte Bohrung, zum Beispiel eine 8 mm-Bohrung, dar. Die Position der Bohrung mag entweder zuvor definiert bekannt sein (Soll-Position) oder aber deren richtige Platzierung mag im Weiteren nachgemessen werden (Ist-Position).
Weiter Bezug nehmend auf die 6a, b wird ein exemplarisches Applikationsszenario eines erfindungsgemäßen Systems zur Referenzierung einer Raumposition in einem Flugzeug dargestellt.
6a, b zeigen ein Anwendungsszenario eines erfindungsgemäßen Systems 30 in einer Flugzeugstruktur 24. In 6a dargestellt ist ein Flugzeugrumpf, an dem ein Halteelement 12 angebracht ist. In die Aufnahme von Halteelement 12 eingebracht ist ein kugelförmiges Befestigungselement 6, exemplarisch mit angeordnetem Markerelement 2d gemäß 3d. Markerelement 2d weist somit vier Indikatorelemente 4c sowie ein Indikatorelement 4a auf, welche beide auf die identische Raumposition 20 und somit definiertem Punkt 22 des Befestigungselementes 6 sowie definiertem Punkt 23 des Halteelementes kalibriert sind.
In der Flugzeugstruktur angeordnet sind exemplarisch zwei Positionsbestimmungssysteme 26a, b, beide angeschlossen an einen gemeinsamen Controller 28. Positionsbestimmungssystem 26a weist hierbei exemplarisch eine stereoskopische Kamera auf, während Positionsbestimmungssystem 26b exemplarisch einen Laser zur hochpräzisen Vermessung aufweist.
Positionsbestimmungssystem 26a ist hierbei exemplarisch eingerichtet, mit den Indikatorelementen 4c zusammenzuwirken, während Positionsbestimmungssystem 26b exemplarisch mit Indikatorelement 4a zusammenwirkt. Somit mag sich einerseits eine hochpräzise Positionsbestimmung des Markerelementes 2d unter Verwendung des Positionsbestimmungselementes 26b realisieren lassen, während beispielsweise nachfolgend für eine Trackingapplikation Positionsbestimmungssystem 26a verwendet werden mag, welches z. B. einen wesentlich größeren Blickwinkelbereich aufweist als Positionsbestimmungssystem 26b.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend” oder „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und dass „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

2: Markerelement
4: Indikatorelement
6: Befestigungselement
8: Übersetzungselement
10: Kalibrierungselement
12: Halteelement
14: Magnetelement
15: Öffnung
16: Zentrierung
18: definierter Punkt Indikatorelement
20: zu referenzierende Raumposition
22: definierter Punkt Befestigungselement
23: definierter Punkt Halteelement
24: Struktur
26a, b: Positionsbestimmungssystem
28: Controller
30: System
32a, b: erster, zweiter Teil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2010/070155 [0010]

Claims

Markerelement (2) zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an einer Struktur (24), aufweisend zumindest ein Indikatorelement (4) zur Bestimmung eines definierten Punktes (18); ein Befestigungselement (6) zum Befestigen des Markerelementes (2) in definierter Raumposition und/oder Orientierung an der Struktur (24); und ein Übersetzungselement (8), welches eingerichtet ist, eine definierte Relation zwischen dem zumindest dem definierten Punkt (18) des Indikatorelementes und der definierten Raumposition (20) bereitzustellen.
Markerelement gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Befestigungselement (6) einen definierten Punkt (22) aufweist; und wobei das Markerelement (2) derart an der Struktur (24) anbringbar ist, so dass ein definierter Punkt (20) mit festgelegter Relation zur Struktur und der definierte Punkt (22) des Befestigungselementes (6) deckungsgleich zueinander bringbar sind.
Markerelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Markerelement (2) als Multi-Markerelement ausgebildet und eine Mehrzahl von Indikatorelementen (4) aufweist, wobei jedes der Indikatorelemente (4) eingerichtet ist dieselbe Raumposition und/oder Orientierung zu referenzieren.
Markerelement gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Mehrzahl von Indikatorelementen (4) als eine Mehrzahl von unterschiedlichen Indikatorelementen (4) ausgebildet ist.
Markerelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Indikatorelement (4) ausgebildet ist als ein Element aus der Gruppe bestehend aus Spiegel-Laser-Indikatorelement, Photogrammetrisches Indikatorelement, Reflexions-Indikatorelement, IR-Indikatorelement, passives IR-Indikatorelement, aktives IR-Indikatorelement, LED-Indikatorelement, Rundmarker-Indikatorelement, Flachmarker-Indikatorelement und Kombinations-Indikatorelement aus zumindest zwei vorgenannten Indikatorelementen.
Markerelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übersetzungselement (8) ausgebildet ist als ein Pivotelement.
Markerelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übersetzungselement (8) ausgebildet ist als Element aus der Gruppe bestehend aus Kugelelement, Steckelement und Steckverbindungselement.
Markerelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Markerelement (2) eine eindeutige Identifikation zumindest eines Indikatorelementes (4) bereitstellt.
Halteelement (12) zum Anbringen eines Markerelementes gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche an einer Struktur zur Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an der Struktur, aufweisend eine Aufnahme (18), welche eingerichtet ist, ein Befestigungselement eines Markerelementes (6) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche lösbar fest aufzunehmen und in definierter Pose in einem definierten Punkt (23) zu halten, wobei bei wiederholtem lösen und wiederverbinden vom Befestigungselement derselbe definierte Punkt (23) einnehmbar ist.
System (30) zum Referenzierung einer Raumposition und/oder Orientierung in/an einer Struktur, aufweisend ein Markerelement (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und ein Halteelement (12) gemäß dem vorhergehenden Anspruch.