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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Vielzahl von Raumkoordinaten an einem Gegenstand, der eine Vielzahl von Merkmalen besitzt, mit den Schritten:
- – Bereitstellen eines Arbeitskopfes mit einem Bildsensor, der dazu ausgebildet ist, ein Bild von dem Gegenstand aufzunehmen,
- – Anordnen des Gegenstands an einer ausgewählten Position innerhalb eines Arbeitsraums, in dem sich der Arbeitskopf relativ zu dem Gegenstand bewegen kann,
- – Bereitstellen eines Koordinatensystems mit einer Anzahl von Koordinatenachsen,
- – Bereitstellen einer Geberanordnung, die dazu ausgebildet ist, erste Positionsinformationen zu liefern, wobei die ersten Positionsinformationen eine jeweilige Arbeitsposition des Arbeitskopfes entlang von zumindest einer der Koordinatenachsen repräsentieren,
- – Bewegen des Arbeitskopfes relativ zu dem Gegenstand an eine erste Arbeitsposition,
- – Aufnehmen eines ersten Bildes von dem Gegenstand mit dem Bildsensor, wobei ein erstes Merkmal aus der Vielzahl von Merkmalen in dem ersten Bild auswertbar abgebildet ist,
- – Bestimmen von ersten Raumkoordinaten, die eine Raumposition des ersten Merkmals repräsentieren, unter Verwendung der ersten Positionsinformationen,
- – Bewegen des Arbeitskopfes relativ zu dem Gegenstand an eine zweite Arbeitsposition und Aufnehmen eines zweiten Bildes, in dem ein zweites Merkmal aus der Vielzahl von Merkmalen auswertbar abgebildet ist, und
- – Bestimmen von zweiten Raumkoordinaten, die eine Raumposition des zweiten Merkmals repräsentieren,
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Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung mit einem Arbeitskopf mit einem Bildsensor, der dazu ausgebildet ist, ein Bild von dem Gegenstand aufzunehmen, mit einer Aufnahme zum Anordnen des Gegenstands an einer ausgewählten Position innerhalb eines Arbeitsraums, in dem sich der Arbeitskopf relativ zu dem Gegenstand bewegen kann, mit einem Koordinatensystem mit einer Anzahl von Koordinatenachsen, mit einer Geberanordnung, die dazu ausgebildet ist, erste Positionsinformationen zu liefern, wobei die ersten Positionsinformationen eine jeweilige Arbeitsposition des Arbeitskopfes entlang von zumindest einer der Koordinatenachsen repräsentieren, mit einem Antriebsmechanismus zum Bewegen des Arbeitskopfes relativ zu dem Gegenstand, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den Arbeitskopf mithilfe des Antriebsmechanismus an eine erste Arbeitsposition relativ zu dem Gegenstand zu bewegen, an der ersten Arbeitsposition ein erstes Bild von dem Gegenstand mithilfe des Bildsensors derart aufzunehmen, dass ein erstes Merkmal aus der Vielzahl von Merkmalen in dem ersten Bild auswertbar abgebildet ist, ferner unter Verwendung der ersten Positionsinformationen erste Raumkoordinaten zu bestimmen, die eine Raumposition des ersten Merkmals repräsentieren, anschließend den Arbeitskopf mithilfe des Antriebsmechanismus an eine zweite Arbeitsposition relativ zu dem Gegenstand zu bewegen und mithilfe des Bildsensors ein zweites Bild aufzunehmen, in dem ein zweites Merkmal aus der Vielzahl von Merkmalen auswertbar abgebildet ist, und schließlich zweite Raumkoordinaten, die eine Raumposition des zweiten Merkmals repräsentieren, zu bestimmen.
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Ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus
WO 2014/023332 A1 .
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Dieses Dokument beschreibt ein Koordinatenmessgerät mit einem Messkopf, der einen optischen Sensor trägt. Der Messkopf ist relativ zu einem Werkstücktisch verfahrbar, so dass er in verschiedene Messpositionen relativ zu einem Messobjekt gebracht werden kann. Die jeweilige Arbeitsposition des Messkopfes relativ zu dem Werkstücktisch wird mithilfe von Geberanordnungen bestimmt, die entlang der Bewegungsachsen des Messkopfes bzw. des Werkstücktisches Linearmaßstäbe aufweisen.
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Die Genauigkeit, mit der der Messkopf relativ zu einem Messobjekt auf dem Werkstücktisch positioniert werden kann, hat Einfluss auf die Messgenauigkeit, mit der das Messobjekt vermessen werden kann. Daher ist eine möglichst hohe Positioniergenauigkeit wünschenswert. Gleiches gilt typischerweise auch für den Arbeitskopf einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters zum Bearbeiten eines Gegenstandes. Allgemein hängt die Positioniergenauigkeit eines maschinellen Arbeitskopfes von vielen Faktoren ab, insbesondere der Genauigkeit und Stabilität der mechanischen Führungen und der Genauigkeit der Linearmaßstäbe oder allgemein der Geberanordnung, mit der die Position des Arbeitskopfes im Arbeitsraum typischerweise bestimmt wird. Mit zunehmenden Genauigkeitsanforderungen steigt der Aufwand für die Realisierung dieser Komponenten.
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Um eine hohe Positioniergenauigkeit eines Arbeitskopfes zu erreichen, wird typischerweise eine schwere Maschinenkonstruktion benötigt. Dies steht häufig im Widerspruch zu dem Wunsch, hohe Beschleunigungen des Arbeitskopfes für eine schnelle Durchführung des Arbeitsablaufs zu ermöglichen. Daher muss der Konstrukteur einer Vorrichtung mit bewegtem Arbeitskopf häufig einen Kompromiss eingehen, der die maximal mögliche Positioniergenauigkeit einschränkt. Des Weiteren sorgen Alterung, Verschleiß, Temperaturänderungen und andere Umwelteinflüsse dafür, dass die Positioniergenauigkeit eines Arbeitskopfes begrenzt ist und/oder im Laufe der Zeit abnimmt.
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Es ist bekannt, Positionierungsfehler eines Koordinatenmessgerätes im Rahmen einer sogenannten Kalibrierung für ausgewählte Arbeitspositionen zu bestimmen und die entsprechenden Positionierfehler im Arbeitsablauf rechnerisch zu korrigieren. Eine solche Korrektur bedeutet allerdings einen zusätzlichen Aufwand und sie kann lediglich für ausgewählte Arbeitspositionen optimal sein.
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EP 2 486 369 B1 offenbart ein Koordinatenmessgerät mit einem taktilen Sensor, der entlang von drei zueinander orthogonalen Koordinatenachsen bewegt werden kann. Die jeweilige Arbeitsposition des taktilen Sensors wird auch in diesem Fall mithilfe von Linearmaßstäben bestimmt. Darüber hinaus besitzt das beschriebene Koordinatenmessgerät mehrere Lageänderungssensoren, die Beschleunigungsdaten für den taktilen Sensor liefern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Abgleich der Daten der Linearmaßstäbe mit den Daten der Lageänderungssensoren erfolgen. Dies ermöglicht eine Plausibilisierung und darüber hinaus prinzipiell auch eine Korrektur von Positionsinformationen, die mithilfe der Linearmaßstäbe bestimmt werden. Das bekannte Koordinatenmessgerät benötigt allerdings die zusätzlichen Lageänderungssensoren, was für manche Anwendungen nachteilig ist.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen auf kostengünstige Weise eine sehr genaue Positionsbestimmung möglich ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei anhand des ersten und des zweiten Bildes zweite Positionsinformationen bestimmt werden, die einen räumlichen Versatz des Arbeitskopfes relativ zu dem Gegenstand repräsentieren, und wobei die zweiten Raumkoordinaten anhand der zweiten Positionsinformationen bestimmt werden.
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Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung kombinieren erste Positionsinformationen, die mithilfe der Geberanordnung entlang von zumindest einer der Koordinatenachsen breitgestellt werden und die somit eine absolute Position in dem Koordinatensystem angeben, mit zweiten Positionsinformationen, die mithilfe des Bildsensors gewonnen werden und die sich auf eine zuvor bestimmte Arbeitsposition relativ zu dem Gegenstand beziehen. Dementsprechend sind die zweiten Positionsinformationen relative Positionsinformationen, die erst über die ersten Positionsinformationen eine absolute Positionsangabe in dem Koordinatensystem liefern. Die zweiten Positionsinformationen werden einerseits mit Hilfe des Bildsensors gewonnen, sie repräsentieren andererseits aber die Arbeitsposition des Arbeitskopfes und werden dementsprechend verarbeitet. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet die Geberanordnung Linearmaßstäbe und/oder Drehgeber, die in an sich bekannter Weise eine Positionsinformation entlang von zumindest einer Koordinatenachse liefern. Die Linearmaßstäbe und/oder Drehgeber können für sich genommen zwar auch relative Positionsinformation liefern, wie etwa Inkrementalmaßstäbe, aber deren Auswertung mithilfe der Geberanordnung resultiert hier in einer absoluten Positionsangabe entlang der zumindest einen Koordinatenachse, und zwar unabhängig davon, ob der Arbeitskopf relativ zu einem zu vermessenden Gegenstand bewegt wird oder nicht. Die Geberanordnung kann die ersten Positionsinformationen auch dann liefern, wenn kein Gegenstand in dem Arbeitsraum platziert ist. Im Gegensatz dazu erfordern die zweiten Positionsinformationen die Anwesenheit eines zu vermessenden Gegenstandes in dem Arbeitsraum. Vorzugsweise liefert die Geberanordnung die ersten Positionsinformationen entlang von drei zueinander orthogonalen Koordinatenachsen, d.h. die ersten Positionsinformationen repräsentieren eine Position in einem dreidimensionalen Arbeitsraum.
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Der Bildsensor liefert in den bevorzugten Ausgestaltungen ein zweidimensionales Bild. Bei den bekannten Koordinatenmessgeräten, die zur Bestimmung von Raumkoordinaten an einem Gegenstand einen Bildsensor verwenden, wird mithilfe des Bildsensors üblicherweise die Position eines Gegenstandsmerkmals (oder mehrerer Gegenstandsmerkmale) in dem Koordinatensystem bestimmt. Die Raumkoordinaten des Merkmals in dem Koordinatensystem ergeben sich dabei aus den ersten Positionsinformationen, die die Arbeitsposition des Arbeitskopfes repräsentieren, und den Bildinformationen, die die Position des Merkmals relativ zu dem Arbeitskopf beinhalten. Die Messgenauigkeit, mit der die Raumkoordinaten für ein ausgewähltes Merkmal bestimmt werden, hängt daher für jedes einzelne Merkmal von der Messgenauigkeit ab, mit der die aktuelle Position des Arbeitskopfes im Arbeitsraum anhand der ersten Positionsinformationen bestimmt wird.
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Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung verwenden hingegen – zumindest ergänzend – die relative zweite Positionsinformation, um die aktuelle Position des Arbeitskopfes zu bestimmen. Die zweiten Positionsinformationen stammen hier nicht von der Geberanordnung, sondern werden anhand des räumlichen Versatzes bestimmt, den ein Merkmal im zweiten Bild im Vergleich zu dem ersten Bild aufgrund der Verschiebung des Arbeitskopfes zwischen den Bildaufnahmen zeigt. Insbesondere repräsentieren die zweiten Positionsinformationen also den räumlichen Versatz des Arbeitskopfes relativ zu dem Gegenstand ausgehend von der ersten Arbeitsposition, die aufgrund der ersten Positionsinformationen bekannt ist. Der Versatz kann in einer beliebigen Richtung innerhalb des Koordinatensystems liegen.
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Die Position des Arbeitskopfes bei der Aufnahme des zweiten Bildes resultiert daher aus der relativen Verschiebung des Arbeitskopfes, die in bevorzugten Ausführungsbeispielen allein anhand des Vergleichs zwischen dem ersten und dem zweiten Bild bestimmt wird. Anschließend werden mit den so gewonnenen zweiten Positionsinformationen Raumkoordinaten für das zweite Merkmal bestimmt. Diese Raumkoordinaten ergeben sich aus der Verschiebung des Arbeitskopfes relativ zu dem Gegenstand und – sofern ein Bezug zu dem Koordinatensystem gewünscht ist – aus den (ersten) Raumkoordinaten des erstens Merkmals.
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Die Messgenauigkeit, mit der die Raumkoordinaten für das zweite Merkmal bestimmt werden können, kann gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen auf kostengünstige Weise erhöht werden, da die Messgenauigkeit eines bildgebenden Sensors häufig höher ist als die Messgenauigkeit, die entlang einer oder mehrerer Koordinatenachsen mit bekannten Geberanordnungen erreicht wird. Dementsprechend ermöglichen das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung eine kostengünstige Realisierung mit hoher Messgenauigkeit, insbesondere wenn der Bildsensor der „Hauptsensor“ des Arbeitskopfes ist und daher ohnehin vorhanden ist. Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung verwenden also in vorteilhafter Weise Informationen des Bildsensors, um nicht nur die Position eines Gegenstandmerkmals relativ zum Arbeitskopf zu bestimmen, sondern um darüber hinaus die Position des Arbeitskopfes selbst innerhalb des Arbeitsraums zu bestimmen.
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Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung sind besonders vorteilhaft, wenn für die zweite Arbeitsposition keine messtechnisch gestützten Korrekturwerte zur Verfügung stehen und stattdessen beispielsweise auf eine Interpolation zwischen messtechnisch erfassten Stützstellen zurückgegriffen werden muss. Darüber hinaus können das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung auf kostengünstige Weise eine sehr hohe Messgenauigkeit für Relativbezüge zwischen Gegenstandmerkmalen liefern, wie etwa den Abstand zwischen zwei Bohrungen oder Kanten an dem Gegenstand. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die zweiten Positionsinformationen anhand eines ausgewählten Merkmals aus der Vielzahl von Merkmalen bestimmt, wobei das ausgewählte Merkmal in dem ersten und in dem zweiten Bild abgebildet ist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu können die zweiten Positionsinformationen in weiteren Ausgestaltungen anhand eines Referenzobjekts bestimmt werden, das kein Merkmal des Gegenstands bildet. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der Bildsensor unabhängig von einem Referenzobjekt optimal auf den Gegenstand ausgerichtet werden kann. Ferner wird der verfügbare Arbeitsraum nicht durch ein separates Referenzobjekt eingeschränkt. Andererseits kann die Verwendung eines Referenzobjekts vorteilhaft sein, wenn der Gegenstand geringe Kontraste aufweist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das ausgewählte Merkmal das erste Merkmal.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Bestimmung der Raumkoordinaten, da das erste Merkmal ohnehin vermessen wird. Darüber hinaus besitzt diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die zweiten Positionsinformationen direkt auf das erste Merkmal bezogen sind, was eine sehr hohe Messgenauigkeit in Bezug auf die räumlichen Verhältnisse der Gegenstandmerkmale untereinander ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das zweite Merkmal erst in dem zweiten Bild auswertbar abgebildet.
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In dieser Ausgestaltung ist das zweite Merkmal in dem ersten Bild nicht enthalten oder zumindest nicht so scharf und/oder kontrastreich abgebildet, dass eine direkte Bestimmung der Raumkoordinaten für das zweite Merkmal anhand des ersten Bildes möglich ist. Die Ausgestaltung ermöglicht einen großen Messbereich und eine flexible Bestimmung von Raumkoordinaten für eine Vielzahl von räumlich verteilten Merkmalen an einem Gegenstand.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Parameterdatensatz bereitgestellt, der zumindest einen der folgenden Parameter repräsentiert: eine definierte Arbeitsposition innerhalb des Arbeitsraums, eine definierte Weglänge innerhalb des Arbeitsraums, eine definierte Trajektorie innerhalb des Arbeitsraums, eine aktuelle Temperatur im Bereich des Arbeitsraums und eine verstrichene Zeitdauer relativ zu einem definierten Bezugszeitpunkt, wobei die zweiten Positionsinformationen in Abhängigkeit von dem Parameterdatensatz verwendet werden, um die zweiten Raumkoordinaten zu bestimmen.
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In dieser Ausgestaltung werden wahlweise die ersten (absoluten) Positionsinformationen oder die zweiten (relativen) Positionsinformationen verwendet, um die Raumkoordinaten für das zweite Merkmal zu bestimmen. Die Auswahl erfolgt in Abhängigkeit von dem Parameterdatensatz, der einen oder mehrere der zuvor genannten Parameter repräsentiert.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen werden die zweiten Positionsinformationen in Abhängigkeit von dem Parameterdatensatz verwendet, wenn die definierte Weglänge des Arbeitskopfes zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsposition klein in Bezug auf die maximalen Abmessungen des Arbeitsraums sind, etwa weniger als 20 % und vorzugsweise weniger als 10 % der maximalen Weglänge entlang der zumindest einen Koordinatenachse betragen. In diesem Fall werden die relativen zweiten Positionsinformationen also bei kleinen Bewegungshüben des Arbeitskopfes bevorzugt, wohingegen die absoluten ersten Positionsinformationen bei großen Bewegungshüben bevorzugt werden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen werden die relativen zweiten Positionsinformationen verwendet, wenn die definierte Trajektorie, entlang der der Arbeitskopf von der ersten Arbeitsposition zu der zweiten Arbeitsposition bewegt wird, definierte Schwellenwerte in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Arbeitskopfes überschreitet.
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In weiteren Ausführungsbeispielen werden die relativen zweiten Positionsinformationen verwendet, wenn die aktuelle Temperatur im Bereich des Arbeitsraums um mehr als einen definierten Schwellenwert von einer Referenztemperatur abweicht. Vorteilhaft repräsentiert die Referenztemperatur eine aktuelle Temperatur im Bereich des Arbeitsraums zum Zeitpunkt der Bestimmung von Korrekturwerten, die zur Korrektur der ersten Positionsinformationen dienen. In diesen Ausführungsbeispielen werden die relativen zweiten Positionsinformationen also verwendet, wenn die aktuelle Temperatur im Bereich des Arbeitsraums spürbar von der Arbeitstemperatur bei der Aufnahme der Kalibrierwerte differiert.
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In weiteren Ausführungsbeispielen werden die zweiten Positionsinformationen verwendet, wenn die Zeitdauer relativ zu dem definierten Bezugszeitpunkt einen definierten Schwellenwert übersteigt, insbesondere wenn seit der letzten Kalibrierung der Geberanordnung für die ersten Positionsinformationen eine definierte Zeitdauer verstrichen ist.
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Die zuvor genannten Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele ermöglichen eine sehr flexible Anpassung des neuen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung an die individuellen Umgebungsbedingungen und Messaufgaben. Vorteilhaft können die Regelparameter zum Bewegen des Arbeitskopfes adaptiv an veränderte Umgebungssituationen und/oder Eigenschaften der Vorrichtung und/oder des Gegenstands angepasst werden. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die ersten und die zweiten Positionsinformationen mit einer von dem Parameterdatensatz abhängigen Gewichtung verwendet, um Raumkoordinaten an dem Gegenstand zu bestimmen und/oder den Arbeitskopf an weitere Arbeitspositionen zu bewegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden die zweiten Raumkoordinaten anhand der ersten Positionsinformationen verifiziert. Alternativ hierzu können die zweiten Positionsinformationen in anderen Ausgestaltungen ohne Verifikation anhand der ersten Positionsinformationen zur Bestimmung der Raumkoordinaten für das zweite Merkmal verwendet werden.
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In der bevorzugten Ausgestaltung erfolgt eine Plausibilisierung und/oder gewichtete Synthese bzw. Korrektur der zweiten Positionsinformationen anhand von ersten Positionsinformationen, wobei letztere sich dann auf die zweite Arbeitsposition des Arbeitskopfes beziehen. Da die Geberanordnung prinzipiell erste Positionsinformationen für jede mögliche Arbeitsposition des Arbeitskopfes innerhalb des Arbeitsraums bereitstellt, verwendet diese Ausgestaltung in vorteilhafter Weise absolute erste und relative zweite Positionsinformationen, um die Messunsicherheit zu minimieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden die ersten Positionsinformationen anhand der zweiten Positionsinformationen korrigiert.
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In dieser Ausgestaltung werden mithilfe der zweiten Positionsinformationen aktuelle Korrekturwerte bestimmt, die statische und/oder dynamische Messfehler der Geberanordnung für die ersten Positionsinformationen repräsentieren und dementsprechend eine Korrektur der ersten Positionsinformationen ermöglichen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung werden die Korrekturwerte in einem nichtflüchtigen Speicher der Vorrichtung gespeichert und als aktuelle Korrekturwerte für die nachfolgenden Bewegungen des Arbeitskopfes verwendet. Diese Ausführungsbeispiele ermöglichen somit eine adaptive „Online-Korrektur“ von Führungsfehlern.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden in Abhängigkeit von den zweiten Positionsinformationen Bewegungsparameter zum Bewegen des Arbeitskopfes relativ zu dem Gegenstand bestimmt, wobei der Arbeitskopf in Abhängigkeit von den Bewegungsparametern an weitere Arbeitspositionen relativ zu dem Gegenstand bewegt wird, um weitere Raumkoordinaten zu bestimmen.
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In dieser Ausgestaltung ersetzen und/oder ergänzen die zweiten Positionsinformationen die ersten Positionsinformationen bei der Positionsregelung des Arbeitskopfes im weiteren Betrieb. Mit anderen Worten wird der Arbeitskopf in dieser Ausgestaltung zunächst mithilfe der ersten Positionsinformationen zu der ersten Arbeitsposition bewegt. Anschließend wird der Arbeitskopf mithilfe der ersten Positionsinformationen zu der zweiten Arbeitsposition bewegt. Nachfolgende Bewegungshübe des Arbeitskopfes erfolgen hingegen unter Verwendung der zweiten Positionsinformationen im Sinne einer „Koppelnavigation“. In einigen Ausführungsbeispielen stellen die ersten Positionsinformationen lediglich einen Startpunkt bereit, von dem aus die Bewegungen des Arbeitskopfes im Sinne einer „Koppelnavigation“ allein anhand der zweiten Positionsinformationen gesteuert werden. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr hohe Positioniergenauigkeit bei kleinen Bewegungshüben, insbesondere in Arbeitsumgebungen mit wechselnden Temperaturen oder anderen Umweltbedingungen.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird ein weiteres Bild von dem Gegenstand aufgenommen und in Abhängigkeit von dem weiteren Bild wird eine das zweite Merkmal beinhaltende Region-of-Interest für das zweite Bild bestimmt, bevor der Arbeitskopf die zweite Arbeitsposition erreicht. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann das weitere Bild von einem weiteren Bildsensor bereitgestellt werden, der einen anderen Blickwinkel als der erste Bildsensor besitzt.
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In dieser Ausgestaltung wird die Region-of-Interest, die das zweite Merkmal enthält, in Abhängigkeit von aktuellen Informationen prognostiziert. Prinzipiell kann das weitere Bild auch das erste Bild ein, d.h. die Lage der Region-of-Interest für das zweite Merkmal wird anhand von Informationen aus dem ersten Bild prognostiziert. Die Ausgestaltung ermöglicht eine schnellere Bestimmung der Raumkoordinaten für das zweite Merkmal.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Koordinatenmessgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine vereinfachte Darstellung eines Arbeitskopfes mit einem Bildsensor und einem Gegenstand,
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3 ein erstes Bild, das mit dem Bildsensor aus 2 aufgenommen wurde,
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4 ein zweites Bild von dem Gegenstand aus 2, und
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5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in Form eines Koordinatenmessgerätes in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 ist hier beispielhaft für eine Vielzahl von geeigneten Vorrichtungen gewählt, die nicht auf Koordinatenmessgeräte im engeren Sinne beschränkt sind, etwa solche mit einer Portal- oder Ständerkonstruktion. Zudem können das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung prinzipiell auch bei der Bearbeitung von Gegenständen vorteilhaft verwendet werden. Außerdem sind das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung nicht auf Maschinen mit serieller Kinematik entsprechend den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen beschränkt. Beispielsweise könnte der relativ zu einem Gegenstand bewegbare Arbeitskopf an einer Parallelkinematik oder an einem mehrachsigen Roboterarm angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass der Arbeitskopf für sich genommen stationär angeordnet ist, während der Gegenstand mithilfe einer geeigneten Kinematik einschließlich eines oder mehrerer Roboter relativ zu dem Arbeitskopf positioniert werden kann. Die Realisierung des neuen Verfahrens bei einem Koordinatenmessgerät mit optischem Sensor ist jedoch besonders kostengünstig und daher vorteilhaft.
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Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt einen Arbeitskopf 12, der hier an einer Säule über einem Werkstücktisch 14 angeordnet ist. Der Werkstücktisch 14 ist zur Aufnahme eines Gegenstands (hier nicht dargestellt) ausgebildet, der mithilfe des Arbeitskopfes 12 vermessen werden soll. Typischerweise werden Koordinatenmessgeräte verwendet, um dimensionelle Eigenschaften von Gegenständen zu bestimmen, insbesondere im Rahmen der Qualitätssicherung und/oder im Prototypenbau.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Werkstücktisch 14 ein sogenannter Kreuztisch, der über geeignete Antriebe 16 (hier nicht sichtbar) entlang von zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen bewegt werden kann. Die beiden Raumrichtungen werden häufig als x- und y-Achse bezeichnet, und sie spannen zusammen mit einer dritten orthogonalen Achse (z-Achse) ein Maschinenkoordinatensystem auf, das hier bei der Bezugsziffer 17 dargestellt ist. Der Werkstücktisch 14 besitzt hier Linearführungen 18, die eine geradlinige Bewegung entlang der Koordinatenachsen ermöglichen.
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Typischerweise ist im Bereich von zumindest einer der Führungen 18 in jeder Koordinatenrichtung ein Linearmaßstab 20 angeordnet, der zusammen mit einem Lesekopf (hier nicht gesondert dargestellt) eine Geberanordnung 22 bildet. Die Geberanordnung 22 liefert in an sich bekannter Weise erste Positionsinformationen, die – zumindest nach entsprechender Auswertung – eine jeweilige Arbeitsposition des Arbeitskopfes 12 und des Werkstücktisches 14 in absoluten Koordinaten des Koordinatensystems 17 repräsentieren. Vereinfacht ist in 1 nur die Geberanordnung entlang der y-Achse bezeichnet. Vorteilhaft besitzt die Vorrichtung 10 jedoch eine mehrdimensionale Geberanordnung, die absolute Positionsinformationen entlang der drei Koordinatenachsen liefert. Dementsprechend ist der Arbeitskopf 12 an einer Führung entlang der z-Achse (hier nicht dargestellt) über ein in der Säule integriertes Antriebssystem verfahrbar.
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An dem Arbeitskopf 12 ist ein optischer Sensor mit einem integrierten Bildsensor 24 angeordnet. Wie weiter unten anhand der 2 bis 4 näher erläutert ist, ermöglicht der Bildsensor 24 die Aufnahme eines Bildes von einem Gegenstand, der auf dem Werkstücktisch 14 positioniert ist. Darüber hinaus besitzt das Koordinatenmessgerät 10 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel noch einen taktilen Sensor 26, der ebenfalls an dem Arbeitskopf 12 angeordnet ist. Das Koordinatenmessgerät 10 ermöglicht damit wahlweise die Vermessung eines Gegenstands mit dem Bildsensor 24 und/oder dem taktilen Sensor 26. In anderen Ausführungsbeispielen könnte anstelle des taktilen Sensors 26 ein Bearbeitungswerkzeug an dem Arbeitskopf 24 angeordnet sein.
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Bei der Bezugsziffer 28 ist eine Auswerte- und Steuereinheit angedeutet, die dazu ausgebildet ist, die Bewegungen des Arbeitskopfes 12 relativ zu dem Werkstücktisch 14 zu steuern und die jeweilige Arbeitsposition des Arbeitskopfes 12 im Maschinenkoordinatensystem 17 zu bestimmen. Darüber hinaus ist die Auswerte- und Steuereinheit 28 in einigen Ausführungsbeispielen dazu ausgebildet, Raumkoordinaten an einem zu vermessenden Gegenstand zu bestimmen, wobei sie einerseits die (ersten) Positionsinformationen verwendet, die von der Geberanordnung 22 entlang der Koordinatenachsen bereitgestellt werden. Des Weiteren verwendet die Auswerte- und Steuereinheit für die Bestimmung der Raumkoordinaten Informationen, die von dem Bildsensor 24 und/oder dem taktilen Sensor 26 bereitgestellt werden, wie dies den einschlägigen Fachleuten prinzipiell bekannt ist.
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In einigen Ausführungsbeispielen verwenden die neue Vorrichtung und das entsprechende Verfahren einen nichtflüchtigen Speicher, in dem ein Parameterdatensatz 30 gespeichert ist. Der Parameterdatensatz 30 beinhaltet in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine definierte Arbeitsposition 32, eine definierte Weglänge 34, eine definierte Trajektorie 36, einen Temperaturparameter 38 und eine definierte Zeitdauer 40 oder zumindest einen oder mehrere dieser Parameter. In einigen Ausführungsbeispielen erfolgt die Bestimmung von Raumkoordinaten an einem Gegenstand in Abhängigkeit von dem Parameterdatensatz wahlweise anhand der (absoluten) Positionsinformationen, die mithilfe der Geberanordnung 22 bestimmt werden, und/oder anhand von zweiten Positionsinformationen, die mithilfe des Bildsensor 24 bestimmt werden. Dementsprechend wird der Bildsensor 24 vorteilhaft verwendet, um in Ergänzung zu den ersten Positionsinformationen der Geberanordnung 22 weitere Positionsinformationen zu bestimmen, die eine aktuelle Arbeitsposition des Arbeitskopfes 12 relativ zu dem Werkstücktisch 14 repräsentieren und somit die Bestimmung von Raumkoordinaten an einem Gegenstand ermöglichen.
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In 2 ist der optische Sensor mit dem integrierten Bildsensor 24 in einer vereinfachten Darstellung gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor. Beispielhaft ist ein Gegenstand 42 auf dem Werkstücktisch 14 angeordnet. Wie in 2 angedeutet, ist der Gegenstand 42 hier größer als der Bildaufnahmebereich 44 des Bildsensors 24, so dass lediglich ein Teil des Gegenstands 42 auf einem Bild abbildbar ist. Der Gegenstand 42 besitzt eine Vielzahl von Merkmalen, wie beispielsweise die Gegenstandskanten 46, 48 und eine Bohrung 50 (siehe 3).
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3 zeigt ein erstes Bild 52 von dem Gegenstand 42, das mithilfe des Bildsensors 24 aufgenommen wurde. Wie in 3 gezeigt, sind hier die Merkmale 46, 50 abgebildet, aber nicht das Merkmal 48.
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4 zeigt ein zweites Bild 54 von dem Gegenstand 42, das mit dem Bildsensor 24 aufgenommen wurde, nachdem der Arbeitskopf 12 relativ zu dem Gegenstand 42 verschoben wurde. Die Verschiebung des Arbeitskopfes 12 relativ zu dem Gegenstand 42 entspricht dem Versatz 56, um den die Gegenstandskante 46 in dem zweiten Bild 54 relativ zu der Gegenstandskante 46 in dem Bild 52 verschoben ist. Ein Vergleich der Bilder 52, 54 macht es möglich, den Versatz 56 und infolgedessen (zweite) Positionsinformationen zu bestimmen, die den räumlichen Versatz des Arbeitskopfes 12 relativ zu dem Gegenstand 42 repräsentieren.
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Mit der Bezugsziffer 58 ist hier eine Region-of-Interest bezeichnet, die die auf dem Bild 54 abgebildete Gegenstandskante 48 enthält. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Lage der Region-of-Interest 58 in dem zweiten Bild 54 bereits bestimmt, bevor der Arbeitskopf 12 die Arbeitsposition zur Aufnahme des zweiten Bildes 54 erreicht hat, beispielsweise indem die Lage der Region-of-Interest 58 anhand von CAD-Daten und/oder derjenigen Informationen prognostiziert wird, die mithilfe des ersten Bildes 52 gewonnen wurden.
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Ein Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens wird nachfolgend anhand 5 erläutert. Gemäß Schritt 60 wird zunächst der zu vermessende Gegenstand 42 auf dem Werkstücktisch 14 angeordnet. Gemäß Schritt 42 wird der Arbeitskopf 12 in eine erste Arbeitsposition gebracht und gemäß Schritt 64 wird ein erstes Bild aufgenommen (vgl. 3). Gemäß Schritt 66 wird eine Region-of-Interest in dem ersten Bild definiert, die ein erstes Merkmal, beispielsweise die Gegenstandkante 46, enthält. Die Region-of-Interest dient in an sich bekannter Weise dazu, die Anzahl der auszuwertenden Bildpunkte zu reduzieren, um die Auswertung zu beschleunigen.
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Gemäß Schritt 68 werden erste Raumkoordinaten bestimmt, die die Position des ausgewählten Merkmals, wie beispielsweise der Gegenstandskante 46, in dem Koordinatensystem 17 oder einem äquivalenten Koordinatensystem repräsentieren. Für die Bestimmung der ersten Raumkoordinaten werden in an sich bekannter Weise erste Positionsinformationen verwendet, die von der Geberanordnung 22 entlang der Koordinatenachsen des Koordinatenmessgerätes 10 bereitgestellt werden, wie dies bei der Bezugsziffer 70 angedeutet ist.
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In Schritt 72 werden einer oder mehrere Parameter aus dem Speicher 30 ausgelesen und in Abhängigkeit davon wird im Schritt 74 entschieden, ob die weiteren Messschritte (allein) anhand von weiteren (ersten) Positionsinformationen durchgeführt werden sollen, die von der Geberanordnung 22 bereitgestellt werden, oder ob alternativ oder ergänzend relative (zweite) Positionsinformationen verwendet werden sollen, die mithilfe des Bildsensors 24 bestimmt werden.
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In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt eine relative Messung der Raumkoordinaten an weiteren Gegenstandmerkmalen, wenn der Verfahrweg für den Arbeitskopf 12 relativ zu dem Gegenstand 42 kleiner ist als ein definierter Schwellenwert und/oder wenn eine aktuelle Temperatur im Bereich des Arbeitsraums einen definierten Schwellenwert überschreitet und/oder innerhalb oder außerhalb eines definierten Temperaturintervalls liegt, und/oder wenn seit der letzten Kalibrierung eine definierte Zeitdauer überschritten wurde. Gemäß Schritt 76 wird der Arbeitskopf an eine zweite Arbeitsposition bewegt und gemäß Schritt 78 wird ein zweites Bild aufgenommen, das beispielsweise dem Bild 54 aus 4 entspricht. Gemäß Schritt 80 wird die Region-of-Interest 58 definiert und gemäß Schritt 82 wird der Versatz 56 bestimmt, der die Bewegung des Arbeitskopfes 12 relativ zu dem Gegenstand 42 repräsentiert. Gemäß Schritt 84 werden dann zweite Raumkoordinaten bestimmt, die beispielsweise die Position der Gegenstandskante 48 in dem Koordinatensystem 17 repräsentieren. Wie bereits weiter oben angedeutet, werden die zweiten Raumkoordinaten 84 für die Gegenstandkante 48 (zweites Merkmal) hier „relativ“ anhand des Versatzes 56 und anhand der bekannten Raumkoordinaten für das erste Merkmal 46 bestimmt.
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In einigen Ausführungsbeispielen werden die zweiten Raumkoordinaten gemäß Schritt 86 anhand von ersten Positionsinformationen, die von der Geberanordnung 22 bereitgestellt werden, verifiziert. In einigen Ausführungsbeispielen können gemäß Schritt 88 Korrekturwerte bestimmt werden, mit denen die ersten Positionsinformationen der Geberanordnung 22 korrigiert werden können, wenn die mithilfe der ersten Positionsinformationen bestimmten Raumkoordinaten für das zweite Merkmal von den Raumkoordinaten abweichen, die mithilfe des Versatzes 56 bestimmt wurden. Gemäß Schritt 90 können weitere Messdurchläufe erfolgen, wobei in einigen Ausführungsbeispielen anhand der Parameter aus dem Speicher 30 wahlweise entschieden wird, ob die relative Messung gemäß den Schritten 76 bis 84 durchgeführt werden soll oder ob stattdessen die weiteren Koordinaten an dem Gegenstand „absolut“ mithilfe der ersten Positionsinformationen der Geberanordnungen bestimmt werden sollen.
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Die zuletzt genannte Alternative ist anhand der Schritte 92, 94, 96, 98 dargestellt. Gemäß Schritt 92 wird der Arbeitskopf an die zweite (oder weitere) Arbeitsposition verfahren und es wird gemäß Schritt 94 ein zweites (oder weiteres) Bild von dem Gegenstand aufgenommen. Gemäß Schritt 96 wird eine Region-of-Interest definiert, die das zu vermessende Merkmal enthält. Gemäß Schritt 98 werden die zweiten (oder weiteren) Koordinaten für das ausgewählte Merkmal in der Region-of-Interest bestimmt, indem die ersten Positionsinformationen der Geberanordnung 22 in bekannter Weise verwendet werden. Es versteht sich, dass auch in diesem Fall die Position des ausgewählten Merkmals in dem aufgenommenen Bild bestimmt wird, da die ersten Positionsinformationen lediglich die Arbeitsposition des Arbeitskopfes in dem Koordinatensystem 17 repräsentieren und somit noch ein Bezug zwischen dem Arbeitskopf 12 und dem zu vermessenden Merkmal anhand des aufgenommenen Bildes hergestellt werden muss. Im Unterschied zu der vorher beschriebenen Alternative liefern die Geberanordnungen nun jedoch die primäre Positionsinformation für die Bestimmung der Arbeitsposition.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann gemäß Schritt 100 eine weitere Bildaufnahme erfolgen, um die Region-of-Interest bereits zu definieren, bevor der Arbeitskopf die zweite bzw. weitere Arbeitsposition erreicht hat. Diese Variante ist prinzipiell auch bei der „relativen“ Messung basierend auf den Schritten 76 bis 84 möglich.
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Entsprechend der vorstehenden Beschreibung kombinieren das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung somit erste Positionsinformationen, die eine absolute Position innerhalb des Koordinatensystems 17 repräsentieren, mit relativen zweiten Positionsinformationen, die vorteilhaft mithilfe eines optischen Sensors bestimmt werden, dessen erste Arbeitsposition zunächst einmal mithilfe der Geberanordnungen angefahren wird. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt die weitere Vermessung des Gegenstands anhand der zweiten Positionsinformationen. In anderen Ausführungsbeispielen wird abhängig von Umgebungsparametern und/oder Parametern der Messaufgabe individuell ausgewählt, mit welchen Positionsinformationen die Koordinaten an dem Gegenstand bestimmt werden.
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Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung kombinieren die unterschiedlichen Positionsinformationen in vorteilhafter Weise und können somit auf kostengünstige Weise eine erhöhte Messgenauigkeit erreichen, da die ersten Positionsinformationen typischerweise um einen (unbekannten) Mittelwert streuen, während die zweiten relativen Positionsinformationen einen mit zunehmender Weglänge linear ansteigenden Messfehler aufweisen können, allerdings bei typischerweise geringerer Streuung. Die Kombination der absoluten und relativen Positionsinformationen ermöglicht eine Verifizierung und/oder Korrektur der jeweils erhaltenen Messwerte.
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In einigen Ausführungsbeispielen erfolgt die Positionsregelung des Arbeitskopfes beim Verfahren unter Verwendung der zweiten relativen Positionsinformationen. Vorteilhaft können Regelparameter für die Rückkoppelkreise anwendungs- oder umgebungsabhängig verändert werden.
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In einigen Ausführungsbeispielen werden die absoluten ersten Positionsinformationen und die relativen zweiten Positionsinformationen so miteinander kombiniert, dass die relativen zweiten Positionsinformationen immer dann Vorrang erhalten, wenn innerhalb kurzer Zeiträume kleine Ortsveränderungen stattfinden, wohingegen die ersten Positionsinformationen Vorrang erhalten, wenn über längere Zeiträume und/oder größere Distanzen Positionsinformationen benötigt werden. Vorteilhaft kann eine gezielte Gewichtung der ersten und zweiten Positionsinformationen in Abhängigkeit von den räumlichen und zeitlichen Rahmenbedingungen erfolgen.
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Vorteilhaft kann die Auswahl der für die Bereitstellung der Positionsinformationen geeigneten Sensoren auf folgende Weise erfolgen:
- 1. Identifizieren einer gewünschten Systemgenauigkeit, -auflösung und -agilität,
- 2. Auswahl eines primären Systems für die Bereitstellung der Positionsinformationen, insbesondere im Hinblick auf eine gewünschte Langzeitstabilität,
- 3. Identifizieren von Geschwindigkeits-, Beschleunigungs-, Auflösungs-, Ortsraum- und/oder Zeitintervallen, die für das führende System weniger geeignet sind, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen,
- 4. Auswahl alternativer Systeme für die Bereitstellung von Positionsinformationen, welche die identifizierten Defizitbereiche des führenden Systems vermeiden,
- 5. Festlegen der Orts-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs-, Auflösungs-, Ortsraum- und/oder Zeitintervalle, innerhalb derer die Systeme aus Schritt 4 die primären Positionsinformationen bereitstellen sollen, und
- 6. Bestimmen geeigneter Filterkurven für die Synthese der Positionsinformationen von den Einzelsystemen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/023332 A1 [0003]
- EP 2486369 B1 [0008]
