DE102018220088A1 - Method and device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Messvorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts (112) vorgeschlagen, wobei die Messvorrichtung (110) mindestens drei Retroreflektoren (114) und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten (116) oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten (116) und mindestens sechs Retroreflektoren (114) aufweist. Jede der Lokalisierungseinheiten (116) ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (117) zu erzeugen und mindestens einen Retroreflektor (114) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (117) zu beleuchten, wobei jeder der Retroreflektoren (114) von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten (116) beleuchtet ist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) eingerichtet ist, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor (114) mindestens einen reflektierten Lichtstrahl (121) zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Weiterhin weist die Messvorrichtung (110) eine Auswerteeinheit (118) auf, wobei die Auswerteeinheit (118) eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten (116) die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts (112) zu bestimmen. A measuring device (110) for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object (112) is proposed, the measuring device (110) having at least three retroreflectors (114) and at least six localization units (116) or at least three localization units (116) and has at least six retroreflectors (114). Each of the localization units (116) is set up to generate at least one illuminating light beam (117) and to illuminate at least one retroreflector (114) with the illuminating light beam (117), each of the retroreflectors (114) being illuminated by at least one of the localization units (116) Each of the localization units (116) is set up to receive at least one reflected light beam (121) from the retroreflector (114) it illuminates and to generate at least one measurement signal. The measuring device (110) also has an evaluation unit (118), the evaluation unit (118) being set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object (112) from the measurement signals of the localization units (116).
Description
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik.The invention relates to a device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, a coordinate measuring machine and a method for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object. The present invention relates in particular to the field of coordinate measuring technology.
Stand der TechnikState of the art
Beim Bau von Bearbeitungs- und Messmaschinen muss in der Regel ein Bearbeitungs- oder Messkopf genau positioniert werden. So müssen, beispielsweise im Rahmen von Bearbeitungsprogrammen, definierte zeitliche und räumliche Verläufe einer Position und Ausrichtung des Werkzeuges relativ zu einem Werkstück geregelt werden, was üblicherweise mit erheblichem Aufwand, insbesondere maschinenbaulichen Aufwand, einhergeht. Es kann nötig sein, ein Werkzeug genau, beispielsweise im Mikrometerbereich oder auch darunter, zuzuführen, was üblicherweise eine aufwendige Mess- und Regeltechnik erfordert. Der Aufwand kann sich weiter erhöhen, beispielsweise wenn für die Bearbeitungsmaschine Invarianz, insbesondere eine gleichbleibende Genauigkeit, gegenüber Altern, Temperatureinflüssen und/oder sonstigen Umwelteinflüssen, Bearbeitungskräften, sowie allgemein variierenden statischen und dynamischen Lasten gefordert wird.When building processing and measuring machines, a processing or measuring head usually has to be positioned exactly. For example, in the context of machining programs, defined temporal and spatial courses of a position and orientation of the tool relative to a workpiece must be regulated, which usually involves considerable effort, in particular mechanical engineering. It may be necessary to feed a tool precisely, for example in the micrometer range or below, which usually requires complex measurement and control technology. The effort can increase further, for example if invariance, in particular constant accuracy, is required for the processing machine in relation to aging, temperature influences and / or other environmental influences, processing forces, and generally varying static and dynamic loads.
Üblicherweise wird versucht, durch Auslesen von Sensorik eine voraussichtliche Relativposition und Relativorientierung zwischen Werkstück und Werkzeug zu prognostizieren, wie sie sich für die verwendete Maschinenachsstapelfolge einer Maschinenstruktur beispielsweise unter Verwendung von Kalibrierdaten aus einem Maschinenmodell ergibt.Usually, an attempt is made to predict an expected relative position and relative orientation between the workpiece and the tool by reading out sensors, as is the case for the machine axis stack sequence of a machine structure used, for example using calibration data from a machine model.
Die Kalibrierdaten können dabei mit Methoden ermittelt werden, welche darauf ausgelegt sind, die Fehler der Maschinenkinematik so zu ermitteln, dass eine anschließende rechnerische Korrektur unter Verwendung dieser Kalibrierdaten möglich wird. Abhängig von der Komplexität des Fehlerbildes der zu kalibrierenden Kinematik kann auch das Kalibrierverfahren sehr aufwendig werden. Insbesondere kann es so aufwendig werden, dass auf eine vollständige Erfassung aller Fehler aus Kosten- oder Prozessgründen verzichtet wird.The calibration data can be determined using methods which are designed to determine the errors of the machine kinematics in such a way that a subsequent computational correction is possible using these calibration data. Depending on the complexity of the error pattern of the kinematics to be calibrated, the calibration procedure can also be very complex. In particular, it can be so complex that a complete recording of all errors for cost or process reasons is dispensed with.
Bekannt ist beispielsweise der Einsatz von vier sogenannten Lasertracern oder Lasertrackern und einem Retroreflektor. Durch geeignete Messstrategie kann aus einer Abfolge von unterschiedlichen Positionen des Retroreflektors im Raum eine eindeutige Rekonstruktion der Position der Lasertracer oder Lasertracker im Raum und der unterschiedlichen angefahrenen Positionen des Retroreflektors möglich sein. So können regelmäßig Genauigkeiten im Bereich von Mikrometern erreicht werden, wobei bei geeigneter Umgebung auch Submikrometer-Genauigkeiten möglich sein können.For example, the use of four so-called laser trackers or laser trackers and a retroreflector is known. Using a suitable measurement strategy, a sequence of different positions of the retroreflector in the room can be used to unambiguously reconstruct the position of the laser tracers or laser trackers in the room and the different positions reached by the retroreflector. Accuracies in the range of micrometers can be achieved on a regular basis, and submicrometer accuracies can also be possible in a suitable environment.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen diese noch Verbesserungspotential auf. So sind derartige, bekannte Verfahren und Vorrichtungen in der Regel komplex, teuer, wenig robust und außerdem aufwendig, beispielsweise aufwendig bezüglich einer nötigen Rechenleistung und/oder bezüglich der Anzahl benötigter Vorrichtungen, wie Retroreflektoren und/oder Lasertracer. Weiterhin kann zur Erfassung der dreidimensionalen Position des Retroreflektors insbesondere eine Verkettung mehrerer Messungen nötig sein. Weiter darf während der Messung, insbesondere einem Tracking, ein Interferometerstrahlengang nicht unterbrochen werden. Ferner sind bekannte Vorrichtungen und Verfahren häufig lediglich geeignet, die dreidimensionale Position des Retroreflektors zu bestimmen, nicht jedoch die Orientierung.Despite the advantages of the devices and methods known from the prior art, they still have room for improvement. Such known methods and devices are generally complex, expensive, not very robust and also complex, for example complex in terms of the necessary computing power and / or in terms of the number of required devices, such as retroreflectors and / or laser tracers. Furthermore, in order to record the three-dimensional position of the retroreflector, a chain of several measurements may be necessary. Furthermore, an interferometer beam path must not be interrupted during the measurement, in particular tracking. Furthermore, known devices and methods are often only suitable for determining the three-dimensional position of the retroreflector, but not the orientation.
Ferner kann es insbesondere nötig sein, aufwendige und fehlerverkettend sehr unvorteilhafte Wiederholungsmessreihen bei gleichbleibender Maschinenachsstellungsreihenfolge und auskragenden Retroreflektorhaltern durchzuführen. Nicht vorliegende Reproduzierbarkeit der Maschinenachsstellungen während der Wiederholungsmessreihen sowie Instabilitäten und Ungenauigkeit der relativen Retroreflektorlagen zwischen den Messreihen können die Aussagekraft der Messungen häufig begrenzen und erlauben üblicherweise nicht, die Systemgrenzen der verwendeten Lokalisierungstechnologie zu nutzen.Furthermore, it may be necessary, in particular, to carry out complex and error-linking very disadvantageous repeat measurement series with the same machine axis adjustment sequence and cantilevered retroreflector holders. The lack of reproducibility of the machine axis adjustments during the repeat measurement series as well as instabilities and inaccuracy of the relative retroreflector positions between the measurement series can often limit the meaningfulness of the measurements and usually do not allow the system limits of the localization technology used to be used.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mit hoher Genauigkeit und geringerer Komplexität erfolgen.It is therefore the object of the present invention to provide a device and a method for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, which at least largely avoid the disadvantages of known devices and methods. In particular, at least one spatial position and orientation should be determined with high accuracy and less complexity.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.This object is achieved by a device and a method with the features of the independent claims. Preferred configurations, which individually or in combination are realizable are shown in the dependent claims.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht) als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.In the following, the terms “have”, “have”, “include” or “include” or any grammatical deviations therefrom are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, in addition to the feature introduced by these terms, there are no further features or to situations in which one or more other features are present. For example, the expression "A has B", "A has B", "A includes B" or "A includes B" both refer to the situation in which, apart from B, there is no further element in A. (ie a situation in which A consists exclusively of B) as well as the situation in which, in addition to B, one or more further elements are present in A, for example element C, elements C and D or even further elements.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.Furthermore, it is pointed out that the terms “at least one” and “one or more” as well as grammatical variations of these terms or similar terms, when used in connection with one or more elements or features, and to express that the element or feature is simple or can be provided more than once, generally only used once, for example when the feature or element is first introduced. When the feature or element is mentioned again, the corresponding term “at least one” or “one or more” is generally no longer used, without restricting the possibility that the feature or element can be provided one or more times.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.Furthermore, the terms “preferably”, “in particular”, “for example” or similar terms are used in the following in conjunction with optional features, without this restricting alternative embodiments. Thus, features introduced by these terms are optional features, and it is not intended to limit the scope of the claims, and in particular the independent claims, by these features. Thus, as the person skilled in the art will recognize, the invention can also be carried out using other configurations. Similarly, features that are introduced by “in an embodiment of the invention” or by “in an embodiment of the invention” are understood as optional features, without this being intended to restrict alternative configurations or the scope of protection of the independent claims. Furthermore, these introductory expressions are intended to leave all possibilities of combining the features introduced thereby with other features, whether optional or non-optional, unchanged.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Die Messvorrichtung weist mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Retroreflektoren auf. Jede der Lokalisierungseinheiten ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und mindestens einen Retroreflektor mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist. Jede der Lokalisierungseinheiten ist eingerichtet, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor mindestens einen reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Messvorrichtung weist weiterhin eine Auswerteeinheit auf, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen.In a first aspect of the present invention, a measuring device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object is proposed. The measuring device has at least three retroreflectors and at least six localization units or at least three localization units and at least six retroreflectors. Each of the localization units is set up to generate at least one illuminating light beam and to illuminate at least one retroreflector with the illuminating light beam, each of the retroreflectors being illuminated by at least one of the localization units. Each of the localization units is set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector illuminated by it and to generate at least one measurement signal. The measuring device furthermore has an evaluation unit, the evaluation unit being set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units.
Unter einem „Messobjekt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt auch ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann.In the context of the present invention, a “measurement object” can be understood to mean an object of any shape to be measured. For example, the measurement object can also be a measurement head of a sensor or a tool with which a component can be scanned.
Unter einer „Messvorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist die mindestens eine räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein. Unter einer „räumlichen Position“ kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage des Messobjekts. Die räumliche Position kann durch die Ortskoordinaten X, Y und Z definiert sein. Unter einer „Orientierung“ kann eine Lage im Raum, insbesondere eine Rotation, des Messobjekts verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel. Die räumliche Position und Orientierung des Objektes kann zusammen auch als sechsdimensionale Information oder 6D-Information bezeichnet werden.In the context of the present invention, a “measuring device” can be understood to mean a device which is set up to determine the at least one spatial position and orientation of the measurement object. The spatial position and the orientation can be determined in a coordinate system, for example a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate system. Other coordinate systems are also conceivable. An origin or zero point of the coordinate system can be in a point of the device. A “spatial position” can be understood to mean a three-dimensional point (X, Y, Z) in the coordinate system, in particular a position of the measurement object. The spatial position can be defined by the location coordinates X, Y and Z. An “orientation” can be understood to mean a position in space, in particular a rotation, of the measurement object, in particular an angular position. The orientation can be specified by at least three angles, for example Euler angle or inclination angle, roll angle and yaw angle. The spatial position and orientation of the object can also be referred to as six-dimensional information or 6D information.
Unter einem „Retroreflektor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche einen Lichtstrahl in diejenige Richtung reflektiert aus der der Lichtstrahl eingetroffen ist. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in
Unter einer „Lokalisierungseinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausgewählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsignal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors; einer Information über einen Abstand des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; eine Information über eine Entfernung des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; eine Information über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; und einer Information über eine Längenänderung.In the context of the present invention, a “localization unit” can basically be understood to mean any device which is set up to generate at least one localization information item. The location information can be selected from at least one item of information from the group consisting of: a measurement signal depending on the location of the retroreflector illuminated by the location unit; information about a distance of the retroreflector illuminated by the localization unit from the localization unit; information about a distance of the retroreflector illuminated by the localization unit to the localization unit; information about a relative position of the retroreflector illuminated by the localization unit to the localization unit; and information about a change in length.
Die Lokalisierungseinheit kann eingerichtet sein, mindestens einen Retroreflektor mit mindestens einem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten. Unter einem „Beleuchtungslichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Lichtstrahl verstanden werden, welcher emittiert und/oder ausgesandt wird, um den Retroreflektor zu beleuchten. Insbesondere kann es sich bei dem Beleuchtungslichtstrahl um einen von einer der Lokalisierungseinheiten zur Beleuchtung eines der Retroreflektoren erzeugten Lichtstrahl handeln. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils mindestens eine Beleuchtungseinheit aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann eine Lichtquelle aufweisen, insbesondere eine Laserquelle.The localization unit can be set up to illuminate at least one retroreflector with at least one illuminating light beam. In the context of the present invention, an “illuminating light beam” can basically be understood to mean any light beam which is emitted and / or emitted in order to illuminate the retroreflector. In particular, the illuminating light beam can be a light beam generated by one of the localization units for illuminating one of the retroreflectors. The localization units can each have at least one lighting unit. The lighting unit can have a light source, in particular a laser source.
Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Unter einem „Lichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird.In the context of the present invention, “light” can be understood to mean electromagnetic radiation in at least one spectral range selected from the visible spectral range, the ultraviolet spectral range and the infrared spectral range. The term visible spectral range basically covers a range from 380 nm to 780 nm. The term infrared (IR) spectral range basically covers a range from 780 nm to 1000 µm, the range from 780 nm to 1.4 µm as near infrared (NIR), and the range from 15 µm to 1000 µm is called Far Infrared (FIR). The term ultraviolet basically encompasses a spectral range from 100 nm to 380 nm. In the context of the present invention, a “light beam” can basically be understood as an amount of light which is emitted and / or emitted in a specific direction.
Jeder der Retroreflektoren ist von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet. Ein Retroreflektor kann von einer Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten beleuchtet werden. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils eingerichtet sein mindestens einen reflektierten Lichtstrahl von dem von der jeweiligen Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektor zu empfangen und mindestens ein Messsignal in Antwort auf den reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen. Unter einem „Messsignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges, insbesondere ein elektrisches, Signal verstanden werden, beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, welches gemäß dem reflektierten, empfangenen Lichtstrahl oder unter Verwendung des reflektierten, empfangenen Lichtstrahls erzeugt wurde.Each of the retroreflectors is illuminated by at least one of the localization units. A retroreflector can be illuminated by a plurality of localization units. The localization units can each be set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector illuminated by the respective localization unit and to generate at least one measurement signal in response to the reflected light beam. In the context of the present invention, a “measurement signal” can in principle be understood to mean any, in particular an electrical, signal, for example a voltage or a current, which was generated in accordance with the reflected, received light beam or using the reflected, received light beam.
Jede der Lokalisierungseinheiten kann mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor.Each of the localization units can comprise at least one element selected from the group consisting of: a laser tracer; a laser tracker; a LIDAR sensor, preferably an FMCW LIDAR sensor.
Unter einem „Lasertracer“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Messvorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist interferometrisch einen Abstand, insbesondere eine Abstandsänderung, zu einem Retroreflektor zu bestimmen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, eine Position des Retroreflektors zu verschiedenen Zeitpunkten nachzuverfolgen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, einem sich im Raum bewegenden Retroreflektor mittels eines Laserstrahls zu folgen. Eine Messung der Abstandsänderung kann inkrementell erfolgen. Der Lasertracer kann ein inkrementelles Messsysteme mit großem Blickbereich, insbesondere einem großen Schwenkbereich einer Laserstrahlrichtung, sein. Beispielsweise können zur Messung der Abstandsänderung mindestens zwei aufeinanderfolgende Messungen erforderlich sein. Der Lasertracer kann einen großen Winkelbereich abdecken. Beispielsweise kann der Laserstrahl des Lasertracers in dem großen Winkelbereich schwenkbar sein. Unter einem „Lasertracker“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Messvorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist interferometrisch einen Abstand und/oder eine Richtung eines Retroreflektors zu bestimmen, insbesondere relativ zu Achsen, welche von einer Optomechanik des Lasertrackers definiert werden.In the context of the present invention, a “laser tracer” can in principle be understood to mean any measuring device which is set up to determine a distance, in particular a change in distance, from a retroreflector interferometrically. The laser tracer can be set up to track a position of the retroreflector at different times. The laser tracer can be set up to follow a retroreflector moving in space by means of a laser beam. The distance change can be measured incrementally. The laser tracer can be an incremental measuring system with a large field of view, in particular a large swivel range of a laser beam direction. For example, at least two successive measurements may be required to measure the change in distance. The laser tracer can cover a wide angular range. For example, the laser beam of the laser tracer can be pivoted in the large angular range. In the context of the present invention, a “laser tracker” can in principle be understood to mean any measuring device that is set up to determine a distance and / or a direction of a retroreflector interferometrically, in particular relative to axes that are defined by an optomechanics of the laser tracker.
Unter einem „LIDAR-Sensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche auf dem LIDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Insbesondere kann der LIDAR-Sensor eingerichtet sein, einen Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, zu erzeugen und zu empfangen, insbesondere den zuvor von ihr ausgesendeten und zu ihr zurückreflektierten Lichtstrahl, und daraus einen Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und dem Retroreflektor zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unterschieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Bevorzugt kann die Lokalisierungseinheit einen FMCW-LIDAR-Sensor aufweisen. Hierbei steht „FMCW“ als Abkürzung für den englischen Ausdruck „Frequency Modulated Continuous Wave“. Der FMCW-LIDAR-Sensor kann eingerichtet sein, den Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz nach dem FMCW-Verfahren kontinuierlich durchgestimmt wird. Beispielsweise kann die Frequenz des Lichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in
Die Messvorrichtung weist mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Retroreflektoren auf. Beispielsweise kann die Messvorrichtung mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten aufweisen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen Lasertracer oder mindestens einen Lasertracker umfasst. The measuring device has at least three retroreflectors and at least six localization units or at least three localization units and at least six retroreflectors. For example, the measuring device can have at least three retroreflectors and at least six localization units, each of the localization units comprising at least one laser tracker or at least one laser tracker.
In einer Ausführungsform kann die Messvorrichtung drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungseinheiten aufweisen. Einer, insbesondere ein erster der Retroreflektoren kann von maximal vier der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Die übrigen mindestens zwei Lokalisierungseinheiten können auf die anderen beiden Retroreflektoren ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch andere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten auf die Retroreflektoren sind denkbar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungseinheiten die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: vier Lokalisierungseinheiten auf einen ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf einen zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf einen dritten Retroreflektor (vier-eins-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-eins); zwei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokalisierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (zwei-zwei-zwei).In one embodiment, the measuring device can have three retroreflectors and six localization units. One, in particular a first, of the retroreflectors can be illuminated by a maximum of four of the localization units. The remaining at least two localization units can be aligned with and illuminate the other two retroreflectors. Other orientations of the localization units on the retroreflectors are also conceivable. In particular, when using three retroreflectors and six localization units, the localization units and the retroreflectors can be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: four localization units on a first retroreflector, one localization unit on a second retroreflector and one localization unit on a third retroreflector ( four-one-one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-two-one); two localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (two-two-two).
Beispielsweise kann die Messvorrichtung den ersten Retroreflektor, den zweiten Retroreflektor und den dritten Retroreflektor aufweisen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung eine erste Lokalisierungseinheit, eine zweite Lokalisierungseinheit, eine dritte Lokalisierungseinheit, eine vierte Lokalisierungseinheit, eine fünfte Lokalisierungseinheit und eine sechste Lokalisierungseinheit aufweisen. Die erste, die zweite, die dritte und die vierte Lokalisierungseinheit können auf den ersten Retroreflektor ausgerichtet sein, auch als auf diesen eingelocked bezeichnet, und diesen beleuchten. Die fünfte Lokalisierungseinheit kann auf den zweiten Retroreflektor ausgerichtet sein und diesen beleuchten. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration vier-eins-eins. Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl in diesem als auch in den folgenden Beispielen die Ordnungszahlen der Retroreflektoren und Lokalisierungseinheiten als Bezeichnungen zur Unterscheidung verwendet werden. Dementsprechend können die Lokalisierungseinheiten untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Auch die Retroreflektoren können untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Bezogen auf das obige Beispiel kann beispielsweise der zweite Retroreflektor von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein und der dritte Retroreflektor kann von der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Weitere Kombinationen sind möglich.For example, the measuring device can have the first retroreflector, the second retroreflector and the third retroreflector. For example, the measuring device can have a first localization unit, a second localization unit, a third localization unit, a fourth localization unit, a fifth localization unit and a sixth localization unit. The first, the second, the third and the fourth localization unit can be aligned with the first retroreflector, also referred to as being locked onto it, and illuminate it. The fifth localization unit can be aligned with the second retroreflector and illuminate it. The third retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit. This corresponds to the four-one-one configuration. It is pointed out that both in this and in the examples below, the ordinal numbers of the retroreflectors and localization units are used as designations to distinguish them. Accordingly, the localization units can be interchangeable or interchangeable. The retroreflectors can also be interchangeable or interchangeable. Based on the above example, the second retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit and the third retroreflector can be illuminated by the fifth localization unit, for example. Other combinations are possible.
Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten und der dritten der Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-zwei-eins. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten und der zweiten der Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der dritten und der vierten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der fünften und der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration zwei-zwei-zwei. Vertauschungen der Lokalisierungseinheiten untereinander und der Retroreflektoren untereinander sind möglich.For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, the second and the third of the localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the fourth and fifth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit. This corresponds to the configuration three-two-one. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first and the second of the localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the third and fourth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the fifth and the sixth localization unit. This corresponds to the configuration two-two-two. Swaps of the Localization units with each other and the retroreflectors with each other are possible.
Eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand, der Retroreflektoren zueinander und/oder eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand der Lokalisierungseinheiten zueinander können bekannt sein. Beispielsweise kann die Messvorrichtung drei Retroreflektoren aufweisen und die Retroreflektoren können in einer Ebene in Form eines Dreiecks angeordnet sein. Die Längen der Seiten des Dreiecks können bekannt sein. Unter der Voraussetzung, dass die relative Lage der Retroreflektoren zueinander bekannt ist, kann eine Ausgestaltung der Messvorrichtung mit drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungseinheiten ausreichen, um aus einer Abfolge von mit den Lokalisierungseinheiten gemessenen Längenänderungen 3D-Trajektorien aller drei Retroreflektoren, bzw. eine 6D-Trajektorie eines Systems der Retroreflektoren zu rekonstruieren.A relative position, in particular a spatial position and / or a distance, of the retroreflectors to one another and / or a relative position, in particular a spatial position and / or a distance of the localization units to one another, can be known. For example, the measuring device can have three retroreflectors and the retroreflectors can be arranged in one plane in the form of a triangle. The lengths of the sides of the triangle can be known. Provided that the relative position of the retroreflectors to one another is known, an embodiment of the measuring device with three retroreflectors and six localization units can be sufficient to generate 3D trajectories of all three retroreflectors or a 6D trajectory from a sequence of changes in length measured with the localization units to reconstruct a system of retroreflectors.
Die Messvorrichtung kann mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sieben Lokalisierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sieben Retroreflektoren aufweisen. Einer, insbesondere der erste der Retroreflektoren kann von maximal fünf der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Die übrigen mindestens zwei Lokalisierungseinheiten können auf die anderen beiden Retroreflektoren ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch andere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten auf die Retroreflektoren sind denkbar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren und sieben Lokalisierungseinheiten die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: fünf Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (fünf-eins-eins), vier Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (vier-zwei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, drei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-drei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokalisierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-zwei). So kann einer der drei Retroreflektoren von vier der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein, einer der zwei weiteren Retroreflektoren kann von zwei weiteren der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein und der verbleibende der Retroreflektoren kann von der verbleibenden der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Insbesondere kann jeder der drei Retroreflektoren von mindestens zwei Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein, beispielsweise unter Nutzung der oben ausgeführten Konfiguration drei-zwei-zwei. Eine Ausgestaltung mit mindestens sieben Lokalisierungseinheiten kann vorteilhaft sein, da eine Unterbrechung einer Sichtlinie (Line-Of-Sight-Unterbrechung) zwischen einem der Retroreflektoren und einem der ihn bestrahlenden Lokalisierungseinheiten, insbesondere eine Unterbrechung des Beleuchtungslichtstrahls, beziehungsweise des reflektierten Lichtstrahls, nicht zu einem Ausfall der Messvorrichtung führt. Bei dieser Ausgestaltung kann ein Verlust oder Ausfall einer Lokalisierungseinheit folgenlos bleiben, da jeder Retroreflektor von mindestens zwei Lokalisierungseinheiten verfolgt wird. Weiter kann bei dieser Ausgestaltung auf ein Einmessen oder Kalibrieren der Lokalisierungseinheiten verzichtet werden, so dass alle Lokalisierungseinheiten gleich auf ihre Messposition, also auf „ihren“ Retroreflektor, ausgerichtet werden können.The measuring device can have at least three retroreflectors and at least seven localization units or at least three localization units and at least seven retroreflectors. One, in particular the first, of the retroreflectors can be illuminated by a maximum of five of the localization units. The remaining at least two localization units can be aligned with and illuminate the other two retroreflectors. Other orientations of the localization units on the retroreflectors are also conceivable. In particular, when using three retroreflectors and seven localization units, the localization units and the retroreflectors can be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: five localization units on the first retroreflector, one localization unit on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector ( five-one-one), four localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (four-two-one); three localization units on the first retroreflector, three localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-three-one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (three-two-two). Thus one of the three retroreflectors can be illuminated by four of the localization units, one of the two further retroreflectors can be illuminated by two further of the localization units and the remaining one of the retroreflectors can be illuminated by the remaining one of the localization units. In particular, each of the three retroreflectors can be illuminated by at least two localization units, for example using the configuration three-two-two described above. A configuration with at least seven localization units can be advantageous, since an interruption of a line of sight (line-of-sight interruption) between one of the retroreflectors and one of the localization units irradiating it, in particular an interruption of the illuminating light beam or the reflected light beam, does not result in a failure of the measuring device. With this configuration, the loss or failure of a localization unit can have no consequences since each retroreflector is tracked by at least two localization units. With this configuration, there is also no need to calibrate or calibrate the localization units, so that all localization units can be aligned equally with their measurement position, ie with “their” retroreflector.
Beispielsweise kann die Messvorrichtung den ersten Retroreflektor, den zweiten Retroreflektor und den dritten Retroreflektor aufweisen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung die erste Lokalisierungseinheit, die zweite Lokalisierungseinheit, die dritte Lokalisierungseinheit, die vierte Lokalisierungseinheit, die fünfte Lokalisierungseinheit, die sechste Lokalisierungseinheit und eine siebte Lokalisierungseinheit aufweisen. Der erste Retroreflektor kann von der ersten, der zweiten, der dritten, der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der siebten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration fünf-eins-eins. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ordnungszahlen der Retroreflektoren und Lokalisierungseinheiten als Bezeichnungen und zur Unterscheidung verwendet werden. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten der Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der fünften und der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der siebten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration vier-zwei-eins. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten und der dritten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der der vierten, der fünften und der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der siebten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-drei-eins. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten und der dritten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten und der siebten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-zwei-zwei. Vertauschungen der Lokalisierungseinheiten untereinander und der Retroreflektoren untereinander sind möglich.For example, the measuring device can have the first retroreflector, the second retroreflector and the third retroreflector. For example, the measuring device can have the first localization unit, the second localization unit, the third localization unit, the fourth localization unit, the fifth localization unit, the sixth localization unit and a seventh localization unit. The first retroreflector can be illuminated by the first, second, third, fourth and fifth localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the sixth localization unit. The third retroreflector can be illuminated by the seventh localization unit. This corresponds to the five-one-one configuration. It is pointed out that the atomic numbers of the retroreflectors and localization units are used as names and for differentiation. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, second, third and fourth of the localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the fifth and the sixth localization unit. The third retroreflector can be illuminated by the seventh localization unit. This corresponds to the configuration four-two-one. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, the second and the third localization unit. The second retroreflector can be illuminated by the fourth, fifth and sixth localization units. The third retroreflector can be illuminated by the seventh localization unit. This corresponds to the configuration three-three-one. For example, the first retroreflector can be illuminated by the first, the second and the third localization unit. The second retroreflector can be illuminated by that of the fourth and fifth localization units. The third The retroreflector can be illuminated by the sixth and seventh localization units. This corresponds to the configuration three-two-two. The localization units and the retroreflectors can be interchanged.
Alternativ zu einer Ausgestaltung der Messvorrichtung mit mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten kann die Messvorrichtung mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs eindeutig identifizierbare Retroreflektoren aufweisen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen LIDAR-Sensor umfasst. Der LIDAR-Sensor kann durch Aufweitung des Beleuchtungslichtstrahls oder Scannen mehr als einen Retroreflektor erfassen, insbesondere den gesamten Messbereich, beispielsweise alle Retroreflektoren. Für die Ausrichtung der mindestens sechs Retroreflektoren und mindestens drei Lokalisierungseinheiten zueinander kann auf obige Beschreibung der Ausgestaltung der Messvorrichtung mit mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten verwiesen werden, wobei die mindestens drei Retroreflektoren durch die mindestens drei Lokalisierungseinheiten und die mindestens sechs Lokalisierungseinheiten durch die mindestens sechs Retroreflektoren ersetzt werden. Die Beleuchtungslichtstrahlen der Lokalisierungseinheiten, insbesondere der LIDAR-Sensoren, können, beispielsweise mittels einer Vorrichtung zur Strahlaufweitung,derart aufgeweitet sein, dass die Lokalisierungseinheit mit dem aufgeweiteten Beleuchtungslichtstrahl mehr als einen Retroreflektor, beispielsweise zwei oder auch mehr Retroreflektoren, überstrahlt. Die mindestens sechs Retroreflektoren können beispielsweise auf diese Weise mit den Beleuchtungslichtstrahlen der mindestens drei Lokalisierungseinheiten gleichzeitig beleuchtet sein, auch wenn eine Anzahl der Lokalisierungseinheiten eine Anzahl der Retroreflektoren unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich können die Lokalisierungseinheiten die Retroreflektoren scannen, beispielsweise mittels eines Laserlinien- oder Laserrasterscans. Beispielsweise kann mindestens eine der Lokalisierungseinheiten durch eine veränderbare Ausrichtung des Beleuchtungslichtstrahls eine Mehrzahl von Retroreflektoren, beispielsweise zwei oder auch mehr Retroreflektoren scannen, insbesondere abwechselnd in kurzen zeitlichen Abständen beleuchten.As an alternative to an embodiment of the measuring device with at least three retroreflectors and at least six localization units, the measuring device can have at least three localization units and at least six clearly identifiable retroreflectors, each of the localization units comprising at least one LIDAR sensor. By expanding the illuminating light beam or scanning, the LIDAR sensor can detect more than one retroreflector, in particular the entire measuring range, for example all retroreflectors. For the alignment of the at least six retroreflectors and at least three localization units to one another, reference can be made to the above description of the configuration of the measuring device with at least three retroreflectors and at least six localization units, the at least three retroreflectors by the at least three localization units and the at least six localization units by the at least six Retroreflectors to be replaced. The illuminating light beams of the localization units, in particular the LIDAR sensors, can be expanded, for example by means of a device for beam expansion, in such a way that the localization unit with the expanded illuminating light beam outshines more than one retroreflector, for example two or more retroreflectors. In this way, for example, the at least six retroreflectors can be illuminated simultaneously with the illuminating light beams of the at least three localization units, even if a number of the localization units falls below a number of the retroreflectors. Alternatively or additionally, the localization units can scan the retroreflectors, for example by means of a laser line or laser raster scan. For example, at least one of the localization units can scan a plurality of retroreflectors, for example two or more retroreflectors, in particular alternately illuminate them at short time intervals by changing the alignment of the illuminating light beam.
Die Retroreflektoren können als „Fix-Stern-Himmel“ mit vergleichsweise nahen Sternen fungieren, so dass mit abstandsmessender Messtechnik eine hochgenaue Messung von Ort und Lage im Raum möglich ist. Eine derartige Anordnung mit einer Betrachtungsrichtung nach außen kann auch als „invertierte Navigation“ bezeichnet werden. Die Messvorrichtung kann in dieser Ausführungsform eine Mehrzahl von Retroreflektoren aufweisen, beispielsweise eine Retroreflektorverteilung. Eine Vielzahl von Permutationsmöglichkeiten für die invertierte Navigation, insbesondere die Möglichkeit einer Verwendung einer Retroreflektorverteilung, mit welchen Line-Of-Sight-Unterbrechungen beispielsweise aufgrund von Störkonturen von Werkstück und/oder Maschine folgenlos für eine Bestimmung der 6D-Information ist, sind denkbar.The retroreflectors can act as a "fixed star sky" with comparatively close stars, so that with distance-measuring technology a highly precise measurement of location and position in space is possible. Such an arrangement with a viewing direction to the outside can also be referred to as “inverted navigation”. In this embodiment, the measuring device can have a plurality of retroreflectors, for example a retroreflector distribution. A large number of permutation options for inverted navigation, in particular the possibility of using a retroreflector distribution, with which line-of-sight interruptions, for example due to interference contours of the workpiece and / or machine, have no consequences for determining the 6D information, are conceivable.
Die Retroreflektoren können an dem Messobjekt angeordnet sein und die Lokalisierungseinheiten können im Raum angeordnet sein und/oder die Lokalisierungseinheiten können an dem Messobjekt angeordnet sein und die Retroreflektoren können im Raum angeordnet sein. Die Retroreflektoren können weit auseinanderliegend angeordnet sein. Die Retroreflektoren können gemeinsam mit den Lokalisierungseinheiten ein Arbeitsvolumen aufspannen und/oder definieren. Die Retroreflektoren können derart angeordnet sein, dass sie innerhalb des Arbeitsvolumens weit auseinanderliegen. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstellung und/oder Befestigung der Lokalisierungseinheiten. Insbesondere können, beispielsweise im Falle einer Messvorrichtung mit mindestens der Lokalisierungseinheiten in Form von LIDAR-Sensoren und mindestsens sechs Retroreflektoren, die mindestens drei LIDAR-Sensoren an dem Messobjekt angebracht sein und die mindestens sechs, insbesondere sieben, Retroreflektoren können im Raum angeordnet sein. Auch die Retroreflektoren können jeweils mindestens eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstellung und/oder Befestigung der Retroreflektoren.The retroreflectors can be arranged on the measurement object and the localization units can be arranged in the room and / or the localization units can be arranged on the measurement object and the retroreflectors can be arranged in the room. The retroreflectors can be arranged far apart. Together with the localization units, the retroreflectors can span and / or define a working volume. The retroreflectors can be arranged such that they are far apart within the working volume. The localization units can each have a holder for arranging, setting up and / or fastening the localization units. In particular, for example in the case of a measuring device with at least the localization units in the form of LIDAR sensors and at least six retroreflectors, the at least three LIDAR sensors can be attached to the measurement object and the at least six, in particular seven, retroreflectors can be arranged in the room. The retroreflectors can also each have at least one holder for arranging, installing and / or fastening the retroreflectors.
Die Messvorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen. Unter einer „Steuereinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens ein Bauteil oder einen Prozess zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Steuereinheit kann insbesondere als zentrale Steuereinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Steuereinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, eine Bewegung der Lokalisierungseinheiten zu steuern oder zu regeln. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein eine Geschwindigkeit einer Bewegung der Retroreflektoren zu bestimmen. Beispielsweise können die Lokalisierungseinheiten der Messvorrichtung als FMCW-LIDAR-Sensoren ausgebildet sein. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein eine Bewegung des Messobjekts durch Nachverfolgen, auch Tracking genannt, der auf dem Messobjekt angebrachten Retroreflektoren zu bestimmen. Bei einer Abstandsmessung der Retroreflektoren von den Lokalisierungseinheiten kann bei bewegten Retroreflektoren unter Ausnutzung der bei den FMCW-LIDAR-Sensoren auftretenden Dopplerverschiebung die Geschwindigkeiten der Retroreflektoren, insbesondere des Retroreflektorensembles, mit der Messvorrichtung instantan bestimmbar sein. Dies kann insbesondere für eine Bewegungsregelung einer Maschine von großem Vorteil sein. Bei Nutzung der FMCW-LIDAR-Sensoren als Lokalisierungseinheiten kann direkt ein Signal gemäß der Bewegung des Retroreflektors erzeugt werden. Die FMCW-Lidar-Sensoren können den Vorteil aufweisen, dass sich die Bewegung eines Objektes direkt als Signal äußert. Die Bewegung des Retroreflektors kann zu einer Dopplerverschiebung einer Schwebungsfrequenz führen, wobei die Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz den Abstand des Retroreflektors kodieren kann. Die Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz kann zu jedem Zeitpunkt vorliegen. Beispielsweise kann es nötig sein, die Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz zu verrechnen, um den Abstand des Retroreflektors bei sich bewegendem Retroreflektor mit einer gewünschten Genauigkeit ermitteln zu können. Eine Information über eine Momentangeschwindigkeit des Retroreflektors kann als Messsignal in Form der Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz jederzeit vorliegen und damit die Geschwindigkeit des Retroreflektors instantan bestimmbar sein. Bei Messsystemen, die auf Interferometrie beruhen, kann die Geschwindigkeit des Retroreflektors nur aus dem räumlichen Abstand zweier zeitlich beabstandeter Messungen errechenbar sein.The measuring device can have a control unit. In the context of the present invention, a “control unit” can basically be understood to be a device which is set up to control or regulate at least one component or process. For example, the control unit can have at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The control unit can in particular be designed as a central control unit for the entire measuring device. Alternatively, however, a decentralized evaluation unit with several individual, cooperating components is also possible. The control unit can furthermore have at least one user interface, for example at least one keyboard and / or at least one display. The control unit can be set up to align the localization units relative to the retroreflectors. The control unit can be set up to control or regulate a movement of the localization units. The measuring device can be set up to determine a speed of a movement of the retroreflectors. For example, the localization units of the measuring device can be designed as FMCW LIDAR sensors. The Measuring device can be set up to determine a movement of the measurement object by tracking, also called tracking, the retroreflectors attached to the measurement object. When measuring the distance of the retroreflectors from the localization units, the speeds of the retroreflectors, in particular of the retroreflector ensemble, can be determined instantaneously with the measuring device in the case of moving retroreflectors using the Doppler shift occurring in the FMCW LIDAR sensors. This can be of great advantage in particular for motion control of a machine. When using the FMCW LIDAR sensors as localization units, a signal can be generated directly according to the movement of the retroreflector. The FMCW lidar sensors can have the advantage that the movement of an object is expressed directly as a signal. The movement of the retroreflector can lead to a Doppler shift of a beat frequency, wherein the Doppler shift of the beat frequency can encode the distance of the retroreflector. The Doppler shift of the beat frequency can be present at any time. For example, it may be necessary to calculate the Doppler shift of the beat frequency in order to be able to determine the distance of the retroreflector with a desired accuracy when the retroreflector is moving. Information about an instantaneous speed of the retroreflector can be present at any time as a measurement signal in the form of the Doppler shift of the beat frequency and thus the speed of the retroreflector can be determined instantaneously. In the case of measurement systems based on interferometry, the speed of the retroreflector can only be calculable from the spatial distance between two measurements that are spaced apart in time.
Die Messvorrichtung weist weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein 3D-Trajektorien aller drei Retroreflektoren, bzw. eine 6D-Trajektorie eines Systems der Retroreflektoren zu rekonstruieren. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen oder mehrere Auswerteschritte durchzuführen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Auswerteeinheit kann insbesondere als zentrale Auswerteeinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Messsignale der Lokalisierungseinheiten aufzunehmen und zu verarbeiten.The measuring device also has at least one evaluation unit which is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units. The evaluation unit can be set up to reconstruct 3D trajectories of all three retroreflectors or a 6D trajectory of a system of retroreflectors. In the context of the present invention, an “evaluation unit” can basically be understood to be a device which is set up to carry out one or more evaluation steps. For example, the evaluation unit can have at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The evaluation unit can in particular be designed as a central evaluation unit for the entire measuring device. Alternatively, however, a decentralized evaluation unit with several individual, cooperating components is also possible. The evaluation unit can furthermore have at least one user interface, for example at least one keyboard and / or at least one display. The evaluation unit can be set up to record and process the measurement signals of the localization units.
Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, die räumlichen Position und Orientierung des Messobjektes aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein mindestens ein Multilaterationsverfahren, insbesondere ein weiter unten beschriebenes Multilaterationsverfahren, zur Bestimmung der 6D-Information durchzuführen. Unter einem „Multilaterationsverfahren“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position mindestens eines Punktes verstanden werden, wobei das Verfahren auf der Verwendung von Abständen des Punktes zu einer Mehrzahl von weiteren Punkten beruht. Die Abstände können durch Abstandsmessungen bestimmt werden. Zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines dreidimensionalen Objekts mit dem Multilaterationsverfahren können beispielsweise die räumlichen Positionen von mindestens drei von dem Objekt umfassten Punkten bestimmt werden.The evaluation unit is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units. The evaluation unit can be set up to carry out at least one multilateration method, in particular a multilateration method described below, for determining the 6D information. In the context of the present invention, a “multilateration method” can basically be understood to mean any method for determining the spatial position of at least one point, the method being based on the use of distances from the point to a plurality of further points. The distances can be determined by distance measurements. To determine the spatial position and orientation of a three-dimensional object using the multilateration method, for example the spatial positions of at least three points encompassed by the object can be determined.
Beispielsweise kann die Messvorrichtung drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungseinheiten aufweisen. Der erste Retroreflektor kann von der ersten, der zweiten und der dritten der Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Die relative Position des ersten, zweiten und dritten Retroreflektors kann zueinander bekannt und/oder vorbestimmt und/oder vorbestimmbar sein. Beispielsweise kann die relative Position in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit hinterlegt sein, beispielsweise in Form einer Lookup-Tabelle. Beispielsweise können die drei Retroreflektoren in Form eines Dreiecks an dem Messobjekt angeordnet sein. Der Ortsvektor des ersten Retroreflektors sei
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts nach dem folgendem Multilaterations-Verfahren zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts das folgende Gleichungssystem zu lösen. Die Abstände
Ferner gehen aus der Geometrie des von den drei Retroreflektoren gebildeten Dreiecks die folgenden Gleichungen hervor:
Die Abstände
Wie oben ausgeführt können die Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten beispielsweise durch ein Kalibrierverfahren vorbestimmt sein. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein die Position und Orientierung ohne bekannte Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten zu bestimmen, insbesondere auf eine Kalibrierung zu verzichten. Bei Verwendung einer Messvorrichtung mit drei Retroreflektoren und mindestens sieben Lokalisierungseinheiten kann auf den Kalibrierungsschritt verzichtet werden. Für einen ersten Messzeitpunkt mit M Lokalisierungseinheiten können sich 3+M Gleichungen mit 3·M+3·3 Unbekannten ergeben. Für jeden weiteren Messzeitpunkt können sich weitere 3+M Gleichungen und weitere 3·3 Unbekannte ergeben. Ein solches Gleichungssystem kann eindeutig lösbar sein unter der Bedingung, dass
Für M = 7 Lokalisierungseinheiten kann die Messvorrichtung eingerichtet sein eine Messung der Abstände von den Lokalisierungseinheiten zu den jeweiligen Retroreflektoren an N Messzeitpunkten mit
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, eine Kalibrierung durchzuführen, insbesondere zur Bestimmung der Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, bei der Kalibrierung die räumlichen Positionen der Lokalisierungseinheiten zu bestimmen. Die Messvorrichtung kann sechs Lokalisierungseinheiten und drei Retroreflektoren aufweisen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Lokalisierungseinheiten in der Kalibrierung auf einen einzigen Retroreflektor auszurichten. Zur Bestimmung der Position einer der Lokalisierungseinheiten relativ zu dem einen der Reflektoren kann zunächst der Abstand
Hierbei können xj mit j =1 bis 6 die Vektorkomponenten des Ortsvektors
Für die Messvorrichtung mit einer Anzahl von i Lokalisierungseinheiten, welche zur Kalibrierung alle auf einen der Retroreflektoren gerichtet sein können, und j Messzeitpunkten ergibt sich damit:
Die Messvorrichtung, insbesondere die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die Abstände ΔLji zwischen der jeweiligen Lokalisierungseinheit und dem einem Retroreflektor zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten durch Lösung des Gleichungssystems (24) zu bestimmen. Bei einem Gleichungssystem (24) ergeben sich j·i Gleichungen mit 3·i + 3·j Unbekannten. Bei Verwendung der Messvorrichtung mit i = 6 Lokalisierungseinheiten ergeben sich also j·6 Gleichungen und 3·6 + 3·j Unbekannte. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein eine Bestimmung der Abstände ΔLi an j Messzeitpunkten durchzuführen, wobei die Anzahl der Messzeitpunkte die Bedingung j·6 ≥ 3·6 + 3·j erfüllt. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein das Gleichungssystem (24) eindeutig zu lösen bei j ≥ 6 Messzeitpunkten, beispielsweise in Form von einer Messung und fünf Wiederholungen.The measuring device, in particular the evaluation unit, can be set up to determine the distances ΔL ji between the respective localization unit and the one retroreflector from the measurement signals of the localization units. The evaluation unit can be set up to determine the location vectors of the localization units by solving the system of equations (24). An equation system (24) results in j · i equations with 3 · i + 3 · j unknowns. When using the measuring device with i = 6 localization units, this results in j · 6 equations and 3 · 6 + 3 · j unknowns. The measuring device can be set up to determine the distances ΔL i at j measurement times, the number of measurement times fulfilling the condition j · 6 3 3 · 6 + 3 · j. The evaluation unit can be set up to uniquely solve the system of equations (24) at
Weiter kann die Messvorrichtung eingerichtet sein, eine aufgrund von schwankenden Luftsäuleneigenschaften schwankende optische Pfadlänge zu korrigieren. Insbesondere können die Lokalisierungseinheiten der Messvorrichtung als FMCW-LIDAR-Sensoren ausgebildet sein. Die Bestimmung von Abständen zwischen den FMCW-LIDAR-Sensoren und dem jeweils mindestens einen von dem FMCW-LIDAR-Sensor beleuchteten Retroreflektor kann wiederholt durchgeführt werden. Die Messung der Abstände mit den FMCW-LIDAR-Sensoren kann schnell erfolgen, derart dass aus mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bestimmungen der Abstände Änderungen der optischen Pfadlänge zwischen den FMCW-LIDAR-Sensoren und den Retroreflektoren, welche auf Schwankungen der Luftsäuleneigenschaften beruhen können, ermittelbar und korrigierbar sein können. Insbesondere können die Änderungen der optischen Pfadlänge langsam sein im Vergleich zu den aufeinanderfolgenden Bestimmungen der Abstände zwischen den FMCW-LIDAR-Sensoren und den Retroreflektoren. Dies stellt einen weiteren großen Vorteil der beschriebenen Messvorrichtung mit Lokalisierungseinheiten in Form von FMCW-LIDAR-Sensoren dar.Furthermore, the measuring device can be set up to correct an optical path length that fluctuates due to fluctuating air column properties. In particular, the localization units of the measuring device can be designed as FMCW LIDAR sensors. The determination of distances between the FMCW-LIDAR sensors and the at least one retroreflector illuminated by the FMCW-LIDAR sensor can be carried out repeatedly. The measurement of the distances with the FMCW-LIDAR sensors can be carried out quickly, so that changes in the optical path length between the FMCW-LIDAR sensors and the retroreflectors, which can be based on fluctuations in the air column properties, can be determined and corrected from at least two successive determinations of the distances could be. In particular, the changes in the optical path length can be slow compared to the successive determinations of the distances between the FMCW-LIDAR sensors and the retroreflectors. This represents a further great advantage of the measuring device described with localization units in the form of FMCW LIDAR sensors.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen. Das Koordinatenmessgerät umfasst mindestens eine Messvorrichtung gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen. Weiterhin weist das Koordinatenmessgerät mindestens ein Messobjekt auf, welches eingerichtet ist, das Werkstück abzutasten. Insbesondere kann das Messobjekt die Lokalisierungseinheiten oder die Retroreflektoren aufweisen. Unter einem „Koordinatenmessgerät“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, zumindest eine Raumkoordinate eines Objekts, beispielsweise eine x-, y- oder z-Koordinate eines kartesischen Koordinatensystems oder eine Kugelkoordinate eines Kugelkoordinatensystems, zu erfassen oder zu bestimmen. Unter einer „Vermessung“ eines Objekts kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Bestimmen, das Ableiten und/oder das Registrieren mindestens einer Eigenschaft des Objekts verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um einen Abstand des Objekts von dem Messobjekt und/oder um eine Position, eine Lage oder eine Stellung des Objekts im Raum oder relativ zu dem Messobjekt handeln. Weiter kann es sich bei der Eigenschaft auch um eine Beschaffenheit, beispielsweise eine Oberflächenbeschaffenheit handeln. Unter einem „Werkstück“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Objekt verstanden werden, dessen Vermessung beispielsweise im Rahmen eines Arbeitsprozesses, insbesondere zur Ausrichtung des Objekts, erforderlich oder erwünscht ist. Unter einem „Abtasten“ des Werkstücks kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein In-Wechselwirkung-Treten des Messobjekts mit dem Werkstück verstanden werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein taktiles oder ein optisches Abtasten handeln. Gleichberechtigt kann die Wechselwirkung zwischen Messobjekt und Werkstück aber auch eine Bearbeitung, bzw. allgemeiner Modifikation und/oder Manipulation sein, beispielsweise ein CNC-geregelter Präzisionsbearbeitungs- bzw. Füge- und/oder Montageschritt.In a further aspect of the present invention, a coordinate measuring machine for measuring at least one workpiece is proposed. The coordinate measuring machine comprises at least one measuring device according to one of the embodiments described above or according to one of the embodiments described below. Furthermore, the coordinate measuring machine has at least one measurement object, which is set up to scan the workpiece. In particular, the measurement object can have the localization units or the retroreflectors. In the context of the present invention, a “coordinate measuring device” can basically be understood to mean any device which is set up to record at least one spatial coordinate of an object, for example an x, y or z coordinate of a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate of a spherical coordinate system or determine. Within the scope of the present invention, “measuring” an object can be understood to mean determining, deriving and / or registering at least one property of the object. In particular, the property can be a distance of the object from the measurement object and / or a position, a position or a position of the object in space or relative to the measurement object. Furthermore, the property can also be a condition, for example a surface condition. In the context of the present invention, a “workpiece” can basically be understood to mean any object whose measurement is necessary or desired, for example, as part of a work process, in particular for aligning the object. In the context of the present invention, “scanning” of the workpiece can basically be understood to mean that the measurement object interacts with the workpiece. This can be, for example, tactile or optical scanning. The interaction between the object to be measured and the workpiece can also mean machining, or general modification and / or manipulation, for example a CNC-controlled precision machining or joining and / or assembly step.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt die Retroreflektoren oder die Lokalisierungseinheiten aufweist;
- b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls mit jeder der Lokalisierungseinheiten und Beleuchten der Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuchtet wird;
- c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten, insbesondere aus den empfangenen Lichtstahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den reflektierten Lichtstrahl des von ihr beleuchteten Retroreflektors empfängt; und
- d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der mindestens einen Auswerteeinheit.
- a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the retroreflectors or the localization units;
- b) generating the at least one illuminating light beam with each of the locating units and illuminating the retroreflectors with the illuminating light beams, each of the locating units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors being illuminated by at least one locating unit;
- c) receiving at least one of the light beams reflected by the retroreflectors and generating at least one measurement signal with each of the localization units, in particular from the received light beams, each of the localization units receiving the reflected light beam from the retroreflector illuminated by it; and
- d) determining the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units with the at least one evaluation unit.
Hinsichtlich Ausführungsformen und Definitionen kann auf obige Beschreibung der Messvorrichtung und des Koordinatenmessgeräts verwiesen werden. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.With regard to embodiments and definitions, reference can be made to the above description of the measuring device and the coordinate measuring device. The method steps can be carried out in the order specified, it being possible for one or more of the steps to be carried out at least in part at the same time and for one or more of the steps to be repeated several times. In addition, regardless of whether or not they are mentioned in the present application, further steps can also be carried out.
Das Verfahren kann insbesondere in Schritt b) ein Ausrichten jeder der Lokalisierungseinheiten oder zumindest einer der Lokalisierungseinheiten umfassen derart, dass die Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen beleuchtet werden, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuchtet wird.In step b), the method can include aligning each of the localization units or at least one of the localization units such that the retroreflectors are illuminated with the illuminating light beams, each of the localization units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors being illuminated by at least one localization unit .
Bezüglich des Bestimmens der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts mit der Auswerteeinheit in Schritt d) kann auf das oben beschriebene Multilaterationsverfahren verwiesen werden.With regard to the determination of the spatial position and orientation of the measurement object with the evaluation unit in step d), reference can be made to the multilateration method described above.
Das Verfahren kann insbesondere weiterhin mindestens einen Kalibrierungsschritt aufweisen, wobei der Kalibrierungsschritt die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- A) Beleuchten eines der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten;
- B) Empfangen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten; und
- C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit.
- A) illuminating one of the retroreflectors with each of the location units;
- B) receiving the light beams reflected by the retroreflector and generating measurement signals with the localization units; and
- C) Determining a spatial position for each of the localization units from the measurement signals of the localization units with the evaluation unit.
Bezüglich des Bestimmens der räumlichen Position der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit kann auf die oben beschriebene Kalibrierung, insbesondere auf die Gleichungen (15) bis (24), verwiesen werden.With regard to determining the spatial position of the localization units with the evaluation unit, reference can be made to the calibration described above, in particular to equations (15) to (24).
Insbesondere kann in Schritt A) ein einzelner der Retroreflektoren von allen Lokalisierungseinheiten beleuchtet werden. Der Verfahrensschritt A) des Kalibrierungsschritts kann weiterhin ein Ausrichten jeder der Lokalisierungseinheiten oder zumindest eines Teils der Lokalisierungseinheiten umfassen derart, dass der eine, insbesondere ein einzelner, der Retroreflektoren von allen Lokalisierungseinheiten mit jeweils mindestens einem Beleuchtungslichtstrahl beleuchtet wird.In particular, in step A) a single one of the retroreflectors can be illuminated by all localization units. The method step A) of the calibration step can further comprise aligning each of the localization units or at least a part of the localization units such that one, in particular a single one, of the retroreflectors is illuminated by at least one illuminating light beam from all localization units.
Weiterhin kann in Schritt B) jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen empfangen und ein Messsignal erzeugen, insbesondere aus oder gemäß dem empfangenen, reflektierten Lichtstrahl. Ferner können die Schritte A) und B) mehrfach, insbesondere mindestens fünf Mal, beispielsweise genau fünf Mal wiederholt werden, so dass die Schritte A) und B) insgesamt mindestens sechs Mal, beispielsweise genau sechs Mal, ausgeführt werden. Dadurch kann es möglich sein, mindestens ein Gleichungssystem zur Bestimmung von Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten eindeutig zu lösen, beispielsweise im Rahmen von Verfahrensschritt C) des Kalibrierungsverfahrens. Insbesondere kann Schritt C) weiterhin das Bestimmen von Abständen zwischen dem einen Retroreflektor und den Lokalisierungseinheiten umfassen.Furthermore, in step B) each of the localization units can receive at least one of the light beams reflected by the retroreflector and generate a measurement signal, in particular from or according to the received reflected light beam. Furthermore, steps A) and B) can be repeated several times, in particular at least five times, for example exactly five times, so that steps A) and B) are carried out at least six times, for example exactly six times. This may make it possible to uniquely solve at least one system of equations for determining location vectors of the localization units, for example in the course of method step C) of the calibration method. In particular, step C) can further comprise determining distances between the one retroreflector and the localization units.
Der Kalibrierungsschritt kann dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts vorausgehen. Dementsprechend kann sich der Schritt b) dem Schritt C) des Kalibrierungsschritts anschließen. Insbesondere kann das Beleuchten der Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen in Schritt b), wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuchtet wird, nach dem Beleuchten des einen der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten in Schritt A) ein erneutes Ausrichten der Lokalisierungseinheiten erfordern.The calibration step can precede step b) of the method for measuring at least one measurement object. Accordingly, step b) follows step C) of the calibration step. In particular, illuminating the retroreflectors with the illuminating light beams in step b), each of the localization units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors being illuminated by at least one localization unit, after illuminating the one of the retroreflectors with each of the localization units in step A) realign the localization units.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk zumindest Schritt d) des Verfahrens zur Vermessung des Messobjekts in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. Furthermore, in the context of the present invention, a computer program is proposed which, when running on a computer or computer network, executes at least step d) of the method for measuring the measurement object in one of its configurations.
Weiterhin kann das Computerprogramm eingerichtet sein, bei Ablauf auf einem Computer oder Computer- Netzwerk den Verfahrensschritt C) des Kalibrierungsschritts auszuführen.Furthermore, the computer program can be set up to execute method step C) of the calibration step when it is running on a computer or computer network.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um mindestens Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Weiterhin kann das Computerprogramm mit den Programmcode-Mitteln eingerichtet sein, den Verfahrensschritt C) des Kalibrierungsschritts durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein.Furthermore, in the context of the present invention, a computer program with program code means is proposed in order to carry out at least step d) of the method according to the invention in one of its configurations if the program is executed on a computer or computer network. Furthermore, the computer program can be set up with the program code means to carry out method step C) of the calibration step when the program is executed on a computer or computer network. In particular, the program code means can be stored on a computer-readable data carrier.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, insbesondere die Messvorrichtung und das Koordinatenmessgerät, und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren auf.The devices according to the invention, in particular the measuring device and the coordinate measuring machine, and the method according to the invention have numerous advantages over known devices and methods.
Übliche Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts, welche auch als 6D-Information bezeichnet werden kann, erfordern eine Vielzahl von Messungen und/oder eine Vielzahl von Retroreflektoren und/oder Lokalisierungseinheiten. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Verfahren können eingerichtet sein, die Position und die Orientierung des Messobjektes gleichzeitig und mit deutlich geringerer Anzahl von Retroreflektoren und/oder Lokalisierungseinheiten zu bestimmen.Usual methods for determining the spatial position and orientation of a measurement object, which can also be referred to as 6D information, require a large number of measurements and / or a large number of retroreflectors and / or localization units. The devices according to the invention and the method according to the invention can be set up to determine the position and the orientation of the measurement object simultaneously and with a significantly smaller number of retroreflectors and / or localization units.
Weiterhin kann der Einsatz von FMCW-LIDAR-Sensoren als Lokalisierungseinheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des Verfahrens besonders vorteilhaft sein. Insbesondere kann die Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts auf einer Abstandsmessung beruhen. Im Gegensatz zu Tracking mit nicht absolut messenden Lokalisierungseinheiten, bei welchen eine Rekonstruktion von einer 3D-Trajektorie des Retroreflektors im Raum nur durch Verkettung mehrerer Messungen möglich ist, kann beim Einsatz von FMCW-LIDAR-Sensoren eine Unterbrechung der Sichtverbindungen zwischen den FMCW-LIDAR-Sensoren und den von ihnen bestrahlten Retroreflektoren beinahe folgenlos sein und lediglich zum Verlust der Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts während der Unterbrechung führen. Nach Beseitigung der Unterbrechung kann es insbesondere möglich sein, dass die Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts wieder aufgenommen werden kann, insbesondere ohne dass hierzu zusätzliche Maßnahmen nötig sind.Furthermore, the use of FMCW-LIDAR sensors as localization units of the devices and the method according to the invention can be particularly advantageous. In particular, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object can be based on a distance measurement. In contrast to tracking with non-absolutely measuring localization units, in which a reconstruction of a 3D trajectory of the retroreflector in the room is only possible by chaining several measurements, the use of FMCW-LIDAR sensors can interrupt the line of sight between the FMCW-LIDAR- Sensors and the retroreflectors irradiated by them are almost without consequences and only lead to the loss of the determination of the spatial position and orientation of the measurement object during the interruption. After the interruption has been eliminated, it may in particular be possible for the determination of the spatial position and orientation of the measurement object to be resumed, in particular without additional measures being necessary for this.
Weiterhin kann es möglich sein, dass mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren eine hochgenaue Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts, insbesondere eine hochgenaue Bestimmung von Ort und Lage des Messobjekts im Raum, möglich ist, beispielsweise bei Einsatz von mindestens drei Lokalisierungseinheiten, insbesondere FMCW-LIDAR-Sensoren, und mindestens sechs, insbesondere sieben, Retroreflektoren.Furthermore, it may be possible that the devices and methods according to the invention enable a highly precise determination of the spatial position and orientation of the measurement object, in particular a highly precise determination of the location and position of the measurement object in space, for example when using at least three localization units, in particular FMCW -LIDAR sensors, and at least six, especially seven, retroreflectors.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
- Ausführungsform 1: Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, wobei die Messvorrichtung mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Retroreflektoren aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und mindestens einen Retroreflektor mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten eingerichtet ist, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor mindestens einen reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die Messvorrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen.
- Ausführungsform 2: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor.
- Ausführungsform 3: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Messvorrichtung mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den mindestens einen Lasertracer oder mindestens einen Lasertracker umfasst, oder wobei die Messvorrichtung mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sechs Retroreflektoren aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den mindestens einen LIDAR-Sensor umfasst.
- Ausführungsform 4: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung genau drei Retroreflektoren und genau sechs Lokalisierungseinheiten aufweist, wobei einer der Retroreflektoren von maximal vier der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist.
- Ausführungsform 5: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sind: vier Lokalisierungseinheiten auf einen ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf einen zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf einen dritten Retroreflektor (vier-eins-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-eins); zwei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokalisierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (zwei-zwei-zwei).
- Ausführungsform 6: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sieben Lokalisierungseinheiten oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten und mindestens sieben Retroreflektoren aufweist.
- Ausführungsform 7: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Messvorrichtung genau drei Retroreflektoren und genau sieben Lokalisierungseinheiten aufweist, wobei einer der Retroreflektoren von maximal fünf der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist.
- Ausführungsform 8: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: fünf Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (fünf-eins-eins); vier Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (vier-zwei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, drei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-drei-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokalisierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-zwei).
- Ausführungsform 9: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Retroreflektoren an dem Messobjekt angebracht sind und die Lokalisierungseinheiten in einem das Messobjekt umgebenden Raum angeordnet sind und/oder die Lokalisierungseinheiten an dem Messobjekt angebracht sind und die Retroreflektoren in dem das Messobjekt umgebenden Raum angeordnet sind.
- Ausführungsform 10: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei eine relative Position der Retroreflektoren zueinander und/oder eine relative Position der Lokalisierungseinheiten zueinander bekannt ist.
- Ausführungsform 11: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung weiterhin eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten.
- Ausführungsform 12: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung eingerichtet ist, Geschwindigkeiten der Retroreflektoren zu bestimmen.
- Ausführungsform 13: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung eingerichtet ist, eine aufgrund von schwankenden Luftsäuleneigenschaften schwankende optische Pfadlänge zu korrigieren.
- Ausführungsform 14: Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werkstücks, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden Ansprüche umfasst, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens ein Messobjekt aufweist, welches eingerichtet ist das Werkstück abzutasten.
- Ausführungsform 15: Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Messobjekt die Lokalisierungseinheiten oder die Retroreflektoren aufweist.
- Ausführungsform 16: Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt die Retroreflektoren oder die Lokalisierungseinheiten aufweist;
- b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls mit jeder der Lokalisierungseinheiten und Beleuchten der Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren von mindestens einer Lokalisierungseinheit beleuchtet wird;
- c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den reflektierten Lichtstrahl des von ihr beleuchteten Retroreflektors empfängt; und
- d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der mindestens einen Auswerteeinheit.
- Ausführungsform 17: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren weiterhin mindestens einen Kalibrierungsschritt aufweist, wobei der Kalibrierungsschritt die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- A) Beleuchten eines der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten;
- B) Empfangen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten; und
- C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit;
- Embodiment 1: Measuring device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, the measuring device having at least three retroreflectors and at least six localization units or at least three localization units and at least six retroreflectors, each of the localization units being set up to generate at least one illuminating light beam and to illuminate at least one retroreflector with the illuminating light beam, each of the retroreflectors being illuminated by at least one of the localization units, each of the localization units being set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector illuminated by it and to generate at least one measurement signal, the measuring device furthermore has an evaluation unit, wherein the evaluation unit is set up, the spatial from the measurement signals of the localization units Determine the position and orientation of the measurement object.
- Embodiment 2: Measuring device according to the preceding embodiment, each of the localization units comprising at least one element selected from the group consisting of: a laser tracer; a laser tracker; a LIDAR sensor, preferably an FMCW LIDAR sensor.
- Embodiment 3: Measuring device according to the preceding embodiment, wherein the measuring device has at least three retroreflectors and at least six localization units, each of the localization units comprising the at least one laser tracer or at least one laser tracker, or wherein the measuring device has at least three localization units and at least six retroreflectors, each of which of the localization units comprises the at least one LIDAR sensor.
- Embodiment 4: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device having exactly three retroreflectors and exactly six localization units, one of the retroreflectors being illuminated by a maximum of four of the localization units.
- Embodiment 5: Measuring device according to the preceding embodiment, the localization units and the retroreflectors being arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: four localization units on a first retroreflector, one localization unit on a second retroreflector and one localization unit on a third retroreflector (four -one one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-two-one); two localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (two-two-two).
- Embodiment 6: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device having at least three retroreflectors and at least seven localization units or at least three localization units and at least seven retroreflectors.
- Embodiment 7: Measuring device according to the preceding embodiment, the measuring device having exactly three retroreflectors and exactly seven localization units, one of the retroreflectors being illuminated by a maximum of five of the localization units.
- Embodiment 8: Measuring device according to the preceding embodiment, the localization units and the retroreflectors being arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: five localization units on the first retroreflector, one localization unit on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (five -one one); four localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (four-two-one); three localization units on the first retroreflector, three localization units on the second retroreflector and one localization unit on the third retroreflector (three-three-one); three localization units on the first retroreflector, two localization units on the second retroreflector and two localization units on the third retroreflector (three-two-two).
- Embodiment 9: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the retroreflectors are attached to the measurement object and the localization units are arranged in a space surrounding the measurement object and / or the localization units are attached to the measurement object and the retroreflectors are arranged in the space surrounding the measurement object .
- Embodiment 10: Measuring device according to one of the preceding embodiments, a relative position of the retroreflectors to one another and / or a relative position of the localization units to one another being known.
- Embodiment 11: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device further comprising a control unit, the control unit being set up to align the localization units relative to the retroreflectors.
- Embodiment 12: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device being set up to determine speeds of the retroreflectors.
- Embodiment 13: Measuring device according to one of the preceding embodiments, the measuring device being set up to correct an optical path length which fluctuates on account of fluctuating air column properties.
- Embodiment 14: Coordinate measuring device for measuring at least one workpiece, the coordinate measuring device at least one measuring device according to one of the The preceding claims relating to a measuring device, wherein the coordinate measuring machine has at least one measuring object, which is set up to scan the workpiece.
- Embodiment 15: Coordinate measuring device according to the preceding embodiment, the measurement object having the localization units or the retroreflectors.
- Embodiment 16: Method for measuring at least one measurement object with a measuring device according to one of the preceding claims relating to a measuring device, the method comprising the following steps:
- a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the retroreflectors or the localization units;
- b) generating the at least one illuminating light beam with each of the locating units and illuminating the retroreflectors with the illuminating light beams, each of the locating units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors being illuminated by at least one locating unit;
- c) receiving at least one of the light beams reflected by the retroreflectors and generating at least one measurement signal with each of the localization units, each of the localization units receiving the reflected light beam from the retroreflector illuminated by it; and
- d) determining the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units with the at least one evaluation unit.
- Embodiment 17: Method according to the preceding embodiment, the method further comprising at least one calibration step, the calibration step comprising the following method steps:
- A) illuminating one of the retroreflectors with each of the location units;
- B) receiving the light beams reflected by the retroreflector and generating measurement signals with the localization units; and
- C) determining a spatial position for each of the localization units from the measurement signals of the localization units with the evaluation unit;
FigurenlisteFigure list
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.Further details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, in particular in connection with the subclaims. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The invention is not restricted to the exemplary embodiments. The exemplary embodiments are shown schematically in the figures. The same reference numerals in the individual figures denote the same or functionally identical or corresponding in terms of their functions elements.
Im Einzelnen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung; -
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Messvorrichtung; und -
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of a measuring device according to the invention; -
2nd a schematic representation of a further embodiment of the measuring device; and -
3rd a schematic representation of a method according to the invention.
AusführungsbeispieleEmbodiments
Wie in den
Wie in
Die Retroreflektoren
Wie in
Insbesondere kann jeder der drei Retroreflektoren
- a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts
112 , wobei das Messobjekt112 die Retroreflektoren114 oder die Lokalisierungseinheiten116 aufweist; - b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls
117 mit jeder der Lokalisierungseinheiten116 und Beleuchten der Retroreflektoren114 mit den Beleuchtungslichtstrahlen117 , wobei jede der Lokalisierungseinheiten116 mindestens einen der Retroreflektoren114 beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren114 von mindestens einer Lokalisierungseinheit116 beleuchtet wird; - c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren
114 reflektierten Lichtstrahlen121 und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten116 , insbesondere aus den empfangenen Lichtstahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten116 den reflektierten Lichtstrahl121 des von ihr beleuchteten Retroreflektors114 empfängt; und - d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts
112 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten116 mit der mindestens einen Auswerteeinheit118 .
- a) Providing the at least one measurement object
112 , the measurement object112 the retroreflectors114 or the localization units116 having; - b) generating the at least one illuminating light beam
117 with each of the localization units116 and lighting the retroreflectors114 with the illuminating light rays117 , each of the localization units116 at least one of the retroreflectors114 illuminated, with each of the retroreflectors114 from at least one localization unit116 is illuminated; - c) Receive at least one of each of the retroreflectors
114 reflected light rays121 and generating at least one measurement signal with each of the localization units116 , in particular from the light beams received, each of the localization units116 the reflected light beam121 of the retroreflector she illuminated114 receives; and - d) Determining the spatial position and orientation of the measurement object
112 from the measurement signals of the localization units116 with the at least one evaluation unit118 .
Die Auswerteeinheit
Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Beispielsweise kann eine Wiederholung mindestens eines Verfahrensschritts systemauslegungsabhängig notwendig sein. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden, beispielsweise, um die Kriterien für die Lösbarkeit der Gleichungssysteme zur eindeutigen Ermittlung der 6D-Information zu erfüllen.The method steps can be carried out in the order specified, it being possible for one or more of the steps to be carried out at least in part at the same time and for one or more of the steps to be repeated several times. For example, it may be necessary to repeat at least one process step depending on the system design. In addition, regardless of whether they are mentioned in the present application or not, further steps can also be carried out, for example in order to meet the criteria for the solvability of the systems of equations for the clear determination of the 6D information.
Insbesondere kann das Verfahren einen in den Figuren nicht gezeigten Kalibrierungsschritt umfassen, wobei der Kalibrierungsschritt die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- A) Beleuchten eines der Retroreflektoren
114 mit jeder der Lokalisierungseinheiten116 ; - B) Empfangen der von dem Retroreflektor
114 reflektierten Lichtstrahlen121 und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten116 ; und - C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten
116 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten116 mit der Auswerteeinheit118 .
- A) Illuminate one of the retroreflectors
114 with each of the localization units116 ; - B) receiving the from the retroreflector
114 reflected light rays121 and generating measurement signals with the localization units116 ; and - C) determining a spatial position for each of the location units
116 from the measurement signals of the localization units116 with the evaluation unit118 .
Die Auswerteeinheit
Insbesondere kann der Kalibrierungsschritt dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts
Insbesondere kann in Schritt A) ein einzelner der Retroreflektoren
Der Kalibrierungsschritt kann dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 110110
- MessvorrichtungMeasuring device
- 112112
- MessobjektTarget
- 114114
- RetroreflektorRetroreflector
- 116116
- LokalisierungseinheitLocalization unit
- 117117
- BeleuchtungslichtstrahlIllumination light beam
- 118118
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 119119
- Kabelelectric wire
- 120120
- LasertracerLaser tracer
- 121121
- reflektierter Lichtstrahlreflected light beam
- 122122
- WerkzeugTool
- 124124
- geometrischer Mittelpunkt des Werkzeugsgeometric center of the tool
- 126126
- geometrischer Mittelpunkt des von den drei Retroreflektoren gebildeten Dreiecksgeometric center of the triangle formed by the three retroreflectors
- 128128
- Verfahrensschritt a)Process step a)
- 130130
- Verfahrensschritt b)Process step b)
- 132132
- Verfahrensschritt c)Process step c)
- 134134
- Verfahrensschritt d)Process step d)
- 136136
- erster Retroreflektorfirst retroreflector
- 138138
- zweiter Retroreflektorsecond retroreflector
- 140140
- dritter Retroreflektorthird retroreflector
- 142142
- erste Lokalisierungseinheitfirst localization unit
- 144144
- zweite Lokalisierungseinheitsecond localization unit
- 146146
- dritte Lokalisierungseinheitthird localization unit
- 148 148
- vierte Lokalisierungseinheitfourth localization unit
- 150150
- fünfte Lokalisierungseinheitfifth localization unit
- 152152
- sechste Lokalisierungseinheitsixth localization unit
- 154154
- SteuereinheitControl unit
- 156156
- siebte Lokalisierungseinheitseventh localization unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- US 2013/0050410 A1 [0016]US 2013/0050410 A1 [0016]
- US 2017/0258531 A1 [0016]US 2017/0258531 A1 [0016]
- US 9559486 B2 [0023]US 9559486 B2 [0023]
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