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.

Figure DE102018220088A1_0000
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).
Figure DE102018220088A1_0000

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 US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird; einem Würfelprisma; einem cornercube. In the context of the present invention, a “retroreflector” can be understood to mean any device which reflects a light beam in the direction from which the light beam has arrived. For example, the retroreflector can be a marker. For example, the retroreflector can be selected from the group consisting of: a cat's eye; a cat's eye with a reflective layer; a marker described in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 or US 2017/0258531 A1 , the content of which is hereby incorporated into this application; a cube prism; a cornercube.

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 US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein. FMCW-LIDAR-Sensoren sind gegenüber Lasertracern robuster und kostengünstiger. Des Weiteren können die FMCW-LIDAR-Sensoren unempfindlich gegen sogenannte line-of-sight-Unterbrechungen sein, da es sich um absolute Messsysteme handelt. A “LIDAR sensor” can in principle be understood in the context of the present invention to be any device which is based on the LIDAR (“light detection and ranging”) measuring principle, also called LADAR (laser detection and ranging). In particular, the LIDAR sensor can be set up to generate and receive a light beam, for example a laser beam, in particular the light beam previously emitted by it and reflected back to it, and to use this to determine a distance between the LIDAR sensor and the retroreflector, for example taking advantage of differences in the return times and wavelengths. The localization unit can preferably have an FMCW LIDAR sensor. "FMCW" stands for "Frequency Modulated Continuous Wave". The FMCW LIDAR sensor can be set up to generate the light beam, the frequency of which is continuously tuned using the FMCW method. For example, the frequency of the light beam can be modulated linearly with time. A combination of the LIDAR method and the FMCW method are known in principle to the person skilled in the art, for example from Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB / EECS.2017-4. For example, the lidar unit as in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 or US 2016/123718 A1 be designed. FMCW-LIDAR sensors are more robust and less expensive than laser tracers. Furthermore, the FMCW-LIDAR sensors can be insensitive to so-called line-of-sight interruptions, since they are absolute measuring systems.

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 u

Figure DE102018220088A1_0001
, der Ortsvektor des zweiten Retroreflektors sei v
Figure DE102018220088A1_0002
und der Ortsvektor des dritten Retroreflektors sei w
Figure DE102018220088A1_0003
. Die bekannten und/oder vorbestimmten und/oder vorbestimmbaren Abstände zwischen den Retroreflektoren mit den Ortsvektoren u
Figure DE102018220088A1_0004
und v
Figure DE102018220088A1_0005
, u
Figure DE102018220088A1_0006
und w
Figure DE102018220088A1_0007
sowie w
Figure DE102018220088A1_0008
und v
Figure DE102018220088A1_0009
seien duv , duw und dvw . Der Ortsvektor der ersten Lokalisierungseinheit sei M 1
Figure DE102018220088A1_0010
, der Ortsvektor der zweiten Lokalisierungseinheit sei M 2
Figure DE102018220088A1_0011
, der Ortsvektor der dritten Lokalisierungseinheit sei M 3
Figure DE102018220088A1_0012
, der M2 M3 Ortsvektor der vierten Lokalisierungseinheit sei M 4
Figure DE102018220088A1_0013
, der Ortsvektor der fünften Lokalisie-M4 rungseinheit sei M 5
Figure DE102018220088A1_0014
und der Ortsvektor der sechsten Lokalisierungseinheit sei M 6
Figure DE102018220088A1_0015
. Beispielsweise können die Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten vorbekannt und/oder vorbestimmt und/oder vorbestimmbar sein, beispielsweise durch ein Kalibrierungsverfahren. Die Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten können in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit hinterlegt sein, beispielsweise in Form einer Lookup-Tabelle. Die drei der sechs Lokalisierungseinheiten mit den Ortsvektoren M 1
Figure DE102018220088A1_0016
, M 2
Figure DE102018220088A1_0017
und M 3
Figure DE102018220088A1_0018
können den ersten Ret-roreflektor mit Ortsvektor u
Figure DE102018220088A1_0019
beleuchten und zu diesem die Abstände l1 , l2 und l3 aufweiu sen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal der jeweiligen Lokalisierungseinheit die Abstände l1 , l2 und l3 zu bestimmen. Ferner können die zwei Lokalisierungseinheiten mit den Ortsvektoren M 4
Figure DE102018220088A1_0020
und M 5
Figure DE102018220088A1_0021
den zweiten Retroreflektor mit Ortsvektor w
Figure DE102018220088A1_0022
beleuchten und zu diesem die Abstände l4 und l5 aufweisen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal der jeweiligen Lokalisierungseinheit die Abstände l4 und l5 zu bestimmen. Weiterhin kann die Lokalisierungseinheit mit dem Ortsvektor M 6
Figure DE102018220088A1_0023
den dritten Retroreflektor mit Ortsvektor v
Figure DE102018220088A1_0024
beleuchten und zu diesem den Abstand M6 l6 aufweisen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus dem Messsignal der Lokalisierungseinheit den Abstand l6 zu bestimmen.For example, the measuring device can have three retroreflectors and six localization units. 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. The relative position of the first, second and third retroreflector can be known to one another and / or predetermined and / or predeterminable. For example, the relative position can be stored in a data memory of the evaluation unit, for example in the form of a lookup table. For example, the three retroreflectors can be arranged in the form of a triangle on the measurement object. The location vector of the first retroreflector is u
Figure DE102018220088A1_0001
, is the location vector of the second retroreflector v
Figure DE102018220088A1_0002
and is the location vector of the third retroreflector w
Figure DE102018220088A1_0003
. The known and / or predetermined and / or predeterminable distances between the retroreflectors with the location vectors u
Figure DE102018220088A1_0004
and v
Figure DE102018220088A1_0005
, u
Figure DE102018220088A1_0006
and w
Figure DE102018220088A1_0007
such as w
Figure DE102018220088A1_0008
and v
Figure DE102018220088A1_0009
be d uv , d uw and d vw . The location vector of the first localization unit is M 1
Figure DE102018220088A1_0010
, is the location vector of the second localization unit M 2nd
Figure DE102018220088A1_0011
, is the location vector of the third localization unit M 3rd
Figure DE102018220088A1_0012
, the M2 M3 location vector of the fourth localization unit M 4th
Figure DE102018220088A1_0013
, is the location vector of the fifth localization unit M 5
Figure DE102018220088A1_0014
and is the location vector of the sixth localization unit M 6
Figure DE102018220088A1_0015
. For example, the location vectors of the localization units can be known and / or predetermined and / or predeterminable, for example by a calibration method. The location vectors of the localization units can be stored in a data memory of the evaluation unit, for example in the form of a lookup table. The three of the six localization units with the location vectors M 1
Figure DE102018220088A1_0016
, M 2nd
Figure DE102018220088A1_0017
and M 3rd
Figure DE102018220088A1_0018
can the first retroreflector with location vector u
Figure DE102018220088A1_0019
illuminate and to this the distances l 1 , l 2 and l 3 to show. The evaluation unit can be set up, the distances from the measurement signal of the respective localization unit l 1 , l 2 and l 3 to determine. Furthermore, the two localization units with the location vectors M 4th
Figure DE102018220088A1_0020
and M 5
Figure DE102018220088A1_0021
the second retroreflector with location vector w
Figure DE102018220088A1_0022
illuminate and to this the distances l 4 and l 5 exhibit. The evaluation unit can be set up, the distances from the measurement signal of the respective localization unit l 4 and l 5 to determine. Furthermore, the localization unit with the location vector M 6
Figure DE102018220088A1_0023
the third retroreflector with location vector v
Figure DE102018220088A1_0024
illuminate and to this the distance M6 l 6 exhibit. The evaluation unit can be set up to determine the distance l 6 from the measurement signal of the localization unit.

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 li mit i = 1 bis 6 können durch die Ortsvektoren der Retroreflektoren und Lokalisierungseinheiten wie folgt beschrieben werden: l i = u Mi  f u ¨ r i = 1  bis  3

Figure DE102018220088A1_0025
l i = v Mi  f u ¨ r i = 4  bis  5
Figure DE102018220088A1_0026
l i = w Mi  f u ¨ r i = 6
Figure DE102018220088A1_0027
(3).The evaluation unit can be set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object according to the following multilateration method. The evaluation unit can be set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object to solve the following system of equations. The distances l i with i = 1 to 6 can be described by the location vectors of the retroreflectors and localization units as follows: l i = u - Wed f u ¨ r i = 1 to 3rd
Figure DE102018220088A1_0025
l i = v - Wed f u ¨ r i = 4th to 5
Figure DE102018220088A1_0026
l i = w - Wed f u ¨ r i = 6
Figure DE102018220088A1_0027
(3).

Ferner gehen aus der Geometrie des von den drei Retroreflektoren gebildeten Dreiecks die folgenden Gleichungen hervor: d uv 2 = ( u 1 v 1 ) 2 + ( u 2 v 2 ) 2 + ( u 3 v 3 ) 2

Figure DE102018220088A1_0028
d uw 2 = ( u 1 w 1 ) 2 + ( u 2 w 2 ) 2 + ( u 3 w 3 ) 2
Figure DE102018220088A1_0029
d vw 2 = ( v 1 w 1 ) 2 + ( v 2 w 2 ) 2 + ( v 3 w 3 ) 2
Figure DE102018220088A1_0030
wobei u1 , u2 und u3 die Vektorkomponenten des Ortsvektors u
Figure DE102018220088A1_0031
, v1 , v2 und v3 die Vektor-komponenten des Ortsvektors v
Figure DE102018220088A1_0032
, und w1 w2 uns w3 die Vektorkomponenten des Ortsvektors w
Figure DE102018220088A1_0033
sind.The following equations also result from the geometry of the triangle formed by the three retroreflectors: d uv 2nd = ( u 1 - v 1 ) 2nd + ( u 2nd - v 2nd ) 2nd + ( u 3rd - v 3rd ) 2nd
Figure DE102018220088A1_0028
d etc. 2nd = ( u 1 - w 1 ) 2nd + ( u 2nd - w 2nd ) 2nd + ( u 3rd - w 3rd ) 2nd
Figure DE102018220088A1_0029
d vw 2nd = ( v 1 - w 1 ) 2nd + ( v 2nd - w 2nd ) 2nd + ( v 3rd - w 3rd ) 2nd
Figure DE102018220088A1_0030
in which u 1 , u 2 and u 3 the vector components of the location vector u
Figure DE102018220088A1_0031
, v 1 , v 2 and v 3 the vector components of the location vector v
Figure DE102018220088A1_0032
, and w 1 w 2 us w 3 the vector components of the location vector w
Figure DE102018220088A1_0033
are.

Die Abstände li können in Vektorkomponentenschreibweise folgendermaßen bestimmt werden: l i 2 = ( M i1 u 1 ) 2 + ( M i2 u 2 ) 2 + ( M i3 u 3 ) 2  für i = 1  bis 3

Figure DE102018220088A1_0034
l i 2 = ( M i1 v 1 ) 2 + ( M i2 v 2 ) 2 + ( M i3 v 3 ) 2  für i = 4  bis 5
Figure DE102018220088A1_0035
l i 2 = ( M i1 w 1 ) 2 + ( M i2 w 2 ) 2 + ( M i3 w 3 ) 2  für i = 6  
Figure DE102018220088A1_0036
wobei Mi1 die x-Komponente des Ortsvektors der i-ten Lokalisierungseinheit, Mi2 die y-Komponente des Ortsvektors der i-ten Lokalisierungseinheit und Mi3 die z-Komponente des Ortsvektors der i-ten Lokalisierungseinheit ist. Bei einer Anzahl von M Lokalisierungseinheiten ergeben sich somit zusätzlich zu den drei aus der Geometrie des Dreiecks folgenden Gleichung (4), (5) und (6) für die 9 unbekannten Vektorkomponenten der Vektoren u
Figure DE102018220088A1_0037
, v
Figure DE102018220088A1_0038
und w
Figure DE102018220088A1_0039
M weitere Gleichungen, so dass insgesamt M + 3 Gleichungen für 9 Unbekannte vorliegen. Dieses Gleichungssystem ist ab einer Anzahl von M = 6 Lokalisierungseinheiten eindeutig lösbar.The distances l i can be determined in vector component notation as follows: l i 2nd = ( M i1 - u 1 ) 2nd + ( M i2 - u 2nd ) 2nd + ( M i3 - u 3rd ) 2nd for i = 1 to 3
Figure DE102018220088A1_0034
l i 2nd = ( M i1 - v 1 ) 2nd + ( M i2 - v 2nd ) 2nd + ( M i3 - v 3rd ) 2nd for i = 4th until 5
Figure DE102018220088A1_0035
l i 2nd = ( M i1 - w 1 ) 2nd + ( M i2 - w 2nd ) 2nd + ( M i3 - w 3rd ) 2nd for i = 6
Figure DE102018220088A1_0036
where M i1 is the x component of the location vector of the i th localization unit, M i2 the y component of the location vector of the i th localization unit and M i3 is the z component of the location vector of the i th localization unit. With a number of M localization units, in addition to the three equations (4), (5) and (6) resulting from the geometry of the triangle, the result for the 9 unknown vector components of the vectors u
Figure DE102018220088A1_0037
, v
Figure DE102018220088A1_0038
and w
Figure DE102018220088A1_0039
M further equations, so that there are a total of M + 3 equations for 9 unknowns. This system of equations can be clearly solved from a number of M = 6 localization units.

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 3 + M > 3 3

Figure DE102018220088A1_0040
gilt. Diese Bedingung ist ab einer Anzahl von M = 7 Lokalisierungseinheiten erfüllt. In einem solchen Fall kann die Bestimmung von der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts mittels der Messvorrichtung ohne die weiter unten noch näher erläuterte Kalibrierung durchführbar sein. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein eine Messung der Abstände von den Lokalisierungseinheiten zu den jeweiligen Retroreflektoren an einer Mehrzahl von Messzeitpunkten durchzuführen. Insbesondere kann die Messvorrichtung eingerichtet sein eine Messung der Abstände von den Lokalisierungseinheiten zu den jeweiligen Retroreflektoren an N Messzeitpunkten durchzuführen. Bei M Lokalisierungseinheiten kann für die Anzahl N der Messzeitpunkte folgende Bedingung gelten N ( 3 + M ) 3 M + N 3 3
Figure DE102018220088A1_0041
N ( 3 + M 3 + 3 ) 3 M
Figure DE102018220088A1_0042
N 3 M 3 + M 3 3
Figure DE102018220088A1_0043
As stated above, the location vectors of the localization units can be, for example, by a calibration procedure must be predetermined. The measuring device can be set up to determine the position and orientation without known location vectors of the localization units, in particular to dispense with calibration. When using a measuring device with three retroreflectors and at least seven localization units, the calibration step can be omitted. For a first measurement time with M localization units, 3 + M equations with 3 · M + 3 · 3 unknowns can result. For each additional time of measurement, further 3 + M equations and further 3 · 3 unknowns can result. Such a system of equations can be clearly solved on the condition that 3rd + M > 3rd 3rd
Figure DE102018220088A1_0040
applies. This condition is fulfilled from a number of M = 7 localization units. In such a case, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object by means of the measurement device can be carried out without the calibration, which will be explained in more detail below. The measuring device can be set up to measure the distances from the localization units to the respective retroreflectors at a plurality of measuring times. In particular, the measuring device can be set up to measure the distances from the localization units to the respective retroreflectors at N measuring times. With M localization units, the following condition can apply to the number N of measurement times N ( 3rd + M ) 3rd M + N 3rd 3rd
Figure DE102018220088A1_0041
N ( 3rd + M - 3rd + 3rd ) 3rd M
Figure DE102018220088A1_0042
N 3rd M 3rd + M - 3rd 3rd
Figure DE102018220088A1_0043

Für M = 7 Lokalisierungseinheiten kann die Messvorrichtung eingerichtet sein eine Messung der Abstände von den Lokalisierungseinheiten zu den jeweiligen Retroreflektoren an N Messzeitpunkten mit N 21 10 9 = 21

Figure DE102018220088A1_0044
durchzuführen. Aus den 21 Messzeitpunkten ergeben sich bei 7 Lokalisierungseinheiten pro Messung 3 + M = 10 Gleichungen sowie 3 M + 3 3 Unbekannte für die erste Messung und jeweils 3·3 Unbekannte für jede weitere Messung, so dass sich bei 21 Messungen 210 Gleichungen mit 210 Unbekannten ergeben und das Gleichungssystem demnach eindeutig lösbar ist.For M = 7 localization units, the measuring device can be set up to measure the distances from the localization units to the respective retroreflectors at N measuring times N 21st 10th - 9 = 21st
Figure DE102018220088A1_0044
perform. From the 21st Measurement times for 7 localization units per measurement result in 3 + M = 10 equations and 3 M + 3 3 unknowns for the first measurement and 3 · 3 unknowns for each subsequent measurement, so that at 21st Measurements 210 Equations with 210 unknowns result and the system of equations is therefore clearly solvable.

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 ΔLj der Lokalisierungseinheit zu dem Retroreflektor zu insgesamt 6 Messzeitpunkten, gekennzeichnet mit j=1 bis 6, bestimmt werden, so dass sich für die Komponenten des Ortsvektors X t r

Figure DE102018220088A1_0045
der Lokalisierungseinheit und den gemessenen Abständen ΔLj folgendes Gleichungssystem ergibt: ( x 1 x tr ) 2 + ( y 1 y tr ) 2 + ( z 1 z tr ) 2 = Δ L 1 2
Figure DE102018220088A1_0046
( x 2 x tr ) 2 + ( y 2 y tr ) 2 + ( z 2 z tr ) 2 = Δ L 2 2
Figure DE102018220088A1_0047
( x 3 x tr ) 2 + ( y 3 y tr ) 2 + ( z 3 z tr ) 2 = Δ L 3 2
Figure DE102018220088A1_0048
( x 4 x tr ) 2 + ( y 4 y tr ) 2 + ( z 4 z tr ) 2 = Δ L 4 2
Figure DE102018220088A1_0049
( x 5 x tr ) 2 + ( y 5 y tr ) 2 + ( z 5 z tr ) 2 = Δ L 5 2
Figure DE102018220088A1_0050
( x 6 x tr ) 2 + ( y 6 y tr ) 2 + ( z 6 z tr ) 2 = Δ L 6 2
Figure DE102018220088A1_0051
The evaluation unit can be set up to carry out a calibration, in particular for determining the location vectors of the localization units. The evaluation unit can be set up to determine the spatial positions of the localization units during calibration. The measuring device can have six localization units and three retroreflectors. The control unit can be set up to align the localization units in the calibration with a single retroreflector. The distance can first be used to determine the position of one of the localization units relative to one of the reflectors ΔLj the localization unit to the retroreflector to a total 6 Measurement times, marked with j = 1 to 6, can be determined so that there are components for the location vector X t r
Figure DE102018220088A1_0045
the localization unit and the measured distances ΔLj the following system of equations results: ( x 1 - x tr ) 2nd + ( y 1 - y tr ) 2nd + ( e.g. 1 - e.g. tr ) 2nd = Δ L 1 2nd
Figure DE102018220088A1_0046
( x 2nd - x tr ) 2nd + ( y 2nd - y tr ) 2nd + ( e.g. 2nd - e.g. tr ) 2nd = Δ L 2nd 2nd
Figure DE102018220088A1_0047
( x 3rd - x tr ) 2nd + ( y 3rd - y tr ) 2nd + ( e.g. 3rd - e.g. tr ) 2nd = Δ L 3rd 2nd
Figure DE102018220088A1_0048
( x 4th - x tr ) 2nd + ( y 4th - y tr ) 2nd + ( e.g. 4th - e.g. tr ) 2nd = Δ L 4th 2nd
Figure DE102018220088A1_0049
( x 5 - x tr ) 2nd + ( y 5 - y tr ) 2nd + ( e.g. 5 - e.g. tr ) 2nd = Δ L 5 2nd
Figure DE102018220088A1_0050
( x 6 - x tr ) 2nd + ( y 6 - y tr ) 2nd + ( e.g. 6 - e.g. tr ) 2nd = Δ L 6 2nd
Figure DE102018220088A1_0051

Hierbei können xj mit j =1 bis 6 die Vektorkomponenten des Ortsvektors x j

Figure DE102018220088A1_0052
des einen Retroreflektors zu den Messzeitpunkten j sein. Weiter können xtr, ytr und ztr die Vektorkomponenten des Vektors X t r
Figure DE102018220088A1_0053
der Lokalisierungseinheit sein. In Vektorschreibweise ergibt sich:   ( x j y j z j ) ( x t r y t r z t r )   = Δ L j mit j = 1 bis 6  
Figure DE102018220088A1_0054
was auch folgendermaßen geschrieben werden kann: X j X t r = Δ L j mit j = 1 bis 6
Figure DE102018220088A1_0055
Here x j with j = 1 to 6 can be the vector components of the location vector x j
Figure DE102018220088A1_0052
of the one retroreflector at the measurement times j. Furthermore, x tr , y tr and z tr can be the vector components of the vector X t r
Figure DE102018220088A1_0053
the localization unit. In vector notation: ( x j y j e.g. j ) - ( x t r y t r e.g. t r ) = Δ L j with j = 1 to 6
Figure DE102018220088A1_0054
which can also be written as follows: X j - X t r = Δ L j with j = 1 to 6
Figure DE102018220088A1_0055

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:   ( x j y j z j ) ( x t r   i y t r   i z t r   i )   = Δ L j i  

Figure DE102018220088A1_0056
und Δ L ji 2 = ( x j x tr i ) 2 + ( y j y tr i ) 2 + ( z z x tr i ) 2
Figure DE102018220088A1_0057
For the measuring device with a number of i localization units, which can all be directed to one of the retroreflectors for calibration, and j measuring times, this results in: ( x j y j e.g. j ) - ( x t r i y t r i e.g. t r i ) = Δ L j i
Figure DE102018220088A1_0056
and Δ L ji 2nd = ( x j - x tr i ) 2nd + ( y j - y tr i ) 2nd + ( e.g. e.g. - x tr i ) 2nd
Figure DE102018220088A1_0057

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 j 6 6 measurement times, for example in the form of one measurement and five repetitions.

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:

  1. a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt die Retroreflektoren oder die Lokalisierungseinheiten aufweist;
  2. 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;
  3. 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
  4. d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der mindestens einen Auswerteeinheit.
In a further aspect of the present invention, a method for measuring at least one measurement object with a measurement device according to one of the embodiments described above or according to one of the embodiments described below is proposed. The process includes the following steps:
  1. a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the retroreflectors or the localization units;
  2. 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;
  3. 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
  4. 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:

  1. A) Beleuchten eines der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten;
  2. B) Empfangen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten; und
  3. C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit.
In particular, the method can furthermore have at least one calibration step, the calibration step comprising the following method steps:
  1. A) illuminating one of the retroreflectors with each of the location units;
  2. B) receiving the light beams reflected by the retroreflector and generating measurement signals with the localization units; and
  3. 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:
    1. a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt die Retroreflektoren oder die Lokalisierungseinheiten aufweist;
    2. 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;
    3. 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
    4. 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:
    1. A) Beleuchten eines der Retroreflektoren mit jeder der Lokalisierungseinheiten;
    2. B) Empfangen der von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten; und
    3. C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der Auswerteeinheit;
In summary, the following embodiments are particularly preferred in the context of the present invention:
  • 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:
    1. a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the retroreflectors or the localization units;
    2. 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;
    3. 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
    4. 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:
    1. A) illuminating one of the retroreflectors with each of the location units;
    2. B) receiving the light beams reflected by the retroreflector and generating measurement signals with the localization units; and
    3. 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.
Show in detail:
  • 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

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 110 zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts 112. Wie in 1 zu sehen, kann die Messvorrichtung 110 insbesondere drei Retroreflektoren 114 und sechs Lokalisierungseinheiten 116 aufweisen. 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. Jede der Lokalisierungseinheiten 116 ist eingerichtet, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor 114 mindestens einen reflektierten Lichtstrahl 121 zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Beleuchtungslichtstrahlen 117 und die reflektierten Lichtstrahlen 121 sind in den 1 und 2 jeweils durch Doppelpfeile symbolisiert. Die Messvorrichtung 110 weist weiterhin 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. Dazu kann jede der Lokalisierungseinheiten 116 mit der Auswerteeinheit 118, insbesondere mit jeweils einem Kabel 119, verbunden sein. Auch kabellose Verbindungen sind jedoch denkbar. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a measuring device according to the invention 110 for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object 112 . As in 1 can see the measuring device 110 especially three retroreflectors 114 and six localization units 116 exhibit. Each of the localization units 116 is set up at least one illuminating light beam 117 to generate and at least one retroreflector 114 with the illuminating light beam 117 to illuminate, each of the retroreflectors 114 from at least one of the localization units 116 is illuminated. Each of the localization units 116 is set up by the illuminated retroreflector 114 at least one reflected light beam 121 to receive and generate at least one measurement signal. The illuminating light rays 117 and the reflected rays of light 121 are in the 1 and 2nd each symbolized by double arrows. The measuring device 110 also has an evaluation unit 118 on, the evaluation unit 118 is set up, from the measurement signals of the localization units 116 the spatial position and orientation of the measurement object 112 to determine. Each of the localization units can do this 116 with the evaluation unit 118 , especially with one cable each 119 , be connected. However, wireless connections are also conceivable.

Wie in den 1 und 2 zu sehen, können die Lokalisierungseinheiten 116 insbesondere als Lasertracer 120, ausgebildet sein. Einer der Retroreflektoren 114 kann von maximal vier der sechs Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein. Die übrigen mindestens zwei Lokalisierungseinheiten 116 können auf die anderen beiden Retroreflektoren 114 ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch andere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten 116 auf die Retroreflektoren 114 sind denkbar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren 114 und sechs Lokalisierungseinheiten 116 die Lokalisierungseinheiten 116 und die Retroreflektoren 114 in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: vier Lokalisierungseinheiten 116 auf einen ersten Retroreflektor 114, eine Lokalisierungseinheit 116 auf einen zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf einen dritten Retroreflektor 114 (vier-eins-eins); drei Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (drei-zwei-eins); zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (zwei-zwei-zwei).As in the 1 and 2nd can see the localization units 116 especially as a laser tracer 120 , be trained. One of the retroreflectors 114 can be from a maximum of four of the six localization units 116 be illuminated. The remaining at least two localization units 116 can on the other two retroreflectors 114 be aligned and illuminate them. Other orientations of the localization units 116 on the retroreflectors 114 are conceivable. In particular, when using three retroreflectors 114 and six localization units 116 the localization units 116 and the retroreflectors 114 be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: four localization units 116 on a first retroreflector 114 , a localization unit 116 to a second retroreflector 114 and a localization unit 116 to a third retroreflector 114 (four-one-one); three localization units 116 on the first retroreflector 114 , two localization units 116 to the second retroreflector 114 and a localization unit 116 to the third retroreflector 114 (three two one); two localization units 116 on the first retroreflector 114 , two localization units 116 to the second retroreflector 114 and two localization units 116 to the third retroreflector 114 (two-two-two).

Wie in 1 gezeigt, kann einer der drei Retroreflektoren 114 von drei der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein, einer der zwei weiteren Retroreflektoren 114 kann von zwei weiteren der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein und der verbleibende der Retroreflektoren 114 kann von der verbleibenden der Lokalisierungseinheit 116 beleuchtet sein. Die Konfiguration drei-zwei-eins ist in 1 zu sehen und soll zum besseren Verständnis der Konfigurationen hier noch einmal beispielhaft beschrieben werden. Die drei Retroreflektoren 114 können als erster Retroreflektor 136, zweiter Retroreflektor 138 und dritter Retroreflektor 140 bezeichnet werden. Die sechs Lokalisierungseinheiten 116 können als erste Lokalisierungseinheit 142, zweite Lokalisierungseinheit 144, dritte Lokalisierungseinheit 146, vierte Lokalisierungseinheit 148, fünfte Lokalisierungseinheit 150 und sechste Lokalisierungseinheit 152 bezeichnet werden. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise der erste Retroreflektor 136 von der ersten Lokalisierungseinheit 142, der zweiten Lokalisierungseinheit 144 und der dritten Lokalisierungseinheit 146 beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor 138 kann von der vierten Lokalisierungseinheit 148 und der fünften Lokalisierungseinheit 150 beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor 140 kann von der sechsten Lokalisierungseinheit 116 beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-zwei-eins und ist in 1 zu sehen. Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl in diesem als auch in den folgenden Beispielen die Ordnungszahlen der Retroreflektoren 114 und Lokalisierungseinheiten 116 lediglich veranschaulichen sollen, wie viele der Lokalisierungseinheiten 116 gemeinsam auf denselben Retroreflektor 114 ausgerichtet sein können. Dementsprechend können die Lokalisierungseinheiten 116 untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Auch die Retroreflektoren 114 können untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Bezogen auf das obige Beispiel kann beispielsweise der zweite Retroreflektor 138 von der sechsten Lokalisierungseinheit 152 beleuchtet sein und der dritte Retroreflektor 140 kann von der fünften Lokalisierungseinheit 150 beleuchtet sein. Weitere Kombinationen sind möglich.As in 1 shown, one of the three retroreflectors 114 of three of the localization units 116 be illuminated, one of the two further retroreflectors 114 can be from two more of the localization units 116 be lit and the rest of the retroreflectors 114 can of the remaining of the localization unit 116 be illuminated. The three-two-one configuration is in 1 to see and should be described here again as an example for a better understanding of the configurations. The three retroreflectors 114 can be the first retroreflector 136 , second retroreflector 138 and third retroreflector 140 be designated. The six localization units 116 can be the first localization unit 142 , second localization unit 144 , third localization unit 146 , fourth localization unit 148 , fifth localization unit 150 and sixth localization unit 152 be designated. In this configuration, for example, the first retroreflector 136 from the first localization unit 142 , the second localization unit 144 and the third localization unit 146 be illuminated. The second retroreflector 138 can from the fourth localization unit 148 and the fifth localization unit 150 be illuminated. The third retroreflector 140 can from the sixth localization unit 116 be illuminated. This corresponds to the configuration three-two-one and is in 1 to see. It should be noted that in this as well as in the following examples the atomic numbers of the retroreflectors 114 and localization units 116 merely to illustrate how many of the localization units 116 together on the same retroreflector 114 can be aligned. Accordingly, the location units 116 interchangeable or interchangeable. Even the retroreflectors 114 can be interchangeable or interchangeable. Based on the above example, the second retroreflector can, for example 138 from the sixth localization unit 152 be illuminated and the third retroreflector 140 can from the fifth localization unit 150 be illuminated. Other combinations are possible.

Die Retroreflektoren 114 können an dem Messobjekt 112 angeordnet sein und die Lokalisierungseinheiten 116 können im Raum, beispielsweise in einem das Messobjekt umgebenden oder umfassenden Raum, angeordnet sein. Insbesondere kann eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand, der Retroreflektoren zueinander, wie in den 1 und 2 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet, bekannt sein. Weiterhin kann die Messvorrichtung 112 eine Steuereinheit 154 aufweisen, wobei die Steuereinheit eingerichtet sein kann, die Lokalisierungseinheiten 116 relativ zu den Retroreflektoren 114 auszurichten. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt 112 um ein Werkzeug 122 handeln. Insbesondere können die Retroreflektoren 114 derart an dem Werkzeug 122 angebracht sein, dass ein geometrischer Mittelpunkt des Werkzeugs und ein geometrischer Mittelpunkt eines von den drei Retroreflektoren gebildeten Dreiecks zusammenfallen können, wie in den 1 und 2 zu sehen.The retroreflectors 114 can on the measurement object 112 be arranged and the localization units 116 can be arranged in the room, for example in a room surrounding or encompassing the measurement object. In particular, a relative position, in particular a spatial position and / or a distance, of the retroreflectors to one another, as in FIGS 1 and 2nd identified by dashed lines. Furthermore, the measuring device 112 a control unit 154 have, wherein the control unit can be set up, the localization units 116 relative to the retroreflectors 114 to align. In particular, it can be the measurement object 112 around a tool 122 act. In particular, the retroreflectors 114 so on the tool 122 be appropriate that a geometric center of the tool and a geometric center of a triangle formed by the three retroreflectors can coincide, as in FIGS 1 and 2nd to see.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Messvorrichtung 110 umfassend drei Retroreflektoren 114 und sieben Lokalisierungseinheiten, wobei einer der Retroreflektoren 114 von maximal fünf der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein kann. Die übrigen mindestens zwei Lokalisierungseinheiten 116 können auf die anderen beiden Retroreflektoren 114 ausgerichtet sein und diese beleuchten. Auch andere Ausrichtungen der Lokalisierungseinheiten 116 auf die Retroreflektoren 114 sind denkbar. Insbesondere können bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren 114 und sieben Lokalisierungseinheiten 116 die Lokalisierungseinheiten 116 und die Retroreflektoren 114 in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: fünf Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, eine Lokalisierungseinheit 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (fünf-eins-eins); vier Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (vier-zwei-eins); drei Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, drei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und eine Lokalisierungseinheit 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (drei-drei-eins); drei Lokalisierungseinheiten 116 auf den ersten Retroreflektor 114, zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den zweiten Retroreflektor 114 und zwei Lokalisierungseinheiten 116 auf den dritten Retroreflektor 114 (drei-zwei-zwei). 2nd shows a schematic representation of a further embodiment of the measuring device 110 comprising three retroreflectors 114 and seven localization units, one of the retroreflectors 114 of a maximum of five of the localization units 116 can be illuminated. The remaining at least two localization units 116 can on the other two retroreflectors 114 be aligned and illuminate them. Other orientations of the localization units 116 on the retroreflectors 114 are conceivable. In particular, when using three retroreflectors 114 and seven localization units 116 the localization units 116 and the retroreflectors 114 be arranged and / or aligned with one another in one of the following configurations: five Localization units 116 on the first retroreflector 114 , a localization unit 116 to the second retroreflector 114 and a localization unit 116 to the third retroreflector 114 (five-one-one); four localization units 116 on the first retroreflector 114 , two localization units 116 to the second retroreflector 114 and a localization unit 116 to the third retroreflector 114 (four-two-one); three localization units 116 on the first retroreflector 114 , three localization units 116 to the second retroreflector 114 and a localization unit 116 to the third retroreflector 114 (three-three-one); three localization units 116 on the first retroreflector 114 , two localization units 116 to the second retroreflector 114 and two localization units 116 to the third retroreflector 114 (three-two-two).

Wie in 2 gezeigt, kann einer der drei Retroreflektoren 114 von drei der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein, einer der zwei weiteren Retroreflektoren 114 kann von zwei weiteren der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein und der verbleibende der Retroreflektoren 114 kann von den zwei verbleibenden der Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein. Die Konfiguration drei-zwei-zwei ist in 2 zu sehen und soll zum besseren Verständnis der Konfigurationen hier noch einmal beispielhaft beschrieben werden. Die drei Retroreflektoren 114 können als der erste Retroreflektor 136, der zweite Retroreflektor 138 und der dritte Retroreflektor 140 bezeichnet werden. Die sieben Lokalisierungseinheiten 116 können als die erste Lokalisierungseinheit 142, die zweite Lokalisierungseinheit 144, die dritte Lokalisierungseinheit 146, die vierte Lokalisierungseinheit 148, die fünfte Lokalisierungseinheit 150, die sechste Lokalisierungseinheit 152 und siebte Lokalisierungseinheit 156 bezeichnet werden. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise der erste Retroreflektor 136 von der ersten Lokalisierungseinheit 142, der zweiten Lokalisierungseinheit 144 und der dritten Lokalisierungseinheit 146 beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor 138 kann von der vierten Lokalisierungseinheit 148 und der fünften Lokalisierungseinheit 150 beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor 140 kann von der sechsten Lokalisierungseinheit 152 und der siebten Lokalisierungseinheit 156 beleuchtet sein. Weitere Kombinationen und/oder Vertauschungen sind möglich.As in 2nd shown, one of the three retroreflectors 114 of three of the localization units 116 be illuminated, one of the two further retroreflectors 114 can be from two more of the localization units 116 be lit and the rest of the retroreflectors 114 can be from the two remaining of the localization units 116 be illuminated. The configuration three-two-two is in 2nd to see and should be described here again as an example for a better understanding of the configurations. The three retroreflectors 114 can as the first retroreflector 136 , the second retroreflector 138 and the third retroreflector 140 be designated. The seven localization units 116 can as the first localization unit 142 , the second localization unit 144 , the third localization unit 146 , the fourth localization unit 148 , the fifth localization unit 150 , the sixth localization unit 152 and seventh localization unit 156 be designated. In this configuration, for example, the first retroreflector 136 from the first localization unit 142 , the second localization unit 144 and the third localization unit 146 be illuminated. The second retroreflector 138 can from the fourth localization unit 148 and the fifth localization unit 150 be illuminated. The third retroreflector 140 can from the sixth localization unit 152 and the seventh localization unit 156 be illuminated. Other combinations and / or exchanges are possible.

Insbesondere kann jeder der drei Retroreflektoren 114 von mindestens zwei Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet sein, beispielsweise unter Nutzung der oben ausgeführten und in 2 dargestellten Konfiguration drei-zwei-zwei. Insbesondere kann dies vorteilhaft sein, da eine Unterbrechung einer Sichtlinie zwischen lediglich einem der Retroreflektoren 114 und einer der ihn bestrahlenden Lokalisierungseinheiten 116, insbesondere eine Unterbrechung des Beleuchtungslichtstrahls 117 und/oder des reflektierten Lichtstrahls 121, nicht zu einem Ausfall der Messvorrichtung führt.In particular, each of the three retroreflectors 114 of at least two localization units 116 be illuminated, for example using the above and in 2nd configuration shown three-two-two. In particular, this can be advantageous since an interruption of a line of sight between only one of the retroreflectors 114 and one of the localization units irradiating it 116 , in particular an interruption of the illuminating light beam 117 and / or the reflected light beam 121 , does not lead to a failure of the measuring device.

3 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts 112 mit einer Messvorrichtung 110 gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  1. a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts 112 , wobei das Messobjekt 112 die Retroreflektoren 114 oder die Lokalisierungseinheiten 116 aufweist;
  2. b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls 117 mit jeder der Lokalisierungseinheiten 116 und Beleuchten der Retroreflektoren 114 mit den Beleuchtungslichtstrahlen 117, wobei jede der Lokalisierungseinheiten 116 mindestens einen der Retroreflektoren 114 beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren 114 von mindestens einer Lokalisierungseinheit 116 beleuchtet wird;
  3. c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren 114 reflektierten Lichtstrahlen 121 und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten 116, insbesondere aus den empfangenen Lichtstahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten 116 den reflektierten Lichtstrahl 121 des von ihr beleuchteten Retroreflektors 114 empfängt; und
  4. d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116 mit der mindestens einen Auswerteeinheit 118.
3rd shows an embodiment of a method for measuring at least one measurement object 112 with a measuring device 110 according to one of the embodiments described above or according to one of the embodiments explained below. The process includes the following steps:
  1. a) Providing the at least one measurement object 112 , the measurement object 112 the retroreflectors 114 or the localization units 116 having;
  2. b) generating the at least one illuminating light beam 117 with each of the localization units 116 and lighting the retroreflectors 114 with the illuminating light rays 117 , each of the localization units 116 at least one of the retroreflectors 114 illuminated, with each of the retroreflectors 114 from at least one localization unit 116 is illuminated;
  3. c) Receive at least one of each of the retroreflectors 114 reflected light rays 121 and generating at least one measurement signal with each of the localization units 116 , in particular from the light beams received, each of the localization units 116 the reflected light beam 121 of the retroreflector she illuminated 114 receives; and
  4. d) Determining the spatial position and orientation of the measurement object 112 from the measurement signals of the localization units 116 with the at least one evaluation unit 118 .

Die Auswerteeinheit 118 ist eingerichtet, die räumlichen Position und Orientierung des Messobjektes 112 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116 zu bestimmen. Zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines dreidimensionalen Objekts kann mindestens ein Multilaterationsverfahren verwendet werden. Insbesonder kann die Auswerteeinheit 118 eingerichtet sein, die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts 112 nach dem bereits weiter oben beschriebenen Multilaterations-Verfahren, insbesondere anhand der Gleichungen und Gleichungssysteme (1) bis (14), zu bestimmen.The evaluation unit 118 is set up, the spatial position and orientation of the measurement object 112 from the measurement signals of the localization units 116 to determine. At least one multilateration method can be used to determine the spatial position and orientation of a three-dimensional object. The evaluation unit can in particular 118 be set up, the spatial position and orientation of the measurement object 112 according to the multilateration method already described above, in particular using the equations and systems of equations (1) to (14).

3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens, wobei Bezugszeichen 128 Verfahrensschritt a) bezeichnet, wobei Bezugszeichen 130 Verfahrensschritt b) bezeichnet, wobei Bezugszeichen 132 Verfahrensschritt c) bezeichnet und wobei Bezugszeichen 134 Verfahrensschritt d) bezeichnet. 3rd shows a schematic representation of the method, with reference numerals 128 Method step a) denotes, with reference numerals 130 Method step b) denotes, with reference numerals 132 Process step c) and with reference numerals 134 Process step d) designated.

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:

  1. A) Beleuchten eines der Retroreflektoren 114 mit jeder der Lokalisierungseinheiten 116;
  2. B) Empfangen der von dem Retroreflektor 114 reflektierten Lichtstrahlen 121 und Erzeugen von Messsignalen mit den Lokalisierungseinheiten 116; und
  3. C) Bestimmen von einer räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten 116 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116 mit der Auswerteeinheit 118.
In particular, the method can include a calibration step, not shown in the figures, the calibration step comprising the following method steps:
  1. A) Illuminate one of the retroreflectors 114 with each of the localization units 116 ;
  2. B) receiving the from the retroreflector 114 reflected light rays 121 and generating measurement signals with the localization units 116 ; and
  3. C) determining a spatial position for each of the location units 116 from the measurement signals of the localization units 116 with the evaluation unit 118 .

Die Auswerteeinheit 118 kann eingerichtet sein, eine Kalibrierung durchzuführen, insbesondere zur Bestimmung der Ortsvektoren der Lokalisierungseinheiten 116. Die Auswerteeinheit 118 kann eingerichtet sein bei der Kalibrierung die räumlichen Positionen der Lokalisierungseinheiten 116 zu bestimmen. Insbesondere kann die Auswerteeinheit 118 eingerichtet sein, eine Kalibrierung nach dem bereits weiter oben beschriebenen Verfahren durchzuführen, insbesondere anhand der Gleichungen und Gleichungssysteme (15) bis (24).The evaluation unit 118 can be set up to carry out a calibration, in particular for determining the location vectors of the localization units 116 . The evaluation unit 118 The spatial positions of the localization units can be set up during calibration 116 to determine. In particular, the evaluation unit 118 be set up to carry out a calibration according to the method already described above, in particular using the equations and systems of equations (15) to (24).

Insbesondere kann der Kalibrierungsschritt dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts 112 vorausgehen. Insbesondere kann das Verfahren den Kalibrierungsschritt umfassen, wenn die bei dem Verfahren eingesetzte Messvorrichtung 112 drei Retroreflektoren 114 und sechs Lokalisierungseinheiten 116 aufweist. Insbesondere kann auf den Kalibrierungsschritt verzichtet werden, wenn die bei dem Verfahren eingesetzte Messvorrichtung 110 drei Retroreflektoren und mindestens sieben, insbesondere sieben, Lokalisierungseinheiten 116, aufweist.In particular, the calibration step can follow step b) of the method for measuring at least one measurement object 112 go ahead. In particular, the method can include the calibration step if the measuring device used in the method 112 three retroreflectors 114 and six localization units 116 having. In particular, the calibration step can be dispensed with if the measuring device used in the method 110 three retroreflectors and at least seven, especially seven, localization units 116 , having.

Insbesondere kann in Schritt A) ein einzelner der Retroreflektoren 114 von allen Lokalisierungseinheiten 116 beleuchtet werden. Der Verfahrensschritt A) des Kalibrierungsschritts kann weiterhin ein Ausrichten jeder der Lokalisierungseinheiten 116 oder zumindest eines Teils der Lokalisierungseinheiten 116 umfassen derart, dass der eine der Retroreflektoren 114 von allen Lokalisierungseinheiten 116 mit jeweils mindestens einem Beleuchtungslichtstrahl 117 beleuchtet wird. Weiterhin kann in Schritt B) jede der Lokalisierungseinheiten 116 mindestens einen der von dem Retroreflektor 114 reflektierten Lichtstrahlen 121 empfangen und ein Messsignal erzeugen, insbesondere aus oder gemäß dem empfangenen, reflektierten Lichtstrahl 121. Ferner können die Schritte A) und B) mehrfach, insbesondere mindestens fünf Mal, beispielsweise fünf Mal, wiederholt werden, so dass die Schritte A) und B) insgesamt mindestens sechs Mal, beispielsweise sechs Mal, ausgeführt werden. Weiterhin kann Verfahrensschritt C) ein Lösen eines Gleichungssystems mit der Auswerteeinheit 118 umfassen, insbesondere zum Bestimmen von der räumlichen Position für jede der Lokalisierungseinheiten 116 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 116. Insbesondere kann Schritt C) weiterhin das Bestimmen von Abständen zwischen dem einen Retroreflektor 114 und den Lokalisierungseinheiten 116 umfassen.In particular, in step A) a single one of the retroreflectors 114 from all localization units 116 be illuminated. Method step A) of the calibration step can furthermore align each of the localization units 116 or at least part of the localization units 116 include such that one of the retroreflectors 114 from all localization units 116 each with at least one illuminating light beam 117 is illuminated. Furthermore, in step B) each of the localization units 116 at least one of the retroreflectors 114 reflected light rays 121 received and generate a measurement signal, in particular from or according to the received, reflected light beam 121 . Furthermore, steps A) and B) can be repeated several times, in particular at least five times, for example five times, so that steps A) and B) are carried out at least six times, for example six times. Method step C) can also be used to solve an equation system with the evaluation unit 118 include, in particular for determining the spatial position for each of the location units 116 from the measurement signals of the localization units 116 . In particular, step C) can furthermore determine the distances between the one retroreflector 114 and the localization units 116 include.

Der Kalibrierungsschritt kann dem Schritt b) des Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts 112 vorausgehen. Dementsprechend kann sich der Schritt b) dem Schritt C) des Kalibrierungsschritts anschließen. Insbesondere kann das Beleuchten der Retroreflektoren 114 mit den Beleuchtungslichtstrahlen 117 in Schritt b) nach dem Beleuchten des einen der Retroreflektoren 114 mit jeder der Lokalisierungseinheiten 116 in Schritt A) ein erneutes Ausrichten der Lokalisierungseinheiten 116 erfordern.The calibration step can follow step b) of the method for measuring at least one measurement object 112 go ahead. Accordingly, step b) can follow step C) of the calibration step. In particular, the retroreflectors can be illuminated 114 with the illuminating light rays 117 in step b) after illuminating one of the retroreflectors 114 with each of the localization units 116 in step A) realigning the localization units 116 require.

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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Claims (9)

Messvorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts (112), wobei die Messvorrichtung (110) mindestens drei Retroreflektoren (114) und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten (116) oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten (116) und mindestens sechs Retroreflektoren (114) aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) eingerichtet ist, 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, wobei die Messvorrichtung (110) weiterhin eine Auswerteeinheit (118) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (118) eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten (116) die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts (112) zu bestimmen.Measuring device (110) for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object (112), 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 at least six retroreflectors (114), wherein 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) from at least one of the Localization units (116) is illuminated, wherein 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 measurement device (110) also having one Has evaluation unit (118), the evaluations unit (118) is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object (112) from the measurement signals of the localization units (116). Messvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer (120); einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor.The measuring device (110) according to the preceding claim, wherein each of the localization units (116) comprises at least one element selected from the group consisting of: a laser tracer (120); a laser tracker; a LIDAR sensor, preferably an FMCW LIDAR sensor. Messvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Messvorrichtung (110) mindestens drei Retroreflektoren (114) und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten (116) aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) den mindestens einen Lasertracer (120) oder den mindestens einen Lasertracker umfasst, oder wobei die Messvorrichtung (110) mindestens drei Lokalisierungseinheiten (116) und mindestens sechs Retroreflektoren (114) aufweist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) den mindestens einen LIDAR-Sensor umfasst.Measuring device (110) according to the preceding claim, wherein the measuring device (110) has at least three retroreflectors (114) and at least six localization units (116), each of the localization units (116) comprising the at least one laser tracer (120) or the at least one laser tracker , or wherein the measuring device (110) has at least three localization units (116) and at least six retroreflectors (114), each of the localization units (116) comprising the at least one LIDAR sensor. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (110) mindestens drei Retroreflektoren (114) und mindestens sieben Lokalisierungseinheiten (116) oder mindestens drei Lokalisierungseinheiten (116) und mindestens sieben Retroreflektoren (114) aufweist.Measuring device (110) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (110) has at least three retroreflectors (114) and at least seven localization units (116) or at least three localization units (116) and at least seven retroreflectors (114). Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (110) weiterhin eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Lokalisierungseinheiten (116) relativ zu den Retroreflektoren (114) auszurichten.Measuring device (110) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (110) further comprises a control unit, the control unit being set up to align the localization units (116) relative to the retroreflectors (114). Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (110) eingerichtet ist, Geschwindigkeiten der Retroreflektoren (114) zu bestimmen.Measuring device (110) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (110) is set up to determine speeds of the retroreflectors (114). Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werkstücks, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung (110) betreffenden Ansprüche umfasst, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens ein Messobjekt (112) aufweist, welches eingerichtet ist, das Werkstück zu abzutasten.Coordinate measuring device for measuring at least one workpiece, the coordinate measuring device comprising at least one measuring device (110) according to one of the preceding claims relating to a measuring device (110), wherein the coordinate measuring device has at least one measuring object (112) which is set up to scan the workpiece. Koordinatenmessgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Messobjekt (112) die Lokalisierungseinheiten (116) oder die Retroreflektoren (114) aufweist.Coordinate measuring device according to the preceding claim, wherein the measurement object (112) has the localization units (116) or the retroreflectors (114). Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts (112) mit einer Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung (110) betreffenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts (112), wobei das Messobjekt (112) die Retroreflektoren (114) oder die Lokalisierungseinheiten (116) aufweist; b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls (117) mit jeder der Lokalisierungseinheiten (116) und Beleuchten der Retroreflektoren (114) mit den Beleuchtungslichtstrahlen (117), wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) mindestens einen der Retroreflektoren (114) beleuchtet, wobei jeder der Retroreflektoren (114) von mindestens einer Lokalisierungseinheit (116) beleuchtet wird; c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren (114) reflektierten Lichtstrahlen (121) und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten (116), wobei jede der Lokalisierungseinheiten (116) den reflektierten Lichtstrahl (121) des von ihr beleuchteten Retroreflektors (114) empfängt; und d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts (112) aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten (116) mit der mindestens einen Auswerteeinheit (118).Method for measuring at least one measurement object (112) with a measuring device (110) according to one of the preceding claims relating to a measuring device (110), the method comprising the following steps: a) providing the at least one measurement object (112), the measurement object (112) having the retroreflectors (114) or the localization units (116); b) generating the at least one illuminating light beam (117) with each of the localization units (116) and illuminating the retroreflectors (114) with the illuminating light beams (117), each of the locating units (116) illuminating at least one of the retroreflectors (114), each of the Retroreflectors (114) are illuminated by at least one localization unit (116); c) receiving at least one of the light beams (121) reflected by the retroreflectors (114) and generating at least one measurement signal with each of the localization units (116), each of the localization units (116) reflecting the reflected light beam (121) of the retroreflector (4) it illuminates 114) receives; and d) determining the spatial position and orientation of the measurement object (112) from the measurement signals of the localization units (116) with the at least one evaluation unit (118).
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