DE102019121613A1

DE102019121613A1 - Koordinatenmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102019121613A1
Application number: DE102019121613.3A
Authority: DE
Inventors: William W. Christine; Xiaoyu Cai; Max K. Kim
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2019-08-10
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Ein Sechs-DOF-Tastkopf beinhaltet einen Retroreflektor, eine Ansammlung von Zielleuchten und einen Taster mit einer Tastspitze. Ein Lasertracker misst einen Abstand, einen ersten Winkel und einen zweiten Winkel zum Retroreflektor und erfasst ein Bild von den erleuchteten Zielleuchten. Ein Prozessor bestimmt die 3D-Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels und in einem mittigen Abschnitt des erfassten Bilds die Größe des mittigen Abschnitts mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine reguläre Anmeldung und beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung Seriennummer 62/718,099 , eingereicht am 13. August 2018, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Koordinatenmessvorrichtung, die dreidimensionale (3D) Koordinaten und Koordinaten bei sechs Freiheitgraden (degree of freedom - DOF) (Sechs-DOF) misst. Sie betrifft auch einen Sechs-DOF-Tastkopf, der in Kombination mit einer Sechs-DOF-Messvorrichtung 3D-Koordinaten bestimmt.
Eine Art von Koordinatenmessvorrichtung misst die 3D-Koordinaten eines Zielpunkts durch Senden eines Lichtstrahls zu dem Punkt. Der Lichtstrahl kann direkt auf den Punkt oder ein Retroreflektorziel in Kontakt mit dem Punkt auftreffen. In beiden Fällen bestimmt das Instrument die Koordinaten des Zielpunkts durch Messen eines Abstands und zweier Winkel zum Ziel. Der Abstand wird mit einer Abstandsmessvorrichtung wie etwa einem Absolutabstandsmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einer Winkelmessvorrichtung wie etwa einem Winkelkodierer gemessen. Der Strahl kann mit einem Kardanmechanismus, einem Galvanometermechanismus oder einem anderen Mechanismus gelenkt werden.
Ein Lasertracker ist eine besondere Art von Koordinatenmessvorrichtung, die ein Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Strahlen verfolgt, die er emittiert. Solche Strahlen können Licht von einer Laser- oder Nichtlaserquelle beinhalten. Koordinatenmessvorrichtungen, die eng mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Flugzeit (Time-of-flight - TOF)-Abtaster und die Totalstation. Der TOF-Abtaster emittiert schrittweise einen oder mehrere Lichtstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt das von der Oberfläche reflektierte Licht auf und bestimmt als Reaktion einen Abstand und zwei Winkel zu jedem Oberflächenpunkt. Eine Totalstation ist eine 3D-Messvorrichtung, die am häufigsten in Vermessungsanwendungen genutzt wird. Sie kann dazu genutzt werden, die Koordinaten eines diffus streuenden Ziels oder eines retroreflektierenden Ziels zu messen. In dieser Schrift wird nachfolgend der Ausdruck Lasertracker in einem weiten Sinn verwendet und schließt Laserabtaster und Totalstationen ein und schließt dimensionale Messvorrichtungen ein, die Laser- oder Nichtlaserlicht emittieren.
In vielen Fällen sendet ein Lasertracker einen Lichtstrahl zu einem Retroreflektorziel. Eine gebräuchliche Art eines Retroreflektorziels ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR), der einen Würfelecken-Retroreflektor umfasst, der in einer Metallkugel eingebettet ist. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei senkrecht zueinander stehende Spiegel. Der Scheitelpunkt, der den gemeinsamen Schnittpunkt der drei Spiegel bildet, befindet sich im Mittelpunkt der Kugel. Aufgrund dieser Platzierung der Würfelecke innerhalb der Kugel bleibt der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt zu jeder Oberfläche des SMR konstant, auch wenn der SMR gedreht wird. Folglich kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Fläche messen, indem er die Position eines SMR verfolgt, während er über die Fläche bewegt wird. Anders ausgedrückt, misst der Lasertracker nur drei Freiheitsgrade (einen radialen Abstand und zwei Winkel), um die 3D-Koordinaten einer Fläche vollständig zu charakterisieren.
Eine Art von Lasertracker enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne einen Absolutabstandsmesser (absolute distance meter - ADM). Wenn ein Objekt den Weg des Laserstrahls von einem dieser Tracker blockiert, verliert das IFM seinen Abstandsbezugspunkt. Der Bediener verfolgt den Retroreflektor bis zu einem bekannten Ort, um einen Bezugsabstand zurückzusetzen, bevor er die Messung fortsetzt. Eine Möglichkeit, diese Beschränkung zu umgehen, besteht im Einbau eines ADM in den Tracker. Der ADM kann den Abstand in einer Art Schnappschussverfahren messen, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Manche Lasertracker enthalten nur einen ADM ohne ein Interferometer.
Zur Lenkung des Laserstrahls vom Tracker zum SMR kann ein Kardanmechanismus innerhalb des Lasertrackers verwendet werden. Ein Teil des Lichts, das vom SMR retroreflektiert wird, tritt in den Lasertracker ein und gelangt auf einen Positionsdetektor. Ein Steuerungssystem innerhalb des Lasertrackers nutzt die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor, um die Drehwinkel der mechanischen Achsen des Lasertrackers einzustellen, damit der Lichtstrahl auf dem SMR zentriert gehalten wird. Auf diese Weise kann der Tracker einen sich bewegenden SMR verfolgen (tracken).
An die mechanischen Achsen des Trackers sind Winkelmessvorrichtungen wie etwa Winkelkodierer angebracht. Die eine Abstandsmessung und zwei Winkelmessungen des Lasertrackers sind ausreichend, um einen dreidimensionalen Ort des SMR anzugeben. Außerdem sind mehrere Lasertracker zur Messung von sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF) statt der üblichen drei Freiheitsgrade verfügbar oder wurden vorgeschlagen.
Auch wenn Lasertracker, die 3D- und Sechs-DOF-Koordinaten messen, im Allgemeinen für ihren bestimmungsgemäßen Zweck geeignet sind, besteht nach wie vor Verbesserungsbedarf, besonders in den Bereichen des Auswählens erleuchteter Zielleuchten im Hinblick auf unerwünschtes Hintergrundlicht, des Erhaltens einer Entsprechung zwischen Bildpunkten und Zielleuchten und im zweckmäßigen Erhalten von Kompensationsparametern.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor, einen Taster und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist, wobei der Taster eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Auswählen einer Gruppe von Punkten aus Elementen im erfassten Bild, wobei das Auswählen mindestens teilweise auf der Grundlage eines Ähnlichkeitskriteriums erfolgt, wobei das Ähnlichkeitskriterium ein Maß der Ähnlichkeit der ausgewählten Elemente ist; mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels und der Gruppe von Punkten im erfassten Bild; und Speichern der 3D-Koordinaten der Tastspitze.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor, einen Taster und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist, wobei der Taster eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Auswählen einer Region des erfassten Bilds mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands; mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels und der ausgewählten Region des erfassten Bilds; und Speichern der 3D-Koordinaten der Tastspitze.
Gemäß einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Zielen auf den Retroreflektor und Erfassen eines ersten Bilds von den Zielleuchten auf einer Kamerabildebene; mit dem Tracker Drehen eines Tracker-Strahllenkungsmechanismus um die Azimutachse um 180 Grad, Drehen des Tracker-Strahllenkungsmechanismus um die Zenitachse, um den Lichtstrahl zurück zum Retroreflektor zu lenken, Zielen auf den Retroreflektor und Erfassen eines zweiten Bilds von den Zielleuchten auf der Kamerabildebene; und mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Lokalisieren eines virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts in der Bildebene, wobei das Lokalisieren mindestens teilweise auf der Grundlage des Bestimmens eines Symmetriepunkts in der Kombination aus dem ersten Bild und dem zweiten Bild erfolgt; und Speichern des Orts des virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts in der Bildebene.
Gemäß einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Bestimmen einer Entsprechung zwischen den Zielleuchten und Elementen im Bild mindestens teilweise auf der Grundlager einer Asymmetrie der Positionen der Zielleuchten am Sechs-DOF-Tastkopf und einer Asymmetrie der Positionen von Elementen im Bild; und Speichern der Entsprechung.
Gemäß einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren: Bereitstellen eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF) mit einer Ansammlung von Zielleuchten, eines Trackers mit einer Sechs-DOF-Kamera, die dazu funktionsfähig ist, die Zielleuchten abzubilden, und eines Lufttemperatursensors; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Bestimmen einer eingestellten Brennweite für die Sechs-DOF-Kamera mindestens teilweise auf der Grundlage einer Lufttemperatur, die vom Lufttemperatursensor gemessen wird; und Speichern der gemessenen Lufttemperatur und der eingestellten Brennweite.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren: Bereitstellen eines Trackers mit einer Sechs-DOF-Kamera und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist; Bewegen des Sechs-DOF-Tastkopfs zu einer Vielzahl von Abständen vom Tracker, wobei der Sechs-DOF-Tastkopf in einer Vielfalt von Posen gehalten wird; an jedem Ort: Zielen eines Strahls vom Tracker auf den Retroreflektor, Messen des Abstands zum Retroreflektor mit dem Tracker, Erfassen eines Bilds von den erleuchteten Zielleuchten mit der Sechs-DOF-Kamera; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Bestimmen der Positionen der Zielleuchten am Sechs-DOF-Tastkopf mindestens teilweise auf der Grundlage der gemessenen Abstände und der erfassten Bilder; und Speichern der gemessenen Positionen der Zielleuchten.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden besser ersichtlich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
Figurenliste
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, sind beispielhafte Ausführungsformen gezeigt, die hinsichtlich des Gesamtumfangs der Offenbarung nicht als einschränkend auszulegen sind und bei denen die Elemente in mehreren FIGUREN gleich nummeriert sind:

1A ist eine isometrische Ansicht eines Lasertrackers und eines Sechs-DOF-Tastkopfs gemäß einer Ausführungsform;
1B und 1C sind Vorder- und Querschnittsansichten der Tracker-Nutzlast gemäß einer Ausführungsform;
1D ist eine Querschnittsansicht optischer Elemente innerhalb des Sechs-DOF-Abbildungssystems des Trackers gemäß einer Ausführungsform;
2A und 2B sind isometrische Ansichten eines Sechs-DOF-Tastkopfs gemäß einer Ausführungsform;
3A und 3B sind eine Vorder- bzw. Seitenansicht eines Sechs-DOF-Tastkopfs gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine isometrische Rückansicht eines Sechs-DOF-Tastkopfs gemäß einer Ausführungsform;
5A, 5B, 5C und 5D sind eine Rück-, Seitenquerschnitts-, vergrößerte Querschnittsdetail- bzw. geneigte Querschnittansicht eines Sechs-DOF-Tastkopfs gemäß einer Ausführungsform;
6 ist ein Blockschaubild elektrischer Elemente innerhalb des Sechs-DOF-Tastkopfs gemäß einer Ausführungsform;
7 ist ein Blockschaubild, das elektrische Verbindungen mit einer programmierbaren Logikvorrichtung innerhalb des Sechs-DOF-Tastkopfs gemäß einer Ausführungsform zeigt;
8 ist ein Blockschaubild der Elektronik, die mit dem Bildsensor in einer Sechs-DOF-Kamera innerhalb des Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform verknüpft ist;
9 ist ein Blockschaubild, das Verbindungen zu einer feldprogrammierbaren Gatteranordnung zeigt, die Bilddaten von der Sechs-DOF-Kamera gemäß einer Ausführungsform empfängt;
10 ist ein Blockschaltbild der Elektronik innerhalb des Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform;
11A veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Bezugsrahmen des Sechs-DOF-Tastkopfs, dem Bezugsrahmen der Sechs-DOF-Kamera, den Koordinaten der virtuellen Bildebene, dem Zenit-Bezugsrahmen und dem Tracker-Bezugsrahmen gemäß einer Ausführungsform;
11B ist eine schematische Darstellung des Objekts, Bilds und Perspektivenzentrums aus 11A;
12 ist ein Blockschaubild, das Elemente in einem Verfahren zur Bestimmung von 3D-Koordinaten einer Tastspitze gemäß einer Ausführungsform zeigt;
13 ist ein Blockschaubild, das Elemente in einem Verfahren zum Lokalisieren eines virtuellen Scheitelpunkts in der Sechs-DOF-Kamera gemäß einer Ausführungsform zeigt;
14, 15A und 15B veranschaulichen Kompensationsverfahren für verschiedene Tasterarten gemäß einer Ausführungsform;
16 kennzeichnet die Zielleuchten am Sechs-DOF-Tastkopf gemäß einer Ausführungsform;
17, 18A, 18B, 18C, 19A, 19B, 19C, 20 und 20B veranschaulichen Aspekte eines Rekonstruktionsverfahrens zur Bestimmung der Positionen der Zielleuchten an einem Sechs-DOF-Tastkopf gemäß einer Ausführungsform;
21 zeigt Diagramme einer bestimmten Brennweite in Abhängigkeit von der gemessenen Lufttemperatur;
22A und 22B veranschaulichen ein Bild wie ursprünglich erfasst bzw. nach der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform; und
23 veranschaulicht die Bedeutung von Bildkonturen gemäß einer Ausführungsform;

Die detaillierte Beschreibung erläutert beispielhaft Ausführungsformen der Offenbarung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin bereitgestellte Ausführungsformen beinhalten einen Lasertracker, der in Verbindung mit einem Sechs-DOF-Tastkopf verwendet wird, um 3D-Koordinaten zu messen. Vorteile der vorliegenden Ausführungsformen sind unter anderem Auswählen erleuchteter Zielleuchten bevorzugt gegenüber unerwünschtem Hintergrundlicht, Erhalten einer Entsprechung zwischen Bildpunkten und Zielleuchten und im zweckmäßigen Erhalten von Kompensationsparametern für das System.
In 1A-1D sind ein Lasertracker 10 und ein Sechs-DOF-Tastkopf 200 gezeigt. Auch wenn die Messvorrichtung als Lasertracker bezeichnet wird, dient der Ausdruck Lasertracker hier als allgemeine Bezeichnung für eine Vorrichtung, die dazu fähig ist, einen Lichtstrahl auf ein Ziel, einen Tastkopf oder Punkt zu lenken, um 3D- oder Sechs-DOF-Werte zu messen. Es sollte ersichtlich sein, dass Ausführungsformen hierin zwar einen Lasertracker bezeichnen können, der ein Laserlicht wirft, dies aber beispielhaften Zwecken dient und die Ansprüche nicht darauf beschränkt sein sollen. Bei anderen Ausführungsformen kann es sich bei der Lichtquelle um eine Superlumineszenzdiode, eine Leuchtdiode (LED) oder eine andere Lichtquelle handeln.
Bei einer in 1A veranschaulichten Ausführungsform sendet der Lasertracker 10 ein austretendes Licht 90 durch eine Austrittsöffnung 74 zu einem Retroreflektor 205 (in 2A gezeigt). Der Retroreflektor 205 sendet das Licht entlang eines parallelen Wegs als rücklaufendes Licht 92 zurück, das ein zweites Mal durch die Austrittsöffnung 74 tritt. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der Tracker 10 eine Basisbaugruppe 30, eine Jochbaugruppe 60 und eine Nutzlastbaugruppe 70. Ein äußerer Abschnitt der Nutzlastbaugruppe 70 beinhaltet Nutzlastbaugruppenabdeckungen 72, eine erste Zielkamera 76, eine zweite Zielkamera 78 und Nutzlastanzeigeleuchten 80. Bei einer Ausführungsform emittieren die Anzeigeleuchten 80 eine vorbestimmte erste Farbe wie beispielsweise grün, um ein gefundenes Ziel anzuzeigen, eine zweite vorbestimmte Farbe wie beispielsweise rot, um Messen anzuzeigen, und andere vorbestimmte Farben wie beispielsweise blau oder gelb für benutzerdefinierbare oder Sechs-SOF-Anzeigen. Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein äußerer Abschnitt der Jochbaugruppe 60 Jochbaugruppenabdeckungen 62 und Jochanzeigeleuchten 64. Bei einer Ausführungsform sind die Jochanzeigeleuchten 64 vorteilhafterweise aus großen Entfernungen von Tracker sichtbar. Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein äußerer Abschnitt der Basisbaugruppe 30 Basisbaugruppenabdeckungen 32 und magnetische Grundpositionsnester 34, die dazu funktionsfähig sind, SMRs verschiedener Durchmesser zu halten. Bei einer Ausführungsform nehmen drei magnetische Grundpositionsnester 34 SMRs mit Durchmessern von 1,5 Zoll, 0,875 Zoll und 0,5 Zoll auf. Bei einer Ausführungsform ist wahlweise ein Dorn 20 an einem unteren Abschnitt des Lasertrackers 10 angebracht.
Die Basisbaugruppe 30 ist normalerweise stationär in Bezug auf den Arbeitsbereich, beispielsweise auf einem Instrumentenständer oder einem Industriestativ montiert, möglicherweise mit einem Dorn 20, der zwischen dem Lasertracker 10 und einer Halterung platziert ist. Die Jochbaugruppe 60 dreht sich um eine Azimutachse 12, die manchmal als stehende Achse oder vertikale Achse bezeichnet wird, obwohl ersichtlich sein sollte, dass der Lasertracker 10 im Allgemeinen umgekehrt positioniert sein kann oder bezüglich des Bodens in einen beliebigen Winkel gedreht sein kann. Die Nutzlastbaugruppe 70 dreht sich ferner um eine Zenitachse 14, die manchmal als Transitachse oder horizontale Achse bezeichnet wird.
1B ist eine Vorderansicht der Nutzlastbaugruppe 70. 1C ist eine Querschnittsansicht A-A, die Optikelemente innerhalb der Nutzlastbaugruppe 70 zeigt. Optikelemente, die hauptsächlich entlang eines mittigen Abschnitts der Nutzlastbaugruppe 70 angeordnet sind, sind unter anderen eine Lichtwerfer-/Kollimatorbaugruppe 110 und eine Positionsdetektorbaugruppe 120. Die Positionsdetektorbaugruppe 120 beinhaltet einen Positionsdetektor 126, der auf einer Schaltungsplatine montiert ist. Der Positionsdetektor 126 ist ein Detektor, der Licht in elektrische Signale umwandelt und ferner sekundäre elektrische Signale bereitstellt, die eine Bestimmung einer Position ermöglichen, an der Licht auf einen Oberflächenbereich des Positionsdetektors 126 auftrifft. Beispiele für Positionsdetektoren sind unter anderem ein Seiteneffektdetektor, ein Quadrantendetektor, eine komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Anordnung und ein ladungsgekoppelter Detektor (CCD).
Die Positionsdetektorbaugruppe 120 dient normalerweise dazu, den austretenden Lichtstrahl 90 auf einem beweglichen Retroreflektor wie etwa dem Retroreflektor 205 zentriert oder fast zentriert zu halten, wodurch der rücklaufende Lichtstrahl 92 veranlasst wird, demselben Weg zu folgen wie der austretende Lichtstrahl 90. Ein Steuersystem veranlasst den Trackermotor, den Strahl zu lenken, um den Strahl in Bewegung zur Mitte des Positionsdetektors 126 hin zu halten, wodurch eine Verfolgung des Retroreflektors mit dem Lasertracker 10 ermöglicht wird. In der Praxis kann der rücklaufende Strahl etwas von einer Mitte des Positionsdetektors 126 abweichen, wenn der austretende Strahl auf einem Retroreflektor genau zentriert ist. Die Position des rücklaufenden Strahls auf dem Positionsdetektor 126 wird, wenn der austretende Strahl auf dem Retroreflektor zentriert ist, als Strahlrücklaufposition bezeichnet.
Eine Optikfaser 111 wirft ein erstes Licht mit einer ersten Wellenlänge aus dem Tracker 10 und leitet das erste Licht durch die Optikfaser an ein ADM-Modul 130 zurück, das den Abstand zu einem Retroreflektor wie etwa dem Retroreflektor 205 misst. Bei einer Ausführungsform ist das erste Licht sichtbares Licht (gewöhnlich als Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 700 nm definiert), das durch einen Laser erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform ist das sichtbare Licht rotes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 630 nm und 640 nm. Bei einer Ausführungsform läuft das erste Licht von der Optikfaser 111 durch Linsen 1114 in der Lichtwerfer-/Kollimatorbaugruppe 110, bevor es durch einen zweiten Strahlteiler 106, einen ersten Strahlteiler 104 und ein Fenster 102 läuft. Das austretende Licht 90 läuft weiter zum Retroreflektor 205, der das rücklaufende Licht 92 zurück auf einem Weg parallel zum Eintrittsweg sendet. Bei einer Ausführungsform ist der erste Strahlteiler 104 ein dichroitischer Strahlteiler, der die erste Wellenlänge durchlässt und eine zweite Wellenlänge reflektiert. Bei einer Ausführungsform reflektiert der zweite Strahlteiler 106 einen kleinen Teil des rücklaufenden Lichts auf die Positionsdetektorbaugruppe 120. Der Rest des rücklaufenden Lichts tritt in die Lichtwerfer-/Kollimatorbaugruppe 110 ein, wo er in die Optikfaser 111 eingekoppelt wird, bevor er weiter zum ADM-Modul 130 läuft. Der Lasertracker beinhaltet Motoren, die den Lichtstrahl 90 um die Achsen 12, 14 lenken, um den Lichtstrahl auf der Rücklaufposition der Positionsdetektoroberfläche zentriert zu halten. Wenn eine solche Zentrierung auf der Rücklaufposition erreicht ist, trifft der Lichtstrahl 90 den Scheitelpunkt des Retroreflektors 205 und der Weg des austretenden Lichts 90 stimmt mit dem Weg des rücklaufenden Lichts 92 überein.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet der Tracker 10 ferner ein Sechs-DOF-Abbildungssystem 140, auch als Sechs-DOF-Kamera 140 bezeichnet, die in 1D detaillierter beschrieben wird. Das rücklaufende Licht 92 vom Retroreflektor 205 läuft durch das Fenster 102 und wird vom ersten Strahlteiler 104 reflektiert, der ein dichroitischer Strahlteiler ist, der das erste Licht durchlässt und das zweite Licht reflektiert. Bei einer Ausführungsform lässt der dichroitische Strahlteiler 104 rotes Licht durch den Strahlteiler 104 durch und reflektiert Nahinfrarot-Wellenlängen. Bei einer Ausführungsform hat das rote Licht eine Wellenlänge von ca. 635 nm und das Nahinfrarotlicht hat eine Wellenlänge von ca. 850 nm.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Sechs-DOF-Abbildungssystem 140 ein erstes Risley-Prisma 141A, ein zweites Risley-Prisma 141B, ein optisches Bandpassfilter 142, einen Spiegel 143, erste Kameralinsenelemente 144, eine Aperturblende 145, zweite Kameralinsenelemente 146, eine lichtempfindliche Anordnung 147 und eine Leiterplatte 148. Bei einer Ausführungsform ist jedes der Risley-Prismen 141A, 141B ein identisches, relativ dünnes Keilprisma. Indem der Drehwinkel jedes der Risley-Prismen 141A, 141B unabhängig eingestellt wird, kann der Strahl in eine gewünschte Richtung gelenkt werden. Der Zweck der Risley-Prismen 141A, 141B besteht darin, das Licht zu zentrieren, das vom dichroitischen Strahlteiler 104 auf die nachgelagerten Elemente des Sechs-DOF-Abbildungssystems 140 reflektiert wird.
Das optische Bandpassfilter 142 blockiert Wellenlängen außerhalb eines Bands von Wellenlängen, die um die Wellenlänge des zweiten Lichts zentriert sind, die bei einer zweiten Ausführungsform ca. 850 nm beträgt. Der Zweck des optischen Bandpassfilters 142 besteht darin, Licht außerhalb der Wellenlängen der Zielleuchten 212 (2A) zu blockieren, die auf der lichtempfindlichen Anordnung 147 abgebildet werden. Die ersten Linsenelemente 144 und die zweiten Linsenelemente 146 arbeiten mit der Aperturblende 145 zusammen, um die Zielleuchten 212 auf der lichtempfindlichen Anordnung 147 abzubilden (2, 3A, 3B). Bei einer Ausführungsform sind die Kameraelemente 144, 145, 146 so ausgelegt, dass sie die Zielleuchten 212 auf die lichtempfindliche Anordnung 147 fokussieren, wenn sich der Sechs-DOF-Tastkopf 200 ca. sieben Meter vom Tracker 10 befindet. Bei einer Ausführungsform erzeugen die Kameralinsenelemente 144, 145, 146 Bilder mit leicht verwischten LED-Bildern über einen Bereich von 2,5 Metern bis 15 Metern. Bei anderen Ausführungsformen ist das Abbildungssystem dazu ausgelegt, das Abbilden in anderen Abständen zu verbessern. Bei einer Ausführungsform hat das Linsensystem, das die Kameraelemente 144, 145, 146 beinhaltet, eine Brennweite von 100 mm und eine Blendenzahl von 32 mit einer resultierenden Seidelschen Verzerrung dritter Ordnung von weniger als 0,07 Prozent. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der lichtempfindlichen Anordnung 147 um einen CMOSIS CMV2000, hergestellt von AMS Sensors Belgium in Antwerpen, Belgien. Der CMV2000 ist ein hochempfindlicher CMOS-Bildsensor mit Pipelined Global Shutter-Technik und einer Auflösung von 2048 x 1088 Pixeln. Der Bildgeber erzeugt 340 Einzelbilder pro Sekunde (frames per second - fps) mit 10 Bits pro Pixel oder 70 fps mit 12 Bits pro Pixel.
Die 2, 3A, 3B, 4 zeigen eine isometrische, Vorder-, Seiten- bzw. isometrische Rückansicht des Sechs-DOF-Tastkopfs 200. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der Sechs-DOF-Tastkopf 200 einen Körper 202, eine Retroreflektorbaugruppe 204, eine Zielleuchtenbaugruppe 210, eine Tasterbaugruppe 220, Tastenbetätigungselemente 230 und Benutzerschnittstellen-(user interface - UI)/Anzeigenelemente 240. Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Retroreflektorbaugruppe 204 einen Retroreflektor 205 und einen Bund 207. Bei einer Ausführungsform handelt es sich beim Retroreflektor 205 um einen Würfelecken-Retroreflektor mit drei zueinander senkrechten ebenen Reflektoren, die sich in einem Scheitelpunkt 206 schneiden, wobei jeder der Retroreflektoren in Kontakt mit Luft steht. Bei einer anderen Ausführungsform besteht der Retroreflektor aus Glas. Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Zielleuchtenbaugruppe 210 Zielleuchten 212, die jeweils einen Haltering 214 aufweisen, der sie am Körper 202 befestigt. Bei einer Ausführungsform besteht ein vorderer Abschnitt des Körpers 202 aus Aluminium und besteht ein hinterer Abschnitt des Körpers aus Kunststoff. Bei einer Ausführungsform befinden sich die elf Zielleuchten 212 in fünf verschiedenen Ebenen, wie es am einfachsten in 3A, 3B zu erkennen ist. Einige der Zielleuchten 212 sind auf Sockeln 216 montiert.
Bei einer Ausführungsform gibt es vier Tastenbetätungselemente 230, wobei sich zwei der Tastenbetätigungselemente 230 wie in 2A gezeigt rechts am Tastkopf befinden und zwei der Tastenbetätigungselemente 230 symmetrisch links am Tastkopf befinden. Bei einer Ausführungsform sind die vier Benutzer-Betätigungselemente benutzerprogrammierbar zur Benutzung durch Anwendungssoftware. Eine solche Anwendungssoftware akzeptiert 3D-Punkte, die vom Tracker 10 erhalten werden, der in Kombination mit dem Sechs-DOF-Tastkopf 200 wirkt. Ein Beispiel für vier mögliche Funktionen der vier Tastenbetätungselemente 230 sind (1) Start/Stopp, (2) Messung annehmen, (3) Messung ablehnen und (4) mich finden. In diesem Beispiel könnte die Start-/Stopp-Funktion entweder umgesetzt sein, um eine Messung zu starten, wenn die Taste gedrückt wird, und die Messung fortzusetzen, solange die Taste gedrückt gehalten wird. Alternativ könnte die Funktion umgesetzt sein, die Messung zu starten, wenn die Taste gedrückt wird, und dann fortzusetzen, bis die Taste ein zweites Mal gedrückt wird. Die Funktion „mich finden“ könnte einen Lasertracker 10 veranlassen, seine Zielkameras 76, 78 dazu einzusetzen, den Retroreflektor zu finden und auf den Retroreflektor 205 zu zielen. Bei einer Ausführungsform ermöglichen Bandmontagelöcher 203 eine Befestigung einer Bandschnur am Körper 202.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Tasterbaugruppe 220 einen Schaft 222 und eine Tastspitze 224. Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Tasterbaugruppe 220 ferner eine Tasterverlängerung 226, die die Länge der Tasterbaugruppe unterhalb des Körpers 202 weiter verlängert wie in 2B gezeigt.
4 ist eine isometrische Rückansicht des Sechs-DOF-Tastkopfs 200. 4 zeigt UI-/Anzeigeelemente 240, die eine Ein-/Aus-Taste 241, einen Sperrhebel 242, eine Batteriefachklappe 243 und Anzeigeleuchten 245A, 245B, 245C, 245D, 245E beinhalten. Bei einer Ausführungsform wird die Batteriefachklappe 243 in zwei Versionen geliefert, eine mit einem integrierten Griff 244 wie in 4 gezeigt und eine ohne den integrierten Griff 244. Der Sperrhebel 242 ermöglicht Lösen und Versperren der Batteriefachklappe 243 am Körper 202, entweder mit oder ohne den Griff 244. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei den Anzeigeleuchten 245A, 245B, 245C, 245D, 245E um LEDs, wobei die Anzeigeleuchten 245C, 245D, 245E ferner Abdecklinsen aufweisen, die zur Form des Körpers 202 passen. Bei einer Ausführungsform handelt sich bei der Anzeigeleuchte 245A um eine Leistungsanzeige, die blau leuchtet, wenn die Leistung eingeschaltet ist, und sich abschaltet, wenn die Leistung abgeschaltet ist. Bei einer Ausführungsform zeigt die Anzeigeleuchte 245B grün, orange, rot oder blinkend rot an, wenn die in der Batterie verbleibende Ladung 54 %-100 %, 17 %-54 %, 5 %-17 % oder 0 %-5 % beträgt. Bei einer Ausführungsform zeigen die Anzeigeleuchten 245C, 245D, 245E den Trackerstatus, eine Tracker-Tastkopf-Paarung bzw. den Sechs-DOF-Tastkopf-Status an. Bei einer Ausführungsform zeigt die Anzeigeleuchte 245C den Trackerstatus durch Nachahmen der Farben der Jochanzeigeleuchten 64 des Trackers 10 an. Bei einer Ausführungsform können sich sowohl die Jochanzeigeleuchten 64 und die Anzeigeleuchten 245C in einem Zustand befinden, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus blinkend grün, beständig grün, beständig rot oder aus: aus, wenn der Tracker nicht auf einen Retroreflektor gezielt ist, blinkend grün, wenn der Tracker auf den Tracker gezielt ist, aber der Trackerzustand nicht gültig ist, beständig grün, wenn der Tracker bei gültigem Trackerzustand auf dem Retroreflektor gezielt ist, und beständig rot, wenn der Tracker auf den Retroreflektor gezielt ist und eine Messung durchführt. Beispiele für mögliche Gründe für einen ungültigen Trackerzustand sind unter anderem: (1) Lufttemperatursensor nicht am Tracker befestigt und (2) Tracker nach dem Einschalten nicht in Grundposition. Bei einer Ausführungsform zeigt die Anzeigeleuchte 245D, ob der Sechs-DOF-Tastkopf 200 mit einem Tracker 10 gepaart ist. Bei einer Ausführungsform kann die Anzeigeleuchte 245D aus, beständig blau, blinkend blau oder blinkend rot sein entsprechend der Paarung des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 und des Trackers 10: aus, wenn nicht gepaart, beständig blau, wenn gepaart, blinkend blau, wenn die Paarung im Gange ist, und blinkend rot, wenn die Paarung fehlgeschlagen ist. Bei einer Ausführungsform blinken die Anzeigeleuchten 245C, 245E ebenfalls rot, wenn die Paarung fehlgeschlagen ist. Bei einer Ausführungsform kann die Anzeigeleuchte 245E aus, grün, blinkend gelb oder beständig gelb sein: aus, wenn der Tracker 10 nicht auf den Retroreflektor 205 gezielt ist, grün, wenn der Sechs-DOF-Tastkopf 200 bereit für die Durchführung von Sechs-DOF-Messungen ist, blinkend gelb, wenn der Tastkopf relativ nahe am Rand des Winkelmessbereichs des Tastkopfs ist, und beständig gelb, wenn der Tastkopf jenseits des Winkelmessbereichs des Tastkopfs ist. Bei einer Ausführungsform zeigt die Blinkgeschwindigkeit des Tastkopfs bei blinkend gelb die relative Nähe des austretenden Lichtstrahls 90 und des rücklaufenden Lichtstrahls 92 zum Rand des Winkelmessbereichs des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 an.
5B ist eine Querschnittsseitenansicht des Sechs-DOF-Tastkopfs 200. Eine vergrößerte Ansicht einer Zielleuchtenbaugruppe 500, die die Zielleuchte 212 und umgebende Komponenten beinhaltet, ist in 5C gezeigt. Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Zielleuchte 212 eine LED 502, ein Aperturelement 513, einen Haltering 214 und eine Fassung 515. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der LED 502 in jeder der elf Zielleuchten 212 um eine hochleistungsfähige Infrarot-Leuchtdiode (LED) Optodiode OD-250, die eine Packung mit einer Oberfläche 504 beinhaltet, auf der ein kleiner LED-Chip 503 mit Drahtbondungen an den Chip-Ecken montiert ist. Das Modell OD-250 wird von Opto Diode Corporation in Camarillo, Kalifornien, hergestellt. Bei einer Ausführungsform weist die LED-Oberfläche 504 eine nichtreflektierende schwarze Beschichtung auf. Bei einer Ausführungsform beinhaltet die LED 502 eine Einkapselungslinse 505 und drei Leitungen, die von der Fassung 515 gehalten werden. Bei einer Ausführungsform verlaufen zwei Drähte von den Fassungsleitungen zu einem Steckverbinder auf einer Tastkopfplatine 530. Die LED 502 erzeugt einen relativ sehr gleichmäßigen Optikstrahl, der über einen Strahlwinkel halber Intensität von 110 Grad emittiert wird. Bei einer Ausführungsform ist die LED 502 in das Aperturelement 513 eingegossen, das mit dem Haltering 214 am Körper 202 befestigt ist. Bei einer Ausführungsform besteht das Aperturelement 513 aus dem Kunststoff Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), der die LED 502 gegen die Umgebung abdichtet und die LED 502 gegen die Metallstrukturen isoliert. Bei einer Ausführungsform sind die elf Zielleuchten 212 an elf Steckverbindern auf der Tastkopfplatine 530 angebracht.
Bei einer Ausführungsform wird der Sechs-DOF-Tastkopf 200 von einer Batteriebaugruppe 520 gespeist, die eine Batterie 522, einen Batteriekasten 523, ein Batterieklappen-Einsatzteil 524 und eine Batteriefachklappe 243 beinhaltet. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Batterie um einen aufladbaren Lithium-Ionen-Batteriepack. Bei einer Ausführungsform ist das Batterieklappen-Einsatzteil 524 an der Batteriefachklappe 243 befestigt. Bei einer Ausführungsform stellt die Batterie 522 Leistung für die Elemente des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 bereit, wenn die Ein-/Aus-Taste 241 hineingedrückt ist. Schaltungsplatinen, die elektrische Leistung empfangen, sind unter anderem die Tastkopfplatine 530, eine Haupttastenplatine 540, eine HF-Modulplatine 550 und zwei Temperatursensorplatinen 560A, 560B. Ein HF-Modul 551 und eine HF-Antenne 552 sind mit der HF-Modulplatine 550 verbunden. Die Temperatursensorplatine 560B ist in 5B nicht sichtbar, weist aber dieselben Komponenten auf wie die Temperatursensorplatine 560A, nur befindet sie sich in einem oberen Teil des Sechs-DOF-Tastkopfs 200. 5D ist eine isometrische Ansicht ähnlich 5B, aber leicht geneigt.
6 ist ein elektrisches Blockschaltbild 600 des Sechs-DOF-Tastkopfs 200. Das Blockschaltbild 600 beinhaltet viele Elemente, die auch in den 5B, 5C, 5D gezeigt sind: die Leistungs- oder Ein-/Aus-Taste 241, die Batterie 522, die Tastkopfplatine 530, die elf LEDs 502, die Tastenplatine 540, die seitlichen Tastenbetätigungselemente 230, die Anzeigeleuchten 245A, 245B, 245C, 245D, 245E, die Hochfrequenz (HF)-Modulplatine 550 und die Temperatursensorplatinen 560A, 560B. Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Tastkopfplatine 530 eine programmierbare Logikvorrichtung (Programmable Logic Device - PLD) 531, die die Hauptverarbeitungsleistung des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 bereitstellt. Die PLD 531 und ihre Verbindungen zu anderen elektrischen Platinen und Komponenten sind in 7 gezeigt. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der PLD 531 um eine PLD MACHXO2, hergestellt von Lattice Semiconductor Corporation, einem Unternehmen mit Sitz in Portland, Oregon.
Wie im Verbindungsschaubild 700 von 7 gezeigt, werden die Verbindungen zu anderen elektrischen Platinen und Komponenten durch verschiedene Arten von Schnittstellen hergestellt: universeller Eingang/Ausgang (GPIO), serielle periphere Schnittstelle (SPI), interintegrierte Schaltung (I2C) und universeller asynchroner Empfänger-Sender (UART). Ein GPIO ist ein nicht zweckgebundener Digitalsignalstift an der PLD, dessen Funktion in der Laufzeit vom Benutzer bestimmt wird. Eine SPI ist eine synchrone serielle Kommunikationsschnittstelle, die Mitte der 1980-er Jahre von der Motorola Corporation entwickelt wurde und seither zum De-facto-Standard der Industrie wurde. Ein 12C ist ein synchroner, Multi-Master-, paketgeschalteter, einendiger serieller Computerbus, der 1982 von Philips Semiconductor Corporation (jetzt NXT Semiconductors N.V. aus Eindhoven, Niederlande) entwickelt wurde. 12C ist nun ein De-Facto-Standard in der Industrie. Ein UART ist eine Computer-Hardwarevorrichtung für asynchrone serielle Kommunikation, bei der das Datenformat und die Übertragungsgeschwindigkeiten konfigurierbar sind.
Bei einer Ausführungsform liefert die Batterie 522 Leistung an eine Batteriewächterschaltung 702, die einen Analog-Digital-Wandler (ADC) nutzt, um die Spannung zu messen und die gemessene Batteriespannung über eine SPI an die PLD 531 zu senden. Die PLD 531 nutzt die gemessene Batteriespannung zum Einstellen der Farbe der Anzeigeleuchte 245A wie oben unter Bezugnahme auf 5A beschrieben. Bei einer Ausführungsform ist die Batterie auch mit den Leistungsversorgungseinheiten 720 verbunden, die 1,2, 3,3 und 5 Volt an Komponenten innerhalb des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 bereitstellen.
Bei einer Ausführungsform ist die Sammlung von elf LEDs 502 in eine obere Bank von LEDs 703 und eine untere Bank von LEDS 706 unterteilt, die durch eine Aktivierungsfunktion für die obere Bank 704 bzw. eine Aktivierungsfunktion für die untere Bank 707 aktiviert werden. Signale zur Erleuchtung der LEDs werden über den GPIO an die LED-Treiber 705 bzw. 708 gesendet. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei den LED-Treibern 705, 708 um hochpegelseitige Feldeffekttransistor (FET)-Lastschalter wie etwa einen Micrel-Chip MIC94053, hergestellt von Micrel Incorporated in San Jose, Kalifornien. Die FETs empfangen eine Spannung von der PLD 531 und stellen einen Strom bereit, um die LEDs in den Bänken 703, 706 anzusteuern.
Bei einer Ausführungsform sendet die PLD 531 GPIO- und I2C-Signale an die Tastenplatine. Die Signale am 12C laufen zu einem oder mehreren LED-Treibern 246, die Strom für die Anzeigeleuchten 245A, 245B, 245C, 245D, 245E bereitstellen, die bei einer Ausführungsform rot-blaue, grüne (RBG) LEDs sind, wobei die roten, grünen und blauen LEDs jeweils mit einem separaten Strom versorgt werden. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei den LED-Treibern 246 um Chips PCA9635, hergestellt von NXP B.V. mit Sitz in Eindhoven, Niederlande. Bei einer Ausführungsform kommunizieren die Temperatursensorplatinen 560A, 560B, die am Körper 202 angebracht sind, über einen 12C mit der PLD 531. Bei einer Ausführungsform kommuniziert eine Trägheitsmesseinheit (IMU) 710 über die SPI mit der PLD 531. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der IMU 710 um einen immer eingeschalteten 3D-Beschleunigungsmesser und ein 3D-Gyroskop LSM6DS3H, hergestellt von STMicroelectronics NV in Genf, Schweiz.
Bei einer Ausführungsform kommuniziert die PLD 531 über einen UART und GPIO mit dem HF-Modul 551 wie etwa einem drahtlosen ISM-Band-Mehrpunktmodul mit 2,4 GHz der Serie RM024 von Laird, das unter Verwendung des Frequenzspreizverfahrens (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) betrieben wird. Bei einer Ausführungsform ist das HF-Modul 551 mit einer HF-Antenne 552 wie etwa einer LSR-Antenne FlexPIFA mit 2,4 GHz verbunden, hergestellt von LS Research, LLC, in Cedarburg, Wisconsin. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt die drahtlose Kommunikation zwischen dem Lasertracker 10 und dem Sechs-DOF-Tastkopf 200 mithilfe eines andersartigen HF-Verfahrens oder drahtloser optischer Kommunikation. Beispiele für derartige drahtlose Kommunikationsverfahren und -vorrichtungen, die genutzt werden können, sind unter anderem Wi-Fi, Bluetooth und LTE. Wi-Fi ist eine Technologie von Vorrichtungen auf der Grundlage der Normen IEEE 802.11. Bluetooth ist eine Drahtlostechnologie, die ursprünglich von der Norm IEEE 802.15.1 spezifiziert wurde, aber heute von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) verwaltet wird. Bluetooth Klasse 1 hat eine typische Reichweite von 100 Metern, während Bluetooth Klasse 2 eine typische Reichweite von 10 Metern hat. Long-Term Evolution (LTE) ist eine Norm für schnelle drahtlose Kommunikation für mobile Vorrichtungen, die für die HF-Kommunikation zwischen dem Lasertracker 10 und dem Sechs-DOF-Tastkopf 200 genutzt werden können. Bei einer Ausführungsform greift die PLD 531 auf den Speicher 712 wie etwa einen als 12C ausgeführten seriellen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) zu.
Bei einer Ausführungsform wird die Elektronik zur Unterstützung einer Sechs-DOF-Messung im Tracker 10 der Elektronik des Drei-DOF-Trackers hinzugefügt. Bei einer Ausführungsform sind die Hauptelemente der Sechs-DOF-Elektronik im Tracker 10 in den 8, 9 gezeigt. 8 zeigt Elektronik auf einer Bildgeberplatine 800, die die lichtempfindliche Anordnung 147 beinhaltet, die auch als Bildsensor 147 oder Bildgeber 147 bezeichnet wird. Der Bildgeber 147 bildet ein Bild von den Zielleuchten 212 und sendet die resultierenden Bilddaten 820 im Format der Niederspannungs-Differenzsignalisierung (low-voltage differential signaling - LVDS) durch einen Bildgeber-Bandsteckverbinder 830 an eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA) 910 auf einer Bilderkennungsplatine (image identification - ID) 900 wie in 9 gezeigt. Der Bildgeber 147 tauscht auch SPI-Steuer- und Signalisierungssignale 822 mit dem FPGA 910 aus. Bei einer Ausführungsform stellt der FPGA 910 auch eine Gigabit-Ethernet (GigE)-Schnittstelle durch einen GigE-Sendeempfänger 930 bereit. Der GigE-Sendeempfänger stellt eine Option für eine direkte Verbindung zum Sechs-DOF-Tastkopf 200 durch drahtgebundene Kommunikationskanäle statt drahtloser Kommunikationskanäle bereit.
Verarbeitete Bilddaten werden vom FPGA an eine Nutzlast-Digitalsteuerungs- (PDC)-Platine 950 durch die Verbindung 952 gesendet, die auch im Blockschaubild der Trackerelektronik 1000 in 10 gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform sind grundlegende Schaltungsplatinen zur Gewinnung von 3D-Messdaten unter anderem eine Azimutkodiererplatine 1002, eine Zenitkodiererplatine 1004, eine Positionsdetektorplatine 1006, ein ADM-Modul 130, eine Analog-Digital-Wandler- (ADC-)Platine 1010 und eine Nutzlast-Digitalplatine 1012. Die Azimutkodiererplatine 1002 und die Zenitkodiererplatine 1004 verarbeiten vom Winkelkodierer gelesene Tastkopfinformationen von der Azimut- bzw. Zenitkodiererplatine und kommunizieren mit der Azimutmotorplatine 1003 bzw. der Zenitmotorplatine 1005. Die Positionsdetektorplatine 1006 bestimmt die Position, an der das Licht den Positionsdetektor 126 trifft. Das ADM-Modul 130 stellt eine HF-Modulation und -Verarbeitung bereit, und die ADC-Platine 1010 digitalisiert Signale vom ADM-Modul 130 und dem Positionsdetektor 126. Die Nutzlast-Digitalplatine 1012 stellt eine elektrische Verarbeitung für die erste Zielkamera 76 und die zweite Zielkamera 78 bereit und kommuniziert mit der Kameraprozessorplatine 1014. Diese oben beschriebenen grundlegenden Schaltungsplatinen kommunizieren bidirektional mit einer Synchronisations- (Sync-)Platine 1017, die ADM-Berechnungen durchführt, Positionsdetektordaten verarbeitet, die Trackerdaten auf ein kHz synchronisiert und eine ADM-Kalman-Filterungsberechnung mit einer 15-kHz-Frequenz durchführt.
Bei einer Ausführungsform kommunizierten die Sync-Platine 1017 und die Kameraprozessorplatine 1014 beide mit einer Echtzeit-Prozessorplatine 1016. Die Echtzeit-Prozessorplatine 1014 stellt ein Echtzeit-Betriebssystem bereit. Es ist zuständig für die Erfassung von Azimut-, Zenit- und ADM-Daten; für die Herstellung der 1-kHz-Steuerschleife; für die Erzeugung der 1-kHz-Sync-Verriegelung; für die Korrektur der Messwerte des Positionsdetektors; für die Erzeugung eines 32-Bit-Zeitstempels und seine Anbringung an die Messwerte; für die Erzeugung von Drei-DOF-Werten; und für die Verschmelzung von Messwerten von einem Sechs-DOF-Tastkopf 200 zur Gewinnung von Sechs-DOF-Messwerten.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Kameraprozessorplatine 1014 ein Computerbetriebssystem wie etwa das Betriebssystem Linux. Die Kameraprozessorplatine 1014 führt eine Kamerasteuerung, Kameraverarbeitung, Gestenverarbeitung, Verarbeitung der SMR-Position mithilfe von zwei Kameras und Wi-Fi-Verarbeitung durch. Die Kameraprozessorplatine 1014 ist mit einem Drahtlosmodul (Tochterplatine) 1015 verbunden, das Wi-Fi und Bluetooth (IEEE 802.15.1) für Rechenvorrichtungen 1060 wie etwa Laptops, Notepads und Smartphones bereitstellt. Die Kameraprozessorplatine 1014 stellt durch Ethernet und Wi-Fi auch eine Schnittstelle für die Kommunikation mit externen Computern und Netzwerken 1062 bereit. Es sollte ersichtlich sein, dass viele Arten von Trackerelektronik verwendet werden können, um die Funktionen des Lasertrackers 10 durchzuführen. Es können mehr oder weniger Verarbeitungskomponenten verwendet werden und manche hier beschriebenen Verfahren oder Verarbeitungen können durch Prozessoren außerhalb des Lasertrackers 10 durchgeführt werden. Es können weniger Schaltungsplatinen verwendet werden, um die gewünschten Schaltungskomponenten unterzubringen, oder in weitere Schaltungsplatinen unterteilt werden. Wie hierin verwendet, beinhaltet der Ausdruck Prozessor einen Speicher (flüchtig und nichtflüchtig), der dazu dient, Informationen, computerausführbare Anweisungen und Zwischenergebnisse zu speichern.
Zur Bestimmung der 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 werden Transformationen unter Bezugsbildrahmen 1100 durchgeführt, die in 11A, 11B veranschaulicht sind. In 11A werden Elemente des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 einschließlich des Retroreflektors 205, der Tastspitze 224 und einer repräsentativen Zielleuchte 212 gezeigt. Der Sechs-DOF-Tastkopf 200 weist einen Bezugsrahmen 1160 (X_P , Y_P , Z_P ) mit einem Nullpunkt 1162 auf, der bei einer Ausführungsform auf dem Scheitelpunkt des Retroreflektors 205 liegt. Der Lasertracker 10 beinhaltet einen Kamera-Bezugsrahmen 1110 (Xc, Yc, Zc), einen Zenit-Bezugsrahmen 1130 (X_ZE , Y_ZE , Z_ZE ) und einen Tracker-Bezugsrahmen 1140 (X_T , Y_T , Z_T ), wobei diese die Nullpunkte 1112, 1132 bzw. 1142 haben. Der Kamera-Bezugsrahmen 1110 ist bezüglich der Sechs-DOF-Kamera 140 stationär und hat bei einer Ausführungsform einen Nullpunkt im Perspektivenzentrum der Sechs-DOF-Kamera 140. Der Zenit-Bezugsrahmen 1130 ist bezüglich der Nutzlastbaugruppe 70 stationär, die sich um die Achse 14 dreht. Bei einer Ausführungsform ist der Nullpunkt 1112 des Zenit-Bezugsrahmens 1110 ein Punkt auf der Achse 14 nahe dem idealen Mittelpunkt der mechanischen Drehung (dem Kardanpunkt) des Trackers 10. Der Tracker-Bezugsrahmen 1140 ist bezüglich der Basisbaugruppe 30 stationär. Bei einer Ausführungsform liegt der Nullpunkt 1142 am idealen Mittelpunkt der mechanischen Drehung (dem Kardanpunkt) des Trackers 10.
Licht, das von der repräsentativen Zielleuchte 212 emittiert wird, läuft als Lichtstrahl 1152 zum Perspektivenzentrum 1112 der Kamera wie in 11A, 11B gezeigt. Die Linse der Sechs-DOF-Kamera 140 ist in vereinfachter Form in 11B als einzelnes Linsenelement 1156 und in 1D als Mehrlinsensystem gezeigt. Die optische Achse des Kamerasystems ist 1114 und die Zielleuchte 212 ist auch als ein Liniensegment 1150 dargestellt. Der Strahl, der durch das Perspektivenzentrum 1112 läuft, bildet ein Bild 1158 auf der lichtempfindlichen Anordnung 147. Symmetrisch gegenüber dem Linsenelement 1156 in 11B ist eine virtuelle Bildebene 1155 aufgebaut. Das Licht 1152 schneidet diese Ebene und bildet eine genau reproduzierte, aber umgekehrte Kopie des Bilds, das auf der lichtempfindlichen Anordnung erscheint. Mit anderen Worten: das virtuelle Bild 1154 ist dasselbe wie das Bild 1158, nur umgekehrt.
Daher stellt die virtuelle Bildebene 1120 in 11A zweckmäßigerweise und kompakt die Informationen auf der tatsächlichen Bildebene der lichtempfindlichen Anordnung 147 dar. Die Pixel in der lichtempfindlichen Anordnung 147 sind entlang der u-Achse 1122 und der v-Achse 1123 nummeriert. 11A zeigt den Lichtstrahl 1152, der die lichtempfindliche Anordnung 147 im Pixelpunkt 1124 mit den Pixelkoordinaten (u₀ , v₀ ) schneidet, wobei u₀ und v₀ keine Ganzzahlen sein müssen. Die optische Achse 1114 schneidet die lichtempfindliche Anordnung an der Position 1126 (c_x , c_y ), die als Hauptpunkt bezeichnet wird. Ein x/y-Koordinatensystem mit den Achsen 1127 bzw. 1128 ist vom Hauptpunkt 1126 ausgehend aufgebaut.
12 veranschaulicht Elemente 1200 in einem Vorgang zur Bestimmung von 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 gemäß einer Ausführungsform. In der Figur geben Felder mit einer durchgezogenen Kontur Schritte oder Elemente an, die bei jeder Messung durchgeführt oder gewonnen werden, während die Felder mit einer gestrichelten Kontur Schritte oder Elemente angeben, die weniger oft durchgeführt oder gewonnen werden. Im Element 1202 findet der Tracker 10 die Mittelpunkte jeder der Zielleuchten 212, die in einem Bild erscheinen, dass von der Sechs-DOF-Kamera 140 erfasst wird. Bei einer Ausführungsform wird ein Bild von den erleuchteten Zielleuchten 212 von der lichtempfindlichen Anordnung 147 erfasst. Der Ausdruck „Mittelpunkt“ bedeutet hier einen numerischen zweidimensionalen Koordinatenwert, der eine Position der abgebildeten Zielleuchte 212 auf der lichtempfindlichen Anordnung 147 angibt. Bei einer Ausführungsform wird der Mittelpunkt durch Finden eines Schwerpunkts der abgebildeten Zielleuchte 212 bestimmt. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Mittelpunkt als geometrischer Mittelpunkt einer Ellipse berechnet, die an die Kontur der abgebildeten Zielleuchten angepasst wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Mittelpunkt durch Anpassen der abgebildeten Zielleuchte an eine repräsentative mathematische Funktion gefunden. Bei anderen Ausführungsformen werden andere Verfahren verwendet. Bei einer hierin beschriebenen Ausführungsform kann die Kontur des abgebildeten Zielpunkts diejenigen Pixel ausschließen, deren Messwert unter einen vorgeschriebenen Schwellenwert fällt. Im Element 1203 misst der Tracker 10 den Abstand zum Retroreflektor 205.
Die Sechs-DOF-Kamera 140 wird mit einem Ausrichtungsteleskop ausgerichtet, um die optische Achse der Kamera nahezu koaxial mit der optischen Hauptachse des Trackers zu stellen, die die Achse darstellt, die durch den zweiten Strahlteiler 106 und die Lichtwerfer-/Kollimatorbaugruppe 110 läuft. Außerdem wird die Sechs-DOF-Kamera 140 so ausgerichtet, dass der Hauptpunkt der Sechs-DOF-Kamera 140 fast am Mittelpunkt der lichtempfindlichen Anordnung 147 platziert wird.
Ein Element 1205, das die Kompensationsparameter der Sechs-DOF-Kamera 140 wie etwa die Brennweite und den Hauptpunkt der Kamera beinhaltet. Der Hauptpunkt ist der Punkt, an dem die optische Achse der Sechs-DOF-Kamera 140 die lichtempfindliche Anordnung 147 schneidet. Bei einer Ausführungsform wird die Position des Hauptpunkts während der Ausrichtung mit dem Ausrichtungsteleskop gefunden. Bei einer Ausführungsform wird die Brennweite der Kamera bestimmt, indem die Änderung des Abstands der abgebildeten Zielleuchten 212 (auf der lichtempfindlichen Anordnung 147) festgestellt wird, während der Sechs-DOF-Tastkopf 200 zu verschiedenen Abständen vom Tracker bewegt wird.
Ein Element 1207 beinhaltet die Position des virtuellen Bilds des Retroreflektor-Scheitelpunkts 206 in der virtuellen Bildebene 1120 oder gleichwertig in der Bildebene auf der lichtempfindlichen Anordnung 147. Bei einer Ausführungsform wird das virtuelle Bild des Retroreflektor-Scheitelpunkts 206 auf der virtuellen Bildebene durch ein Verfahren 1300 gefunden, das in 13 veranschaulicht ist. Ein Element 1310 beinhaltet Fixieren des Sechs-DOF-Tastkopfs in einer stationären Position. Ein Element 1312 beinhaltet Erfassen eines ersten Bilds von den Zielleuchten 212 in einem Vorblickmodus. Ein Element 1314 beinhaltet Erfassen eines zweiten Bilds von den Zielleuchten 212 in einem Rückblickmodus. Ein Element 1316 beinhaltet Lokalisieren des virtuellen Bilds vom Retroreflektor-Scheitelpunkt 206 im Symmetriemittelpunkt der Zielleuchten 212 in einem Bild, das das erste und das zweite Bild kombiniert.
Der Rückblickmodus im Element 1314 wird gewonnen durch (1) Zielen auf einen Retroreflektor im normalen Modus des Trackerbetriebs, der als Vorblickmodus bezeichnet wird; (2) Drehen der Tracker-Jochbaugruppe 60 um die Azimutachse 12 um 180 Grad; (3) Drehen der Tracker-Nutzlastbaugruppe 70, damit sie zurück auf den Retroreflektor gerichtet ist und (4) Zielen auf den Retroreflektor. Bei einer Ausführungsform ist der Retroreflektor der Retroreflektor 205 im Sechs-DOF-Tastkopf 200. Das resultierende Bild, das im Rückblickmodus gewonnen wird, ist ähnlich dem im Vorblickmodus gewonnenen, außer dass die Zielleuchten 212 im resultierenden Bild um eine horizontale Achse geschwenkt sind.
Aufgrund der ungenauen Ausrichtung variiert in der Praxis die Position des virtuellen Bilds vom Retroreflektor-Scheitelpunkt 206 leicht, während der Sechs-DOF-Tastkopf 200 zu verschiedenen Abständen vom Tracker 10 bewegt wird. Eine Kompensation für diesen Effekt wird erhalten, indem ein doppelter Gegenüberstellungstest durchgeführt wird, wobei der Retroreflektor 205 des Sechs-DOF-Tastkopfs in zwei verschiedenen Abständen vom Tracker entfernt ist, etwa einem nahen Abstand von 2,5 Metern und einem weiten Abstand von 10 Metern. Die (x, y)-Position des virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts auf der lichtempfindlichen Anordnung 147 in jedem der beiden Abstände wird aufgezeichnet und in einen Objektraum transformiert, in dem sich der Sechs-DOF-Tastkopf 200 befindet. Die Position des Scheitelpunkts 206, die den Nullpunkt des Tastkopf-Bezugsrahmens 1160 bildet, liegt um einen Betrag abseits der optischen Hauptachse des Trackers, der linear mit dem Abstand des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 vom Tracker 10 variiert. Daher ist es möglich, von der linearen Verschiebung im Objektraum rückwärts abzubilden, um die gekrümmte Verschiebung im Bildraum auf der lichtempfindlichen Anordnung 147 zu gewinnen.
Bei einer Ausführungsform werden das Element 1205 und das Element 1207 in einem einzigen Vorgang gewonnen, in dem am Retroreflektor 205 ein doppelter Gegenüberstellungstest in zwei verschiedenen Abständen, etwa 2,5 Metern und 10 Metern, durchgeführt wird.
Ein Element 1206 beinhaltet die Positionen jeder Zielleuchte (z. B. LED) 212 im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160. Bei einer Ausführungsform wird die Position jeder Zielleuchte 212 mit einem Mikroskop oder einer anderen Sichtmessvorrichtung im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160 (X_P , Y_P , Z_P ) in x, y, z gemessen. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Vorrichtung, die x, y, z der Zielleuchte 212 misst, um eine Sichtmessmaschine mit rechnergestützter numerischer Steuerung (CNC) wie etwa die Quick Vision Apex, Modell 302 von Mitutoyo, hergestellt von Mitutoyo Corporation in Kanagawa, Japan. Eine solche Vorrichtung stellt eine Messgenauigkeit in drei Dimensionen von ca. einem oder zwei Mikrometern bereit. Aufgrund der Anwesenheit eines Linsenelements wie etwa der in 5C gezeigten Einkapselungslinse 505 wird eine weitere Korrektur durchgeführt, um die korrekte effektive Position der Lichtquellen entlang der z-Richtung (der Tiefenrichtung) zu bekommen. Das Verfahren zur Durchführung dieser weiteren Korrektur basiert auf einem Schwenktest, der nachstehend unter Bezugnahme auf 14, 15A und 15B erörtert wird.
Bei einem Element 1211 berechnet ein Prozessor, der mit dem Tracker 10 verbunden ist, die Pose des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 im Kamera-Bezugsrahmen 1110 mindestens teilweise auf der Grundlage der Messwerte aus den Elementen 1202, 1203 und der Informationen aus den Elementen 1205, 1206, 1207. Der Ausdruck Pose wie hier verwendet bezieht sich auf die drei translationalen Freiheitsgrade wie x, y, z und drei Ausrichtungsfreiheitsgrade wie Wank-, Nick- und Gierwinkel. Der Ausdruck Prozessor wie hier verwendet bezieht sich auf jegliches Rechenelement, entweder innerhalb des Trackers 10 oder außerhalb des Trackers 10, aber mit diesem verbunden. Ein Prozessor außerhalb des Trackers 10 kann einen vernetzten Computer beinhalten. Der Prozessor kann durch einen drahtgebundenen oder drahtlosen Kanal mit dem Tracker 10 verbunden sein. Beim Rechenelement könnte es sich um einen Mikroprozessor, einen Digitalsignalprozessor (DSP), eine FPGA oder eine andere elektrische Komponente sowie jeglichen damit verknüpften Speicher handeln.
Ein Element 1210 stellt einen Retroreflektor-Spitze-Vektorparameter dar, der ein Vektor vom Retroreflektor-Scheitelpunkt 206 des Tastkopfs zum Mittelpunkt der Tastspitze 224 ist, wobei der Vektor im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160 angegeben ist. Das Verfahren zur Bestimmung des Retroreflektor-Spitze-Vektorparameters basiert auf dem Schwenktest, der nachstehend unter Bezugnahme auf 14, 15A und 15B erörtert wird.
In einem Element 1221 bestimmt ein Prozessor, der mit dem Tracker 10 verbunden ist, die 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 im Kamera-Bezugsrahmen 1110 mindestens teilweise auf der Grundlage der Pose, die im Element 1211 bestimmt wird, und des Retroreflektor-Spitze-Vektors, der im Element 1210 bestimmt wird. Bei einer Ausführungsform nutzt der Prozessor die im Element 1211 bestimmte Pose zur Berechnung einer Transformationsmatrix, die Punkte im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160 in Punkte im Kamera-Bezugsrahmen 1110 transformiert. Diese Transformationsmatrix wird auf den Retroreflektor-Spitze-Vektor angewandt, um die 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 im Kamera-Bezugsrahmen 1110 zu bestimmen.
Ein Element 1220 beinhaltet die Kamera-Zenit-Transformationsmatrix, die einen Punkt im Kamera-Bezugsrahmen 1110 in einen Punkt im Zenit-Bezugsrahmen 1130 transformiert. Bei einer Ausführungsform wird die Kamera-Zenit-Transformationsmatrix gewonnen, indem ein Schwenktest in jedem der drei Abstände, beispielsweise 2,5 Meter, 8 Meter und 15 Meter vom Tracker, durchgeführt wird. Der Schwenktest wird nachstehend unter Bezugnahme auf 14, 15A, 15B erörtert.
Ein Element 1220, das die Kamera-Zenit-Transformationsmatrix beinhaltet, wird auf ein Element 1221 angewandt, das die bestimmten 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 im Kamera-Bezugsrahmen 1110 beinhaltet, um im Element 1231 die Koordinaten der Tastspitze im Zenit-Bezugsrahmen 1130 zu erhalten. In einem Element 1230 misst der Tracker 10 den Azimut- und Zenitwinkel vom Tracker 10 zum Retroreflektor 205. In einem Element 1232 misst der Tracker 10 den Azimut- und Zenitwinkel zum Retroreflektor 205. Das Element 1230 stellt die kinematischen Modellparameter des Trackers dar, die solche Parameter beinhalten wie etwa Nichtrechtwinkligkeit der Achse (Differenz zu 90 Grad des Winkels zwischen der Azimutachse 12 und der Zenitachse 14); Achsenversatz (der Trennungsabstand der Azimutachse 12 von der Zenitachse 14 entlang des Punkts der engsten Annäherung); RX, RY (Winkelabweichungen des Laserstrahls bezüglich eines idealen Laserstrahls, der senkrecht zur Azimutachse 12 und zur Zenitachse 14 emittiert wird); TX, TY (Versätze des emittierten Lichtstrahls 90 bezüglich des Tracker-Kardanpunkts); und R0 (festgelegter Fehlerkorrekturwert des gemessenen Abstands bezüglich des Tracker-Kardanpunkts). Sowohl für Drei-DOF- als auch für Sechs-DOF-Tracker werden diese Parameter werkseitig bestimmt und können mithilfe einiger relativ einfacher Tests genauso von Tracker-Bedienern bestimmt werden.
Ein Element 1232 beinhaltet den Azimut- und Zenitwinkel, die durch Winkelkodierer innerhalb des Trackers 10 gemessen werden. Ein Element 1230, das die kinematischen Tracker-Modellparameter beinhaltet, dient dazu, eine oder mehrere Transformationsmatrizen zu erhalten, die auf das Element 1231 angewandt werden, das die bestimmten 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 im Zenit-Bezugsrahmen 1230 bildet. Diese tragen zum Element 1240 bei, das die 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 im Tracker-Bezugsrahmen 1140 berechnet.
14 ist eine perspektivische Ansicht eines Sechs-DOF-Tastkopfs 200 und eines kinematischen Nests 1410. Bei einer Ausführungsform beinhaltet das kinematische Nest drei Trägerflächen 1412, die eine Kugel über einen Bereich von Kugeldurchmessern tragen. Der Ausdruck „kinematisch“ wie hier verwendet gibt an, dass das Nest dazu ausgelegt ist, eine Kugel wie etwa die kugelförmige Tastspitze 224 jedes Mal, wenn sie aus dem Nest entfernt und dorthin zurückgeführt wird, in eine einheitliche Position zurückzuführen. Daher kann die Tastspitze 224 entfernt und mit einer nur geringen Positionsänderung (etwa ein oder zwei Mikrometer) zum kinematischen Nest 1410 zurückgeführt werden.
Bei einer Ausführungsform dient das kinematische Nest 1410 in einem Schwenktest als Teil des Kompensationsverfahrens zur Bestimmung einiger Kompensationsparameter für den Sechs-DOF-Tastkopf. Im Schwenktest wird die Tastspitze 224 im kinematischen Nest 1410 platziert und der Sechs-DOF-Tastkopf 200 in jeder der drei Achsen, der Nickachse 1420, der Gierachse 1430 und der Wankachse 1440, um die Tastspitze 224 gedreht. Bei einer Ausführungsform dient eine Optimierungsberechnung wie etwa eine Optimierung mithilfe der kleinsten Quadrate zur Bestimmung des Retroreflektor-Spitze-Vektorparameters. Eine derartige Berechnung kann einen oder mehrere einstellbare Parameter beinhalten. Beispielsweise kann es sein, dass eine Art von Kompensation nur einen einstellbaren Parameter bestimmt, der ein Vektor vom Retroreflektor 205 zur Tastspitze 224 sein könnte. In einem anderen Fall kann die Berechnung ferner die relativen Positionen der Zielleuchten 212 beinhalten. Bei anderen Ausführungsformen können andere Parameter bestimmt werden. Bei einer Ausführungsform mit vielen einstellbaren Parametern können manche der Parameter entsprechend ihrer relativen Bedeutung in den Optimierungsberechnungen gewichtet werden.
Eine Art von Kompensationsparameter, der mit dem Schwenktest bestimmt werden kann, ist der Retroreflektor-Spitze-Vektorparameter, der im Element 1210 aus 12 enthalten ist. Dieser Parameter bestimmt den Vektor, der sich vom Retroreflektor 205 zum Mittelpunkt der Tastspitze 224 erstreckt, wobei die Vektorkomponenten im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160 angegeben sind. Bei einer Ausführungsform führt eine Benutzerschnittstelle beispielsweise auf einem Anzeigebildschirm den Bediener in den auszuführenden Bewegungen und zeigt dem Bediener an, ob genug Daten erfasst wurden. Bei einer Ausführungsform basiert die Bestimmung des Retroreflektor-Spitze-Vektorparameters voll und ganz auf dem Muster der 3D-Koordinaten, das vom Tracker erfasst wird, während der Sechs-DOF-Tastkopf 200 um die Tastspitze 224 geschwenkt wird. In diesem Fall wird die Länge zwischen Retroreflektor und Spitze gleich dem Radius einer Kugel eingestellt, die aus den erfassten 3D-Koordinaten des Retroreflektor-Scheitelpunkts 206 konstruiert wird. Der Wank-, Nick- und Gierwinkel, die aus den von der Sechs-DOF-Kamera 140 erfassten Bildern bestimmt werden, dienen dazu, die Vektorkomponenten der Länge zwischen Retroreflektor und Spitze zuzuordnen.
Bei einer Ausführungsform dient das kinematische Nest 1410 in einem Schwenktest dazu, die relativen Positionen der Zielleuchten 212 im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160 zu bestimmen. Eine solche Kompensation kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn der Sechs-DOF-Tastkopf 200 fallen gelassen wurde, seit die Positionen der Zielleuchten 212 werkseitig gemessen wurden. Eine derartige Kompensation kann alternativ verwendet werden, um die Effekte der Wärmeausdehnung auf die relativen Positionen der Zielleuchten 212 zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform wird der Schwenktest wiederholt, wobei das kinematische Nest 1410 in mindestens zwei verschiedenen Abständen vom Tracker 10 platziert wird. Bei einer Ausführungsform dient eine Optimierungsberechnung wie etwa eine Optimierung mithilfe der kleinsten Quadrate zur Bestimmung der relativen Positionen der Zielleuchten 212. Ein anderer Ansatz für die Bestimmung der Orte der Zielleuchten 212 wird nachstehend unter Bezugnahme auf 17, 18A, 18B, 18C, 19A, 19B, 19C, 20, 21 beschrieben.
Der Schwenktest hat die nützliche Eigenschaft, einen einfachen Wechsel der Tastkopftaster zu ermöglichen. In einem ersten Beispiel wird eine Tastkopf-Tasterbaugruppe 220 (2A) entfernt und eine Tasterverlängerung 226 (2B) hinzugefügt, um tiefere Löcher oder andere Merkmale zu untersuchen. Bei anderen Ausführungsformen erstreckt sich die Tasterbaugruppe 220 gegebenenfalls nicht nach unten, sondern stattdessen schräg wie in 15A, 15B veranschaulicht. Diese Figuren zeigen, wie die Tasterbaugruppe 220 durch einen einstellbaren Taster 1510 ersetzt ist. In 15A ist der einstellbare Taster 1510 so eingestellt, dass die Tastspitze nach hinten weist, so dass ein Loch, das in einer Linie mit dem Licht 90 vom Lasertracker 10 liegt, mit dem Sechs-DOF-Tastkopf 200 gemessen werden kann. Genauso ist in 15B der einstellbare Taster 1510 so eingestellt, dass die Tastspitze schräg ausgerichtet ist, so dass ein Loch, das bezüglich des Lichts 90 vom Lasertracker 10 winklig versetzt ist, mit dem Sechs-DOF-Tastkopf 200 gemessen werden kann. Bei einer Ausführungsform ist das kinematische Nest 1410 magnetisch, wodurch es fähig ist, an ferromagnetischen Materialien wie Stahl zu haften. Für Fälle, in denen das kinematische Nest 1410 an einem nichtferromagnetischen Material angebracht ist, ist ein zweckmäßiges und stabiles Verfahren zur temporären Anbringung des kinematischen Nest 1410 auf der Oberfläche mit Heißkleber.
16 ist eine Vorderansicht des Sechs-DOF-Tastkopfs 200, wobei jede der 11 Zielleuchten 212 einzeln bezeichnet sind: 212A, 212B, 212C, 212D, 212E, 212F, 212G, 212H, 212J, 212K, 212L. Bei einer Ausführungsform basiert die Auswahl der Zielleuchten, die erleuchtet werden, auf dem Abstand vom Tracker 10 zum Sechs-DOF-Tastkopf 200. Bei einer Ausführungsform leuchtet für Abstände von 2,5 bis 7,5 Metern der folgende erste Satz von sechs Zielleuchten: 212A, 212B, 212C, 212D, 212E, 212F. Für Abstände größer als 7,5 Meter leuchtet der folgende zweite Satz von acht Zielleuchten: 212A, 212C, 212E, 212G, 212H, 212J, 212K, 212L. Ein Vorteil des Erleuchtens des ersten Satzes von Zielleuchten bei nahen Abständen und des zweiten Satzes bei weiten Abständen besteht darin, dass dies in abgebildeten Zielleuchten resultiert, die einen relativ großen Anteil der verfügbaren Fläche auf der lichtempfindlichen Anordnung 147 einnehmen und dadurch die Genauigkeit der bestimmten 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 verbessern.
Bei einer Ausführungsform handelt es sich beim Retroreflektor 205 um einen offenen Würfelecken-Retroreflektor, was bedeutet, dass der Retroreflektor drei Spiegel beinhaltet, die jeweils senkrecht zu den anderen beiden stehen, wobei sich die drei Spiegel in einen Scheitelpunkt 206 schneiden. Ein offener Würfelecken-Retroreflektor ist gegenüber der Luft offen, was bedeutet, dass die drei Spiegelplatten in Kontakt mit der Luft stehen. Die drei Spiegelplatten haben eine Symmetrieachse, die in der Ansicht von 16 gerade aus dem Papier heraus weisen. Bei einer Ausführungsform hat der offene Würfelecken-Retroreflektor 205 einen Akzeptanzwinkel von 18 Grad, was bedeutet, dass der Lichtstrahl 90 aus dem Lasertracker 10 in einem Winkel bis 18 Grad von der Symmetrieachse in die Würfelecke eintreten kann. Dies ist äquivalent zu der Aussage, dass der Nickwinkel um +/- 18 variieren kann oder dass der Gierwinkel um +/- 18 variieren kann oder dass der zusammengesetzte Nick-/Gierwinkel um bis zu +/- 18 Grad variieren kann. Bei einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Retroreflektor 205 um einen Würfelecken-Retroreflektor aus Glas, in dem das reflektierte Licht sofort in das Glas läuft statt in Luft. Wenn ein solcher Retroreflektor aus einem Glas mit einem relativ hohen Brechungsindex hergestellt ist, kann der Akzeptanzwinkel 55 Grad oder größer sein.
Zur Bestimmung der 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 wird die Identität jeder einzelnen Zielleuchte, die in einem Bild auf der lichtempfindlichen Anordnung 147 erfasst wird, bestimmt. Bei einer Ausführungsform des in 16 veranschaulichten Sechs-DOF-Tastkopfs 200 wird die Identität jeder Zielleuchte im erfassten Bild auf der Grundlage einer Asymmetrie im Muster der Zielleuchten 212 erfasst. Dieses Verfahren ist vorteilhaft im Vergleich zu Verfahren, bei denen Zielleuchten in einer bestimmten Abfolge blinken gelassen werden oder deren Helligkeit in einer Abfolge erhöht oder verringert wird. Die Nutzung der Asymmetrie zur Erkennung einzelner Zielleuchten 212 vermeidet oder eliminiert die Durchführung eines gesonderten Blink- oder Heller-/Dunklerstellungsvorgangs und beschleunigt dadurch die Messungen.
Bei einer Ausführungsform ist bei dem ersten Satz von Zielleuchten 212A, 212B, 212C, 212D, 212E, 212F die Zielleuchte 212D bezüglich der anderen fünf Zielleuchten 212A, 212B, 212C, 212E, 212F asymmetrisch positioniert, so dass ein Prozessor, der mit dem Tracker 10 verbunden ist, die Zielleuchte 212D in Bildern erkennen kann, die von der lichtempfindlichen Anordnung über den Akzeptanzwinkel von 18 Grad erfasst wurde. Wenn die Zielleuchte 212D erkannt ist, werden die anderen Zielleuchten 212A, 212B, 212C, 212E, 212F danach leicht erkannt.
Bei einer Ausführungsform ist bei dem zweiten Satz von Zielleuchten 212A, 212C, 212E, 212G, 212H, 212J, 212K, 212L das Muster der Zielleuchten 212 unterscheidbar asymmetrisch. Der zweite Satz von Zielleuchten beinhaltet eine mittige Dreiecksanordnung 212A-212C-212E, wobei die Spitze des Dreiecks 212A zu einer Ansammlung von drei Zielleuchten 212G-212H-212J weist und die Basis des Dreiecks 212C-212E zu einer Ansammlung von zwei Zielleuchten 212K-212L weist. Die Asymmetrie dieses Musters ermöglicht es einem Prozessor, der mit dem Tracker 10 verbunden ist, jede der Zielleuchten 212 im zweiten Satz von Zielleuchten über dem Akzeptanzwinkel von 18 Grad und über einen beliebigen Wankwinkel von 0 bis 360 Grad leicht zu erkennen.
Ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Positionen von Zielleuchten 212 wurde unter Bezugnahme auf das Element 1206 in 12 erörtert. Bei diesem Ansatz wird ein Mikroskop oder eine andere Sichtmessvorrichtung verwendet, um die 3D-Koordinaten der Zielleuchten 212 im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160 zu messen. Ein Verfahren, das zur Bestimmung der relativen Positionen der Zielleuchten 212 an einem Benutzerort geeignet ist, bestand in der Anwendung eines Schwenktests wie unter Bezugnahme auf 14, 15A, 15B erörtert.
Der Schwenktest, durchgeführt in mehreren Abständen vom Tracker 10, wurde oben unter Bezugnahme auf 14, 15A, 15B als Möglichkeit zur Bestimmung der relativen Positionen der Zielleuchten 212 erörtert. Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung der relativen Position der Zielleuchten 212 wird nun unter Bezugnahme auf 17, 18A, 18B, 18C, 19A, 19B, 19C, 20, 20B beschrieben. Elemente eines Verfahrens 2020 zur Bestimmung der relativen Positionen der Zielleuchten 212 werden unter Bezugnahme auf 20B angegeben.
Das Element 2030, das Anweisen eines Benutzers zum Bewegen eines Sechs-DOF-Tastkopfs 200 zu einer Vielzahl von Posen beinhaltet, ist durch eine Kombination von Handlungen veranschaulicht, die in 17, 18, 19, 20 gezeigt sind. 17 zeigt den Sechs-DOF-Tastkopf 200, wie er zu verschiedenen Orten relativ zum Tracker 10 bewegt wird. Der Tracker 10 sendet einen Lichtstrahl 90 zum Retroreflektor 205, der das Licht als Lichtstrahl 92 auf es selbst reflektiert. Der Tracker 10 nutzt den rücklaufenden Lichtstrahl 92, um den Abstand vom Tracker zum Retroreflektor 205 zu bestimmen und den Lichtstrahl 90 auf dem Retroreflektor 205 zentriert zu halten, während der Sechs-DOF-Tastkopf 200 bewegt wird. Außerdem misst der Tracker den Azimut- und Zenitwinkel zum Retroreflektor 205. Der Tracker bestimmt die x-, y-, z-Koordinaten des Retroreflektors auf der Grundlage des einen gemessenen Abstands und der zwei gemessenen Winkel. Die x-, y-, z-Koordinaten sind drei der sechs Freiheitsgrade, die für den Sechs-DOF-Tastkopf bestimmt werden. Diese drei Freiheitsgrade werden als die drei translationalen Freiheitsgrade bezeichnet.
Die anderen Freiheitsgrade, die als Ausrichtungsfreiheitsgrade bezeichnet werden, sind in 18A, 18B, 18C, 19A, 19B, 19C, 20 veranschaulicht. 18B stellt den Sechs-DOF-Tastkopf 200 in einer Bezugsposition dar, in der der Nickwinkel, der Gierwinkel und der Wankwinkel (beliebig) an dem Bezugswinkel von null angenommen werden. 18A veranschaulicht die Drehung um die Nickachse 1802. Die Drehrichtung 1804 wird festgestellt, indem die Richtung beachtet wird, in die die Finger der rechten Hand sich krümmen, wenn der Daumen der rechten Hand in die Richtung des Pfeils auf der Nickachse 1802 weist. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Retroreflektor 205 um einen offenen Würfelecken-Retroreflektor mit einem Akzeptanzwinkel von 18 Grad. Folglich beträgt der absolute Wert des Nickwinkels 18 Grad. 18C zeigt ein Beispiel für einen Sechs-DOF-Tastkopf 200, der in einen negativen Nickwinkel gedreht ist.
19B stellt den Sechs-DOF-Tastkopf 200 in der Bezugsposition dar, die dieselbe ist wie die in 18B veranschaulichte. 19A veranschaulicht die Drehung um die Gierachse 1902. Die Drehrichtung 1904 ist die Richtung, in die die Finger der rechten Hand sich krümmen, wenn der rechte Daumen in die Richtung des Pfeils weist. Da in 19A der Daumen in die positive y-Richtung (im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160) weist, wird der Gierwinkel in 19A als positiv bezeichnet und der Gierwinkel in 19C wird als negativ bezeichnet. 20 zeigt den Sechs-DOF-Tastkopf 200 in der Bezugsposition A dar, die dieselbe ist wie die in 18B, 19B veranschaulichte. Die Positionen B, C, D, E, F, G, H veranschaulichen eine Drehung 2004 um die Wankachse 2002 um +45, +90, +135, +180, +225, +270 bzw. +315 Grad. Die drei Ausrichtungsfreiheitsgrade, die die Ausrichtung des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 im Raum darstellen, können in einer Vielfalt von Möglichkeiten dargestellt werden, wovon eine die Verwendung des Nick-, Gier- und Wankwinkels ist, es ist jedoch ersichtlich, dass bei anderen Ausführungsformen eine andere Darstellung verwendet werden kann.
Im Element 2030 aus 20B wird ein Bediener angewiesen, den Sechs-DOF-Tastkopf zu einer Vielzahl von Posen zu bewegen. Die Vielzahl von Posen kann ein Bewegen des Sechs-DOF-Tastkopfs zu einer beliebigen Kombination des Gier-, Nick- und Wankwinkels beinhalten. Die Anweisungen zum Bewegen des Sechs-DOF-Tastkopfs, die für den Bediener bereitgestellt werden, können in einer Vielfalt von Möglichkeiten erfolgen. Bei einer Ausführungsform stellt eine für den Benutzer bereitgestellte Benutzerschnittstelle (UI) grafische Hinweise auf die Positionen und Ausrichtungen bereit, die für den Vorgang empfohlen werden. Eine solche UI kann bestimmte Farben anzeigen, wenn gewünschte Positionen und Ausrichtungen erreicht sind, während andere Farben angezeigt werden, wenn die Positionen oder Ausrichtungen höher oder niedriger gestellt werden sollen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die für den Bediener bereitgestellte Anweisung allgemeinerer Art sein, wie etwa „den Sechs-DOF-Tastkopf zu einer Vielzahl von Posen bewegen, dann ,weiter' drücken.“
Im Element 2032 misst der Tracker 10 den Abstand vom Tracker 10 zum Sechs-DOF-Tastkopf 200 in jeder Pose des Sechs-DOF-Tastkopfs 200. Im Element 2034 erfasst der Tracker 10 mit der lichtempfindlichen Anordnung 147 ein Bild von mindestens einigen der Zielleuchten 212, die am Sechs-DOF-Tastkopf 200 erleuchtet sind. Bei einer Ausführungsform ist jede der Zielleuchten 212 erleuchtet. In diesem Fall kann der Tracker 10 Bilder von mehr als den üblichen sechs Zielleuchten 212A, 212B, 212C, 212D, 212E, 212F erfassen, wenn sich der Sechs-DOF-Tastkopf im Nahbereich befindet, und von mehr als den üblichen acht Zielleuchten 212A, 212C, 212E, 212G, 212H, 212J, 212K, 212L, wenn sich der Sechs-DOF-Tastkopf im Fernbereich befindet. Im Allgemeinen erfasst der Tracker 10 mindestens einige Zielleuchten 212 in jedem Bild.
Im Element 2036 bestimmt ein Prozessor die relativen Positionen der Zielleuchten 212 mindestens teilweise auf der Grundlage der gemessenen Abstände und der erfassten Bilder. Der Ausdruck „relative Positionen“ bedeutet, dass die absoluten Positionen der Zielleuchten 212 innerhalb eines konstanten Skalierungsfaktors bestimmt werden. Mit anderen Worten: im Verfahren 2020 kann ein Skalierungsfaktor angewandt werden, um die bestimmten Positionen der Zielleuchten zu verkleinern oder zu vergrößern, um die absoluten Positionen der Zielleuchten 212 zu erhalten. Jedoch genügt die Kenntnis der relativen Positionen der Zielleuchten 212, um einen Prozessor dazu zu befähigen, die drei Ausrichtungsfreiheitsgrade (wie Wank-, Nick- und Gierwinkel) des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 zu bestimmen.
Auch wenn 17, 18, 19, 20 den Sechs-DOF-Tastkopf 200 mit Tasterbaugruppe 220 zeigen, kann das Verfahren 2020 aus 20B ohne die Tasterbaugruppe 220 durchgeführt werden, wenn gewünscht. Auch muss der Benutzer bei einer Ausführungsform den Sechs-DOF-Tastkopf 200 nicht in diskreten Bewegungen positionieren oder den Sechs-DOF-Tastkopf 200 in der Position fixieren. Bei einer Ausführungsform kann der Tracker die Ausrichtung des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 schnell genug bestimmen und den Benutzer befähigen, den Sechs-DOF-Tastkopf 200 kontinuierlich mit relativ langsamer, gleichmäßiger Geschwindigkeit zu anderen Abständen und anderen Ausrichtungen zu bewegen.
Das Verfahren, das bei der Bestimmung der Positionen der Zielleuchten 212 angewandt wird, kann als Umkehrung des Photogrammetrieverfahrens verstanden werden, das in der 3D-Messung häufig verwendet wird. Beim Photogrammetrieverfahren wird eine Ansammlung von Zielen wie reflektierende Markierungen oder Punktlichtquellen zusätzlich zu kalibrierten Bezugslängen über ein Messvolumen verteilt. Eine zweidimensionale (2D) Photogrammetriekamera erfasst Bilder von Zielen und kalibrierte Bezugslängen, wobei sich die Photogrammetriekamera in einer Vielzahl von Posen (Orte und Ausrichtungen) relativ zu den Zielen befindet. In den meisten Fällen wird die Photogrammetriekamera zu mindestens 10 verschiedenen Posen relativ zu den Zielen bewegt. Die Positionen der Ziele und die Bezugslängen auf der Vielzahl erfasster 2D-Bilder werden in ein Optimierungsprogramm eingespeist, das üblicherweise drei Größen bestimmt: (1) die sechs Freiheitsgrade der Kamera in jeder Kamerapose; (2) den Ort (drei Freiheitsgrade) jedes der Ziele; und (3) einige Kamerakompensationsparameter, besonders diejenigen zu Aberrationen.
Beim vorliegenden Verfahren 2020 ist die Situation im Wesentlichen umgekehrt im Vergleich zum Photogrammetrieverfahren. Anstatt eine Photogrammetriekamera zu vielen Positionen relativ zu einer Ansammlung fester Ziele zu bewegen, ist beim Verfahren 2020 der Sechs-DOF-Tastkopf 200 fest positioniert und die Ansammlung von Zielen, die die Zielleuchten 212 sind, werden zu einer Vielzahl verschiedener Posen bewegt. Im Fall der Photogrammetrie befinden sich die Ziele im festen Labor-Bezugsrahmen, während im Fall der Sechs-DOF-Messung mit Tracker die Ziele (Zielleuchten 212) innerhalb des Labor-Bezugsrahmens mobil sind, aber innerhalb des Tastkopf-Bezugsrahmens 1160 fest sind. Es werden dieselben Rekonstruktionsalgorithmen wie bei der Photogrammetrie verwendet, um die 3D-Koordinaten der Zielleuchten 212 zu bestimmen. Da es keine kalibrierten Bezugslängen in den Bildern vom Sechs-DOF-Tastkopf 200 gibt, werden nur die relativen Positionen der Zielleuchten 212 und nicht die absoluten Positionen bestimmt. Wie jedoch oben gesagt, werden die absoluten Positionen der Zielleuchten nicht benötigt. Ferner wird bei einer Ausführungsform eine Korrektur für Kamera-Aberrationen bei der Sechs-DOF-Kamera 140 wegen ihres relativ kleinen Sichtfelds (STF), das typischerweise weniger als zehn Prozent des STF einer Photogrammetriekamera beträgt, üblicherweise nicht benötigt.
Bei einer Ausführungsform wird ein Optimierungsprogramm verwendet, um die relativen Positionen (d. h. relativen 3D-Koordinaten) der Zielleuchten 212 im Tastkopf-Bezugsrahmen 1160 zu berechnen, wobei die relativen Positionen mindestens teilweise auf der Grundlage einer Minimierung der Summe der quadrierten Differenzen in den betrachteten Bildern und den berechneten Bildern der Zielleuchten 212 ausgewählt werden.
Bei einer Ausführungsform nutzt ein Prozessor, der mit dem Tracker 10 verbunden ist, einen Lufttemperatursensor zur Korrektur der effektiven Brennweite der Sechs-DOF-Kamera 140. Beim Temperatursensor kann es sich um einen mit dem Tracker bereitgestellten oder um einen anderen Temperatursensor handeln, der sich in der Nähe des Trackers 10 und des Sechs-DOF-Tastkopfs 200 befindet. Ergebnisse eines solchen Versuchs sind in 21 gezeigt. Das Diagramm 2100 zeigt die bestimmte effektive Brennweite der Sechs-DOF-Kamera 140 in Abhängigkeit von der gemessenen Lufttemperatur. Die ausgegebenen Daten 2110, 2112 zeigen die effektive Brennweite der Sechs-DOF-Kamera 140 in der x- bzw. y-Richtung. Versuche wie dieser zeigen, dass die effektive Brennweite um ca. 5 Mikrometer/°C mit der Temperatur schwankt, wobei °C Grad Celsius bedeutet. Bei einer Ausführungsform wird die Brennweite der Sechs-DOF-Kamera 140 um einen Betrag korrigiert, der in Versuchen bestimmt wird, in diesem Beispiel um 5 Mikrometer/°C.
Ein Problem, dass manchmal auftritt, ist die Erfassung von Reflexionen oder Lichtern innerhalb des STF der Sechs-DOF-Kamera 140 zusätzlich zu den Zielleuchten 212. Solche Lichter können Raumlichter oder Reflexionen sein, insbesondere Reflexionen von Sonnenlicht. Eine erste Möglichkeit, dieses potenzielle Problem zu umgehen, ist in 22A, 22B, 22C veranschaulicht. 22A zeigt ein mögliches Bild 2200, das von der lichtempfindlichen Anordnung 147 erfasst wurde. Die abgebildeten Punkte 2210, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215 entsprechen den Zielleuchten 212A, 212B, 212C, 212D, 212E, 212F. Bei einer Ausführungsform wird die Entsprechung auf der Grundlage der Asymmetrie des Musters und besonders der relativen Trennung des abgebildeten Punkts 2213 von den anderen abgebildeten Punkten 2210, 2211, 2212, 2214, 2215 hergestellt. Die Position des virtuellen Retroreflektors, die durch das unter Bezugnahme auf 13 beschriebene Verfahren bestimmt wird, ist durch das Kreuz 2220 angeben. Unerwünschte Punkte von Hintergrundlicht 2240 sind im Bild 2200 ebenfalls vorhanden.
Bei einer Ausführungsform wird das Bild 2200 von der FPGA 910 verarbeitet, um Punkte außerhalb eines Kreises mit einem Radius, der durch den gemessenen Abstand vom Tracker 10 zum Sechs-DOF-Tastkopf 200 bestimmt wird, zu entfernen. Je weiter der Sechs-DOF-Tastkopf 200 vom Tracker 10 entfernt ist, desto größer ist das Muster der Zielleuchten 212 auf dem Bild 2200. Der Radius wird ausgewählt, um jeden der beleuchteten Punkte (wie etwa die abgebildeten Punkte 2210, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215) zu erfassen, aber andere abgebildete Punkte auszuschließen. Im resultierenden verarbeiteten Bild aus 22B werden die außerhalb liegenden Lichtpunkte 2240 eliminiert.
23 beschreibt das Konzept einer Elementkontur, das dazu dient, ein anderes Verfahren zur Reduzierung oder Eliminierung unerwünschter Bildelemente, die beispielsweise durch Hintergrundlicht hervorgerufen werden könnten, zu erläutern. Dieses Verfahren kann dabei helfen, unerwünschte Bildelemente innerhalb oder außerhalb des abgebildeten Musters der Zielleuchten 212 zu reduzieren oder zu eliminieren. 23 zeigt ein beispielhaftes erfasstes Bild 2300 von einer Zielleuchte 212. Im Allgemeinen ist die Kontur 2302 des Bilds von der Zielleuchte 212 nicht vollkommen rund, sondern weist einige Unregelmäßigkeiten auf wie in 23 veranschaulicht.
Als Reaktion auf einfallendes Licht speichert jedes Pixel Elektronen in einer „Elektronenwanne“. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) wandelt die übertragene Pixelladung in einen ganzzahligen Wert um, der die Lichtenergie angibt, die während der Belichtungszeit auf das Pixel fällt. Bei einer Ausführungsform wird die scharfe Kontur 2302 gewonnen, indem ein Schwellenwert für den umgewandelten ganzzahligen Wert eines Pixels gesetzt wird. Unterhalb des Schwellenwerts wird der ganzzahlige Wert auf null gesetzt. Das Element 2310 zeigt eine Region von Licht, die über dem Schwellenwert liegt. Das Element 2310 hat seine eigene Kontur, die sich von der Kontur des Elements 2102 unterscheidet. Da die Elemente 2302, 2310 durch eine Lücke getrennt sind, werden die Elemente 2302, 2310 als verschiedene Elemente betrachtet.
Bei einer Ausführungsform werden Elemente, die in einem Bild erfasst sind, nach einem Ähnlichkeitskriterium geordnet. Mögliche Ähnlichkeitskriterien sind unter anderem: (1) durchschnittlicher Durchmesser des Elements, (2) durchschnittliche Fläche des Elements, (3) Spitzenhelligkeit (d. h. digitalisierter ganzzahliger Wert) des Elements, (4) durchschnittliche Helligkeit des Elements und (5) über der Elementfläche integrierte Helligkeit. Bei anderen Ausführungsformen werden andere Ähnlichkeitskriterien verwendet. Bei einer Ausführungsform werden die Elemente nach Ähnlichkeit ausgewählt. Wenn beispielsweise die sechs Elemente 2210, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215 in einem Merkmal wie etwa der integrierten Helligkeit ähnlicher sind als die anderen Elemente 2240, werden die sechs Elemente 2210, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215 im Bild für die Verarbeitung behalten, um die 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 zu bestimmen. Bei anderen Ausführungsformen können mehr oder weniger als sechs Elemente ausgewählt werden, um die 3D-Koordinaten der Tastspitze 224 zu bestimmen.
Ausdrücke wie Prozessor, Steuerung, Computer, DSP, FPGA werden in diesem Dokument als Rechenvorrichtung verstanden, die sich innerhalb eines Instruments befinden, in mehreren Elementen in einem Instrument verteilt sein können oder außerhalb eines Instruments platziert sein können.
Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben, doch es versteht sich ohne Weiteres, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung verändert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Abänderungen, Substitutionen oder gleichwertige Anordnungen einzubeziehen, die vorstehend nicht beschrieben sind, die aber dem Geist und Umfang der Erfindung entsprechen. Es wurden zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, doch es versteht sich außerdem, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen beinhalten können. Entsprechend wird die Erfindung durch die vorstehende Beschreibung nicht als eingeschränkt betrachtet, sondern nur durch den Umfang der angehängten Ansprüche eingeschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/718099 [0001]

Claims

Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor, einen Taster und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist, wobei der Taster eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Auswählen einer Gruppe von Punkten unter Elementen im erfassten Bild, wobei das Auswählen mindestens teilweise auf der Grundlage eines Ähnlichkeitskriteriums erfolgt, wobei das Ähnlichkeitskriterium ein Maß der Ähnlichkeit der ausgewählten Elemente ist; mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels und der Gruppe von Punkten im erfassten Bild; und Speichern der 3D-Koordinaten der Tastspitze.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Ähnlichkeitskriterium auf der Grundlage eines Maßes der Ähnlichkeit der durchschnittlichen Durchmesser der ausgewählten Elemente bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Ähnlichkeitskriterium auf der Grundlage eines Maßes der Ähnlichkeit der durchschnittlichen Flächen der ausgewählten Elemente bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Ähnlichkeitskriterium auf der Grundlage eines Maßes der Ähnlichkeit der Spitzenhelligkeit der ausgewählten Elemente bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Ähnlichkeitskriterium auf der Grundlage eines Maßes der Ähnlichkeit einer durchschnittlichen Helligkeit der ausgewählten Elemente bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Ähnlichkeitskriterium auf der Grundlage eines Maßes der Ähnlichkeit einer über die Fläche der ausgewählten Elemente integrierten Helligkeit bestimmt wird.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor, einen Taster und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist, wobei der Taster eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Auswählen einer Region des erfassten Bilds mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands; mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels und der ausgewählten Region des erfassten Bilds; und Speichern der 3D-Koordinaten der Tastspitze.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Region eine kreisförmige Region ist.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Zielen auf den Retroreflektor, Messen eines ersten Abstands zum Retroreflektor und Erfassen eines ersten Bilds von der Ansammlung von Zielleuchten auf einer Kamerabildebene; mit dem Tracker Drehen einer Tracker-Strahlrichtung um eine Azimutachse um 180 Grad, Drehen der Tracker-Strahlrichtung um eine Zenitachse, um den Lichtstrahl zurück zum Retroreflektor zu lenken, Zielen auf den Retroreflektor und Erfassen eines zweiten Bilds von der Ansammlung von Zielleuchten auf der Kamerabildebene; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Lokalisieren eines ersten virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts in der Kamerabildebene, wobei das Lokalisieren mindestens teilweise auf der Grundlage der Bestimmung eines ersten Symmetriepunkts in einer Kombination aus dem ersten Bild und dem zweiten Bild erfolgt; und Speichern des ersten Abstands und eines Orts des ersten virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts in der Kamerabildebene.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Bewegen des Sechs-DOF-Tastkopfs zu einem zweiten Abstand vom Tracker; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Zielen auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor und Erfassen eines dritten Bilds von der Ansammlung von Zielleuchten auf der Kamerabildebene; mit dem Tracker Drehen der Tracker-Strahlrichtung um die Azimutachse um 180 Grad, Drehen der Tracker-Strahlrichtung um die Zenitachse, um den Lichtstrahl zurück zum Retroreflektor zu lenken, Zielen auf den Retroreflektor und Erfassen eines vierten Bilds von der Ansammlung von Zielleuchten auf der Kamerabildebene; mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Lokalisieren eines zweiten virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts in der Kamerabildebene, wobei das Lokalisieren mindestens teilweise auf der Grundlage der Bestimmung eines zweiten Symmetriepunkts in der Kombination aus dem dritten Bild und dem vierten Bild erfolgt; und mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen einer Formel zum Lokalisieren eines abstandsabhängigen virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts in der Kamerabildebene mindestens teilweise auf der Grundlage des ersten Abstands, des zweiten Abstands, des ersten virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts und des zweiten virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Bereitstellen des Sechs-DOF-Tastkopfs mit einem Taster, der eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines zweiten Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines dritten Bilds von dem Satz von Zielleuchten; und mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen zweiten Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels, des erfassten dritten Bilds und des Orts des ersten virtuellen Retroreflektor-Scheitelpunkts in der Kamerabildebene.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Trackers und eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Bestimmen einer Entsprechung zwischen dem Satz von Zielleuchten und Elementen im Bild mindestens teilweise auf der Grundlage einer Asymmetrie der Positionen des Satzes von Zielleuchten am Sechs-DOF-Tastkopf und einer Asymmetrie der Positionen von Elementen im Bild; und Speichern der Entsprechung.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: Bereitstellen des Sechs-DOF-Tastkopfs mit dem Retroreflektor und einem Taster, der eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten des Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; und mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels, des erfassten Bilds und der bestimmten Entsprechung.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Tastkopfs mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF) mit einer Ansammlung von Zielleuchten, eines Trackers mit einer Sechs-DOF-Kamera, die funktionsfähig ist, die Ansammlung von Zielleuchten abzubilden, und eines Lufttemperatursensors; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Bestimmen einer eingestellten Brennweite für die Sechs-DOF-Kamera mindestens teilweise auf der Grundlage einer Lufttemperatur, die vom Lufttemperatursensor gemessen wird; und Speichern der gemessenen Lufttemperatur und der eingestellten Brennweite.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend: Bereitstellen des Sechs-DOF-Tastkopfs mit einem Retroreflektor und einem Taster, der eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; und mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels, des erfassten Bilds und der eingestellten Brennweite.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Trackers mit einer Sechs-DOF-Kamera und einem Tastkopf mit sechs Freiheitsgraden (Sechs-DOF), wobei der Sechs-DOF-Tastkopf einen Retroreflektor und eine Ansammlung von Zielleuchten aufweist; Bewegen des Sechs-DOF-Tastkopfs zu einer Vielzahl von Abständen vom Tracker, wobei der Sechs-DOF-Tastkopf in einer Vielfalt von Posen gehalten wird; an jedem Ort: Zielen eines Strahls vom Tracker auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor mit dem Tracker, Erfassen eines Bilds von der erleuchteten Ansammlung von Zielleuchten mit der Sechs-DOF-Kamera; mit einem oder mehreren Prozessoren, die mit dem Tracker verbunden sind, Bestimmen einer Position der Ansammlung von Zielleuchten am Sechs-DOF-Tastkopf mindestens teilweise auf der Grundlage der gemessenen Abstände und der erfassten Bilder; und Speichern der gemessenen Position der Ansammlung von Zielleuchten.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Bereitstellen des Sechs-DOF-Tastkopfs mit einem Taster, der eine Tastspitze aufweist; mit dem Sechs-DOF-Tastkopf Erleuchten eines Satzes von Zielleuchten, die aus der Ansammlung von Zielleuchten ausgewählt werden; mit dem Tracker Werfen eines Lichtstrahls auf den Retroreflektor, Messen eines Abstands zum Retroreflektor, Messen eines ersten Winkels und eines zweiten Winkels zum Retroreflektor und Erfassen eines Bilds von dem Satz von Zielleuchten; und mit dem einen oder den mehreren Prozessoren Bestimmen der dreidimensionalen (3D) Koordinaten der Tastspitze mindestens teilweise auf der Grundlage des gemessenen Abstands, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels, des erfassten Bilds und einer eingestellten Brennweite.