DE102019200733A1

DE102019200733A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102019200733A1
Application number: DE102019200733.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Rasenberger; Wolfgang Högele; Florian Rettich; Thomas Mayer
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2020-07-23
Also published as: US20200233086A1; US11841433B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung einer getrackten Messvorrichtung (112) vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) weist mindestens eine LiDAR-Einheit (118) auf. Die Vorrichtung (110) weist mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (126) auf. Die LiDAR-Einheit (118) weist mindestens einen Messkanal (120) auf. Der Messkanal (120) ist eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit (118) ist eingerichtet für das Messsignal mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen und an die Steuer- und Auswerteeinheit (126) zu übertragen. Die Steuer- und Auswerteeinheit (126) weist mindestens eine Empfangseinheit (129) auf, welche eingerichtet ist Daten von der getrackten Messvorrichtung (112) drahtlos zu empfangen. Die Vorrichtung (110) weist mindestens einen Synchronisationskanal (130) auf. Der Synchronisationskanal (130) ist zumindest teilweise in den mindestens einen Messkanal (120) der LiDAR-Einheit (118) integriert. Der Synchronisationskanal (130) ist eingerichtet mindestens eine Synchronisationsinformation zu bestimmen. Die Steuer- und Auswerteeinheit (126) ist eingerichtet die Daten der getrackten Messvorrichtung (112) und das LiDAR-Signal unter Berücksichtigung der Synchronisationsinformation zeitlich zu synchronisieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik, beispielsweise zur Vermessung von Bauteilen.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Vermessung von Messobjekten, beispielsweise Bauteilen, werden üblicherweise Vermessungsverfahren verwendet, bei welchen mit einem Messkopf eines Messsystems ein Messobjekt abgetastet wird und eine Position und Ausrichtung des Messkopfes in einem Messvolumen mittels einer Abstandsmessvorrichtung und einer zusätzlichen Winkelmessvorrichtung erfolgt.
Derartige Messsysteme können bei einer fortlaufende Messung einer Position und Orientierung des frei im Raum beweglichen Messsystems, ein sogenanntes tracken, oft nur einen Teil des Messobjekts gleichzeitig erfassen, beispielsweise eine zwei-dimensionale Linie bei einem Laserlinienscanner. Um eine gesamte Geometrie zu erhalten, können die einzelnen Erfassungen zusammengesetzt werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch, ein zeitlicher Bezug zwischen dem Messsystem und der Abstandsmessvorrichtung und/oder der zusätzlichen Winkelmessvorrichtung. Bei kabelgebundenen Laserlinienscannern kann dies beispielsweise durch verteilte Uhren mit einer Genauigkeit von unter einer Mikrosekunde erfolgen.
Kabellose Laserlinienscanner haben in der Anwendung große Vorteile. DE 10 2010 018 979 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der 3D-Koordinaten der Oberfläche eines Objekts, bei welchem die Oberfläche des Objekts von einem Scanner zur Gewinnung von Objektdaten abgetastet wird. Die Position und Orientierung des Scanners zur Gewinnung von Lagedaten wird bestimmt, insbesondere durch ein Tracking-System. Die Objektdaten und die Lagedaten werden an einen Controller übermittelt, der daraus die 3D-Koordinaten der Oberfläche des Objekts bestimmt. Um ein derartiges Verfahren zu verbessern werden die Objektdaten von dem Scanner drahtlos an den Controller übermittelt. Bislang lässt sich jedoch eine zeitliche Genauigkeit der kabelgebundenen Ausführungen nicht erreichen.
Weiter sind Verfahren zur drahtlosen Datenübertragung in einem Netzwerk bekannt, beispielsweise aus US 2009/0290572 A1 , CN 102355319 A , CN 102118849 A und CN102811480 A . Eine Implementation derartiger Übertagungen benötigt jedoch zusätzliche Komponenten und ist kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung mit geringerer Komplexität und kostengünstig erfolgen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht) als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung vorgeschlagen.
Unter einer Messvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist eine Oberfläche eines zu vermessenden Objekts, beispielsweise ein Bauteil, abzutasten. Die Messvorrichtung kann mindestens einen Sensor aufweisen, welcher eingerichtet ist 3D-Koordinaten der Oberfläche zu bestimmen. Die Messvorrichtung kann mindestens einen Scanner aufweisen, insbesondere einen Linienscanner. Die Messvorrichtung kann eine handgeführte Messvorrichtung sein.
Unter „tracken“ kann eine Nachverfolgung einer Bewegung der Messvorrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten verstanden werden. Insbesondere kann ein fortlaufendes Messen einer 6D-Information, also der räumlichen Position und Orientierung, der im Raum beweglichen Messvorrichtung erfolgen.
Die Messvorrichtung kann mindestens drei Retroreflektoren aufweisen. Unter einem Retroreflektor kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche einen eintreffenden Lichtstrahl reflektiert. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge, Kugellinsen mit Reflektionsschicht, einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, einem Würfelprisma, einem cornercube. Die Retroreflektoren können fest und/oder auswechselbar auf der Messvorrichtung angeordnet sein. Eine Position der Retroreflektoren auf der Messvorrichtung kann bekannt sein. Die Messvorrichtung kann eine Vielzahl von Retroreflektoren aufweisen, insbesondere mehr als drei Retroreflektoren, beispielsweise vier, fünf, sechs oder mehr Retroreflektoren.
Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein. Unter einer räumlichen Position kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage der Messvorrichtung. Unter einer Orientierung kann eine Ausrichtung der Messvorrichtung verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition im Messvolumen. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel.
Die Vorrichtung weist mindestens eine LiDAR-Einheit auf. Die Vorrichtung weist mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit auf. Die LiDAR-Einheit weist mindestens einen Messkanal auf. Der Messkanal ist eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit ist eingerichtet für das Messsignal mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen und an die Steuer- und Auswerteeinheit zu übertragen. Die Steuer- und Auswerteeinheit weist mindestens eine Empfangseinheit auf, welche eingerichtet ist Daten von der getrackten Messvorrichtung drahtlos zu empfangen. Die Vorrichtung weist mindestens einen Synchronisationskanal auf. Der Synchronisationskanal ist zumindest teilweise in den Messkanal der LiDAR-Einheit integriert. Der Synchronisationskanal ist eingerichtet mindestens eine Synchronisationsinformation zu bestimmen. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist eingerichtet die Daten der getrackten Messvorrichtung und das LiDAR-Signal unter Berücksichtigung des Synchronisationssignals zeitlich zu synchronisieren.
Unter einer LiDAR-Einheit kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche auf dem LiDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Die LiDAR-Einheit kann mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, eine sogenannte „Frequency Modulated Continuous Wave“ (FMCW). Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein den Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCW-Verfahren. Beispielsweise kann die Frequenz des Beleuchtungslichtstrahl linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LiDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LiDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein.
Die LiDAR-Einheit weist mindestens einen Messkanal auf. Unter einem „Messkanal“ kann ein Element der LiDAR-Einheit verstanden werden, welches eingerichtet ist mindestens einen Retroreflektor mit mindestens einen Anteil des Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten und mindestens einen von dem mindestens einen Retroreflektor reflektierten Strahl zu erfassen. Die LiDAR-Einheit kann eine Vielzahl Messkanälen aufweisen, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf oder mehr Messkanäle. Die Messkanäle können identisch oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Messkanäle können zumindest teilweise räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander ausgestaltet sein. Unter „zumindest teilweise räumlich getrennt“ kann verstanden werden, dass räumlich nicht getrennte Anteile der Messkanäle möglich sind, wobei mindestens ein Anteil der jeweiligen Messkanäle räumlich getrennt von den anderen Messkanälen ist. Unter „zumindest teilweise zeitlich getrennt“ kann dabei verstanden werden, dass die Messkanäle zu verschiedenen Zeitpunkten betrieben werden, wobei ein zeitlicher Überlapp möglich ist.
Der Messkanal kann mindestens eine optische Faser aufweisen, insbesondere mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser.
Der Messkanal kann jeweils mindestens eine Optik aufweisen, welche eingerichtet ist einen Lichtstrahl in einen Raumwinkel aufzuweiten, so dass die mindestens drei Retroreflektoren überstrahlt werden. Beispielsweise kann der Messkanal ein Weitwinkelobjektiv aufweisen. Die Optik kann mindestens eine Sammellinse oder eine Konkavlinse aufweisen. Bevorzugt kann eine Sammellinse verwendet werden, welche eine annähernd gekippte Planwellenfront am Retroreflektor und gute Effizienz bei der Einkoppelung im Brennpunkt ermöglicht. Jeder Retroreflektor kann einen Teil des auf ihn einfallenden Lichtstrahls zurücksenden.
Der Messkanal ist eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Unter einem Messsignal kann ein von mindestens einem Retroreflektor reflektiertes Signal verstanden werden, insbesondere ein reflektierter Lichtstrahl. Das Messsignal des Messkanals kann ein Ausgangslichtstrahl des Messkanals sein. Die LiDAR-Einheit kann mindestens ein Sensorelement aufweisen, welches eingerichtet ist das Messsignal des Messkanals zu detektieren, insbesondere bei einer Vielzahl von Messkanälen, die Messsignale der Messkanäle zu detektieren. Unter „Detektieren der Messsignale der Messkanäle“ kann ein Detektieren der einzelnen Messsignale und/oder ein Detektieren der überlagerten Messsignale der Messkanäle verstanden werden. Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist die Messsignale der Messkanäle zu empfangen. Das Sensorelement kann mindestens eine Photodiode aufweisen.
Die LiDAR-Einheit ist eingerichtet für das Messsignal mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen. Insbesondere ist die LiDAR-Einheit eingerichtet für jeden Messkanal mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein einen Referenzlichtstrahl zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit kann mindestens einen Referenzarm aufweisen. Der Referenzlichtstrahl kann ein aktueller Beleuchtungslichtstrahl sein, welcher beispielsweise über den Referenzarm der LiDAR-Einheit dem Sensorelement zugeführt wird. Das Sensorelement kann eingerichtet sein den Referenzlichtstrahl mit den Messsignalen der Messkanäle zu überlagern. Unter einem „LiDAR-Signal“ kann ein Signal der LiDAR-Einheit verstanden werden, welches mindestens eine Information über einen Frequenzunterschied, auch Frequenzdelta genannt, zwischen Referenzlichtstrahl und Messsignal aufweist. Das LiDAR-Signal kann ein Signal sein, in welchem das Messsignal des Messkanals mit dem Referenzlichtstrahl überlagert ist. Das LiDAR-Signal kann ein Signal sein, in welchem die Messsignale der Messkanäle mit dem Referenzlichtstrahl überlagert sind. Das LiDAR-Signal kann ein Frequenzspektrum eines Schwebungssignals des Referenzlichtstrahls überlagert mit den Messsignalen sein. Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein mindestens ein Messsignal mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Bei einer Vielzahl von Messkanälen kann die LiDAR-Einheit eingerichtet sein die überlagerten Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein in dem Frequenzspektrum für jeden Retroreflektor mindestens drei Peaks zu bestimmen und aus diesen die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung zu bestimmen.
Die Vorrichtung weist mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein aus dem LiDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung zu bestimmen. Unter einer „Steuer- und Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem Messkanal, insbesondere dem Sensorelement, erzeugte Signale auszuwerten und mindestens einen Prozess der Vorrichtung zu steuern. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Messkanal, insbesondere dem Sensorelement, und der Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein aus dem LiDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung zu bestimmen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein ein Frequenzspektrum des LiDAR-Signals, insbesondere dem Schwebungssignal, mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Das Frequenzspektrum kann eine Vielzahl von Maxima aufweisen, sogenannte Peaks. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Peaks des Frequenzspektrums zu identifizieren. Aus den Informationen über die genaue Verteilung und/oder Anordnung der Peaks kann eine räumliche Position der drei Retroreflektoren bestimmt werden. Aus drei Längen aus unterschiedlichen Richtungen lässt sich ein 3D-Punkt bestimmen. Bei bekannter Anordnung der Retroreflektoren auf der Messvorrichtung kann eine komplette 6D-Information bestimmt werden.
Die LiDAR-Einheit ist eingerichtet das LiDAR-Signal an die Steuer- und Auswerteeinheit zu übertragen. Unter „übertragen“ kann ein Übermitteln und/oder ein Transfer und/oder ein Senden verstanden werden. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere Verbindungen, insbesondere Kabelgebundene und/oder kabellose Verbindungen, zwischen der LiDAR-Einheit und der Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Datenübertragung zwischen Steuer- und Auswerteeinheit und der LiDAR-Einheit kann bidirektional sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit und/oder die LiDAR-Einheit können mindestens eine Sendevorrichtung und/oder mindestens eine Empfangseinheit aufweisen.
Die getrackte Messvorrichtung kann eingerichtet sein Daten, insbesondere erfasste Objektdaten, zu der Steuer- und Auswerteeinheit zu übermitteln. Die Messvorrichtung kann beispielsweise mindestens eine Sendevorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist Daten zu der Steuer- und Auswerteeinheit zu übermitteln. Die Steuer- und Auswerteeinheit weist die mindestens eine Empfangseinheit auf, welche eingerichtet ist Daten von der getrackten Messvorrichtung drahtlos zu empfangen. Die getrackte Messvorrichtung kann die mindestens eine Sendevorrichtung aufweisen, welchen zur drahtlosen, auch kabellos genannten, Datenübertragung eingerichtet ist. Die drahtlose Datenübertragung kann ein beliebiges drahtloses Datenübertragungsverfahren verwenden, beispielsweise Bluetooth, WLAN (Wireless Local Area Network), 4G (LTE, Long Term Evolution), 5G (Next Generation Mobile Networks). Die Datenübertragung kann beispielsweise mittels üblicher WLAN Komponenten realisiert sein. Die Datenübertragung zwischen Steuer- und Auswerteeinheit und der getrackten Messvorrichtung kann bidirektional sein. So kann die Steuer- und Auswerteeinheit mindestens eine Sendevorrichtung aufweisen und die getrackte Messvorrichtung kann mindestens eine Empfangseinheit aufweisen.
Die Vorrichtung weist mindestens einen Synchronisationskanal auf. Unter einem „Synchronisationskanal“ kann ein Informationskanal, insbesondere ein optischer Kanal, verstanden werden, welcher eingerichtet ist zur Synchronisierung der Daten der getrackten Messvorrichtung und des LiDAR-Signals. Unter „Synchronisieren“ kann ein bestimmen einen zeitlichen Bezugs verstanden werden. Der Synchronisationskanal kann mindestens einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge im optischen Spektrum verwenden. Der Synchronisationskanal ist zumindest teilweise in denMesskanal der LiDAR-Einheit integriert. Unter „zumindest teilweise integriert“ kann verstanden werden, dass der Synchronisationskanal mindestens eine optische Komponente des Messkanals verwendet, insbesondere bei einer Vielzahl von Messkanälen mindestens eine optische Komponente mindestens eines der Messkanäle verwendet. Insbesondere können der Synchronisationskanal und der Messkanal einen zumindest teilweise identischen Lichtweg aufweisen. Bei einer Vielzahl von Messkanälen können der Synchronisationskanal und mindestens einer der Messkanäle einen zumindest teilweise identischen Lichtweg aufweisen. Unter einem „teilweise identischen Lichtweg“ können sowohl Ausführungsformen verstanden werden, in welchen die Lichtwege vollständig identisch sind, und Ausführungsformen, in welchen zumindest der Lichtweg von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit identisch ist. Der Synchronisationskanal kann beispielsweise vollständig in mindestens einen der Messkanäle integriert sein. Der Synchronisationskanal ist eingerichtet mindestens eine Synchronisationsinformation zu bestimmen. Unter einer „Synchronisationsinformation“ kann eine Information über einen zeitlichen Bezug zwischen den Daten der getrackten Messvorrichtung, insbesondere einer Datennahme der getrackten Messvorrichtung, und dem LiDAR-Signal verstanden werden.
Beispielsweise kann die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls aufweisen. Unter einem „Beleuchtungslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher eingerichtet ist die getrackte Messvorrichtung zu beleuchten. Beispielsweise kann der Beleuchtungslichtstrahl ein Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit sein. Die LIDAR-Einheit kann mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen. Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu erzeugen. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung IR-Licht, also Licht aus dem Infrarot Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Unter einem „Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit“ kann ein Beleuchtungslichtstrahl erstanden werden, welcher eine modulierte, beispielsweise linear modulierte, Frequenz aufweist und in den Messkanal, bzw. die Messkanäle, zumindest teilweise einkoppelbar ist. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode oder eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit kann mindestens eine Modulationseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl zu modulieren. Die Modulation kann bevorzugt eine Amplituden-Modulation sein. Die Vorrichtung kann mindestens einen Detektor aufweisen, beispielsweise mindestens einen Photodetektor. Der mindestens eine Detektor kann auf der getrackten Messvorrichtung angeordnet sein, insbesondere auf einer Oberfläche der getrackten Messvorrichtung. Der Detektor kann eingerichtet sein die Information über die Modulation des Beleuchtungslichtstrahls zu bestimmen. Da die LiDAR-Einheit bestrebt ist, die Beleuchtungslichtstrahlen der LiDAR-Einheit genau auf die getrackte Messvorrichtung zu richten, kann ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis für die Bestimmung der Information über die Modulation des Beleuchtungslichtstrahls ohne weitere Maßnahmen gewährleistet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Beleuchtungslichtstrahl mindestens ein separater Lichtstrahl sein, welcher einen identischen Lichtweg wie der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit aufweist. Der separate Lichtstrahl kann eine identische oder eine verschiedene Wellenlänge als der der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit, auch Messstrahl genannt, aufweisen. In dieser Ausführungsform können Lichtstrahlen einer separaten Beleuchtungsvorrichtung moduliert werden, welche denselben Lichtweg zu der getrackten Messvorrichtung nutzen. Eine Verwendung eines identischen Lichtwegs kann vorteilhaft sein, da die Bestimmung der Synchronisationsinformation von einer Strahlnachführung durch die LiDAR-Einheit profitieren kann. So kann eine optimale Signalqualität garantiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahls aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Mehrzahl von weiteren Beleuchtungsvorrichtungen aufweisen, welche auf der getrackten Messvorrichtung angeordnet sind. Die weiteren Beleuchtungsvorrichtungen können eingerichtet sein eine Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen zu empfangen und die Information über eine Modulation der sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen zu bestimmen. Beispielweise können die weiteren Beleuchtungsvorrichtungen derart angeordnet, dass bei jeder trackbaren Ausrichtung der getrackten Messvorrichtung mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung erfasst wird. Ein Abstrahlwinkel kann derart gewählt werden, dass bei jeder trackbaren Ausrichtung der getrackten Messvorrichtung Licht von mindestens einer der weiteren Beleuchtungsvorrichtung erfasst. Die von den weiteren Beleuchtungsvorrichtungen der getrackten Messvorrichtung erzeugten Lichtstrahlen können denselben Lichtweg von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit verwenden, wie die von den Retroreflektoren reflektierten Lichtstrahlen. So kann von der Strahlnachführung durch die LiDAR-Einheit profitiert werden. In der LiDAR-Einheit können die von den weiteren Beleuchtungsvorrichtungen der getrackten Messvorrichtung erzeugten Lichtstrahlen durch die oben beschriebenen Sensorelemente der LiDAR-Einheit, insbesondere bei identischer Wellenlänge zu den Beleuchtungslichtstrahlen der LiDAR-Einheit, oder durch weitere separate Detektoren erfasst werden. Die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen können identische oder verschiedene Wellenlänge aufweisen, und/oder die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen können identische oder verschiedene Wellenlänge als der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die getrackte Messvorrichtung eine Mehrzahl von modulierbaren Markern aufweisen. Die modulierbaren Marker können jeweils eingerichtet sein einen zu der LiDAR-Einheit von dem jeweiligen modulierbaren Marker reflektierten Lichtstrahl derart zu beeinflussen, dass ein zeitlicher Bezug zwischen LiDAR-Einheit und getrackter Messvorrichtung erzeugt wird. Unter einem „modulierbaren“ Marker kann ein Marker verstanden werden, bei welchem mindestens eine Eigenschaft, insbesondere eine Reflektionseigenschaft, einstellbar ist, beispielsweise durch ein Verdecken. Die modulierbaren Marker können jeweils eingerichtet sein, den zu der LiDAR-Einheit von dem jeweiligen modulierbaren Marker reflektierten Lichtstrahl derart zu beeinflussen, dass sich eine Zahl und/oder Güte der Messungen von Markern durch die LiDAR-Einheit ändert. Eine Anzahl der modulierbaren Marker kann derart sein, dass gewährleistet ist, dass bei jeder Ausrichtung der getrackten Messvorrichtung mindestens ein modulierbarer Marker erfasst werden kann. So kann eine Messung von Markern durch die LiDAR-Einheit durch die getrackte Messvorrichtung gezielt beeinflusst werden. Dadurch kann ein gemeinsamer zeitlicher Bezug zwischen der LiDAR-Einheit und der getrackten Messvorrichtung hergestellt werden. Eine Genauigkeit des zeitlichen Bezugs kann von einer Messrate der LiDAR-Einheit abhängen.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Synchronisieren von Daten mindestens einer getrackten Messvorrichtung und mindestens eines LiDAR-Signals einer die getrackte Messvorrichtung trackenden LiDAR-Einheit vorgeschlagen. In dem Verfahren wird eine Vorrichtung mit mindestens einer LiDAR-Einheit nach einer der weiter oben oder weiter unten beschriebenen, eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung, betreffenden Ausführungsformen verwendet. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit mindestens einem Messkanal der LiDAR-Einheit;
b) Erzeugen mindestens eines LiDAR-Signals für das Messsignal und übertragen des LiDAR-Signals an eine Steuer- und Auswerteeinheit;
c) Drahtloses empfangen von Daten von der getrackten Messvorrichtung mit der Steuer- und Auswerteeinheit;
d) Erzeugen mindestens eines Synchronisationssignals, welches zumindest teilweise in den mindestens einen Messkanal der LiDAR-Einheit integriert ist,
e) Zeitlich synchronisieren der Daten der getrackten Messvorrichtung und des LiDAR-Signals mit der Steuer- und Auswerteeinheit unter Berücksichtigung des Synchronisationssignals.

Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Das Verfahren kann weiterhin ein Bestimmen der räumliche Position und Orientierung der getrackten Messvorrichtung umfassen.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:

Ausführungsform 1: Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung, wobei die Vorrichtung mindestens eine LiDAR-Einheit aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit aufweist, wobei die LiDAR-Einheit mindestens einen Messkanal aufweist, wobei der Messkanal eingerichtet ist mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die LiDAR-Einheit eingerichtet ist für das Messsignal mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen und an die Steuer- und Auswerteeinheit zu übertragen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit mindestens eine Empfangseinheit aufweist, welche eingerichtet ist Daten von der getrackten Messvorrichtung drahtlos zu empfangen, wobei die Vorrichtung mindestens einen Synchronisationskanal aufweist, wobei der Synchronisationskanal zumindest teilweise in den mindestens einen Messkanal der LiDAR-Einheit integriert ist, wobei der Synchronisationskanal eingerichtet ist mindestens eine Synchronisationsinformation zu bestimmen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist die Daten der getrackten Messvorrichtung und das LiDAR-Signal unter Berücksichtigung der Synchronisationsinformation zeitlich zu synchronisieren.
Ausführungsform 2: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls aufweist.
Ausführungsform 3: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Beleuchtungslichtstrahl ein Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit ist, und/oder wobei der Beleuchtungslichtstrahl ein separater Lichtstrahl ist, welcher einen identischen Lichtweg wie der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit aufweist.
Ausführungsform 4: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der separate Lichtstrahl eine identische oder eine verschiedene Wellenlänge als der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit aufweist.
Ausführungsform 5: Vorrichtung nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die LIDAR-Einheit mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, wobei die LiDAR-Einheit mindestens eine Modulationseinheit aufweist, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl zu modulieren.
Ausführungsform 6: Vorrichtung nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Modulation eine Amplituden-Modulation ist.
Ausführungsform 7: Vorrichtung nach einer der fünf vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vorrichtung mindestens einen Detektor aufweist, wobei der Detektor auf der getrackten Messvorrichtung angeordnet ist, wobei der Detektor eingerichtet ist die Information über die Modulation des Beleuchtungslichtstrahls zu bestimmen.
Ausführungsform 8: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahls aufweist.
Ausführungsform 9: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von weiteren Beleuchtungsvorrichtungen aufweist, welche auf der getrackten Messvorrichtung angeordnet sind, wobei die weiteren Beleuchtungsvorrichtungen eingerichtet sind eine Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen zu erzeugen.
Ausführungsform 10: Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die LiDAR-Einheit eingerichtet ist die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen zu empfangen und die Information über eine Modulation der sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen zu bestimmen.
Ausführungsform 11: Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen identische oder verschiedene Wellenlänge aufweisen, und/oder wobei die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen identische oder verschiedene Wellenlänge als der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit aufweisen.
Ausführungsform 12: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die getrackte Messvorrichtung eine Mehrzahl von modulierbaren Markern aufweist, wobei die modulierbaren Marker jeweils eingerichtet sind, einen zu der LiDAR-Einheit von dem jeweiligen modulierbaren Marker reflektierten Lichtstrahl derart zu beeinflussen, dass ein zeitlicher Bezug zwischen LiDAR-Einheit und getrackter Messvorrichtung erzeugt wird.
Ausführungsform 13: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die modulierbaren Marker jeweils eingerichtet sind, den zu der LiDAR-Einheit von dem jeweiligen modulierbaren Marker reflektierten Lichtstrahl derart zu beeinflussen, dass sich eine Zahl und/oder Güte der Messungen von Markern durch die LiDAR-Einheit ändert.
Ausführungsform 14: Verfahren zum Synchronisieren von Daten mindestens einer getrackten Messvorrichtung und mindestens eines LiDAR-Signals einer die getrackte Messvorrichtung trackenden LiDAR-Einheit, wobei eine Vorrichtung mit mindestens einer LiDAR-Einheit nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1. a) Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit mindestens einem Messkanal der LiDAR-Einheit;
2. b) Erzeugen mindestens eines LiDAR-Signals für das Messsignal und übertragen des LiDAR-Signals an eine Steuer- und Auswerteeinheit;
3. c) Drahtloses empfangen von Daten von der getrackten Messvorrichtung mit der Steuer- und Auswerteeinheit;
4. d) Erzeugen mindestens eines Synchronisationssignals, welches zumindest teilweise in den mindestens einen Messkanal der LiDAR-Einheit integriert ist,
5. e) Zeitlich synchronisieren der Daten der getrackten Messvorrichtung und des LiDAR-Signals mit der Steuer- und Auswerteeinheit unter Berücksichtigung des Synchronisationssignals.

Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung 112. Die getrackte Messvorrichtung 112 kann eingerichtet sein eine Oberfläche eines zu vermessenden Objekts, beispielsweise ein Bauteil, abzutasten. Die getrackte Messvorrichtung 112 kann mindestens einen Sensor aufweisen, welcher eingerichtet ist 3D-Koordinaten der Oberfläche zu bestimmen. Die getrackte Messvorrichtung 112 kann mindestens einen Scanner aufweisen, insbesondere einen Linienscanner. Die getrackte Messvorrichtung 112 kann eine handgeführte Messvorrichtung sein, welcher von einem Verwender 114 geführt werden kann.
Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein eine Bewegung der Messvorrichtung 112 zu verschiedenen Zeitpunkten nachzuverfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung 110 eingerichtet sein zu einem fortlaufenden Messen einer 6D-Information der im Raum beweglichen Messvorrichtung 112.
Die Messvorrichtung 112 kann mindestens drei Retroreflektoren 116 aufweisen. Beispielsweise können die Retroreflektoren 116 Marker sein. Beispielsweise können die Retroreflektoren 116 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge, Kugellinsen mit Reflektionsschicht, einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, einem Würfelprisma, einem cornercube. Die Retroreflektoren 116 können fest und/oder auswechselbar auf der Messvorrichtung 112 angeordnet sein. Eine Position der Retroreflektoren 116 auf der Messvorrichtung 112 kann bekannt sein. Die Messvorrichtung 112 kann eine Vielzahl von Retroflektoren 116 aufweisen, insbesondere mehr als drei Retroreflektoren 114, beispielsweise vier, fünf, sechs oder mehr Retroreflektoren 116.
Die Vorrichtung 110 weist mindestens eine LiDAR-Einheit 118 auf. Die LiDAR-Einheit 118 weist mindestens einen Messkanal 120 auf. Die LiDAR-Einheit 118 kann eine Vielzahl Messkanälen 120 aufweisen, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf oder mehr Messkanäle. Die Messkanäle 120 können identisch oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Messkanäle 120 können zumindest teilweise räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander ausgestaltet sein.
Die LiDAR-Einheit 118 kann mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 122 aufweisen, welche eingerichtet ist mindestens einen frequenzmodulierten Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit 118 kann eingerichtet sein den Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCW-Verfahren. Beispielsweise kann die Frequenz des Beleuchtungslichtstrahl linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LiDAR-Einheit 118 wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein.
Die Beleuchtungsvorrichtung 122 kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 122 kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 122 kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode oder eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode.
Der Messkanal 120 ist eingerichtet mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Das Messsignal des Messkanals 120 kann ein Ausgangslichtstrahl des Messkanals 120 sein. Die LiDAR-Einheit 118 kann mindestens ein Sensorelement 124 aufweisen, welches eingerichtet ist das Messsignal des Messkanals 120 zu detektieren. Das Sensorelement 124 kann mindestens eine Photodiode aufweisen.
Die LiDAR-Einheit 118 ist eingerichtet für das Messsignal mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen. Insbesondere ist die LiDAR-Einheit 118 eingerichtet für jeden Messkanal 120 mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit 118 kann eingerichtet sein einen Referenzlichtstrahl zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit 118 kann mindestens einen Referenzarm aufweisen. Der Referenzlichtstrahl kann ein aktueller Beleuchtungslichtstrahl sein, welcher beispielsweise über den Referenzarm der LiDAR-Einheit 118 dem Sensorelement 124 zugeführt wird. Das Sensorelement 124 kann eingerichtet sein den Referenzlichtstrahl mit dem Messsignal des Messkanals 120 zu überlagern. Das LiDAR-Signal kann ein Signal sein, in welchem das Messsignal des Messkanals 120 mit dem Referenzlichtstrahl überlagert ist. Das LiDAR-Signal kann ein Frequenzspektrum eines Schwebungssignals des Referenzlichtstrahls überlagert mit den Messsignalen sein. Die LiDAR-Einheit 118 kann eingerichtet sein mindestens ein Messsignal mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Die LiDAR-Einheit 118 kann eingerichtet sein die Messsignale, beispielsweise der drei Messkanäle 120, zu überlagern, beispielsweise mittels eines Strahlteilers. Die LiDAR-Einheit 118 kann eingerichtet sein die überlagerten Messsignale mit dem Referenzlichtstrahl zu überlagern und ein Frequenzspektrum eines entstehenden Schwebungssignals zu bestimmen. Die LiDAR-Einheit 118 kann eingerichtet sein in dem Frequenzspektrum für jeden Retroreflektor 116 mindestens drei Peaks zu bestimmen und aus diesen die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung 112 zu bestimmen.
Die Vorrichtung 110 weist mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit 126 auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein aus dem LiDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung 112 zu bestimmen. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Messkanal 120, insbesondere dem Sensorelement 124, und der Steuer- und Auswerteeinheit 126 vorgesehen sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement 124 anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/AusgabeVorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein aus dem LiDAR-Signal die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung 112 zu bestimmen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein ein Frequenzspektrum des LiDAR-Signals, insbesondere dem Schwebungssignal, mittels einer Fourier-Transformation zu bestimmen. Das Frequenzspektrum kann eine Vielzahl von Maxima aufweisen, sogenannte Peaks. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein die Peaks des Frequenzspektrums zu identifizieren. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 kann beispielsweise eingerichtet sein bei einer parallelen Messung in drei Messkanälen 120 mindestens neun Peaks zu identifizieren. Aus den Informationen über die genaue Verteilung und/oder Anordnung der Peaks kann eine räumliche Position der drei Retroreflektoren 116 bestimmt werden. Aus drei Längen aus unterschiedlichen Richtungen lässt sich ein 3D-Punkt bestimmen. Bei bekannter Anordnung der Retroreflektoren 116 auf der Messvorrichtung 112 kann eine komplette 6D-Information bestimmt werden.
Die LiDAR-Einheit 118 ist eingerichtet das LiDAR-Signal an die Steuer- und Auswerteeinheit 126 zu übertragen. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere Verbindungen, insbesondere Kabelgebundene und/oder kabellose Verbindungen, zwischen der LiDAR-Einheit 118 und der Steuer- und Auswerteeinheit 126 vorgesehen sein. Die Datenübertragung zwischen Steuer- und Auswerteeinheit 126 und der LiDAR-Einheit 118 kann bidirektional sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 und/oder die LiDAR-Einheit 118 können mindestens eine Sendevorrichtung und/oder mindestens eine Empfangseinheit aufweisen.
Die getrackte Messvorrichtung 112 kann eingerichtet sein Daten, insbesondere erfasste Objektdaten, zu der Steuer- und Auswerteeinheit 126 zu übermitteln. Die getrackte Messvorrichtung 112 kann beispielsweise mindestens eine Sendevorrichtung 128 aufweisen, welche eingerichtet ist Daten zu der Steuer- und Auswerteeinheit 126 zu übermitteln, insbesondere drahtlos. Die Steuer- und Auswerteeinheit 126 weist die mindestens eine Empfangseinheit 129, hier symbolisch dargestellt, auf, welche eingerichtet ist Daten von der getrackten Messvorrichtung 112 drahtlos zu empfangen. Die getrackte Messvorrichtung 112 kann die mindestens eine Sendevorrichtung 128 aufweisen, welchen zur drahtlosen, auch kabellos genannten, Datenübertragung eingerichtet ist. Die drahtlose Datenübertragung kann ein beliebiges drahtloses Datenübertragungsverfahren verwenden, beispielsweise Bluetooth, WLAN (Wireless Local Area Network), 4G (LTE, Long Term Evolution), 5G (Next Generation Mobile Networks). Die Datenübertragung kann beispielsweise mittels üblicher WLAN Komponenten realisiert sein. Die Datenübertragung zwischen Steuer- und Auswerteeinheit 126 und der getrackten Messvorrichtung 112 kann bidirektional sein. So kann die Steuer- und Auswerteeinheit 126 mindestens eine Sendevorrichtung aufweisen und die getrackte Messvorrichtung 112 kann mindestens eine Empfangseinheit aufweisen.
Die Vorrichtung 110 weist mindestens einen Synchronisationskanal 130 auf. Der Synchronisationskanal 130 kann mindestens einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge im optischen Spektrum verwenden. Der Synchronisationskanal 130 ist zumindest teilweise in den Messkanal 120 integriert. Der Synchronisationskanal 130 kann mindestens eine optische Komponente des Messkanals120 verwenden. Insbesondere können der Synchronisationskanal 130 und der Messkanal 120 einen zumindest teilweise identischen Lichtweg aufweisen. Bei einer Vielzahl von Messkanälen kann insbesondere der Synchronisationskanal 130 und mindestens einer der Messkanäle 120 einen zumindest teilweise identischen Lichtweg aufweisen.
Wie in 1 gezeigt kann der Synchronisationskanal 130 vollständig in mindestens einen der Messkanäle 120 integriert sein. Der Synchronisationskanal 130 ist eingerichtet mindestens eine Synchronisationsinformation zu bestimmen.
Beispielsweise kann die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls 132 aufweisen. Beispielsweise kann der Beleuchtungslichtstrahl 132 ein Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit 118 sein. Die LIDAR-Einheit 118 kann die mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 122 aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 122 kann eingerichtet sein den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl 132 zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit 118 kann mindestens eine Modulationseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl 118 zu modulieren. Die Modulation kann bevorzugt eine Amplituden-Modulation sein. Die Vorrichtung 110 kann mindestens einen Detektor 134 aufweisen, beispielsweise mindestens einen Photodetektor. Der mindestens eine Detektor 134 kann auf der getrackten Messvorrichtung 112 angeordnet sein, insbesondere auf einer Oberfläche der getrackten Messvorrichtung 112. Der Detektor 134 kann eingerichtet sein die Information über die Modulation des Beleuchtungslichtstrahls 132 zu bestimmen. Da die LiDAR-Einheit 118 bestrebt ist, die Beleuchtungslichtstrahlen der LiDAR-Einheit 118 genau auf die getrackte Messvorrichtung 112 zu richten, kann ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis für die Bestimmung der Information über die Modulation des Beleuchtungslichtstrahls 118 ohne weitere Maßnahmen gewährleistet sein.
Wie in 2 gezeigt, kann der Beleuchtungslichtstrahl 132 ein separater Lichtstrahl 136 sein, welcher einen identischen Lichtweg wie der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit 118 aufweist. Der separate Lichtstrahl 136 kann eine identische oder eine verschiedene Wellenlänge als der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit 118 aufweisen. In dieser Ausführungsform können Lichtstrahlen einer separaten Beleuchtungsvorrichtung moduliert werden, welche denselben Lichtweg zu der getrackten Messvorrichtung 112 nutzen wie der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit 118. Eine Verwendung eines identischen Lichtwegs kann vorteilhaft sein, da die Bestimmung der Synchronisationsinformation von einer Strahlnachführung durch die LiDAR-Einheit 118 profitieren kann. So kann eine optimale Signalqualität garantiert werden.
3 zweigt eine Ausführungsform, in welcher die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines sich von der getrackten Messvorrichtung 112 zu der LiDAR-Einheit 118 ausbreitenden Lichtstrahls 138 aufweist. Die Vorrichtung 110 kann eine Mehrzahl von weiteren Beleuchtungsvorrichtungen 140 aufweisen, welche auf der getrackten Messvorrichtung 112 angeordnet sind. Die weiteren Beleuchtungsvorrichtungen 140 können eingerichtet sein eine Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung 112 zu der LiDAR-Einheit 118 ausbreitenden Lichtstrahlen 138 zu erzeugen. Die LiDAR-Einheit 1118 kann eingerichtet sein die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung 112 zu der LiDAR-Einheit ausbreitenden Lichtstrahlen 138 zu empfangen und die Information über eine Modulation der sich von der getrackten Messvorrichtung 112 zu der LiDAR-Einheit 118 ausbreitenden Lichtstrahlen 138 zu bestimmen. Beispielweise können die weiteren Beleuchtungsvorrichtungen 140 derart angeordnet, dass bei jeder trackbaren Ausrichtung der getrackten Messvorrichtung 112 mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 140 erfasst wird. Ein Abstrahlwinkel kann derart gewählt werden, dass bei jeder trackbaren Ausrichtung der getrackten Messvorrichtung 112 Licht von mindestens einer der weiteren Beleuchtungsvorrichtung 140 erfasst. Die von den weiteren Beleuchtungsvorrichtungen 140 der getrackten Messvorrichtung 112 erzeugten Lichtstrahlen 138 können denselben Lichtweg von der getrackten Messvorrichtung 112 zu der LiDAR-Einheit v118 erwenden, wie die von den Retroreflektoren 116 reflektierten Lichtstrahlen. So kann von der Strahlnachführung durch die LiDAR-Einheit 118 profitiert werden. In der LiDAR-Einheit 118 können die von den weiteren Beleuchtungsvorrichtungen 140 der getrackten Messvorrichtung 112 erzeugten Lichtstrahlen 138 durch die oben beschriebenen Sensorelemente 124 der LiDAR-Einheit 118, insbesondere bei identischer Wellenlänge zu den Beleuchtungslichtstrahlen der LiDAR-Einheit 118, oder durch weitere separate Detektoren erfasst werden. Die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung 112 zu der LiDAR-Einheit 118 ausbreitenden Lichtstrahlen 138 können identische oder verschiedene Wellenlänge aufweisen, und/oder die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung 112 zu der LiDAR-Einheit 118 ausbreitenden Lichtstrahlen 138 können identische oder verschiedene Wellenlänge als der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit 118 aufweisen.
4 zeigt eine Ausführungsform, in welcher die getrackte Messvorrichtung 112 eine Mehrzahl von modulierbaren Markern 142 aufweist. Die modulierbaren Marker 142 können jeweils eingerichtet sein einen zu der LiDAR-Einheit 118 von dem jeweiligen modulierbaren Marker 142 reflektierten Lichtstrahl derart zu beeinflussen, dass ein zeitlicher Bezug zwischen LiDAR-Einheit 118 und getrackter Messvorrichtung 112 erzeugt wird. Die modulierbaren Marker 142 können jeweils eingerichtet sein, den zu der LiDAR-Einheit 118 von dem jeweiligen modulierbaren Marker 142 reflektierten Lichtstrahl derart zu beeinflussen, dass sich eine Zahl und/oder Güte der Messungen von Markern 142 durch die LiDAR-Einheit 118 ändert. Eine Anzahl der modulierbaren Marker 142 kann derart sein, dass gewährleistet ist, dass bei jeder Ausrichtung der getrackten Messvorrichtung 112 mindestens ein modulierbarer Marker 142 erfasst werden kann. So kann eine Messung von Markern durch die LiDAR-Einheit 118 durch die getrackte Messvorrichtung 112 gezielt beeinflusst werden. Dadurch kann ein gemeinsamer zeitlicher Bezug zwischen der LiDAR-Einheit 118 und der getrackten Messvorrichtung 112 hergestellt werden. Eine Genauigkeit des zeitlichen Bezugs kann von einer Messrate der LiDAR-Einheit 118 abhängen.
Bezugszeichenliste

110: Vorrichtung
112: Getrackte Messvorrichtung
114: Verwender
116: Retroreflektor
118: LiDAR-Einheit
120: Messkanal
122: Beleuchtungsvorrichtung
124: Sensorelement
126: Steuer- und Auswerteeinheit
128: Sendevorrichtung
129: Empfangseinheit
130: Synchronisationskanal
132: Beleuchtungslichtstrahl
134: Detektor
136: Separater Lichtstrahl
138: Lichtstrahl
140: Weitere Beleuchtungsvorrichtung
142: Modulierbarer Marker

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

DE 102010018979 A1 [0004]
US 2009/0290572 A1 [0005]
CN 102355319 A [0005]
CN 102118849 A [0005]
CN 102811480 A [0005]
US 2011/0007326 A1 [0014, 0041]
US 2013/0050410 A1 [0014, 0041]
US 2017/0258531 A1 [0014, 0041]
US 9559486 B2 [0017, 0043]
US 8913636 B2 [0017, 0043]
US 2016123718 A1 [0017, 0043]

Claims

Vorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer getrackten Messvorrichtung (112), wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine LiDAR-Einheit (118) aufweist, wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (126) aufweist, wobei die LiDAR-Einheit (118) mindestens einen Messkanal (120) aufweist, wobei der Messkanal (120) eingerichtet ist, mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die LiDAR-Einheit (118) eingerichtet ist, für das Messsignal mindestens ein LiDAR-Signal zu erzeugen und an die Steuer- und Auswerteeinheit (126) zu übertragen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (126) mindestens eine Empfangseinheit (129) aufweist, welche eingerichtet ist, Daten von der getrackten Messvorrichtung (112) drahtlos zu empfangen, wobei die Vorrichtung (110) mindestens einen Synchronisationskanal (130) aufweist, wobei der Synchronisationskanal (130) zumindest teilweise in den mindestens einen Messkanal (120) der LiDAR-Einheit (118) integriert ist, wobei der Synchronisationskanal (130) eingerichtet ist, mindestens eine Synchronisationsinformation zu bestimmen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (126) eingerichtet ist, die Daten der getrackten Messvorrichtung (112) und das LiDAR-Signal unter Berücksichtigung der Synchronisationsinformation zeitlich zu synchronisieren.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls (132) aufweist.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Beleuchtungslichtstrahl (132) ein Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit (118) ist und/oder wobei der Beleuchtungslichtstrahl (132) ein separater Lichtstrahl (136) ist, welcher einen identischen Lichtweg wie der Beleuchtungslichtstrahl der LiDAR-Einheit (118) aufweist.
Vorrichtung (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modulation eine Amplituden-Modulation ist.
Vorrichtung (110) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (110) mindestens einen Detektor (134) aufweist, wobei der Detektor (134) auf der getrackten Messvorrichtung (112) angeordnet ist, wobei der Detektor (134) eingerichtet ist, die Information über die Modulation des Beleuchtungslichtstrahls (132) zu bestimmen.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchronisationsinformation eine Information über eine Modulation mindestens eines sich von der getrackten Messvorrichtung (112) zu der LiDAR-Einheit (118) ausbreitenden Lichtstrahls (138) aufweist.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorrichtung (110) eine Mehrzahl von weiteren Beleuchtungsvorrichtungen (140) aufweist, welche auf der getrackten Messvorrichtung (112) angeordnet sind, wobei die weiteren Beleuchtungsvorrichtungen (140) eingerichtet sind, eine Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung (112) zu der LiDAR-Einheit (118) ausbreitenden Lichtstrahlen (138) zu erzeugen.
Vorrichtung (110) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die LiDAR-Einheit (118) eingerichtet ist, die Mehrzahl von sich von der getrackten Messvorrichtung (112) zu der LiDAR-Einheit (118) ausbreitenden Lichtstrahlen (138) zu empfangen und die Information über eine Modulation der sich von der getrackten Messvorrichtung (112) zu der LiDAR-Einheit (118) ausbreitenden Lichtstrahlen (138) zu bestimmen.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die getrackte Messvorrichtung (112) eine Mehrzahl von modulierbaren Markern (142) aufweist, wobei die modulierbaren Marker (142) jeweils eingerichtet sind, einen zu der LiDAR-Einheit (118) von dem jeweiligen modulierbaren Marker (142) reflektierten Lichtstrahl derart zu beeinflussen, dass ein zeitlicher Bezug zwischen LiDAR-Einheit (118) und getrackter Messvorrichtung (112) erzeugt wird.
Verfahren zum Synchronisieren von Daten mindestens einer getrackten Messvorrichtung (112) und mindestens eines LiDAR-Signals einer die getrackte Messvorrichtung (112) trackenden LiDAR-Einheit (118), wobei eine Vorrichtung (110) mit mindestens einer LiDAR-Einheit (118) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit mindestens einem Messkanal (120) der LiDAR-Einheit (118); b) Erzeugen mindestens eines LiDAR-Signals für das Messsignal und Übertragen des LiDAR-Signals an eine Steuer- und Auswerteeinheit (126); c) Drahtloses Empfangen von Daten von der getrackten Messvorrichtung (112) mit der Steuer- und Auswerteeinheit (126); d) Erzeugen mindestens eines Synchronisationssignals, welches zumindest teilweise in den mindestens einen Messkanal (120) der LiDAR-Einheit (118) integriert ist, e) Zeitliches Synchronisieren der Daten der getrackten Messvorrichtung (112) und des LiDAR-Signals mit der Steuer- und Auswerteeinheit (126) unter Berücksichtigung des Synchronisationssignals.