DE102021105176A1

DE102021105176A1 - Device and method for determining and displaying a relative orientation of an object

Info

Publication number: DE102021105176A1
Application number: DE102021105176.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Ihrle
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines Gegenstandes, der in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet ist, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist.Um die Durchführung von Messaufgaben mit Gegenständen zu vereinfachen, umfasst die Vorrichtung (1) eine Sensoreinrichtung mit mikromechanischen Sensoren, die dazu dienen, Bewegungsdaten zu erfassen, wenn die Vorrichtung (1) aus einer globalen Position in eine relative Position bewegt wird.The invention relates to a device (1) and a method for determining and displaying a relative orientation of an object that is arranged in a local coordinate system that is oriented relative to a global coordinate system (1) a sensor device with micromechanical sensors, which serve to collect movement data when the device (1) is moved from a global position to a relative position.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines Gegenstandes, der in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet ist, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist.The invention relates to a device and a method for determining and displaying a relative orientation of an object that is arranged in a local coordinate system that is oriented relative to a global coordinate system.

Aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 2010/015086 A1 sind ein System und ein Verfahren zum Erhalten von Daten, die Oberflächenpunkte eines Objekts darstellen, bekannt, wobei das System eine Texturkamera und einen Texturbildprozessor umfasst. Die europäische Offenlegungsschrift EP 2 813 810 A1 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Anordnung in Bezug auf ein globales Koordinatensystem. Die internationale Offenlegungsschrift WO 01/07866 A1 offenbart ein System zur Erfassung der Oberflächengeometrie eines Objekts, umfassend eine kamerabasierte Sensoreinheit mit einer Vorrichtung zur lokalen Punkt-für-Punkt-Erfassung der Oberflächengeometrie und einer Robotereinheit zum Bewegen der kamerabasierten Sensoreinheit. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 100 16 963 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Koordinatensystems eines Werkstücks im dreidimensionalen Raum mit mindestens zwei Kameras.From the international disclosure document WO 2010/015086 A1 a system and method for obtaining data representing surface points of an object is known, the system comprising a texture camera and a texture image processor. The European disclosure document EP 2 813 810 A1 discloses a method for calibrating an optical assembly with respect to a global coordinate system. The international disclosure document WO 01/07866 A1 discloses a system for detecting the surface geometry of an object, comprising a camera-based sensor unit with a device for local point-by-point detection of the surface geometry and a robot unit for moving the camera-based sensor unit. The German Offenlegungsschrift DE 100 16 963 A1 discloses a method for determining the position of a coordinate system of a workpiece in three-dimensional space with at least two cameras.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchführung von Messaufgaben mit Gegenständen, die in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet sind, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist, zu vereinfachen.The object of the invention is to simplify the implementation of measurement tasks with objects that are arranged in a local coordinate system that is oriented relative to a global coordinate system.

Die Aufgabe ist bei einer Vorrichtung zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines Gegenstandes, der in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet ist, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist, dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung mit mikromechanischen Sensoren umfasst, die dazu dienen, Bewegungsdaten zu erfassen, wenn die Vorrichtung aus einer globalen Position in eine relative Position bewegt wird. Bei dem Gegenstand handelt es sich zum Beispiel um einen Messsensor, zum Beispiel um einen Dehnungsmessstreifen, der an einer Tragstruktur, wie einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs, angebracht wird. Bei der Durchführung von Messaufgaben ist es häufig notwendig, Messwerte von einem lokalen Koordinatensystem des Messsensors in ein anders orientiertes globales Koordinatensystem umzurechnen. Bei dem globalen Koordinatensystem handelt es sich zum Beispiel um ein Fahrzeugsystem oder um ein Simulationssystem. In der Praxis werden dazu häufig Kabelanschlüsse der Sensorik und/oder die im Messsystem für Sensorachsen hinterlegten Sensivitäten der Sensorik so verändert, dass die Werte für das Messsystem im globalen Koordinatensystem erscheinen. Dieses Vorgehen ist aber fehleranfällig und lässt im Nachgang der Messung bei Fehlern häufig keine einfache Rekonstruktion der Fehlerursache zu. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von mehreren unterschiedlich orientierten Messsensoren. Sind die Messsensoren schief orientiert, ist die beschriebene Methodik gar nicht anwendbar, da zum Beispiel durch Umstecken von Sensorkabeln sich nur einzelne Sensorachsen vertauschen lassen. Zur Vermeidung von Fehlern im Messsetup werden vorteilhaft Sensorkanäle immer nur im Sensorsystem durch das Messsystem aufgenommen. Eine Verkabelung entspricht dabei der x/y/z-Richtung der Sensorik. Die Sensivitäten entsprechen denen von Kalibrierwerten und können bei speziellen Beschleunigungssensoren, insbesondere bei Beschleunigungssensoren mit TEDS, auch direkt aus dem Sensor richtig ausgelesen werden. Die Großbuchstaben TEDS stehen für die englischen Begriffe Transducer Electronic Data Sheet. Die Rohdaten der Sensoren werden erst in der Auswertung individuell in ein gemeines globales Koordinatensystem umgerechnet. Dazu wird die Relativorientierung der Sensoren benötigt. Mit Hilfe von Transformationsmatrizen lassen sich die Sensorkoordinaten in ein globales Koordinatensystem transformieren. Die Transformationsmatrizen lassen sich mit der beanspruchten Vorrichtung vorteilhaft während einer Messung, insbesondere eines Messsetups, einfach und robust ermitteln. So können die Transformationsmatrizen vorteilhaft im Prüfungssetup angezeigt werden, so dass diese direkt im Messsetup verwendet werden können. Die beanspruchte Vorrichtung ist für beliebig im Raum angeordnete Messsensoren einfach und schnell verwendbar. Darüber hinaus ist die Vorrichtung mit den mikromechanischen Sensoren kostengünstig realisierbar. Mit relativ einfachen Mitteln kann eine ausreichende Genauigkeit für die Weiterverarbeitung der Daten sichergestellt werden. Durch die Verwendung von Transformationsmatrizen entsteht vorteilhaft kein signifikanter Berechnungsaufwand für die Koordinatentransformation, so dass die Berechnungen bei laufender Auswertung durchgeführt und die Mess- und Ergebnisgrößen direkt im Auswertesystem angezeigt werden können.The object is achieved with a device for determining and displaying a relative orientation of an object that is arranged in a local coordinate system that is oriented relative to a global coordinate system, in that the device includes a sensor device with micromechanical sensors that are used to record movement data to detect when the device is moved from a global position to a relative position. The object is, for example, a measurement sensor, for example a strain gauge, which is attached to a supporting structure, such as a body of a motor vehicle. When carrying out measuring tasks, it is often necessary to convert measured values from a local coordinate system of the measuring sensor into a global coordinate system with a different orientation. The global coordinate system is, for example, a vehicle system or a simulation system. In practice, cable connections of the sensors and/or the sensitivities of the sensors stored in the measuring system for sensor axes are often changed in such a way that the values for the measuring system appear in the global coordinate system. However, this procedure is error-prone and often does not allow a simple reconstruction of the cause of the error after the measurement. This applies in particular when using several differently oriented measurement sensors. If the measuring sensors are oriented incorrectly, the method described cannot be used at all, since, for example, only individual sensor axes can be swapped over by reconnecting sensor cables. In order to avoid errors in the measurement setup, sensor channels are advantageously only ever recorded in the sensor system by the measurement system. Wiring corresponds to the x/y/z direction of the sensors. The sensitivities correspond to those of calibration values and can also be correctly read out directly from the sensor in the case of special acceleration sensors, in particular acceleration sensors with TEDS. The capital letters TEDS stand for the English terms Transducer Electronic Data Sheet. The raw data from the sensors are only individually converted into a common global coordinate system during evaluation. This requires the relative orientation of the sensors. With the help of transformation matrices, the sensor coordinates can be transformed into a global coordinate system. The transformation matrices can advantageously be determined simply and robustly with the claimed device during a measurement, in particular a measurement setup. In this way, the transformation matrices can advantageously be displayed in the test setup so that they can be used directly in the measurement setup. The claimed device can be used easily and quickly for any measuring sensors arranged in space. In addition, the device with the micromechanical sensors can be implemented inexpensively. Sufficient accuracy for further processing of the data can be ensured with relatively simple means. Advantageously, the use of transformation matrices means that there is no significant calculation effort for the coordinate transformation, so that the calculations can be carried out while the evaluation is ongoing and the measurement and result variables can be displayed directly in the evaluation system.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung drei Gyroskopsensoren umfasst, die dazu dienen, Drehratenänderungsdaten zu erfassen, wenn die Vorrichtung aus der globalen Position in die relative Position bewegt wird. In einer entsprechenden IMU-Einheit sind vorteilhaft mehrere Gyroskopsensoren zusammengefasst. Die Großbuchstaben IMU stehen für die englischen Begriffe Inertial Measurement Unit. Eine derartige IMU-Einheit ist bedingt durch ihre Verwendung in Smartphones kostengünstig und als fertige Einheit beziehbar. Besonders vorteilhaft existieren auch Varianten, wo eine Sensorfusion bereits in der IMU-Einheit erfolgt. Dadurch kann die benötigte Rechenleistung herabgesetzt werden.A preferred embodiment of the device is characterized in that the sensor device comprises three gyroscope sensors, which are used to acquire rotation rate change data when the device is moved from the global position to the relative position. A number of gyroscope sensors are advantageously combined in a corresponding IMU unit. The capital letters IMU stand for the English terms Inertial Measurement Unit. Such an IMU unit is inexpensive due to its use in smartphones and can be obtained as a finished unit. There are also particularly advantageous variants where a sensor fusion already takes place in the IMU unit. As a result, the required computing power can be reduced.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung drei Beschleunigungssensoren umfasst, die dazu dienen, Beschleunigungsdaten zu erfassen, wenn die Vorrichtung aus der globalen Position in die relative Position bewegt wird. In einer entsprechenden IMU-Einheit werden vorteilhaft mehrere Beschleunigungsensoren zusammengefasst. Die Großbuchstaben IMU stehen für die englischen Begriffe Inertial Measurement Unit. Eine derartige IMU-Einheit ist bedingt durch ihre Verwendung in Smartphones kostengünstig und als fertige Einheit beziehbar. Besonders vorteilhaft existieren auch Varianten, wo eine Sensorfusion bereits in der IMU-Einheit erfolgt. Dadurch kann die benötigte Rechenleistung herabgesetzt werden.A further preferred embodiment of the device is characterized in that the sensor device comprises three acceleration sensors which are used to acquire acceleration data when the device is moved from the global position to the relative position. A number of acceleration sensors are advantageously combined in a corresponding IMU unit. The capital letters IMU stand for the English terms Inertial Measurement Unit. Such an IMU unit is inexpensive due to its use in smartphones and can be obtained as a finished unit. There are also particularly advantageous variants where sensor fusion already takes place in the IMU unit. As a result, the required computing power can be reduced.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung drei Magnetsensoren umfasst, die dazu dienen, eine absolute Orientierung der Vorrichtung im Raum zu erfassen. Dadurch kann die Genauigkeit im Betrieb der Vorrichtung erhöht werden, insbesondere wenn eine Fusion der erfassten Drehratenänderungsdaten und der erfassten Beschleunigungsdaten mit den absoluten Orientierungsdaten der Magnetsensoren korrigiert wird.A further preferred exemplary embodiment of the device is characterized in that the sensor device comprises three magnetic sensors which are used to detect an absolute orientation of the device in space. As a result, the accuracy during operation of the device can be increased, in particular when a fusion of the recorded rotation rate change data and the recorded acceleration data with the absolute orientation data of the magnetic sensors is corrected.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst, die eingerichtet ist, unter Verwendung von Transformationsmatrizen lokale Koordinaten in globale Koordinaten umzurechnen. Bei der Recheneinheit handelt es sich zum Beispiel um einen Mikrocontroller, der kostengünstig verfügbar ist.A further preferred exemplary embodiment of the device is characterized in that the device comprises a computing unit which is set up to convert local coordinates into global coordinates using transformation matrices. The computing unit is, for example, a microcontroller that is available at low cost.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein tragbares Handgerät ist, das eine Hilfsorientierungsfläche sowie mindestens zwei Taster und ein Display umfasst. Am Display können insbesondere die berechneten Transformationsmatrizen online angezeigt werden. Die Hilfsorientierungsfläche dient vorteilhaft dazu, das Handgerät in verschiedenen Positionen relativ genau zu positionieren. Die Hilfsorientierungsfläche kann zum Beispiel als ebene Fläche mit Pfeilen ausgeführt sein, die Koordinatenachsen andeuten. Bei der Hilfsorientierungsfläche kann es sich um eine Anlagefläche handeln. Es kann sich aber auch nur um eine Ausrichtungsfläche handeln, mit der das Handgerät relativ zu einem definierten räumlichen Gegenstand ausgerichtet wird. Durch die Taster wird der Betrieb des tragbaren Handgeräts erheblich vereinfacht. Ein erster Taster dient zum Beispiel zum Kalibrieren des Handgeräts. Ein zweiter Taster dient vorteilhaft dazu, eine aktuell berechnete Transformationsmatrix anzuzeigen und/oder abzuspeichern.A further preferred exemplary embodiment of the device is characterized in that the device is a portable hand-held device which includes an auxiliary orientation area and at least two buttons and a display. In particular, the calculated transformation matrices can be shown online on the display. The auxiliary orientation surface advantageously serves to position the hand-held device relatively precisely in different positions. The auxiliary orientation surface can be designed, for example, as a flat surface with arrows that indicate coordinate axes. The auxiliary orientation surface can be a contact surface. However, it can also be just an alignment surface with which the hand-held device is aligned relative to a defined spatial object. The operation of the portable hand-held device is considerably simplified by the buttons. A first button is used, for example, to calibrate the handset. A second button advantageously serves to display and/or store a currently calculated transformation matrix.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Schnittstelle umfasst, die eine kabellose Übertragung einer ermittelten Transformationsmatrix ermöglicht. Bei der Schnittstelle handelt es sich zum Beispiel um eine Bluetooth-Schnittstelle oder um eine WLAN-Schnittstelle. So kann vorteilhaft eine Übermittlung an eine außerhalb der Vorrichtung angeordnete Recheneinheit realisiert werden.A further preferred exemplary embodiment of the device is characterized in that the device comprises an interface which enables wireless transmission of a transformation matrix that has been determined. The interface is, for example, a Bluetooth interface or a WLAN interface. In this way, a transmission to a computing unit arranged outside the device can advantageously be implemented.

Bei einem Verfahren zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines Gegenstandes, der in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet ist, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist, mit einer vorab beschriebenen Vorrichtung, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Vorrichtung in der globalen Position kalibriert wird, bevor die kalibrierte Vorrichtung in die relative Position bewegt wird. Durch die mikromechanischen Sensoren, insbesondere die Beschleunigungssensoren und die Gyroskopsensoren, werden alle Bewegungen der vorher kalibrierten Vorrichtung erfasst. Dabei werden besonders vorteilhaft auch die mit den Magnetsensoren erfassten absoluten Orientierungsdaten berücksichtigt. So kann die Relativorientierung des Gegenstandes schnell und einfach ermittelt und dargestellt werden.In a method for determining and displaying a relative orientation of an object that is arranged in a local coordinate system that is oriented relative to a global coordinate system, using a device described above, the above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that the device in the global position is calibrated before the calibrated device is moved to the relative position. All movements of the previously calibrated device are recorded by the micromechanical sensors, in particular the acceleration sensors and the gyroscope sensors. The absolute orientation data recorded with the magnetic sensors are also particularly advantageously taken into account. In this way, the relative orientation of the object can be determined and displayed quickly and easily.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Vorrichtung durch Drücken eines ersten Tasters angeschlossen wird, bevor die kalibrierte Vorrichtung in die relative Position bewegt wird, wobei ein zweiter Taster gedrückt wird, um die Transformationsmatrix der relativen Position oder einer weiteren relativen Position zu speichern, anzuzeigen und/oder an eine außerhalb der Vorrichtung angeordnete Recheneinheit zu übermitteln. So können die mit der Vorrichtung ermittelten Daten im Rahmen einer Messaufgabe effektiv genutzt werden.A preferred embodiment of the method is characterized in that the calibration of the device is completed by pressing a first button before the calibrated device is moved to the relative position, with a second button being pressed to convert the transformation matrix of the relative position or another relative To store position, to display and/or to transmit it to a computing unit arranged outside of the device. In this way, the data determined with the device can be used effectively within the scope of a measurement task.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln umfasst, die dazu ausgelegt sind, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit abläuft, einen oder mehrere Schritte des vorab beschriebenen Verfahrens auszuführen. Die Recheneinheit ist zum Beispiel in der Vorrichtung selbst untergebracht. Eine weitere Recheneinheit ist vorteilhaft außerhalb der Vorrichtung angeordnet. Die in der Vorrichtung untergebrachte Recheneinheit kann vorteilhaft relativ einfach ausgeführt sein. So kann zum Beispiel ein kostengünstiger in großen Stückzahlen verfügbarer Mikrocontroller verwendet werden. Das Gleiche gilt für die mikromechanischen Sensoren, insbesondere die Beschleunigungssensoren, Gyroskopsensoren und Magnetsensoren, die ebenfalls vorteilhaft in großen Stückzahlen kostengünstig verfügbar sind.The invention also relates to a non-transitory computer-readable medium that includes a computer program with program code means that are designed to execute one or more steps of the method described above when the computer program runs on a computing unit. The computing unit is housed in the device itself, for example. A further processing unit is advantageously arranged outside the device. The computing unit housed in the device can advantageously be of relatively simple design. For example, a more cost-effective one that is available in large quantities Microcontrollers are used. The same applies to the micromechanical sensors, in particular the acceleration sensors, gyroscope sensors and magnetic sensors, which are also advantageously available in large numbers at low cost.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer als Handgerät ausgeführten Vorrichtung zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung mit einer Sensoreinrichtung, die mikromechanische Sensoren umfasst;
2 die Vorrichtung aus 1 mit einem Gegenstand und mit Symbolen, die ein globales Koordinatensystem und ein lokales Koordinatensystem symbolisieren; und
3 die Vorrichtung aus 1 mit einem transparent dargestellten Gehäuse.

Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing. Show it:

1 a perspective view of a hand-held device for determining and displaying a relative orientation with a sensor device that includes micromechanical sensors;
2 the device off 1 with an object and with symbols symbolizing a global coordinate system and a local coordinate system; and
3 the device off 1 with a transparent housing.

In den 1 bis 3 ist eine Vorrichtung 1 in verschiedenen Ansichten perspektivisch und in 3 mit einem transparenten Gehäuse 3 dargestellt. Die Vorrichtung1 ist als Handgerät 2 ausgeführt und dient zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines in 2 dargestellten Gegenstandes 18.In the 1 until 3 is a device 1 in different perspective views and in 3 shown with a transparent housing 3. The device 1 is designed as a hand-held device 2 and is used to determine and display a relative orientation of an in 2 depicted object 18.

Das Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 hat im Wesentlichen die Gestalt eines Quaders mit einem Grundkörper 4, der durch einen Deckel 5 verschlossen ist. In den Deckel 5 sind zwei Taster 6, 7 und ein Display 8 integriert. Der Grundkörper 4 des Gehäuses 3 weist an einer Stirnseite einen Anschluss 9 auf.The housing 3 of the device 1 essentially has the shape of a cuboid with a base body 4 which is closed by a cover 5 . In the cover 5 two buttons 6, 7 and a display 8 are integrated. The base body 4 of the housing 3 has a connection 9 on one end face.

Der Deckel 5 des Gehäuses 3 umfasst des Weiteren eine Hilfsorientierungsfläche 10 mit zwei Pfeilen 11, 12. Die Hilfsorientierungsfläche 10 mit den Pfeilen 11, 12 dient dazu, das Handgerät 2 global und lokal zu positionieren. In den 1 und 3 ist durch ein Symbol 13 angedeutet, dass das Handgerät 2 in den 1 und 3 gleich ausgerichtet ist. In 2 ist durch ein Symbol 19 angedeutet, dass das Handgerät 2 in 2 anders als in den 1 und 3 ausgerichtet ist.The cover 5 of the housing 3 also includes an auxiliary orientation surface 10 with two arrows 11, 12. The auxiliary orientation surface 10 with the arrows 11, 12 is used to position the hand-held device 2 globally and locally. In the 1 and 3 is indicated by a symbol 13 that the handset 2 in the 1 and 3 is aligned the same. In 2 is indicated by a symbol 19 that the handset 2 in 2 different than in the 1 and 3 is aligned.

In 2 ist durch ein Symbol 14 ein globales Koordinatensystem angedeutet. Das globale Koordinatensystem 14 umfasst eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse. Durch ein Symbol 15 ist ein lokales Koordinatensystem des in 2 ebenfalls dargestellten Gegenstandes 18 angedeutet.In 2 a symbol 14 indicates a global coordinate system. The global coordinate system 14 includes an x-axis, a y-axis and a z-axis. A symbol 15 represents a local coordinate system of the in 2 also shown object 18 indicated.

Der Gegenstand 18 ist auf einer Fläche 17 einer Tragstruktur 16 angeordnet. Bei der Tragstruktur 16 handelt es sich um eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Gegenstand 18 handelt es sich um einen Sensor. Daher sind drei Achsen des lokalen Koordinatensystems 15 mit xs, ys und zs bezeichnet.The object 18 is arranged on a surface 17 of a support structure 16 . The support structure 16 is a body of a motor vehicle. The object 18 is a sensor. Therefore, three axes of the local coordinate system 15 are denoted by xs, ys and zs.

In 3 ist das Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 transparent dargestellt, um sichtbar zu machen, dass im Inneren des Gehäuses 3 eine Recheneinheit 20 und eine Sensoreinrichtung 25 angeordnet sind. Bei der Recheneinheit 20 handelt es sich um einen relativ einfach aufgebauten Mikrocontroller. Der Mikrocontroller 20 dient im Betrieb der Vorrichtung 1 dazu, Berechnungen und Auswertungen unmittelbar in der Vorrichtung 1 durchzuführen. Ergebnisse der Berechnungen/Auswertungen werden im Display 8 angezeigt.In 3 the housing 3 of the device 1 is shown transparently in order to make it clear that a computing unit 20 and a sensor device 25 are arranged inside the housing 3 . The arithmetic unit 20 is a relatively simply constructed microcontroller. When the device 1 is in operation, the microcontroller 20 is used to carry out calculations and evaluations directly in the device 1 . The results of the calculations/evaluations are shown on the display 8.

Die Sensoreinrichtung 25 ist als inertiale Messeinheit ausgeführt. In der Sensoreinrichtung 25 sind drei Beschleunigungssensoren, drei Gyroskopsensoren und drei Magnetsensoren zusammengefasst. Die drei Beschleunigungssensoren und die drei Gyroskopsensoren dienen vorteilhaft dazu, eine Relativorientierung des Handgeräts 2 zu ermitteln, wenn das Handgerät 2 aus einer globalen Position in eine relative Position bewegt wird. The sensor device 25 is designed as an inertial measuring unit. Three acceleration sensors, three gyroscope sensors and three magnetic sensors are combined in the sensor device 25 . The three acceleration sensors and the three gyroscope sensors are advantageously used to determine a relative orientation of the hand-held device 2 when the hand-held device 2 is moved from a global position to a relative position.

Die drei Magnetsensoren dienen dazu, eine Absolutorientierung des Handgeräts 2 zu ermitteln.The three magnetic sensors are used to determine an absolute orientation of the hand-held device 2 .

In 1 ist die Vorrichtung 1 in einem Einschaltzustand, Resetzustand oder Kalibrierzustand dargestellt. Durch Drücken des ersten Tasters 6 wird die Vorrichtung 1 kalibriert. Das zugehörige globale Koordinatensystem ist in 1 mit 13 bezeichnet.In 1 the device 1 is shown in a switch-on state, reset state or calibration state. The device 1 is calibrated by pressing the first button 6 . The associated global coordinate system is in 1 labeled 13.

In 2 ist das globale Koordinatensystem mit 14 bezeichnet und größer als in 1 dargestellt. In 2 ist veranschaulicht, wie das Handgerät 2 relativ zu dem Gegenstand 18 ausgerichtet wird. Das zugehörige lokale Koordinatensystem ist mit 15 bezeichnet.In 2 the global coordinate system is denoted by 14 and is larger than in 1 shown. In 2 shows how the hand-held device 2 is aligned relative to the object 18 . The associated local coordinate system is denoted by 15.

Durch Drücken des zweiten Tasters 7 wird die relative Orientierung des Handgeräts 2 zu dem Gegenstand 18 in Form einer Transformationsmatrix an einer definierten Stelle des Displays angezeigt und bei Bedarf gespeichert. Mit der Recheneinheit 20 wird im Handgerät 2 die aktuelle Transformationsmatrix laufend ermittelt und optional im Display 8 angezeigt.By pressing the second button 7, the relative orientation of the hand-held device 2 to the object 18 is displayed in the form of a transformation matrix at a defined point on the display and stored if required. The current transformation matrix is continuously determined in the hand-held device 2 with the arithmetic unit 20 and optionally shown on the display 8 .

Gemäß einer besonders bevorzugten Anwendung wird die Vorrichtung 1 in einem ersten Schritt so ausgerichtet, dass die Ausrichtung dem globalen Koordinatensystem 14 entspricht. Dann wird der erste Taster 6 gedrückt. Die aktuelle Orientierung des Handgeräts 2 entspricht einer Referenzorientierung. Im Display wird eine Einheitsmatrix angezeigt.According to a particularly preferred application, the device 1 is aligned in a first step in such a way that the alignment corresponds to the global coordinate system 14 . Then the first button 6 is pressed. The current orientation of the handset 2 corresponds to a reference orientation. A unit matrix is shown in the display.

Im zweiten Schritt wird das Handgerät 2 so bewegt beziehungsweise verdreht, dass die Orientierung des Handgeräts 2 dem als Sensor ausgeführten Gegenstand 18 in 2 entspricht. Das Display 8 des Handgeräts 2 zeigt live die zugehörige Transformationsmatrix an. Durch Drücken des zweiten Tasters 7 wird der im Display 8 angezeigte Wert der Transformationsmatrix abgespeichert und an einer anderen Stelle im Display 8 angezeigt.In the second step, the hand-held device 2 is moved or rotated in such a way that the orientation of the hand-held device 2 corresponds to the object 18 designed as a sensor in 2 is equivalent to. The display 8 of the hand-held device 2 shows the associated transformation matrix live. By pressing the second button 7 , the value of the transformation matrix shown on the display 8 is stored and shown at a different location on the display 8 .

Die angezeigte und abgespeicherte Transformationsmatrix kann an geeigneter Stelle notiert oder je nach Ausführung auch kabellos an eine weitere Recheneinheit übermittelt werden.The displayed and saved transformation matrix can be noted at a suitable place or, depending on the version, can also be transmitted wirelessly to another processing unit.

In einem nächsten Schritt kann das Handgerät 2 an einem weiteren Gegenstand ausgerichtet und positioniert werden. Durch nochmaliges Drücken des zweiten Tasters 7 kann die zugehörige Transformationsmatrix angezeigt beziehungsweise gespeichert werden.In a next step, the hand-held device 2 can be aligned and positioned on another object. By pressing the second button 7 again, the associated transformation matrix can be displayed or saved.

BezugszeichenlisteReference List

11: Vorrichtungcontraption
22: Handgeräthandset
33: GehäuseHousing
44: Grundkörperbody
55: Deckellid
66: Tasterbutton
77: Tasterbutton
88th: Displayscreen
99: Anschlussconnection
1010: HilfsorientierungsflächeAuxiliary Orientation Area
1111: PfeilArrow
1212: PfeilArrow
1313: Koordinatensystemcoordinate system
1414: globales Koordinatensystemglobal coordinate system
1515: lokales Koordinatensystemlocal coordinate system
1616: Tragstruktursupporting structure
1717: FlächeSurface
1818: Gegenstandobject
1919: Symbolsymbol
2020: Recheneinheitunit of account

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2010/015086 A1 [0002]
EP 2813810 A1 [0002]
WO 01/07866 A1 [0002]
DE 10016963 A1 [0002]

Claims

Device (1) for determining and displaying a relative orientation of an object (18) which is arranged in a local coordinate system (15) which is oriented relative to a global coordinate system (14), characterized in that the device (1) has a sensor device (25) with micromechanical sensors, which serve to collect movement data when the device (1) is moved from a global position to a relative position.

device after claim 1 , characterized in that the sensor device (25) comprises three gyroscope sensors, which are used to detect rotation rate change data when the device (1) is moved from the global position to the relative position.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device (25) comprises three acceleration sensors, which serve to acquire acceleration data when the device (1) is moved from the global position to the relative position.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device (25) comprises three magnetic sensors which are used to detect an absolute orientation of the device (1) in space.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) comprises a computing unit (20) which is set up to convert local coordinates into global coordinates using transformation matrices.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) is a portable hand-held device (2) which comprises an auxiliary orientation surface (10) and at least two buttons (6, 7) and a display (8).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) comprises an interface which enables wireless transmission of a determined transformation matrix.

Method for determining and displaying a relative orientation of an object (18) which is arranged in a local coordinate system (15) which is oriented relative to a global coordinate system (14), using a device according to one of the preceding claims, characterized in that the Device (1) is calibrated in the global position before the calibrated device (1) is moved to the relative position.

procedure after claim 8 , characterized in that the calibration of the device (1) is completed by pressing a first button (6) before the calibrated device (1) is moved to the relative position, a second button (7) being pressed to convert the transformation matrix to store the relative position or a further relative position, to display it and/or to transmit it to a computing unit (20) arranged outside the device (1).

Non-transitory computer-readable medium comprising a computer program with program code means which are designed to, when the computer program runs on a computing unit, one or more steps of the method according to one of Claims 8 and 9 to execute.