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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserprojektionssystem mit einer Vielzahl von Laserprojektoren. Jeder einzelne Laserprojektor besitzt einen Projektionsbereich, in dem mit einem Laserstrahl Punkte, Linien und geometrische Figuren projiziert werden können. In der Regel besitzen die Laserprojektoren einen Laserstrahl, der über zwei Spiegel umgelenkt wird. Die Achsen der motorisch schwenkbaren Spiegel stehen dabei in einem geeigneten Winkel zueinander, so dass innerhalb des Projektionsbereiches der Laserstrahl in jede Richtung abgelenkt werden kann.
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US 9,879,983 B2 ist ein Laserprojektionssystem bekannt, bei dem eine Vielzahl von Laserprojektoren auf ein großes Objekt, wie beispielsweise ein Flugzeug, projizieren. Zusätzlich sind Referenztargets an Pfählen vorgesehen. Die Laserprojektoren bestimmen ihre Position relativ zu den ortsfest montierten Referenztargets.
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WO 2007/038740 A2 ist ein Automatisierungssystem bekannt, bei dem eine Vielzahl von Laserprojektoren in eine Hubplattform integriert sind. Die Laserprojektoren projizieren hierbei gemeinsam auf ein im Bau befindliches Flugzeug.
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DE 11 2016 001 118 T5 ist ein Laserprojektionssystem bekannt, das die Positionierung von beweglichen Teilen und Baugruppen unter Verwendung von 3D-Laserprojektionen und projizierten Schablonen leisten kann. Das sich bewegende bewegliche Teil ist mit Reflektormarken ausgestattet, denen der Laserprojektor folgt.
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WO 2021/069079 A1 ist ein Messsystem und ein Koordinatenmessgerät zum Einsatz im Rahmen einer Smart-Factory-Umgebung bekannt geworden. Das Messsystem besitzt eine definierte Anordnung verschiedener Messgeräte, die so konfiguriert sind, dass die von verschiedenen Messgeräten erzeugten Koordinatenmessdaten auf ein gemeinsames Koordinatensystem referenzierbar sind.
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WO 2021/033185 A2 ist ein Vermessungswerkzeug zur Bestimmung von Position und Orientierung, relativ zu einer Baustelle, bekannt geworden. Mithilfe eines Laserprojektors werden die gewünschten Baupläne auf eine Zielfläche projiziert, um beispielsweise die Genauigkeit und Effizienz zu verbessern, mit der eine zu bauende Konstruktion vorangetrieben wird.
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Bei den bekannten Laserprojektionssystemen mit mehreren Laserprojektoren besteht das technische Problem, die Position der Laserprojektoren möglichst genau im Raum zu bestimmen. Diese ist aber Voraussetzung dafür, dass mit einem oder mehreren Laserprojektoren maßhaltig auf ein Werkstück projiziert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserprojektionssystem mit einer Vielzahl von Laserprojektoren bereitzustellen, deren Position im Raum bezüglich eines Werkstücks/Koordinatensystems möglichst genau bestimmt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Laserprojektionssystem mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Das Laserprojektionssystem beinhaltet eine Vielzahl von Laserprojektoren, die jeweils einen Projektionsbereich besitzen. In dem Projektionsbereich kann mit einem Laserstrahl auf Raumpunkte projiziert werden. Zudem kann der Laserprojektor für einen zurückgeworfenen Laserstrahl die Richtungen des einfallenden Laserstrahls bestimmen. Die Vielzahl der Laserprojektoren ist derart angeordnet, dass die Projektionsbereiche miteinander vermaschbar sind. Zwei Bereiche sind miteinander vermaschbar, wenn mindestens ein Raumpunkt vorliegt, der zu beiden Projektionsbereichen gehört. In dem vermaschbaren Bereich überlappen sich die Projektionsbereiche der Laserprojektoren zumindest teilweise. Ferner besitzt das Laserprojektionssystem mindestens ein mobiles Targetsystem mit jeweils vier oder mehr Markern, wobei die Pose des mobilen Targetsystems relativ zu einem der Laserprojektoren bestimmt werden kann. Die Pose umfasst hierbei eine drei-dimensionale Position und eine Orientierung in Bezug auf die drei Raumrichtungen, also 6-dimensionale Daten, die es erlauben, einen ausgedehnten Gegenstand im Raum eindeutig zu beschreiben. Nachfolgend wird Pose immer im Sinne von Position und Orientierung verwendet, wobei eine Relativpose eine Position und eine Orientierung relativ zu einem Koordinatensystem mit seiner Position und seiner Orientierung beschreibt, ein solches Koordinatensystem auf das sich die Relativpose bezieht, kann durch einen anderen Laserprojektor oder durch ein Targetsystem gegeben sein. Entsprechend bezeichnet Raumpose die Position und Orientierung bezogen auf einen Raum mit seinem Ursprung und seiner Orientierung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens zwei Laserprojektoren ihre Raumpose relativ zu jeweils stationären Positionen des mobilen Targetsystems erfassen und eine übergeordnete Steuerung aus den erfassten Raumposen der mindestens zwei Laserprojektoren deren Relativpose zueinander bestimmt. Ferner ist die übergeordnete Steuerung dazu ausgebildet, die Bestimmung der Relativpose bei jeweils stationärer Position des mobilen Targetsystems in unterschiedlichen Raumpositionen des mobilen Targetsystems so lange zu wiederholen, bis für jeden der Laserprojektoren mindestens eine Relativpose zu einem anderen Laserprojektor bestimmt ist. Zwischen den Laserprojektoren entsteht ein Netz von Relativposen, das beschreibt, wie sich Position und Orientierung eines Laserprojektors zu einem oder mehreren anderen Laserprojektoren verhält. Bevorzugt umfasst das Netz alle Laserprojektoren. Das erfindungsgemäße Laserprojektionssystem ist zusätzlich mit einem vier oder mehr Marker aufweisenden, raumfesten Targetsystem ausgestattet. Jeder Marker des raumfesten Targetsystems wird von mindestens einem Laserprojektor erfasst. Die übergeordnete Steuerung ist dazu ausgebildet, aus den von dem mindestens einen Laserprojektor erfassten Markern des raumfesten Targetsystems die Relativposen der Vielzahl an Laserprojektoren in Raumposen aller Laserprojektoren umzurechnen. Bei der Umrechnung der Relativposen in die Raumposen der Laserprojektoren unter Verwendung der Marker des raumfesten Targetsystems genügt es für die raumfesten Marker nur Richtungswinkel zu erfassen, eine vollständige Erfassung einer Pose ist nicht erforderlich. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Relativpose der raumfesten Marker zu erfassen, aber es ist nicht notwendig. Das erfindungsgemäße Laserprojektionssystem arbeitet mithin in einem zweistufigen Prozess: In einer ersten Prozessstufe werden die Laserprojektoren relativ zueinander in Position und Orientierung verortet. Dies erfolgt, indem zwei oder mehr Laserprojektoren gemeinsam auf ein mobiles Targetsystem mit vier oder mehr Markern schauen und so ihre Relativpose zueinander bestimmen. In einem zweiten Schritt erfassen ein oder mehrere Laserprojektoren Marker des raumfesten Targetsystems in der zweiten Prozessstufe, was es dann erlaubt, die Position und Orientierung aller Laserprojektoren im Raum durch Optimierung der Relativposen und Einbeziehung der raumfesten Marker zu bestimmen. Bei der Erfassung des raumfesten Targetsystems kann der mindestens eine Laserprojektor seine Relativpose bestimmen, wenn vier oder mehr Marker in seinem Projektionsbereich liegen. Es genügt aber auch, wenn insgesamt vier oder mehr Winkelpaare durch einen oder mehrere Laserprojektoren an den raumfesten Markern des raumfesten Targetsystems erfasst werden. Das Winkelpaar besteht aus einem Paar von Winkeltupeln, unter denen der Laserprojektor den raumfesten Marker erfasst. Es sind also die Einfallswinkel zu einem Marker des raumfesten Targetsystems die von dem Laserprojektor erfasst werden. Die durch dieses Verfahren erzielbare Projektionsgenauigkeit des Laserprojektionssystems ist abhängig von der Maßhaltigkeit des raumfesten und auch der mobilen Targetsysteme und kann unter einem Millimeter pro zehn Meter liegen, wodurch das Laserprojektionssystem hervorragend für großflächige Anwendungen geeignet ist.
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In einer besonders bevorzugten Gestaltung ist das mobile Targetsystem durch den zu vermessenden Raum bewegbar und kann so in unterschiedlichen Raumpositionen von den Laserprojektoren erfasst werden. Beispielsweise können zwei Laserprojektoren der Bewegung in einem bestimmten Raumgebiet folgen und dabei immer wieder ihre jeweilige Relativpose zu dem Targetsystem und damit ihre Relativpose zueinander berechnen. Hierdurch entsteht eine sehr große Genauigkeit bei der Bestimmung der Relativposen der Laserprojektoren untereinander.
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Im Hinblick auf die Gesamtgenauigkeit und eine freie Nutzung der Fläche hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn mehrere raumfeste Marker des raumfesten Targetsystems zumindest teilweise in einem Randbereich der Gesamtprojektionsfläche positioniert sind. Durch die Anordnung in den Randbereichen bleibt auch der zentrale Bereich der Gesamtprojektionsfläche für seine Nutzung frei. Die Gesamtprojektionsfläche ergibt sich hierbei als die Vereinigung der einzelnen Projektionsflächen, wobei es für deren Vermaschbarkeit Überlagerungen der Projektionsflächen gibt. Durch mehrere, raumfeste Marker, die in einem Randbereich der gesamten Projektionsfläche positioniert sind, können die Positionen und Orientierungen der im Inneren der Gesamtprojektionsfläche liegenden Laserprojektoren relativ genau bestimmt werden, da diese gleichsam wie in einem Netz über mehrere Laserprojektoren aus unterschiedlichen Richtungen mit ihren Relativpositionen und relativen Orientierungen eingebunden sind.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die übergeordnete Steuerung dazu ausgebildet, mit den Relativposen und den Raumposen der Laserprojektoren gemeinsam eine Ausgleichsrechnung durchzuführen, um die Raumposen aller Laserprojektoren mit minimalem Fehler zu bestimmen. Die Ausgleichsrechnung kann dabei auch den Fall miteinschließen, dass basierend auf der Erfassung des raumfesten Targetsystems auch die Berechnung der Relativposen zur Minimierung der Fehler wiederholt oder zumindest korrigiert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist als mobiles Targetsystem ein fahrbares System vorgesehen, das vier oder mehr retroreflektive Marker aufweist. Das mobile Targetsystem kann dann innerhalb des Projektionsbereichs verfahren werden.
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Bevorzugt ist die übergeordnete Steuerung zusätzlich dazu ausgebildet, während einer Bewegung eines einzelnen Markers mit zwei oder mehr Laserprojektoren diesen zu erfassen und seine Raumposition zu bestimmen. Dabei bestimmt die übergeordnete Steuerung beispielsweise ein Winkelpaar, das beispielsweise durch Triangulation, also ausgehend von den relativen Posen der beteiligten Laserprojektoren zueinander ausgewertet wird und die räumliche Position des einzelnen Markers erfasst. Der einzelne Marker kann auch Teil des mobilen Targetsystems sein, so dass dieses auch für diese Aufgabe eingesetzte werden kann. Mit dieser Ausgestaltung kann dann beispielsweise sehr genau der Untergrund vermessen werden, indem der der einzelne Marker in einem konstanten Abstand über dem Untergrund bewegt oder verfahren wird. Auf diese Weise wird beispielsweise mit dem mobilen Targetsystem der Untergrund sehr genau vermessen, wenn ausreichende Relativposen der Laserprojektoren relativ zueinander bestimmt wurden und im Nachhinein die aufgenommenen Werte dann in Sinne einer Positionsbestimmung beispielsweise durch Triangulation ausgewertet werden. Sind nur wenige Relativposen bekannt, so fällt es schwer, anhand der gewonnenen Daten zu unterscheiden, ob in der Anordnung der Laserprojektoren eine Abweichung vorliegt, oder ob eine Unebenheit im Fußboden vorhanden ist. Sind aber die Raumposen der Laserprojektoren hinreichend präzise bestimmt worden, so erlaubt dies Rückschluss auf den Untergrund.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das raumfeste Targetsystem eine Kodierung auf, die den Maker des raumfesten Targetsystems identifizieren kann, beispielsweise kann das Laserprojektionssystem hierfür mit einer Kamera ausgestattet sein. Die übergeordnete Steuerung kann über die Codierung dem Targetsystem seine Raumposition zuordnen. Auf diese Weise kann das raumfeste Targetsystem eingesetzt werden, ohne dass vorher dessen Position im Raum oder relativ zu den Laserprojektoren festgelegt oder bestimmt werden muss. Die übergeordnete Steuerung kennt dann die Position der jeweiligen Marker in dem raumfesten Targetsystem.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die mobilen Targetsysteme mindestens vier in einer vorbestimmten Orientierung zueinander angeordnete Marker auf, sodass der Laserprojektor seine Pose, relativ zu den Markern, bestimmen kann. Werden die Marker in einem vermaschten Projektionsbereich von mindestens zwei Laserprojektoren verfasst, so erlauben sie, aufgrund ihrer vorbestimmten Orientierung zueinander, die Relativposen der Laserprojektoren zueinander zu bestimmen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Laserprojektoren raumfest, beispielsweise in einer Halle, wie einer Messe-, Markt- oder Konferenzhalle montiert. Auch können die Laserprojektoren in großflächigen Hallen wie Konzert-, Theater- oder anderen Veranstaltungshallen montiert sein. Vermaschbare Bereiche bilden dabei die Projektionsbereiche oder deren Teilbereiche, die Raumpunkte enthalten, die zu zwei Projektionsbereichen gehören. Jeder Projektionsbereich ist dann vermascht, wenn mindestens einer seiner Raumpunkte auch in einen zweiten Projektionsbereich fällt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
- 1 zeigt eine schematische Ansicht zu zwei Laserprojektoren mit unterschiedlichen Positionen des mobilen Targetsystems,
- 2 zeigt in einer schematischen Ansicht Laserprojektoren, wie sie im Messebau eingesetzt werden können und
- 3 zeigt ein mobiles Targetsystem.
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1 zeigt zwei Laserprojektoren 10, 12, die beispielsweise raumfest montiert sind. Ferner ist ein mobiles Targetsystem 14 in sechs verschiedenen Positionen 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f dargestellt. Das mobile Targetsystem besitzt vier Marker 16a, 16b, 16c, 16d.
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Um die Positionen der Laserprojektoren 10, 12 im Raum zu bestimmen, kann das mobile Targetsystem die Positionen 14a bis 14f durchfahren. In den Positionen 14a und 14d bestimmt der Laserprojektor 10 seine Relativpose zu dem mobilen Targetsystem 14a, 14d. Die Positionsbestimmung ist dem Laserprojektor 10 möglich, da das mobile Targetsystem vier Marker 16a bis 16d trägt, die in einem vordefinierten Abstand und Muster zueinander angeordnet sind, sodass der Laserprojektor seine Position relativ zu den Markern durch das Erfassen von mehreren Markern triangulieren kann.
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Befindet sich das mobile Targetsystem in der Position 14b und 14e, können der Laserprojektor 10 und der Laserprojektor 12 ihre Posen zu dem Targetsystem bestimmen. Dies bedeutet, dass die Differenz dieser so bestimmten Posen die Relativpose der Laserprojektoren 10 und 12 zueinander beschreibt, da diese auf das gleiche Targetsystem gerichtet sind. Auf diese Weise kann auch bei mehr als zwei Laserprojektoren ein Netz von Relativposen aufgebaut werden, jedes Mal, wenn sich das mobile Targetsystem in einem vermaschbaren Bereich befindet, in dem seine Position durch zwei oder mehr Laserprojektoren erfasst wird.
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Die Relativposen der Laserprojektoren 10 und 12 (oder das gebildete Netz von Relativposen) sind zunächst nicht räumlich absolut festgelegt. Erst mit den raumfesten Targetpositionen 18a bis 18d wird die Zuordnung der Relativposen im Raum festgelegt. Hierzu erfasst der Laserprojektor 10 die Position von Target 18a und 18b, der Laserprojektor 12 die Position von Target 18c und 18d. In einer anschließenden Ausgleichsrechnung kann die Relativpose (oder das gebildete Netz von Relativposen) mit den Positionen der raumfesten Targets, die nur von jeweils mindestens einem Projektor erfasst werden müssen, in ein raumfestes Netz aus Absolutposen überführt werden. Wenn vorstehend von einem Netz von Relativposen gesprochen wird, so schließt dies auch Ketten von Relativposen als 1-zu-1 Verknüpfungen mit ein. Je dichter die Targets im raumfesten Targetsystem über den gesamten Projektionsbereich verteilt sind, desto größer ist die erzielbare Genauigkeit für die Raumposen.
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2 zeigt in einer schematischen Ansicht drei Laserprojektoren 20, 22, 24, die in einer Halle montiert sind. In der Halle sind beispielsweise Dachschienen 25, 27 vorgesehen, an denen die Projektoren 20, 22. 24 montiert sind. Die Projektoren haben auf den Boden gerichtete Projektionsbereiche 26 bis 32. Bei den Projektoren 20 und 22 entsteht ein sich überlappender Projektionsbereich 28. Bei dem Projektor 24 liegen ebenfalls zwei Projektionsbereiche vor, wobei beispielsweise der Projektionsbereich 32 mit einem Projektionsbereich eines weiteren Laserprojektors (nicht dargestellt) sich überlappt.
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Eingesetzt und verwendet werden die Laserprojektoren, um beispielsweise im Messebau, im Bühnenbau oder bei der Errichtung von sonstigen Ein- und Aufbauten diese durch die Projektion von einzelnen Gegenständen zu unterstützen. So kann beispielsweise die Position von Stellwänden 34 mit Hilfe der Laserprojektoren auf dem Boden vorgezeichnet werden. Durch die maßhaltige Vermessung des Untergrunds kann die Projektion hochgenau erfolgen, so dass Entwürfe für die zu errichtenden Stellwände sehr genau umgesetzt werden können. Auch die Position von Tischen 36, 40 und einem Stuhl 38 können mit Hilfe der Laserprojektoren sehr genau vorgegeben werden.
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Indem erfindungsgemäß eine Messehalle, eine Konzerthalle, ein Konferenzsaal, eine Theaterbühne oder ein sonstiger Raum genau vermessen werden kann, können darin durchzuführende Auf- oder Umbauten sehr genau durch die Laserprojektoren vorgegeben werden. Dies verkürzt die Bauzeiten und Rüstzeiten mitunter beträchtlich.
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3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein mobiles Targetsystem 40, das als ein Rolltisch aufgebaut ist. Auf der Tischplatte sind insgesamt 6 retroreflektierende Marker 42a bis 42f mit bekannten Relativpositionen vorgesehen. Dargestellt ist der Fall, dass ein retroreflektierender Marker 42c von den Laserstrahlen 44 und 46 zweier Projektoren erfasst wird. Aus dieser doppelten Erfassung von mindestens 4 Markern können die Relativpositionen der beiden Projektoren zueinander berechnet werden. Das mobile Targetsystem 40 kann durch die zu vermessende Halle geschoben werden, wobei dann in den einander überlappenden Projektionsbereichen, wie beispielsweise 28 in 2, die Relativpose der beiden Projektoren 22 und 20 zueinander bestimmt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9879983 B2 [0002]
- WO 2007038740 A2 [0003]
- DE 112016001118 T5 [0004]
- WO 2021069079 A1 [0005]
- WO 2021033185 A2 [0006]
