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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät. Ein Satz von Koordinatenmessgeräten gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punkts durch Senden eines Laserstrahls zu dem Punkt messen, wo er von einem Retroreflektorziel aufgefangen wird. Das Instrument findet die Koordinaten des Punkts, indem es den Abstand und die zwei Winkel zu dem Ziel misst. Der Abstand wird mit einem Distanzmessgerät wie beispielsweise einem Absolutdistanzmesser (ADM) oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus in dem Instrument lenkt den Laserstrahl zu dem betreffenden Punkt. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist ein Lasertracker.
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Ein Koordinatenmessgerät, das nahe mit dem Lasertracker verwandt ist, ist die Totalstation. Die Totalstation, die am häufigsten bei Vermessungsanwendungen eingesetzt wird, kann zum Messen der Koordinaten von diffus streuenden bzw. retroreflektierenden Zielen verwendet werden. Der Begriff „Lasertracker” wird nachstehend in weitem Sinn so benutzt, dass er Totalstationen umfasst.
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Normalerweise sendet ein Lasertracker einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel. Ein üblicher Typ eines Retroreflektorziels ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR; spherically mounted retroreflector), der einen in eine Metallkugel eingebetteten Würfelecken-Retroreflektor umfasst. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrechte Spiegel. Der Scheitelpunkt der Würfelecke, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Es ist in der Praxis üblich, dass die Kugeloberfläche des SMR in Kontakt mit einem Prüfobjekt angeordnet wird und der SMR anschließend über die zu messende Oberfläche bewegt wird. Wegen dieser Platzierung der Würfelecke in der Kugel bleibt der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt der Würfelecke zu der Oberfläche des Prüfobjekts trotz der Drehung des SMR gleich. Demzufolge kann man die 3D-Koordinaten einer Oberfläche ermitteln, indem man einen Tracker die 3D-Koordinaten eines über die Oberfläche bewegten SMR verfolgen lässt.
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Es kann ein Kardanmechanismus in dem Lasertracker verwendet werden, um einen Laserstrahl des Trackers auf den SMR zu richten. Ein Teil des von dem SMR retroreflektierten Lichts tritt in den Lasertracker ein und geht auf einen Positionsdetektor durch. Die Position des Lichts, das auf den Positionsdetektor auftrifft, wird von einem Trackersteuersystem benutzt, um die Drehwinkel der mechanischen Azimut- und Zenitachsen des Lasertrackers derart einzustellen, dass der Laserstrahl auf den SMR zentriert bleibt. Auf diese Weise ist der Tracker in der Lage, dem SMR zu folgen (nachgeführt zu werden).
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Winkelmessgeräte wie beispielsweise Winkelkodierer, die an den mechanischen Azimut- und Zenitachsen des Trackers befestigt sind, können zur Ermittlung der Azimut- und Zenitwinkel des Laserstrahls (bezogen auf das Bezugssystem des Trackers) benutzt werden. Die eine Abstandsmessung und die zwei Winkelmessungen, die durch den Lasertracker erhalten werden, reichen für die vollständige Bestimmung der dreidimensionalen Position des SMR oder eines anderen Retroreflektorziels aus.
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Wie zuvor gesagt wurde, können in Lasertrackern zwei Typen von Distanzmessern vorkommen: Interferometer und Absolutdistanzmesser (ADMs). In dem Lasertracker kann ein Interferometer (sofern vorhanden) den Abstand von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt ermitteln, indem es die Anzahl von Inkrementen bekannter Länge (normalerweise die halbe Wellenlänge des Laserlichts) zählt, die durchgehen, während ein Retroreflektorziel zwischen den zwei Punkten bewegt wird. Wenn der Laserstrahl während der Messung unterbrochen wird, kann die Anzahl der Impulse nicht genau ermittelt werden, was zum Verlust der Abstandsinformation führt. Im Vergleich dazu ermittelt der ADM in einem Lasertracker den absoluten Abstand zu einem Retroreflektorziel ohne Berücksichtigung von Strahlunterbechungen, was ferner ein Umschalten zwischen Zielen ermöglicht. Es wird daher auch gesagt, dass der ADM zu einer „Anvisieren-und-Auslösen”-Messung in der Lage ist. Anfangs konnten Absolutdistanzmesser lediglich ortsfeste Ziele messen, so dass sie aus diesem Grund immer zusammen mit einem Interferometer benutzt wurden. Einige moderne Absolutdistanzmesser können jedoch schnelle Messungen durchführen, wodurch die Notwendigkeit eines Interferometers entfällt.
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Der Lasertracker folgt in seinem Trackingmodus automatisch den Bewegungen des SMR, wenn der SMR sich im Erfassungsbereich des Trackers befindet. Wird der Laserstrahl unterbrochen, hört das Tracking auf. Der Strahl kann durch ein beliebiges von mehreren Mitteln unterbrochen werden: (1) ein Hindernis zwischen dem Instrument und dem SMR; (2) schnelle Bewegungen des SMR, die für das Instrument zu schnell sind, um ihnen folgen zu können; oder (3) das Drehen der Richtung des SMR über den Öffnungswinkel des SMR hinaus. Der Strahl bleibt nach einer Strahlunterbechung bei einigen Betriebsmodi standardmäßig an dem Punkt der Strahlunterbrechung oder an der letzten befohlenen Position stehen. Es ist unter Umständen für einen Bediener erforderlich, dass er den Trackingstrahl mit den Augen sucht und den SMR in dem Strahl positioniert, damit das Instrument den SMR fest anvisiert und das Tracking fortgesetzt wird. Bei einem anderen Betriebsmodus kann der Strahl durch den Einsatz eines Kamerasystems, das nachstehend behandelt wird, automatisch zu dem SMR zurückgerichtet werden.
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Einige Lasertracker umfassen eine oder mehrere Kameras. Eine Kameraachse kann koaxial zum Messstrahl sein oder um einen festen Abstand oder Winkel gegenüber dem Messstrahl versetzt sein. Man kann eine Kamera verwenden, um ein weites Sichtfeld zum Auffinden von Retroreflektoren bereitzustellen. Eine nahe der optischen Achse der Kamera angeordnete modulierte Lichtquelle kann Retroreflektoren beleuchten und sie dadurch leichter identifizierbar machen. In diesem Fall blinken die Retroreflektoren phasengleich mit der Beleuchtung, Objekte im Hintergrund dagegen nicht. Eine Anwendung für eine derartige Kamera besteht darin, mehrere Retroreflektoren im Sichtfeld zu erfassen und jeden in einer automatischen Abfolge zu messen.
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Einige Lasertracker sind in der Lage, mit sechs Freiheitsgraden (DOF; degrees of freedom), die drei Koordinaten wie beispielsweise x, y und z sowie drei Drehungen wie beispielsweise Nick-, Roll- und Gierdrehung umfassen können, zu messen. Mehrere Systeme auf Basis von Lasertrackern stehen zur Verfügung oder wurden für die Messung von sechs Freiheitsgraden vorgeschlagen.
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Wie vorstehend erläutert wurde, wird das Tracking eines Retroreflektorziels angehalten, wenn der Strahl unterbrochen wird. In einigen Fällen wird eine solche Strahlunterbrechung absichtlich vom Bediener herbeigeführt – beispielsweise, um den Strahl dazu zu benutzen, eine Markierung für die Ausrichtung von Zielständern oder -instrumenten zur Verfügung zu stellen. In anderen Fällen ist eine Strahlunterbrechung unabsichtlich oder unvermeidbar – beispielsweise dann, wenn ein Bediener das Retroreflektorziel zu viel dreht oder den Retroreflektor bei der Bewegung von einem Punkt zum anderen hinter ein Objekt führt. In Fällen, wo die Strahlunterbrechung unerwünscht ist, wird vorzugsweise eine Methode vorgesehen, um den Strahl zweckmäßig auf das Retroreflektorziel zurückzulenken.
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Ein in der Technik bekanntes Verfahren zum zweckmäßigen Zurücklenken eines Strahls auf ein Retroreflektorziel besteht darin, das Retroreflektorziel mit einem Lichtkegel zu beleuchten, um das beleuchtete Retroreflektorziel mit einer Lokalisierungskamera, die in unmittelbarer Nähe zu der den Lichtkegel erzeugenden Lichtquelle angeordnet ist, zu sehen, um die Position des Retroreflektorbilds auf einer in der Lokalisierungskamera enthaltenen photosensitiven Anordnung auszuwerten und um Motoren des Lasertrackers einzuschalten, damit der Lichtstrahl des Trackers zu dem Retroreflektorziel hin geführt wird. Dieser Vorgang kann erforderlichenfalls wiederholt werden, um mit dem Lichtstrahl des Trackers das Retroreflektorziel fest anzuvisieren. Das feste Anvisieren des Retroreflektorziels mit dem Lichtstrahl kann durch den Positionsdetektor erkannt werden, der eine relativ große Menge retroreflektierten Lichts empfängt.
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Das Lokalisierungskamerasystem findet bei einer Implementierung dieses Verfahrens zum Lenken eines Strahls auf ein Retroreflektorziel automatisch jedes Mal ein nahe gelegenes Retroreflektorziel und visiert es fest an, wenn der Tracker den Strahl verliert. Dieses Verfahren ist allerdings in mancher Hinsicht begrenzt. In einigen Fällen können zahlreiche Retroreflektorziele innerhalb eines Messvolumens angeordnet sein und möchte der Bediener den Trackerstrahl möglicherweise zu einem anderen Ziel als dem automatisch vom Tracker nach einer Strahlunterbrechung ausgewählten führen. In anderen Fällen möchte der Bediener eventuell, dass der Trackerstrahl derart in einer Richtung feststehend bleibt, dass ein Ständer oder ein Instrument auf ihn ausgerichtet werden kann.
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Ein in der Technik bekannter Weg zur Umgehung dieser Schwierigkeit besteht darin, Gesten zur Steuerung des Verhaltens eines Lasertrackers zu benutzen. Bei einer Implementierung mit Gesten wird ein Retroreflektorziel verfolgt, indem eine oder mehrere Lokalisierungskameras und dazugehörige in der Nähe befindliche Lichtquellen verwendet werden. Die Kameras können bei dieser Implementierung eine bestimmte Geste erfassen, indem sie die Bewegung eines beleuchteten Retroreflektorziels auswerten oder ein Muster in der von den Retroreflektorzielen kommenden Lichtenergie auswerten. Ein potentieller Nachteil beim Einsatz von Gesten besteht darin, dass sich der Bediener die Entsprechung zwischen Trackerbefehlen und Gesten merken muss.
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Es besteht Bedarf an einem flexiblen und zweckmäßigen Verfahren zur Erfassung von Retroreflektorzielen. Es ist in einigen Fällen erwünscht, ein Retroreflektorziel nach einer Strahlunterbrechung wieder zu erfassen. Es ist in anderen Fällen erwünscht, einen Laserstrahl, der entweder unterbrochen oder nicht unterbrochen wurde, zu einem anderen Retroreflektorziel zu führen.
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Zusammenfassung
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Es ist ein Verfahren zum festen Anvisieren und Verfolgen eines ausgewählten Retroreflektorziels mit einem Lasertracker vorgesehen, wobei das feste Anvisieren und Verfolgen unter der Führung eines Bedieners durchgeführt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen mindestens eines Retroreflektorziels; Bereitstellen des Lasertrackers, wobei der Lasertracker eine Struktur, eine erste Lichtquelle, einen Distanzmesser, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät, einen Positionsdetektor, eine Kamera, eine zweite Lichtquelle und einen Prozessor aufweist, wobei die Struktur um eine erste Achse und eine zweite Achse drehbar ist; wobei die erste Lichtquelle dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zu erzeugen, der mit dem Distanzmesser zusammenwirkt, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Drehwinkel um die erste Achse zu messen, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen zweiten Drehwinkel um die zweite Achse zu messen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, einen reflektierten Strahl zu empfangen, wobei der reflektierte Strahl der erste von einem Retroreflektorziel reflektierte Lichtstrahl ist, wobei die Kamera ein Linsensystem und eine photosensitive Anordnung umfasst, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, einen Lichtkegel bereitzustellen, wobei der erste Lichtstrahl und der Lichtkegel in Bezug auf die Struktur feststehend sind, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, mit der Kamera zusammenzuwirken, wobei die Kamera ein Sichtfeld aufweist, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, den Lasertracker zu bedienen. Das Verfahren umfasst auch folgende Schritte: Bereitstellen eines Sendeempfängers, der an den Lasertracker gekoppelt ist oder an einen mit dem Lasertracker kommunizierenden Computer gekoppelt ist, wobei der Sendeempfänger einen Empfänger und gegebenenfalls einen Sender umfasst; Bereitstellen eines tragbaren Geräts, das dafür konfiguriert ist, drahtlos mit dem Sendeempfänger zu kommunizieren; Positionieren des mindestens einen Retroreflektorziels innerhalb des Sichtfelds der Kamera; Betätigen des tragbaren Geräts durch den Bediener und Senden einer drahtlosen Nachricht an den Sendeempfänger als Reaktion auf die Betätigung; Ermitteln eines Retroreflektorziel-Kriteriums; Reagieren auf die drahtlose Nachricht durch wiederholtes Durchführen von Schritten in einer die folgenden Schritte (a) – (e) umfassenden Schleife und Verlassen der Schleife, wenn eine Austrittsbedingung erfüllt ist: (a) Reflektierenlassen eines Teils des Lichtkegels von dem mindestens einen Retroreflektorziel und Aufnehmen eines Anordnungsbilds auf der photosensitiven Anordnung; (b) Ermitteln, welches Retroreflektorziel das Retroreflektorziel-Kriterium erfüllt, wobei das Ermitteln zumindest teilweise auf dem Anordnungsbild basiert, wobei das Retroreflektorziel, das das Retroreflektorziel-Kriterium erfüllt, als „ausgewähltes Retroreflektorziel” bezeichnet wird; (c) Messen eines Signalpegels mit dem Positionsdetektor und Ermitteln auf Basis des Signalpegels, ob der Positionsdetektor den reflektierten Strahl empfängt; (d) Feststellen, ob die Austrittsbedingung erfüllt ist, wobei die Austrittsbedingung erfüllt ist, wenn und nur wenn der Positionsdetektor den reflektierten Strahl empfängt und der reflektierte Strahl von dem ausgewählten Retroreflektorziel kommt; (e) Einschalten eines ersten Motors und eines zweiten Motors, um den ersten Lichtstrahl zu dem ausgewählten Retroreflektorziel hin zu lenken; Einschalten des ersten Motors und des zweiten Motors, um den reflektierten Strahl derart zu lenken, dass der reflektierte Strahl auf dem Positionsdetektor gehalten wird; und Messen eines Abstands zu dem ersten Retroreflektorziel mit dem Distanzmesser, eines dritten Winkels mit dem ersten Winkelmessgerät und eines vierten Winkels mit dem zweiten Winkelmessgerät.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei gleiche Elemente in den mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
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1: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
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2: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems des Stands der Technik;
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3: ein Blockdiagramm der Elektronik eines Lasertrackersystems des Stands der Technik;
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4: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers, der mit einem drahtlosen Gerät verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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5: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers, der reflektiertes Licht mit Lokalisierungskameras erhält, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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6: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers, der einen Lichtstrahl zu einem Retroreflektor sendet, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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7: ein Ablaufdiagramm, das Schritte in einem Verfahren zum Auswählen, festen Anvisieren und Verfolgen eines Retroreflektorziels gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
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8: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers, bei welchem der Strahl nicht irgendeinen Retroreflektor in einem Bereich mehrerer Retroreflektoren fest anvisiert, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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9: eine auf einem tragbaren Gerät vorgesehene beispielhafte Benutzerschnittstelle gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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10: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers, der mit einem eine Inertialmesseinheit enthaltenden drahtlosen Gerät verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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11: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers, der mit einem eine Inertialmesseinheit enthaltenden drahtlosen Gerät verwendet wird, gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
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12: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackers, der mit einem eine Inertialmesseinheit enthaltenden drahtlosen Gerät verwendet wird, gemäß noch einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
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In 1 ist ein Lasertracker 10 des Stands der Technik dargestellt. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitschlitten 14, der auf einem Azimutsockel 16 angebracht ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzlast 15 ist auf dem Zenitschlitten 14 angebracht und wird um eine Zenitachse 18 gedreht. Die mechanische Zenitdrehachse 18 und die mechanische Azimutdrehachse 20 schneiden sich orthogonal innerhalb des Trackers 10 an einem Kardanpunkt 22, der normalerweise der Ursprung für Abstandsmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 verläuft nahezu durch den Kardanpunkt 22 und wird orthogonal zu der Zenitachse 18 gerichtet. Mit anderen Worten: der Laserstrahl 46 befindet sich in einer Ebene, die senkrecht zu der Zenitachse 18 ist. Der Laserstrahl 46 wird durch Motoren im Tracker (nicht dargestellt), die die Nutzlast 15 um die Zenitachse 18 und um die Azimutachse 20 drehen, in die gewünschte Richtung gerichtet. Zenit- und Azimutwinkelkodierer innen im Tracker (nicht dargestellt) sind an der mechanischen Zenitachse 18 und der mechanischen Azimutachse 20 befestigt und geben mit hoher Genauigkeit die Drehwinkel an. Der Laserstrahl 46 verläuft zu einem externen Retroreflektor 26 wie beispielsweise dem oben beschriebenen sphärisch montierten Retroreflektor (SMR). Durch Messen des Radialabstands zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26 sowie der Drehwinkel um die Zenit- und Azimutachse 18, 20 wird die Position des Retroreflektors 26 im Kugelkoordinatensystem des Trackers gefunden.
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Der Laserstrahl 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen. Der Klarheit und Einfachheit halber wird in der folgenden Erörterung ein Lenkungsmechanismus des in 1 dargestellten Typs angenommen. Es sind jedoch andere Typen von Lenkungsmechanismen möglich. Es wäre beispielsweise möglich, einen Laserstrahl von einem Spiegel reflektieren zu lassen, der um die Azimut- und Zenitachse gedreht wird. Die hier beschriebenen Methoden sind anwendbar, und zwar ungeachtet der Art des Lenkungsmechanismus.
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In dem beispielhaften Lasertracker 10 sind Kameras 52 und Lichtquellen 54 auf der Nutzlast 15 angeordnet. Die Lichtquellen 54 beleuchten ein oder mehrere Retroreflektorziele 26. Die Lichtquellen 54 können LEDs sein, die elektrisch derart gesteuert werden, dass sie wiederholt gepulstes Licht emittieren. Jede Kamera 52 umfasst eine photosensitive Anordnung und eine vor der photosensitiven Anordnung befindliche Linse. Die photosensitive Anordnung kann beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Anordnung sein. Die Linse kann ein relativ weites Sichtfeld haben, beispielsweise 30 oder 40 Grad. Der Zweck der Linse besteht darin, auf der photosensitiven Anordnung ein Bild von Objekten abzubilden, die sich im Sichtfeld der Linse befinden. Jede Lichtquelle 54 ist nahe der Kamera 52 derart angeordnet, dass das Licht der Lichtquelle 54 von jedem Retroreflektorziel 26 zur Kamera 52 reflektiert wird. Auf diese Weise werden Retroreflektorbilder auf der photosensitiven Anordnung problemlos von dem Hintergrund unterschieden, weil ihre Bildpunkte heller als Hintergrundobjekte und gepulst sind. Es können zwei Kameras 52 und zwei Lichtquellen 54 vorhanden sein, die rings um die Linie des Laserstrahls 46 angeordnet sind. Durch den derartigen Einsatz von zwei Kameras kann man das Prinzip der Triangulation anwenden, um die dreidimensionalen Koordinaten eines beliebigen SMR innerhalb des Sichtfelds der Kamera aufzufinden. Ferner können die dreidimensionalen Koordinaten des SMR überwacht werden, während der SMR von Punkt zu Punkt bewegt wird.
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Es sind andere Anordnungen von einer oder mehreren Kameras und Lichtquellen möglich. Eine Lichtquelle und eine Kamera können beispielsweise koaxial oder fast koaxial zu den vom Tracker emittierten Laserstrahlen sein. Es ist in diesem Fall unter Umständen erforderlich, dass eine optische Filterung oder ähnliche Verfahren eingesetzt werden, um eine Sättigung der photosensitiven Anordnung der Kamera mit dem Laserstrahl des Trackers zu vermeiden. Eine weitere mögliche Anordnung besteht darin, eine einzige Kamera zu verwenden, die sich auf der Nutzlast oder dem Sockel des Trackers befindet.
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In 2 ist ersichtlich, dass eine Zusatzeinheit 70 normalerweise ein Teil des Lasertrackers 10 des Stands der Technik ist. Der Zweck der Zusatzeinheit 70 besteht darin, elektrische Energie zum Körper des Lasertrackers zu führen, und in manchen Fällen auch darin, dem System Kapazitäten für die Berechnung und Taktung zur Verfügung zu stellen. Man kann die Zusatzeinheit 70 ganz wegfallen lassen, indem man ihre Funktionalität in den Körper des Trackers integriert. In den meisten Fällen ist die Zusatzeineit 70 an einen Universalcomputer 80 angeschlossen. Die Anwendungssoftware, die auf dem Universalcomputer 80 geladen ist, kann Anwendungskapazitäten wie beispielsweise Reverse Engineering bereitstellen. Man kann den Universalcomputer 80 auch wegfallen lassen, indem man seine Rechenkapazität direkt in den Lasertracker 10 einbaut. In diesem Fall wird eine Benutzerschnittstelle, die eventuell eine Tastatur- und Mausfunktionalität bereitstellt, in den Lasertracker 10 eingebaut. Die Verbindung zwischen der Zusatzeinheit 70 und dem Computer 80 kann über Funk oder durch ein Kabel aus elektrischen Drähten vorhanden sein. Der Computer 80 kann an ein Netzwerk angeschlossen sein und die Zusatzeinheit 70 kann auch an ein Netzwerk angeschlossen sein. Mehrere Instrumente, beispielsweise mehrere Messinstrumente oder -aktoren, können entweder über den Computer 80 oder über die Zusatzeinheit 70 miteinander verbunden werden.
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Der Lasertracker 10 kann auf seiner Seite gedreht, von oben nach unten gedreht oder in einer beliebigen Orientierung angeordnet werden. In diesen Situationen haben die Begriffe „Azimutachse” und „Zenitachse” dieselbe Richtung relativ zum Lasertracker wie die in 1 dargestellten Richtungen, und zwar ungeachtet der Orientierung des Lasertrackers 10.
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Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Nutzlast 15 durch einen Spiegel ersetzt, der sich um die Azimutachse 20 und die Zenitachse 18 dreht. Ein Laserstrahl wird nach oben gerichtet und trifft auf den Spiegel auf, von welchem aus er zu einem Retroreflektor 26 hin geworfen wird.
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3 ist ein Blockdiagramm, das ein Dimensionsmesselektronik-Verarbeitungssystem 1500 des Stands der Technik zeigt, das ein Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510, periphere Elemente 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere vernetzte Komponenten 1600 zeigt, die hier als Wolke dargestellt sind. Das beispielhafte Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 umfasst einen Hauptprozessor 1520, eine Nutzlastfunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzerschnittstellenelektronik (Anzeige- und BS-Elektronik) 1560, eine entfernbare Speicherhardware 1565, eine Funkidentifikationselektronik (Funk-ID-Elektronik) 1570 und eine Antenne 1572. Die Nutzlastfunktionselektronik 1530 kann eine Anzahl von Unterfunktionen umfassen, zu denen die 6-DOF-Elektronik 1531, die Kameraelektronik 1532, die ADM-Elektronik 1533, die Positionsdetektorelektronik (PSD-Elektronik) 1534 und die Nivellierelektronik 1535 gehören. Die meisten Unterfunktionen verfügen über mindestens eine Prozessoreinheit, die beispielsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern (FPGA; field programmable gate array) sein könnte. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wegen ihrer Lage innerhalb des Lasertrackers wie in der Darstellung voneinander getrennt. Die Nutzlastfunktionen 1530 befinden sich bei einer Ausgestaltung in einer Nutzlast, wohingegen die Azimutkodiererelektronik in der Azimutbaugruppe und die Zenitkodiererelektronik 1550 in der Zenitbaugruppe angeordnet sind.
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Es sind zahlreiche periphere Geräte möglich, wobei hier jedoch drei derartige Geräte dargestellt sind: ein Temperatursensor 1582, eine 6-DOF-Sonde 1584 und ein Personal Digital Assistant (PDA) 1586, der beispielsweise ein Smartphone oder eine Fernsteuerung sein könnte. Der Lasertracker kann mit peripheren Geräten über verschiedene Mittel kommunizieren, die Folgendes umfassen: eine drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572, ein Sichtsystem wie z. B. eine Kamera sowie die Abstands- und Winkelmesswerte des Lasertrackers, die zu einem zusammenwirkenden Ziel wie z. B. der 6-DOF-Sonde 1584 gesendet werden.
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Ein separater Kommunikationsbus verläuft bei einer Ausgestaltung von dem Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann beispielsweise drei serielle Leitungen aufweisen, welche die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung gibt an, ob die Elekronikeinheit auf die Taktleitung achten sollte oder nicht. Falls sie angibt, dass eine Beachtung erfolgen sollte, liest die Elektronikeinheit den aktuellen Wert der Datenleitung bei jedem Taktsignal ab. Das Taktsignal kann beispielsweise einer steigenden Flanke eines Taktimpulses entsprechen. Bei einer Ausgestaltung wird die Information in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. Bei einer Ausgestaltung umfasst jedes Paket eine Adresse, einen Zahlenwert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse gibt an, wohin die Datennachricht innerhalb der Elektronikeinheit zu leiten ist. Die Stelle kann beispielsweise einer Subroutine des Prozessors in der Elektronikeinheit entsprechen. Der Zahlenwert gibt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten oder Anweisungen, welche die Elektronikeinheit durchführen muss. Die Prüfsumme ist ein Zahlenwert, der dazu dient, die Möglichkeit zu minimieren, dass Fehler über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
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Der Hauptprozessor 1520 sendet bei einer Ausgestaltung Informationspakete über den Bus 1610 zu der Nutzlastfunktionselektronik 1530, über den Bus 1611 zu der Azimutkodiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zu der Zenitkodiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zu der Anzeige- und BS-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zu der entfernbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zu der Funk-ID- und Drahtlos-Elektronik 1570.
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Bei einer Ausgestaltung sendet der Hauptprozessor 1520 auch gleichzeitig einen Synchronisationsimpuls (Synch-Impuls) über den Synchronisationsbus 1630 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Synchronisationsimpuls stellt eine Möglichkeit zur Synchronisation von Werten bereit, die von den Messfunktionen des Lasertrackers erfasst wurden. Beispielsweise zwischenspeichern die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Kodiererwerte, sobald der Synchronisationsimpuls empfangen wird. In ähnlicher Weise zwischenspeichert die Nutzlastfunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzlast enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Die 6-DOF-Sonde, der ADM und der Positionsdetektor zwischenspeichern alle beim Senden des Synchronisationsimpulses die Daten. In den meisten Fällen erfassen die Kamera und der Neigungsmesser Daten bei einer langsameren Rate als der Synchronisationsimpulsrate, doch sie können Daten bei Vielfachen der Periodendauer des Synchronisationsimpulses zwischenspeichern.
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Das Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren oder es kann die Berechnungs-, Anzeige- und Benutzerschnittstellen-Funktionen im Lasertracker bereitstellen. Der Lasertracker kommuniziert über eine Kommunikationsverbindung 1606, die beispielsweise eine Ethernet-Leitung oder eine drahtlose Verbindung sein könnte, mit dem Computer 1590. Der Lasertracker kann auch über eine Kommunikationsverbindung 1602, die ein oder mehrere elektrische Kabel wie beispielsweise Ethernet-Kabel und eine oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen könnte, mit anderen Elementen 1600, die durch die Wolke repräsentiert sind, kommunizieren. Ein Beispiel für ein Element 1600 ist ein anderes dreidimensionales Prüfgerät – z. B. ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät –, das durch den Lasertracker umgesetzt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Elementen 1600 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem Ferncomputer 1590 sitzt, kann über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung, die wiederum über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung an den Hauptprozessor 1520 angeschlossen ist, eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Wolke 1600 repräsentiert ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
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In 4–7 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Lasertracker 10 sendet einen Laserstrahl 46 wie in 1, doch der Strahl wurde in einem Fall unterbrochen und ist nicht länger auf das Retroreflektorziel 26 ausgerichtet. In einem anderen Fall visiert der Strahl ein Retroreflektorziel noch fest an, doch der Bediener möchte ein anderes Retroreflektorziel fest anvisieren. In beiden Fällen betätigt ein Bediener beispielsweise ein tragbares Gerät 410 (Schritt 705 in 7), indem er einen Knopf oder eine auf einer Benutzerschnittstelle des tragbaren Geräts 410 sichtbare Schaltfläche drückt. Diese Betätigung bewirkt, dass ein Sendeempfänger 415 ein drahtloses Signal 420 ausstrahlt, das zum Beispiel ein Funk-, Mikrowellen- oder Infrarotsignal sein könnte und das durch einen oder mehrere Sendeempfänger 65A, 65B und 65C in dem Computer 80, der Zusatzeinheit 70 bzw. dem Tracker 65 empfangen wird (Schritt 708 in 7). Der Begriff „Sendeempfänger” wird in dieser Druckschrift dazu verwendet, eine beliebige Vorrichtung zu bezeichnen, die einen Sender, Empfänger oder sowohl einen Sender als auch einen Empfänger enthält. Die Zusatzeinheit 70 kann die Energieversorgung und gegebenenfalls den Hauptprozessor 1520 enthalten und somit als Teil des Lasertrackers 65 angesehen werden.
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Der Empfang des drahtlosen Signals durch den einen oder die mehreren Sendeempfänger 65A, 65B und 65C bewirkt, dass die Software ein Retroreflektorziel-Kriterium erhält (Schritt 710 in 7). Das Retroreflektorziel-Kriterium ist ein Kriterium, das die Eigenschaften des Ziels beschreibt, das der Tracker fest anvisieren soll. Das Kriterium kann beispielsweise der Retroreflektor sein, der dem Lichtstrahl 46 des Lasertrackers am nächsten ist. Im Folgenden werden andere Beispiele für Retroreflektorziel-Kriterien beschrieben. Das Kriterium kann vom Bediener ausgewählt werden, indem er beispielsweise eine Schaltfläche auf der Benutzerschnittstelle des tragbaren Geräts drückt. Das Kriterium kann statt dessen durch den Bediener bereitgestellt werden, indem zum Beispiel eine vorzeitige Vorgabeeinstellung in einem Eigenschaften- oder Einstellungen-Menü der Software auswählt, die mit dem Lasertracker benutzt wird.
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In 4–6 ist eine weitere Reaktion auf das drahtlose Signal 420 veranschaulicht. Der eine oder die mehreren Sendeempfänger 65A, 65B und 65C reagieren (Schritt 715 in 7) durch Ausführen einer Software, die eine wiederholte Abfolge durchzuführender Ereignisse veranlasst (Schritte 720–740 in 7). Eine oder mehrere Leuchten 54 in der Nähe jeder Lokalisierungskamera 52 emittieren einen Lichtkegel (Schritt 720 in 7), der zum Beispiel durch Auf- und Abblinken des Lichts zeitlich moduliert werden kann. Der Lichtkegel kann einen relativ weiten Winkel – beispielsweise 60 Grad – abdecken. Ein beliebiger Retroreflektor in dem Lichtkegel reflektiert Licht zurück zu einer oder mehreren Kameras 52 (Schritt 725 in 7). Eine in jeder Lokalisierungskamera enthaltene Linse erzeugt ein Bild jedes beleuchteten Retroreflektors auf einer photosensitiven Anordnung, die ein Teil der Kamera ist (Schritt 730 in 7). 5 zeigt einen in der Nähe befindlichen Retroreflektor 26, der Licht 510 zu den Lokalisierungskameras 54 zurücksendet.
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In einem Schritt 732 ermittelt die Software, welcher Retroreflektor das Retroreflektor-Kriterium erfüllt. Wenn der Bediener das Retroreflektor-Kriterium beispielsweise derart auswählt, dass es das dem Trackerstrahl 46 nächstgelegene Retroreflektorziel ist, würde die Software die Position der Bilder auf der bzw. den photosensitiven Anordnungen der Kamera(s) auswerten, um zu ermitteln, ob das Retroreflektor-Kriterium erfüllt wurde. Die Entscheidung von Schritt 732 erfolgt auf der Grundlage einer Auswertung von zwei Bedingungen. Erstens stellt die Software fest, ob der Positionsdetektor einen retroreflektierten Trackerstrahl 46 empfängt. Ein solcher Strahl wird durch den Positionsdetektor empfangen, wenn er relativ nahe der Mitte eines Retroreflektorziels auftrifft. Die Ermittelung, ob der Positionsdetektor das retroreflektierte Licht empfangen hat, erfolgt auf der Grundlage eines durch den Positionsdetektor bereitgestellten Signalpegels. Beispielsweise ist ein Positionsdetektortyp ein positionsempfindlicher Detektor vom Typ Lateraleffekt mit vier Elektroden. Durch Hinzufügen der Spannungspegel an jeder der vier Elektroden kann die optische Gesamtenergie ermittelt werden, die auf dem Positionsdetektor vorhanden ist. Falls die optische Energie einen vorher festgelegten Pegel überschreitet, wird das Vorhandensein eines retroreflektierten Teils des Strahls 46 angezeigt. Mit anderen Worten: der Lasertracker hat in diesem Fall das Ziel fest anvisiert. Zweitens stellt die Software fest, ob das auf der bzw. den photosensitiven Anordnungen der Kamera(s) 52 erhaltene Bild der Position des Retroreflektors entspricht, die das Retroreflektorziel-Kriterium erfüllt. Wenn dies der Fall ist und wenn ein retroreflektierter Teil des Trackerstrahls 46 durch den Positionsdetektor empfangen wird, wird das Verfahren mit der Verfolgung des Retroreflektorziels fortgesetzt, wie es in Schritt 745 angegeben ist. Im anderen Fall werden die Azimut- und Zenitmotoren (AZ- und ZEN-Motoren) in Schritt 740 eingeschaltet, um den Trackerstrahl zu dem ausgewählten Retroreflektorziel hin zu führen. Die Schritte 720–740 werden anschließend wiederholt, bis eine Austrittsbedingung von Schritt 735 erfüllt ist.
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Bei Schritt 745 wird das Nachführen des Strahls auf das Retroreflektorziel durch Einschalten der AZ- und ZEN-Motoren initiiert, um den Strahl ungefähr auf den Positionsdetektor zentriert zu halten. Der Retroreflektor kann durch den Bediener zu einer interessierenden Stelle nachgeführt werden, wobei der Tracker an diesem Punkt zur Messung eines Abstands und von zwei Winkeln verwendet werden kann, um dreidimensionale Koordinaten eines Prüfobjekts zu ermitteln (Schritt 750 in 7).
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Die Verwendung des Auswahlkriteriums von Schritt 710 ist für die in 8 dargestellte Situation veranschaulicht, bei welcher sich zwei Retroreflektoren 26, 28 in dem durch die Leuchten 54 emittierten Lichtkegel befinden. Bei einer Ausgestaltung wird ein Zielkriterium durch den Bediener ausgewählt, das beispielsweise auf Inertialmesseinheit-Schaltflächen (IMU; inertial measurement unit) eines Smartphones vorgesehen werden könnte, wie es in 9 dargestellt ist. Der Bediener kann bei den beispielhaften Auswahlmöglichkeiten von 9 das Retroreflektorziel auswählen, das der momentanen Strahlrichtung am nächsten ist, am weitesten von der nächsten Strahlrichtung entfernt ist (was dazu benutzt werden könnte, die Richtung des Trackers durch „Ziehen” des SMR rings um den Außenrand des Lichtkegels zu verändern), am schnellsten ist (was zur Auswahl der sich bewegenden Ziele unter einer Sammlung feststehender Ziele verwendet werden könnte), einer Inertialmesseinheit am nächsten ist (IMU, welche die IMU in einem Smartphone sein könnte, wie nachstehend erörtert wird), in der Richtung vorhanden ist, auf welche eine IMU zeigt (wie nachstehend erörtert wird), oder aus einem Bild ausgewählt wird. Es gibt viele andere Auswahlmöglichkeiten, die angeboten werden können.
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Bei einer anderen Ausgestaltung wird vorzeitig ein Auswahlmodus als Einstell- oder Vorgabewert ausgewählt. Der Bediener möchte beispielsweise, dass der Trackerstrahl immer das der IMU nächste Retroreflektorziel fest anvisiert, oder er möchte immer einen Retroreflektor aus einem Bild auswählen. Der Bediener kann eine solche Einstellung beispielweise in einem Computerprogramm auswählen, das mit dem Lasertracker benutzt wird.
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Eine Auswahlmöglichkeit für den Benutzer besteht darin, ob das hierin behandelte Verfahren nur für denjenigen Fall gilt, in dem der Strahl unterbrochen wird (es findet keine Verfolgung des Retroreflektors statt), oder ob es auch für denjenigen Fall gelten sollte, in dem ein Strahl ein Ziel verfolgt und der Bediener den Retroreflektor zu einem anderen Ziel führen möchte.
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Als Beispiel wird hier die Situation von 10 betrachtet, wobei zuerst aber einige Hintergrundinformationen über eine Inertialmessheit (IMU) 525 gegeben werden, die ein Teil des tragbaren Geräts 510 ist. IMUs sind Vorrichtungen, die bedingt durch Inertialsensoren Angaben über eine Linear- oder Drehbewegung oder Position bereitstellen. Beispiele für Inertialsensoren sind Beschleunigungsmesser (die das Gleiche wie Neigungsmesser sind), Gyroskope, Magnetometer (Kompasse) und Vorrichtungen für das globale Positionsbestimmungssystem (GPS; global positioning system). Es ist heute bei Smartphones üblich, dass sie einen dreidimensionalen Beschleunigungsmesser, ein dreidimensionales Gyroskop, einen Kompass und ein GPS enthalten. Durch die Festlegung einer Anfangsposition einer IMU bezogen auf einen Lasertracker ist es möglich, einen relativ guten Schätzwert für die Position der IMU über einen gewissen Zeitraum zu bekommen.
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Beispielsweise lässt sich eine Anfangsposition einer IMU in einem Mobiltelefon ohne Weiteres erhalten, wenn ein Bediener das Smartphone in einer Hemdtasche aufbewahrt, während ein Retroreflektorziel durch den Tracker gemessen wird. Das Smartphone hat dann die ungefähren dreidimensionalen Koordinaten des gemessenen Retroreflektorziels. Während der Bediener umhergeht, kann die IMU in dem Mobiltelefon einen aktualisierten Schätzwert für die Retroreflektorposition zur Verfügung stellen.
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In 10 visiert ein Strahl 46 den Retroreflektor 26 fest an, doch der Bediener möchte einen anderen Retroreflektor 28 verfolgen, den er gerade in der Hand hält. Der Bediener benutzt ein tragbares Gerät 510, das eine Inertialmesseinheit 525 und einen Sendeempfänger 515 enthält. Der Bediener wählt „nächste IMU” in der Benutzerschnittstelle von 9 oder verwendet ein beliebiges anderes Mittel (beispielsweise, indem er „nächste IMU” zur Standardauswahl macht). Sobald der Bediener das tragbare Gerät betätigt, um ein drahtloses Signal des Sendeempfängers 515 auszustrahlen, kann das von den Sendeempfängern 65A, 65B oder 65C empfangene drahtlose Signal die Software starten, die die Schritte von 9 ausführt, wobei der Strahl 46, wie in 11 dargestellt, zu dem Retroreflektorziel 28 gelenkt wird. Wie oben bei dem in 10, 11 abgebildeten Fall erörtert wurde, visierte der Strahl anfangs ein Ziel fest an, wurde jedoch durch den Bediener zu einem anderen Ziel geführt.
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Die in Smartphones und anderen tragbaren Vorrichtungen vorkommenden IMUs stellen nicht nur Informationen über die Position des Smartphones zur Verfügung, sondern auch über die Richtung, in welche das Smartphone zeigt. Diese Fähigkeit kann zur Bereitstellung eines nützlichen Messverfahrens eingesetzt werden, das in 12 veranschaulicht ist. Bei dem in 12 dargestellten Fall sind wegen der IMU 625 in dem Gerät die ungefähre Position und Richtung des tragbaren Geräts 610 bekannt. Durch Ausrichten des tragbaren Geräts auf das gewünschte Ziel 28 kann eine nach hinten gerichtete Kamera 645 verwendet werden, um ein Bild 638 nahe der Mitte eines Anzeigeschirms 635 zu erhalten. Mit dem derart orientierten tragbaren Gerät kann man von dem tragbaren Gerät 610 zu jeder der Kameras 52 eine Linie im Raum ziehen. Diese Linie kann mathematisch auf jede der photosensitiven Anordnungen der Kameras 52 projiziert werden und die Software kann dazu benutzt werden, diejenigen Retroreflektorziele zu ermitteln, die der projizierten Linie am nächsten sind.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass man die Kameras 52 ein Bild senden lässt, das die relativen Positionen der Retroreflektorziele aus der Perspektive des Lasertrackers zeigt. Der Bediener kann anschließend das interessierende Retroreflektorziel auswählen.
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Die vorstehend beschriebenen tragbaren Geräte können zu einem beliebigen von mehreren verschiedenen Typen gehören. Sie könnten Fernsteuerungen, Mobiltelefone (einschließlich Smartphones), elektronische Notizblöcke oder Tastenfelder sein. Obwohl eine drahtlose Kommunikation in den meisten Fällen von Vorteil ist, kann man das hierin beschriebene Verfahren auch mit einem drahtgebundenen Verfahren anwenden, d. h. mit der über eine drahtgebundene Verbindung erfolgenden Kommunikation zwischen dem tragbaren Gerät und dem Lasertracker oder einem zugeordneten Computer.
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Obwohl bevorzugte Ausgestaltungen dargestellt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen und Ersetzungen daran erfolgen, ohne dabei von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich demgemäß, dass die vorliegende Erfindung anhand von Darstellungen und nicht als Einschränkung beschrieben wurde.
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Die vorliegenden offenbarten Ausgestaltungen sind demzufolge in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend aufzufassen, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorangehende Beschreibung angegeben ist; ferner sollen daher alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, darin umfasst sein.
