DE19721903C1 - Verfahren und Anlage zur meßtechnischen räumlichen 3D-Lageerfassung von Oberflächenpunkten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur meßtechnischen räumli­ chen 3D-Lageerfassung von Oberflächenpunkten eines zu vermessen­ den Objektes (Meßobjekt) in einem photogrammetrischen Onlinesy­ stem, wobei ein jeweils zu vermessender Oberflächenpunkt (Meß­ punkt) mit einer Tasterspitze eines Tasters mechanisch angeta­ stet, dann die räumliche 3D-Lage der Tasterspitze im Antastzeit­ punkt in bezug auf ein Referenzsystem unter Verwendung zumindest einer elektronischen Kamera ermittelt und ermittelte 3D-Raumko­ ordinaten datenmäßig festgehalten werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur meßtechnischen räumlichen 3D-Lageerfassung von Oberflächenpunkten eines zu ver­ messenden Objektes (Meßobjekt) in einem photogrammetrischen On­ linesystem, mit einem Taster zum mechanischen Antasten eines jeweils zu vermessenden Oberflächenpunktes (Meßpunkt) mit einer Tasterspitze, mit zumindest einer elektronischen Kamera zur Er­ mittlung der räumlichen 3D-Lage der Tasterspitze im Antastzeit­ punkt in bezug auf ein Referenzsystem und mit einem an die zu­ mindest eine elektronische Kamera angeschlossenen Computer zur automatischen Auswertung der von der wenigstens einen Kamera übermittelten Bilder und zur Ermittlung der 3D-Raumkoordinaten der Tasterspitze mit Hilfe eines entsprechenden Berechnungspro­ grammes.

Bei einem photogrammetrischen Offlinesystem wird das Meßobjekt von einem die Kamera frei haltenden Benutzer aus verschiedenen Richtungen aufgenommen. Dabei sind die Meßpunkte zuvor physika­ lisch auf der Oberfläche zu signalisieren. In einem späteren Auswerteschritt werden dann für diese signalisierten Meßpunkte die 3D-Koordinaten berechnet.

Das photogrammetrische Offlinesystem besitzt den Nachteil, daß die Meßpunkte physikalisch signalisiert werden müssen. Dies er­ fordert einen erheblichen Zeitaufwand. Nachteilig ist ferner, daß die 3D-Koordinaten der Meßpunkte zeitlich erst wesentlich später vorliegen als die eigentliche Aufnahme des Meßobjektes. Dies ist dadurch bedingt, daß Bilder aufgenommen werden müssen, die erst später im Rechner weiterverarbeitet werden können.

Zur Koordinatenbestimmung in nur einer Ebene oder in nur einer Richtung offenbart die DE 195 14 815 A1 eine Koordinaten-Meßein­ richtung mit einem auf einer Führungseinheit entlang eines Maß­ stabs auf einem Schlitten verfahrbaren Meßkopf und mit einem Taster zum Vermessen eines Werkstückes. Der Taster ist an einem Schwenkkörper befestigt, der um einen Drehpunkt verschwenkbar an einem auf der Führungseinheit verfahrbaren Schlitten angeordnet ist. An dem Schwenkkörper sind beidseitig des Drehpunktes dem Maßstab zugeordnete Meßköpfe in Abstand zum Maßstab und zum Drehpunkt angeordnet und zwar derart, daß beim Messen der Schwenkkörper parallel zum Maßstab verschoben wird, wobei zur groben Positionierung eine Koordinate als Maß in Längsrichtung des Maßstabs erfaßt und ausgewertet wird. Nach einem Anlegen des Tasters an die Oberfläche des Werkstücks erfolgt ein Verschwen­ ken des Schwenkkörpers um seinen Drehpunkt. Zur Feinpositionie­ rung wird eine Koordinate rechtwinklig zur Oberfläche des Maß­ stabs als Maß für den Abstand der Meßköpfe vom Maßstab erfaßt und ausgewertet. Die Meßköpfe sind dabei als Meßkameras ausge­ bildet, in denen definierte Markierungen des Maßstabes mit Hilfe eines optischen Systems auf eine von einer CCD-Zeile gebildete Bildebene projiziert werden. Aus den Meßsignalen werden die Lage und die Höhe des Projektionszentrums der Meßköpfe mit Hilfe ei­ nes Rechners bestimmt.

Die Erfindung geht aus von dem eingangs beschriebenen photogram­ metrischen Onlinesystem (siehe hierzu US 5,440,392), bei dem bisher üblicherweise zumindest zwei Kameras auf einem Stativ oder einer ähnlichen Vorrichtung fest installiert werden müssen, die das Meßobjekt beobachten. Die Meßpunkte auf diesem Meßobjekt werden von einem Benutzer mit einem mechanischen Taster angeta­ stet, auf dem sich Meßmarken befinden. Die Koordinaten dieser Meßmarken werden automatisch ermittelt und damit auch die Posi­ tion der Meßspitze und somit die Koordinaten des Meßpunktes.

Der wesentliche Nachteil dieses Onlinesystems ist darin zu se­ hen, daß die Kameras während der gesamten Zeit ortsfest stabil aufgebaut sein müssen, und daß die Kameras nur ein limitiertes Meßvolumen zulassen nämlich nur den Bereich, der zumindest von zwei Kameras abgedeckt wird. Bei dem heutigen Stand der Technik ist dieser Bereich nur ca. 1 m² groß, wenn Genauigkeiten im Be­ reich kleiner 1/10 mm erreicht werden sollen. Da dieses Meßvolu­ men in der Praxis häufig nicht ausreicht, müssen die Kameras in ihrer Position versetzt werden, um z. B. bei einem durch ein Fahrzeug gebildeten Meßobjekt einen weiteren Meßvolumenbereich erfassen zu können. Dieses Umsetzen der Kameras erfordert jedoch jeweils eine vollständige Neukalibrierung des Systems und ist somit besonders zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschrie­ bene Verfahren sowie die eingangs definierte Anlage so zu ver­ bessern, daß sich bei gleichbleibender Meßgenauigkeit auch große Meßvolumina mit geringem Meßaufwand vermessen lassen.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Taster mit der zumindest einen elektronischen Kamera starr verbunden ist, wobei die wenigstens eine Kamera vom Meßobjekt weg auf eine das Meß­ volumen in Abstand zum Meßobjekt ganz oder teilweise überdecken­ de Targetfläche gerichtet ist, die in ihrer räumlichen Lage be­ kannte, insoweit innerhalb der Meßgenauigkeit während der Mes­ sung invariante und flächenhaft verteilte Referenzpunkte auf­ weist, die das Referenzsystem bilden.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Anlage wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch folgende Merkmale ge­ löst:

• a) die elektronische Kamera ist starr mit dem Taster verbun­ den;
• b) das Referenzsystem ist eine ortsfest positionierte Target­ fläche, die das Meßvolumen im Abstand zum Meßobjekt ganz oder teilweise überdeckt und mehrere in ihrer räumlichen Lage bekannte, optisch unterscheidbare und flächenhaft ver­ teilte Referenzpunkte aufweist;
• c) die wenigstens eine elektronische Kamera ist auf die Tar­ getfläche gerichtet.

Mit den erfindungsgemäßen Lösungen lassen sich letztlich belie­ big große Meßvolumen mit gleichbleibender Meßgenauigkeit erfas­ sen. Das Meßvolumen ist nicht mehr durch die Position und Auf­ nahmerichtung von Kameras begrenzt sondern von dem durch die Targetfläche mit ihren Referenzpunkten abgedeckten Volumen. Die­ se Targetfläche kann eine einfache formstabile Wand sein, vor der das Meßobjekt aufgestellt wird. Die Targetfläche kann aber auch durch tragbare und somit mobile Platten gebildet sein, die sich in der Nähe des Meßobjektes aufstellen lassen. Es kann auch eine gesamte Produktionshalle mit Referenzpunkten ausgerüstet sein, so daß sich an jedem beliebigen Ort innerhalb dieser Pro­ duktionshalle die 3D-Koordinaten nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren bzw. mit der Anlage gemäß der Erfindung bestimmen lassen.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform kann die Targetfläche durch einen das Meßvolumen überspannenden Target-Himmel gebildet sein. Bei allen diesen Lösungen ist die Bestimmung der Referenz­ punkte nur einmal bei Aufstellung oder bei Einrichtung des Sy­ stems erforderlich. Wesentlich ist dabei, daß die in ihrer räum­ lichen Lage bekannten Referenzpunkte innerhalb der Meßgenauig­ keit während der Messung invariant sind. Ferner müssen die Refe­ renzpunkte so geschaffen sein, daß mit ihrer Erkennung trotz ihrer flächenmäßigen Ausdehnung auf der Targetfläche jedem Refe­ renzpunkt eindeutig mit der gewünschten Meßgenauigkeit ein Lage­ punkt zugeordnet werden kann.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die 3D-Ko­ ordinaten eines Meßpunktes sofort (Online) bestimmen, wobei auf­ wendige Berechnungsprozesse wie bei der Offline-Photogrammetrie entfallen.

Der erfindungsgemäße Meßtaster bietet gegenüber den bisher be­ kannten Verfahren auch insoweit eine kostengünstige Alternative, als die erfindungsgemäß erzielbare Genauigkeit nicht nur durch hohe Sensorauflösungen erzielbar, sondern bereits mit Standard- CCD-Kameras realisiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich grundsätzlich mit nur einer einzigen Kamera ausführen. Vorzugsweise ist der Taster jedoch mit drei elektronischen Kameras bestückt, die - bezogen auf eine Umfangslinie um die Tasterachse - umfangsversetzt an­ geordnet sind, wobei die optische Achse jeder Kamera mit der Tasterachse einen spitzen Winkel einschließt.

Eine laufende Kalibrierung während der Messung setzt das Erken­ nen von drei Referenzpunkten in jeder Kamera voraus. Sollte eine derartige Kalibrierung während einer laufenden Messung aufgrund eines ausreichend starren Meßtasteraufbaus nicht erforderlich sein, genügt das Erkennen von zwei Referenzpunkten je Kamera. Die Kalibrierung könnte dann einmal täglich oder aber vor jeder Meß­ aufgabe in einer gesonderten Kalibrierstation vorgenommen wer­ den.

Die Tasterspitze ist vorzugsweise auswechselbar in den Taster eingesetzt. So lassen sich unterschiedlich lange Tasterspitzen mit gegebenenfalls unterschiedlicher Form verwenden. Abgewinkel­ te Tasterspitzen sind zweckmäßig, wenn die Meßpunkte nicht di­ rekt zugänglich sind.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che und werden mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anlage zur meßtechnischen Lageerfassung von Oberflächenpunkten eines Meßobjektes und

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab den in Fig. 1 angedeute­ ten Taster.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anlage zur meßtechni­ schen räumlichen Lageerfassung von Oberflächenpunkten eines Meß­ objektes 1 weist als Referenzsystem eine Targetfläche 2 auf, die als das Meßvolumen überspannender Target-Himmel ausgebildet ist und hochgenau eingemessene Referenzpunkte 3 aufweist.

Die Anlage umfaßt ferner einen Taster 4, der an seinem oberen Endbereich mit drei elektronischen Kameras 5 bestückt ist (siehe insbesondere Fig. 2), die direkt oder indirekt an einen Compu­ ter 6 angeschlossen sind. Der Taster 4 ist an seinem unteren Ende mit einer auswechselbaren Tasterspitze 7 bestückt. Die drei elektronischen Kameras 5 sind - bezogen auf eine Umfangslinie um die Tasterachse 8 - umfangsversetzt angeordnet, wobei die opti­ sche Achse 9 jeder Kamera 5 mit der Tasterachse 8 einen spitzen Winkel α einschließt, der vorzugsweise etwa 25° beträgt.

Mit der Tasterspitze 7 werden die zu vermessenden Oberflächen­ punkte des Meßobjektes 1 mechanisch angetastet. Die starr am Taster 4 befestigten Kameras 5 sind auf die Targetfläche 2 und damit auf deren Referenzpunkte 3 ausgerichtet und dienen zur Ermittlung der Raumlage der Tasterspitze 7 im Antastzeitpunkt in bezug auf dieses Referenzsystem 2, 3. Der Computer 6 wertet die ihm von den Kameras 5 übermittelten Bilder aus und ermittelt mit Hilfe eines entsprechenden Berechnungsprogramms die 3D-Koordina­ ten der Tasterspitze 7 und damit des jeweiligen Meßpunktes.

Jede elektronische Kamera 5 ist mit einem Flächen-CCD-Chip aus­ gestattet, der eine Mindestgröße von 512×512 Pixel aufweist, aber auch jede Zwischengröße bis zu der heute maximal verfügba­ ren Größe von 4000×4000 Pixel aufweisen kann.

Claims (13)

1. Verfahren zur meßtechnischen räumlichen 3D-Lageerfassung von Oberflächenpunkten eines zu vermessenden Objektes (Meß­ objekt) in einem photogrammetrischen Onlinesystem, wobei ein jeweils zu vermessender Oberflächenpunkt (Meßpunkt) mit einer Tasterspitze eines Tasters mechanisch angetastet, dann die räumliche 3D-Lage der Tasterspitze im Antastzeit­ punkt in bezug auf ein Referenzsystem unter Verwendung zu­ mindest einer elektronischen Kamera ermittelt und ermittel­ te 3D-Raumkoordinaten datenmäßig festgehalten werden, da­ durch gekennzeichnet, daß der Taster mit der zumindest ei­ nen elektronischen Kamera starr verbunden ist, wobei die wenigstens eine Kamera vom Meßobjekt weg auf eine das Meß­ volumen in Abstand zum Meßobjekt ganz oder teilweise über­ deckende Targetfläche gerichtet ist, die in ihrer räumli­ chen Lage bekannte, insoweit innerhalb der Meßgenauigkeit während der Messung invariante und flächenhaft verteilte Referenzpunkte aufweist, die das Referenzsystem bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Targetfläche ein das Meßvolumen überspannender Target-Him­ mel verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Standard-CCD-Kameras.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur laufenden Kalibrierung während der Messung jede Kamera drei Referenzpunkte gleichzeitig erfaßt.

5. Anlage zur meßtechnischen räumlichen 3D-Lageerfassung von Oberflächenpunkten eines zu vermessenden Objektes (Meßob­ jekt) in einem photogrammetrischen Onlinesystem, mit einem Taster (4) zum mechanischen Antasten eines jeweils zu ver­ messenden Oberflächenpunktes (Meßpunkt) mit einer Taster­ spitze (7), mit zumindest einer elektronischen Kamera (5) zur Ermittlung der räumlichen 3D-Lage der Tasterspitze (7) im Antastzeitpunkt in bezug auf ein Referenzsystem (2, 3) und mit einem an die zumindest eine elektronische Kamera (5) angeschlossenen Computer (6) zur automatischen Auswer­ tung der von der wenigstens einen Kamera (5) übermittelten Bilder und zur Ermittlung der 3D-Raumkoordinaten der Tasterspitze (7) mit Hilfe eines entsprechenden Berech­ nungsprogrammes, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die elektronische Kamera (5) ist starr mit dem Taster (4) verbunden;
• b) das Referenzsystem ist eine ortsfest positionierte Targetfläche (2), die das Meßvolumen im Abstand zum Meßobjekt (1) ganz oder teilweise überdeckt und mehre­ re in ihrer räumlichen Lage bekannte, optisch unter­ scheidbare und flächenhaft verteilte Referenzpunkte (3) aufweist;
• c) die wenigstens eine elektronische Kamera (5) ist auf die Targetfläche (2) gerichtet.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetfläche (2) als das Meßvolumen überspannender Target- Himmel ausgebildet ist.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (4) mit drei elektronischen Kameras (5) bestückt ist, die - bezogen auf eine Umfangslinie um die Tasterachse (8) - umfangsversetzt angeordnet sind.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (9) jeder Kamera (5) mit der Tasterachse (8) einen spitzen Winkel α einschließt.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel α jeweils 25° beträgt.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wenigstens eine elektronische Kamera (5) mit einem Flächen-CCD-Chip ausgestattet ist mit einer Min­ destgröße von 512×512 Pixel.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Taster (4) mit austauschbaren Tasterspit­ zen (7) unterschiedlicher Form und/oder Länge bestückbar ist.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzpunkte (3) auf dem Target-Himmel so dicht angeordnet sind, daß bei Verwendung von drei CCD-Kame­ ras (5) zumindest eine dieser Kameras (5) drei Refe­ renzpunkte (3) gleichzeitig erfaßt.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzpunkte (3) auf dem Target-Himmel so dicht angeordnet sind, daß jede Kamera (5) in jeder be­ liebigen Position jeweils zumindest zwei, vorzugsweise drei Referenzpunkte (3) gleichzeitig erfaßt.