DE202021003875U1 - Device for determining the relative positions of two objects rotating in the same direction about an axis of rotation - Google Patents

Device for determining the relative positions of two objects rotating in the same direction about an axis of rotation Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Relativlagen zweier gleichsinnig um eine Rotationsachse (2) rotierender Objekte (3, 4), mit
- einer in fester Lage und Orientierung an dem ersten der beiden Objekte (3) angebrachten ersten Kamera (8), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, ein in fester Lage an dem zweiten der beiden Objekte (4) ausgebildetes und mindestens einen ersten Punkt (12) des zweiten der beiden Objekte (4) markierendes erstes Muster (10) in erste Bilder abzubilden, gekennzeichnet durch
- eine in fester Lage und Orientierung an dem ersten oder dem zweiten der beiden Objekte (3, 4) angebrachten zweiten Kamera (9), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, ein in fester Lage an dem anderen zweiten oder ersten der beiden Objekte (3, 4) ausgebildetes und mindestens einen zweiten Punkt (13) des anderen ersten oder zweiten der beiden Objekte (3, 4) markierendes zweites Muster (11) in zweite Bilder abzubilden,
- wobei eine Auswerteeinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, aus Bildlagen des mindestens ersten Punkts (12) in den ersten Bildern und des mindestens zweiten Punkts (13) in den zweiten Bildern auf die Relativlagen der beiden Objekte (3, 4) zu schließen.

Figure DE202021003875U1_0000
Device (1) for determining the relative positions of two objects (3, 4) rotating in the same direction about an axis of rotation (2), with
- A first camera (8) mounted in a fixed position and orientation on the first of the two objects (3), which is designed and arranged to have a fixed position on the second of the two objects (4) and at least one first point ( 12) to map the second of the two objects (4) marking the first pattern (10) into first images, characterized by
- a second camera (9) mounted in a fixed position and orientation on the first or the second of the two objects (3, 4), which is designed and arranged to capture a camera in a fixed position on the other second or first of the two objects (3 , 4) to map a second pattern (11) that is formed and marks at least a second point (13) of the other first or second of the two objects (3, 4) into second images,
- wherein an evaluation device (16) is designed to infer the relative positions of the two objects (3, 4) from image positions of the at least first point (12) in the first images and of the at least second point (13) in the second images.
Figure DE202021003875U1_0000

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung von Relativlagen zweier gleichsinnig um eine Rotationsachse rotierender Objekte mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.The invention relates to a device for determining the relative positions of two objects rotating in the same direction about an axis of rotation, having the features of the preamble of independent claim 1.

Während eines der beiden Objekte typischerweise mit konstanter Winkelgeschwindigkeit auf einer gleichbleibenden Kreisbahn in einer normal zu der gemeinsamen Drehachse verlaufenden Ebene rotiert, handelt es sich bei dem anderen der beiden Objekte typischerweise um ein solches, das bezüglich seiner Winkelgeschwindigkeit und seiner Umlaufbahn um die gemeinsame Drehachse Variationen zeigt. Diese Variationen werden mit der Vorrichtung erfasst.While one of the two objects typically rotates with a constant angular velocity on a constant circular path in a plane running normal to the common axis of rotation, the other of the two objects is typically one that varies in terms of its angular velocity and its orbit around the common axis of rotation shows. These variations are detected with the device.

Konkret kann das andere der beiden Objekte ein Rotorkopf oder eine Taumelscheibe oder ein Rotorblatt eines Hubschraubers oder eine Propellernabe oder ein Propellerblatt eines Propellers oder eine Turbinennabe oder eine Turbinenschaufel einer Turbine oder eine Triebwerksnabe oder eine Triebwerksschaufel eines Triebwerks sein. Die Vorrichtung ist jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt.Specifically, the other of the two objects may be a rotor head or a swash plate or a rotor blade of a helicopter or a propeller hub or a propeller blade of a propeller or a turbine hub or a turbine blade of a turbine or an engine hub or an engine blade of an engine. However, the device is not limited to these applications.

FÖRDERUNGFINANCIAL SUPPORT

„The project leading to this application has received funding from the Clean Sky Joint Undertaking under the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. 785571“ (Das Projekt, das zu dieser Anmeldung geführt hat, hat gemäß Bewilligung Nr. 785571 Fördermittel aus dem Clean Sky Joint Undertaking im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union erhalten.)"The project leading to this application has received funding from the Clean Sky Joint Undertaking under the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. 785571" (The project that led to this application has received funding from the Clean Sky Joint Undertaking under the European Union's Horizon 2020 research and innovation program pursuant to Grant No. 785571.)

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Eine aus der US 2016/015377 A1 bekannte Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 weist eine an einem Rotorkopf eines Hubschraubers angeordnete Kamera auf, die ein Punkte definierendes Muster an einem Rotorblatt eines Helikopters abbildet.One from the U.S. 2016/015377 A1 known device with the features of the preamble of independent claim 1 has a arranged on a rotor head of a helicopter camera, which images a point-defining pattern on a rotor blade of a helicopter.

Aus der US 2011/0103933 A1 ist es bekannt, mit mindestens einer mitrotierenden Kamera mehrere Marker an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage abzubilden. Neben einer Kamera an einer Nabe des Rotors kann eine Kamera auf halber Länge des Rotorblatts vorgesehen sein, um weiter außenliegende Marker an dem Rotorblatt abzubilden. So können Verformungen des Rotorblatts über seine gesamte Erstreckung erfasst werden.From the US 2011/0103933 A1 it is known to image several markers on a rotor blade of a wind turbine with at least one co-rotating camera. In addition to a camera on a hub of the rotor, a camera can be provided halfway along the rotor blade in order to image markers on the rotor blade that are further out. In this way, deformations of the rotor blade can be recorded over its entire extent.

Aus der CN 108387183 A ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 bekannt, bei der ein Punkte definierendes Muster an einem Rotorblatt eines Rotors mit zwei Kameras einer Stereokameraanordnung an einer Nabe des Rotorblatts abgebildet wird.From the CN 108387183A a device with the features of the preamble of independent claim 1 is known, in which a point-defining pattern is imaged on a rotor blade of a rotor with two cameras of a stereo camera arrangement on a hub of the rotor blade.

Aus der EP 2 557 391 A1 ist es bekannt aus dem Bildsensor einer Kamera nur interessierende Bereiche, die ein Punkte definierendes Muster zeigen, auszulesen, um eine effektive Bildfrequenz von Bildern zu erhöhen, in die die Kamera das Muster abbildet.From the EP 2 557 391 A1 it is known from the image sensor of a camera to only read out areas of interest which show a pattern defining points in order to increase an effective frame rate of images into which the camera maps the pattern.

Um die Genauigkeit, mit der die Relativlagen der beiden Objekte mit einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 bestimmt werden können, zu erhöhen, kann das Muster ausgedehnt werden, um weiter voneinander beabstandete Punkte des Objekts, an dem das Muster angebracht ist, zu markieren. Um das Muster dann mit ausreichender Auflösung mit der Kamera abzubilden, bedarf es einer hochauflösenden Kamera. Wenn diese Kamera die Bilder des Musters mit einer hohen Bildfrequenz bereitstellen soll, um Änderungen der Relativlagen bei schnell rotierenden Objekten zeitlich aufzulösen, müssen Spezialkameras mit hoher Bildfrequenz zur Anwendung kommen und/oder das Auslesen des Bildsensors der Kamera muss auf interessierende Bereiche beschränkt werden, was ebenfalls mit Zusatzaufwand verbunden ist.In order to increase the accuracy with which the relative positions of the two objects can be determined with a device according to the preamble of independent claim 1, the pattern can be expanded to include more widely spaced points of the object to which the pattern is attached to mark. A high-resolution camera is required to image the pattern with the camera with sufficient resolution. If this camera is to provide the images of the pattern with a high frame rate in order to temporally resolve changes in the relative positions of rapidly rotating objects, special cameras with a high frame rate must be used and/or the readout of the camera's image sensor must be limited to areas of interest, which also involves additional work.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen, die es ohne Verwendung einer hochauflösenden Kamera und ohne Anwendung komplexer Verfahren zum Auslesen ihres Bildsensors erlaubt, die Relativlagen der Objekte sowohl genau, d. h. mit hoher räumlicher Auflösung, als auch mit hoher zeitlicher Auflösung zu bestimmen.The invention is based on the object of demonstrating a device which, without using a high-resolution camera and without using complex methods for reading out its image sensor, allows the relative positions of the objects to be determined both precisely, i. H. with high spatial resolution as well as with high temporal resolution.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen VorrichtungThe object of the invention is achieved by a device having the features of claim 1. The dependent claims define preferred embodiments of the device according to the invention

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Relativlagen zweier gleichsinnig um eine Rotationsachse rotierender Objekte weist eine in fester Lage und Orientierung an dem ersten der beiden Objekte angebrachte erste Kamera, die ein in fester Lage an dem zweiten der beiden Objekte ausgebildetes und mindestens einen ersten Punkt des zweiten der beiden Objekte markierendes erstes Muster in erste Bilder abbildet, eine in fester Lage und Orientierung ebenfalls an dem ersten oder alternativ an dem zweiten der beiden Objekte angebrachte zweite Kamera, die ein in fester Lage an dem zweiten der beiden Objekte oder bei der alternativen Ausführungsform an dem ersten der beiden Objekte ausgebildetes und mindestens einen zweiten Punkt des zweiten bzw. des ersten der beiden Objekte markierendes zweites Muster in zweite Bilder abbildet, und eine Auswerteeinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, aus Bildlagen des mindestens einen ersten Punkts in den ersten Bildern und des mindestens einen zweiten Punkts in den zweiten Bildern auf die Relativlagen der beiden Objekte zu schließen.A device according to the invention for determining the relative positions of two objects rotating in the same direction about an axis of rotation has a fixed position and orientation on the first the first camera attached to the two objects, which images a first pattern formed in a fixed position on the second of the two objects and marking at least one first point of the second of the two objects in first images, one in a fixed position and orientation also on the first or alternatively on the second camera attached to the second of the two objects, which has a second pattern formed in a fixed position on the second of the two objects or, in the alternative embodiment, on the first of the two objects and marking at least a second point of the second or the first of the two objects in depicts second images, and an evaluation device which is designed to infer the relative positions of the two objects from image positions of the at least one first point in the first images and of the at least one second point in the second images.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nicht ein Muster mit mehreren Kameras aus unterschiedlichen Richtungen abgebildet. Stattdessen werden mehrere Muster mit mehreren Kameras abgebildet. Wenn die mehreren Muster dabei an demselben der beiden Objekte angeordnet sind, können sie als Teile eines übergeordneten Musters interpretiert werden, das teilweise mit der ersten und teilweise mit der zweiten Kamera abgebildet wird. Das übergeordnete Muster kann verglichen mit dem Blickfeld jeder der Kameras eine sehr große Ausdehnung, d. h. sehr große Abstände der mit ihm markierten Punkte des Objekts aufweisen, so dass es zu großen Relativverschiebungen der Bildlagen der Punkte in den Bildern der Kameras kommt, wenn sich die Relativlagen der Objekte ändern. Dabei versteht es sich, dass die von dem übergeordneten Muster markierten Punkte des Objekts so an dem Objekt angeordnet werden, dass die relevanten Änderungen der Relativlagen der Objekte grundsätzlich zu großen Verschiebungen der Bildlagen der Punkte in den Bildern der Kameras führen. Die Kameras der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sehr einfache Kameras mit vergleichsweise kleinen Blickfeldern und geringer Auflösung sein. Sie müssen jeweils nur ein vergleichsweise kleines Muster, das im Extremfall nur einen einzigen Punkt markiert, abbilden. Derartige Kameras mit vergleichsweise wenig Pixeln sind auch dann kostengünstig, wenn sie eine hohe Bildfrequenz aufweisen. So ist die erfindungsgemäße Vorrichtung insgesamt weniger komplex und kostengünstiger als ein Aufbau mit einer einzigen Kamera mit großem Blickfeld, deren Bildsensor nur in interessierenden Bereichen ausgelesen wird. Retrospektiv mag man das Konzept der vorliegenden Erfindung so interpretieren, dass jeder interessierende Bereich eines größeren Bildsensors durch eine separate einfache Kamera mit kleinem Bildsensor und hoher Bildfrequenz ersetzt wird. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind insbesondere einfache Kompaktkameras verwendbar, auf die wegen ihrer geringen Massen nur kleine Fliehkräfte wirken und die entsprechend einfach in fester Lage und Orientierung an dem jeweiligen Objekt angebracht werden können.In the case of the device according to the invention, a pattern is not imaged with a plurality of cameras from different directions. Instead, multiple patterns are imaged with multiple cameras. If the multiple patterns are thereby arranged on the same of the two objects, they can be interpreted as parts of a higher-level pattern, which is partially imaged with the first camera and partially with the second camera. The overriding pattern can have a very large extent compared to the field of view of each of the cameras, i. H. have very large distances between the points of the object marked with it, so that there are large relative shifts in the image positions of the points in the images of the cameras when the relative positions of the objects change. It goes without saying that the points of the object marked by the superordinate pattern are arranged on the object in such a way that the relevant changes in the relative positions of the objects fundamentally lead to large shifts in the image positions of the points in the images from the cameras. The cameras of the device according to the invention can be very simple cameras with comparatively small fields of view and low resolution. You only have to map a comparatively small pattern, which in extreme cases only marks a single point. Such cameras with comparatively few pixels are economical even if they have a high frame rate. Overall, the device according to the invention is less complex and less expensive than a structure with a single camera with a large field of view, the image sensor of which is only read out in areas of interest. In retrospect, one might interpret the concept of the present invention as replacing each region of interest of a larger image sensor with a separate simple camera with a small image sensor and a high frame rate. In particular, simple compact cameras can be used for the device according to the invention, on which only small centrifugal forces act due to their low masses and which can accordingly be easily attached to the respective object in a fixed position and orientation.

Das erste und das zweite Muster können jeweils mindestens drei Punkte des jeweiligen Objekts markieren, die vorzugsweise nicht auf einer Geraden liegen. Damit können die Relativlagen der beiden Objekte bereits aus den Bildern jeder einzelnen der Kameras bestimmt werden. Durch die doppelte Bestimmung der Relativlagen aus den Bildlagen der Punkte in den Bildern beider Kameras wird jedoch die Genauigkeit, mit der die Relativlagen bestimmt werden können, stark erhöht.The first and the second pattern can each mark at least three points of the respective object, which preferably do not lie on a straight line. The relative positions of the two objects can thus already be determined from the images of each individual camera. However, the double determination of the relative positions from the image positions of the points in the images of both cameras greatly increases the accuracy with which the relative positions can be determined.

Das erste Muster, zumindest soweit es die erste Kamera abbildet, und das zweite Muster, zumindest soweit es die zweite Kamera abbildet, können so angeordnet sein, dass sie einander nicht überlappen. Vorzugsweise sind die Muster voneinander beabstandet, auch wenn sie an demselben der beiden Objekte ausgebildet sind.The first pattern, at least as far as it is imaged by the first camera, and the second pattern, at least as far as it is imaged by the second camera, can be arranged so that they do not overlap each other. Preferably, the patterns are spaced apart even when formed on the same of the two objects.

Die Muster können jeweils mindestens 10 % eines Bildbereichs eines Bildsensors der jeweiligen Kamera abdecken. Sie können auch 20 % dieses Bildbereichs abdecken. Eine sehr viel größere Abdeckung ist mit der Gefahr verbunden, dass das Muster oder zumindest einzelne Punkte des Musters bei starken Änderungen der Relativlage der bei den Objekte nicht mehr mit der jeweiligen Kamera abgebildet wird.The patterns can each cover at least 10% of an image area of an image sensor of the respective camera. You can also cover 20% of this image area. A much larger coverage is associated with the risk that the pattern or at least individual points of the pattern will no longer be imaged with the respective camera in the event of major changes in the relative position of the two objects.

Es wurde bereits angesprochen, dass jedes der Muster auch nur jeweils einen einzigen Punkt des jeweiligen Objekts markieren kann. Nicht nur in diesem Fall kann auch noch eine dritte Kamera an einem der beiden Objekte in fester Lage und Orientierung angebracht sein und ein drittes Muster, dass mindestens einen Punkt an dem anderen der beiden Objekte markiert, in dritte Bilder abbilden, und diese dritten Bilder können von der Auswerteeinrichtung berücksichtigt werden, wenn sie auf die Relativlagen der Objekte schließt.It has already been mentioned that each of the patterns can only mark a single point of the respective object. It is not only in this case that a third camera can also be attached to one of the two objects in a fixed position and orientation and depict a third pattern that marks at least one point on the other of the two objects in third images, and these third images can are taken into account by the evaluation device when it deduces the relative positions of the objects.

Insbesondere dann, wenn die interessierenden Relativlagen Verkippungen desjenigen der Objekte, an dem die Muster ausgebildet sind, um Kippachsen, die orthogonal zu der Rotationsachse verlaufen, umfassen, ist es vorteilhaft, wenn die Muster bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um die Rotationsachse herum verteilt sind. Konkret können sie gleichmäßig um die Rotationsachse herum verteilt, d. h. um die Rotationachse herum gleichverteilt sein.In particular when the relative positions of interest include tilting of the object on which the pattern is formed about tilting axes that run orthogonally to the axis of rotation, it is advantageous if the patterns are distributed around the axis of rotation in the device according to the invention. Specifically, they can be evenly distributed around the axis of rotation, i. H. be evenly distributed around the axis of rotation.

Insbesondere dann, wenn bei größeren Änderungen der Relativlagen der Objekte die Gefahr besteht, dass das erste Muster nicht nur von der ersten Kamera, sondern auch von anderen Kameras abgebildet wird, das zweite Muster nicht nur von der zweiten Kamera sondern auch von anderen Kameras abgebildet wird usw., ist es bevorzugt, wenn die Muster einander nicht ähnlich sind, so dass sie unterscheidbar sind. Vorzugsweise sind bereits die Markierungen der Punkte des jeweiligen Objekts zwischen den verschiedenen Mustern nicht ähnlich.In particular, if there is a risk that the first pattern will not only be imaged by the first camera but also by other cameras when there are major changes in the relative positions of the objects, the second pattern will be imaged not only by the second camera but also by other cameras etc., it is preferred if the patterns are not similar to each other so that they are distinguishable. The markings of the points of the respective object are preferably already not similar between the different patterns.

Es versteht sich, dass die Bilder der Kameras, wenn aus ihnen auf die Relativlagen der Objekte geschlossen werden sollen, möglichst die gleichen Relativlagen betreffen. Daher ist es bevorzugt, wenn die Kameras der erfindungsgemäßen Vorrichtung synchronisiert sind. Konkret können die Kameras zum Abbilden der Bilder von einem Trigger getriggert werden, der ein Triggersignal abhängig von einer Drehzahl eines der beiden Objekte oder einem Signal eines einem der beidem Objekte zugeordneten Drehwinkelsensors generiert.It goes without saying that the images of the cameras, if the relative positions of the objects are to be inferred from them, relate to the same relative positions as far as possible. It is therefore preferred if the cameras of the device according to the invention are synchronized. Specifically, the cameras for imaging the images can be triggered by a trigger that generates a trigger signal as a function of a rotational speed of one of the two objects or a signal from a rotation angle sensor assigned to one of the two objects.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Schutzansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Advantageous developments of the invention result from the protection claims, the description and the drawings.

Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.The advantages of features and combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can have an effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.

Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Gebrauchsmusters gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Schutzansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Schutzansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Schutzansprüche des eingetragenen Gebrauchsmusters gilt.The following applies with regard to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the utility model: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another as well as their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible, deviating from the selected dependencies of the claims, and is hereby suggested. This also applies to those features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different protection claims. Likewise, features listed in the claims for protection can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent claims for protection of the registered utility model.

Die in den Schutzansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Die in den Schutzansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.With regard to their number, the features mentioned in the protection claims and the description are to be understood in such a way that exactly this number or a larger number than the number mentioned is present, without the need for an explicit use of the adverb “at least”. So if, for example, an element is mentioned, this is to be understood in such a way that exactly one element, two elements or more elements are present. The features listed in the protection claims can be supplemented by further features or they can be the only features that the respective product has.

Die in den Schutzansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Schutzansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Schutzansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not represent a limitation of the scope of the objects protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

  • 1 illustriert schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
  • 2 illustriert zwei unähnliche Markierungen von zwei Mustern bei der Vorrichtung gemäß 1.
The invention is further explained and described below with reference to preferred exemplary embodiments illustrated in the figures.
  • 1 schematically illustrates a device according to the invention and
  • 2 FIG. 12 illustrates two dissimilar markings from two patterns in the device of FIG 1 .

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zum Bestimmen von Relativlagen zweier um eine gemeinsame Rotationsachse 2 rotierender Objekte 3 und 4. Konkret kann es sich bei dem Objekt 3 um eine Taumelscheibe 5 eines hier nicht weiter dargestellten Hubschraubers handeln, deren Verkippungen um orthogonal zu der Rotationsachse 2 verlaufende Kippachsen ebenso von Interesse sind wie mögliche Variationen der Winkelgeschwindigkeit. Dann kann das Objekt 4 eine mit einer Antriebswelle 6 des Hubschraubers um die Rotationsachse 2 umlaufende Plattform 7 sein. An der Plattform 7 sind mehrere Kameras 8 und 9 in fester Lage und Orientierung angebracht, die jeweils ein Muster 10 bzw. 11 abbilden. Die Muster 10 und 11 sind an dem Objekt 3 ausgebildet und markieren dort jeweils mindestens einen Punkt 12 bzw. 13 des Objekts 3, hier sind jeweils drei Punkte 12 bzw. 13 des Objekts 3 markiert. Die Muster 12 und 13 werden von den Kameras 8 und 9 in Bilder abgebildet, die von einer gemeinsamen Übertragungseinheit 14 auf der Plattform 7 über eine drahtlose Verbindung 15 an eine gegenüber der Kabine des Hubschraubers ruhende Auswerteeinrichtung 16 übertragen werden. Die Auswerteeinrichtung 16 wertet die Bilder der Kameras 8 und 9 bezüglich der Bildlagen der Punkte 12 und 13 aus und schließt daraus auf die Relativlagen der Objekte 3 und 4. Damit jeweils ein Bild der Kamera 8 zu einer selben Relativlage wie ein Bild der Kamera 9 gehört, werden die Kameras 8 und 9 von einem Trigger 17 mit Hilfe von drahtlos übermittelten Triggersignalen 18 synchronisiert. Der Trigger 17 kann dazu einen Drehwinkelsensor 19 für den Drehwinkel der Antriebswelle 6 bzw. der Plattform 7 umfassen und daraus die Triggersignale 18 generieren.In the 1 The device 1 shown is used to determine the relative positions of two objects 3 and 4 rotating about a common axis of rotation 2. Specifically, the object 3 can be a swash plate 5 of a helicopter (not shown here) whose tilting is about tilting axes running orthogonally to the axis of rotation 2 are just as interesting as possible variations of the angular velocity. The object 4 can then be a platform 7 revolving around the axis of rotation 2 with a drive shaft 6 of the helicopter. A plurality of cameras 8 and 9 are attached to the platform 7 in a fixed position and orientation, each imaging a pattern 10 and 11, respectively. The patterns 10 and 11 are formed on the object 3 and mark at least one point 12 or 13 of the object 3 there; three points 12 or 13 of the object 3 are marked here. The patterns 12 and 13 are imaged by the cameras 8 and 9 in images which are transmitted from a common transmission unit 14 on the platform 7 via a wireless connection 15 to an evaluation device 16 located opposite the helicopter cabin. The evaluation device 16 evaluates the images from the cameras 8 and 9 with regard to the image positions of the points 12 and 13 and deduces the relative positions from this of objects 3 and 4. So that an image from camera 8 belongs to the same relative position as an image from camera 9, cameras 8 and 9 are synchronized by a trigger 17 with the aid of trigger signals 18 transmitted wirelessly. For this purpose, the trigger 17 can include a rotation angle sensor 19 for the rotation angle of the drive shaft 6 or the platform 7 and generate the trigger signals 18 therefrom.

Die Kameras 8 und 9, die jeweils nur ein kleines Muster 12 bzw. 13, welches sich über eine kleine Fläche des Objekts 3 erstreckt, erfassen, können sehr einfache und kompakte Kameras sein, die preisgünstig auch mit hoher Bildfrequenz verfügbar sind, um die Änderungen der Relativlagen der Objekte 3 und 4 zeitlich hoch aufzulösen. Eine hohe räumliche Auflösung der Relativlagen wird dadurch erzielt, dass die Muster 12 und 13 gedanklich als Teile eines sehr großen übergeordneten Musters betrachtet werden können, das in allen interessierenden Bereichen mit den Kameras 8 und 9 erfasst wird. Bei der Vorrichtung 1 kann mindestens eine weitere Kamera an der Plattform 7 in fester Lage und Orientierung angebracht sein und ein weiteres Muster, das an dem Objekt 3 ausgebildet ist, fortlaufend in weitere Bilder abbilden, die dann ebenfalls von der Auswerteeinrichtung 16 ausgewertet werden.The cameras 8 and 9, which each capture only a small pattern 12 and 13, respectively, which extends over a small area of the object 3, can be very simple and compact cameras that are also available inexpensively with a high frame rate in order to capture the changes of the relative positions of objects 3 and 4 with high temporal resolution. A high spatial resolution of the relative positions is achieved in that the patterns 12 and 13 can be considered as parts of a very large superordinate pattern that is recorded with the cameras 8 and 9 in all areas of interest. In the device 1, at least one additional camera can be attached to the platform 7 in a fixed position and orientation and can image an additional pattern formed on the object 3 continuously in additional images, which are then also evaluated by the evaluation device 16.

2 zeigt zwei verschiedene Punktmarkierungen 20 und 21 für jeweils einen Punkt 12 bzw. 13 des Musters 10 bzw. 11. Die Punktmarkierungen 20 und 21 sind einander unähnlich, so dass sie selbst dann auf einfache Weise unterschieden werden können, wenn sie bei starken Änderungen der Relativlagen der Objekte 3 und 4 möglicherweise nicht nur von der ihnen jeweils zugeordneten Kamera 8 oder 9, sondern auch der jeweils anderen Kamera abgebildet werden. Auch die Muster 10 und 11 können untereinander unähnlich sein, so dass sie auch insgesamt unterscheidbar sind, selbst wenn sie in das Blickfeld der ihnen eigentlich nicht zugeordneten Kamera gelangen. 2 12 shows two different dot marks 20 and 21, each for a dot 12 and 13 of patterns 10 and 11, respectively. The dot marks 20 and 21 are dissimilar to each other so that they can easily be distinguished even when they change significantly in relative positions of the objects 3 and 4 may not only be imaged by the camera 8 or 9 assigned to them, but also by the other camera in each case. The patterns 10 and 11 can also be dissimilar to one another, so that they can also be distinguished overall, even if they enter the field of view of the camera that is not actually assigned to them.

BezugszeichenlisteReference List

11
Vorrichtungcontraption
22
Rotationsachseaxis of rotation
33
Objektobject
44
Objektobject
55
Taumelscheibeswashplate
66
Antriebswelledrive shaft
77
Plattformplatform
88th
Kameracamera
99
Kameracamera
1010
MusterPattern
1111
MusterPattern
1212
PunktPoint
1313
PunktPoint
1414
Übertragungseinheittransmission unit
1515
Drahtlose Verbindungwireless connection
1616
Auswerteeinrichtungevaluation device
1717
Triggertriggers
1818
Triggersignaltrigger signal
1919
Drehwinkelsensorangle of rotation sensor
2020
Punktmarkierungpoint marker
2121
Punktmarkierungpoint marker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • EP 2557391 A1 [0008]EP 2557391 A1 [0008]

Claims (12)

Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Relativlagen zweier gleichsinnig um eine Rotationsachse (2) rotierender Objekte (3, 4), mit - einer in fester Lage und Orientierung an dem ersten der beiden Objekte (3) angebrachten ersten Kamera (8), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, ein in fester Lage an dem zweiten der beiden Objekte (4) ausgebildetes und mindestens einen ersten Punkt (12) des zweiten der beiden Objekte (4) markierendes erstes Muster (10) in erste Bilder abzubilden, gekennzeichnet durch - eine in fester Lage und Orientierung an dem ersten oder dem zweiten der beiden Objekte (3, 4) angebrachten zweiten Kamera (9), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, ein in fester Lage an dem anderen zweiten oder ersten der beiden Objekte (3, 4) ausgebildetes und mindestens einen zweiten Punkt (13) des anderen ersten oder zweiten der beiden Objekte (3, 4) markierendes zweites Muster (11) in zweite Bilder abzubilden, - wobei eine Auswerteeinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, aus Bildlagen des mindestens ersten Punkts (12) in den ersten Bildern und des mindestens zweiten Punkts (13) in den zweiten Bildern auf die Relativlagen der beiden Objekte (3, 4) zu schließen.Device (1) for determining the relative positions of two objects (3, 4) rotating in the same direction about an axis of rotation (2), with - a first camera (8) attached in a fixed position and orientation to the first of the two objects (3), which is designed and arranged to map a first pattern (10) formed in a fixed position on the second of the two objects (4) and marking at least one first point (12) of the second of the two objects (4) into first images, characterized by - a second camera (9) mounted in a fixed position and orientation on the first or the second of the two objects (3, 4), which is designed and arranged to capture a second camera (9) in a fixed position on the other second or first of the two objects (3, 4 ) formed and at least one second point (13) of the other first or second of the two objects (3, 4) marking second pattern (11) in second images, - wherein an evaluation device (16) is designed to, from image positions of the at least first Point (12) in the first images and the at least second point (13) in the second images to close the relative positions of the two objects (3, 4). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Muster (10, 11) jeweils mindestens drei Punkte (12, 13) des ersten oder des zweiten der beiden Objekte (3, 4) markiert/markieren.Device (1) after claim 1 , characterized in that the first and/or the second pattern (10, 11) respectively mark/mark at least three points (12, 13) of the first or the second of the two objects (3, 4). Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem ersten und/oder dem zweiten Muster (10, 11) markierten Punkte (12, 13) des ersten oder zweiten der beiden Objekte (3, 4) nicht auf einer Geraden liegen.Device (1) after claim 2 , characterized in that the points (12, 13) of the first or second of the two objects (3, 4) marked by the first and/or the second pattern (10, 11) do not lie on a straight line. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Muster (10), soweit es die erste Kamera (8) abbildet, mit dem zweiten Muster (11), soweit es die zweite Kamera (9) abbildet, nicht überlappt.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first pattern (10), insofar as it is imaged by the first camera (8), does not match the second pattern (11), insofar as it is imaged by the second camera (9). overlapped. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Muster (10), soweit es die erste Kamera (8) abbildet, zu dem zweiten Muster (11), soweit es die zweite Kamera (9) abbildet, in einem Abstand angeordnet ist, der mindestens so groß ist wie eine erste maximale Ausdehnung des ersten Musters (10) und wie eine zweite maximale Ausdehnung des zweiten Musters (11).Device (1) after claim 4 , characterized in that the first pattern (10), insofar as it images the first camera (8), is arranged at a distance from the second pattern (11), insofar as it images the second camera (9), which is at least as great is like a first maximum extent of the first pattern (10) and like a second maximum extent of the second pattern (11). Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, die vollständigen ersten Bilder und zweiten Bilder auszuwerten, die ein erster Bildsensor der ersten Kamera (8) und ein zweiter Bildsensor der zweiten Kamera (9) aufnehmen.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device (16) is designed to evaluate the complete first images and second images which a first image sensor of the first camera (8) and a second image sensor of the second camera ( 9) record. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Muster (10) mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 20 % einer Fläche des ersten Bildsensors und das zweite Muster (11) mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 20 %, einer Fläche des zweiten Bildsensors abdeckt.Device (1) after claim 6 , characterized in that the first pattern (10) covers at least 10%, preferably at least 20%, of an area of the first image sensor and the second pattern (11) covers at least 10%, preferably at least 20%, of an area of the second image sensor. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - eine in fester Lage und Orientierung an dem ersten oder dem zweiten der beiden Objekte (3, 4) angebrachten dritten Kamera, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, ein in fester Lage an dem anderen zweiten oder ersten der beiden Objekte (3, 4) ausgebildetes und mindestens einen dritten Punkt des anderen zweiten oder ersten der beiden Objekte (3, 4) markierendes drittes Muster in dritte Bilder abzubilden, - wobei die Auswerteeinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, Bildlagen des mindestens einen dritten Punkts in den dritten Bildern beim Schließen auf die Relativlagen der beiden Objekte (3, 4) zu berücksichtigen.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized by - a third camera mounted in a fixed position and orientation on the first or the second of the two objects (3, 4), which is designed and arranged for a fixed position on the mapping a third pattern formed on the other, second or first of the two objects (3, 4) and marking at least a third point of the other, second or first of the two objects (3, 4) into third images, - the evaluation device (16) being designed to Image positions of the at least one third point in the third images to be taken into account when inferring the relative positions of the two objects (3, 4). Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster (10, 11) um die Rotationsachse (2) verteilt und vorzugsweise gleichverteilt sind.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the patterns (10, 11) are distributed around the axis of rotation (2) and are preferably evenly distributed. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster (10, 11) einander nicht ähnlich sind.Device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the patterns (10, 11) are not similar to each other. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras (8, 9) synchronisiert sind.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cameras (8, 9) are synchronized. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Trigger, der dazu ausgebildet ist, die Kameras (8, 9) zum Abbilden der Bilder mit einem Triggersignal (18) zu triggern, das von einer Drehzahl eines der beiden Objekte (3, 4) oder einem Signal eines der beiden Objekte (3, 4) zugeordnetem Drehwinkelsensors (19) abhängig ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized by a trigger which is designed to trigger the cameras (8, 9) for imaging the images with a trigger signal (18) which is dependent on a rotational speed of one of the two objects (3rd , 4) or a signal of one of the two objects (3, 4) associated rotation angle sensor (19).
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