EP2936202A1 - Method and device for determining the position coordinates of a target object - Google Patents

Method and device for determining the position coordinates of a target object

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Publication number
EP2936202A1
EP2936202A1 EP13814497.7A EP13814497A EP2936202A1 EP 2936202 A1 EP2936202 A1 EP 2936202A1 EP 13814497 A EP13814497 A EP 13814497A EP 2936202 A1 EP2936202 A1 EP 2936202A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
target
target object
distance
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13814497.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Torsten Gogolla
Andreas Winter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP2936202A1 publication Critical patent/EP2936202A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/86—Combinations of lidar systems with systems other than lidar, radar or sonar, e.g. with direction finders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4913—Circuits for detection, sampling, integration or read-out

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the location coordinates of a target object according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for determining the location coordinates of a target object according to the preamble of claim 8.
  • PRIOR ART EP 0 481 278 A1 discloses a method and an apparatus for determining two- or three-dimensional spatial coordinates of a target object.
  • the device comprises a laser distance measuring device, a camera device, a reference device and a control device.
  • the laser distance measuring device has a transmitting element, which emits a laser beam, and a receiving element, which receives a laser beam, which is at least partially reflected at the target object, as a receiving beam.
  • the reference means comprises first and second axes which are perpendicular to each other and span an internal coordinate system; a third axis of the coordinate system is perpendicular to the first and second axes through the intersection of the axes.
  • the apparatus further comprises first and second angle measuring means for determining an azimuth angle and an elevation angle.
  • the target object is precisely sighted via the camera device and the target axis of the laser distance measuring device and the sighting axis of the camera device are aligned with the target object.
  • the laser distance measurement is carried out by the laser distance measuring device and the azimuth and elevation angle values are determined by the angle measuring devices.
  • the two-dimensional location coordinates are calculated from the distance value and the azimuth angle, for the three-dimensional location coordinates additionally the elevation angle is required.
  • the known device for determining the location coordinates of a target object has the disadvantage that at least one scale measuring device is required, which increases the complexity and costs of the device for determining the location coordinates. Furthermore the laser beam must be precisely aligned with the target object for laser distance measurement and angle measurement.
  • the object of the present invention is to develop a method for determining the location coordinates of a target object in two or three dimensions, which is suitable for indoor use.
  • a device suitable for the method according to the invention for determining the spatial coordinates of a target object is to be developed, it being possible to calculate the spatial coordinates with high accuracy with limited equipment expenditure.
  • This object is achieved in the aforementioned method for determining the location coordinates of a target object according to the invention by the features of independent claim 1 and in the aforementioned device for determining the location coordinates of a target object by the features of independent claim 8.
  • Advantageous developments are specified in the dependent claims.
  • the method for determining the location coordinates of a target object in a measurement area in at least two dimensions comprises the steps:
  • ⁇ a target device with a reflector element is positioned on the target object
  • ⁇ a laser beam is emitted by a transmitting element of a laser distance measuring device to the target device
  • At least part of the laser beam is partially reflected at the reflector element
  • the laser beam which is at least partially reflected at the reflector element is received as a receiving beam by a receiving element of the laser distance measuring device,
  • ⁇ a first distance is calculated from a focal length of the camera device, the calculated distance to the target object and a first image coordinate of the center of gravity of the light reflection
  • the location coordinates of the target object are calculated from the distance and the first distance.
  • Determining the spatial coordinates of the target object with the aid of a laser distance measurement and a light reflection in an image of a camera device has the advantage that no expensive angle measuring device is required and the spatial coordinates nevertheless have a high angle Accuracy can be determined.
  • the reflector element of the target device generates a reflected laser beam, which is visible in a picture of the target device as a light reflection.
  • the method according to the invention is suitable for resting target objects and moving target objects.
  • a second distance is calculated from the focal length of the camera device, the distance to the target object and a second image coordinate of the center of gravity of the light reflection, and the spatial coordinates of the target object are additionally calculated from the second distance.
  • the second distance enables the determination of three-dimensional location coordinates of a target object in a measurement space.
  • the geometry of the target device determines whether the method can be used to determine two- or three-dimensional location coordinates.
  • an aiming device in the form of a circular cylinder or a circular cylinder section is used and for determining three-dimensional location coordinates, a spherical or spherical section-shaped aiming device is used.
  • a sequence of images of the target device is taken with the camera device.
  • the laser beam which is directed onto the target device can be designed as a widened laser beam with an aperture angle greater than 80 °, as a moving laser beam or as a moving laser beam with an aperture angle smaller than 10 °.
  • the widening of the laser beam can take place in one direction or in two directions perpendicular to the propagation direction of the laser beam.
  • the laser beam is at least partially reflected at the reflector element of the target device and generates a light reflection in the image of the camera device. If the camera device takes a sequence of images of the target device, the light reflection is visible as long as the laser beam is emitted.
  • the camera device records images of the target device with a light reflex as well as images without a light reflex.
  • the image with the strongest light reflection is determined as the image of the target device with the light reflection from the sequence of images taken with the camera device.
  • the first variant is particularly suitable for moving laser beams, in which, as a result of the images taken with the camera device, images with a light reflex as well as images without a light reflex are present.
  • the image with the strongest light reflection can be determined using known image processing techniques.
  • the image of the target device with the light reflex is determined by averaging over a plurality of images from the sequence of images taken with the camera device.
  • the second variant is particularly suitable for non-moving laser beams, in which the light reflection in the images is visible, as long as the laser beam is sent out.
  • the averaging over several images with a light reflex can be done using known image processing techniques.
  • the recording of the images of the target device with the camera device and the distance measurement to the target device with the laser distance measuring device are simultaneously started by a control device.
  • the laser distance measuring device and the camera device are synchronized. Synchronization is advantageous for moving targets. Since the measuring time for a distance measurement and the exposure time for the camera device generally differ from each other, the distance values and the images of the target device are not determined at the same time. The synchronization allows the measured distance values and recorded images of the target device to be associated with one another. The closer the time points for the distance measurement and the recording of the image are to each other, the smaller the error in the location coordinates. For fast-moving target objects, it is important to correctly match the distance value to the captured image of the target device in order to limit the error.
  • a distance value measured by the laser distance measuring device is assigned by the control device to an image of the target device recorded with the camera device.
  • the correct association between the measured distance values and the recorded images of the target device is especially important for fast-moving target objects in order to reduce inaccuracies in the location coordinates.
  • the control element of the laser distance measuring device can assign a measured time value to each measured distance value after the start of the distance measurement, and the control element of the camera device can also assign a time after the start of the image recording to each recorded image of the target device. Due to the simultaneous start, an evaluation element of the control device can associate the measured distance values and the recorded images of the target device with one another. As a criterion for the assignment is, for example, that a distance value, the temporal image of the target device is assigned or that an image of the temporally following distance value is assigned.
  • the device according to the invention for determining the location coordinates of a target object in a measurement area comprises at least two dimensions:
  • a laser distance measuring device having a transmitting element which emits a laser beam, a receiving element which receives a laser beam at least partially reflected by the reflector element as a receiving beam, and a control element,
  • a camera device with a receiving device and a control element
  • ⁇ a reference device having a first axis and a second axis, wherein the first and second axes are arranged perpendicular to each other and intersect at an intersection
  • ⁇ a control device with a control element for controlling the laser distance measuring device and the camera device as well as an evaluation element for calculating the location coordinates of the target object.
  • the device according to the invention makes it possible to determine the location coordinates of a target object without angle measuring device.
  • a cost-effective device can be realized, which can measure the location coordinates of the target object with high accuracy.
  • the distance measurement with the laser distance measuring device and the recording of the images of the target device with the camera device can be started at the same time via the control element of the control device.
  • the reflector element is formed in a preferred embodiment as a rotationally symmetrical body or as a section of a rotationally symmetrical body.
  • the geometry of the reflector element of the target device decides whether the device can be used to determine two- or three-dimensional location coordinates.
  • circular cylinders or circular cylindrical sections are suitable as a reflector element and for three-dimensional measurements, spheres or spherical sections are suitable.
  • a rotationally symmetrical body has the advantage that the distance from the surface to the center is identical from all directions.
  • the location coordinates of the target object lie on the cylinder axis of the circular cylinder or in the center of the sphere.
  • the radius of the circular cylinder or the ball is stored in the control device or is entered by the operator into the control device.
  • the radius of the target device is added to the measured distance of the laser distance measuring device and to the image coordinates of the light reflection.
  • the laser distance measuring device has a beam-shaping optical system which expands the laser beam with an opening angle greater than 80 °.
  • the widening of the laser beam in a direction perpendicular to the propagation direction or in two directions perpendicular to the propagation direction of the laser beam can take place.
  • the expansion in one direction produces a line beam suitable for the determination of two-dimensional position coordinates, and the two-way expansion generates a spherical segment-expanded laser beam for the determination of three-dimensional location coordinates.
  • the widening of the laser beam by a beam shaping optics offers the possibility of using a stationary laser distance measuring device.
  • the measuring device with the laser distance measuring device is arranged outside the measuring area or at the edge of the measuring area and aligned so that the expanded laser beam can cover the entire measuring area.
  • the widening of the laser beam with an aperture angle greater than 80 ° is particularly suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates. If the laser beam is widened in a spherical segment in two perpendicular directions by an opening angle greater than 80 °, there is a risk in the case of a limited power of the laser beam that the power density of the receiving beam is too low for the evaluation. If sufficient power is available for the laser beam, a spherical segmented laser beam with aperture angles greater than 80 ° can be used to determine three-dimensional location coordinates.
  • beam-shaping optical system encompasses all beam-shaping optical elements which expand, collimate or focus a laser beam.
  • the beam shaping optics can consist of an optical element, in which one or more optical functions are integrated, or of a plurality of successively arranged optical elements. Cylindrical lenses, cone mirrors and similar optical elements are suitable as beam shaping optics for expanding a laser beam.
  • the beam-shaping optical system expands the laser beam in a direction substantially parallel to the measurement plane.
  • the beam-shaping optical system collimates or focuses the laser beam particularly preferably in a direction substantially perpendicular to the measurement plane.
  • This beam-shaping optical system is particularly suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates and has the advantage that the available power of the laser beam is used optimally. When determining two-dimensional position coordinates in the measuring plane, no widening of the laser beams is required in the direction perpendicular to the measuring plane. The limited power of the laser beam is distributed in the measuring plane.
  • the laser distance measuring device has a motor unit, wherein the motor unit pivots the laser beam about an axis of rotation perpendicular to the measuring plane or about a pivot point.
  • the rotation of the laser beams is useful if the power density of the laser beams after the expansion is too small to obtain a sufficiently strong reception beam for the laser distance measurement.
  • the rotation of the laser beam about the axis of rotation perpendicular to the measuring plane can be carried out as a rotating, scanning or tracking movement. In this case, the laser beam is rotated continuously during the rotating movement about the axis of rotation, periodically in the scanning movement about the axis of rotation back and forth and in the tracking motion follows the laser beam of Aiming device.
  • the rotation of the laser beam about a pivot point is provided for the determination of three-dimensional location coordinates and is preferably used with a tracking device that tracks the moving target device.
  • the motor unit of the second variant can be combined with beam shaping optics which collimate or focus the laser beam.
  • the laser distance measuring device has beam shaping optics and a motor unit, wherein the beam shaping optics expands the laser beam with an opening angle of up to 10 ° and the motor unit moves the laser beam about a rotation axis perpendicular to the measurement plane or about a pivot point.
  • the expansion of the laser beam and the rotation about a rotation axis (two-dimensional) or a fulcrum (three-dimensional) can be combined.
  • the laser beam is expanded by a beam shaping optics up to 10 ° and the expanded laser beam is moved by a motor unit about an axis of rotation or about a pivot point.
  • the combination of beam expansion and rotation allows the detection of a receive beam with a sufficiently high power density for the evaluation of the light reflection.
  • the widening of the laser beam can take place in one or two directions perpendicular to the propagation direction of the laser beam.
  • the rotation of the laser beam can be performed as a rotating, scanning or tracking movement.
  • the aiming device of the device according to the invention is attached to a hand-held tool device.
  • the current location coordinates of the tool device can be determined with the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for determining the location coordinates of a target object in a measuring plane, comprising a target device, a laser distance measuring device, a camera device, a reference device, a control device and a handset;
  • FIG. 2 shows the device of FIG. 1 with the laser distance measuring device, the camera device and the control device in the form of a block diagram; and
  • FIG. FIG. 3 shows an image of the aiming device taken with the camera device with a reflected laser beam as the light reflex, which is evaluated for determining the location coordinates of the target object.
  • FIG. 1 shows an apparatus 10 according to the invention for determining the location coordinates X M , Y M of a target object 11 in a measurement area 12.
  • the measurement area 12 is designed as area and the location coordinates X M , YM of the target object 1 1 are two-dimensional.
  • FIG. 1 shows the essential components of the device 10 in a schematic representation.
  • the apparatus 10 comprises a sighting device 13, a laser distance measuring device 14, a camera device 15, a reference device 16, a control device 17 and a handpiece 18.
  • the target device may be integrated into the handle.
  • the laser distance measuring device 14, the camera device 15, the reference device 16 and the control device 17 are integrated in a measuring device 19, which in the in FIG. 1 illustrated embodiment is mounted on a device stand 20.
  • the handpiece 18 has a control element 21, a display device 22 with a display 23 and an operating device 24.
  • the control device 17 may be arranged in the handpiece 18.
  • the measuring device 19 and the handle 18 are connected to each other via a wireless communication link 25.
  • the reference device 16 comprises a first and second axis 26, 27, which are arranged perpendicular to each other and intersect at an intersection point 28.
  • the first and second axes 26, 27 span an internal coordinate system.
  • a third axis 29 of the coordinate system runs perpendicular to the first and second axes 26, 27 through the intersection 28 of the two axes 26, 27.
  • the first and second axes 26, 27 span an image plane of the camera device 15 and the viewing direction of the camera device 15 runs parallel to the third axis 29.
  • the position of the target object 1 1 in the measurement plane 12 is marked by means of the target device 13.
  • the aiming device 13 has a reflector element 31 for partially reflecting a laser beam of the laser distance measuring device 14.
  • the reflector element 31 is in the in FIG. 1 embodiment designed as a circular cylinder and the spatial coordinates of the target object 1 1 lie on the cylinder axis 32 of the reflector element 31st
  • the distance from the surface of the reflector element 31 to the target object 1 1 is stored in the control device 17 or is entered by the operator into the control device 1 7.
  • the reflector element 31 can be attached to a staff 33 and is positioned by the operator on the target object 1 1.
  • a leveling device for example in the form of a dragonfly or another inclination sensor, may be integrated into the measuring rod 33.
  • the target device 13 may be attached to a wall or a ceiling, placed on a floor, or fastened to, for example, a vehicle or a tool device.
  • the two-dimensional spatial coordinates X M , Y M of the target object 1 1 are determined from the distance D between the laser distance measuring device 14 and the target object 1 1 and an image coordinate of the reflected laser beam in the image of the camera device 15.
  • the target device 13 is positioned in the measurement plane 12 on the target object 1 1. In this case, it is ensured that the cylinder axis 32 of the reflector element 31 is aligned perpendicular to the measuring plane 12. If the location coordinates of the target object 1 1 are to be determined in an external coordinate system that deviates from the internal coordinate system 26, 27 of the measuring device 19, the coordinate systems are superimposed or the displacement and / or rotation are determined and entered manually or automatically on the measuring device 19 transmitted to the control device 17.
  • the axes 26, 27, 29 of the measuring device 19 are aligned, for example, parallel to the coordinate axes of the external coordinate system. After aligning the coordinate system, the Measurement, the operator starts the measurement via a start button or a start command on the handset 18.
  • the device 10 can also be used for finding location coordinates.
  • the user guides a reflector element equipped with a measuring tip or the like, which can also be integrated in the handpiece, over a measuring surface and searches for predetermined location coordinates.
  • the location coordinates can be entered manually in the handset or they are transmitted via a communication link from another device to the device.
  • FIG. 2 shows the essential components of the measuring device 19 and their interaction in the determination of the location coordinates of the target object 11 in the form of a block diagram.
  • the measuring device 19 are laser distance measuring device 14, the camera device 15 and the control device 17th
  • the laser distance measuring device 14 has a coaxial construction and comprises a transmitting element 41 designed as a laser diode, a receiving element 42 designed as a photodetector, a beam splitting optics 43, a beam shaping optics 44 and a control element 45.
  • the laser diode 41 emits a laser beam 46 which is incident on the target device 13 is directed.
  • a laser beam at least partially reflected at the reflector element 31 of the target device 13 is detected as a receive beam 47 by the photodetector 42.
  • the control element 45 is connected to the laser diode 41 and the photodetector 42.
  • the laser beam 46 emitted by the laser diode 41 is spatially separated from the receiving beam 47 with the aid of the beam splitting optical system 43.
  • a biaxial laser distance measuring device in which the emitted laser beam and the reception beam are offset in parallel can be used.
  • the beam shaping optics 44 may be formed as a single optical element or as a system of multiple optical elements and shape both the laser beam 46 and the receive beam 47. Unlike known laser distance measuring devices using a focused point laser beam, the device 10 of the present invention is required in that the laser beam 46 detects a larger angular range. This can be achieved by widening the laser beam 46 in the measurement plane 12 and / or by rotating the laser beam 46 about an axis of rotation perpendicular to the measurement plane 12.
  • FIG. FIG. 2 shows a laser distance measuring device 14, in which the laser beam 46 is widened by means of a suitable beam shaping optics 44. Cylindrical lenses and cone optics are suitable as beam-shaping optics 44 for widening.
  • the camera device 15 is designed for example as a CCD camera and comprises a receiving device 48 and a control element 49 for controlling the camera device 15 and for evaluating the recorded images. To determine two-dimensional location coordinates, a series of pixels arranged in the measurement plane 12 is required. For three-dimensional spatial coordinates, the camera device 15 has a plurality of rows of pixels.
  • the control device 17 controls the method according to the invention for determining the location coordinates of the target object 11 by means of the laser distance measuring device 14 and the camera device 15.
  • the control device 17 comprises a control element 51 for controlling the laser distance measuring device 14 and the camera device 15 as well as an evaluation element 52 for calculating the position coordinates X M , YM of the target object 1 1.
  • the laser distance measuring device 14 and the camera device 15 have the laser distance measuring device 14 the control element 45 and the camera device 15 the control element 49.
  • the control elements 45, 49 may be formed as separate control elements or be integrated with the control device 17 in a common control device.
  • a common control device lends itself when the control device 17 is arranged in the measuring device 19.
  • the control device 17 is arranged in the handpiece 18, separate control elements are advantageous since the raw data of the laser distance measuring device 14 and the camera device 15 need not be transmitted to the handset 18 via the communication link 25.
  • the operator starts the determination of the location coordinates via a start command on the handset.
  • the start command is converted by the control element 51 of the control device 17 into a first control command to the laser distance measuring device 14 and a second control command to the camera device 15.
  • the transmitting element 41 of the laser distance measuring device 14 emits the laser beam 46, which strikes the reflector element 31 and is partially reflected at the reflector element 31.
  • the reflected portion of the laser beam 46 impinges on the receiving element 42 of the laser distance measuring device 14 as a receiving beam 47.
  • the control element 45 of the laser distance measuring device 14 determines the distance between the laser distance measuring device 14 and the reference beam 47 and a reference beam which has been coupled out of the laser beam 46 the reflector element 31.
  • the radius R of the nikzylin- derförmigen reflector element 31 is added.
  • the camera device 15 records a sequence of images of the target device 13.
  • the images of the camera device 15 are using known Image processing techniques evaluated.
  • the laser beam 46 partially reflected at the reflector element 31 is visible in at least one image of the target device 13 as a light reflection.
  • the control element 52 of the camera device 15 determines, with the aid of known image processing techniques, the image of the target device 13 which has the strongest light reflection.
  • several images in which a light reflex is visible can be averaged.
  • FIG. FIG. 3 shows an image 61 of the target device 13 with a light reflection 62, which is evaluated for the determination of the location coordinates of the target object 11.
  • the image 61 consists of an array of pixels arranged in rows and columns, the number of pixels being determined by the resolution of the camera device 15.
  • a center of gravity 63 of the light reflection 62 is determined by means of known image processing techniques by the control element 49 of the camera device 15.
  • the center of gravity 63 of the light reflection 62 has, in the internal coordinate system 26, 27 of the camera device 15, a first image coordinate X s and a second image coordinate Y s . From the image coordinates X s , Ys of the center of gravity 63 of the light reflection 62, a first distance c and a second distance d 2 are calculated with a focal length f of the camera device 15.

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Abstract

Method for determining the position coordinates (XM, YM, ZM) of a target object (11) in a measurement range (12) in at least two dimensions (X, Y, Z), with the steps: ■ a target device (13) with a reflector element (31) is positioned at the target object (11), ■ a laser beam (46) is transmitted from a transmitting element (41) of a laser distance measurement device (14) onto the target device (13), ■ at least a part of the laser beam (46) is partially reflected on the reflector element (31), ■ a camera device (15) records an image of the target device (13) with the at least partially reflected laser beam as a light reflection, ■ the focus of the light reflection in the image of the target device (13) is determined, ■ a receiver element in the laser distance measuring device (14) receives the laser beam partially reflected on the reflector element (31) as the received beam, ■ a distance to the target object (11) is calculated from the received beam, ■ a first offset is calculated from a focal length of the camera device (15), the calculated distance to the target object (11) and a first image coordinate of the focus of the light reflection, ■ the position coordinates (XM, YM, ZM) of the target object (11) are calculated from the distance and the first offset.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes Technisches Gebiet  Method and device for determining the location coordinates of a target object Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. The present invention relates to a method for determining the location coordinates of a target object according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for determining the location coordinates of a target object according to the preamble of claim 8.
Stand der Technik Aus EP 0 481 278 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Laserdistanzmesseinrichtung, eine Kameraeinrichtung, eine Referenzeinrichtung und eine Kontrolleinrichtung. Die Laserdistanzmesseinrichtung weist ein Sendeelement, das einen Laserstrahl aussendet, und ein Empfangselement, das einen am Zielobjekt zumindest teilweise reflektierten Laserstrahl als Empfangsstrahl empfängt, auf. Die Referenzeinrichtung weist eine erste und zweite Achse auf, die senkrecht zueinander angeordnet sind und ein internes Koordinatensystem aufspannen; eine dritte Achse des Koordinatensystems verläuft senkrecht zur ersten und zweiten Achse durch den Schnittpunkt der Achsen. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine erste und zweite Winkelmesseinrichtung zum Bestimmen eines Azimutwinkels und eines Elevationswinkels. Das Zielobjekt wird über die Kameraeinrichtung präzise anvisiert und dabei werden die Zielachse der Laserdistanzmesseinrichtung und die Visierachse der Kameraeinrichtung auf das Zielobjekt ausgerichtet. Die Laserdistanzmessung wird von der Laserdistanzmesseinrichtung ausgeführt und die Winkelwerte für den Azimut- und Elevationswinkel werden von den Winkelmesseinrichtungen bestimmt. Die zweidimensionalen Ortskoordinaten werden aus dem Distanzwert und dem Azimutwinkel berechnet, für die dreidimensionalen Ortskoordinaten ist zusätzlich der Elevationswinkel erforderlich. PRIOR ART EP 0 481 278 A1 discloses a method and an apparatus for determining two- or three-dimensional spatial coordinates of a target object. The device comprises a laser distance measuring device, a camera device, a reference device and a control device. The laser distance measuring device has a transmitting element, which emits a laser beam, and a receiving element, which receives a laser beam, which is at least partially reflected at the target object, as a receiving beam. The reference means comprises first and second axes which are perpendicular to each other and span an internal coordinate system; a third axis of the coordinate system is perpendicular to the first and second axes through the intersection of the axes. The apparatus further comprises first and second angle measuring means for determining an azimuth angle and an elevation angle. The target object is precisely sighted via the camera device and the target axis of the laser distance measuring device and the sighting axis of the camera device are aligned with the target object. The laser distance measurement is carried out by the laser distance measuring device and the azimuth and elevation angle values are determined by the angle measuring devices. The two-dimensional location coordinates are calculated from the distance value and the azimuth angle, for the three-dimensional location coordinates additionally the elevation angle is required.
Die bekannte Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes weist den Nachteil auf, dass mindestens eine Wnkelmesseinrichtung erforderlich ist, die die Komplexi- tät und Kosten der Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten erhöhen. Außerdem muss der Laserstrahl zur Laserdistanzmessung und zur Winkelmessung präzise auf das Zielobjekt ausgerichtet werden. The known device for determining the location coordinates of a target object has the disadvantage that at least one scale measuring device is required, which increases the complexity and costs of the device for determining the location coordinates. Furthermore The laser beam must be precisely aligned with the target object for laser distance measurement and angle measurement.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in zwei oder drei Dimensionen, das für die Anwendung in Innenräumen geeignet ist. Außerdem soll eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes entwickelt werden, wobei die Ortskoordinaten mit hoher Genauigkeit bei begrenztem apparativem Aufwand berechnet werden kann. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und bei der eingangs genannten Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Erfindungsgemäß weist das Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messgebiet in mindestens zwei Dimensionen die Schritte auf: The object of the present invention is to develop a method for determining the location coordinates of a target object in two or three dimensions, which is suitable for indoor use. In addition, a device suitable for the method according to the invention for determining the spatial coordinates of a target object is to be developed, it being possible to calculate the spatial coordinates with high accuracy with limited equipment expenditure. This object is achieved in the aforementioned method for determining the location coordinates of a target object according to the invention by the features of independent claim 1 and in the aforementioned device for determining the location coordinates of a target object by the features of independent claim 8. Advantageous developments are specified in the dependent claims. According to the invention, the method for determining the location coordinates of a target object in a measurement area in at least two dimensions comprises the steps:
■ eine Zieleinrichtung mit einem Reflektorelement wird am Zielobjekt positioniert, ■ a target device with a reflector element is positioned on the target object,
■ ein Laserstrahl wird von einem Sendeelement einer Laserdistanzmesseinrichtung auf die Zieleinrichtung ausgesandt, ■ a laser beam is emitted by a transmitting element of a laser distance measuring device to the target device,
■ zumindest ein Teil des Laserstrahls wird am Reflektorelement teilweise reflektiert,At least part of the laser beam is partially reflected at the reflector element,
■ ein Bild der Zieleinrichtung mit dem zumindest teilweise reflektierten Laserstrahl als Lichtreflex wird von einer Kameraeinrichtung aufgenommen, ■ an image of the target device with the at least partially reflected laser beam as a light reflection is picked up by a camera device,
■ im Bild der Zieleinrichtung wird ein Schwerpunkt des Lichtreflexes bestimmt, ■ In the image of the target device, a center of gravity of the light reflection is determined,
■ der am Reflektorelement zumindest teilweise reflektierte Laserstrahl wird als Empfangs- strahl von einem Empfangselement der Laserdistanzmesseinrichtung empfangen, The laser beam which is at least partially reflected at the reflector element is received as a receiving beam by a receiving element of the laser distance measuring device,
■ aus dem Empfangsstrahl wird eine Distanz zum Zielobjekt berechnet, ■ a distance to the target object is calculated from the receive beam,
■ aus einer Brennweite der Kameraeinrichtung, der berechneten Distanz zum Zielobjekt und einer ersten Bildkoordinate des Schwerpunktes des Lichtreflexes wird ein erster Abstand berechnet, ■ a first distance is calculated from a focal length of the camera device, the calculated distance to the target object and a first image coordinate of the center of gravity of the light reflection
■ die Ortskoordinaten des Zielobjektes werden aus der Distanz und dem ersten Abstand berechnet. ■ The location coordinates of the target object are calculated from the distance and the first distance.
Die Ortskoordinaten des Zielobjektes mit Hilfe einer Laserdistanzmessung und einem Lichtreflex in einem Bild einer Kameraeinrichtung zu bestimmen, hat den Vorteil, dass keine teure Winkelmesseinrichtung erforderlich ist und die Ortskoordinaten dennoch mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden können. Das Reflektorelement der Zieleinrichtung erzeugt einen reflektierten Laserstrahl, der in einem Bild der Zieleinrichtung als Lichtreflex sichtbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für ruhende Zielobjekte und bewegte Zielobjekte. In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird aus der Brennweite der Kameraeinrichtung, der Distanz zum Zielobjekt und einer zweiten Bildkoordinate des Schwerpunktes des Lichtreflexes ein zweiter Abstand berechnet und die Ortskoordinaten des Zielobjektes werden zusätzlich aus dem zweiten Abstand berechnet. Der zweite Abstand ermöglicht die Bestimmung von dreidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messraum. Die Geometrie der Zieleinrichtung bestimmt unter anderem, ob das Verfahren zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Zur Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten wird eine Zieleinrichtung in Form eines Kreiszylinders oder eines Kreiszylinderabschnitts eingesetzt und zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten wird eine kugelförmige oder kugelabschnittsförmige Zieleinrichtung eingesetzt. Bevorzugt wird eine Folge von Bildern der Zieleinrichtung mit der Kameraeinrichtung aufgenommen. Der Laserstrahl, der auf die Zieleinrichtung gerichtet wird, kann als aufgeweiteter Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel grösser als 80°, als bewegter Laserstrahl oder als bewegter Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel kleiner als 10° ausgebildet sein. Die Aufweitung des Laserstrahls kann in einer Richtung oder in zwei Richtungen senkrecht zur Ausbrei- tungsrichtung des Laserstrahls erfolgen. Bei einem aufgeweiteten, nicht-bewegten Laserstrahl wird der Laserstrahl am Reflektorelement der Zieleinrichtung zumindest teilweise reflektiert und erzeugt im Bild der Kameraeinrichtung einen Lichtreflex. Nimmt die Kameraeinrichtung eine Folge von Bildern der Zieleinrichtung auf, ist der Lichtreflex sichtbar, solange der Laserstrahl ausgesandt wird. Bei einem bewegten Laserstrahl nimmt die Kameraeinrich- tung sowohl Bilder der Zieleinrichtung mit Lichtreflex als auch Bilder ohne Lichtreflex auf. Determining the spatial coordinates of the target object with the aid of a laser distance measurement and a light reflection in an image of a camera device has the advantage that no expensive angle measuring device is required and the spatial coordinates nevertheless have a high angle Accuracy can be determined. The reflector element of the target device generates a reflected laser beam, which is visible in a picture of the target device as a light reflection. The method according to the invention is suitable for resting target objects and moving target objects. In a further development of the method, a second distance is calculated from the focal length of the camera device, the distance to the target object and a second image coordinate of the center of gravity of the light reflection, and the spatial coordinates of the target object are additionally calculated from the second distance. The second distance enables the determination of three-dimensional location coordinates of a target object in a measurement space. Among other things, the geometry of the target device determines whether the method can be used to determine two- or three-dimensional location coordinates. For determining two-dimensional location coordinates, an aiming device in the form of a circular cylinder or a circular cylinder section is used and for determining three-dimensional location coordinates, a spherical or spherical section-shaped aiming device is used. Preferably, a sequence of images of the target device is taken with the camera device. The laser beam which is directed onto the target device can be designed as a widened laser beam with an aperture angle greater than 80 °, as a moving laser beam or as a moving laser beam with an aperture angle smaller than 10 °. The widening of the laser beam can take place in one direction or in two directions perpendicular to the propagation direction of the laser beam. In the case of an expanded, non-moving laser beam, the laser beam is at least partially reflected at the reflector element of the target device and generates a light reflection in the image of the camera device. If the camera device takes a sequence of images of the target device, the light reflection is visible as long as the laser beam is emitted. In the case of a moving laser beam, the camera device records images of the target device with a light reflex as well as images without a light reflex.
In einer ersten Variante des Verfahrens wird als Bild der Zieleinrichtung mit dem Lichtreflex aus der Folge der mit der Kameraeinrichtung aufgenommenen Bilder das Bild mit dem stärksten Lichtreflex bestimmt. Die erste Variante eignet sich vor allem für bewegte Laserstrahlen, bei denen in der Folge der mit der Kameraeinrichtung aufgenommenen Bilder so- wohl Bilder mit Lichtreflex als auch Bilder ohne Lichtreflex vorhanden sind. Das Bild mit dem stärksten Lichtreflex kann mit Hilfe bekannter Bildverarbeitungstechniken bestimmt werden. In a first variant of the method, the image with the strongest light reflection is determined as the image of the target device with the light reflection from the sequence of images taken with the camera device. The first variant is particularly suitable for moving laser beams, in which, as a result of the images taken with the camera device, images with a light reflex as well as images without a light reflex are present. The image with the strongest light reflection can be determined using known image processing techniques.
In einer zweiten Variante des Verfahrens wird das Bild der Zieleinrichtung mit dem Lichtreflex durch Mittelung über mehrere Bilder aus der Folge der mit der Kameraeinrichtung aufgenommenen Bilder bestimmt. Die zweite Variante eignet sich vor allem für nicht-bewegte La- serstrahlen, bei denen der Lichtreflex in den Bildern sichtbar ist, solange der Laserstrahl ausgesandt wird. Die Mittelung über mehrere Bilder mit einem Lichtreflex kann mit Hilfe bekannter Bildverarbeitungstechniken erfolgen. In a second variant of the method, the image of the target device with the light reflex is determined by averaging over a plurality of images from the sequence of images taken with the camera device. The second variant is particularly suitable for non-moving laser beams, in which the light reflection in the images is visible, as long as the laser beam is sent out. The averaging over several images with a light reflex can be done using known image processing techniques.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die Aufnahme der Bilder der Zieleinrichtung mit der Kameraeinrichtung und die Distanzmessung zur Zieleinrichtung mit der Laserdistanzmesseinrichtung gleichzeitig von einer Kontrolleinrichtung gestartet. Durch den zeitgleichen Start der Distanzmessung und der Aufnahme der Bilder der Zieleinrichtung sind die Laserdistanzmesseinrichtung und die Kameraeinrichtung synchronisiert. Die Synchronisierung ist für bewegte Zielobjekte vorteilhaft. Da sich die Messzeit für eine Distanzmessung und die Belichtungszeit für die Kameraeinrichtung in der Regel voneinander unterscheiden, werden die Distanzwerte und die Bilder der Zieleinrichtung nicht zeitgleich ermittelt. Durch die Synchronisierung können die gemessenen Distanzwerte und aufgenommenen Bilder der Zieleinrichtung einander zugeordnet werden. Je näher die Zeitpunkte für die Distanzmessung und die Aufnahme des Bildes beieinander liegen, umso kleiner ist der Fehler bei den Ortskoordinaten. Für schnell bewegte Zielobjekte ist die richtige Zuordnung zwischen Dis- tanzwert und aufgenommenem Bild der Zieleinrichtung wichtig, um den Fehler zu begrenzen. In a preferred embodiment of the method, the recording of the images of the target device with the camera device and the distance measurement to the target device with the laser distance measuring device are simultaneously started by a control device. By the simultaneous start of the distance measurement and the recording of the images of the target device, the laser distance measuring device and the camera device are synchronized. Synchronization is advantageous for moving targets. Since the measuring time for a distance measurement and the exposure time for the camera device generally differ from each other, the distance values and the images of the target device are not determined at the same time. The synchronization allows the measured distance values and recorded images of the target device to be associated with one another. The closer the time points for the distance measurement and the recording of the image are to each other, the smaller the error in the location coordinates. For fast-moving target objects, it is important to correctly match the distance value to the captured image of the target device in order to limit the error.
Besonders bevorzugt wird einem von der Laserdistanzmesseinrichtung gemessenen Distanzwert von der Kontrolleinrichtung ein mit der Kameraeinrichtung aufgenommenes Bild der Zieleinrichtung zugeordnet. Die richtige Zuordnung zwischen den gemessenen Distanzwerten und den aufgenommenen Bildern der Zieleinrichtung ist vor allem für schnell bewegte Zielobjekte wichtig, um Ungenauigkeiten bei den Ortskoordinaten zu reduzieren. Das Kontrollelement der Laserdistanzmesseinrichtung kann jedem gemessenen Distanzwert einen Zeitpunkt nach dem Start der Distanzmessung zuordnen und das Kontrollelement der Kameraeinrichtung kann jedem aufgenommenen Bild der Zieleinrichtung ebenfalls einen Zeitpunkt nach dem Start der Bildaufnahme zuordnen. Durch den zeitgleichen Start kann ein Auswer- teelement der Kontrolleinrichtung die gemessenen Distanzwerte und die aufgenommenen Bilder der Zieleinrichtung einander zuordnen. Als Kriterium für die Zuordnung eignet sich beispielsweise, dass einem Distanzwert das zeitlich folgende Bild der Zieleinrichtung zugeordnet wird oder dass einem Bild der zeitlich folgende Distanzwert zugeordnet wird. Particularly preferably, a distance value measured by the laser distance measuring device is assigned by the control device to an image of the target device recorded with the camera device. The correct association between the measured distance values and the recorded images of the target device is especially important for fast-moving target objects in order to reduce inaccuracies in the location coordinates. The control element of the laser distance measuring device can assign a measured time value to each measured distance value after the start of the distance measurement, and the control element of the camera device can also assign a time after the start of the image recording to each recorded image of the target device. Due to the simultaneous start, an evaluation element of the control device can associate the measured distance values and the recorded images of the target device with one another. As a criterion for the assignment is, for example, that a distance value, the temporal image of the target device is assigned or that an image of the temporally following distance value is assigned.
Insbesondere zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die erfindungs- gemäße Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messgebiet in mindestens zwei Dimensionen: In particular for carrying out the method according to the invention, the device according to the invention for determining the location coordinates of a target object in a measurement area comprises at least two dimensions:
■ eine Zieleinrichtung mit einem Reflektorelement, das die Ortskoordinaten des Zielobjektes festlegt, ■ eine Laserdistanzmesseinrichtung mit einem Sendeelement, das einen Laserstrahl aussendet, einem Empfangselement, das einen vom Reflektorelement zumindest teilweise reflektierten Laserstrahl als Empfangsstrahl empfängt, und einem Kontrollelement, ■ a target device with a reflector element that determines the location coordinates of the target object, A laser distance measuring device having a transmitting element which emits a laser beam, a receiving element which receives a laser beam at least partially reflected by the reflector element as a receiving beam, and a control element,
■ eine Kameraeinrichtung mit einer Empfangseinrichtung und einem Kontrollelement, ■ eine Referenzeinrichtung mit einer ersten Achse und einer zweiten Achse, wobei die erste und zweite Achse senkrecht zueinander angeordnet sind und sich in einem Schnittpunkt schneiden, und ■ a camera device with a receiving device and a control element , ■ a reference device having a first axis and a second axis, wherein the first and second axes are arranged perpendicular to each other and intersect at an intersection, and
■ eine Kontrolleinrichtung mit einem Steuerelement zum Steuern der Laserdistanzmesseinrichtung und der Kameraeinrichtung sowie einem Auswerteelement zum Berechnen der Ortskoordinaten des Zielobjektes. ■ a control device with a control element for controlling the laser distance measuring device and the camera device as well as an evaluation element for calculating the location coordinates of the target object.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, die Ortskoordinaten eines Zielobjektes ohne Winkelmesseinrichtung zu bestimmen. Dadurch, dass keine Winkelmesseinrichtung erforderlich ist, kann eine kostengünstige Vorrichtung realisiert werden, die die Ortskoordinaten des Zielobjektes mit hoher Genauigkeit messen kann. Über das Steuerelement der Kontrol- leinrichtung können die Distanzmessung mit der Laserdistanzmesseinrichtung und die Aufnahme der Bilder der Zieleinrichtung mit der Kameraeinrichtung zeitgleich gestartet werden. The device according to the invention makes it possible to determine the location coordinates of a target object without angle measuring device. The fact that no angle measuring device is required, a cost-effective device can be realized, which can measure the location coordinates of the target object with high accuracy. The distance measurement with the laser distance measuring device and the recording of the images of the target device with the camera device can be started at the same time via the control element of the control device.
Das Reflektorelement ist in einer bevorzugten Ausführung als rotationssymmetrischer Körper oder als Abschnitt eines rotationssymmetrischen Körpers ausgebildet. Die Geometrie des Reflektorelementes der Zieleinrichtung entscheidet, ob die Vorrichtung zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Für zweidimensionale Messungen eignen sich Kreiszylinder oder Kreiszylinderabschnitte als Reflektorelement und für dreidimensionale Messungen eignen sich Kugeln oder Kugelabschnitte. Ein rotationssymmetrischer Körper hat den Vorteil, dass der Abstand von der Oberfläche zum Mittelpunkt aus allen Richtungen identisch ist. Die Ortskoordinaten des Zielobjektes liegen auf der Zylinderachse des Kreiszylinders oder im Mittelpunkt der Kugel. Der Radius des Kreiszylinders oder der Kugel ist in der Kontrolleinrichtung gespeichert oder wird vom Bediener in die Kontrolleinrichtung eingegeben. Für die Berechnung der Ortskoordinaten wird der Radius der Zieleinrichtung zur gemessenen Distanz der Laserdistanzmesseinrichtung und zu den Bildkoordinaten des Lichtreflexes addiert. In einer ersten Variante weist die Laserdistanzmesseinrichtung eine Strahlformungsoptik auf, die den Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel grösser als 80° aufweitet. Dabei kann die Aufweitung des Laserstrahls in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung oder in zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erfolgen. Die Aufweitung in einer Richtung erzeugt einen Linienstrahl, der für die Bestimmung zweidimensionaler Orts- koordinaten geeignet ist, und die Aufweitung in zwei Richtungen erzeugt einen kugelseg- mentartig aufgeweiteten Laserstrahl für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten. Die Aufweitung des Laserstrahls durch eine Strahlformungsoptik bietet die Möglichkeit, eine ruhende Laserdistanzmesseinnchtung einzusetzen. Das Messgerät mit der Laserdistanzmesseinnchtung wird außerhalb des Messgebietes oder am Rand des Messgebietes angeordnet und so ausgerichtet, dass der aufgeweitete Laserstrahl das gesamte Messgebiet er- fassen kann. Die Aufweitung des Laserstrahls mit einem Öffnungswinkel grösser als 80° eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten. Wird der Laserstrahl kugelsegmentartig in zwei senkrechten Richtungen jeweils um einen Öffnungswinkel grösser als 80° aufgeweitet, besteht bei einer begrenzten Leistung des Laserstrahls die Gefahr, dass die Leistungsdichte des Empfangsstrahls für die Auswertung zu gering ist. Wenn eine ausreichende Leistung für den Laserstrahl verfügbar ist, kann ein kugelsegmentartig aufgeweiteter Laserstrahl mit Öffnungswinkeln grösser als 80° zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten eingesetzt werden. The reflector element is formed in a preferred embodiment as a rotationally symmetrical body or as a section of a rotationally symmetrical body. The geometry of the reflector element of the target device decides whether the device can be used to determine two- or three-dimensional location coordinates. For two-dimensional measurements, circular cylinders or circular cylindrical sections are suitable as a reflector element and for three-dimensional measurements, spheres or spherical sections are suitable. A rotationally symmetrical body has the advantage that the distance from the surface to the center is identical from all directions. The location coordinates of the target object lie on the cylinder axis of the circular cylinder or in the center of the sphere. The radius of the circular cylinder or the ball is stored in the control device or is entered by the operator into the control device. For the calculation of the spatial coordinates, the radius of the target device is added to the measured distance of the laser distance measuring device and to the image coordinates of the light reflection. In a first variant, the laser distance measuring device has a beam-shaping optical system which expands the laser beam with an opening angle greater than 80 °. In this case, the widening of the laser beam in a direction perpendicular to the propagation direction or in two directions perpendicular to the propagation direction of the laser beam can take place. The expansion in one direction produces a line beam suitable for the determination of two-dimensional position coordinates, and the two-way expansion generates a spherical segment-expanded laser beam for the determination of three-dimensional location coordinates. The widening of the laser beam by a beam shaping optics offers the possibility of using a stationary laser distance measuring device. The measuring device with the laser distance measuring device is arranged outside the measuring area or at the edge of the measuring area and aligned so that the expanded laser beam can cover the entire measuring area. The widening of the laser beam with an aperture angle greater than 80 ° is particularly suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates. If the laser beam is widened in a spherical segment in two perpendicular directions by an opening angle greater than 80 °, there is a risk in the case of a limited power of the laser beam that the power density of the receiving beam is too low for the evaluation. If sufficient power is available for the laser beam, a spherical segmented laser beam with aperture angles greater than 80 ° can be used to determine three-dimensional location coordinates.
Unter dem Begriff "Strahlformungsoptik" werden sämtliche strahlformenden optischen Elemente, die einen Laserstrahl aufweiten, kollimieren oder fokussieren, zusammengefasst. Die Strahlformungsoptik kann aus einem optischen Element, in das eine oder mehrere optische Funktionen integriert sind, oder aus mehreren nacheinander angeordneten optischen Elementen bestehen. Als Strahlformungsoptiken zur Aufweitung eines Laserstrahls eignen sich Zylinderlinsen, Kegelspiegel und ähnliche optische Elemente. The term "beam-shaping optical system" encompasses all beam-shaping optical elements which expand, collimate or focus a laser beam. The beam shaping optics can consist of an optical element, in which one or more optical functions are integrated, or of a plurality of successively arranged optical elements. Cylindrical lenses, cone mirrors and similar optical elements are suitable as beam shaping optics for expanding a laser beam.
Besonders bevorzugt weitet die Strahlformungsoptik den Laserstrahl in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Messebene auf. Dabei kollimiert oder fokussiert die Strahlformungsoptik den Laserstrahl besonders bevorzugt in einer zur Messebene im Wesentlichen senkrechten Richtung. Diese Strahlformungsoptik eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten und hat den Vorteil, dass die verfügbare Leistung des Laserstrahls optimal genutzt wird. Bei der Bestimmung von zweidimensionalen Ortskoordina- ten in der Messebene ist in der zur Messebene senkrechten Richtung keine Aufweitung der Laserstrahlen erforderlich. Die begrenzte Leistung des Laserstrahls wird in der Messebene verteilt. Particularly preferably, the beam-shaping optical system expands the laser beam in a direction substantially parallel to the measurement plane. In this case, the beam-shaping optical system collimates or focuses the laser beam particularly preferably in a direction substantially perpendicular to the measurement plane. This beam-shaping optical system is particularly suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates and has the advantage that the available power of the laser beam is used optimally. When determining two-dimensional position coordinates in the measuring plane, no widening of the laser beams is required in the direction perpendicular to the measuring plane. The limited power of the laser beam is distributed in the measuring plane.
In einer zweiten Variante weist die Laserdistanzmesseinnchtung eine Motoreinheit auf, wobei die Motoreinheit den Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um ei- nen Drehpunkt schwenkt. Die Drehung der Laserstrahlen bietet sich an, wenn die Leistungsdichte der Laserstrahlen nach der Aufweitung zu gering ist, um einen für die Laserdistanzmessung ausreichend starken Empfangsstrahl zu erhalten. Die Drehung des Laserstrahls um die zur Messebene senkrechte Drehachse kann als rotierende, scannende oder trackende Bewegung ausgeführt werden. Dabei wird der Laserstrahl bei der rotierenden Bewegung kontinuierlich um die Drehachse gedreht, bei der scannenden Bewegung um die Drehachse periodisch hin und her bewegt und bei der trackenden Bewegung folgt der Laserstrahl der Zieleinrichtung. Die Drehung des Laserstrahls um einen Drehpunkt ist für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten vorgesehen und wird bevorzugt mit einer Trackingeinrich- tung, die die bewegte Zieleinrichtung verfolgt, eingesetzt. Die Motoreinheit der zweiten Variante kann mit einer Strahlformungsoptik, die den Laserstrahl kollimiert oder fokussiert, kom- biniert werden. In a second variant, the laser distance measuring device has a motor unit, wherein the motor unit pivots the laser beam about an axis of rotation perpendicular to the measuring plane or about a pivot point. The rotation of the laser beams is useful if the power density of the laser beams after the expansion is too small to obtain a sufficiently strong reception beam for the laser distance measurement. The rotation of the laser beam about the axis of rotation perpendicular to the measuring plane can be carried out as a rotating, scanning or tracking movement. In this case, the laser beam is rotated continuously during the rotating movement about the axis of rotation, periodically in the scanning movement about the axis of rotation back and forth and in the tracking motion follows the laser beam of Aiming device. The rotation of the laser beam about a pivot point is provided for the determination of three-dimensional location coordinates and is preferably used with a tracking device that tracks the moving target device. The motor unit of the second variant can be combined with beam shaping optics which collimate or focus the laser beam.
In einer dritten Variante weist die Laserdistanzmesseinrichtung eine Strahlformungsoptik und eine Motoreinheit aufweist, wobei die Strahlformungsoptik den Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel bis 10° aufweitet und die Motoreinheit den Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Aufweitung des Laserstrahls und die Drehung um eine Drehachse (zweidimensional) oder einen Drehpunkt (dreidimensional) lassen sich kombinieren. Der Laserstrahl wird von einer Strahlformungsoptik bis zu 10° aufgeweitet und der aufgeweitete Laserstrahl wird von einer Motoreinheit um eine Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Kombination von Strahlaufweitung und Drehung ermöglicht die Detektion eines Empfangsstrahls mit einer ausreichend starken Leistungsdichte für die Auswertung des Lichtreflexes. Die Aufweitung des Laserstrahls kann in einer oder zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erfolgen. Die Drehung des Laserstrahls kann als rotierende, scannende oder trackende Bewegung ausgeführt werden. In a third variant, the laser distance measuring device has beam shaping optics and a motor unit, wherein the beam shaping optics expands the laser beam with an opening angle of up to 10 ° and the motor unit moves the laser beam about a rotation axis perpendicular to the measurement plane or about a pivot point. The expansion of the laser beam and the rotation about a rotation axis (two-dimensional) or a fulcrum (three-dimensional) can be combined. The laser beam is expanded by a beam shaping optics up to 10 ° and the expanded laser beam is moved by a motor unit about an axis of rotation or about a pivot point. The combination of beam expansion and rotation allows the detection of a receive beam with a sufficiently high power density for the evaluation of the light reflection. The widening of the laser beam can take place in one or two directions perpendicular to the propagation direction of the laser beam. The rotation of the laser beam can be performed as a rotating, scanning or tracking movement.
In einer ersten bevorzugten Ausführung ist die Zieleinrichtung der erfindungsgemäßen Vor- richtung an einem handgeführten Werkzeuggerät angebracht. Während der Bearbeitung mit dem handgeführten Werkzeuggerät können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die aktuellen Ortskoordinaten des Werkzeuggerätes ermittelt werden. In a first preferred embodiment, the aiming device of the device according to the invention is attached to a hand-held tool device. During processing with the hand-held tool device, the current location coordinates of the tool device can be determined with the device according to the invention.
Ausführungsbeispiele embodiments
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrie- ben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematischer und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfin- dung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei gegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet. Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. This is not necessarily to scale the embodiments, but the drawing, where appropriate for explanation, executed in a schematic and / or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings directly recognizable from the drawing reference is made to the relevant prior art. It should be noted that various modifications and changes may be made in the form and detail of an embodiment without departing from the general idea of the invention. The disclosed in the description, the drawings and the claims features of the invention may be essential both individually and in any combination for the development of the invention. In addition, all combinations of at least two of the features disclosed in the description, the drawings and / or the claims fall within the scope of the invention. The general idea of the invention The invention is not limited to the exact form or detail of the preferred embodiment shown and described below or limited to an article that would be limited in comparison with the subject matter claimed in the claims. For given design ranges, values lying within the specified limits should also be disclosed as limit values and be arbitrarily usable and claimable. For simplicity, the same reference numerals are used below for identical or similar parts or parts with identical or similar function.
Es zeigen: Show it:
FIG. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten ei- nes Zielobjektes in einer Messebene bestehend aus einer Zieleinrichtung, einer Laserdistanzmesseinrichtung, einer Kameraeinrichtung, einer Referenzeinrichtung, einer Kontrolleinrichtung und einem Handteil; FIG. 1 shows a device according to the invention for determining the location coordinates of a target object in a measuring plane, comprising a target device, a laser distance measuring device, a camera device, a reference device, a control device and a handset;
FIG. 2 die Vorrichtung der FIG. 1 mit der Laserdistanzmesseinrichtung, der Kameraeinrichtung und der Kontrolleinrichtung in Form eines Blockdiagramms; und FIG. 3 ein mit der Kameraeinrichtung aufgenommenes Bild der Zieleinrichtung mit einem reflektierten Laserstrahl als Lichtreflex, der zur Bestimmung der Ortskoordinaten des Zielobjektes ausgewertet wird. FIG. 2 shows the device of FIG. 1 with the laser distance measuring device, the camera device and the control device in the form of a block diagram; and FIG. FIG. 3 shows an image of the aiming device taken with the camera device with a reflected laser beam as the light reflex, which is evaluated for determining the location coordinates of the target object.
FIG. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Bestimmen der Ortskoordinaten XM, YM eines Zielobjektes 11 in einem Messgebiet 12. Das Messgebiet 12 ist als Fläche ausge- bildet und die Ortskoordinaten XM, YM des Zielobjektes 1 1 sind zweidimensional. FIG. 1 zeigt die wesentlichen Komponenten der Vorrichtung 10 in einer schematischen Darstellung. FIG. 1 shows an apparatus 10 according to the invention for determining the location coordinates X M , Y M of a target object 11 in a measurement area 12. The measurement area 12 is designed as area and the location coordinates X M , YM of the target object 1 1 are two-dimensional. FIG. 1 shows the essential components of the device 10 in a schematic representation.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Zieleinrichtung 13, eine Laserdistanzmesseinrichtung 14, eine Kameraeinrichtung 15, eine Referenzeinrichtung 16, eine Kontrolleinrichtung 17 und ein Handteil 18. Alternativ zur in FIG. 1 gezeigten Trennung von Zieleinrichtung 13 und Handteil 16 kann die Zieleinrichtung in das Handteil integriert sein. Die Laserdistanzmesseinrichtung 14, die Kameraeinrichtung 15, die Referenzeinrichtung 16 und die Kontrolleinrichtung 17 sind in ein Messgerät 19 integriert, das in der in FIG. 1 dargestellten Ausführung auf einem Geräteständer 20 angebracht ist. Das Handteil 18 weist ein Kontrollelement 21 , eine Anzeigeeinrichtung 22 mit einem Display 23 sowie eine Bedienungseinrichtung 24 auf. Alternativ zur Anordnung im Messgerät 19 kann die Kontrolleinrichtung 17 im Handteil 18 angeordnet sein. Das Messgerät 19 und das Handteil 18 sind über eine kabellose Kommunikationsverbindung 25 miteinander verbunden. Die Referenzeinrichtung 16 umfasst eine erste und zweite Achse 26, 27, die senkrecht zueinander angeordnet sind und sich in einem Schnittpunkt 28 schneiden. Die erste und zweite Achse 26, 27 spannen ein internes Koordinatensystem auf. Ein dritte Achse 29 des Koordinatensystems verläuft senkrecht zur ersten und zweiten Achse 26, 27 durch den Schnitt- punkt 28 der beiden Achsen 26, 27. Die erste und zweite Achse 26, 27 spannen eine Bildebene der Kameraeinrichtung 15 auf und die Blickrichtung der Kameraeinrichtung 15 verläuft parallel zur dritten Achse 29. The apparatus 10 comprises a sighting device 13, a laser distance measuring device 14, a camera device 15, a reference device 16, a control device 17 and a handpiece 18. Alternatively to the device shown in FIG. 1 shown separation of target device 13 and handle 16, the target device may be integrated into the handle. The laser distance measuring device 14, the camera device 15, the reference device 16 and the control device 17 are integrated in a measuring device 19, which in the in FIG. 1 illustrated embodiment is mounted on a device stand 20. The handpiece 18 has a control element 21, a display device 22 with a display 23 and an operating device 24. As an alternative to the arrangement in the measuring device 19, the control device 17 may be arranged in the handpiece 18. The measuring device 19 and the handle 18 are connected to each other via a wireless communication link 25. The reference device 16 comprises a first and second axis 26, 27, which are arranged perpendicular to each other and intersect at an intersection point 28. The first and second axes 26, 27 span an internal coordinate system. A third axis 29 of the coordinate system runs perpendicular to the first and second axes 26, 27 through the intersection 28 of the two axes 26, 27. The first and second axes 26, 27 span an image plane of the camera device 15 and the viewing direction of the camera device 15 runs parallel to the third axis 29.
Die Position des Zielobjektes 1 1 in der Messebene 12 wird mit Hilfe der Zieleinrichtung 13 markiert. Die Zieleinrichtung 13 weist ein Reflektorelement 31 zum teilweisen Reflektieren eines Laserstrahls der Laserdistanzmesseinrichtung 14 auf. Das Reflektorelement 31 ist in der in FIG. 1 gezeigten Ausführung als Kreiszylinder ausgebildet und die Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 liegen auf der Zylinderachse 32 des Reflektorelementes 31 . Für die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist wichtig, dass die Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 , die im Mittelpunkt angeordnet sind, zu jedem Punkt auf der Oberfläche den gleichen Abstand aufweisen. Diese Bedingung ist in der Ebene durch einen Kreis bzw. einen Kreisabschnitt erfüllt. Der Abstand von der Oberfläche des Reflektorelementes 31 zum Zielobjekt 1 1 ist in der Kontrolleinrichtung 17 gespeichert oder wird vom Bediener in die Kontrolleinrichtung 1 7 eingegeben. Das Reflektorelement 31 kann an einer Messlatte 33 befestigt sein und wird vom Bediener am Zielobjekt 1 1 positioniert. Um die Zylinderachse 32 des Reflektorelementes 31 senkrecht zur Messebene 12 auszurichten, kann eine Nivelliereinrichtung, beispielsweise in Form einer Libelle oder eines anderen Neigungssensors, in die Messlatte 33 integriert sein. Alternativ zur Messlatte 33 kann die Zieleinrichtung 13 an einer Wand oder einer Decke befestigt sein, auf einen Boden gestellt werden oder beispielsweise an einem Fahrzeug oder einem Werkzeuggerät befestigt sein. Die zweidimensionalen Ortskoordinaten XM, YM des Zielobjektes 1 1 werden aus der Distanz D zwischen der Laserdistanzmesseinrichtung 14 und dem Zielobjekt 1 1 sowie einer Bildkoordinate des reflektierten Laserstrahls im Bild der Kameraeinrichtung 15 bestimmt. Die Zieleinrichtung 13 wird in der Messebene 12 am Zielobjekt 1 1 positioniert. Dabei wird sichergestellt, dass die Zylinderachse 32 des Reflektorelementes 31 senkrecht zur Messebene 12 ausgerichtet ist. Wenn die Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 in einem externen Koordinatensystem bestimmt werden sollen, das von dem internen Koordinatensystem 26, 27 des Messgerätes 19 abweicht, werden die Koordinatensysteme übereinander gelegt oder die Verschiebung und/oder Verdrehung werden bestimmt und am Messgerät 19 manuell eingegeben oder automatisch an die Kontrolleinrichtung 17 übermittelt . Die Achsen 26, 27, 29 des Messgerätes 19 werden beispielsweise parallel zu den Koordinatenachsen des externen Koordinatensystems ausgerichtet. Nach der Ausrichtung des Koordinatensystems kann die Messung durchgeführt werden, der Bediener startet die Messung über einen Startknopf oder einen Startbefehl am Handteil 18. The position of the target object 1 1 in the measurement plane 12 is marked by means of the target device 13. The aiming device 13 has a reflector element 31 for partially reflecting a laser beam of the laser distance measuring device 14. The reflector element 31 is in the in FIG. 1 embodiment designed as a circular cylinder and the spatial coordinates of the target object 1 1 lie on the cylinder axis 32 of the reflector element 31st For the device 10 according to the invention, it is important that the spatial coordinates of the target object 1 1, which are arranged in the center, have the same distance to each point on the surface. This condition is fulfilled in the plane by a circle or a circle section. The distance from the surface of the reflector element 31 to the target object 1 1 is stored in the control device 17 or is entered by the operator into the control device 1 7. The reflector element 31 can be attached to a staff 33 and is positioned by the operator on the target object 1 1. In order to align the cylinder axis 32 of the reflector element 31 perpendicular to the measuring plane 12, a leveling device, for example in the form of a dragonfly or another inclination sensor, may be integrated into the measuring rod 33. As an alternative to the yardstick 33, the target device 13 may be attached to a wall or a ceiling, placed on a floor, or fastened to, for example, a vehicle or a tool device. The two-dimensional spatial coordinates X M , Y M of the target object 1 1 are determined from the distance D between the laser distance measuring device 14 and the target object 1 1 and an image coordinate of the reflected laser beam in the image of the camera device 15. The target device 13 is positioned in the measurement plane 12 on the target object 1 1. In this case, it is ensured that the cylinder axis 32 of the reflector element 31 is aligned perpendicular to the measuring plane 12. If the location coordinates of the target object 1 1 are to be determined in an external coordinate system that deviates from the internal coordinate system 26, 27 of the measuring device 19, the coordinate systems are superimposed or the displacement and / or rotation are determined and entered manually or automatically on the measuring device 19 transmitted to the control device 17. The axes 26, 27, 29 of the measuring device 19 are aligned, for example, parallel to the coordinate axes of the external coordinate system. After aligning the coordinate system, the Measurement, the operator starts the measurement via a start button or a start command on the handset 18.
Neben der Bestimmung von Ortskoordinaten eines vorhandenen Zielobjektes kann die Vorrichtung 10 auch zum Auffinden von Ortskoordinaten verwendet werden. Dazu führt der Be- nutzer ein mit einer Messspitze oder ähnlichem ausgestattetes Reflektorelement, das auch im Handteil integriert sein kann, über eine Messfläche und sucht vorgegebene Ortskoordinaten. Die Ortskoordinaten können im Handteil manuell eingegeben werden oder sie werden über eine Kommunikationsverbindung von einem anderen Gerät an die Vorrichtung übermittelt. FIG. 2 zeigt die wesentlichen Komponenten des Messgerätes 19 und ihr Zusammenspiel bei der Bestimmung der Ortskoordinaten des Zielobjektes 11 in Form eines Blockdiagramms. Im Messgerät 19 befinden sich Laserdistanzmesseinrichtung 14, die Kameraeinrichtung 15 und die Kontrolleinrichtung 17. In addition to the determination of location coordinates of an existing target object, the device 10 can also be used for finding location coordinates. For this purpose, the user guides a reflector element equipped with a measuring tip or the like, which can also be integrated in the handpiece, over a measuring surface and searches for predetermined location coordinates. The location coordinates can be entered manually in the handset or they are transmitted via a communication link from another device to the device. FIG. 2 shows the essential components of the measuring device 19 and their interaction in the determination of the location coordinates of the target object 11 in the form of a block diagram. In the measuring device 19 are laser distance measuring device 14, the camera device 15 and the control device 17th
Die Laserdistanzmesseinrichtung 14 weist einen koaxialen Aufbau auf und umfasst ein als Laserdiode ausgebildetes Sendeelement 41 , ein als Fotodetektor ausgebildetes Empfangselement 42, eine Strahlteilungsoptik 43, eine Strahlformungsoptik 44 und ein Kontrollelement 45. Die Laserdiode 41 sendet einen Laserstrahl 46 aus, der auf die Zieleinrichtung 13 gerichtet ist. Ein am Reflektorelement 31 der Zieleinrichtung 13 zumindest teilweise reflektierter Laserstrahl wird als Empfangsstrahl 47 vom Fotodetektor 42 detektiert. Das Kon- trollelement 45 ist mit der Laserdiode 41 und dem Fotodetektor 42 verbunden. Bei dem in FIG. 2 dargestellten koaxialen Aufbau der Laserdistanzmesseinrichtung 14 wird der von der Laserdiode 41 ausgesandte Laserstrahl 46 mit Hilfe der Strahlteilungsoptik 43 räumlich vom Empfangsstrahl 47 getrennt. Statt einer koaxialen Laserdistanzmesseinrichtung kann eine biaxiale Laserdistanzmesseinrichtung, bei der der ausgesandte Laserstrahl und der Emp- fangsstrahl parallel versetzt sind, eingesetzt werden. The laser distance measuring device 14 has a coaxial construction and comprises a transmitting element 41 designed as a laser diode, a receiving element 42 designed as a photodetector, a beam splitting optics 43, a beam shaping optics 44 and a control element 45. The laser diode 41 emits a laser beam 46 which is incident on the target device 13 is directed. A laser beam at least partially reflected at the reflector element 31 of the target device 13 is detected as a receive beam 47 by the photodetector 42. The control element 45 is connected to the laser diode 41 and the photodetector 42. In the case of FIG. 2, the laser beam 46 emitted by the laser diode 41 is spatially separated from the receiving beam 47 with the aid of the beam splitting optical system 43. Instead of a coaxial laser distance measuring device, a biaxial laser distance measuring device in which the emitted laser beam and the reception beam are offset in parallel can be used.
Die Strahlformungsoptik 44 kann als einzelnes optisches Element oder als System aus mehreren optischen Elementen ausgebildet sein und formt sowohl den Laserstrahl 46 als auch den Empfangsstrahl 47. Im Unterschied zu bekannten Laserdistanzmesseinrichtungen, die einen fokussierten punktförmigen Laserstrahl verwenden, ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 erforderlich, dass der Laserstrahl 46 einen größeren Winkelbereich erfasst. Dies kann durch eine Aufweitung des Laserstrahls 46 in der Messebene 12 und/oder durch eine Drehung des Laserstrahls 46 um eine Drehachse senkrecht zur Messebene 12 erzielt werden. FIG. 2 zeigt eine Laserdistanzmesseinrichtung 14, bei der der Laserstrahl 46 mittels einer geeigneten Strahlformungsoptik 44 aufgeweitet wird. Als Strahlformungsoptiken 44 zur Aufweitung eignen sich unter anderem Zylinderlinsen und Kegeloptiken. Die Kameraeinrichtung 15 ist beispielsweise als CCD-Kamera ausgebildet und umfasst eine Empfangseinrichtung 48 und ein Kontrollelement 49 zur Steuerung der Kameraeinrichtung 15 und zur Auswertung der aufgenommenen Bilder. Zum Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten ist eine Reihe von Pixeln erforderlich, die in der Messebene 12 angeordnet sind. Bei dreidimensionalen Ortskoordinaten weist die Kameraeinrichtung 15 mehrere Reihen von Pixeln auf. The beam shaping optics 44 may be formed as a single optical element or as a system of multiple optical elements and shape both the laser beam 46 and the receive beam 47. Unlike known laser distance measuring devices using a focused point laser beam, the device 10 of the present invention is required in that the laser beam 46 detects a larger angular range. This can be achieved by widening the laser beam 46 in the measurement plane 12 and / or by rotating the laser beam 46 about an axis of rotation perpendicular to the measurement plane 12. FIG. FIG. 2 shows a laser distance measuring device 14, in which the laser beam 46 is widened by means of a suitable beam shaping optics 44. Cylindrical lenses and cone optics are suitable as beam-shaping optics 44 for widening. The camera device 15 is designed for example as a CCD camera and comprises a receiving device 48 and a control element 49 for controlling the camera device 15 and for evaluating the recorded images. To determine two-dimensional location coordinates, a series of pixels arranged in the measurement plane 12 is required. For three-dimensional spatial coordinates, the camera device 15 has a plurality of rows of pixels.
Die Kontrolleinrichtung 17 steuert das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten des Zielobjektes 11 mittels der Laserdistanzmesseinnchtung 14 und der Kameraeinrichtung 15. Die Kontrolleinrichtung 17 umfasst ein Steuerelement 51 zum Steu- ern der Laserdistanzmesseinnchtung 14 und der Kameraeinrichtung 15 sowie ein Auswerteelement 52 zum Berechnen der Ortskoordinaten XM, YM des Zielobjektes 1 1. The control device 17 controls the method according to the invention for determining the location coordinates of the target object 11 by means of the laser distance measuring device 14 and the camera device 15. The control device 17 comprises a control element 51 for controlling the laser distance measuring device 14 and the camera device 15 as well as an evaluation element 52 for calculating the position coordinates X M , YM of the target object 1 1.
Bei dem in FIG. 2 dargestellten Aufbau der Laserdistanzmesseinnchtung 14 und der Kameraeinrichtung 15 weist die Laserdistanzmesseinnchtung 14 das Kontrollelement 45 und die Kameraeinrichtung 15 das Kontrollelement 49 auf. Die Kontrollelemente 45, 49 können als separate Kontrollelemente ausgebildet sein oder mit der Kontrolleinrichtung 17 in eine gemeinsame Kontrolleinrichtung integriert sein. Eine gemeinsame Kontrolleinrichtung bietet sich an, wenn die Kontrolleinrichtung 17 im Messgerät 19 angeordnet ist. Wenn die Kontrolleinrichtung 17 hingegen im Handteil 18 angeordnet ist, sind separate Kontrollelemente vorteilhaft, da die Rohdaten der Laserdistanzmesseinnchtung 14 und der Kameraeinrichtung 15 nicht über die Kommunikationsverbindung 25 an das Handteil 18 übertragen werden müssen. In the case of FIG. 2, the laser distance measuring device 14 and the camera device 15 have the laser distance measuring device 14 the control element 45 and the camera device 15 the control element 49. The control elements 45, 49 may be formed as separate control elements or be integrated with the control device 17 in a common control device. A common control device lends itself when the control device 17 is arranged in the measuring device 19. On the other hand, if the control device 17 is arranged in the handpiece 18, separate control elements are advantageous since the raw data of the laser distance measuring device 14 and the camera device 15 need not be transmitted to the handset 18 via the communication link 25.
Der Bediener startet die Bestimmung der Ortskoordinaten über einen Startbefehl am Handteil. Der Startbefehl wird vom Steuerelement 51 der Kontrolleinrichtung 17 in einen ersten Steuerbefehl an die Laserdistanzmesseinnchtung 14 und einen zweiten Steuerbefehl an die Kameraeinrichtung 15 umgesetzt. Aufgrund des ersten Steuerbefehls sendet das Sendeelement 41 der Laserdistanzmesseinnchtung 14 den Laserstrahl 46 aus, der auf das Reflektorelement 31 trifft und am Reflektorelement 31 teilweise reflektiert wird. Der reflektierte Anteil des Laserstrahls 46 trifft als Empfangsstrahl 47 auf das Empfangselement 42 der Laserdistanzmesseinnchtung 14. Das Kontrollelement 45 der Laserdistanzmesseinnchtung 14 be- stimmt aus dem Empfangsstrahl 47 und einem Referenzstrahl, der aus dem Laserstrahl 46 ausgekoppelt wurde, die Distanz zwischen der Laserdistanzmesseinnchtung 14 und dem Reflektorelement 31. Für die Distanz D zum Zielobjekt 11 wird der Radius R des kreiszylin- derförmigen Reflektorelementes 31 addiert. The operator starts the determination of the location coordinates via a start command on the handset. The start command is converted by the control element 51 of the control device 17 into a first control command to the laser distance measuring device 14 and a second control command to the camera device 15. On the basis of the first control command, the transmitting element 41 of the laser distance measuring device 14 emits the laser beam 46, which strikes the reflector element 31 and is partially reflected at the reflector element 31. The reflected portion of the laser beam 46 impinges on the receiving element 42 of the laser distance measuring device 14 as a receiving beam 47. The control element 45 of the laser distance measuring device 14 determines the distance between the laser distance measuring device 14 and the reference beam 47 and a reference beam which has been coupled out of the laser beam 46 the reflector element 31. For the distance D to the target object 11, the radius R of the kreiszylin- derförmigen reflector element 31 is added.
Aufgrund des zweiten Steuerbefehls nimmt die Kameraeinrichtung 15 eine Folge von Bildern der Zieleinrichtung 13 auf. Die Bilder der Kameraeinrichtung 15 werden mit Hilfe bekannter Bildverarbeitungstechniken ausgewertet. Der am Reflektorelement 31 teilweise reflektierte Laserstrahl 46 ist in mindestens einem Bild der Zieleinrichtung 13 als Lichtreflex sichtbar. Das Kontrollelement 52 der Kameraeinrichtung 15 bestimmt mit Hilfe bekannter Bildverarbeitungstechniken das Bild der Zieleinrichtung 13, das den stärksten Lichtreflex aufweist. Alter- nativ zum Bild mit dem stärksten Lichtreflex können mehrere Bilder, in denen ein Lichtreflex sichtbar ist, gemittelt werden. Due to the second control command, the camera device 15 records a sequence of images of the target device 13. The images of the camera device 15 are using known Image processing techniques evaluated. The laser beam 46 partially reflected at the reflector element 31 is visible in at least one image of the target device 13 as a light reflection. The control element 52 of the camera device 15 determines, with the aid of known image processing techniques, the image of the target device 13 which has the strongest light reflection. As an alternative to the image with the strongest light reflex, several images in which a light reflex is visible can be averaged.
FIG. 3 zeigt ein Bild 61 der Zieleinrichtung 13 mit einem Lichtreflex 62, der für die Bestimmung der Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 ausgewertet wird. Das Bild 61 besteht aus einem Array von Pixeln, die in Reihen und Spalten angeordnet sind, wobei die Anzahl der Pi- xel durch die Auflösung der Kameraeinrichtung 15 festgelegt ist. FIG. FIG. 3 shows an image 61 of the target device 13 with a light reflection 62, which is evaluated for the determination of the location coordinates of the target object 11. The image 61 consists of an array of pixels arranged in rows and columns, the number of pixels being determined by the resolution of the camera device 15.
Im Bild 61 der Zieleinrichtung 13 wird mit Hilfe bekannter Bildverarbeitungstechniken vom Kontrollelement 49 der Kameraeinrichtung 15 ein Schwerpunkt 63 des Lichtreflexes 62 bestimmt. Der Schwerpunkt 63 des Lichtreflexes 62 weist im internen Koordinatensystem 26, 27 der Kameraeinrichtung 15 eine erste Bildkoordinate Xs und eine zweite Bildkoordinate Ys auf. Aus den Bildkoordinaten Xs, Ys des Schwerpunktes 63 des Lichtreflexes 62 wird mit einer Brennweite f der Kameraeinrichtung 15 ein erster Abstand c und ein zweiter Abstand d2 berechnet. In the image 61 of the target device 13, a center of gravity 63 of the light reflection 62 is determined by means of known image processing techniques by the control element 49 of the camera device 15. The center of gravity 63 of the light reflection 62 has, in the internal coordinate system 26, 27 of the camera device 15, a first image coordinate X s and a second image coordinate Y s . From the image coordinates X s , Ys of the center of gravity 63 of the light reflection 62, a first distance c and a second distance d 2 are calculated with a focal length f of the camera device 15.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) eines Zielobjektes (11 ) in einem Messgebiet (12) in mindestens zwei Dimensionen (X, Y, Z), mit den Schritten: A method of determining the location coordinates (XM, YM, Z m ) of a target object (11) in a measurement area (12) in at least two dimensions (X, Y, Z), comprising the steps of:
■ eine Zieleinrichtung (13) mit einem Reflektorelement (31 ) wird am Zielobjekt (1 1 ) po- sitioniert, ■ a target device (13) with a reflector element (31) is positioned on the target object (1 1),
■ ein Laserstrahl (46) wird von einem Sendeelement (41 ) einer Laserdistanzmessein- richtung (14) auf die Zieleinrichtung (13) ausgesandt, ■ a laser beam (46) from a transmitting element (41) of a Laserdistanzmessein- direction (14) to the target device (13) sent,
■ zumindest ein Teil des Laserstrahls (46) wird am Reflektorelement (31 ) teilweise reflektiert, At least a part of the laser beam (46) is partially reflected at the reflector element (31),
» ein Bild (61) der Zieleinrichtung (13) mit dem zumindest teilweise reflektierten Laserstrahl (46) als Lichtreflex (62) wird von einer Kameraeinrichtung (15) aufgenommen, »An image (61) of the target device (13) with the at least partially reflected laser beam (46) as a light reflex (62) is recorded by a camera device (15),
■ im Bild (61) der Zieleinrichtung (13) wird ein Schwerpunkt (63) des Lichtreflexes (62) bestimmt, ■ in the image (61) of the target device (13), a center of gravity (63) of the light reflection (62) is determined,
■ der am Reflektorelement (31) zumindest teilweise reflektierte Laserstrahl (46) wird als Empfangsstrahl (47) von einem Empfangselement (42) der Laserdistanzmesseinrich- tung (14) empfangen, The laser beam (46) at least partially reflected at the reflector element (31) is received as a receive beam (47) by a receiving element (42) of the laser distance measuring device (14),
■ aus dem Empfangsstrahl (47) wird eine Distanz (D) zum Zielobjekt (11) berechnet, ■ from the receiving beam (47) a distance (D) to the target object (11) is calculated,
■ aus einer Brennweite (f) der Kameraeinrichtung (15), der berechneten Distanz (D) zum Zielobjekt (11) und einer ersten Bildkoordinate (XS) des Schwerpunktes (63) des Lichtreflexes (62) wird ein erster Abstand (di) berechnet, und ■ From a focal length (f) of the camera device (15), the calculated distance (D) to the target object (11) and a first image coordinate (X S ) of the center of gravity (63) of the light reflection (62), a first distance (di) is calculated , and
■ die Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) des Zielobjektes (1 1 ) werden aus der Distanz (D) und dem ersten Abstand (di) berechnet. ■ the spatial coordinates (X M , YM, Z m ) of the target object (1 1) are calculated from the distance (D) and the first distance (di).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus der Brennweite (f) der Kameraeinrichtung (15), der berechneten Distanz (D) zum Zielobjekt (11) und einer zwei- ten Bildkoordinate (YS) des Schwerpunktes (63) des Lichtreflexes (62) ein zweiter Abstand (d2) berechnet wird und die Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) des Zielobjektes (11) zusätzlich aus dem zweiten Abstand (d2) berechnet werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that from the focal length (f) of the camera device (15), the calculated distance (D) to the target object (11) and a second image coordinate (Y S ) of the center of gravity (63) of Light Reflection (62) a second distance (d 2 ) is calculated and the spatial coordinates (X M , YM, Z m ) of the target object (11) are additionally calculated from the second distance (d 2 ).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folge von Bildern der Zieleinrichtung (13) mit der Kameraeinrichtung (15) aufgenommen wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Bild (61) der Zieleinrichtung (13) mit dem Lichtreflex (62) aus der Folge der mit der Kameraeinrichtung (15) aufgenommenen Bilder das Bild mit dem stärksten Lichtreflex bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild (61 ) der Zieleinrichtung (13) mit dem Lichtreflex (62) durch Mittelung über mehrere Bilder aus der Folge der mit der Kameraeinrichtung (15) aufgenommenen Bilder bestimmt wird. 3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that a sequence of images of the target device (13) with the camera device (15) is received. 4. The method according to claim 3, characterized in that as image (61) of the target device (13) with the light reflection (62) from the sequence of the camera device (15) recorded images, the image with the strongest light reflection is determined. A method according to claim 3, characterized in that the image (61) of the target device (13) with the light reflex (62) is determined by averaging over a plurality of images from the sequence of images taken with the camera device (15).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Bilder der Zieleinrichtung (13) mit der Kameraeinrichtung (15) und die Distanzmessung zur Zieleinrichtung (13) mit der Laserdistanzmesseinnchtung (14) gleichzeitig von einer Kontrolleinrichtung (17) gestartet werden. Method according to one of Claims 3 to 5, characterized in that the recording of the images of the target device (13) with the camera device (15) and the distance measurement to the target device (13) with the laser distance measuring device (14) are started simultaneously by a control device (17) become.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einem von der Laserdistanzmesseinnchtung (14) gemessenen Distanzwert von der Kontrolleinrichtung (17) ein mit der Kameraeinrichtung (15) aufgenommenes Bild der Zieleinrichtung (13) zugeordnet wird. A method according to claim 6, characterized in that one of the laser distance measurement (14) measured distance value of the control device (17) associated with the camera device (15) image of the target device (13) is assigned.
Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) eines Zielobjektes (1 1 ) in einem Messgebiet (12) in mindestens zwei Dimensionen (X, Y, Z) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend: Device (10) for determining the location coordinates (X M , Y M , Z m ) of a target object (1 1) in a measurement area (12) in at least two dimensions (X, Y, Z) for performing a method according to one of claims 1 to 7, comprising:
■ eine Zieleinrichtung (13) mit einem Reflektorelement (31 ), das die Ortskoordinaten (XM, YM, ZM) des Zielobjektes (1 1 ) festlegt, ■ a target device (13) having a reflector element (31) which determines the location coordinates (XM, YM, ZM) of the target object (1 1),
■ eine Laserdistanzmesseinnchtung (14) mit einem Sendeelement (41 ), das einen Laserstrahl (46) aussendet, einem Empfangselement (42), das einen vom Reflektorelement (31 ) zumindest teilweise reflektierten Laserstrahl (46) als Empfangsstrahl (47) empfängt, und einem Kontrollelement (45), A laser distance measuring device (14) having a transmitting element (41) which emits a laser beam (46), a receiving element (42) which receives a laser beam (46) at least partially reflected by the reflector element (31) as a receiving beam (47), and Control element (45),
■ eine Kameraeinrichtung (15) mit einer Empfangseinrichtung (48) und einem Kontrollelement (49), ■ a camera device (15) having a receiving device (48) and a control element (49),
■ eine Referenzeinrichtung (16) mit einer ersten Achse (26) und einer zweiten Achse (27), wobei die erste und zweite Achse (26, 27) senkrecht zueinander angeordnet sind und sich in einem Schnittpunkt (28) schneiden, und ■ a reference device (16) having a first axis (26) and a second axis (27), wherein the first and second axes (26, 27) are perpendicular to each other and intersect at an intersection (28), and
■ eine Kontrolleinrichtung (17) mit einem Steuerelement (51 ) zum Steuern der Laserdistanzmesseinnchtung (14) und der Kameraeinrichtung (15) sowie einem Auswerteelement (52) zum Berechnen der Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) des Zielobjektes (1 1 ). ■ a control device (17) with a control element (51) for controlling the laser distance measuring device (14) and the camera device (15) and an evaluation element (52) for calculating the position coordinates (X M , Y M , Z m ) of the target object (1 1) ,
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement als rotationssymmetrischer Körper (31 ) oder als Abschnitt eines rotationssymmetrischen Körpers ausgebildet ist. Apparatus according to claim 8, characterized in that the reflector element is designed as a rotationally symmetrical body (31) or as a section of a rotationally symmetrical body.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die La- serdistanzmesseinrichtung (14) eine Strahlformungsoptik (44) aufweist, die den Laserstrahl (46) mit einem Öffnungswinkel grösser als 80° aufweitet. 10. Device according to one of claims 8 to 9, characterized in that the laser distance measuring device (14) has a beam-shaping optical system (44) which widens the laser beam (46) with an opening angle greater than 80 °.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (44) den Laserstrahl (46) in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Messebene (12) aufweitet. 11. Device according to claim 10, characterized in that the beam shaping optics (44) expands the laser beam (46) in a direction substantially parallel to the measuring plane (12).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (44) den Laserstrahl (46) in einer zur Messebene (12) im Wesentlichen senkrechten Richtung kollimiert oder fokussiert. 12. The device according to claim 11, characterized in that the beam-shaping optical system (44) collimates or focuses the laser beam (46) in a direction substantially perpendicular to the measurement plane (12).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die La- serdistanzmesseinrichtung (14) eine Motoreinheit aufweist, wobei die Motoreinheit den Laserstrahl (46) um eine zur Messebene (12) senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt schwenkt. 13. Device according to one of claims 8 to 9, characterized in that the laser distance measuring device (14) comprises a motor unit, wherein the motor unit, the laser beam (46) about a plane perpendicular to the measuring plane (12) pivoting axis or about a pivot point.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die La- serdistanzmesseinrichtung (14) eine Strahlformungsoptik und eine Motoreinheit aufweist, wobei die Strahlformungsoptik den Laserstrahl (46) mit einem Öffnungswinkel bis 10° aufweitet und die Motoreinheit den Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. 14. Device according to one of claims 8 to 9, characterized in that the laser distance measuring device (14) comprises a beam shaping optics and a motor unit, wherein the beam shaping optics expands the laser beam (46) with an opening angle of up to 10 ° and the motor unit the laser beam a rotation axis perpendicular to the measuring plane or moved about a pivot point.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieleinrichtung an einem handgeführten Werkzeuggerät angebracht ist. 15. Device according to one of claims 8 to 14, characterized in that the target device is attached to a hand-held tool device.
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