NO174025B - System for punktvis maaling av romlige koordinater - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et opto-elektronisk system for punktvis måling av romlige koordinater.

Det nevnte system er basert på bruk av opto-elektroniske vinkelmålere kalibrert for måling av vinkler i to dimensjoner (romlig retning) til aktive lyskilder eller diffuse lysreflekser, eksempelvis som beskrevet i oppfinnerenes Norske Patent nr. 165046.

Ved den foreliggende oppfinnelse foreslås en systemløsning der bare én vinkelmåler benyttes sammen med måleverktøy som beskrevet i oppfinnerenes Norske

Patentsøknad nr. 901831 og Svensk Patent, Publiserings-nummer 456 454.

Med et system ifølge oppfinnelsen beskrevet i Norsk Patent 165046 tilsiktes at objekters posisjon, orientering og / eller overflategeometri kan registreres statisk eller dynamisk med høy presisjon, noe som i bare meget begrenset grad er mulig med tidligere berøringsfrie måleteknikker. Systemets fleksibilitet og flyttbarhet gjør det anvendbart for måleoppgaver som ikke kan løses med konvensjonelle mekaniske koordinatmålemaskiner. Disse er store og komplekse, kostbare, samt lite fleksible. Systemet er optimalisert for høy målenøyaktighet.

Siden én vinkelmåler i seg selv bare gir informasjon om retning til et punkt, benyttes konvensjonelt to eller flere vinkelmålere i kombinasjon. De romlige koordinatene for et punkt beregnes ved såkalt fremskjæringsteknikk. Med utgangspunkt i kjente koordinater for vinkelmålerene, samt de målte romlige retninger beregnes koordinatene for skjæringspunktet mellom siktelinjene fra de enkelte vinkelmålerene. For å oppnå optimal nøyaktighet i alle tre dimensjoner (x, y, z) skal, ved bruk av to vinkelmålere, skjæringsvinkelen være så nær opp til 90 grader som mulig. Dette gir strenge krav til sikt, ved at alle målepunkter må være direkte synlige fra minst to forskjellige retninger. I industrielle anvendelser kan dette ofte være et problem, i det måleobjektet ofte er helt eller delvis skjult av roboter eller annet produksjonsutstyr.

Ved den foreliggende videreutvikling foreslås et forenklet system basert på én vinkelmåler og et spesialkonstruert berøringsverktøy. Romlige koordinater kan bestemmes ved bare én vinkelmåler forutsatt at berøringsverktøyet er utstyrt med minimum tre målepunkter i kjent posisjon relativt til verktøyets berøringspunkt. Bruk av et berøringsverktøy eliminerer siktproblemene både ved at målepunktet i seg selv ikke må være synlig for vinkelmåleren, forutsatt at verktøyets målepunkter er synlige, og at problemene er redusert til krav om sikt til én vinkelmåler. Med dette oppnås forenklet oppstilling av vinkelmåler, økt tilgjengelighet i vanskelige områder, bedre transporterbarhet, samt økt målehastighet.

Et system basert på bare én vinkelmåler vil vanligvis ikke gi samme nøyaktighet i romlige koordinater som systemer basert på flere vinkelmålere av tilsvarende type. Særlige gjelder dette i vinkelmålerens dybderetning. Imidlertid finnes det en rekke geometrimåleoppgaver der kravene til fleksibilitet og hurtig måling er høyere enn kravene til nøyaktighet. Videre finnes en rekke industrielle måleproblemer som krever høy nøyaktighet i to dimensjoner, men mindre nøyaktighet i dybde, eksempelvis bestemmelse av rakhet og rundhet av en flykropp.

Norsk Patent nr. 165046 beskriver en helautomatisk og nøyaktig kalibrert vinkelmåler som angitt i figur 1. Denne er utviklet for å måle retning til punkter i form av aktive lyskilder eller punkter belyst av aktive lyskilder. Dette gir sikker identifikasjon av målepunktene, og muliggjør derfor helautomatisk bruk, samt at det gir et meget bra signal/støy-forhold, og derved bidrar til høy nøyaktighet.

Vinkelmåleren består i hovedsak av kamerahus 1, en linse-enhet 2, og en to-dimensjonal oppstilling (matrise) 3 av fotofølsomme elementer 5. Linse-enheten er et objektiv med standard, sfærisk optikk, med brennvidde hovedsakelig gitt av kravet til synsfelt. Linsens eventuelle anti-refleks belegg eller optiske filter må være tilpasset spektralfordelingen i de benyttede lyskilder. De fotofølsomme elementene er for eksempel av CCD (Charge Coupled Device) eller CID (Charge Injected Device) type. Kravene til høy nøyaktighet gjør at matriser med maksimal oppløsning vanligvis vil bli benyttet. Dersom systemets hurtighet er det primære, vil matriser med færre elementer benyttes. Høy nøyaktighet sikres videre ved bruk av nøyaktige prosedyrer for kalibre-ring av vinkelmåleren. Dette er beskrevet i Norsk Patent 165046.

Figur 2 viser prinsipp for måling av romlig retning. Vinkelmålerens helautomatiske funksjon er basert på bruk av aktive lyskilder, for eksempel lysemitterende dioder 6. Det lysende punkt 6 avbildes gjennom linsesystemet 2 til en lysende flekk 7 på matrisen av fotofølsomme elementer 3. Avbildningen gir en belysning av et antall elementer 5 med en intensitetsfordeling gitt av lyspunktets utbredelse, og av linsesystemets oppløsning. Lysflekkens posisjon på matrisen gir et entydig mål for den romlige retning til det avbildede lyspunkt. Den romlige retning angis i form av to vinkler a og /3. /3 fremkommer som vinkelen mellom den romlige retning og vinkelmålerens horisontale symmetriplan, a fremkommer som vinkelen mellom den optiske akse, og retningen til projeksjonen av lyspunktet ned i det horisontale symmetriplanet. Begge vinkelverdiene a og /3 er 0 på den optiske akse.

Ved den foreliggende oppfinnelse foreslås det å anvende én vinkelmåler i kombinasjon med et berøringsverktøy utstyrt med et minimum av tre lyskilder i kjente koordinater relativt til et lokalt verktøyfast koordinatsystem. I tillegg har berøringsverktøyet et berøringspunkt (referansepunkt) som eksempelvis kan være utformet som en spiss. Ved at dette punktets posisjon også er kjent relativt til det lokale koordinatsystem, kan posisjonen av berøringsverktøyet relateres til dette punktet.

Berøringsverktøyet vil i hovedsak fungere som beskrevet i Svensk Patent nr. 456 454, og vil kunne ha utskiftbare verktøy som beskrevet i Norsk Patentsøknad nr. 901831.

Figur 3 illustrerer et verktøy for bestemmelse av koordinater for et punkt. Verktøyet består av en kropp 8, tre lyskilder 9-11 og et spissformet berøringspunkt 12.

De for oppfinnelsen kjennetegnende trekk vil fremgå av de etterfølgende patentkrav, samt den etterfølgende beskrivelse av for oppfinnelsen ikke-begrensende eksempler, med henvisning til de vedlagte tegninger. Figur 4 illustrerer et system basert på én vinkelmåler og et berøringsverktøy.

Figur 5 illustrerer et berøringsverktøy med 5 lyskilder.

Figur 4 illustrerer et komplett system for punktvis koordinatmåling. Systemet består av en vinkelmåler 13, eksempelvis av samme type som beskrevet i Norsk Patent nr. 165046, et berøringsverktøy 14, en dataprosessor 15, og en operatørterminal 16. Ved en koordinatmåling bringes berøringsverktøyet i kontakt med objektet som skal måles, slik at dets berøringspunkt 12 berører det aktuelle punkt på objektet. Den romlige retning for hvert enkelt av verktøyets lyspunkt registreres av vinkelmåleren 13. Alle lyspunkter registreres simultant, slik at det for hver registrering vil finnes et antall intensitetsmaksima på målerenes oppstilling av fotofølsomme elementer svarende til antall lyskilder på berøringsverktøyet.

Systemets dataprosessor 15 står for innsamling av måledata fra vinkelmåleren, og behandling av disse. Databehandlingen består i hovedsak av: kontroll av avbildningstidspunkt og eksponeringstid for optimalisering av signal- / støy forhold,

identifikasjon av de enkelte lyskilder, dvs. hvilket punkt i bildet svarer til hvilken

lyskilde,

beregning av romlig retning for hver enkelt lyskilde, ut fra billedinformasjonen,

beregning av romlige koordinater for berøringsverktøyet.

Beregning av romlige koordinater for berøringsverktøyet er basert på at posisjonen av de enkelte lyskilder er kjent relativt til et verktøyfast, lokalt koordinatsystem. Beregningsprinsippet kan baseres på konvensjonell tilbakeskjæringsteknikk, eller på fotogrammetriske beregningsmetoder. Ved fotogrammetriteknikk betraktes projeksjonen av lyspunktene inn på vinkelmålerens matrise av fotosensitive elementer. Projeksjonen kan beskrives ved en rotasjons- og translasjonsmatrise som angir posisjon og orientering av berøringsverktøyet relativt til vinkelmåleren. Beregningen er basert på en minimalisering av feil (minste kvadraters metode), slik at redundant informasjon nyttiggjøres. Det nødvendige matematiske grunnlag finnes i H.M. Kamara (Ed.): Non-topographic photogrammetry. Second Edition, 1987, side 37-55.

I forbindelse med beregningen er det vesentlig å identifisere de enkelte lyskilder, det vil si: hvilken av de registrerte lyspunkter i bildet svarer til hvilken lyskilde. Dette er nødvendig av to grunner: for å koble de målte retninger for hvert lyspunkt til de korrekte lokale koordinater for punktet relativt til det verktøyfaste koordinatsystem, og for, dersom det er behov for å justere lysintensitet eller eksponeringstid for en av lyskildene, å vite hvilken dette er. Berøringsverktøyet skal holdes manuelt av en operatør. Det er derfor viktig at alle lyskilder avbildes simultant for å unngå feil som følge av bevegelser i verktøyet. Dette gjør at identifikasjon ved sekvensiell tenning av lyskildene ikke er anvendbart. Identifikasjonsprosedyren avhenger av hvordan berøringsverktøyet er utformet. Lyspunktene skal også kunne identifiseres dersom et eller flere mangler i bildet, eksempelvis dersom deler av verktøyet skjermes av objekter i synsfeltet.

For å oppnå optimal nøyaktighet er det viktig at signal- støy forholdet er så høyt som mulig. En metode for å oppnå dette er å koble berøringsverktøyets individuelle lyskilder til dataprosessoren på en slik måte at man på bakgrunn av målt lysintensitet for hver enkelt lyskilde kan justere eksponeringstid og / eller strømnivå inntil optimale forhold foreligger. Denne metoden gjør systemet svært fleksibelt med hensyn til tillatt avstand mellom vinkelmåler og berøringsverktøy.

Den generelle romlige belysning eller andre lyskilder i måleområdet kan gi vesentlige støybidrag til målingene. For å redusere dette bidraget kan man benytte lyskilder med en veldefinert spektralfordeling, og dertil utstyre vinkelmåleren med et optisk filter som fjerner alt lys utenfor denne fordeling.

Ved den beskrevne fremgangsmåte vil de beregnede koordinatene angis relativt til et koordinatsystem definert av vinkelmålerens posisjon og orientering. Målingene kan relateres til et hvilket som helst koordinatsystem, forutsatt at det finnes minst tre punkter med veldefinerte koordinater i dette koordinatsystemet. Innmåling av disse punktenes globale koordinater vil gi beregningsgrunnlag for å transformere alle målte koordinatverdier til det lokale koordinatsystem.

Dersom det her patentsøkte system benyttes i kombinasjon med et system basert på to vinkelmålere som beskrevet i Norsk Patent 165046, vil det være fordelaktig om man initielt plasserer ut et større antall hjelpereferansepunkter og ved hjelp av to vinkelmålere måler deres posisjon nøyaktig i forhold til et ønsket koordinatsystem. Deretter vil man med bare én vinkelmåler ta utgangspunkt i disse hjelpereferansepunktene for å relatere målingene til korrekt koordinatsystem.

Til dataprosessoren er koblet en operatørterminal 16 bestående av monitor og tastatur for operatørens kommunikasjon med systemet. Denne enheten brukes eksempelvis til fortløpende og endelig presentasjon av måleresultater.

Ved romlig koordinatbestemmelse med bare én vinkelmåler stilles strenge krav til utforming av berøringsverktøyet. Nøyaktigheten i de beregnede koordinater avhenger av berøringsverktøyets form og størrelse relativt til avstanden til vinkelmåleren, og utstrekningen av dennes synsfelt. Antall lyskilder må minimum være tre, men med dette antall kan man oppnå tvetydige løsninger og dårlig nøyaktighet. I figur 5 er foreslått et berøringsverktøy med 5 lyskilder, der tre av disse definerer et plan, og de øvrige to ligger i en avstand fra dette planet. En slik utforming gir vesentlig bedret målenøyaktighet, samt at identifikasjonen av de enkelte lyskilder er relativt enkel og sikker.

Det er foran antatt bruk av vinkelmålere som beskrevet i Norsk Patent 165046. Disse kan erstattes av andre type vinkelmålere, eksempelvis automatiske teodolitter. Teodolitter vil vanligvis ikke kunne registrere flere lyspunkter simultant, noe som medfører tidkrevende datainnsamling.

Med vinkelmålere skal her også forstås elektrooptiske målere basert på fotogrammet-risk teknikk. Innenfor fotogrammetri betraktes avbildningen av et punkt gjennom et linsesystems projeksjonssenter, og retningen angis i form av billedkoordinater for punktets avbildning i billedplanet. Kameraets indre orientering, dvs. de parametre som beskriver sammenhengen mellom romlig retning og avbildningspunkt må være kjent.

Målesystemet beskrevet i det foregående løser en rekke måleproblemer der det i dag ikke finnes praktisk gjennomførbare metoder: oppretting og justering av industrielle produksjonsceller, der det ikke er

tilstrekkelig sikt til å bruke teodolitt systemer;

kollisjonstester i bilindustrien: hvordan er deformasjonen av bilens indre?

Teodolittsystemer og konvensjonell fotogrammetri kan bare benyttes for kartlegging av bilens ytre;

kartlegging av indre geometri i flyskrog og helikoptre;

dynamisk bestemmelse av et objekts posisjon, ved at berøringsverktøyet festes til objektet, slik at det er en fast relasjon mellom det verktøyfaste koordinatsystem og et lokalt, objektfast koordinatsystem.

Som en følge av målesystemets automatiske funksjon, dets fleksibilitet og enkle oppstilling i en målesituasjon, er det også meget konkurransedyktig relativt til konvensjonell bruk av teodolitter for en rekke anvendelser: kartlegging av ytre geometri for fly, helikoptre, biler etc. der nøyaktighetskrave- ne ikke er like store i alle romlige dimensjoner, eksempelvis rakhet og rundhet av et flyskrog;

måling av deformasjon (nedbøyning) av eksempelvis en flyvinge.

Claims (4)

1. Metode for punktvis måling av romlige koordinater, der et berøringsverktøy (14) utstyrt med minimum tre punktformede lyskilder (9,10.11,17,18) i kjente lokale koordinater relativt til et lokalt verktøyfast koordinatsystem og med et berøringspunkt (12) i kjent posisjon relativt til nevnte lokale koordinatsystem, anbringes slik at nevnte berø-ringsverktøy (14) er i kontakt med det punkt som skal koordinatbestemmes, karakterisert ved: at én enkelt opto-elektronisk vinkelmåler (13) for måling av romlig retning til punktformede lyskilder anbringes slik at dens synsfelt / arbeidsområde hovedsakelig dekker det objekt som skal måles, og slik at nevnte berøringsverktøys lyskilder (9, 10, 11, 17, 18) er synlige for vinkelmåleren (13) for alle aktuelle målepunkter, at romlig retning for hver av berøringsverktøyets lyskilder (9, 10, 11, 17, 18) registreres simultant, og at det på basis av de registrerte romlige retninger beregnes posisjon og orien tering av berøringsverktøyet (14) relativt til nevnte éne vinkelmåler (13), og slik at verktøyets posisjon refereres til dets berøringspunkt (12) med objektet som måles.

2. System for punktvis måling av romlige koordinater, omfattende et berøringsverktøy (14) med minimum tre punktformede lyskilder (9, 10, 11, 17, 18) i kjente lokale koordinater relativt til et lokalt verktøyfast koordinatsystem, og med et berøringspunkt (12) i kjent posisjon relativt til nevnte lokale koordinatsystem, karakterisert ved: én enkelt opto-elektronisk vinkelmåler (13) for måling av romlig retning til punktformede lyskilder, middel for å beregne nevnte berøringsverktøys (14) romlige posisjon og orientering relativt til nevnte éne vinkelmåler (13) på basis av kjennskap til nevnte lyskilders (9,10,11,17,18) posisjon relativt til verktøyets berøringspunkt (12) og de målte retninger fra vinkelmåleren (13) til de enkelte lyskilder (9, 10, 11, 17, 18), bg slik at verktøyets (14) posisjon refereres til nevnte berørings-punkt (12).

3. System for punktvis måling av romlige koordinater som beskrevet i krav 2, karakterisert ved: at systemets berøringsverktøy (14) er tilkoblet nevnte systems dataprosessor (15) slik at belysningstid og -intensitet for hver enkelt av verktøyets lyskilder (9, 10,11,17,18) kontrolleres ut fra det signalnivå som til enhver tid registreres av vinkelmåleren (13).

4. System for punktvis måling av romlige koordinater som beskrevet i krav 2, karakterisert ved: at nevnte lyskilder (9, 10, 11, 17, 18) har en veldefinert og kjent spektral fordeling, og at vinkelmåleren (13) har et optisk filter som er tilpasset denne fordeling.