WO2006069748A1 - Device for measurement of an object and method for use of said device - Google Patents

Device for measurement of an object and method for use of said device Download PDF

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WO2006069748A1
WO2006069748A1 PCT/EP2005/013949 EP2005013949W WO2006069748A1 WO 2006069748 A1 WO2006069748 A1 WO 2006069748A1 EP 2005013949 W EP2005013949 W EP 2005013949W WO 2006069748 A1 WO2006069748 A1 WO 2006069748A1
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WO
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measuring
measuring platform
luminous
self
imaging system
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/013949
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German (de)
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Inventor
Frank Bartl
Bruno Knobel
Charles Findeisen
Original Assignee
Ife Industrielle Forschung Und Entwicklung Gmbh
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Publication date
Application filed by Ife Industrielle Forschung Und Entwicklung Gmbh filed Critical Ife Industrielle Forschung Und Entwicklung Gmbh
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/42Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88Lidar systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to devices for measuring an object and to methods of using such devices.
  • the invention relates to a device for measuring an object with a cardanically mounted measuring platform, a distance meter, at least one imaging system, a triple mirror applied to the object and a structure applied to the object.
  • a device for example from DE 690 05 106 T2 and EP 0 880 674 Bl.
  • EP 0 880 674 B1 discloses methods which are based on the combination of a distance measurement between the measuring platform and a reflector on the object and the position measurement of several light-emitting diodes on the object by means of a camera with area sensor mounted on the measuring platform.
  • Suitable reflectors are described in EP 0 880 674 B1 as "reflecting points”. These are either “corner cubes” with the property that incident light is reflected back in the same direction, parallel to the incident light beam, or, for example, reflective, circular areas ("dots”) on self-adhesive films, which are attached in suitable places.
  • Distance meters are used to measure the distance between a transmitter and a reflector.
  • the distance meters are based on the transit time measurement of short light pulses, which are directed back into the measuring system by a reflector, or they are based on interferometric methods or they are based on modulated laser light, wherein the distance can be measured as an absolute value by means of phase comparison.
  • a laser tracker consists of a distance meter whose laser beam is directed in a controlled manner into the room.
  • both the distance to a reflector unit and the spatial direction of the laser beam are measured and evaluated by means of directional sensors by means of the integrated evaluation unit.
  • the laser beam is aligned so that it falls on the reflector during the distance measurement. This requires that the laser tracker be tracked to the reflector.
  • the patent EP 0 880 674 B1 describes in detail with which sensors this object can be achieved.
  • the measuring platform can track the moving object in the room because it is multi-axially connected to a tripod.
  • the distance between laser tracker and reflector is measured interferometrically, the spatial direction of the laser beam via high-resolution angle encoders.
  • Tracking methods ie methods in which measured samples are detected in a controlled manner, tracked and at the same time their spatial position or spatial positions are determined, are described, for example, in EP 0 880 674 B1.
  • An imaging system hereafter called a camera, consists of a lens system, a two-dimensional sensor, such as a CCD or CMOS sensor, or another photoactive element, such as a position sensing device (PSD).
  • the optics are advantageously equipped with a bandpass filter to receive only the wavelength emitted by the illumination.
  • the sensor can be used in whole or in part.
  • the invention is based on the object of designing a method of the type mentioned at the outset such that the measuring process can be designed inexpensively, quickly, precisely and in a user-friendly manner by suitable combination of partially established measuring techniques.
  • the structure has at least one coarse structure and one fine structure.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the fine structure is arranged within the coarse structure. Cumulatively or alternatively, it is proposed that the coarse structure and the fine structure are arranged adjacent to one another. It has proven advantageous if the fine structures are arranged closer to the triple mirror than the coarse structure. Different embodiments show that the structure may consist of several areas which are arranged around the triple mirror. Furthermore, it is advantageous if the patterns become larger with increasing distance to the triple mirror.
  • a variant provides that the structure is self-luminous or at least has a self-illuminating area. Another variant proposes that the structure is not self-luminous and has reflective, absorbent, matt, glossy, phosphorizing or fluorescent materials.
  • a light source for illumination preferably on the measuring platform.
  • a scanner can also be arranged for illumination, preferably on the measuring platform. It is advantageous if the scanner deflects a distance meter. Furthermore, it is proposed that the scanner deflects a laser. Finally, it is suggested that the scanner deflect a retroreflective beam of light onto a photosensor on the measurement platform.
  • a preferred embodiment provides that the distance meter is arranged on the measuring platform.
  • a particularly advantageous variant provides that the imaging system, a light source and a distance meter is aligned by means of an optical system by the same optics on the object with at least one, preferably three triple mirrors.
  • a simple rough survey of the position of the object provides that on the measuring platform optical elements such as fish-eye lenses or cassette-like sensors and on the object a light emitter are arranged.
  • Another device for measuring an object and the structure mounted on the object provides that the structure is formed by at least three spherical wave transmitters and a receiving sensor.
  • an imaging system be formed by at least three receiving sensors and a spherical wave sensor. It is advantageous in each case if a GPS receiver is arranged on the measuring platform and the object.
  • a method of using a device provides that the distance between a point on the measuring platform and the tripple mirror is determined, the angles of the straight lines defined by this point and the triple mirror center point with respect to the coordinate system of the measuring head are determined, a sensor image with the imaging system of the structure attached to the object or parts of the structure is generated, compared with a stored reference image of the structure and the spatial position of the object is determined from it.
  • partial areas of the sensor image can each be compared with the corresponding partial areas of the reference image.
  • the measurement platform which forms the center of a sphere, and a peripherally moving object provided with corresponding sensors and actuators are interacting in such a way that the spatial position of the object with respect to the coordinate system of the measurement platform can be determined unambiguously.
  • the measuring platform can be moved by two axes of rotation, with angular decoders positioned on a motorized stand, as is the case with a gimbal, so that it can see and measure parts of or all of the enclosing sphere.
  • the object may be, for example, a probe, which is guided by hand or firmly connected to a higher-level system, such as a robot.
  • the measuring platform on the stand is stationary in space and without knowledge of the location coordinates or positioned on a movable and controllable via the measuring system track. If the spatial position of the measuring head is determined by additionally attached sensors such as GPS, compass, horizon and solder giving sensors, or distance meters, then absolute measurements in position coordinates of the material to be measured can be calculated in addition to the relative measurement. Together with the mobile application, the measuring volume expands to almost unlimited size.
  • the device has a measuring head, which consists of a measuring platform, which is freely rotatable on two triples mounted on a tripod, and a freely movable in space, rigid object.
  • the measuring platform and the object to be measured interact in such a way that the spatial position of the object can be uniquely determined.
  • the measurement platform includes two or more imaging systems, such as cameras, to use triangulation measurement to determine the spatial positions of clearly determinable surface structures on the object, such as luminescent structures.
  • the spatial position of the object and the spatial position of an object point, such as the stylus tip, are calculated by means of the geometric knowledge of the structure and the object.
  • the surface structures are either non-self-luminous structures, such as reliefs, gray value patterns, color patterns, or self-luminous structures, or a suitable combination of these.
  • the non-self-luminous structures may have a suitable combination of highly reflective, absorbent, matt, glossy, fluorescent or phosphorescent surfaces.
  • the spatial position of the object is determined by means of classical photogrammetry, an established and reliable method, or by correlation calculation of the entire structure or by a combination of both methods.
  • the accuracy in determining the spatial position of the object can be increased.
  • a moving object is thus accurately tracked and its spatial positions precisely detected by determining the spatial position of the searched object in a sequence of images with the help of photogrammetric methods.
  • correlation calculations in the image sequence can be carried out per camera over the entire image content of the surface structure or over selected subregions of the object. If this method is used iteratively, the solid angles from the photogrammetry can be increased in a further calculation step. Depending on requirements, the process is applied several times. This method makes it possible to achieve high accuracies with simple techniques, in contrast to the known methods mentioned at the outset, which use point-type reflectors and light sources.
  • the measurement platform can also include a laser scanner.
  • a laser scanner As a result, arbitrarily definable light patterns can be generated on the object surface with a suitable structure of the type mentioned above.
  • the spatial position of the object can be determined.
  • a method for stereometric measurement with several cameras on a measuring head combined with a laser scanner for targeted illumination of objects in the room with defined patterns is described in the earlier, German patent application 10 2004 032 643 Al.
  • the direct distance from the measuring head to the object to be measured can additionally be determined in a supplementary, independent way.
  • the method and the device can be used for additional accuracy enhancement for systems with self-illuminating and non-self-luminous surface structures of the objects.
  • distance sensor Ren come both systems with transit time measurement in question, for which no special reflectors must be attached to the measurement object, as well as systems that require highly reflective areas on the object to be measured, such as triple mirrors.
  • a distance meter and an imaging system are sufficient.
  • the combination of imaging systems and a distance meter on the measuring platform with triple mirror and self-luminous or non-self-luminous surface structures on the object allows the measurement of the spatial position of the object relative to the measuring head.
  • the measuring platform includes a distance meter, which is guided by a camera optics
  • measuring methods can be used, which use shutter or deflection functions to direct the distance sensor sequentially to several triple mirrors or the like mounted on the measurement object in order to detect the spatial distance on the one hand and the lateral one on the other hand
  • the reflectors can also be selectively illuminated.
  • the measuring system may include an expanded light source which illuminates the entire object.
  • the reflectors throw reflected light back through the transmitting optics into the receiving sensors, for example the distance meter or the imaging system. This will replace the laser scanner.
  • a photodiode In combination with a laser scanner and a distance meter, a photodiode is sufficient to measure the distances and solid angles to at least three reflectors mounted on the measurement object. By suitable combination of the deflection angle obtained by the laser scanner with the signal of the photosensor so that the spatial position of the object can be determined.
  • a system consisting of several light sources and time meters distributed in space.
  • a suitable light signal is sent from the transmitter unit on the measuring platform to the object to be measured.
  • a signal is transmitted via a receiver diode on the object, each with a constant time offset from spatially distributed light sources.
  • these light signals travel as spherical waves to the measuring system, where the transit times are measured by means of sensors at at least three points.
  • the corresponding distances can be calculated.
  • the evaluation algorithm in the measuring system can be designed to be self-learning or interactive by continuously evaluating the measurement results and returning the adjustment information to the measurement platform. In this way it is possible to exactly determine the trajectory of a moving object in real time.
  • the measuring system has a small size and can therefore be transported conveniently, its construction can be carried out in a telescopic or in a fold-out design.
  • the system can be calibrated with an independent third-party system or one can hold a defined object in the measuring volume, which is then calibrated by the measuring system itself.
  • Self-calibration can be achieved automatically in systems with at least two cameras using any flat surface, ie a first-order surface: the system must be placed in a room with a flat surface. Then it looks for a usable plane, creates a specific light pattern and receives the image on all cameras. With suitable software, the calibration is accomplished.
  • the procedure is to be designed in such a way that the measuring platform with the light-emitting and image-capturing units can be rotated about two axes.
  • the measuring platform is gimbal stored and adjusted in two axes.
  • the set relative angular positions are detected very precisely by means of angle decoders.
  • the discovery of the object is based on known techniques. For example, a camera with a fish-eye lens on the measuring platform can measure the spatial direction to a light-emitting diode on the object with sufficient accuracy so that the measuring platform can be aligned with the object.
  • Another technique consists, for example, in that a GPS receiver is mounted both on the object and on the measuring platform and these communicate with each other, for example by means of WLAN, so that the relative position of the object to the measuring platform is known with sufficient accuracy for the corresponding alignment of the object measurement platform.
  • the data processing in the camera includes a sequence consisting of a background image without active light source and the subsequent series of images with exposure, an optoelectronic correction for each pixel, as well as statistical information of the image data after the subtraction of the background recording, such as sectoral histograms, histograms per row and column, mean, minima and maxima of gray value information.
  • the sequence may include a background shot alternating with each shot, or if the background is low or not moving, a background shot may be used for a longer frame of images become.
  • image compression in sub-images with, for example, 4 ⁇ 4 or 8 ⁇ 8 pixels in the data flow when reading out the images from the sensor is calculated.
  • the device presented here is based on cameras that have optics with fixed focal lengths.
  • the field angle of these cameras is constant.
  • the entire surface structure is typically imaged on the sensor, while in the near field only part of the structure is detected by the sensor.
  • the entire structure is imaged on the sensor, but only the coarser structures are sufficiently resolved by the sensor.
  • the fine structures are sufficiently resolved by the sensor, but only a part of the structure is imaged on the sensor.
  • the image size of the structure varies in such a way with the distance between the camera and the object that only part of the sensor is occupied in the far field, while in the after field the imaged part of the structure occupies the entire sensor.
  • the structures are adapted accordingly, so that over the entire distance range between camera and object, a sufficiently good resolution can be achieved without transition.
  • the surface structure consists of areas of different fine structures. Coarse and fine structures can penetrate.
  • the optical axis of the camera is always aligned to the area with the finest structure. If the object contains a triple mirror, then the area with the finest structure is arranged around it. The triple mirror does not have to be in the center of coarser structures.
  • the image of the structure on the sensor contains many more pixels with gray scale information than the usual devices with luminous dots.
  • the accuracy of the orientation of the body in space is thus improved.
  • quality statements can be made about the state of the object during the measurement.
  • deformations on the object provided with structures can be specifically detected.
  • a self-luminous structure is created by a backlight behind a masked structure.
  • This backlight can be a spreader analog be an integrating sphere, so that an approximately homogeneous luminance is generated.
  • Another possibility is the use of self-luminous area displays such as OLED (organic LED) with high contrast and luminance.
  • Self-luminous structures can also be created by projecting patterns onto the object.
  • the projection unit may be inside or outside the object.
  • the structure is typically static. However, it can also be dynamic, for example by varying the degree of fineness of the structure or the extent of the illuminated structure by the distance of the object from the camera.
  • the integration time must be kept short for moving objects. The more accurate the measurement of the body orientation is, the shorter must be either the sensor exposure time or, alternatively, the light pulse of the self-luminous or illuminated structure.
  • the object structure must meet the required measurement accuracy of the overall system.
  • the accuracy of the orientation determination of an object depends, among other things, on the structure size, the details of the structure, the luminance or illuminance of the structure, the distance camera object or the electro-optical properties of the camera.
  • Three-dimensional structures provide more accurate orientation determination than flat structures.
  • the structure should contain a tripple mirror for the distance measurement.
  • the structure consists of self-luminous or non-self-luminous lines with different widths, so that the images on the digital sensor have optimal line widths for the applied subpixel evaluation.
  • the lines used in the evaluation must not be too fine in relation to the pixel size, so that no unwanted moiré effects occur.
  • the structure is formed in three dimensions. It should be noted that the entire structure for all required tilt angle and distances from the camera are sufficiently visible.
  • the entire structure can serve to verify the inherent integrity and stylus tip.
  • the information of the current structure is continuously compared with the structure before the measurement process.
  • body deformations can be detected during crash tests of assemblies which are intentionally induced during the measurement.
  • the position of the probe tip with respect to the structure can be checked by means of a suitable movement of the body around the probe tip.
  • the information of the current structure and the current position of the probe tip with respect to the structure is continuously compared with the corresponding values before the measurement.
  • An optical bandpass filter must be installed in front of the sensor so that as much of the ambient light as possible is kept away from the sensor. In addition, it should be noted that no light from other system elements such as laser reaches the sensor. Disturbing secondary light scattering can be reduced by differentiating images with and without structure illumination.
  • the structure surfaces should be sufficiently wear-resistant and covered with a transparent, thin, dirt-repellent layer.
  • a transparent, thin, dirt-repellent layer for example, sapphire is suitable.
  • the protective layer can be Epilame, which has been used successfully in the watch industry for many decades.
  • the laser beam of the distance meter on the measuring platform is aligned with the center of the triple mirror.
  • the alignment angles of the distance meter refer to the coordinate system of the measuring head.
  • the distance meter determines along the optical axis the distance between a predetermined point on the measuring platform and the center of the triple mirror.
  • the coordinates of the center of the triple mirror with respect to the coordinate system of the measuring head are known.
  • the spatial orientation of the object is determined with respect to the now known center of the triple mirror by the evaluation of the sensor image of the structure on the object.
  • the method is based on the comparison (correlation) of the image of the structure with the known reference image of the structure.
  • the structural information is not reduced to a few points that are distinguished by certain symmetries. Rather, the entire image area or partial areas thereof are used directly in the comparison.
  • the correlation technique can
  • the sensor image is condensed by merging pixel regions into one "larger pixel", thus making the total number of "larger pixels” smaller than the number of "normal pixels.” For example, squares of the side length become such
  • the further evaluation of the thus condensed sensor image is still based on the direct comparison with the reference image, thus obtaining a first approximation for the parameters of the spatial orientation of the object.
  • the sensor image is split into several images that are created by parallel horizontal sections. These distributions allow obtaining a first approximation of the parameters of the Spatial orientation of the structure. Jamming of the parallel of the horizontal sections can also be applied to vertical sections or diagonal cuts,
  • the sensor image is split into subareas that are all individually correlated with corresponding subregions of the reference image. For example, intersecting lines are evaluated in their entirety and the intersection point is not determined.
  • the structure around the triple mirror is suitable (for example with contrast differences) to measure the roll angle.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the device for measuring the spatial positions of moving objects. At least one camera and a distance meter are mounted on a gimbal-mounted measuring platform. On the object are a triple mirror as well as active point light sources, such as light emitting diodes,
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a manually guided object (probe).
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the device for measuring the spatial positions of moving objects.
  • Several gauging systems such as cameras, are mounted on the gimbal-mounted measuring platform.
  • On the object surface is a self-luminous structure, for example, consisting of straight or curved lines, areas with gray scale gradations or their combinations. This structure is imaged on the stereometrically arranged imaging systems and determines their spatial position with suitable algorithms.
  • the GPS systems and the transceivers on the measuring platform and on the object are used to align the measuring platform with the object at the beginning of the measurement
  • 4 shows a schematic representation of a self-luminous structure on the object surface
  • Fig. 5 shows another embodiment of the inventive arrangement for measuring the
  • At least two imaging systems a laser scanner consisting of a mirror system and a laser, are mounted on the measuring platform.
  • Any non-self-luminous surface structure such as a relief or gray pattern of suitable reflective materials, or a combination thereof, which is suitably sequentially illuminated by the laser scanner, is mounted on the object.
  • Fig. 6 shows another inventorsfo ⁇ n the inventive arrangement for measuring the
  • At least one imaging system and a distance meter are mounted on the measuring platform.
  • Mounted on the object are a reflector, for example a triple mirror, as well as a self-luminous structure according to FIG. 4,
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects: at least one imaging system, a distance meter and a wide-angle light source are mounted on the measurement platform. On the object, a reflector, for example a triple mirror, and any non-self-luminous structure, as described in Fig. 5, attached,
  • Fig. 8 shows a further embodiment of the inventive arrangement for measuring the
  • the measuring platform has at least one imaging system and a distance meter aimed at the object by means of a mirror system.
  • the object has the same surface design as in FIG. 6,
  • Fig. 9 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects: On the measuring platform, an imaging system, a distance meter and a wide-beam light source are mounted, all by means of a suitable arrangement of optical elements by the same optics on the object are directed. At least three triple mirrors are attached to the object,
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects: on the measuring platform there is a distance measurement. and a laser, whose light beams are deflected by a common scanner, and an imaging system, which are directed by a suitable arrangement of optical elements by the same optics on the object.
  • a self-luminous structure as described in Fig. 4, and a plurality of triples mounted,
  • FIG. 11 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects:
  • On the measuring platform are a distance meter and a laser whose light beams are deflected by a common scanner and a photosensor, all by means of a suitable arrangement of optical elements are directed to the object through the same optics.
  • At least three strongly reflecting areas, such as triple mirrors, are mounted on the object,
  • Fig. 12 shows a further embodiment of the inventive arrangement for measuring the
  • the measuring platform contains a transmitter and at least three receivers for measuring the propagation time of spherical wave fronts, such as
  • Light pulses or radar waves On the object a receiver and at least three transmitters are attached and
  • FIG. 13 shows a schematic representation of the signal sequence for transit time measurements for determining the spatial positions of moving objects.
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a self-luminous or non-self-luminous structure on the object surface with a rectangular grid pattern.
  • the black colored lines of the grid pattern are places with high brightness and constant luminance or high reflectivity.
  • the areas around the black colored lines absorb the light.
  • In the center of the triple mirror is arranged.
  • FIG. 15 shows a further schematic representation of a structure on the object surface with a circular grid pattern having the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 16 shows a further schematic representation of a structure on the object surface with an elliptical lattice pattern having the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 17 shows a further schematic representation of a structure on the object surface with an octagonal grid pattern with the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 18 shows another schematic representation of a structure on the object surface consisting of eight sectors with cross patterns with the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 19 shows a further schematic representation of an object with a stylus tip and a structure on the object surface.
  • the structure on the object surface is an eight-beam
  • Fig. 20 shows a schematic representation of intersecting lines.
  • the black colored lines or areas are places with high brightness and constant luminance or high reflectivity.
  • the non-blackened areas absorb the light.
  • FIG. 21 shows a further schematic representation of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 22 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 23 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 24 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 25 shows a further schematic representation of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
  • FIG. 26 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror and consisting of sectors.
  • the black-colored sectors are places with high brightness and constant luminance or high reflectivity.
  • the non-black colored sectors absorb the light.
  • the coordinate system with center in the triple mirror center point shows the alignment angles.
  • FIG. 1 and 2 The devices shown schematically in Figures 1 and 2 are representative of the prior art and are used for non-contact measurement of the spatial position of an object 10 with respect to a measuring head 1.
  • a measuring platform 6 is mounted, for example on a tripod 2 and in front of the object 10 posed.
  • the measuring platform 6 is stored at 3 single or multi-axis. With motorized adjustment 5 arbitrary solid angles can be approached on the sphere.
  • the positions of the measuring platform 6 are detected by exact angle decoder 4.
  • At least one imaging system 7 with preferably a CCD area sensor and a distance meter 8 are mounted on the measurement platform 6.
  • the spatial position of the object is determined by the distance between the distance meter 8 and the Trippelapt 11 and the image information of the imaging system 7 of the LEDs determined.
  • the apparatus shown schematically in Fig. 3 shows the essential elements of the invention for measuring the spatial positions of moving objects 10, such as buttons with the probe tip 13.
  • On the two-axis, preferably gimbal, mounted measuring platform 6 at 3 are several imaging Systems 7, such as cameras, attached.
  • On the object surface 10 is a self-luminous structure 14, for example consisting of straight or curved lines of finite thickness, surfaces with gray scale patterns or combinations thereof, as shown in Fig. 4.
  • This structure 14 is imaged onto the stereometrically arranged imaging systems 7. With appropriate algorithms, the spatial position of the structure 14 and with the geometric knowledge and the spatial position of the probe tip 13 are determined.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects.
  • At least two imaging systems 7, a laser scanner consisting of a mirror system 18 and a laser 17 with the optics 21, are now mounted on the measurement platform.
  • a non-self-luminous structure 19 is mounted, which is illuminated by the laser scanner 17, 18 sequentially in a suitable manner.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects.
  • at least one imaging system 7 and a distance meter 8 are mounted on the measuring platform.
  • a reflector 11 for example, a triple mirror, and a self-luminous structure 14 as shown in FIG. 4 are attached.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now are on the
  • Measuring platform 6 at least one imaging system 7, a distance meter 8 and a wide-beam
  • Light source 22 is mounted, which are directed by means of the optics 21 to the object 10.
  • a reflector 11 such as a triple mirror, and any non-self-luminous structure 19 are mounted.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects.
  • At least one imaging system 7 and a laser 17 directed onto the object 10 by means of a scanner 18 and the optics 21 and a distance meter 8 are now mounted on the measuring platform 6.
  • a reflector 11 such as a triple mirror, and a suitable combination of self-luminous 14 and non-self-luminous structures 19 are attached.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now are on the
  • the distance meter 8 is directed sequentially by means of alignment of the measuring platform 6 on the individual triple mirror 11.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects.
  • a distance meter 8 and a laser 17, whose light beams are deflected by a common scanner 18, and an imaging system 7, all of which are directed by a suitable arrangement of optical elements 26 through the same optics 21 onto the object 10 are.
  • On the object 10 are a self-luminous structure 14, as described in Fig. 4, and a plurality of triple mirrors
  • FIG. 11 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects.
  • a distance meter 8 and a laser 17, whose light beams are deflected by a common scanner 18, and a photosensor 23 are mounted, which are all directed by a suitable arrangement of optical elements 26 through the same optics 21 to the object 10 , At least three highly reflective areas, such as triple mirrors 11, are mounted on the object 10.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects.
  • a receiver 23 and at least three transmitters 24/1, 24/2, 24/3 are mounted.
  • FIG. 13 schematically shows the signal sequence for transit time measurements for determining the spatial positions of moving objects.
  • the transmitter 27 of the measuring platform 6 emits at a time interval 35 light pulses, which are received at a time interval 29 from the mounted on the object 10 receiver 23.
  • Each of these received by the receiver 23 light pulse triggers at the transmitters 24/1, 24/2, 24/3 of the object 10 at a time offset at intervals 30, 34, etc.
  • light pulses from the installed on the measuring platform 6 receivers 28/1, 28/2, 28/3 are received and at each of these receivers 28/1, 28/2, 28/3 at intervals 31, 32, 33 trigger light signals, which are used for the transit time measurement of spherical wave fronts.
  • the pulses following each such light pulse of the transmitter 27 at the transmitters 24 and receivers 28 are shown in FIG. 13 only for the first light pulse 27.
  • FIG. 13 refers by way of example to a device with three transmitters 24/1, 24/2, 24/3 on the object 10 and with three receivers 28/1, 28/2, 28/3 on the measuring platform 6. According to the invention, however, any other number of transmitters 24 / n and receivers 38 / n considered suitable can be used.
  • FIGS. 14 to 26 show some embodiments of the self-luminous structure 14 or non-self-luminous structure 19 with a combination of geometrical patterns 15 and gray value patterns 16 on the object 10.
  • a triple mirror 11 is always integrated.
  • the optical axis of the camera is always aligned during the measurement on the triple mirror.
  • the fine pattern areas 39 for the near field are arranged around the tripple mirror.
  • the coarser the pattern 40-42 the farther away these areas are from the triple mirror.
  • a zone 43 with a combination of fine to very coarse patterns can also be used to increase the accuracy of the orientation.
  • Orientation aids 44 integrated in the structure are symmetry-breaking, geometric elements.
  • the structure 14 can be flat or three-dimensional. Three-dimensional structures allow a higher accuracy in the orientation of the object than flat structures.
  • the boundaries 45 and 46 may be in the same plane. However, the boundary 46 may also be wholly or partially outside the plane containing the boundary 45.
  • the circular grid pattern in FIG. 15 may be flat.
  • a three-dimensional structure may have the shape of a funnel or a cone. The circular grid pattern thus lies on the mantle surface of a funnel or cone thus formed with the tripple mirror in the funnel center or on the apex of the cone. Analogously, the above explanations for FIG. 15 also apply to FIGS. 14, 16 to 25.
  • a further three-dimensional structure can be formed by the sectors 47 lying in the plane in FIG. 18 and the sectors 48 being formed as inclined planes.
  • the sectors 48 touch the plane at area 45 and continuously increase to the boundary 46.
  • Sectors 47 and 48 are planar substructures.
  • the sectors 48 may descend continuously behind the plane spanned by the sectors 47.
  • the areas 49 between the sectors 47 and 48 may also be formed as inclined planes with corresponding geometric patterns. This allows a further increase in the accuracy of the orientation of the object.
  • FIG. 19 shows a possible embodiment of an object 10 with a measuring tip 13, which is provided with a three-dimensional structure comprising eight sectors 47 and 48 and a triple mirror 11.
  • the sectors are equipped with the patterns 39 to 42.
  • the black lines and crosses 39 to 42 are areas of constant luminance and high brightness or high reflectivity.
  • the marks 44 serve as the orientation of the structure.
  • Each of the eight sectors has a flat surface.
  • Four of the eight sectors 47 lie in the same plane as the area 45 next to the triple mirror 11.
  • the other four sectors 48 are inclined at a certain angle with respect to the plane.
  • These sectors 48 represent inclined planes analogously as in FIG. 18.
  • the regions 49 between the sectors 47 and 48 can also be formed as inclined planes with corresponding geometric patterns. This allows a further increase in the accuracy of the orientation of the object.
  • the basic geometric elements of self-luminous structures can be lines 50 with constant radiance and high brightness (Figure 20).
  • the area 51 around these glowing lines is not bright.
  • the bars 51 may not be self-luminous. Now they are embedded in luminous areas 52.
  • the luminous areas 52 are surrounded by non-luminous areas 51.
  • the lines 50 are of high reflectivity ( Figure 20).
  • the area 51 around these reflective areas absorb the light.
  • the bars 51 may be absorbent and the area 52 may be high reflectivity.
  • Figures 21 to 26 show further possible structures on the object surface. All of the structures shown in FIGS. 14 to 26 are based on the structures 14 and 19. [87] The spatial position of the object is determined by correlation of the known structure with the measured structure. Neither the entire structure nor parts of it are reduced to a geometric point.

Abstract

The invention relates to a device for measurement of an object, comprising a measuring platform mounted on gimbals, a distance sensor, at least one imaging system, a moving mirror mounted on the object and a structure mounted on the object, comprising geometrical patterns of lines and adjacent surfaces.

Description

Vorrichtungen zur Vermessung eines Objektes und Verfahren zur Verwendung einer derartigen Vorrichtung Device for measuring an object and method for using such a device
[01] Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Vermessung eines Objektes und Verfahren zur Verwendung derartiger Vorrichtungen.[01] The invention relates to devices for measuring an object and to methods of using such devices.
[02] Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Vermessung eines Objektes mit einer karda- nisch gelagerten Messplattform, einem Distanzmesser, mindestens einem bildgebenden System, einem auf dem Objekt aufgebrachten Trippelspiegel und einer auf dem Objekt aufgebrachten Struktur. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus den DE 690 05 106 T2 und EP 0 880 674 Bl bekannt.[02] In particular, the invention relates to a device for measuring an object with a cardanically mounted measuring platform, a distance meter, at least one imaging system, a triple mirror applied to the object and a structure applied to the object. Such a device is known for example from DE 690 05 106 T2 and EP 0 880 674 Bl.
[03] In der Vermessungstechnik werden oft Systeme eingesetzt, die die Raumlagen von Objekten, wie zum Beispiel von manuell geführten Tastern, berührungslos erfassen und vermessen können. Dabei ist es von besonderer Wichtigkeit, dass das Verfahren schnell und präzis ist. Die Vorrichtung für das Verfahren muss handlich und leicht portabel sein, es soll aber auch stabil und robust sein und sehr zuverlässig auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können.[03] In the field of surveying, systems are often used that can detect and measure the spatial positions of objects, such as manually guided buttons. It is of particular importance that the process is fast and accurate. The device for the process must be handy and easily portable, but it should also be stable and robust and can be used very reliably even under difficult environmental conditions.
[04] Durch das EP 0 880 674 Bl sind Verfahren bekannt, die auf der Kombination einer Distanzmessung zwischen der Messplattform und einem Reflektor an dem Objekt und der Positionsmessung von mehreren am Objekt befindlichen Leuchtdioden mittels einer auf der Messplattform angebrachten Kamera mit Flächensensor beruhen.EP 0 880 674 B1 discloses methods which are based on the combination of a distance measurement between the measuring platform and a reflector on the object and the position measurement of several light-emitting diodes on the object by means of a camera with area sensor mounted on the measuring platform.
[05] Geeignete Reflektoren werden in der EP 0 880 674 Bl beschrieben als "reflecting points". Dies sind entweder Trippelspiegel ("corner cubes") mit der Eigenschaft, dass einfallendes Licht in dieselbe Rich- tung zurück, parallel zum einfallenden Lichtstrahl reflektiert wird, oder es sind zum Beispiel auch reflektierende, kreisförmige Gebiete („Punkte") auf selbstklebenden Folien, die an geeigneten Stellen angebracht werden.[05] Suitable reflectors are described in EP 0 880 674 B1 as "reflecting points". These are either "corner cubes" with the property that incident light is reflected back in the same direction, parallel to the incident light beam, or, for example, reflective, circular areas ("dots") on self-adhesive films, which are attached in suitable places.
[06] Distanzmesser dienen zur Messung der Distanz zwischen einem Sender und einem Reflektor. Die Distanzmesser basieren auf der Laufzeitmessung von kurzen Lichtpulsen, welche von einem Reflektor in das Messsystem zurückgelenkt werden, oder sie basieren auf interferometrischen Methoden oder sie basieren auf moduliertem Laserlicht, wobei mittels Phasenvergleich die Distanz als Absolutgröße gemessen werden kann.[06] Distance meters are used to measure the distance between a transmitter and a reflector. The distance meters are based on the transit time measurement of short light pulses, which are directed back into the measuring system by a reflector, or they are based on interferometric methods or they are based on modulated laser light, wherein the distance can be measured as an absolute value by means of phase comparison.
BESTATIGUNGSKOPIE [07] Ein Laser-Tracker besteht aus einem Distanzmesser, dessen Laserstrahl kontrolliert in den Raum ausgerichtet wird. Dabei wird mittels der integrierten Auswerteeinheit sowohl die Distanz zu einer Reflektoreinheit, als auch die Raumrichtung des Laserstrahls mittels Richtungssensoren gemessen und ausgewertet. Der Laserstrahl ist so ausgerichtet, dass er bei der Distanzmessung auf den Reflektor fällt. Dies be- dingt, dass der Laser-Tracker dem Reflektor nachgefühlt wird. In der Patentschrift EP 0 880 674 Bl wird ausführlich beschrieben, mit welchen Sensoren diese Aufgabe gelöst werden kann. Die Messplattform kann dem bewegten Objekt im Raum nachgeführt werden, da sie mehrachsig mit einem Stativ verbunden ist. Die Distanz zwischen Laser-Tracker und Reflektor wird interferometrisch gemessen, die Raumrichtung des Laserstrahls über hochauflösende Winkelencoder. Damit ist die Raumposition des Reflektors bezüglich des Koordinatensystems des Messkopfes bekannt. Trackingverfahren, also Verfahren, bei denen Messproben kontrolliert detektiert, verfolgt und gleichzeitig deren Raumposition oder Raumlagen bestimmt werden, sind zum Beispiel in der EP 0 880 674 Bl beschrieben.BESTATIGUNGSKOPIE [07] A laser tracker consists of a distance meter whose laser beam is directed in a controlled manner into the room. In this case, both the distance to a reflector unit and the spatial direction of the laser beam are measured and evaluated by means of directional sensors by means of the integrated evaluation unit. The laser beam is aligned so that it falls on the reflector during the distance measurement. This requires that the laser tracker be tracked to the reflector. The patent EP 0 880 674 B1 describes in detail with which sensors this object can be achieved. The measuring platform can track the moving object in the room because it is multi-axially connected to a tripod. The distance between laser tracker and reflector is measured interferometrically, the spatial direction of the laser beam via high-resolution angle encoders. Thus, the spatial position of the reflector with respect to the coordinate system of the measuring head is known. Tracking methods, ie methods in which measured samples are detected in a controlled manner, tracked and at the same time their spatial position or spatial positions are determined, are described, for example, in EP 0 880 674 B1.
[08] Ein bildgebendes System, im folgenden Kamera genannt, besteht aus einem Linsensystem, einem zweidimensionalen Sensor, wie beispielsweise einem CCD- oder CMOS- Sensor, oder einem anderen photoaktiven Element, wie beispielsweise einem PSD-Element (position sensing device). Die Optik wird vorteilhaft mit einem Bandpassfilter ausgerüstet, um einzig die von der Beleuchtung emittierte Wellenlänge zu empfangen. Der Sensor kann ganz oder teilweise verwendet werden.[08] An imaging system, hereafter called a camera, consists of a lens system, a two-dimensional sensor, such as a CCD or CMOS sensor, or another photoactive element, such as a position sensing device (PSD). The optics are advantageously equipped with a bandpass filter to receive only the wavelength emitted by the illumination. The sensor can be used in whole or in part.
[09] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Messvorgang durch geeignete Kombination von teilweise etablierten Messtechniken kostengüns- tig, schnell, präzise und bedienerfreundlich ausgestaltet werden kann.[09] The invention is based on the object of designing a method of the type mentioned at the outset such that the measuring process can be designed inexpensively, quickly, precisely and in a user-friendly manner by suitable combination of partially established measuring techniques.
[10] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung die Struktur aus geometrischen Mustern von Linien und begrenzten Flächen besteht.[10] This object is achieved in that in a generic device, the structure consists of geometric patterns of lines and limited areas.
[11] Vorteilhaft ist es, wenn die Struktur mindestens eine Grobstruktur und eine Feinstruktur aufweist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Feinstruktur innerhalb der Grobstruktur angeordnet ist. Kumulativ oder alternativ wird vorgeschlagen, dass die Grobstruktur und die Feinstruktur aneinander angrenzend angeordnet sind. Vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Feinstrukturen näher am Trippelspiegel angeordnet als die Grobstruktur. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Struktur aus mehreren Bereichen bestehen kann, die um den Trippelspiegel angeordnet sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Muster mit steigender Entfernung zum Trippelspiegel größer werden.[11] It is advantageous if the structure has at least one coarse structure and one fine structure. A particularly advantageous embodiment provides that the fine structure is arranged within the coarse structure. Cumulatively or alternatively, it is proposed that the coarse structure and the fine structure are arranged adjacent to one another. It has proven advantageous if the fine structures are arranged closer to the triple mirror than the coarse structure. Different embodiments show that the structure may consist of several areas which are arranged around the triple mirror. Furthermore, it is advantageous if the patterns become larger with increasing distance to the triple mirror.
[12] Günstig hat sich erwiesen, wenn die Struktur aus geometrischen Mustern einfache, teilweise rotationssymmetrische Grundstrukturen zusammen mit überlagerten komplexeren Strukturen aufweist. [13] Eine einfache Ausführungsform sieht vor, dass die Struktur eben ist. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Struktur dreidimensional, insbesondere trichter- oder kegelförmig, ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Struktur und die Oberfläche des Objektes rotationssyrnmetrische Eigenschaften aufweisen.[12] It has proved favorable if the structure of geometric patterns has simple, partially rotationally symmetric basic structures together with superimposed more complex structures. [13] A simple embodiment provides that the structure is flat. However, it is advantageous if the structure is three-dimensional, in particular funnel-shaped or cone-shaped. It is particularly advantageous if the structure and the surface of the object have rotationally symmetrical properties.
[14] Eine Variante sieht vor, dass die Struktur selbstleuchtend ist oder zumindest einen selbstleuchtenden Bereich aufweist. Eine andere Variante schlägt vor, dass die Struktur nicht selbstleuchtend ist und reflektierende, absorbierende, matte, glänzende, phosphorizierende oder fluoreszierende Materialien aufweist.[14] A variant provides that the structure is self-luminous or at least has a self-illuminating area. Another variant proposes that the structure is not self-luminous and has reflective, absorbent, matt, glossy, phosphorizing or fluorescent materials.
[15] Vorteilhaft ist es, wenn ein bildgebendes System mit fester Brennweite verwendet wird.[15] It is advantageous if a fixed focal length imaging system is used.
[16] Insbesondere bei der Verwendung nicht selbstleuchtender Strukturen wird vorgeschlagen, zur Beleuchtung vorzugsweise auf der Messplattform, eine Lichtquelle anzuordnen. Zur Beleuchtung kann je- doch auch, vorzugsweise auf der Messplattform, ein Scanner eingeordnet sein. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Scanner einen Distanzmesser auslenkt. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Scanner einen Laser auslenkt. Schließlich wird vorgeschlagen, dass der Scanner einen rückreflektierenden Lichtstrahl auf einen Fotosensor auf der Messplattform auslenkt.[16] In particular when non-self-illuminating structures are used, it is proposed to arrange a light source for illumination, preferably on the measuring platform. However, a scanner can also be arranged for illumination, preferably on the measuring platform. It is advantageous if the scanner deflects a distance meter. Furthermore, it is proposed that the scanner deflects a laser. Finally, it is suggested that the scanner deflect a retroreflective beam of light onto a photosensor on the measurement platform.
[17] Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Distanzmesser auf der Messplattform ange- ordnet ist.[17] A preferred embodiment provides that the distance meter is arranged on the measuring platform.
[18] Eine besonders vorteilhafte Variante sieht vor, dass das bildgebende System, eine Lichtquelle und ein Distanzmesser mittels eines optischen Systems durch die gleiche Optik auf das Objekt mit mindestens einem, vorzugsweise drei Trippelspiegeln, ausgerichtet ist.A particularly advantageous variant provides that the imaging system, a light source and a distance meter is aligned by means of an optical system by the same optics on the object with at least one, preferably three triple mirrors.
[19] Eine einfache Groberfassung der Position des Objektes sieht vor, dass auf der Messplattform optische Elemente wie Fischaugobjektive oder fassettenartige Sensoren und auf dem Objekt ein Lichtsender angeordnet sind.A simple rough survey of the position of the object provides that on the measuring platform optical elements such as fish-eye lenses or cassette-like sensors and on the object a light emitter are arranged.
[20] Eine weitere Vorrichtung zur Vermessung eines Objektes und der auf dem Objekt angebrachten Struktur sieht vor, dass die Struktur durch mindestens drei Kugelwellensender und einen Empfangssensor gebildet ist. Alternativ oder kumulativ wird vorgeschlagen, dass ein bildgebendes System durch mindes- tens drei Empfangssensoren sowie einen Kugelwellensensor gebildet ist. Vorteilhaft ist jeweils, wenn auf der Messplattform und dem Objekt je ein GPS-Empfanger angeordnet ist.[20] Another device for measuring an object and the structure mounted on the object provides that the structure is formed by at least three spherical wave transmitters and a receiving sensor. Alternatively or cumulatively, it is proposed that an imaging system be formed by at least three receiving sensors and a spherical wave sensor. It is advantageous in each case if a GPS receiver is arranged on the measuring platform and the object.
[21] Ein Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche sieht vor, dass der Abstand zwischen einem Punkt auf der Messplattform und dem Trippelspiegel ermittelt wird, die Winkel der Geraden, definiert durch diesen Punkt und dem Trippelspiegelmittelpunkt, bezüglich dem Koordinatensystem des Messkopfes ermittelt werden, ein Sensorbild mit dem bildgebenden System der auf dem Objekt angebrachten Struktur oder aus Teilbereichen der Struktur erzeugt wird, mit einem hinterlegten Referenzbild der Struktur verglichen wird und die Raumlage des Objektes daraus bestimmt wird.[21] A method of using a device according to any one of the preceding claims provides that the distance between a point on the measuring platform and the tripple mirror is determined, the angles of the straight lines defined by this point and the triple mirror center point with respect to the coordinate system of the measuring head are determined, a sensor image with the imaging system of the structure attached to the object or parts of the structure is generated, compared with a stored reference image of the structure and the spatial position of the object is determined from it.
[22] Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren, wenn vor dem Vergleich Pixelgebiete des Sensorsbildes zu einem Pixel zusammengefasst werden, um das Sensorbild zu verdichten. Weiterhin ist vorteilhaft, wenn vor dem Vergleich das Sensorbild in mehrere Teilbereiche aufgespalten wird.[22] In this method, it is advantageous if, prior to the comparison, pixel regions of the sensor image are combined to form a pixel in order to densify the sensor image. Furthermore, it is advantageous if, prior to the comparison, the sensor image is split up into a plurality of partial regions.
[23] Darüber hinaus können Teilbereiche des Sensorbildes jeweils mit den korrespondierenden Teilbereichen des Referenzbildes verglichen werden.[23] In addition, partial areas of the sensor image can each be compared with the corresponding partial areas of the reference image.
[24] Die Messplattform, welche das Zentrum einer Sphäre bildet, und ein sich peripher bewegendes, mit entsprechenden Sensoren und Aktoren versehenes Objekt sind dergestalt wechselwirksam, dass die Raumlage des Objekts in Bezug auf das Koordinatensystem der Messplattform eindeutig bestimmbar ist. Die Messplattform kann um zwei Rotationsachsen, mit Winkeldecodern positionserfasst, motorisch auf einem Stativ bewegt werden, wie dies mit einer kardanischen Aufhängung gegeben ist, so dass sie Teilbereiche der oder die gesamte sie umschließende Sphäre einsehen und vermessen kann.[24] The measurement platform, which forms the center of a sphere, and a peripherally moving object provided with corresponding sensors and actuators are interacting in such a way that the spatial position of the object with respect to the coordinate system of the measurement platform can be determined unambiguously. The measuring platform can be moved by two axes of rotation, with angular decoders positioned on a motorized stand, as is the case with a gimbal, so that it can see and measure parts of or all of the enclosing sphere.
[25] Das Objekt kann beispielsweise ein Messtaster sein, welcher von Hand geführt oder mit einem übergeordneten System, wie beispielsweise einem Roboter, fest verbunden ist.[25] The object may be, for example, a probe, which is guided by hand or firmly connected to a higher-level system, such as a robot.
[26] Mit der Kenntnisnahme der Geometrie des sich bewegenden Objekts kann bei einer taktilen Anwendung auf die wechselwirkende Umgebung deren Raumvermessung erwirkt werden.By taking note of the geometry of the moving object can be obtained in a tactile application to the interacting environment their space measurement.
[27] Die Messplattform auf dem Stativ wird im Raum beliebig und ohne Kenntnis der Ortskoordinaten ortsfest oder auf einer verfahrbaren und über das Messsystem steuerbaren Verfahreinheit positioniert. Wird die Ortsposition des Messkopfes über zusätzlich angebrachte Sensoren wie GPS, Kompass, Horizont und Lot gebende Sensoren, oder Distanzmesser ermittelt, so können nebst der relativen Vermessung auch Absolutmessungen in Ortskoordinaten des Messgutes berechnet werden. Zusammen mit dem mobi- len Einsatz erweitert sich das Messvolumen auf praktisch unbeschränkte Größe.The measuring platform on the stand is stationary in space and without knowledge of the location coordinates or positioned on a movable and controllable via the measuring system track. If the spatial position of the measuring head is determined by additionally attached sensors such as GPS, compass, horizon and solder giving sensors, or distance meters, then absolute measurements in position coordinates of the material to be measured can be calculated in addition to the relative measurement. Together with the mobile application, the measuring volume expands to almost unlimited size.
[28] Die Vorrichtung hat einen Messkopf, der aus einer Messplattform, die in zwei Achsen frei drehbar auf einem Stativ montiert ist, und einem im Raum frei beweglichen, starren Objekt besteht. Die Messplattform und das zu vermessende Objekt sind derart in Wechselwirkung, dass die Raumlage des Objekts jeweils eindeutig bestimmt werden kann. [29] Im einem Fall beinhaltet die Messplattform zwei oder mehrere bildgebende Systeme, wie Kameras, um über Triangulationsmessung die Raumpositionen von eindeutig bestimmbaren Oberflächenstrukturen auf dem Objekt, wie beispielsweise selbstleuchtende Strukturen, zu bestimmen. Die Raumlage des Objekts und die Raumposition eines Objektpunktes, wie zum Beispiel die Tasterspitze, werden mittels der geometrischen Kenntnis der Struktur und des Objekts berechnet.The device has a measuring head, which consists of a measuring platform, which is freely rotatable on two triples mounted on a tripod, and a freely movable in space, rigid object. The measuring platform and the object to be measured interact in such a way that the spatial position of the object can be uniquely determined. [29] In one case, the measurement platform includes two or more imaging systems, such as cameras, to use triangulation measurement to determine the spatial positions of clearly determinable surface structures on the object, such as luminescent structures. The spatial position of the object and the spatial position of an object point, such as the stylus tip, are calculated by means of the geometric knowledge of the structure and the object.
[30] Die Oberflächenstrukturen sind entweder nicht selbstleuchtende Strukturen, wie Reliefs, Grauwertmuster, Farbmuster, oder selbstleuchtende Strukturen oder eine geeignete Kombination derselben. Die nicht selbstleuchtenden Strukturen können eine geeignete Kombination von hochreflektierenden, absorbierenden, matten, glänzenden, fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Oberflächen aufweisen.[30] The surface structures are either non-self-luminous structures, such as reliefs, gray value patterns, color patterns, or self-luminous structures, or a suitable combination of these. The non-self-luminous structures may have a suitable combination of highly reflective, absorbent, matt, glossy, fluorescent or phosphorescent surfaces.
[31] Die Raumlage des Objekts wird mittels klassischer Photogrammetrie, einem etablierten und zuverlässigen Verfahren, bestimmt oder mittels Korrelationsrechnung der gesamten Struktur oder mittels einer Kombination beider Verfahren. Durch geeignete Anwendung von Korrelationsalgorithmen kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der Raumlage des Objekts erhöht werden. Ein bewegtes Objekt wird damit exakt verfolgt und dessen Raumlagen präzise erfasst, indem die Raumlage des gesuchten Objekts in einer Bildsequenz mit Hilfe von photogrammetrischen Methoden ermittelt wird. Weiter können mit dieser Kenntnis pro Kamera Korrelationsrechnungen in der Bildersequenz jeweils über den gesamten wirkenden Bildinhalt der Oberflächenstruktur oder über ausgewählte Teilbereiche des Objekts durchgeführt werden. Wird dieses Verfahren iterativ eingesetzt, können die Raumwinkel aus der Photogrammetrie in einem weiteren Rechenschritt erhöht werden. Je nach Bedarf wendet man den Prozess mehrfach an. Dieses Ver- fahren ermöglicht es, hohe Genauigkeiten mit einfachen Techniken zu erreichen, und dies im Gegensatz zu den eingangs erwähnten, bekannten Verfahren, welche punktartige Reflektoren und Lichtquellen verwenden.[31] The spatial position of the object is determined by means of classical photogrammetry, an established and reliable method, or by correlation calculation of the entire structure or by a combination of both methods. By suitable use of correlation algorithms, the accuracy in determining the spatial position of the object can be increased. A moving object is thus accurately tracked and its spatial positions precisely detected by determining the spatial position of the searched object in a sequence of images with the help of photogrammetric methods. Furthermore, with this knowledge, correlation calculations in the image sequence can be carried out per camera over the entire image content of the surface structure or over selected subregions of the object. If this method is used iteratively, the solid angles from the photogrammetry can be increased in a further calculation step. Depending on requirements, the process is applied several times. This method makes it possible to achieve high accuracies with simple techniques, in contrast to the known methods mentioned at the outset, which use point-type reflectors and light sources.
[32] Die Messplattform kann nebst den büdgebenden Systemen zusätzlich einen Laser-Scanner beinhalten. Dadurch lassen sich beliebig definierbare Lichtmuster auf der Objektoberfläche mit geeigneter Struktur der oben erwähnten Art erzeugen. Damit kann mittels geeigneter Bildverarbeitung die Raumlage des Objekts bestimmt werden. Ein Verfahren zur stereometrischen Messung mit mehreren Kameras auf einem Messkopf kombiniert mit einem Laser-Scanner zum gezielten Anstrahlen von Gegenständen im Raum mit definierten Mustern ist in der älteren, deutschen Patentanmeldung 10 2004 032 643 Al beschrieben.[32] In addition to the intrusive systems, the measurement platform can also include a laser scanner. As a result, arbitrarily definable light patterns can be generated on the object surface with a suitable structure of the type mentioned above. Thus, by means of suitable image processing, the spatial position of the object can be determined. A method for stereometric measurement with several cameras on a measuring head combined with a laser scanner for targeted illumination of objects in the room with defined patterns is described in the earlier, German patent application 10 2004 032 643 Al.
[33] Wird dem Messkopf des weiteren ein Distanzsensor beigefügt, kann die direkte Strecke vom Mess- köpf bis zum zu messenden Objekt auf ergänzende, unabhängige Art zusätzlich bestimmt werden. Das[33] If a distance sensor is also attached to the measuring head, the direct distance from the measuring head to the object to be measured can additionally be determined in a supplementary, independent way. The
Verfahren und die Vorrichtung lassen sich anwenden zur zusätzlichen Genauigkeitserhöhung für Systeme mit selbstleuchtenden und nicht selbstleuchtenden Oberflächenstrukturen der Objekte. Als Distanzsenso- ren kommen sowohl Systeme mit Laufzeitmessung in Frage, für die keine speziellen Reflektoren am Messobjekt angebracht werden müssen, als auch Systeme, welche auf dem zu messenden Objekt hochreflektierende Bereiche, beispielsweise Trippelspiegel, benötigen. Für die Bestimmung der Raumlage des Objektes versehen mit einem Trippelspiegel genügt damit ein Distanzmesser und ein bildgebendes Sys- tem.The method and the device can be used for additional accuracy enhancement for systems with self-illuminating and non-self-luminous surface structures of the objects. As distance sensor Ren come both systems with transit time measurement in question, for which no special reflectors must be attached to the measurement object, as well as systems that require highly reflective areas on the object to be measured, such as triple mirrors. For determining the spatial position of the object provided with a triple mirror, a distance meter and an imaging system are sufficient.
[34] Die Kombination aus bildgebenden Systemen und einem Distanzmesser auf der Messplattform mit Trippelspiegel und selbstleuchtenden oder nicht selbstleuchtenden Oberflächenstrukturen auf dem Objekt erlaubt die Messung der Raumlage des Objekts bezüglich des Messkopfs.The combination of imaging systems and a distance meter on the measuring platform with triple mirror and self-luminous or non-self-luminous surface structures on the object allows the measurement of the spatial position of the object relative to the measuring head.
[35] Beinhaltet die Messplattform einen Distanzmesser, welcher durch eine Kameraoptik geführt wird, können Messverfahren angewendet werden, welche über Shutter- oder Umlenkfunktionen den Distanzsensor sequentiell auf mehrere am Messobjekt angebrachte Trippelspiegel oder ähnliches richten, um einerseits die Raumdistanz zu erfassen und andererseits die laterale Lage der Reflektoren mit einem bildgebenden System zu erfassen. Mittels eines zusätzlich integrierten Laser-Scanners können die Reflektoren ebenfalls gezielt angestrahlt werden.[35] If the measuring platform includes a distance meter, which is guided by a camera optics, measuring methods can be used, which use shutter or deflection functions to direct the distance sensor sequentially to several triple mirrors or the like mounted on the measurement object in order to detect the spatial distance on the one hand and the lateral one on the other hand Location of the reflectors to capture with an imaging system. By means of an additionally integrated laser scanner, the reflectors can also be selectively illuminated.
[36] Weiter kann das Messsystem eine aufgeweitete Lichtquelle beinhalten, welche das ganze Objekt anstrahlt. Die Reflektoren werfen reflektiertes Licht zurück durch die Sendeoptik in die Empfangssensoren, beispielsweise zum Distanzmesser oder zum bildgebenden System. Damit kann der Laser-Scanner ersetzt werden.[36] Furthermore, the measuring system may include an expanded light source which illuminates the entire object. The reflectors throw reflected light back through the transmitting optics into the receiving sensors, for example the distance meter or the imaging system. This will replace the laser scanner.
[37] hi Kombination mit einem Laser-Scanner und einem Distanzmesser genügt eine Photodiode, um die Distanzen und Raumwinkel zu mindestens drei auf dem Messobjekt angebrachten Reflektoren zu messen. Durch geeignete Kombination der vom Laser-Scanner erhaltenen Auslenkwinkel mit dem Signal des Photosensors kann damit die Raumlage des Objekts bestimmt werden.[37] In combination with a laser scanner and a distance meter, a photodiode is sufficient to measure the distances and solid angles to at least three reflectors mounted on the measurement object. By suitable combination of the deflection angle obtained by the laser scanner with the signal of the photosensor so that the spatial position of the object can be determined.
[38] Zur Lagevermessung des zu messenden Objekts kann auch ein System bestehend aus mehreren im Raum verteilten Lichtquellen und Laufzeitmessern dienen. Dabei wird ein geeignetes Lichtsignal von der Sendereinheit auf der Messplattform an das zu messende Objekt gesendet. Über eine Empfängerdiode auf dem Objekt wird mit jeweils konstantem Zeitversatz aus räumlich verteilt angebrachten Lichtquellen je ein Signal ausgesendet. Diese Lichtsignale gelangen im ungestörten Falle als Kugelwellen zum Messsystem, wo an mindestens drei Stellen die Laufzeiten mittels Sensoren gemessen werden. Mit den bekannten Signalgeschwindigkeiten im Medium zwischen den Sendern und Empfängern können die entsprechenden Distanzen berechnet werden. Durch Kombination von all den eintreffenden und ermittelten Raumdistanzen kann eine hohe Redundanz erreicht werden, welche die Messgenauigkeit erhöhen lässt. [39] Der Auswertealgorithmus im Messsystem kann selbstlernend oder interaktiv gestaltet sein, indem die Messergebnisse laufend ausgewertet werden und die Nachstellinformationen der Messplattform zurückgegeben werden. Auf die Weise ist es möglich, in Echtzeit die Trajektorie eines bewegten Objekts exakt zu bestimmen.For measuring the position of the object to be measured, it is also possible to use a system consisting of several light sources and time meters distributed in space. In this case, a suitable light signal is sent from the transmitter unit on the measuring platform to the object to be measured. A signal is transmitted via a receiver diode on the object, each with a constant time offset from spatially distributed light sources. In the undisturbed case, these light signals travel as spherical waves to the measuring system, where the transit times are measured by means of sensors at at least three points. With the known signal speeds in the medium between the transmitters and receivers, the corresponding distances can be calculated. By combining all the incoming and determined space distances, a high level of redundancy can be achieved, which increases the measurement accuracy. [39] The evaluation algorithm in the measuring system can be designed to be self-learning or interactive by continuously evaluating the measurement results and returning the adjustment information to the measurement platform. In this way it is possible to exactly determine the trajectory of a moving object in real time.
[40] Damit das Messsystem eine kleine Baugröße aufweist und damit es sich handlich transportieren lässt, kann dessen Konstruktion in teleskopischer oder in ausklappbarer Bauart ausgeführt werden.[40] So that the measuring system has a small size and can therefore be transported conveniently, its construction can be carried out in a telescopic or in a fold-out design.
[41] Damit die Messgenauigkeit des Systems garantiert werden kann, kann das System mit einem unabhängigen Drittsystem kalibriert werden oder man kann ein definiertes Objekt in das Messvolumen halten, worauf sich das Messsystem selbst kalibriert. Eine Selbstkalibrierung lässt sich bei Systemen mit mindes- tens zwei Kameras unter Verwendung einer beliebigen ebenen Fläche, das heißt einer Fläche erster Ordnung automatisch realisieren: das System muss in einen Raum mit einer ebenen Fläche gebracht werden. Dann sucht es sich eine brauchbare Ebene, erzeugt ein bestimmtes Lichtmuster und empfängt auf allen Kameras das Bild. Mit geeigneter Software wird die Kalibrierung bewerkstelligt.[41] In order to guarantee the measuring accuracy of the system, the system can be calibrated with an independent third-party system or one can hold a defined object in the measuring volume, which is then calibrated by the measuring system itself. Self-calibration can be achieved automatically in systems with at least two cameras using any flat surface, ie a first-order surface: the system must be placed in a room with a flat surface. Then it looks for a usable plane, creates a specific light pattern and receives the image on all cameras. With suitable software, the calibration is accomplished.
[42] Das Verfahren ist so zu gestalten, dass die Messplattform mit den lichtgebenden und bilderfassenden Einheiten um zwei Achsen gedreht werden kann. Vorzugsweise wird die Messplattform kardanisch in zwei Achsen gelagert und verstellt. Die eingestellten relativen Winkelpositionen werden über Winkeldecoder sehr präzise erfasst.[42] The procedure is to be designed in such a way that the measuring platform with the light-emitting and image-capturing units can be rotated about two axes. Preferably, the measuring platform is gimbal stored and adjusted in two axes. The set relative angular positions are detected very precisely by means of angle decoders.
[43] Das Auffinden des Objekts beruht auf bekannten Techniken. So kann eine Kamera mit Fischaugobjektiv auf der Messplattform die Raumrichtung zu einer Leuchtdiode auf dem Objekt genügend genau messen, so dass die Messplattform auf das Objekt ausgerichtet werden kann. Eine andere Technik besteht zum Beispiel darin, dass sowohl auf dem Objekt als auch auf der Messplattform je ein GPS-Empfänger angebracht ist und diese beispielsweise mittels WLAN miteinander kommunizieren, so dass die Relativposition des Objekts zur Messplattform genügend genau bekannt ist für die entsprechende Ausrichtung der Messplattform.[43] The discovery of the object is based on known techniques. For example, a camera with a fish-eye lens on the measuring platform can measure the spatial direction to a light-emitting diode on the object with sufficient accuracy so that the measuring platform can be aligned with the object. Another technique consists, for example, in that a GPS receiver is mounted both on the object and on the measuring platform and these communicate with each other, for example by means of WLAN, so that the relative position of the object to the measuring platform is known with sufficient accuracy for the corresponding alignment of the object measurement platform.
[44] Die Datenaufbereitung in der Kamera beinhaltet eine Sequenz bestehend aus einer Hintergrundaufnahme ohne aktive Lichtquelle und der darauf folgenden Bilderreihe mit Belichtung, einer optoelektronischen Korrektur für jedes Pixel, sowie statistischen Informationen der Bilddaten nach erfolgter Subtraktion der Hintergrundaufhahme, wie beispielsweise sektorieller Histogramme, Histogramme pro Zeile und Spalte, Mittelwert, Minima und Maxima von Grauwertinformationen. Die Sequenz kann je nach Hinter- grund alternierend zu jeder Aufnahme eine Hintergrundaufhahme beinhalten oder falls sich der Hintergrund wenig oder nicht bewegt, kann eine Hintergrundaufhahme für eine längere Bilderreihe verwendet werden. Weiter wird eine Bildkompression in Subbilder mit beispielsweise 4 x 4 oder 8 x 8 Pixel im Da- tenfluss beim Auslesen der Bilder aus dem Sensor errechnet. Diese Subbilder dienen dem raschen Auffinden von gesuchten Bildinfoπnationen.The data processing in the camera includes a sequence consisting of a background image without active light source and the subsequent series of images with exposure, an optoelectronic correction for each pixel, as well as statistical information of the image data after the subtraction of the background recording, such as sectoral histograms, histograms per row and column, mean, minima and maxima of gray value information. Depending on the background, the sequence may include a background shot alternating with each shot, or if the background is low or not moving, a background shot may be used for a longer frame of images become. Furthermore, image compression in sub-images with, for example, 4 × 4 or 8 × 8 pixels in the data flow when reading out the images from the sensor is calculated. These subpictures are used to quickly find searched Bildinfoπnationen.
[45] In einigen bekannten Systemen der obersten Genauigkeitsklasse werden Kameras mit Zoomobjekti- ven eingesetzt. Der Fokus dieser Objektive wird dabei so variiert, dass die Bildgrösse des leuchtenden Teils des Objektes unabhängig von der Distanz zwischen der Kamera und dem Objekt ist.[45] In some known systems of the highest accuracy class, cameras with zoom lenses are used. The focus of these lenses is varied so that the image size of the luminous part of the object is independent of the distance between the camera and the object.
[46] Im Gegensatz dazu basiert die hier vorgestellte Vorrichtung auf Kameras, die Optiken mit festen Brennweiten haben. Damit ist auch der Feldwinkel dieser Kameras konstant. Im Fernfeld einer Kamera mit konstantem Feldwinkel wird typischerweise die gesamte Oberflächenstruktur auf den Sensor abgebil- det, währenddem im Nahfeld nur ein Teil der Struktur vom Sensor erfasst wird. Im Fernfeld der Kamera wird die gesamte Struktur auf den Sensor abgebildet, jedoch werden nur die gröberen Strukturen vom Sensor genügend aufgelöst. Im Nahfeld der Kamera werden die feinen Strukturen vom Sensor genügend aufgelöst, jedoch nur ein Teil der Struktur wird auf den Sensor abgebildet. Die Bildgröße der Struktur variiert derart mit dem Abstand zwischen Kamera und Objekt, dass im Fernfeld lediglich ein Teil des Sensors belegt wird, währenddem im Nachfeld der abgebildete Teil der Struktur den gesamten Sensor belegt. Für mittlere Distanzen zwischen der Kamera und dem Objekt sind die Strukturen entsprechend angepasst, sodass über den gesamten Distanzbereich zwischen Kamera und Objekt übergangslos eine ausreichend gute Auflösung erreicht werden kann. Damit besteht die Oberflächenstruktur aus Bereichen unterschiedlich feiner Strukturen. Gröbere und feine Strukturen können sich durchdringen.[46] In contrast, the device presented here is based on cameras that have optics with fixed focal lengths. Thus, the field angle of these cameras is constant. In the far field of a camera with a constant field angle, the entire surface structure is typically imaged on the sensor, while in the near field only part of the structure is detected by the sensor. In the far field of the camera, the entire structure is imaged on the sensor, but only the coarser structures are sufficiently resolved by the sensor. In the near field of the camera, the fine structures are sufficiently resolved by the sensor, but only a part of the structure is imaged on the sensor. The image size of the structure varies in such a way with the distance between the camera and the object that only part of the sensor is occupied in the far field, while in the after field the imaged part of the structure occupies the entire sensor. For medium distances between the camera and the object, the structures are adapted accordingly, so that over the entire distance range between camera and object, a sufficiently good resolution can be achieved without transition. Thus, the surface structure consists of areas of different fine structures. Coarse and fine structures can penetrate.
[47] Die optische Achse der Kamera wird immer auf das Gebiet mit der feinsten Struktur ausgerichtet. Enthält das Objekt einen Trippelspiegel, dann ist das Gebiet mit der feinsten Struktur um denselben angeordnet. Der Trippelspiegel muss sich nicht im Zentrum von gröberen Strukturen befinden.[47] The optical axis of the camera is always aligned to the area with the finest structure. If the object contains a triple mirror, then the area with the finest structure is arranged around it. The triple mirror does not have to be in the center of coarser structures.
[48] Das Bild der Struktur auf dem Sensor beinhaltet viel mehr Pixel mit Grauwertinformation als dies die üblichen Vorrichtungen mit Leuchtpunkten haben. Die Genauigkeit der Lagebestimmung des Körpers im Raum wird damit verbessert. Zusätzlich können mit den redundanten Informationen der Struktur Qualitätsaussagen über den Zustand des Objektes während der Messung gemacht werden. Dadurch können Deformationen auf dem mit Strukturen versehenen Objekt gezielt erfasst werden. So ist es beispielsweise möglich, ungewollte Deformationen auf dem Objekt während dem Messvorgang zu erkennen oder gewollt verursachte plastische Deformationen quantitativ zu erfassen.[48] The image of the structure on the sensor contains many more pixels with gray scale information than the usual devices with luminous dots. The accuracy of the orientation of the body in space is thus improved. In addition, with the redundant information of the structure, quality statements can be made about the state of the object during the measurement. As a result, deformations on the object provided with structures can be specifically detected. Thus, it is possible, for example, to detect unwanted deformations on the object during the measuring process or to quantitatively detect intentionally caused plastic deformations.
[49] Eine selbstleuchtende Struktur wird erzeugt, indem sich hinter einer als Maske ausgebildeten Struktur eine Hintergrundbeleuchtung befindet. Diese Hintergrundbeleuchtung kann ein Mehrfachstreuer analog einer Ulbrichtkugel sein, so dass eine annähernd homogene Leuchtdichte erzeugt wird. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendimg von selbstleuchtenden Flächenanzeigen wie OLED (organische LED) mit hohem Kontrast und Leuchtdichte.[49] A self-luminous structure is created by a backlight behind a masked structure. This backlight can be a spreader analog be an integrating sphere, so that an approximately homogeneous luminance is generated. Another possibility is the use of self-luminous area displays such as OLED (organic LED) with high contrast and luminance.
[50] Selbstleuchtende Strukturen können auch durch Projektion von Mustern auf das Objekt erzeugt wer- den. Die Projektionseinheit kann sich innerhalb oder außerhalb des Objektes befinden.[50] Self-luminous structures can also be created by projecting patterns onto the object. The projection unit may be inside or outside the object.
[51] Die Struktur ist typischerweise statisch. Sie kann jedoch auch dynamisch sein, indem beispielsweise der Feinheitsgrad der Struktur oder die Ausdehnung der beleuchteten Struktur von der Distanz des Objekts von der Kamera entsprechend variiert wird.[51] The structure is typically static. However, it can also be dynamic, for example by varying the degree of fineness of the structure or the extent of the illuminated structure by the distance of the object from the camera.
[52] Bedingt durch die endliche Aufhahmezeit des Sensors für ein Bild muss bei bewegten Objekten die Integrationszeit entsprechend kurz gehalten werden. Je genauer die Messung der Körperorientierung sein soll, desto kürzer muss entweder die Sensorbelichtungszeit oder alternativ der Lichtpuls der selbstleuchtenden oder beleuchteten Struktur sein.[52] Due to the finite recording time of the sensor for an image, the integration time must be kept short for moving objects. The more accurate the measurement of the body orientation is, the shorter must be either the sensor exposure time or, alternatively, the light pulse of the self-luminous or illuminated structure.
[53] Die Objektstruktur muss der geforderten Messgenauigkeit des Gesamtsystems genügen. Die Genauigkeit der Orientierungsbestimmung eines Objektes hängt unter anderen von der Strukturgröße, von den Details der Struktur, von den Leuchtdichte oder Beleuchtungsstärke der Struktur, von der Distanz Kamera - Objekt oder den elektrooptischen Eigenschaften der Kamera ab. Dreidimensional ausgebildete Strukturen ergeben genauere Orientierungsbestimmung als flache Strukturen.[53] The object structure must meet the required measurement accuracy of the overall system. The accuracy of the orientation determination of an object depends, among other things, on the structure size, the details of the structure, the luminance or illuminance of the structure, the distance camera object or the electro-optical properties of the camera. Three-dimensional structures provide more accurate orientation determination than flat structures.
[54] Im folgenden wird eine Struktur beschrieben, welche selbstleuchtend oder nicht selbstleuchtend ist. Die Struktur soll einen Trippelspiegel für die Distanzmessung enthalten. Die Struktur besteht aus selbst- leuchtenden oder nicht selbstleuchtenden Linien mit unterschiedlichen Breiten, so dass die Bilder auf dem digitalen Sensor für die angewendete Subpixelauswertung optimale Linienbreiten aufweisen. Die in der Auswertung verwendeten Linien dürfen nicht zu fein sein im Verhältnis zur Pixelabmessung, so dass keine ungewollten Moiree - Effekte entstehen. Die Struktur ist dreidimensional ausgebildet. Dabei ist zu beachten, dass die gesamte Struktur für alle geforderten Kippwinkel und Distanzen von der Kamera genügend gut einsehbar sind.[54] The following describes a structure that is self-luminous or not self-luminous. The structure should contain a tripple mirror for the distance measurement. The structure consists of self-luminous or non-self-luminous lines with different widths, so that the images on the digital sensor have optimal line widths for the applied subpixel evaluation. The lines used in the evaluation must not be too fine in relation to the pixel size, so that no unwanted moiré effects occur. The structure is formed in three dimensions. It should be noted that the entire structure for all required tilt angle and distances from the camera are sufficiently visible.
[55] Die gesamte Struktur kann dazu dienen, die inhärente Integrität und der Tastspitze zu überprüfen. Dazu wird die Information der aktuellen Struktur laufend mit der Struktur vor dem Messvorgang verglichen. So können beispielsweise Körperdeformationen bei Crashtest von Baugruppen erfasst werden, welche absichtlich während der Messung herbeigeführt werden. Die Position der Tastspitze bezüglich der Struktur kann mittels einer geeigneten Bewegung des Körpers um die Tastspitze überprüft werden. Dazu wird die Information der aktuellen Struktur und der aktuelle Position der Tastkopfspitze bezüglich der Struktur laufend mit den entsprechenden Werten vor der Messung verglichen.[55] The entire structure can serve to verify the inherent integrity and stylus tip. For this purpose, the information of the current structure is continuously compared with the structure before the measurement process. Thus, for example, body deformations can be detected during crash tests of assemblies which are intentionally induced during the measurement. The position of the probe tip with respect to the structure can be checked by means of a suitable movement of the body around the probe tip. To For example, the information of the current structure and the current position of the probe tip with respect to the structure is continuously compared with the corresponding values before the measurement.
[56] Vor den Sensor muss ein optisches Bandpassfilter angebracht sein, so dass ein möglichst großer Anteil des Streulichts der Umgebung vom Sensor ferngehalten wird. Zusätzlich ist zu beachten, dass kein Licht anderer Systemelemente wie Laser den Sensor erreicht. Störende Sekundärlichtstreuungen können mittels einer Differenzbildung von Bildern mit und ohne Strukturbeleuchtung reduziert werden.[56] An optical bandpass filter must be installed in front of the sensor so that as much of the ambient light as possible is kept away from the sensor. In addition, it should be noted that no light from other system elements such as laser reaches the sensor. Disturbing secondary light scattering can be reduced by differentiating images with and without structure illumination.
[57] Die Strukturoberflächen sollten genügend verschleißfest und mit einer transparenten, dünnen, schmutzabweisenden Schicht überzogen sein. Als Oberflächenmaterial eignet sich zum Beispiel Saphir. Die Schutzschicht kann Epilame sein, das seit vielen Jahrzehnten erfolgreich in der Uhrenindustrie einge- setzt wird.[57] The structure surfaces should be sufficiently wear-resistant and covered with a transparent, thin, dirt-repellent layer. As surface material, for example, sapphire is suitable. The protective layer can be Epilame, which has been used successfully in the watch industry for many decades.
[58] Der Laserstrahl des Distanzmessers auf der Messplattform wird auf das Zentrum des Trippelspiegels ausgerichtet. Die Ausrichtwinkel des Distanzmessers beziehen sich auf das Koordinatensystem des Messkopfes. Der Distanzmesser ermittelt entlang der optischen Achse die Distanz zwischen einem vorgegebenen Punkt auf der Messplattform und dem Zentrum des Trippelspiegels. Damit sind die Koordinaten des Zentrums des Trippelspiegels bezüglich dem Koordinatensystem des Messkopfes bekannt.[58] The laser beam of the distance meter on the measuring platform is aligned with the center of the triple mirror. The alignment angles of the distance meter refer to the coordinate system of the measuring head. The distance meter determines along the optical axis the distance between a predetermined point on the measuring platform and the center of the triple mirror. Thus, the coordinates of the center of the triple mirror with respect to the coordinate system of the measuring head are known.
[59] Die Raumorientierung des Objektes wird bezüglich dem jetzt bekannten Zentrum des Trippelspiegels durch die Auswertung des Sensorbildes der Struktur auf dem Objekt ermittelt. Das Verfahren basiert auf dem Vergleich (Korrelation) des Bildes der Struktur mit dem bekannten Referenzbild der Struktur. Beim Vergleich werden die Strukturinformationen nicht auf wenige durch gewisse Symmetrien ausgezeichnete Punkte reduziert. Vielmehr werden beim Vergleich die gesamte Bildfläche oder Teilbereiche davon direkt verwendet. Bei der praktischen Umsetzung der Korrelationstechnik kann[59] The spatial orientation of the object is determined with respect to the now known center of the triple mirror by the evaluation of the sensor image of the structure on the object. The method is based on the comparison (correlation) of the image of the structure with the known reference image of the structure. In the comparison, the structural information is not reduced to a few points that are distinguished by certain symmetries. Rather, the entire image area or partial areas thereof are used directly in the comparison. In the practical implementation of the correlation technique can
[60] 1. das Sensorbild verdichtet werden, indem Pixelgebiete jeweils zu einem „größeren Pixel" zusam- mengefasst werden. Die gesamte Anzahl der „größeren Pixel" wird damit gegenüber der Anzahl der „normalen Pixel" kleiner. Beispielsweise werden so Quadrate der Seitenlänge von 8 Pixels zu einem grö- ßeren Quadrat mit nur einem Grauwert zusammengefasst. Die weitere Auswertung des so verdichteten Sensorbildes basiert immer noch auf dem direkten Vergleich mit dem Referenzbild. Damit wird eine erste Näherung für die Parameter der Raumorientierung des Objektes gewonnen,[60] 1. the sensor image is condensed by merging pixel regions into one "larger pixel", thus making the total number of "larger pixels" smaller than the number of "normal pixels." For example, squares of the side length become such The further evaluation of the thus condensed sensor image is still based on the direct comparison with the reference image, thus obtaining a first approximation for the parameters of the spatial orientation of the object.
[61]2. das Sensorbild in mehrere Bilder aufgespalten werden, die durch parallele Horizontalschnitte entstehen. Diese Verteilungen gestatten die Gewinnung einer ersten Näherung für die Parameter der Raumorientierung der Struktur. Anstaue der Parallel der Horizontalschnitte können auch Vertikalschnitte oder Diagonalschnitte angewendet werden,[61]. 2 the sensor image is split into several images that are created by parallel horizontal sections. These distributions allow obtaining a first approximation of the parameters of the Spatial orientation of the structure. Jamming of the parallel of the horizontal sections can also be applied to vertical sections or diagonal cuts,
[62] 3. das Sensorbild in Teilbereiche aufgespalten werden, die alle individuell mit korrespondierenden Teilbereichen des Referenzbildes korreliert werden. So werden beispielsweise sich kreuzende Linien gesamthaft ausgewertet und nicht der Kreuzungspunkt ermittelt.[62] 3. the sensor image is split into subareas that are all individually correlated with corresponding subregions of the reference image. For example, intersecting lines are evaluated in their entirety and the intersection point is not determined.
[63] Eine vorteilhafte Vorgehensweise sieht dabei folgendes vor:[63] An advantageous procedure provides the following:
[64] Es wird nur ein Teil der Raumorientierung des Objektes bestimmt, beispielsweise der Rotationswinkel (Roll) um die optische Achse des Distanzmessers und dass[64] Only a part of the spatial orientation of the object is determined, for example the rotation angle (roll) around the optical axis of the distance meter and that
[65] die Struktur um den Trippelspiegel dafür geeignet ist (beispielsweise mit Kontrastunterschieden), den Roll- Winkel zu messen.[65] the structure around the triple mirror is suitable (for example with contrast differences) to measure the roll angle.
[66] Im Folgenden wird anhand der Fig. 1 und 2 zunächst der aktuelle Stand der Technik gemäß EP 0 880 674 Bl und DE 690 05 106 T2 näher erläutert.[66] In the following, the current state of the art according to EP 0 880 674 Bl and DE 690 05 106 T2 will be explained in greater detail with reference to FIGS. 1 and 2.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Auf einer kardanisch gelagerten Messplattform sind mindestens eine Kamera und ein Distanzmesser angebracht. Auf dem Objekt befinden sich ein Trippelspiegel sowie aktive Punkt-Lichtquellen, wie beispielsweise Leuchtdioden,Fig. 1 shows a schematic representation of the device for measuring the spatial positions of moving objects. At least one camera and a distance meter are mounted on a gimbal-mounted measuring platform. On the object are a triple mirror as well as active point light sources, such as light emitting diodes,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines manuell geführten Objekts (Messtaster).Fig. 2 shows a schematic representation of a manually guided object (probe).
[67] Anhand der nachfolgenden Figuren 3 bis 13 wird die Erfindung näher erläutert.[67] With reference to the following figures 3 to 13, the invention will be explained in more detail.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Messung der Raumlagen von beweg- liehen Objekten. Auf der kardanisch gelagerten Messplattform sind mehrere bildgebende Systeme, wie zum Beispiel Kameras, angebracht. Auf der Objektoberfläche befindet sich eine selbstleuchtende Struktur, beispielsweise bestehend aus geraden oder gekrümmten Linien, Flächen mit Grauwertabstufungen oder deren Kombinationen. Diese Struktur wird auf die stereometrisch angeordneten bildgebenden Systeme abgebildet und mit geeigneten Algorithmen deren Raumlage bestimmt. Die GPS-Systeme und die Sender/Empfänger auf der Messplattform und auf dem Objekt dienen zum Ausrichten der Messplattform auf das Objekt bei Messbeginn, Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer selbstleuchtenden Struktur auf der Objektoberfläche,FIG. 3 shows a schematic representation of the device for measuring the spatial positions of moving objects. Several gauging systems, such as cameras, are mounted on the gimbal-mounted measuring platform. On the object surface is a self-luminous structure, for example, consisting of straight or curved lines, areas with gray scale gradations or their combinations. This structure is imaged on the stereometrically arranged imaging systems and determines their spatial position with suitable algorithms. The GPS systems and the transceivers on the measuring platform and on the object are used to align the measuring platform with the object at the beginning of the measurement, 4 shows a schematic representation of a self-luminous structure on the object surface,
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung derFig. 5 shows another embodiment of the inventive arrangement for measuring the
Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform sind mindestens zwei bildge- bende Systeme, ein Laser-Scanner bestehend aus einem Spiegelsystem und einem Laser angebracht. Auf dem Objekt ist eine beliebige nicht selbstleuchtende Oberflächenstruktur, wie zum Beispiel ein Relief oder ein Grauwertmuster aus geeigneten reflektierenden Materialien oder eine Kombination davon, angebracht, die vom Laser-Scanner in geeigneter Weise sequentiell beleuchtet wird,Location of moving objects: At least two imaging systems, a laser scanner consisting of a mirror system and a laser, are mounted on the measuring platform. Any non-self-luminous surface structure, such as a relief or gray pattern of suitable reflective materials, or a combination thereof, which is suitably sequentially illuminated by the laser scanner, is mounted on the object.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsfoπn der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung derFig. 6 shows another Ausführungsfoπn the inventive arrangement for measuring the
Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform sind mindestens ein bildgebendes System und ein Distanzmesser angebracht. Auf dem Objekt sind ein Reflektor, beispielsweise ein Trippelspiegel, sowie eine selbstleuchtende Struktur gemäss Fig. 4 angebracht,Location of moving objects: At least one imaging system and a distance meter are mounted on the measuring platform. Mounted on the object are a reflector, for example a triple mirror, as well as a self-luminous structure according to FIG. 4,
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform sind mindestens ein bildgebendes System, ein Distanzmesser und eine breit strahlende Lichtquelle angebracht. Auf dem Objekt sind ein Reflektor, beispielsweise ein Trippelspiegel, und eine beliebige nicht selbstleuchtende Struktur, wie in Fig. 5 beschrieben, angebracht,FIG. 7 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects: at least one imaging system, a distance meter and a wide-angle light source are mounted on the measurement platform. On the object, a reflector, for example a triple mirror, and any non-self-luminous structure, as described in Fig. 5, attached,
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung derFig. 8 shows a further embodiment of the inventive arrangement for measuring the
Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform sind mindestens ein bildgebendes System und ein mittels eines Spiegelsystems auf das Objekt gerichteter Distanzmesser angebracht. Das Objekt weist dieselbe Oberflächengestaltung wie in Fig. 6 auf,Location of moving objects: The measuring platform has at least one imaging system and a distance meter aimed at the object by means of a mirror system. The object has the same surface design as in FIG. 6,
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform sind ein bildgebendes System, ein Distanzmesser und eine breit strahlende Lichtquelle angebracht, die alle mittels einer geeigneten Anordnung optischer Elemente durch die gleiche Optik auf das Objekt gerichtet sind. Auf dem Objekt sind mindestens drei Trippelspiegel angebracht,Fig. 9 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects: On the measuring platform, an imaging system, a distance meter and a wide-beam light source are mounted, all by means of a suitable arrangement of optical elements by the same optics on the object are directed. At least three triple mirrors are attached to the object,
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform befinden sich ein Distanzmes- ser und ein Laser, deren Lichtstrahlen mit einem gemeinsamen Scanner ausgelenkt werden, und ein bildgebendes System, welches mittels einer geeigneten Anordnung optischer Elemente durch die gleiche Optik auf das Objekt gerichtet sind. Auf dem Objekt sind eine selbstleuchtende Struktur, wie in Fig. 4 beschrieben, und mehrere Trippelspiegel angebracht,10 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects: on the measuring platform there is a distance measurement. and a laser, whose light beams are deflected by a common scanner, and an imaging system, which are directed by a suitable arrangement of optical elements by the same optics on the object. On the object, a self-luminous structure, as described in Fig. 4, and a plurality of triples mounted,
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform befinden sich ein Distanzmesser und ein Laser, deren Lichtstrahlen mit einem gemeinsamen Scanner ausgelenkt werden, sowie ein Photosensor, die alle mittels einer geeigneten Anordnung optischer Elemente durch die gleiche Optik auf das Objekt gerichtet sind. Auf dem Objekt sind mindestens drei stark re- flektierende Bereiche, beispielsweise Trippelspiegel, angebracht,11 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects: On the measuring platform are a distance meter and a laser whose light beams are deflected by a common scanner and a photosensor, all by means of a suitable arrangement of optical elements are directed to the object through the same optics. At least three strongly reflecting areas, such as triple mirrors, are mounted on the object,
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung derFig. 12 shows a further embodiment of the inventive arrangement for measuring the
Raumlagen von beweglichen Objekten: Auf der Messplattform befinden sich ein Sender und mindestens drei Empfänger zur Laufzeitmessung von Kugelwellen-Fronten, wie zum BeispielLocation of moving objects: The measuring platform contains a transmitter and at least three receivers for measuring the propagation time of spherical wave fronts, such as
Lichtpulsen oder Radarwellen. Auf dem Objekt sind ein Empfänger und mindestens drei Sen- der angebracht undLight pulses or radar waves. On the object a receiver and at least three transmitters are attached and
Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung der Signalfolge für Laufzeitmessungen zur Bestimmung der Raumlagen von beweglichen Objekten.FIG. 13 shows a schematic representation of the signal sequence for transit time measurements for determining the spatial positions of moving objects.
Fig. 14 zeigt eine schematische Darstellung einer selbstleuchtenden oder nicht selbstleuchtenden Struktur auf der Objektoberfläche mit rechteckigem Gittermuster. Die schwarz eingefärbten Linien des Gittermusters sind Orte mit hoher Helligkeit und konstanter Leuchtdichte oder hohem Reflektionsvermögen. Die Gebiete um die schwarz eingefärbten Linien absorbieren das Licht. Im Zentrum ist der Trippelspiegel angeordnet.14 shows a schematic representation of a self-luminous or non-self-luminous structure on the object surface with a rectangular grid pattern. The black colored lines of the grid pattern are places with high brightness and constant luminance or high reflectivity. The areas around the black colored lines absorb the light. In the center of the triple mirror is arranged.
Fig. 15 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Struktur auf der Objektoberfläche mit kreis- förmigem Gittermuster mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 15 shows a further schematic representation of a structure on the object surface with a circular grid pattern having the same properties as in FIG. 14.
Fig. 16 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Struktur auf der Objektoberfläche mit ellip- senförmigem Gittermuster mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 16 shows a further schematic representation of a structure on the object surface with an elliptical lattice pattern having the same properties as in FIG. 14.
Fig. 17 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Struktur auf der Objektoberfläche mit achteckigem Gittermuster mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14. Fig. 18 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Struktur auf der Objektoberfläche bestehend aus acht Sektoren mit Kreuzmuster mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 17 shows a further schematic representation of a structure on the object surface with an octagonal grid pattern with the same properties as in FIG. 14. FIG. 18 shows another schematic representation of a structure on the object surface consisting of eight sectors with cross patterns with the same properties as in FIG. 14.
Fig. 19 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Objektes mit einer Tasterspitze und einer Struktur auf der Objektoberfläche. Die Struktur auf der Objektoberfläche ist ein achtstrahliges19 shows a further schematic representation of an object with a stylus tip and a structure on the object surface. The structure on the object surface is an eight-beam
Kreuzmuster mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.Cross pattern with the same properties as in FIG. 14.
Fig. 20 zeigt eine schematische Darstellung von sich kreuzenden Linien. Die schwarz eingefärbten Linien oder Gebiete sind Orte mit hoher Helligkeit und konstanter Leuchtdichte oder hohem Reflektionsvermögen. Die nicht schwarz eingefarbten Gebiete absorbieren das Licht.Fig. 20 shows a schematic representation of intersecting lines. The black colored lines or areas are places with high brightness and constant luminance or high reflectivity. The non-blackened areas absorb the light.
Fig. 21 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer um den Trippelspiegel angeordneten Struktur mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 21 shows a further schematic representation of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
Fig. 22 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer um den Trippelspiegel angeordneten Struktur mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 22 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
Fig. 23 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer um den Trippelspiegel angeordneten Struktur mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 23 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
Fig. 24 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer um den Trippelspiegel angeordneten Struktur mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 24 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
Fig. 25 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer um den Trippelspiegel angeordneten Struk- tur mit den gleichen Eigenschaften wie in Figur 14.FIG. 25 shows a further schematic representation of a structure arranged around the triple mirror with the same properties as in FIG. 14.
Fig. 26 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer um den Trippelspiegel angeordneten Struktur bestehend aus Sektoren. Die schwarz eingefärbten Sektoren sind Orte mit hoher Helligkeit und konstanter Leuchtdichte oder hohem Reflektionsvermögen. Die nicht schwarz eingefärb- ten Sektoren absorbieren das Licht. Das Koordinatensystem mit Zentrum im Tripelspiegelmit- telpunkt zeigt die Ausrichtwinkel.FIG. 26 shows a further schematic illustration of a structure arranged around the triple mirror and consisting of sectors. The black-colored sectors are places with high brightness and constant luminance or high reflectivity. The non-black colored sectors absorb the light. The coordinate system with center in the triple mirror center point shows the alignment angles.
[68] Die in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Vorrichtungen sind repräsentativ für den Stand der Technik und dienen der berührungslosen Messung der Raumlage eines Objektes 10 bezüglich eines Messkopfs 1. Eine Messplattform 6 wird zum Beispiel auf ein Stativ 2 montiert und vor das Objekt 10 gestellt. Die Messplattform 6 ist bei 3 ein- oder mehrachsig gelagert. Mit motorischer Verstellung 5 können beliebige Raumwinkel auf der Sphäre angefahren werden. Die Positionen der Messplattform 6 werden über exakte Winkeldecoder 4 erfasst. Auf der Messplattform 6 sind mindestens ein bildgebendes Systems 7 mit vorzugsweise einem CCD-Flächensensor und ein Distanzmesser 8 montiert. Auf dem Objekt 10, das vorzugsweise, wie in der Fig. 2 dargestellt, als Taster mit der Tastspitze 13 ausgebildet ist, befinden sich mindestens drei Leuchtdioden 12 und ein Trippelspiegel 11. Die Raumlage des Objekts wird mittels der Distanz zwischen dem Distanzmesser 8 und dem Trippelspiegel 11 und der Bildinformationen des bildgebenden Systems 7 der Leuchtdioden ermittelt.[68] The devices shown schematically in Figures 1 and 2 are representative of the prior art and are used for non-contact measurement of the spatial position of an object 10 with respect to a measuring head 1. A measuring platform 6 is mounted, for example on a tripod 2 and in front of the object 10 posed. The measuring platform 6 is stored at 3 single or multi-axis. With motorized adjustment 5 arbitrary solid angles can be approached on the sphere. The positions of the measuring platform 6 are detected by exact angle decoder 4. At least one imaging system 7 with preferably a CCD area sensor and a distance meter 8 are mounted on the measurement platform 6. On the object 10, which is preferably formed as a button with the probe tip 13, as shown in FIG. 2, there are at least three light emitting diodes 12 and a triple mirror 11. The spatial position of the object is determined by the distance between the distance meter 8 and the Trippelspiegel 11 and the image information of the imaging system 7 of the LEDs determined.
[69] Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt die wesentlichen Elemente der Erfindung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten 10, wie beispielsweise von Tastern mit der Tastspitze 13. Auf der bei 3 zweiachsig, vorzugsweise kardanisch, gelagerten Messplattform 6 sind mehrere bildgebende Systeme 7, wie zum Beispiel Kameras, angebracht. Auf der Objektoberfläche 10 befindet sich eine selbstleuchtende Struktur 14, beispielsweise bestehend aus geraden oder gekrümmten Linien endlicher Dicke, aus Flächen mit Grauwertmustern oder aus deren Kombinationen, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Diese Struktur 14 wird auf die stereometrisch angeordneten bildgebenden Systeme 7 abgebildet. Mit geeigneten Algorithmen werden die Raumlage der Struktur 14 und mit der geometrischen Kenntnis auch die Raumposition der Tastspitze 13 bestimmt.[69] The apparatus shown schematically in Fig. 3 shows the essential elements of the invention for measuring the spatial positions of moving objects 10, such as buttons with the probe tip 13. On the two-axis, preferably gimbal, mounted measuring platform 6 at 3 are several imaging Systems 7, such as cameras, attached. On the object surface 10 is a self-luminous structure 14, for example consisting of straight or curved lines of finite thickness, surfaces with gray scale patterns or combinations thereof, as shown in Fig. 4. This structure 14 is imaged onto the stereometrically arranged imaging systems 7. With appropriate algorithms, the spatial position of the structure 14 and with the geometric knowledge and the spatial position of the probe tip 13 are determined.
[70] Die in der Fig. 5 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt sind auf der Messplattform mindestens zwei bildgebende Systeme 7, ein Laser-Scanner, bestehend aus einem Spiegelsystem 18 und einem Laser 17 mit der Optik 21, angebracht. Auf dem Objekt 10 ist eine nicht selbstleuchtende Struktur 19 angebracht, die vom Laser-Scanner 17, 18 in geeigneter Weise sequentiell beleuchtet wird.[70] The device shown schematically in FIG. 5 shows another embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. At least two imaging systems 7, a laser scanner consisting of a mirror system 18 and a laser 17 with the optics 21, are now mounted on the measurement platform. On the object 10, a non-self-luminous structure 19 is mounted, which is illuminated by the laser scanner 17, 18 sequentially in a suitable manner.
[71] Die in der Fig. 6 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der erfin- dungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt sind auf der Messplattform mindestens ein bildgebendes System 7 und ein Distanzmesser 8 angebracht. Auf dem Objekt 10 sind ein Reflektor 11, beispielsweise ein Trippelspiegel, sowie eine selbstleuchtende Struktur 14 gemäss Fig. 4 angebracht.[71] The apparatus shown schematically in FIG. 6 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now at least one imaging system 7 and a distance meter 8 are mounted on the measuring platform. On the object 10, a reflector 11, for example, a triple mirror, and a self-luminous structure 14 as shown in FIG. 4 are attached.
[72] Die in der Fig. 7 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine weitere Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt sind auf der[72] The apparatus shown schematically in FIG. 7 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now are on the
Messplattform 6 mindestens ein bildgebendes System 7, ein Distanzmesser 8 und eine breit strahlendeMeasuring platform 6 at least one imaging system 7, a distance meter 8 and a wide-beam
Lichtquelle 22 angebracht, welche mittels der Optik 21 auf das Objekt 10 gerichtet sind. Auf dem Objekt 10 sind ein Reflektor 11, beispielsweise ein Trippelspiegel, und eine beliebige nicht selbstleuchtende Struktur 19 angebracht.Light source 22 is mounted, which are directed by means of the optics 21 to the object 10. On the object 10, a reflector 11, such as a triple mirror, and any non-self-luminous structure 19 are mounted.
[73] Die in der Fig. 8 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der erfϊn- dungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt sind auf der Messplattform 6 mindestens ein bildgebendes System 7 und ein mittels eines Scanners 18 und der Optik 21 auf das Objekt 10 gerichteter Laser 17 und ein Distanzmesser 8 angebracht. Auf dem Objekt 10 sind ein Reflektor 11, beispielsweise ein Trippelspiegel, sowie eine geeignete Kombination aus selbstleuchtenden 14 und nicht selbstleuchtenden Strukturen 19 angebracht.[73] The apparatus shown schematically in FIG. 8 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. At least one imaging system 7 and a laser 17 directed onto the object 10 by means of a scanner 18 and the optics 21 and a distance meter 8 are now mounted on the measuring platform 6. On the object 10, a reflector 11, such as a triple mirror, and a suitable combination of self-luminous 14 and non-self-luminous structures 19 are attached.
[74] Die in der Fig. 9 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine weitere Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt sind auf der[74] The apparatus shown schematically in FIG. 9 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now are on the
Messplattform 6 ein bildgebendes System 7, ein Distanzmesser 8 und eine breit strahlende Lichtquelle 22 angebracht, die alle mittels einer geeigneten Anordnung optischer Elemente 26 durch die gleiche Optik 21 auf das Objekt 10 gerichtet sind. Auf dem Objekt 10 sind mindestens drei Trippelspiegel 11 angebracht.Measuring platform 6, an imaging system 7, a distance meter 8 and a wide-angle light source 22 are mounted, which are all directed by a suitable arrangement of optical elements 26 through the same optics 21 to the object 10. At least three triple mirrors 11 are mounted on the object 10.
Der Distanzmesser 8 wird sequenziell mittels Ausrichtung der Messplattform 6 auf die einzelnen Trippel- Spiegel 11 gerichtet.The distance meter 8 is directed sequentially by means of alignment of the measuring platform 6 on the individual triple mirror 11.
[75] Die in der Fig. 10 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt sind auf der Messplattform 6 angeordnet ein Distanzmesser 8 und ein Laser 17, deren Lichtstrahlen mit einem gemeinsamen Scanner 18 ausgelenkt werden, und ein bildgebendes System 7, welche alle mittels einer geeigneten Anordnung optischer Elemente 26 durch die gleiche Optik 21 auf das Objekt 10 gerichtet sind. Auf dem Objekt 10 sind eine selbstleuchtende Struktur 14, wie in Fig. 4 beschrieben, und mehrere Trippelspiegel[75] The apparatus shown schematically in FIG. 10 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now arranged on the measuring platform 6 are a distance meter 8 and a laser 17, whose light beams are deflected by a common scanner 18, and an imaging system 7, all of which are directed by a suitable arrangement of optical elements 26 through the same optics 21 onto the object 10 are. On the object 10 are a self-luminous structure 14, as described in Fig. 4, and a plurality of triple mirrors
11 angebracht.11 attached.
[76] Die in der Fig. 11 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt sind auf der Messplattform 6 ein Distanzmesser 8 und ein Laser 17, deren Lichtstrahlen mit einem gemeinsamen Scanner 18 ausgelenkt werden, sowie ein Photosensor 23 angebracht, die alle mittels einer geeigneten Anordnung optischer Elemente 26 durch die gleiche Optik 21 auf das Objekt 10 gerichtet sind. Auf dem Objekt 10 sind mindestens drei stark reflektierende Bereiche, beispielsweise Trippelspiegel 11, angebracht.[76] The apparatus shown schematically in FIG. 11 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now on the measuring platform 6, a distance meter 8 and a laser 17, whose light beams are deflected by a common scanner 18, and a photosensor 23 are mounted, which are all directed by a suitable arrangement of optical elements 26 through the same optics 21 to the object 10 , At least three highly reflective areas, such as triple mirrors 11, are mounted on the object 10.
[77] Die in der Fig. 12 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine weitere Ausführungsform der er- findungsgemäßen Anordnung zur Messung der Raumlagen von beweglichen Objekten. Jetzt befinden sich auf der Messplattfoπn 6 ein Sender 27 und mindestens drei Empfänger 28/1, 28/2, 28/3 zur Laufzeitmes- sung von Kugelwellen-Fronten, wie zum Beispiel Lichtpulse oder Radarwellen. Auf dem Objekt 10 sind ein Empfänger 23 und mindestens drei Sender 24/1, 24/2, 24/3 angebracht. Es kann aber auch eine beliebige, als geeignet erachtete Anzahl von Sendern 24/n und Empfängern 28/n zur Anwendung kommen (mit n = l, 2, 3,..).[77] The apparatus shown schematically in FIG. 12 shows a further embodiment of the arrangement according to the invention for measuring the spatial positions of moving objects. Now there are on the Messplattfoπn 6 a transmitter 27 and at least three receivers 28/1, 28/2, 28/3 at runtime spherical wave fronts, such as light pulses or radar waves. On the object 10, a receiver 23 and at least three transmitters 24/1, 24/2, 24/3 are mounted. However, any number of transmitters 24 / n and receivers 28 / n considered suitable may also be used (with n = 1, 2, 3,...).
[78] In Fig. 13 ist schematisch die Signalfolge für Laufzeitmessungen zur Bestimmung der Raumlagen von beweglichen Objekten dargestellt. Der Sender 27 der Messplattform 6 sendet in einem zeitlichen Abstand 35 Lichtimpulse aus, die im zeitlichen Abstand 29 von dem auf dem Objekt 10 angebrachten Empfänger 23 empfangen werden. Jeder dieser vom Empfänger 23 empfangene Lichtimpuls löst an den Sendern 24/1, 24/2, 24/3 des Objekts 10 zeitversetzt in Abständen 30, 34, usw. Lichtimpulse aus, die von den auf der Messplattform 6 installierten Empfängern 28/1, 28/2, 28/3 empfangen werden und die an jedem dieser Empfänger 28/1, 28/2, 28/3 in zeitlichen Abständen 31, 32, 33 Lichtsignale auslösen, die zur Laufzeitmessung von Kugelwellen-Fronten genutzt werden. Die so einem jeden Lichtimpuls des Senders 27 nachfolgenden Impulse an den Sendern 24 und Empfängern 28 sind in der Fig. 13 nur für den ersten Lichtimpuls 27 dargestellt.[78] FIG. 13 schematically shows the signal sequence for transit time measurements for determining the spatial positions of moving objects. The transmitter 27 of the measuring platform 6 emits at a time interval 35 light pulses, which are received at a time interval 29 from the mounted on the object 10 receiver 23. Each of these received by the receiver 23 light pulse triggers at the transmitters 24/1, 24/2, 24/3 of the object 10 at a time offset at intervals 30, 34, etc. light pulses from the installed on the measuring platform 6 receivers 28/1, 28/2, 28/3 are received and at each of these receivers 28/1, 28/2, 28/3 at intervals 31, 32, 33 trigger light signals, which are used for the transit time measurement of spherical wave fronts. The pulses following each such light pulse of the transmitter 27 at the transmitters 24 and receivers 28 are shown in FIG. 13 only for the first light pulse 27.
[79]Das Diagramm der Fig. 13 bezieht sich beispielhaft auf eine Vorrichtung mit drei Sendern 24/1, 24/2, 24/3 am Objekt 10 und mit drei Empfängern 28/1, 28/2, 28/3 auf der Messplattform 6. Nach der Erfindung kann aber auch jede andere beliebige und als geeignet angesehene Anzahl von Sendern 24/n und Empfängern 38/n zur Anwendung kommen.[79] The diagram of FIG. 13 refers by way of example to a device with three transmitters 24/1, 24/2, 24/3 on the object 10 and with three receivers 28/1, 28/2, 28/3 on the measuring platform 6. According to the invention, however, any other number of transmitters 24 / n and receivers 38 / n considered suitable can be used.
[80] Die Figuren 14 bis 26 zeigen einige Ausführungsformen der selbstleuchtenden Struktur 14 oder nicht selbstleuchtenden Struktur 19 mit einer Kombination von geometrischen Mustern 15 und Grauwertmustern 16 auf dem Objekt 10. Dabei ist stets ein Trippelspiegel 11 integriert. Die optische Achse der Kamera wird während der Messung immer auf den Trippelspiegel ausgerichtet. Damit sind die Gebiete mit den feinen Mustern 39 für das Nahfeld um den Trippelspiegel angeordnet. Je gröber das Muster 40 - 42 ist, desto weiter entfernt sind auch diese Gebiete vom Trippelspiegel entfernt. Nahe beim Trippelspiegel kann auch eine Zone 43 mit einer Kombination aus feinen bis sehr groben Mustern sein, um die Genauigkeit der Lagebestimmung zu erhöhen. In die Struktur integrierte Orientierungshilfen 44 sind symmetriebrechende, geometrische Elemente.FIGS. 14 to 26 show some embodiments of the self-luminous structure 14 or non-self-luminous structure 19 with a combination of geometrical patterns 15 and gray value patterns 16 on the object 10. In this case, a triple mirror 11 is always integrated. The optical axis of the camera is always aligned during the measurement on the triple mirror. Thus, the fine pattern areas 39 for the near field are arranged around the tripple mirror. The coarser the pattern 40-42, the farther away these areas are from the triple mirror. Near the tripple mirror, a zone 43 with a combination of fine to very coarse patterns can also be used to increase the accuracy of the orientation. Orientation aids 44 integrated in the structure are symmetry-breaking, geometric elements.
[81] Die Struktur 14 kann eben oder dreidimensional sein. Dreidimensionale Strukturen ermöglichen eine höhere Genauigkeit bei der Lagebestimmung des Objektes als flache Strukturen. Die Begrenzungen 45 und 46 können in der gleichen Ebene liegen. Die Begrenzung 46 kann aber auch ganz oder teilweise aus- serhalb der Ebene, die die Begrenzung 45 enthält, sein. [82] Das kreisförmige Gittermuster in Figur 15 kann eben sein. Eine dreidimensionale Struktur kann die Gestalt eines Trichters oder eines Kegels haben. Das kreisförmige Gittermuster liegt damit auf der Manteloberfläche eines so gebildeten Trichters oder Kegels mit dem Trippelspiegel im Trichterzentrum oder auf der Kegelspitze. Sinngemäss gelten obige Ausfuhrungen für Figur 15 auch für die Figur 14, 16 bis 25.[81] The structure 14 can be flat or three-dimensional. Three-dimensional structures allow a higher accuracy in the orientation of the object than flat structures. The boundaries 45 and 46 may be in the same plane. However, the boundary 46 may also be wholly or partially outside the plane containing the boundary 45. [82] The circular grid pattern in FIG. 15 may be flat. A three-dimensional structure may have the shape of a funnel or a cone. The circular grid pattern thus lies on the mantle surface of a funnel or cone thus formed with the tripple mirror in the funnel center or on the apex of the cone. Analogously, the above explanations for FIG. 15 also apply to FIGS. 14, 16 to 25.
Eine weitere dreidimensionale Struktur kann dadurch gebildet werden, dass in Figur 18 die Sektoren 47 in der Ebene liegen und die Sektoren 48 als schiefe Ebenen ausgebildet sind. Die Sektoren 48 berühren beim Gebiet 45 die Ebene und steigen kontinuierlich an bis zur Begrenzung 46. Die Sektoren 47 und 48 sind ebene Teilstrukturen. Alternativ können die Sektoren 48 kontinuierlich hinter die durch die Sektoren 47 aufgespannte Ebene absteigen. Die Gebiete 49 zwischen den Sektoren 47 und 48 können auch als schiefe Ebenen mit entsprechenden geometrischen Mustern ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung der Genauigkeit bei der Lagebestimmung des Objektes.A further three-dimensional structure can be formed by the sectors 47 lying in the plane in FIG. 18 and the sectors 48 being formed as inclined planes. The sectors 48 touch the plane at area 45 and continuously increase to the boundary 46. Sectors 47 and 48 are planar substructures. Alternatively, the sectors 48 may descend continuously behind the plane spanned by the sectors 47. The areas 49 between the sectors 47 and 48 may also be formed as inclined planes with corresponding geometric patterns. This allows a further increase in the accuracy of the orientation of the object.
[83] Figur 19 zeigt eine mögliche Ausfuhrungsform eines Objektes 10 mit Messspitze 13, das mit einer dreidimensionalen Struktur aus acht Sektoren 47 und 48 und einem Trippelspiegel 11 versehen ist. Die Sektoren sind mit den Mustern 39 bis 42 ausgerüstet. Die schwarzen Linien und Kreuze 39 bis 42 sind Gebiete mit konstanter Leuchtdichte und hoher Helligkeit oder hohem Reflexionsvermögen. Die Marken 44 dienen als für die Orientierung der Struktur. Jedes der acht Sektoren hat eine ebene Oberfläche. Vier der acht Sektoren 47 liegen in derselben Ebene wie das Gebiet 45 neben dem Trippelspiegel 11. Die anderen vier Sektoren 48 sind bezüglich der Ebene um einen gewissen Winkel geneigt. Diese Sektoren 48 stellen schiefe Ebenen dar analog wie bei Figur 18. Die Gebiete 49 zwischen den Sektoren 47 und 48 können auch als schiefe Ebenen mit entsprechenden geometrischen Mustern ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung der Genauigkeit bei der Lagebestimmung des Objektes.FIG. 19 shows a possible embodiment of an object 10 with a measuring tip 13, which is provided with a three-dimensional structure comprising eight sectors 47 and 48 and a triple mirror 11. The sectors are equipped with the patterns 39 to 42. The black lines and crosses 39 to 42 are areas of constant luminance and high brightness or high reflectivity. The marks 44 serve as the orientation of the structure. Each of the eight sectors has a flat surface. Four of the eight sectors 47 lie in the same plane as the area 45 next to the triple mirror 11. The other four sectors 48 are inclined at a certain angle with respect to the plane. These sectors 48 represent inclined planes analogously as in FIG. 18. The regions 49 between the sectors 47 and 48 can also be formed as inclined planes with corresponding geometric patterns. This allows a further increase in the accuracy of the orientation of the object.
[84] Die geometrischen Grundelemente von selbstleuchtenden Strukturen können Striche 50 mit konstanter Strahldichte und hoher Helligkeit sein (Figur 20). Das Gebiet 51 um diese leuchtenden Striche ist nicht leuchtend. Alternativ können die Striche 51 nicht selbstleuchtend sein. Jetzt sind sie in leuchtende Gebiete 52 eingebettet. Die leuchtenden Gebiete 52 sind von nichtleuchtenden Gebieten 51 umgeben.[84] The basic geometric elements of self-luminous structures can be lines 50 with constant radiance and high brightness (Figure 20). The area 51 around these glowing lines is not bright. Alternatively, the bars 51 may not be self-luminous. Now they are embedded in luminous areas 52. The luminous areas 52 are surrounded by non-luminous areas 51.
[85] Für nicht selbstleuchtende Strukturen sind die Striche 50 mit hohem Reflektionsvermögen (Figur 20). Das Gebiet 51 um diese reflektierenden Gebiete absorbieren das Licht. Alternativ können die Striche 51 absorbierend und das Gebiet 52 mit hohem Reflektionsvermögen sein.[85] For non-self-luminous structures, the lines 50 are of high reflectivity (Figure 20). The area 51 around these reflective areas absorb the light. Alternatively, the bars 51 may be absorbent and the area 52 may be high reflectivity.
[86] Die Figuren 21 bis 26 zeigen weitere mögliche Strukturen auf der Objektoberfläche. Alle in den Figu- ren 14 bis 26 gezeigten Strukturen basieren auf den Strukturen 14 und 19. [87] Die Raumlage des Objektes wird mittels Korrelation der bekannten Struktur mit der gemessenen Struktur bestimmt. Dabei werden weder die gesamte Struktur noch Teile davon auf einen geometrischen Punkt reduziert.[86] Figures 21 to 26 show further possible structures on the object surface. All of the structures shown in FIGS. 14 to 26 are based on the structures 14 and 19. [87] The spatial position of the object is determined by correlation of the known structure with the measured structure. Neither the entire structure nor parts of it are reduced to a geometric point.
[88] Anstelle alle Komponenten der Objektlage zu bestimmen, ist es auch möglich als Ergänzung zu wei- teren möglichen Erfassungssystemen nur gewisse Komponenten der Raumlage wie zum Beispiel die Rotation des Objektes um die Achse (Roll in Fig. 26), die vom Distanzmesser 8 und dem Trippelspiegel 11 definiert ist, zu bestimmen. [88] Instead of determining all the components of the object position, it is also possible to supplement other possible detection systems only certain components of the spatial position, such as the rotation of the object about the axis (roll in FIG. 26), that of the distance meter 8 and the triple mirror 11 is defined.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Vorrichtung zur Vermessung eines Objektes mit einer kardanisch gelagerten Messplattform, einem Distanzmesser, mindestens einem bildgebenden System, einem auf dem Objekt angebrachten Trippelspiegel und einer auf dem Objekt angebrachten Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur aus geometrischen Mustern von Linien und begrenzten Flächen besteht.1. A device for measuring an object with a gimbal-mounted measuring platform, a distance meter, at least one imaging system, a mounted on the object triple mirror and a mounted on the object structure, characterized in that the structure consists of geometric patterns of lines and limited areas ,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mindestens eine Grobstruktur und eine Feinstruktur aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the structure has at least one coarse structure and a fine structure.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur innerhalb der Grobstruktur angeordnet ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the fine structure is arranged within the coarse structure.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobstruktur und die4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the coarse structure and the
Feinstruktur aneinander angrenzend angeordnet sind.Fine structure are arranged adjacent to each other.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur näher am Trippelspiegel angeordnet ist als die Grobstruktur.5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the fine structure is arranged closer to the triple mirror than the coarse structure.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur aus mehreren Bereichen besteht, die um den Trippelspiegel angeordnet sind.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the structure consists of several areas which are arranged around the tripple mirror.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the
Muster mit steigender Entfernung zum Trippelspiegel größer werden.Patterns get larger with increasing distance to the triple mirror.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the
Struktur aus geometrischen Mustern einfache teilweise rotationssymmetrische Grundstrukturen zusammen mit überlagerten komplexeren Strukturen aufweist.Structure of geometric patterns has simple partially rotationally symmetric basic structures together with superimposed complex structures.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur eben ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the structure is flat.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the
Struktur trichter- oder kegelförmig ist.Structure is funnel-shaped or cone-shaped.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur dreidimensional ist. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the structure is three-dimensional.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur und die Oberfläche des Objektes rotationssymmetrische Eigenschaften aufweisen.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the structure and the surface of the object have rotationally symmetric properties.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the
Struktur selbstleuchtend ist oder mindestens einen selbstleuchtenden Bereich aufweist.Structure is self-luminous or has at least one self-luminous area.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur nicht selbstleuchtend ist und reflektierende, absorbierende, matte, glänzende, phosphori- zierende oder fluoreszierende Materialien aufweist.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the structure is not self-luminous and having reflective, absorbent, matte, glossy, phosphorescent or fluorescent materials.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein bildgebendes System mit fester Brennweite verwendet wird.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a fixed focal length imaging system is used.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung, vorzugsweise auf der Messplattform, eine Lichtquelle angeordnet ist.16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that for illumination, preferably on the measuring platform, a light source is arranged.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung, vorzugsweise auf der Messplattform, ein Scanner angeordnet ist.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that for illumination, preferably on the measuring platform, a scanner is arranged.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner einen Distanzmesser auslenkt.18. The device according to claim 17, characterized in that the scanner deflects a distance meter.
19. Vorrichtung nach Ansprache 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner einen Laser auslenkt.19. Device according to Speech 17, characterized in that the scanner deflects a laser.
20. Vorrichtung nach Ansprach 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner einen rückreflektierenden Lichtstrahl auf einen Fotosensor auf der Messplattform auslenkt.20. The device according to spoke 17, characterized in that the scanner deflects a retroreflective light beam to a photosensor on the measuring platform.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzmesser auf der Messplattform angeordnet ist.21. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the distance meter is arranged on the measuring platform.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bildgebende System, eine Lichtquelle und ein Distanzmesser mittels eines optischen Systems durch die gleiche Optik auf das Objekt mit mindestens einem, vorzugsweise drei Trippelspiegeln ausgerichtet ist. 22. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging system, a light source and a distance meter is aligned by means of an optical system by the same optics on the object with at least one, preferably three triple mirrors.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Messplattform optische Elemente wie Fischaugobjektive oder fassettenartige Sensoren und auf dem Objekt ein Lichtsender angeordnet sind.23. Device according to one of the preceding claims, characterized in that optical elements such as fish-eye lenses or cassette-type sensors and on the object a light emitter are arranged on the measuring platform.
24. Vorrichtung zur Vermessung eines Objektes mit einer auf dem Objekt angebrachten Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur durch mindestens drei Kugelwellensender und einen24. An apparatus for measuring an object with a structure mounted on the object, characterized in that the structure by at least three spherical wave transmitter and a
Empfangssensor gebildet ist.Receiving sensor is formed.
25. Vorrichtung zur Vermessung eines Objektes mit einer auf dem Objekt angebrachten Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass ein bildgebendes System durch mindestens drei Empfangssensoren sowie einen Kugelwellensender gebildet ist.25. An apparatus for measuring an object with a structure mounted on the object, characterized in that an imaging system is formed by at least three receiving sensors and a spherical wave transmitter.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Messplattform und dem Objekt je ein GPS-Empfänger angeordnet ist.26. Device according to one of claims 24 or 25, characterized in that a GPS receiver is arranged on the measuring platform and the object.
27. Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem der Abstand zwischen einem Punkt auf der Messplattform und dem Trippelspiegel ermittelt wird, die Winkel der Geraden, definiert durch diesen Punkt und dem Trippelspiegelmittelpunkt, bezüglich dem Koordinatensystem des Messkopfes ermittelt werden, ein Sensorbild mit dem bildgebenden27. Method for using a device according to one of claims 1 to 23, in which the distance between a point on the measuring platform and the triple mirror is determined, the angles of the straight lines defined by this point and the triple mirror center point, determined with respect to the coordinate system of the measuring head be a sensor image with the imaging
System der auf dem Objekt angebrachten Struktur oder aus Teilbereichen der Struktur erzeugt wird, mit einem hinterlegten Referenzbild der Struktur verglichen wird und die Raumlage des Objektes daraus ermittelt wird.System of the attached to the object structure or parts of the structure is generated, compared with a stored reference image of the structure and the spatial position of the object is determined therefrom.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vergleich Pixelgebiete des Sensorbildes zu einem Pixel zusammengefasst werden, um das Sensorbild zu verdichten.28. The method according to claim 27, characterized in that prior to the comparison pixel regions of the sensor image are combined to form a pixel in order to densify the sensor image.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vergleich das Sensorbild in mehrere Teilbereiche aufgespalten wird.29. The method according to claim 27 or 28, characterized in that before the comparison, the sensor image is split into a plurality of subregions.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche des Sensorbildes jeweils mit den korrespondierenden Teilbereichen des Referenzbildes verglichen werden. 30. The method according to any one of claims 27 to 29, characterized in that partial areas of the sensor image are each compared with the corresponding portions of the reference image.
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