WO2014095521A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der ortskoordinaten eines zielobjektes - Google Patents

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WO2014095521A1
WO2014095521A1 PCT/EP2013/076228 EP2013076228W WO2014095521A1 WO 2014095521 A1 WO2014095521 A1 WO 2014095521A1 EP 2013076228 W EP2013076228 W EP 2013076228W WO 2014095521 A1 WO2014095521 A1 WO 2014095521A1
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WO
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laser
distance measuring
laser distance
target object
measuring device
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PCT/EP2013/076228
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Christoph Wuersch
Andreas Winter
Torsten Gogolla
Till Cramer
Herwig Habenbacher
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Hilti Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the location coordinates of a target object according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for determining the location coordinates of a target object according to the preamble of claim 6.
  • PRIOR ART DE 10 2010 023 461 A1 discloses an apparatus for determining two-dimensional spatial coordinates of a target object consisting of a target device, a first measuring device designed as a rotary laser which emits a first rotating laser beam, a second measuring device designed as a rotary laser and a second rotating laser beam emits, and a control device with a control and an evaluation.
  • the two rotating lasers and the target device are connected to the control device via suitable communication links.
  • the aiming device comprises a reflector element which is attached to the target object and which marks the location coordinates of the target object, and two reception elements which are attached to the rotary lasers and detect the laser beams reflected on the reflector element.
  • the first rotating laser beam is reflected at the reflector element and impinges on the first receiving element of the target device, which sends a first information signal to the control device upon receipt of the first laser beam.
  • the second rotating laser beam is reflected at the reflector element and impinges on the second receiving element, which transmits a second information signal to the control device upon receipt of the second laser beam.
  • the control device receives information about the times at which the first and second laser beam were detected by the receiving elements.
  • the two rotating lasers are each equipped with an angle measuring device. At the time at which the receiving elements receive the respective laser beam, the current angle of the rotation laser is detected by the angle measuring device and transmitted to the control device.
  • the evaluation element calculates the Control device, the spatial coordinates of the target object by triangulation.
  • Triangulation is based on the basic idea that a triangle has three sides and three interior angles and that the three unknown sizes of the triangle can be calculated for three known quantities.
  • the known device for determining the location coordinates of a target object has the disadvantage that the first and second measuring device each require an angle measuring device which increases the complexity and cost of the measuring devices.
  • the known device is only suitable for determining two-dimensional location coordinates within a measurement plane, three-dimensional location coordinates in a measurement space can not be determined. Due to the rotating laser beams of the two measuring devices a simultaneous measurement is not possible.
  • the time-shifted measurement results in measurement errors in the location coordinates of the target object, especially for target objects that move quickly within the measurement plane.
  • the determination of the spatial coordinates by triangulation via harmonic measurements also has the disadvantage that the measurement error is proportional to the distance. Especially at long distances, for example, greater than 30 m, a high accuracy of the angle measuring devices is required, which further increases the costs of the Wnkel- measuring devices and thus the known device for determining the location coordinates.
  • EP 0 717 261 B1 discloses an apparatus for determining three-dimensional spatial coordinates of a target object in a three-dimensional measuring space by means of triangulation.
  • the three-dimensional measuring space is subdivided into a two-dimensional measuring plane and a direction perpendicular to the measuring plane.
  • the device consists of a target device which marks the target object, a horizontal device for determining the two-dimensional spatial coordinates of the target object in the measurement plane and a vertical device for determining the spatial coordinate of the target object in the vertical direction and a control device with a control element and an evaluation element ,
  • the horizontal device comprises a first measuring device designed as a rotary laser, which emits a first laser beam rotating in the measuring plane, and a second measuring device designed as a rotary laser, which emits a second laser beam rotating in the measuring plane;
  • the vertical device comprises a third measuring device designed as a rotary laser which emits a rotating third laser beam perpendicular to the measuring plane.
  • the rotary laser and the target device are connected to the control device via suitable communication links.
  • Each rotating laser includes a transmitting element that emits the laser beam, a transmitter that emits an information signal, and a reference mark that defines a reference angle.
  • the transmitter sends an information signal which is transmitted to the target device and detected by a detector of the target device.
  • the aiming device comprises a first detector for receiving the laser beams and a second detector for receiving the information signals.
  • the first detector has a plurality of receiving elements which emit an electrical pulse when a laser beam strikes; the electrical pulse is transmitted via the communication link to the control device.
  • the control device determines the angles of the target object from the times at which the laser beams and the information signals are detected by the target device.
  • the known device for determining the location coordinates of a target object has the disadvantage that a high accuracy in the angle measurements increases the requirements on the rotational angular velocities. Especially at long distances, for example, greater than 30 m, the angular velocity must be very uniform. The high constancy of the angular velocity requires a complex mechanism with high accuracy, which makes the mechanics on the one hand very costly and on the other hand very prone to error. Due to the rotating laser beams a simultaneous measurement is not possible. The time-shifted measurement leads to measurement errors in the location coordinates of the target object, especially for target objects that move quickly within the measurement area.
  • the object of the present invention is to develop a method for determining the spatial coordinates of a target object in two or three dimensions, which is suitable for indoor use and provides accurate location coordinates for the target object.
  • an apparatus suitable for the method according to the invention for determining the location coordinates of a target object is to be developed, wherein the location coordinates can be determined with high accuracy with limited apparatus complexity.
  • the method for determining the location coordinates of a target object in a measurement area in at least two dimensions is characterized in that: ⁇ in a first step, the target comprises a target device with a reflector member is positioned and a first fundamental spacing between a first and second laser distance measuring device is dance determined,
  • a first distance from the first laser distance measuring device to the target object and a second distance from the second laser distance measuring device to the target object by means of laser distance measurement Laserdistanzmesseinnchtitch be determined
  • the location coordinates of the target object are calculated from the distances by means of a control device. Determining the location coordinates of a target object with the help of laser distance measuring devices has the advantage that no expensive angle measuring device is required and the location coordinates can nevertheless be determined with a high degree of accuracy. Laser distance measurement is an established technology, and laser distance measuring systems have a cost advantage over total stations, which have an angle measuring device in addition to a laser distance measuring device.
  • the two sub-steps of the first step, positioning the target device on the target object and determining the first basic distance can be performed in any order or simultaneously.
  • a second basic distance between the first and a third laser distance measuring device and / or a third basic distance between the second and the third laser distance measuring device is additionally determined in the first step, in the second step a third distance from the third laser distance measuring device to the target object is additionally performed Determined laser distance measurement by means of the third laser distance measuring device and in the third step, the location coordinates of the target object are additionally calculated from the third distance and the second and / or third base distance.
  • the third laser distance measuring device also makes it possible to determine three-dimensional spatial coordinates of a target object in a measuring space.
  • the geometry of the target device, the arrangement of the Laserdistanzmesseinnchtitch in the measurement area and the expansion and / or movement of the laser beams, whether the device for determining two- or three-dimensional spatial coordinates can be used decides.
  • an aiming device in the form of a circular cylinder or a circular cylinder section is used and for determining three-dimensional location coordinates, a spherical or spherical section-shaped aiming device is used.
  • the three laser distance measuring devices form a right-angled triangle
  • only one further basic distance is required in addition to the first basic distance between the first and second laser distance measuring devices, either the second basic distance between the first and the third laser distance measuring device or the third basic distance between the first and third laser distance measuring devices second and third laser distance measuring device.
  • the second and third basic distances are required for the determination of the location coordinates and are determined in the first step of the method according to the invention.
  • the first, second and / or third basic distance is determined by laser distance measurement by means of the first, second and / or third laser distance measuring device. Since the distances to the target object from the laser distance measuring devices are determined by laser distance measurement, it is advantageous to also determine the base distances between the laser distance measuring devices by laser distance measurement. Compared to mechanical spacers with a measuring scale, laser distance measurement offers the advantage of a longer range. In addition, the laser distance measurement of the basic distances can be more easily integrated into an automated sequence of the method steps.
  • a laser distance measurement to the other laser distance measuring devices is carried out by each laser distance measuring device, and the base distances between the laser distance measuring devices are averaged from a plurality of distance values.
  • the accuracy of the base distances and thus the accuracy of the location coordinates of the target object are increased.
  • the laser distance measurement from the first, second and / or third laser distance measuring device to the target object is preferably triggered by the control device at the same time.
  • the simultaneous triggering of the laser distance measurements has the advantage that measuring errors are reduced, especially in the case of fast moving target objects.
  • the device for determining the location coordinates of a target object in a measurement area comprises at least two dimensions:
  • a first laser distance measuring device having a first transmitting element which emits a first laser beam, a first receiving element which receives a first laser beam at least partially reflected by the reflector element as the first receiving beam, and a first control element; ⁇ a second laser distance measuring device with a second transmitting element which emits a second laser beam, a second receiving element which receives a second laser beam at least partially reflected by the reflector element as a second receiving beam, and a second control element, and
  • ⁇ a control device with a control element for controlling the laser distance measuring devices and an evaluation element for calculating the location coordinates of the target object.
  • the device according to the invention makes it possible to determine the location coordinates of a target object without angle measuring device with high accuracy.
  • a cost-effective device can be realized, which can measure the location coordinates of the target object with high accuracy.
  • Laser dispensing measuring devices have a cost advantage over total stations with a Wnkelmess worn.
  • a third laser distance measuring device is provided with a third transmitting element which emits a third laser beam, a third receiving element which receives a third laser beam at least partially reflected by the reflector element as a third receiving beam, and a third control element.
  • the third laser distance measuring device when determining two-dimensional location coordinates in a measurement plane, increases the accuracy with which the location coordinates can be determined and makes it possible to determine three-dimensional location coordinates.
  • the geometry of the target device, the arrangement of the laser distance measuring devices and the widening and / or movement of the laser beams decide whether the device can be used to determine two- or three-dimensional position coordinates.
  • the three laser beams propagate parallel to the measurement plane.
  • at least one laser beam must propagate non-parallel to a plane.
  • the first, second and / or third laser distance measuring means preferably has a reflection surface for reflecting the first, second and / or third laser beam. The basic distances between the laser distance measuring devices can be determined with the help of the reflection surfaces.
  • a reflection surface is provided at each laser distance measuring device and the base distances between the laser distance measuring devices can be averaged from a plurality of distance values, whereby the accuracy of the base distances is increased.
  • the first, second and / or third laser distance measuring device has a beam-shaping optical system which expands the first, second and / or third laser beam with an opening angle greater than 80 °. In this case, the widening of the laser beams can take place in one or two directions perpendicular to the direction of propagation of the laser beams.
  • the unidirectional expansion produces a line beam suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates
  • the bi-directional expansion produces a spherical segmented laser beam for the determination of three-dimensional spatial coordinates.
  • the expansion of the laser beams by beam shaping optics offers the possibility of using stationary laser distance measuring devices. With stationary laser distance measuring devices, the laser distance measurements can be triggered at the same time, which is advantageous in the case of fast-moving target objects and reduces measurement errors.
  • the laser distance measuring devices are arranged outside the measuring area or at the edge of the measuring area and aligned so that the expanded laser beams can cover the entire measuring area. The widening of the laser beams with an opening angle greater than 80 ° is particularly suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates.
  • the laser beam is widened in a spherical segment in two perpendicular directions by an opening angle greater than 80 °, there is a risk in the case of a limited power of the laser beam that the power density of the receiving beam is too low for the evaluation. If sufficient power is available for the laser beam, a spherical segmented laser beam with aperture angles greater than 80 ° can be used to determine three-dimensional location coordinates.
  • beam-shaping optical system encompasses all beam-shaping optical elements which expand, collimate or focus a laser beam.
  • the beam shaping optics can consist of an optical element, in which one or more optical functions are integrated, or of a plurality of successively arranged optical elements. Cylindrical lenses, cone mirrors and similar optical elements are suitable as beam shaping optics for expanding a laser beam.
  • the beam-shaping optical system expands the first, second and / or third laser beam in a direction substantially parallel to the measurement plane.
  • the beam-shaping optical system collimates or focuses the first, second and / or third laser beam particularly preferably in a direction substantially perpendicular to the measurement plane.
  • This beam-shaping optical system is particularly suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates and has the advantage that the available power of the laser beam is used optimally. In the determination of two-dimensional spatial coordinates in the measurement plane, no widening of the laser beams is required in the direction perpendicular to the measurement plane. The limited power of the laser beam is distributed in the measuring plane.
  • laser sources of laser class 2 may have a maximum power of 5 mW. If the laser beam is widened too much, there is a risk that the power density of the receiving beam is too low to be reliably detected and evaluated by the receiving element.
  • the first, second and / or third laser distance measuring device has a motor unit, wherein the motor unit moves the first, second and / or third laser beam about an axis of rotation perpendicular to the measuring plane or about a pivot point. The rotation of the laser beams is useful if the power density of the laser beams after the expansion is too small to obtain a sufficiently strong reception beam for the laser distance measurement.
  • the rotation of the laser beams about the axis of rotation perpendicular to the measuring plane can be carried out as a rotating, scanning or tracking movement.
  • the laser beams are continuously rotated about the rotation axis during the rotating movement, periodically reciprocated during the scanning movement about the rotation axis, and in the tracking motion, the laser beams follow the target device.
  • the rotation of the laser beams about a pivot point is provided for the determination of three-dimensional location coordinates and is preferably used with a tracking device that tracks the moving target device.
  • the motor unit of the second variant can be combined with beam shaping optics that collimate or focus the laser beams.
  • the first, second and / or third laser distance measuring device to a beam shaping optics and a motor unit, wherein the beam shaping optics expands the first, second and / or third laser beam with an opening angle of up to 10 ° and the motor unit, the first, second and / or third expanded laser beam is moved about an axis of rotation perpendicular to the measurement plane or about a pivot point.
  • the expansion of the laser beams and the rotation about a rotation axis (two-dimensional) or a fulcrum (three-dimensional) can be combined.
  • the laser beams are expanded by a beam shaping optics up to 10 ° and the expanded laser beams are moved by a motor unit about an axis of rotation or about a pivot point.
  • the combination of beam expansion and rotation enables the detection of receive beams with a sufficiently high power density for the receive beam.
  • the widening of the laser beams can take place in one or two directions perpendicular to the propagation direction of the laser beams.
  • the rotation of the laser beams can be performed as a rotating, scanning or tracking movement.
  • the reflector element is formed in a preferred embodiment as a rotationally symmetrical body or as a section of a rotationally symmetrical body.
  • a rotationally symmetrical body has the advantage that the distance from the surface to the center is identical from all directions.
  • the location coordinates of the target object lie on the cylinder axis of the circular cylinder or in the center of the sphere.
  • the radius of the circular cylinder or the ball is stored in the control device or is entered by the operator into the control device. For the calculation of the spatial coordinates, the radius of the target device is added to the measured distance between the laser distance measurement device and the target device.
  • the target device of the device according to the invention is attached to a hand-held tool device.
  • the current location coordinates of the tool device can be determined with the device according to the invention.
  • FIGS. 1A, B show a first embodiment of a device according to the invention for determining two-dimensional spatial coordinates of a target object comprising a target device, a first and second laser distance measuring device and a handpiece (FIG. 1A) and a schematic representation of the geometric relationships for determining the position coordinates
  • FIG. 2 shows the device of FIG. 1 with the aiming device, the Laserdistanzmessein- directions and the handpiece in the form of a block diagram;
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a device according to the invention for determining spatial coordinates of a target object in three dimensions in a schematic representation consisting of a target device and three laser distance measuring devices.
  • FIGS. 1 A, B show a first embodiment of a device 10 according to the invention for determining the location coordinates X M , YM of a target object 1 1 in a measurement area 12.
  • the measurement area 12 is designed as area and the location coordinates X M , YM of the target object 11 are two-dimensional.
  • FIG. 1A shows the essential components of the device 10 in a schematic representation.
  • the apparatus 10 comprises a sighting device 13, a first laser distance measuring device 14, a second laser distance measuring device 15 and a handpiece 16 with a control device 17.
  • the target device may be integrated into the handle.
  • the position of the target object 1 1 in the measurement plane 12 is marked by means of the target device 13.
  • the aiming device 13 has a reflector element 18 for reflecting laser beams of the first and second laser distance measuring devices 14, 15.
  • the reflector element 18 is in the manner shown in FIG. 1A embodiment designed as a circular cylinder and the
  • Location coordinates of the target object 11 lie on the cylinder axis 19 of the reflector element 18.
  • the spatial coordinates of the target object 1 1, which are arranged in the center have the same distance to each point on the surface. This condition is fulfilled in the plane by a circle or a circle section.
  • the distance from the surface of the reflector element 18 to the target object 1 1 is stored in the control device 17 or is input to the control device 17 by the operator.
  • the reflector element 18 may be attached to a yardstick 20 and is positioned by the operator on the target object 1 1.
  • a leveling device may be used.
  • the target device 13 may be attached to a wall or a ceiling, placed on a floor, or attached to, for example, a vehicle or a power tool. The operation of the device 10 via the handle 16, the operator in the
  • the first and second laser distance measuring devices 14, 15 perform one or more distance measurements and transmit the calculated distance values to the control device 17 in the handpiece 16.
  • the laser distance measuring devices 14, 15 are connected to the control device 17 via communication links 21, 22.
  • the handpiece 16 has, in addition to the control device 17, a display device 23 with a display 24 and an operating device 25.
  • the control device 17 of the device 10 is arranged in the handpiece 16 and connected to the laser distance measuring devices 14, 15 via the communication links 21, 22.
  • the control device 17 may be arranged in the first or second laser distance measuring device 14, 15.
  • FIG. 1B shows the geometric dimensions between the target device 13 and the laser distance measuring devices 14, 15, which are used to determine the two-dimensional spatial coordinates of the target object 1 1.
  • the first and second laser distance measuring devices 14, 15 are spaced from each other so arranged to the target object 1 1 that the target object 1 1 is not on the connecting line between the laser distance measuring devices 14, 15; otherwise, a third laser distance measuring device is added, which increases the accuracy when the target object 1 1 is positioned near the connecting line.
  • the two-dimensional spatial coordinates X M , Y M of the target object 1 1 are determined from a basic distance Li between the first and second laser distance measuring devices 14, 15, a first distance Di from the first laser distance measuring device 14 to the target object 1 1 and a second distance D 2 from the second Laser distance measuring device 15 to the target object 1 1 determined.
  • the basic distance L can be determined by laser distance measurement of the first and / or the second laser distance measuring device 14, 15. In order to increase the accuracy of the laser distance measurement, both laser distance measuring devices 14, 15 can perform a laser distance measurement and the measured distances are averaged.
  • a reflection surface is mounted, which reflects the laser beam of the other laser distance measuring device 15, 14.
  • FIG. 1 A shows an embodiment with a first reflection surface 26 at the first laser distance measuring device 14 and a second reflection surface 27 at the second laser distance measuring device 15.
  • the first and second reflection surface 26, 27 are circular cylindrical or formed as a section of a circular cylinder, for devices for determining dreidimensio - In the case of spatial coordinates, spheres or sphere sections are suitable as reflection surfaces for determining the base distances.
  • the first and second Laserdistanzmessein- direction 14, 15 may be mounted on a mechanical spacer with measuring scale. The operator reads the distance on the measuring scale and inputs it via an operating device 25.
  • the first and second laser distance measuring devices 14, 15 each perform a laser distance measurement to the target object 1 1.
  • the laser distance measurements to the target object 1 1 can be performed simultaneously or offset in time.
  • the simultaneous triggering of the laser distance measurements has the advantage that measuring errors are reduced, especially in the case of fast-moving target objects.
  • the determined distances Li, D ⁇ D 2 are transmitted to the control device 17, which calculates the two-dimensional position coordinates X M , YM of the target object 1 1.
  • the location coordinates X M , YM of the target object 1 1 can be transmitted to the display device 23, which represents the location coordinates for the operator on the display 24.
  • the distance measurements of the first and second laser distance measuring devices 14, 15 take place in the internal coordinate system of the device 10 and must be linked for an absolute determination of the location coordinates of the target object 1 1 with an external coordinate system.
  • the device 10 can also be used for finding location coordinates.
  • the user guides a reflector element equipped with a measuring tip or the like, which can also be integrated in the handpiece, over a measuring surface and searches for predetermined location coordinates.
  • the location coordinates can be entered manually in the handset or they are transmitted via a communication link from another device to the device.
  • FIG. 2 shows the first and second laser distance measuring devices 14, 15, the target device 13 and the handle 16 of the device 10 in the form of a block diagram.
  • the first and second laser distance measuring devices 14, 15 have a coaxial construction and comprise a transmitting element 31 configured as a laser diode, a receiving element 32 designed as a photodetector, a beam splitting optics 33, a beam shaping optics 34 and a control element 35.
  • An index ".1" denotes the components of the first laser distance measuring device 14 and an index ".2" the components of the second laser distance measuring device 15.
  • the laser diode 31 emits a laser beam 36 which is directed to the target object 1 1.
  • a laser beam at least partially reflected at the reflector element 18 of the target device 13 is detected as a receive beam 37 by the photodetector 32.
  • the control element 35 is connected to the laser diode 31 and the photodetector 32 and determines from the receiving beam 37, the distance of the laser distance measuring devices 14, 1 5 to the target device 13th In the case of FIG. 2, the laser beam 36 emitted by the laser diode 31 is spatially separated from the receiving beam 37 with the aid of the beam splitting optical system 33.
  • the beam splitting optical system 33 is arranged in the beam path of the laser beam 36 between the laser diode 31 and the beam shaping optical system 34 and in the beam path of the receiving beam 37 between the beam shaping optical system 34 and the photodetector 32.
  • the beam shaping optics 34 may be formed as a single optical element or as a system of multiple optical elements, and form both the laser beam 36 and the receive beam 37.
  • FIG. 1 shows laser distance measuring devices 14, 15 in which the laser beams 36 are widened by means of a suitable beam-shaping optical unit 34. Cylindrical lenses and cone optics are suitable, inter alia, as beam shaping optics.
  • the communication between the control device 17 and the laser distance measuring device 14, 15 takes place via the communication connection 21, 22 which connects a first transmitting and receiving element 38 in the laser distance measuring device 14, 15 to a second transmitting and receiving element 39 in the handset 16.
  • the calculations of the base distance Li and the distances D ⁇ D 2 are carried out in the control elements 35.1, 35.2 of the laser distance measuring devices 14, 15.
  • the distances Li, D ⁇ D 2 are transmitted to the control device 17 via the communication connections 21, 22.
  • the control device 17 includes a control element 1 7.1 for controlling the laser distance measuring devices 14, 15 and an evaluation element 1 7.2 for calculating the location coordinates of the target object 1 1.
  • FIG. FIG. 3 shows a second embodiment of a device 50 according to the invention for determining the location coordinates X M , YM, Z of a target object 51 in a measurement area 52.
  • the device 50 differs from the device 10 of FIGS. 1A, B in that three laser distance measuring devices are provided.
  • the accuracy with which two-dimensional position coordinates are determined in a measuring plane can be increased.
  • the accuracy decreases the closer the target object is to the connecting line between the first and second laser distance measuring units. direction is arranged.
  • the third laser distance measuring device also makes it possible to determine three-dimensional spatial coordinates of a target object in a measuring space.
  • the apparatus 50 comprises an aiming device 53, a first laser distance measuring device 54, a second laser distance measuring device 55 and a third laser distance measuring device 56 as well as the handpiece 16 with the control device 17.
  • the geometry of the aiming device 53 and the arrangement of the laser distance measuring devices 54, 55, 56 determines whether the Device 50 can be used to determine two- or three-dimensional location coordinates.
  • a spherical or spherical section-shaped target device 53 is used to determine three-dimensional location coordinates.
  • the sphere has a reflector element 57 on the outside and the spatial coordinates of the target object 51 lie in the sphere center of the reflector element 57.
  • the two-dimensional or three-dimensional spatial coordinates X M , Y M , Z m of the target object 51 are determined from the base distances Li, L 2 , L 3 between the laser distance measuring devices 54, 55, 56 and the distances D 2 , D 3 of the laser distance measuring devices 54, 55, 56 destined to the target object 51.
  • FIG. 3 shows an arrangement in which the laser distance measuring devices 54, 55, 56 do not form a right-angled triangle.
  • the three laser distance measuring devices 54, 55, 56 would form a right triangle
  • only the further basic distance L between the first and second laser distance measuring devices 54, 55 would require only a further basic distance, either the second basic distance L 2 between the first and third laser distance measuring device 54, 56 or the third basic distance L 3 between the second and third laser distance measuring device 55, 56.
  • the second and third basic distance L 2 , L 3 are required and are determined in the first step of the method according to the invention.
  • the laser beams must be able to detect the measurement region 52.
  • the broadening of the laser beams may be accomplished by beamforming optical elements that expand a punctiform laser beam in one or two directions perpendicular to the propagation direction.
  • the area detected by a laser beam may be increased by a rotating, scanning or tracking motion of the laser beam.
  • the rotating or scanning movement of the laser beams is particularly suitable for the determination of two-dimensional spatial coordinates in a measuring plane.
  • the laser beams are continuously moved about a rotation axis perpendicular to the measurement plane (rotating movement) or periodically reciprocated (scanning movement).
  • the tracking movement of the laser beam is particularly suitable for determining three-dimensional location coordinates and is used with a tracking device that tracks the moving target device.

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten (XM, YM, ZM) eines Zielobjektes (11) in einem Messgebiet (12) in mindestens zwei Dimensionen, wobei: in einem ersten Schritt am Zielobjekt (11) eine Zieleinrichtung (13) mit einem Reflektorelement (18) positioniert wird und ein erster Grundabstand zwischen einer ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung (14, 15) ermittelt wird, in einem zweiten Schritt ein erster Abstand von der ersten Laserdistanzmesseinrichtung (14) zum Zielobjekt (11) und ein zweiter Abstand von der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung (15) zum Zielobjekt (11) durch Laserdistanzmessung mittels der Laserdistanzmesseinrichtungen (14, 15) ermittelt werden, und in einem dritten Schritt die Ortskoordinaten (XM, YM, ZM) des Zielobjektes (11) aus den Abständen mittels einer Kontrolleinrichtung (17) berechnet werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Stand der Technik DE 10 2010 023 461 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes bestehend aus einer Zieleinrichtung, einer als Rotationslaser ausgebildeten ersten Messeinrichtung, die einen ersten rotierenden Laserstrahl aussendet, einer als Rotationslaser ausgebildeten zweiten Messeinrichtung, die einen zweiten rotierenden Laserstrahl aussendet, und einer Kontrolleinrichtung mit einem Steuerelement und einem Auswerteelement. Die beiden Rotationslaser und die Zieleinrichtung sind über geeignete Kommunikationsverbindungen mit der Kontrolleinrichtung verbunden. Die Zieleinrichtung umfasst ein Reflektorelement, das am Zielobjekt angebracht ist und die Ortskoordinaten des Zielobjektes markiert, und zwei Empfangselemente, die an den Rotationslasern angebracht sind und die am Reflektorelement reflektierten Laserstrahlen erfassen. Der erste rotierende Laserstrahl wird am Reflektorelement reflektiert und trifft auf das erste Empfangselement der Zieleinrichtung, das beim Empfang des ersten Laserstrahls ein erstes Informationssignal an die Kontrolleinrichtung sendet. Der zweite rotierende Laserstrahl wird am Reflektorelement reflektiert und trifft auf das zweite Empfangselement, das beim Empfang des zweiten Laserstrahls ein zweites Informationssignal an die Kontrolleinrichtung sendet. Über die Informationssignale, die die Empfangselemente an die Kontrolleinrichtung senden, erhält die Kontrolleinrichtung Informationen über die Zeitpunkte, an denen der erste und zweite Laserstrahl von den Empfangselementen erfasst wurden. Die beiden Rotationslaser sind jeweils mit einer Winkelmesseinrichtung ausgestattet. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Empfangselemente den jeweiligen Laserstrahl empfangen, wird der aktuelle Winkel des Ro- tationslasers von der Winkelmesseinrichtung erfasst und an die Kontrolleinrichtung übermittelt. Aus den bekannten Ortskoordinaten der beiden Rotationslaser und den erfassten Winkeln zwischen den Rotationslasern und dem Zielobjekt berechnet das Auswerteelement der Kontrolleinrichtung die Ortskoordinaten des Zielobjektes durch Triangulation. Triangulation basiert auf der Grundidee, dass ein Dreieck drei Seiten und drei Innenwinkel aufweist und bei drei bekannten Größen die drei unbekannten Größen des Dreiecks berechnet werden können. Die bekannte Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes weist den Nachteil auf, dass die erste und zweite Messeinrichtung jeweils eine Winkelmesseinrichtung benötigen, die die Komplexität und Kosten der Messeinrichtungen erhöhen. Außerdem eignet sich die bekannte Vorrichtung nur zum Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten innerhalb einer Messebene, dreidimensionale Ortskoordinaten in einem Messraum kön- nen nicht bestimmt werden. Durch die rotierenden Laserstrahlen der beiden Messeinrichtungen ist eine zeitgleiche Messung nicht möglich. Die zeitversetzte Messung führt vor allem bei Zielobjekten, die sich schnell innerhalb der Messebene bewegen, zu Messfehlern bei den Ortskoordinaten des Zielobjektes. Die Bestimmung der Ortskoordinaten durch Triangulation über Wnkelmessungen besitzt außerdem den Nachteil, dass der Messfehler proportional zur Entfernung ist. Vor allem bei großen Entfernungen, beispielsweise grösser als 30 m, ist eine hohe Genauigkeit der Winkelmesseinrichtungen erforderlich, was die Kosten für die Wnkel- messeinrichtungen und damit die bekannte Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten weiter erhöht.
Aus EP 0 717 261 B1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen von dreidimensionalen Ortskoor- dinaten eines Zielobjektes in einem dreidimensionalen Messraum mittels Triangulation bekannt. Der dreidimensionale Messraum wird in eine zweidimensionale Messebene und eine zur Messebene senkrechte Richtung unterteilt. Die Vorrichtung besteht aus einer Zieleinrichtung, die das Zielobjekt markiert, einer horizontalen Vorrichtung zum Bestimmen der zweidimensionalen Ortskoordinaten des Zielobjektes in der Messebene und einer vertikalen Vor- richtung zum Bestimmen der Ortskoordinate des Zielobjektes in der senkrechten Richtung sowie einer Kontrolleinrichtung mit einem Steuerelement und einem Auswerteelement. Die horizontale Vorrichtung umfasst eine als Rotationslaser ausgebildete erste Messeinrichtung, die einen in der Messebene rotierenden ersten Laserstrahl aussendet, und eine als Rotationslaser ausgebildete zweite Messeinrichtung, die einen in der Messebene rotierenden zwei- ten Laserstrahl aussendet; die vertikale Vorrichtung umfasst eine als Rotationslaser ausgebildete dritte Messeinrichtung, die einen zur Messebene senkrechten, rotierenden dritten Laserstrahl aussendet. Die Rotationslaser und die Zieleinrichtung sind über geeignete Kommunikationsverbindungen mit der Kontrolleinrichtung verbunden. Jeder Rotationslaser umfasst ein Sendeelement, das den Laserstrahl aussendet, einen Transmitter, der ein Informations- Signal aussendet, und eine Referenzmarke, die einen Referenzwinkel festlegt. Wenn der rotierende Laserstrahl die Referenzmarke passiert, sendet der Transmitter ein Informationssig- nal aus, das an die Zieleinrichtung übermittelt und von einem Detektor der Zieleinrichtung er- fasst wird. Die Zieleinrichtung umfasst einen ersten Detektor zum Empfangen der Laserstrahlen und einen zweiten Detektor zum Empfangen der Informationssignale. Der erste Detektor weist mehrere Empfangselemente auf, die beim Auftreffen eines Laserstrahls einen elektrischen Puls aussenden; der elektrische Puls wird über die Kommunikationsverbindung an die Kontrolleinrichtung übermittelt. Die Kontrolleinrichtung bestimmt aus den Zeitpunkten, an denen die Laserstrahlen und die Informationssignale von der Zieleinrichtung erfasst werden, die Winkel des Zielobjektes.
Die bekannte Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes weist den Nachteil auf, dass eine hohe Genauigkeit bei den Winkelmessungen die Anforderungen an die Drehwinkelgeschwindigkeiten erhöht. Vor allem bei großen Entfernungen, beispielsweise grösser als 30 m, muss die Drehwinkelgeschwindigkeit sehr gleichmäßig sein. Die hohe Konstanz der Drehwinkelgeschwindigkeit erfordert eine aufwändige Mechanik mit hoher Genauigkeit, was die Mechanik einerseits sehr kostspielig und andererseits sehr fehleranfällig macht. Durch die rotierenden Laserstrahlen ist eine zeitgleiche Messung nicht möglich. Die zeitversetzte Messung führt vor allem bei Zielobjekten, die sich schnell innerhalb des Messgebietes bewegen, zu Messfehlern bei den Ortskoordinaten des Zielobjektes.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in zwei oder drei Dimensionen, das für die Anwendung in Innenräumen geeignet ist und genaue Ortskoordinaten für das Zielobjekt liefert. Außerdem soll eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes entwickelt werden, wobei die Ortskoordinaten mit hoher Genauigkeit bei begrenztem apparativem Aufwand bestimmt werden kön- nen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und bei der eingangs genannten Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messgebiet in mindestens zwei Dimensionen dadurch gekennzeichnet, dass: ■ in einem ersten Schritt am Zielobjekt eine Zieleinrichtung mit einem Reflektorelement positioniert wird und ein erster Grundabstand zwischen einer ersten und zweiten Laserdis- tanzmesseinrichtung ermittelt wird,
■ in einem zweiten Schritt ein erster Abstand von der ersten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt und ein zweiter Abstand von der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt durch Laserdistanzmessung mittels der Laserdistanzmesseinnchtungen ermittelt werden, und
■ in einem dritten Schritt die Ortskoordinaten des Zielobjektes aus den Abständen mittels einer Kontrolleinrichtung berechnet werden. Die Ortskoordinaten eines Zielobjektes mit Hilfe von Laserdistanzmesseinnchtungen zu bestimmen, hat den Vorteil, dass keine teure Winkelmesseinrichtung erforderlich ist und die Ortskoordinaten dennoch mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden können. Die Laserdistanzmessung ist eine etablierte Technologie und Laserdistanzmesseinnchtungen weisen gegenüber Totalstationen, die neben einer Laserdistanzmesseinrichtung eine Winkelmess- einrichtung aufweisen, einen Kostenvorteil auf. Die beiden Teilschritte des ersten Schrittes, Positionieren der Zieleinrichtung am Zielobjekt und Ermitteln des ersten Grundabstandes, können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden.
In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird im ersten Schritt zusätzlich ein zweiter Grundabstand zwischen der ersten und einer dritten Laserdistanzmesseinrichtung und/oder ein dritter Grundabstand zwischen der zweiten und der dritten Laserdistanzmesseinrichtung ermittelt, im zweiten Schritt wird zusätzlich ein dritter Abstand von der dritten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt durch Laserdistanzmessung mittels der dritten Laserdistanzmesseinrichtung ermittelt und im dritten Schritt werden die Ortskoordinaten des Zielobjektes zusätzlich aus dem dritten Abstand sowie dem zweiten und/oder dritten Grundabstand berechnet. Durch den Einsatz einer dritten Laserdistanzmesseinrichtung kann die Genauigkeit, mit der die zweidimensionalen Ortskoordinaten in einer Messebene bestimmt werden, erhöht werden. Die Genauigkeit nimmt ab, je näher das Zielobjekt an der Verbindungslinie zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung angeordnet ist. Die dritte Laserdistanzmesseinrichtung ermöglicht außerdem die Bestimmung von dreidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messraum. Dabei entscheidet die Geometrie der Zieleinrichtung, die Anordnung der Laserdistanzmesseinnchtungen im Messgebiet sowie die Aufweitung und/oder Bewegung der Laserstrahlen, ob die Vorrichtung zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Zur Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten wird eine Zieleinrichtung in Form eines Kreiszylinders oder eines Kreiszylinderabschnitts eingesetzt und zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten wird eine kugelförmige oder kugelabschnittsförmige Zieleinrichtung eingesetzt. In dem speziellen Fall, dass die drei Laserdistanzmesseinrichtungen ein rechtwinkliges Dreieck bilden, ist neben dem ersten Grundabstand zwischen der ersten und zweiten Laserdis- tanzmesseinrichtung nur ein weiterer Grundabstand erforderlich, entweder der zweite Grundabstand zwischen der ersten und der dritten Laserdistanzmesseinrichtung oder der dritte Grundabstand zwischen der zweiten und der dritten Laserdistanzmesseinrichtung. In allen anderen Fällen, in denen die drei Laserdistanzmesseinrichtungen kein rechtwinkliges Dreieck bilden, sind der zweite und dritte Grundabstand für die Bestimmung der Ortskoordinaten erforderlich und werden im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt.
Bevorzugt wird der erste, zweite und/oder dritte Grundabstand durch Laserdistanzmessung mittels der ersten, zweiten und/oder dritten Laserdistanzmesseinrichtung ermittelt. Da die Abstände zum Zielobjekt von den Laserdistanzmesseinrichtungen durch Laserdistanzmessung bestimmt werden, ist es vorteilhaft, auch die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen durch Laserdistanzmessung zu bestimmen. Gegenüber mechanischen Abstandhaltern mit Messskala bietet die Laserdistanzmessung den Vorteil einer grö- ßeren Reichweite. Außerdem lässt sich die Laserdistanzmessung der Grundabstände einfacher in einen automatisierten Ablauf der Verfahrensschritte integrieren.
Besonders bevorzugt wird von jeder Laserdistanzmesseinrichtung eine Laserdistanzmessung zu den anderen Laserdistanzmesseinrichtungen ausgeführt und die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen werden aus mehreren Distanzwerten gemit- telt. Durch Mittelung der Grundabstände aus mehreren Distanzwerten werden die Genauigkeit der Grundabstände und damit die Genauigkeit der Ortskoordinaten des Zielobjektes erhöht.
Bevorzugt wird die Laserdistanzmessung von der ersten, zweiten und/oder dritten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt von der Kontrolleinrichtung zeitgleich ausgelöst. Das zeitgleiche Auslösen der Laserdistanzmessungen hat den Vorteil, dass Messfehler vor allem bei sich schnell bewegenden Zielobjekten verringert werden.
Insbesondere zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messgebiet in mindestens zwei Dimensionen:
■ eine Zieleinrichtung mit einem Reflektorelement, das die Ortskoordinaten des Zielobjektes festlegt,
■ eine erste Laserdistanzmesseinrichtung mit einem ersten Sendeelement, das einen ersten Laserstrahl aussendet, einem ersten Empfangselement, das einen vom Reflektorelement zumindest teilweise reflektierten ersten Laserstrahl als ersten Empfangsstrahl empfängt, und einem ersten Kontrollelement, ■ eine zweite Laserdistanzmesseinnchtung mit einem zweiten Sendeelement, das einen zweiten Laserstrahl aussendet, einem zweiten Empfangselement, das einen vom Reflektorelement zumindest teilweise reflektierten zweiten Laserstrahl als zweiten Empfangsstrahl empfängt, und einem zweiten Kontrollelement, und
■ eine Kontrolleinrichtung mit einem Steuerelement zum Steuern der Laserdistanzmessein- richtungen und einem Auswerteelement zum Berechnen der Ortskoordinaten des Zielobjektes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, die Ortskoordinaten eines Zielobjektes ohne Winkelmesseinrichtung mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dadurch, dass keine Winkelmesseinrichtung erforderlich ist, kann eine kostengünstige Vorrichtung realisiert werden, die die Ortskoordinaten des Zielobjektes mit hoher Genauigkeit messen kann. Laserdis- tanzmesseinrichtungen weisen gegenüber Totalstationen mit einer Wnkelmesseinrichtung einen Kostenvorteil auf.
Bevorzugt ist eine dritte Laserdistanzmesseinnchtung vorgesehen mit einem dritten Sende- element, das einen dritten Laserstrahl aussendet, einem dritten Empfangselement, das einen vom Reflektorelement zumindest teilweise reflektierten dritten Laserstrahl als dritten Empfangsstrahl empfängt, und einem dritten Kontrollelement. Die dritte Laserdistanzmesseinnchtung erhöht beim Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten in einer Messebene die Genauigkeit, mit der die Ortskoordinaten bestimmt werden können, und ermöglicht es, dreidimensionale Ortskoordinaten zu bestimmen. Dabei entscheidet die Geometrie der Zieleinrichtung, die Anordnung der Laserdistanzmesseinrichtungen sowie die Aufweitung und/oder Bewegung der Laserstrahlen, ob die Vorrichtung zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Je mehr Laserdistanzmesseinrichtungen verwendet werden, umso genauer können die Ortskoordinaten des Zielobjektes bestimmt werden und das Problem abgeschatteter Sichtlinien von den Laserdistanzmesseinrichtungen zur Zieleinrichtung wird gelöst. Bei zweidimensionalen Ortskoordinaten in der Messebene breiten sich die drei Laserstrahlen parallel zur Messebene aus. Um dreidimensionale Ortskoordinaten im Raum zu bestimmen, muss sich mindestens ein Laserstrahl nichtparallel zu einer Ebene ausbreiten. Bevorzugt weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinnchtung eine Reflexionsfläche zum Reflektieren des ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahls auf. Die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen können mit Hilfe der Reflexionsflächen bestimmt werden. Besonders bevorzugt ist an jeder Laserdistanzmesseinnchtung eine Reflexionsfläche vorgesehen und die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmess- einrichtungen können aus mehreren Distanzwerten gemittelt werden, wodurch die Genauigkeit der Grundabstände erhöht wird. In einer ersten Variante weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung eine Strahlformungsoptik auf, die den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel grösser als 80° aufweitet. Dabei kann die Aufweitung der Laserstrahlen in einer oder zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen erfolgen. Die Aufweitung in einer Richtung erzeugt einen Linienstrahl, der für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten geeignet ist, und die Aufweitung in zwei Richtungen erzeugt einen kugelsegmentartig aufgeweiteten Laserstrahl für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten. Die Aufweitung der Laserstrahlen durch Strahlformungsoptiken bietet die Möglichkeit, ruhende Laserdistanzmesseinrichtungen einzusetzen. Bei ruhenden Laserdis- tanzmesseinrichtungen können die Laserdistanzmessungen zeitgleich ausgelöst werden, was bei sich schnell bewegenden Zielobjekten vorteilhaft ist und Messfehler reduziert. Die Laserdistanzmesseinrichtungen werden außerhalb des Messgebietes oder am Rand des Messgebietes angeordnet und so ausgerichtet, dass die aufgeweiteten Laserstrahlen das gesamte Messgebiet erfassen können. Die Aufweitung der Laserstrahlen mit einem Öff- nungswinkel grösser als 80° eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten. Wird der Laserstrahl kugelsegmentartig in zwei senkrechten Richtungen jeweils um einen Öffnungswinkel grösser als 80° aufgeweitet, besteht bei einer begrenzten Leistung des Laserstrahls die Gefahr, dass die Leistungsdichte des Empfangsstrahls für die Auswertung zu gering ist. Wenn eine ausreichende Leistung für den Laserstrahl verfügbar ist, kann ein kugelsegmentartig aufgeweiteter Laserstrahl mit Öffnungswinkeln grösser als 80° zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten eingesetzt werden.
Unter dem Begriff "Strahlformungsoptik" werden sämtliche strahlformenden optischen Elemente, die einen Laserstrahl aufweiten, kollimieren oder fokussieren, zusammengefasst. Die Strahlformungsoptik kann aus einem optischen Element, in das eine oder mehrere optische Funktionen integriert sind, oder aus mehreren nacheinander angeordneten optischen Elementen bestehen. Als Strahlformungsoptiken zur Aufweitung eines Laserstrahls eignen sich Zylinderlinsen, Kegelspiegel und ähnliche optische Elemente.
Besonders bevorzugt weitet die Strahlformungsoptik den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Messebene auf. Dabei kollimiert oder fokussiert die Strahlformungsoptik den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl besonders bevorzugt in einer zur Messebene im Wesentlichen senkrechten Richtung. Diese Strahlformungsoptik eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten und hat den Vorteil, dass die verfügbare Leistung des Laserstrahls optimal genutzt wird. Bei der Bestimmung von zweidimensionalen Ortskoordinaten in der Messebene ist in der zur Messebene senkrechten Richtung keine Aufweitung der Laserstrahlen erforderlich. Die begrenzte Leistung des Laserstrahls wird in der Messebene verteilt. Ohne besondere Si- cherheitsvorkehrungen dürfen Laserquellen der Laserklasse 2 eine maximale Leistung von 5 mW aufweisen. Wird der Laserstrahl zu stark aufgeweitet, besteht die Gefahr, dass die Leistungsdichte des Empfangsstrahls zu gering ist, um vom Empfangselement zuverlässig erkannt und ausgewertet zu werden. In einer zweiten Variante weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung eine Motoreinheit auf, wobei die Motoreinheit den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Drehung der Laserstrahlen bietet sich an, wenn die Leistungsdichte der Laserstrahlen nach der Aufweitung zu gering ist, um einen für die Laserdistanzmessung ausreichend starken Empfangsstrahl zu erhalten. Die Drehung der Laserstrahlen um die zur Messebene senkrechte Drehachse kann als rotierende, scannende oder trackende Bewegung ausgeführt werden. Dabei werden die Laserstrahlen bei der rotierenden Bewegung kontinuierlich um die Drehachse gedreht, bei der scannenden Bewegung um die Drehachse periodisch hin und her bewegt und bei der trackenden Bewegung folgen die Laserstrahlen der Zieleinrichtung. Die Drehung der Laserstrahlen um einen Drehpunkt ist für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten vorgesehen und wird bevorzugt mit einer Trackingeinrichtung, die die bewegte Zieleinrichtung verfolgt, eingesetzt. Die Motoreinheit der zweiten Variante kann mit einer Strahlformungsoptik, die die Laserstrahlen kollimiert oder fokussiert, kombiniert werden. In einer dritten Variante weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung eine Strahlformungsoptik und eine Motoreinheit auf, wobei die Strahlformungsoptik den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel bis 10° aufweitet und die Motoreinheit den ersten, zweiten und/oder dritten aufgeweiteten Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Aufweitung der Laserstrahlen und die Drehung um eine Drehachse (zweidimensional) oder einen Drehpunkt (dreidimensional) lassen sich kombinieren. Die Laserstrahlen werden von einer Strahlformungsoptik bis zu 10° aufgeweitet und die aufgeweiteten Laserstrahlen werden von einer Motoreinheit um eine Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Kombination von Strahlaufweitung und Drehung ermöglicht die Detektion von Empfangsstrahlen mit einer aus- reichend starken Leistungsdichte für den Empfangsstrahl. Die Aufweitung der Laserstrahlen kann in einer oder zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen erfolgen. Die Drehung der Laserstrahlen kann als rotierende, scannende oder trackende Bewegung ausgeführt werden.
Das Reflektorelement ist in einer bevorzugten Ausführung als rotationssymmetrischer Körper oder als Abschnitt eines rotationssymmetrischen Körpers ausgebildet. Für zweidimensionale Messungen eignen sich Kreiszylinder oder Kreiszylinderabschnitte als Reflektorelement und für dreidimensionale Messungen eignen sich Kugeln oder Kugelabschnitte. Ein rotationssymmetrischer Körper hat den Vorteil, dass der Abstand von der Oberfläche zum Mittelpunkt aus allen Richtungen identisch ist. Die Ortskoordinaten des Zielobjektes liegen auf der Zylinderachse des Kreiszylinders oder im Mittelpunkt der Kugel. Der Radius des Kreiszylinders oder der Kugel ist in der Kontrolleinrichtung gespeichert oder wird vom Bediener in die Kontrolleinrichtung eingegeben. Für die Berechnung der Ortskoordinaten wird der Radius der Zieleinrichtung zur gemessenen Distanz zwischen der Laserdistanzmesseinnchtung und der Zieleinrichtung addiert. Außerdem wird die Verschiebung zwischen der Laserdistanzmesseinnchtung und dem Koordinatensystem der Vorrichtung berücksichtigt. In einer bevorzugten Ausführung ist die Zieleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem handgeführten Werkzeuggerät angebracht. Während der Bearbeitung mit dem handgeführten Werkzeuggerät können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die aktuellen Ortskoordinaten des Werkzeuggerätes ermittelt werden.
Ausführungsbeispiele Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematischer und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegen- stand. Bei gegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen: FIGN. 1A, B eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes bestehend aus einer Zieleinrichtung, einer ersten und zweiten Laserdistanzmess- einrichtung und einem Handteil (FIG. 1A) sowie eine schematische Darstel- lung der geometrischen Verhältnisse zum Bestimmen der Ortskoordinaten
(FIG. 1 B);
FIG. 2 die Vorrichtung der FIG. 1 mit der Zieleinrichtung, den Laserdistanzmessein- richtungen und dem Handteil in Form eines Blockdiagramms; und
FIG. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Be- stimmen von Ortskoordinaten eines Zielobjektes in drei Dimensionen in einer schematischen Darstellung bestehend aus einer Zieleinrichtung und drei La- serdistanzmesseinrichtungen.
FIGN. 1 A, B zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Bestimmen der Ortskoordinaten XM, YM eines Zielobjektes 1 1 in einem Messgebiet 12. Das Messgebiet 12 ist als Fläche ausgebildet und die Ortskoordinaten XM, YM des Zielobjektes 11 sind zweidimensional.
FIG. 1A zeigt die wesentlichen Komponenten der Vorrichtung 10 in einer schematischen Darstellung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Zieleinrichtung 13, eine erste Laserdistanz- messeinrichtung 14, eine zweite Laserdistanzmesseinrichtung 15 und ein Handteil 16 mit ei- ner Kontrolleinrichtung 17. Alternativ zur in FIG. 1A gezeigten Trennung von Zieleinrichtung 13 und Handteil 16 kann die Zieleinrichtung in das Handteil integriert sein.
Die Position des Zielobjektes 1 1 in der Messebene 12 wird mit Hilfe der Zieleinrichtung 13 markiert. Die Zieleinrichtung 13 weist ein Reflektorelement 18 zum Reflektieren von Laserstrahlen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 auf. Das Reflektorele- ment 18 ist in der in FIG. 1A gezeigten Ausführung als Kreiszylinder ausgebildet und die
Ortskoordinaten des Zielobjektes 11 liegen auf der Zylinderachse 19 des Reflektorelementes 18. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist wichtig, dass die Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 , die im Mittelpunkt angeordnet sind, zu jedem Punkt auf der Oberfläche den gleichen Abstand aufweisen. Diese Bedingung ist in der Ebene durch einen Kreis bzw. einen Kreisabschnitt erfüllt. Der Abstand von der Oberfläche des Reflektorelementes 18 zum Zielobjekt 1 1 ist in der Kontrolleinrichtung 17 gespeichert oder wird vom Bediener in die Kontrolleinrichtung 17 eingegeben. Das Reflektorelement 18 kann an einer Messlatte 20 befestigt sein und wird vom Bediener am Zielobjekt 1 1 positioniert. Um die Zylinderachse 19 des Reflektorelementes 18 senkrecht zur Messebene 12 auszurichten, kann eine Nivelliereinrich- tung, beispielsweise in Form einer Libelle oder eines anderen Neigungssensors, in die Messlatte 20 integriert sein. Alternativ zur Messlatte 20 kann die Zieleinrichtung 13 an einer Wand oder einer Decke befestigt sein, auf einen Boden gestellt werden oder beispielsweise an einem Fahrzeug oder einem Werkzeuggerät befestigt sein. Die Bedienung der Vorrichtung 10 erfolgt über das Handteil 16, das der Bediener in der
Hand hält. Die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 führen eine oder mehrere Distanzmessungen durch und übermitteln die berechneten Distanzwerte an die Kontrolleinrichtung 17 im Handteil 16. Die Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 sind über Kommunikationsverbindungen 21 , 22 mit der Kontrolleinrichtung 17 verbunden. Das Handteil 16 weist neben der Kontrolleinrichtung 17 eine Anzeigeeinrichtung 23 mit einem Display 24 sowie eine Bedienungseinrichtung 25 auf. Die Kontrolleinrichtung 17 der Vorrichtung 10 ist im Handteil 16 angeordnet und mit den Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 über die Kommunikationsverbindungen 21 , 22 verbunden. Alternativ kann die Kontrolleinrichtung 17 in der ersten oder zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 angeordnet sein. FIG. 1 B zeigt die geometrischen Abmessungen zwischen der Zieleinrichtung 13 und den Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15, die zum Bestimmen der zweidimensionalen Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 herangezogen werden. Die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 sind voneinander beabstandet so zum Zielobjekt 1 1 angeordnet, dass das Zielobjekt 1 1 nicht auf der Verbindungslinie zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 liegt; anderenfalls wird eine dritte Laserdistanzmesseinrichtung ergänzt, die die Genauigkeit erhöht, wenn das Zielobjekt 1 1 nahe der Verbindungslinie positioniert ist. Die zweidimensionalen Ortskoordinaten XM, YM des Zielobjektes 1 1 werden aus einem Grundabstand Li zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15, einem ersten Abstand Di von der ersten Laserdistanzmesseinrichtung 14 zum Zielobjekt 1 1 und einem zwei- ten Abstand D2 von der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 15 zum Zielobjekt 1 1 bestimmt.
Der Grundabstand L kann durch Laserdistanzmessung der ersten und/oder der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 ermittelt werden. Um die Genauigkeit der Laserdistanzmessung zu erhöhen, können beide Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 eine Laserdis- tanzmessung ausführen und die gemessenen Abstände werden gemittelt. An der ersten und/oder zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 ist eine Reflexionsfläche angebracht, die den Laserstrahl der anderen Laserdistanzmesseinrichtung 15, 14 reflektiert. FIG. 1 A zeigt eine Ausführung mit einer ersten Reflexionsfläche 26 an der ersten Laserdistanzmesseinrichtung 14 und einer zweiten Reflexionsfläche 27 an der zweiten Laserdistanzmessein- richtung 15. Die erste und zweite Reflexionsfläche 26, 27 sind kreiszylinderförmig oder als Abschnitt eines Kreiszylinders ausgebildet, für Vorrichtungen zur Bestimmung dreidimensio- naler Ortskoordinaten eignen sich Kugeln oder Kugelabschnitte als Reflexionsflächen zur Ermittlung der Grundabstände. Alternativ können das erste und zweite Laserdistanzmessein- richtung 14, 15 auf einem mechanischen Abstandhalter mit Messskala angebracht sein. Der Bediener liest den Abstand auf der Messskala ab und gibt ihn über eine Bedienungseinrich- tung 25 ein.
Nach der Ermittlung des Grundabstandes U führen die erste und zweite Laserdistanzmess- einrichtung 14, 15 jeweils eine Laserdistanzmessung zum Zielobjekt 1 1 durch. Die Laserdistanzmessungen zum Zielobjekt 1 1 können gleichzeitig oder zeitlich versetzt ausgeführt werden. Das gleichzeitige Auslösen der Laserdistanzmessungen hat den Vorteil, dass Messfeh- ler vor allem bei sich schnell bewegenden Zielobjekten verringert werden. Die ermittelten Abstände Li, D^ D2 werden an die Kontrolleinrichtung 17 übermittelt, die die zweidimensionalen Ortskoordinaten XM, YM des Zielobjektes 1 1 berechnet. Anschließend können die Ortskoordinaten XM, YM des Zielobjektes 1 1 an die Anzeigeeinrichtung 23 übermittelt werden, die die Ortskoordinaten für den Bediener auf dem Display 24 darstellt. Die Distanzmessungen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 erfolgen in dem internen Koordinatensystem der Vorrichtung 10 und müssen für eine absolute Bestimmung der Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 mit einem äußeren Koordinatensystem verknüpft werden.
Neben der Bestimmung von Ortskoordinaten eines vorhandenen Zielobjektes kann die Vorrichtung 10 auch zum Auffinden von Ortskoordinaten verwendet werden. Dazu führt der Be- nutzer ein mit einer Messspitze oder ähnlichem ausgestattetes Reflektorelement, das auch im Handteil integriert sein kann, über eine Messfläche und sucht vorgegebene Ortskoordinaten. Die Ortskoordinaten können im Handteil manuell eingegeben werden oder sie werden über eine Kommunikationsverbindung von einem anderen Gerät an die Vorrichtung übermittelt. FIG. 2 zeigt die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15, die Zieleinrichtung 13 und das Handteil 16 der Vorrichtung 10 in Form eines Blockdiagramms. Die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 weisen einen koaxialen Aufbau auf und umfassen ein als Laserdiode ausgebildetes Sendeelement 31 , ein als Fotodetektor ausgebildetes Empfangselement 32, eine Strahlteilungsoptik 33, eine Strahlformungsoptik 34 und ein Kontrol- lelement 35. Ein Index ".1 " kennzeichnet die Komponenten der ersten Laserdistanzmesseinrichtung 14 und ein Index ".2" die Komponenten der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 15. Die Laserdiode 31 sendet einen Laserstrahl 36 aus, der auf das Zielobjekt 1 1 gerichtet ist. Ein am Reflektorelement 18 der Zieleinrichtung 13 zumindest teilweise reflektierter Laserstrahl wird als Empfangsstrahl 37 vom Fotodetektor 32 detektiert. Das Kontrollelement 35 ist mit der Laserdiode 31 und dem Fotodetektor 32 verbunden und bestimmt aus dem Empfangsstrahl 37 die Distanz der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 1 5 zur Zieleinrichtung 13. Bei dem in FIG. 2 dargestellten koaxialen Aufbau der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 wird der von der Laserdiode 31 ausgesandte Laserstrahl 36 mit Hilfe der Strahlteilungsoptik 33 räumlich vom Empfangsstrahl 37 getrennt. Die Strahlteilungsoptik 33 ist im Strahlengang des Laserstrahls 36 zwischen der Laserdiode 31 und der Strahlformungsoptik 34 und im Strahlengang des Empfangsstrahls 37 zwischen der Strahlformungsoptik 34 und dem Fotodetektor 32 angeordnet. Die Strahlformungsoptik 34 kann als einzelnes optisches Element oder als System aus mehreren optischen Elementen ausgebildet sein und formt sowohl den Laserstrahl 36 als auch den Empfangsstrahl 37. Im Unterschied zu bekannten Laserdistanzmesseinrichtungen, die einen fokussierten punktförmigen Laserstrahl auf das Zielobjekt richten, ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 erforderlich, dass der Laserstrahl 36 einen größeren Winkelbereich erfasst. Dies kann durch eine Aufweitung des Laserstrahls 36 in der Messebene 12 oder durch eine Drehung des Laserstrahls 36 in der Messebene 12 erzielt werden. FIG. 2 zeigt Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15, bei denen die Laserstrahlen 36 mittels einer geeigneten Strahlformungsoptik 34 aufgeweitet werden. Als Strahl- formungsoptiken 34 eignen sich unter anderem Zylinderlinsen und Kegeloptiken.
Die Kommunikation zwischen der Kontrolleinrichtung 17 und der Laserdistanzmesseinrich- tung 14, 15 erfolgt über die Kommunikationsverbindung 21 , 22, die ein erstes Sende- und Empfangselement 38 in der Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 mit einem zweiten Sende- und Empfangselement 39 im Handteil 16 verbindet. Die Berechnungen des Grundabstandes Li und der Abstände D^ D2 erfolgen in den Kontrollelementen 35.1 , 35.2 der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15. Die Abstände Li , D^ D2 werden über die Kommunikationsverbindungen 21 , 22 an die Kontrolleinrichtung 17 übermittelt. Die Kontrolleinrichtung 17 umfasst ein Steuerelement 1 7.1 zur Steuerung der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 und ein Auswerteelement 1 7.2 zum Berechnen der Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 . Im Auswer- teelement 17.2 der Kontrolleinrichtung 17 werden aus den Abständen Li , D^ D2 die Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 im internen Koordinatensystem der Vorrichtung 10 berechnet und ggfs. in ein externes Koordinatensystem transformiert. Bei ruhenden Zielobjekten können die Ortskoordinaten an die Anzeigeeinrichtung 23 übermittelt und auf dem Display 24 angezeigt werden. FIG. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 zum Bestimmen der Ortskoordinaten XM, YM, Z eines Zielobjektes 51 in einem Messgebiet 52. Die Vorrichtung 50 unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 der FIGN . 1A, B dadurch, dass drei Laserdistanzmesseinrichtungen vorgesehen sind. Durch den Einsatz einer dritten Laserdistanzmesseinrichtung kann die Genauigkeit, mit der zweidimensionale Ortskoordinaten in ei- ner Messebene bestimmt werden, erhöht werden. Die Genauigkeit nimmt ab, je näher das Zielobjekt an der Verbindungslinie zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmessein- richtung angeordnet ist. Die dritte Laserdistanzmesseinrichtung ermöglicht außerdem die Bestimmung von dreidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messraum.
Die Vorrichtung 50 umfasst eine Zieleinrichtung 53, eine erste Laserdistanzmesseinrichtung 54, eine zweite Laserdistanzmesseinrichtung 55 und eine dritte Laserdistanzmesseinrichtung 56 sowie das Handteil 16 mit der Kontrolleinrichtung 17. Die Geometrie der Zieleinrichtung 53 und die Anordnung der Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 entscheidet, ob die Vorrichtung 50 zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten wird eine kugelförmige oder kugelabschnittsförmige Zieleinrichtung 53 eingesetzt. Die Kugel weist auf der Au- ßenseite ein Reflektorelement 57 auf und die Ortskoordinaten des Zielobjektes 51 liegen im Kugelmittelpunkt des Reflektorelementes 57.
Die zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten XM, YM, Zm des Zielobjektes 51 werden aus den Grundabständen Li, L2, L3 zwischen den Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 und den Abständen D2, D3 der Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 zum Zielobjekt 51 bestimmt. FIG. 3 zeigt eine Anordnung, in der die Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 kein rechtwinkliges Dreieck bilden. In dem speziellen Fall, dass die drei Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 ein rechtwinkliges Dreieck bilden würden, wäre neben dem ersten Grundabstand L zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 54, 55 nur ein weiterer Grundabstand erforderlich, entweder der zweite Grundabstand L2 zwischen der ersten und dritten Laserdistanzmesseinrichtung 54, 56 oder der dritte Grundabstand L3 zwischen der zweiten und dritten Laserdistanzmesseinrichtung 55, 56. In allen anderen Fällen sind der zweite und dritte Grundabstand L2, L3 erforderlich und werden im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt.
Da die Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 im Messgebiet 52 ortsfest angeordnet sind, müssen die Laserstrahlen das Messgebiet 52 erfassen können. Die Aufweitung der Laserstrahlen kann durch strahlformende optische Elemente erfolgen, die einen punktförmigen Laserstrahl in einer oder in zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweiten. Alternativ kann der Bereich, den ein Laserstrahl erfasst, durch eine rotierende, scannende oder trackende Bewegung des Laserstrahls vergrößert werden. Die rotierende oder scan- nende Bewegung der Laserstrahlen eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten in einer Messebene. Die Laserstrahlen werden um eine zur Messebene senkrechte Drehachse kontinuierlich bewegt (rotierende Bewegung) oder periodisch hin und her bewegt (scannende Bewegung). Die trackende Bewegung des Laserstrahls eignet sich vor allem für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten und wird mit einer Tra- ckingeinrichtung, die die sich bewegende Zieleinrichtung verfolgt, eingesetzt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) eines Zielobjektes (1 1 ; 51 ) in einem Messgebiet (12; 52) in mindestens zwei Dimensionen (X, Y, Z), wobei:
■ in einem ersten Schritt am Zielobjekt (1 1 ; 51 ) eine Zieleinrichtung (13; 53) mit einem Reflektorelement (18; 57) positioniert wird und ein erster Grundabstand (U) zwischen einer ersten und zweiten Laserdistanzmesseinnchtung (14, 15; 53, 54) ermittelt wird,
■ in einem zweiten Schritt ein erster Abstand (Di) von der ersten Laserdistanzmesseinnchtung (14; 54) zum Zielobjekt (1 1 ; 51 ) und ein zweiter Abstand (D2) von der zweiten Laserdistanzmesseinnchtung (15; 55) zum Zielobjekt (1 1 ; 51 ) durch Laserdistanzmessung mittels der Laserdistanzmesseinrichtungen (14, 15; 54, 55) ermittelt werden, und
■ in einem dritten Schritt die Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) des Zielobjektes (1 1 ; 51 ) aus den Abständen (Li, D^ D2) mittels einer Kontrolleinrichtung (17) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei:
■ im ersten Schritt zusätzlich ein zweiter Grundabstand (L2) zwischen der ersten und einer dritten Laserdistanzmesseinnchtung (54, 56) und/oder ein dritter Grundabstand (L3) zwischen der zweiten und der dritten Laserdistanzmesseinnchtung (55, 56) ermittelt werden,
■ im zweiten Schritt zusätzlich ein dritter Abstand (D3) von der dritten Laserdistanzmesseinnchtung (56) zum Zielobjekt (51 ) durch Laserdistanzmessung mittels der dritten Laserdistanzmesseinnchtung (56) ermittelt wird, und
■ im dritten Schritt die Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) des Zielobjektes (1 1 ; 51 ) zusätzlich aus dem dritten Abstand (D3) sowie dem zweiten und/oder dritten Grundabstand (L2, L3) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, zweite und/oder dritte Grundabstand (Li, L2, L3) durch Laserdistanzmessung mittels der ersten, zweiten und/oder dritten Laserdistanzmesseinnchtung (14, 15; 54, 55, 56) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von jeder Laserdistanzmesseinnchtung (14, 15; 54, 55, 56) eine Laserdistanzmessung zu den anderen Laserdistanzmesseinrichtungen (14, 15; 54, 55, 56) ausgeführt wird und die Grundabstände (Li, L2, L3) aus jeweils zwei Distanzwerten gemittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdistanzmessung von der ersten, zweiten und/oder dritten Laserdistanzmesseinnchtung (14, 15; 54, 55, 56) zum Zielobjekt (1 1 ; 51 ) von der Kontrolleinrichtung (17) zeitgleich ausgelöst wird.
Vorrichtung (10) zum Bestimmen von Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) eines Zielobjektes (1 1 ; 51 ) in einem Messgebiet (12; 52) in mindestens zwei Dimensionen (X, Y, Z) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend:
■ eine Zieleinrichtung (13; 53) mit einem Reflektorelement (18; 57), das die Ortskoordinaten (XM, YM, ZM) des Zielobjektes (1 1 ; 51 ) festlegt,
■ eine erste Laserdistanzmesseinrichtung (14; 54) mit einem ersten Sendeelement
(31 .1 ) , das einen ersten Laserstrahl (36.1 ) aussendet, einem ersten Empfangselement (32.1 ), das einen vom Reflektorelement (1 8; 57) zumindest teilweise reflektierten ersten Laserstrahl als ersten Empfangsstrahl (37.1 ) empfängt, und einem ersten Kontrollelement (35.1 ),
■ eine zweite Laserdistanzmesseinrichtung (15; 55) mit einem zweiten Sendeelement
(31 .2) , das einen zweiten Laserstrahl (36.2) aussendet, einem zweiten Empfangselement (32.2), das einen vom Reflektorelement (18; 57) zumindest teilweise reflektierten zweiten Laserstrahl als zweiten Empfangsstrahl 37.2) empfängt, und einem zweiten Kontrollelement (35.2), und
■ eine Kontrolleinrichtung (17) mit einem Steuerelement (1 7.1 ) zum Steuern der Laser- distanzmesseinrichtungen (14, 15; 54, 55) und einem Auswerteelement (17.2) zum Berechnen der Ortskoordinaten (XM, YM, Zm) des Zielobjektes (1 1 ; 51 ).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Laserdistanzmesseinrichtung (56) mit einem dritten Sendeelement (31 .3), das einen dritten Laserstrahl (36.3) aussendet, einem dritten Empfangselement (32.3), das einen vom Reflektorelement (57) zumindest teilweise reflektierten dritten Laserstrahl als dritten Empfangsstrahl (37.3) empfängt, und einem dritten Kontrollelement (35.3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung (14, 15; 54, 55, 56) eine Reflexionsfläche (26, 27) zum Reflektieren des ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahls (36.1 , 36.2, 36.3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung (14, 15; 54, 55, 56) eine Strahlformungsoptik (34.1 , 34.2, 34.3) aufweist, die den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl (36.1 , 36.2, 36.3) mit einem Öffnungswinkel grösser als 80° aufweitet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (34.1 , 34.2, 34.3) den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl (36.1 , 36.2, 36.3) in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Messebene (12) aufweitet.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (34.1 , 34.2, 34.3) den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl (36.1 , 36.2, 36.3) in einer zur Messebene (12) im Wesentlichen senkrechten Richtung kollimiert oder fokus- siert.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung (14, 15; 54, 55, 56) eine Motoreinheit aufweist, wobei die Motoreinheit den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl (36.1 , 36.2, 36.3) um eine zur Messebene (12) senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt schwenkt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung (14, 15; 54, 55, 56) eine Strahlformungsoptik und eine Motoreinheit aufweist, wobei die Strahlformungsoptik den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl (36.1 , 36.2, 36.3) mit einem Öffnungswinkel bis 10° aufweitet und die Motoreinheit den ersten, zweiten und/oder dritten aufgeweiteten Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement als rotationssymmetrischer Körper (18; 57) oder als Abschnitt eines rotationssymmetrischen Körpers ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieleinrichtung an einem handgeführten Werkzeuggerät angebracht ist.
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