DE102019200432A1

DE102019200432A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Positionierung und Ausrichtung von Retroreflektoren in einer Verteilung von Retroreflektoren einer Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102019200432A1
Application number: DE102019200432.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Högele; Christian Hörr
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2020-07-16
Also published as: US20200225026A1; US11187522B2

Abstract

Es wird eine Messvorrichtung (112) zur Bestimmung von Objektdaten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens eine Verteilung von Retroreflektoren (114) vorgeschlagen. Die Retroreflektoren (114) sind an der Messvorrichtung (112) angeordnet. Die Verteilung weist mindestens so viele Retroreflektoren (114) auf, dass mindestens drei Retroreflektoren (114) in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung (112) an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten (120) beobachtbar sind. Ein Distanzbereich der Beobachtungsorte (120) beträgt 0,1 m bis 30 m. Jeder der Retroreflektoren (114) weist einen maximalen Akzeptanzwinkel auf. Jeder der Retroreflektoren (114) weist einen Durchmesser von 1 mm bis 50 mm auf. Die Retroreflektoren (114) sind derart angeordnet, dass, für jeden der Beobachtungsorte (120), ein Mindestabstand (128) von gemessenen Retroreflektordistanzen (124) der beobachtbaren Retroreflektoren (114) 0,1 mm bis 50 mm beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Objektdaten mindestens eines Messobjekts, eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer Messvorrichtung und ein Verfahren zur Positionierung und Ausrichtung von Retroreflektoren in einer Verteilung von Retroreflektoren einer Messvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik zur Vermessung von Bauteilen.
Stand der Technik
Eine Bestimmung von Position und Orientierung von rigiden Objekten kann durch eine Vielzahl bekannter Messprinzipien erfolgen. Hierzu werden typischerweise aktive oder passive Marker am zu trackenden Objekt angebracht und durch aktive oder passive Messeinrichtungen, die das Objekt beobachten, vermessen.
Beispielsweise können passive Marker am Objekt angebracht sein, beispielsweise Retroreflektoren, und eine aktive Messeinrichtung, beispielsweise eine LiDAR-Distanzmessung oder Infrarot (IR)-Kameras mit IR-Blitz, können diese vermessen. Die Position des Objekts kann mittels Trilateration bzw. Multilateration errechnet werden. Die relativen Positionen der Marker zueinander können a priori durch Konstruktion oder durch vorherige Einmessung bekannt sein. Die Orientierung des Messobjekts kann dann mittelbar über einen so genannten „Rigid-Body-Fit“ berechnet werden. Dabei werden mittels Fehlerminimierung die gemessenen Markerpositionen auf eine Referenzpunktliste ausgerichtet. Dieser Ansatz grenzt sich vom Prinzip der Triangulation ab, welches zur Bestimmung von 3D-bzw. 6D- Informationen des zu trackenden Objekts mindestens zwei Winkel gegenüber einer Basis für jeden Marker bestimmt, welches typischerweise durch eine Messung mit Flächenkameras realisiert wird oder mit einer direkten Messung von Winkeln. Trilateration bzw. Multilateration beruht hingegen auf Distanzmessungen zu den mindestens drei Retroreflektoren.
Beobachtet man das Objekt mit den angebrachten passiven Markern mit einem solchen Distanzmessgerät, so ist das Ziel, aus der Verteilung der beobachteten Distanzen zu den Markern aus den verschiedenen Beobachtungsorten Position und Orientierung des Objekts rückzurechnen. Hierzu benötigt man sowohl eine ausgewählte Anzahl der Marker als auch eine ausgewählte Anordnung der Marker am Objekt.
Auf dem Gebiet der Astrophysik wird beispielsweise in „COVERING A SPHERE WITH RETROREFLECTORS“, Daniel Clouse et al., Jet Propulsion Laboratory, 2001 IEEE Aerospace Conference Proceedings (Cat. No. 01TH8542), DOI: 10.1109/AERO.2001.931380 eine Anordnung von Retroreflektoren auf einem Kanister für eine Oberflächenprobe des Mars für eine potenzielle Marsmission beschrieben, um eine nutzbare Apertur einer Menge von Corner-Cube-Retroreflektoren zu maximieren unter Berücksichtigung von negativ wirkenden Interferenzeffekten. Für industrielle Anwendung, wie Koordinatenmessgeräte hingegen, soll eine Mindestzahl von Beobachtungen über alle Orientierungen garantiert werden. Weiter ist in Daniel Clouse et al. die räumliche Anordnung der Corner-Cube-Retroreflektoren auf eine Sphäre begrenzt, während für industrielle Anwendungen ein beliebiges Objekt denkbar ist. Eine geeignete Markerverteilung zu finden ist wesentlich aufwändiger und komplexer.
Weiter können bekannte Markerverteilungen, beispielsweise typischerweise symmetrische Anordnung von Markern, auf Grund von Symmetrie keine Eindeutigkeit zwischen Position oder Orientierung und empfangenen Markersignal über alle relevanten Beobachtungsorte erhalten. Auch eine Markerverteilung mit vielen Markern kann nachteilig sein, da potentiell nur mehr schlechte Trennung von Signalen möglich ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung, eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer Messvorrichtung und ein Verfahren zur Positionierung und Ausrichtung von Retroreflektoren in einer Verteilung von Retroreflektoren einer Messvorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Markerverteilung vorgeschlagen werden, welche eine Bestimmung von 6D-Informationen an verschiedenen Beobachtungsorten garantiert.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht) als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Objektdaten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens eine Verteilung von Retroreflektoren vorgeschlagen.
Die Retroreflektoren sind an der Messvorrichtung angeordnet. Die Verteilung weist mindestens so viele Retroreflektoren auf, dass mindestens drei Retroreflektoren in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten beobachtbar sind. Ein Distanzbereich der Beobachtungsorte beträgt 0,1 m bis 30 m. Jeder der Retroreflektoren weist einen maximalen Akzeptanzwinkelauf. Jeder der Retroreflektoren weist einen Durchmesser von 1 mm bis 50 mm auf. Die Retroreflektoren sind derart angeordnet, dass für jeden der Beobachtungsorte ein Mindestabstand von gemessenen Retroreflektordistanzen der beobachtbaren Retroreflektoren 0,1 mm bis 50 mm beträgt.
Unter einem „Messobjekt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ein Bauteil sein, welches von der Messvorrichtung abgetastet wird. Unter „Objektdaten“ können im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit der Messvorrichtung bestimmte Informationen über das Messobjekt verstanden werden, beispielsweise ein Abstand zwischen Messvorrichtung und Messobjekt, insbesondere einer Oberfläche des Messobjekts, und/oder einer Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts. Beispielsweise können Objektdaten eine oder mehrere Rückstrahleigenschaften wie Grundfarbe, Reflektanz, Transluzenz, usw. umfassen.
Unter einer „Messvorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, das Messobjekt abzutasten und Objektdaten zu bestimmen, insbesondere das Messobjekt zu vermessen. Die Messvorrichtung kann mindestens einen Sensor aufweisen, welcher eingerichtet ist, 3D-Koordinaten der Oberfläche zu bestimmen. Die Messvorrichtung kann mindestens einen Scanner aufweisen, insbesondere einen Linienscanner. Die Messvorrichtung kann eine handgeführte Messvorrichtung sein.
Die Messvorrichtung weist mindestens eine Verteilung von Retroreflektoren auf. Unter einem „Retroreflektor“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche einen eintreffenden Lichtstrahl im Wesentlichen in die eintreffende Richtung rückreflektiert. Im Folgenden kann ein Retroreflektor auch allgemein als „Marker“ bezeichnet werden, welche einen Ort in der Verteilung „markieren“. Beispielsweise können die Retroreflektoren Cat-Eye-Retroreflektoren aufweisen und/oder sein. Der Retroreflektor kann ein passiver Marker sein. Unter einem „passiven“ Marker kann ein Retroreflektor verstanden werden, welcher eingerichtet ist, ein Nutzsignal, insbesondere einen einfallenden Lichtstrahl, zu empfangen.
Unter einer „Verteilung“ von Retroreflektoren kann eine Mehrzahl von Retroreflektoren verstanden werden, welche an verschiedenen räumlichen Positionen an der Messvorrichtung angeordnet sind und verschiedene Orientierungen bezüglich der Messvorrichtung aufweisen. Beispielsweise kann die Verteilung 20, 40 oder mehr Retroreflektoren aufweisen. Bevorzugt kann die Anzahl der Retroreflektoren aus Kosten-, Gewichts- und /oder anderen technischen Gründen, beispielsweise der Komplexität einer Auswertung, möglichst gering gehalten werden. Unter „an der Messvorrichtung angeordnet“ kann eine feste und/oder veränderbare Anordnung der Retroreflektoren bezüglich der Messvorrichtung verstanden werden. Die Retroreflektoren können derart an der Messvorrichtung angeordnet sein, dass der Abstand zwischen Messvorrichtung und jedem der Retroreflektoren kleiner ist als ein vorgegebener Maximalabstand. Die Retroreflektoren können außerhalb der Messvorrichtung angeordnet sein. Beispielsweise können die Retroreflektoren mit der Messvorrichtung mit mindestens einer optionalen Anbringung verbunden sein. Beispielsweise können die Retrofreflektoren in an die Messvorrichtung konstruierten Haltern angebracht sein. Die Retroreflektoren können bevorzugt möglichst nahe an der Messvorrichtung angeordnet sein. Die Retroreflektoren können innerhalb einer Sphäre mit Durchmesser kleiner 500 mm, bevorzugt 250 mm, angebracht sein oder außerhalb der Messvorrichtung mit einem Abstand von 0 mm bis 150 mm zur Oberfläche der Messvorrichtung. Die Retroreflektoren können derart angeordnet sein, dass sie in ihrer physikalischen Ausdehnung nicht mit der Messvorrichtung kollidieren. Die Retroreflektoren können beispielsweise außerhalb eines bestimmten Bereichs, beispielsweise in Form einer Box, angeordnet sein.
Die Retroreflektoren können derart an der Messvorrichtung angeordnet sein, dass sich die Retroreflektoren minimal gegenseitig abschatten und/oder durch die Messvorrichtung abgeschattet sind. Diese Bedingung kann eine akzeptable physikalische Ausdehnung der Retroreflektoren einschränken. Insbesondere kann diese Bedingung einen Einfluss auf die Anzahl der beobachtbaren Retroreflektoren haben.
Die Verteilung weist mindestens so viele Retroreflektoren auf, dass mindestens drei Retroreflektoren in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten beobachtbar sind. Die mindestens drei Beobachtungsorte müssen nicht notwendigerweise die gleichen mindestens drei Retroreflektoren sehen. Unter einem „Beobachtungsort“ kann ein beliebiger Ort verstanden werden, von welchem aus eine Distanzmessung zu einem Retroreflektor erfolgt. Eine Mindestanzahl von Retroreflektoren der Verteilung kann dadurch festgelegt sein, dass von den mindestens drei Beobachtungsorten in Summe ausreichend viele Distanzmessungen, insbesondere sechs, wobei an mindestens zwei Beobachtungsorten mindestens zwei Retroreflektoren sichtbar sein müssen, für eine Berechnung einer Orientierung und Positionierung der Messvorrichtung vorliegen. Die Verteilung kann mindestens so viele Retroreflektoren aufweisen, dass eine Anzahl von den an den mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung beobachtbaren Retroreflektoren 3 bis 40, insbesondere 3 bis 20 Retroreflektoren beträgt. Unter „räumlich verschiedenen Beobachtungsorten“ können im Rahmen der vorliegenden Erfindung räumlich verschiedene Positionen verstanden werden, von welchen eine aktive Distanzmessung erfolgt. Unter „beobachtbar“ kann verstanden werden, dass die Retroreflektoren von dem Beobachtungsort aus sichtbar sind, insbesondere, dass ein von dem jeweiligen Retroreflektor reflektierter Lichtstrahl von einer Distanzmessvorrichtung an den Beobachtungsorten erfassbar, insbesondere messbar, ist.
Ein Distanzbereich der Beobachtungsorte beträgt 0,1 m bis 30 m. Unter einem „Distanzbereich“ kann ein Abstand von der Messvorrichtung, insbesondere einem der Retroreflektoren, zu dem Beobachtungsort verstanden werden. Der Distanzbereich kann durch einen minimalen und einen maximalen Abstand der Beobachtungsorte zu der Messvorrichtung festgelegt sein. Bevorzugt kann der Distanzbereich der Beobachtungsorte 2 m bis 13 m betragen. Diese Anforderung an die Verteilung der Retroreflektoren kann eine Mindestzahl der erforderlichen Retroreflektoren erhöhen.
Jeder der Retroreflektoren weist einen maximalen Akzeptanzwinkel auf. Der maximale Akzeptanzwinkel kann von 1° bis 90° sein. Jeder der Retroreflektoren kann einen individuellen maximalen Akzeptanzwinkel relativ zur Ausrichtungsnormalen aufweisen. So kann ein Akzeptanzkegel um die Ausrichtungsnormale aufgespannt werden. Retroreflektoren können einen endlichen Akzeptanzwinkel relativ zu der Ausrichtungsnormalen aufweisen, in welchem sie Licht empfangen und wieder reflektieren können. Beispielsweise kann der maximale Akzeptanzwinkel ein Halbwinkel bis zu 70° sein. Beispielsweise kann jeder der Retroreflektoren einen maximalen Akzeptanzwinkel von 60° bis 90° aufweisen.
Die Ausdehnung jedes der Retroreflektoren, auch als Einhüllende der Markergröße bezeichnet, weist einen Durchmesser von 1 mm bis 50 mm auf. Bevorzugt kann die Ausdehnung jedes der Retroreflektoren einen Durchmesser von 5 mm bis 15 mm aufweisen. Die Retroreflektoren können einen derart hohen Reflexionsgrad aufweisen, so dass in einem gesamten Bereich aller Beobachtungsorte ein zumindest messbares Signal erfassbar ist. Beispielsweise können Distanzen noch gemessen werden, wenn eine Intensität des zurückgestrahlten Lichts größer als eine vorbestimmte oder vorbestimmbare minimale Intensität ist. Unter „messbar“ kann ein Signal verstanden werden, welches eine Distanzmessung mit einer bestimmten Genauigkeit oder Güte erlaubt. Beispielsweise kann ein Signal messbar sein, wenn das Signal mindestens ein Gütekriterium erfüllt. Beispielsweise kann ein Signal als nicht-messbar oder nicht ausreichend messbar angesehen werden, wenn ein Messfehler größer als ein vorbestimmter oder vorbestimmbarer maximaler Messfehler ist. Beispielsweise kann ein Signal als nicht-messbar oder nicht ausreichend messbar angesehen werden, wenn eine Standardabweichung in der Distanzmessung σ ≥ 50 µm, insbesondere σ ≥100µm, ist. Diese Bedingung kann zu einer Erhöhung der physikalischen Ausdehnung der Retroreflektoren führen, da die Retroreflektoren dann mehr Licht einfangen und damit auch reflektieren können.
Die Retroreflektoren sind derart angeordnet, dass für jeden der Beobachtungsorte ein Mindestabstand von gemessenen Retroreflektordistanzen der beobachtbaren Retroreflektoren 0,1 mm bis 50 mm beträgt. Bevorzugt kann der Mindestabstand von gemessenen Retroreflektordistanzen der beobachtbaren Retroreflektoren 0,5 mm bis 10 mm betragen. Unter einer „Retroreflektordistanz“, auch Markerdistanz genannt, kann eine Distanzmessung der Distanzmessvorrichtung zu einem Retroreflektor verstanden werden. Eine Distanzverteilung kann dergestalt sein, dass eine Überschreitung eines Mindestabstands aller gemessenen Retroreflektordistanzen für alle räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung und Beobachtungsorte maximiert ist. Diese Bedingung kann die Lage der Retroreflektoren zueinander dominant bestimmen. Unterhalb des Mindestabstands werden Retroreflektordistanzen als ungültig und/oder nicht gemessen erklärt. Der Mindestabstand der gemessenen Retroreflektordistanzen kann festlegen, ab welchem Abstand der Retroreflektordistanzen die Distanzmessvorrichtung die Distanzen mit einer vorbestimmten Sicherheit und/oder Genauigkeit bestimmen kann. Bei Unterschreitung können keine Distanzen zu den an der Unterschreitung beteiligten Retroreflektoren bestimmt werden.

In einer Ausführungsform kann die Verteilung der Retroreflektoren die folgenden Parameter aufweisen. Die Anzahl der Retroreflektoren kann 20 sein. Potenziell können alle Retroreflektoren durch die Distanzmessvorrichtung gleichzeitig beobachtet werden. Ein endlicher Akzeptanzwinkel relativ zur Ausrichtungsnormale kann 70° sein. Die Retroreflektoren können kugelförmig mit einer Größe von 10 mm Durchmesser sein. Ein Mindestabstand der gemessenen Retroreflektordistanzen kann 5 mm sein. Wird dieser Mindestabstand unterschritten, werden alle beteiligten Distanzen als „nicht gemessen“ klassifiziert. Ein Bereich, in welchem sich die Retroreflektoren nicht befinden dürfen, in diesem Fall in Form einer Box, kann die Größe 140 mm x 60 mm x 140 mm (x-Achse x y-Achse x z-Achse) aufweisen. Alle Retroreflektoren können im Abstand < 125 mm vom Zentrum dieses Bereichs angeordnet sein. Für eine derartige Anordnung der Retroreflektoren können mindestens drei Distanzen messbar sein in mehr als 90% aller Ausrichtungen für einen einzelnen Beobachtungsort mit Abständen von 2 bis 12 m zur Messvorrichtung. Beispielsweise können die 20 Retroreflektoren, wie in der nachfolgenden Tabelle angegeben, angeordnet sein, wobei x, y, z die Koordinaten der 20 Marker und nx, ny, nz-Koordinaten der zugehörigen Ausrichtungsnormalen sind: (Tabelle 1)

x[mm]	y[mm]	z[mm]	nx	ny	nz
8,3660	2,1340	-2,8660	0,5774	-0,5774	-0,5774
7,5000	4,4013	-1,4648	0	0,9342	0,3568
-8,0352	3,5000	3,4013	-0,3568	0	0,9341
-8,0352	3,5000	0,5987	-0,3568	0	-0,9342
7,8660	-2,6340	0,1340	0,5774	0,5774	-0,5774
7,0000	-4,9013	1,5352	0	-0,9342	0,3568
-6,6340	4,8660C	1,8660	0,5774	-0,5774	0,5774
-8,9013	-3,4648	1,0000	-0,9342	0,3568	0
-0,8660	-3,8660	6,1340	-0,5774	-0,5774	-0,5774
0,5352	-3,0000	8,4013	0,3568	0	0,9341
6,6340	-0,8660	8,3660	-0,5774	-0,5774	0,5774
8,9013	0,5352	7,5000	0,9341	0,3568	0
6,1340	4,8660	3,1340	-0,5774	0,5774	-0,5774
8,4013	3,4648	4,0000	0,9342	-0,3568	0
-6,6340	-1,1340	8,3660	0,5774	0,5774	0,5774
-8,9013	-2,5352	7,5000	-0,9342	-0,3569	0
2,0000	-4,0000	-4,0000	0	-0,9342	-0,3568
0	4,0000	-2,00000	0	0,9342	-0,3568
-0,8660	4,8660	-6,1340	-0,5774	0,5774	0,5774
0,5352	4,0000	-8,4013	0,3568	0	-0,9342

In einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer Messvorrichtung vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist mindestens eine Messvorrichtung nach einer der oben oder weiter unten beschriebenen Ausführungsformen auf. Für Einzelheiten in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere die Messvorrichtung, wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung oben und weiter unten verwiesen.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Messvorrichtung zu tracken. Unter „tracken“ kann eine Nachverfolgung einer Bewegung der Messvorrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten verstanden werden. Insbesondere kann ein fortlaufendes Messen einer 6D-Information, also der räumlichen Position und Orientierung, der im Raum beweglichen Messvorrichtung erfolgen. Insbesondere kann ein 6D-Tacking der Messvorrichtung erfolgen, bei welchem die räumliche Lage, beispielsweise drei kartesische Raumkoordinaten, und die räumliche Ausrichtung oder Orientierung, beispielsweise drei räumliche Ausrichtungen, der Messvorrichtung bestimmt und zeitlich nachverfolgt wird.
Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein. Unter einer räumlichen Position kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage der Messvorrichtung. Unter einer Orientierung kann eine Ausrichtung der Messvorrichtung verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition im Messvolumen. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel.
Die Vorrichtung weist mindestens eine aktive Distanzmessvorrichtung und mindestens eine Auswerteeinheit auf. Unter einer „Distanzmessvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Abstand zu einem Objekt zu bestimmen, insbesondere zu vermessen. Unter einer „aktiven“ Distanzmessvorrichtung kann eine Distanzmessvorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, aktiv ein Nutzsignal in Form elektromagnetischer Wellen auszusenden. Die Distanzmessvorrichtung ist eingerichtet, an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten jeweils eine Distanz zu mindestens drei Retroreflektoren der Messvorrichtung zu bestimmen. Die Distanzmessvorrichtung kann eingerichtet sein, eine Mehrzahl von Distanzmessungen von einem Beobachtungsort zu mehreren Retroreflektoren gleichzeitig oder im Rahmen der Anwendung mit vernachlässigbarer Verzögerung, bestimmen zu können.
Die Distanzmessvorrichtung kann beispielsweise eine LiDAR-Einheit aufweisen. Unter einer LiDAR-Einheit kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche auf dem LiDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LaDAR (laser detection and ranging) genannt, basiert.
Die Distanzmessvorrichtung kann mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen Retroreflektor der Messvorrichtung zu beleuchten. In einer Ausführungsform als LiDAR-Einheit kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, mindestens einen frequenzmodulierten Eingangslichtstrahl zu erzeugen, eine so genannte „Frequency Modulated Continuous Wave“ (FMCW). Die LiDAR-Einheit kann eingerichtet sein, den Eingangslichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz kontinuierlich durchgestimmt wird, nach dem FMCW-Verfahren. Beispielsweise kann die Frequenz des Eingangslichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LiDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LiDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein.
Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu erzeugen. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich Wellenlängen von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich Wellenlängen von 100 nm bis 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung IR-Licht, also Licht aus dem Infraroten Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert wird. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode oder eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode.
Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von der Distanzmessvorrichtung erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der Distanzmessvorrichtung und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Distanzmessvorrichtung anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, aus den von der Distanzmessvorrichtung bestimmten Distanzen die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung unter Verwendung eines Trilaterations- oder Multilaterationsverfahrens zu bestimmen. Derartige Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Verteilung von Retroreflektoren einer Messvorrichtung, insbesondere einer Bestimmung einer Anzahl von Retroreflektoren und/oder einer Positionierung und/oder einer Ausrichtung von Retroreflektoren, vorgeschlagen. In dem Verfahren wird eine Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden oder weiter unten beschriebenen Ausführungsformen verwendet. In dem Verfahren wird eine Zielfunktion optimiert. Die Zielfunktion weist für jeden Retroreflektor mindestens drei Positionsparameter und mindestens drei Orientierungsparameter auf. Die Zielfunktion wird über eine Mehrzahl von Orientierungen der Messvorrichtung bezüglich einer Mehrzahl von Beobachtungsorten optimiert.
Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwiesen.
Unter einer „Zielfunktion“ kann eine Funktion verstanden werden, welche einer Verteilung der Retroreflektoren auf der Messvorrichtung einen Gütewert zuweist. Das Optimieren der Zielfunktion kann ein Maximieren oder Minimieren der Zielfunktion umfassen. Die Positionsparameter und Orientierungsparameter können Freiheitsgrade der Retroreflektoren sein. Die Zielfunktion kann derart optimiert werden, dass alle oben beschriebenen Bedingungen der Verteilung der Retroreflektoren möglichst gut erfüllt werden. Hierzu kann als Zielfunktion eine Statistik der beobachtbaren Retroreflektoren über alle Orientierungen der Messvorrichtung bezüglich mehrerer Beobachtungsorte, welche alle für das verwendete Trackingvolumen sinnvolle Abstände abdeckt, verwendet werden.
Das Verfahren kann weiter einen Ausrichtungsschritt aufweisen. In dem Ausrichtungsschritt können für eine gegebene Anzahl von Retroreflektoren optimale Ausrichtungsnormalen bestimmt werden, derart dass für alle Orientierungen der Messvorrichtung mindestens drei Retroreflektoren beobachtbar sind, beispielsweise unter Vernachlässigung von Abschattungen der Retroreflektoren gegenseitig. Ist der Akzeptanzwinkel für alle Retroreflektoren identisch, so kann als Grundlage für eine solche gleichmäßige Verteilung im Winkelbereich beispielsweise eine Lösung des Thomson-Problems, https://de.wikipedia.org/wiki/Thomson-Problem, verwendet werden.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:

Ausführungsform 1: Messvorrichtung zur Bestimmung von Objektdaten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens eine Verteilung von Retroreflektoren, wobei die Retroreflektoren an der Messvorrichtung angeordnet sind, wobei die Verteilung mindestens so viele Retroreflektoren aufweist, dass mindestens drei Retroreflektoren in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten beobachtbar sind, wobei ein Distanzbereich der Beobachtungsorte 0,1 m bis 30 m beträgt, wobei jeder der Retroreflektoren einen maximalen Akzeptanzwinkel aufweisen, wobei eine Ausdehnung jedes der Retroreflektoren einen Durchmesser von 1 mm bis 50 mm aufweist, wobei die Retroreflektoren derart angeordnet sind, dass, für jeden der Beobachtungsorte, ein Mindestabstand von gemessenen Retroreflektordistanzen der beobachtbaren Retroreflektoren 0,1 mm bis 50 mm beträgt.

Ausführungsform 2: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Verteilung mindestens so viele Retroreflektoren aufweist, dass eine Anzahl von den an den mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung beobachtbaren Retroreflektoren 3 bis 40, insbesondere 3 bis 20 Retroreflektoren beträgt.
Ausführungsform 3: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Distanzbereich der Beobachtungsorte 2 m bis 13 m beträgt.
Ausführungsform 4: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei jeder der Retroreflektoren einen maximalen Akzeptanzwinkel von 1° bis 90°, bevorzugt von 60° bis 90°, aufweist.
Ausführungsform 5: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Ausdehnung jedes der Retroreflektoren einen Durchmesser von 5 mm bis 15 mm aufweist.
Ausführungsform 6: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Mindestabstand von gemessenen Retroreflektordistanzen der beobachtbaren Retroreflektoren 0,5 mm bis 10 mm beträgt.
Ausführungsform 7: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Retroreflektoren derart an der Messvorrichtung angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen Messvorrichtung und jedem der Retroreflektoren kleiner ist als ein vorgebender Maximalabstand.
Ausführungsform 8: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Retroreflektoren innerhalb einer Sphäre oder an einer Oberfläche der Messvorrichtung angeordnet sind.
Ausführungsform 9: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Retroreflektoren einen derart hohen Reflexionsgrad aufweisen, so dass in einem gesamten Bereich aller Beobachtungsorte ein zumindest messbares Signal erfassbar ist.
Ausführungsform 10: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Retroreflektoren derart an der Messvorrichtung angeordnet sind, dass sich die Retroreflektoren minimal gegenseitig abschatten und/oder durch die Messvorrichtung abgeschattet sind.
Ausführungsform 11: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Retroreflektoren Cat-Eye-Retroreflektoren sind.
Ausführungsform 12: Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer Messvorrichtung, wobei die Vorrichtung mindestens eine Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens eine aktive Distanzmessvorrichtung und mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, wobei die Distanzmessvorrichtung eingerichtet ist, an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten jeweils eine Distanz zu mindestens drei Retroreflektoren der Messvorrichtung zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus den bestimmten Distanzen die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung zu bestimmen.
Ausführungsform 13: Verfahren zur Bestimmung einer Verteilung von Retroreflektoren einer Messvorrichtung, wobei in dem Verfahren eine Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei in dem Verfahren eine Zielfunktion optimiert wird, wobei die Zielfunktion für jeden Retroreflektor mindestens drei Positionsparameter und mindestens drei Orientierungsparameter aufweist, wobei die Zielfunktion über eine Mehrzahl von Orientierungen der Messvorrichtung bezüglich einer Mehrzahl von Beobachtungsorten optimiert wird.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 erfindungsgemäße Verteilung von Retroreflektoren auf einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung; und
3 Beispiele für Retroreflektordistanzen.

Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer Messvorrichtung 112 zur Bestimmung von Objektdaten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens eine Verteilung von Retroreflektoren 114. Das Messobjekt kann beispielsweise ein Bauteil sein, welches von der Messvorrichtung 112 abgetastet wird. Die Messvorrichtung 112 kann mindestens einen Sensor aufweisen, welcher eingerichtet ist, 3D-Koordinaten der Oberfläche zu bestimmen. Die Messvorrichtung 112 kann mindestens einen Scanner aufweisen, insbesondere einen Linienscanner. Die Messvorrichtung 112 kann eine handgeführte Messvorrichtung sein. Beispielsweise können die Retroreflektoren 114 als Marker ausgestaltet sein. Beispielsweise können die Retroreflektoren 114 Cat-Eye-Retroreflektoren aufweisen und/oder sein.
Die Retroreflektoren 114 sind an der Messvorrichtung 112 angeordnet. Beispielsweise kann die Verteilung 20, 40 oder mehr Retroreflektoren 114 aufweisen. Bevorzugt kann die Anzahl der Retroreflektoren 114 aus Kosten-, Gewichts- und /oder anderen technischen Gründen, beispielsweise einer Komplexität einer Auswertung, möglichst gering gehalten werden.
Die Retroreflektoren 114 können derart an der Messvorrichtung 112 angeordnet sein, dass ein Abstand zwischen Messvorrichtung 112 und jedem der Retroreflektoren 114 kleiner ist als ein vorgebender Maximalabstand. Die Retroreflektoren 114 können außerhalb der Messvorrichtung 112 angeordnet sein. Beispielsweise können die Retroreflektoren 114 mit der Messvorrichtung mit mindestens einer optionalen Anbringung 116 verbunden sein. Die Retroreflektoren 114 können bevorzugt möglichst nahe an der Messvorrichtung 112 angeordnet sein. Die Retroreflektoren 114 können innerhalb einer Sphäre mit Durchmesser kleiner 500 mm, bevorzugt 250 mm, angebracht sein oder außerhalb der Messvorrichtung 112 mit einem Abstand von 0 mm bis 150mm zur Oberfläche der Messvorrichtung 112. Die Retroreflektoren 114 können derart angeordnet sein, dass sie in ihrer physikalischen Ausdehnung nicht mit der Messvorrichtung 112 kollidieren. Die Retroreflektoren können beispielsweise außerhalb eines bestimmten Bereichs, beispielsweise in Form einer Box 118, angeordnet sein.
Die Retroreflektoren 114 können derart an der Messvorrichtung 112 angeordnet sein, dass sich die Retroreflektoren 114 minimal gegenseitig abschatten und/oder durch die Messvorrichtung 112 abgeschattet sind. Diese Bedingung kann eine akzeptable physikalische Ausdehnung der Retroreflektoren 114 einschränken. Insbesondere kann diese Bedingung einen Einfluss auf die Anzahl der beobachtbaren Retroreflektoren 114 haben.
Die Verteilung weist mindestens so viele Retroreflektoren 114 auf, dass mindestens drei Retroreflektoren 114 in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung 112 an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten 120 beobachtbar sind. Eine Mindestanzahl von Retroreflektoren 114 der Verteilung kann dadurch festgelegt sein, dass von allen Beobachtungsorten 120 in Summe ausreichend viele Distanzmessungen für eine Berechnung einer Orientierung und Positionierung der Messvorrichtung 112 vorliegen. Die Verteilung kann mindestens so viele Retroreflektoren 114 aufweisen, dass eine Anzahl von den an den mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten 120 in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung 112 beobachtbaren Retroreflektoren 3 bis 40, insbesondere 3 bis 20 Retroreflektoren beträgt.
Ein Distanzbereich der Beobachtungsorte 120 beträgt 0,1 m bis 30 m. Der Distanzbereich kann durch einen minimalen und einen maximalen Abstand der Beobachtungsorte 120 zu der Messvorrichtung 112 festgelegt sein. Bevorzugt kann der Distanzbereich der Beobachtungsorte 2 m bis 13 m betragen. Diese Anforderung an die Verteilung der Retroreflektoren 114 kann eine Mindestzahl der erforderlichen Retroreflektoren 114 erhöhen.
Jeder der Retroreflektoren 114 weist einen maximalen Akzeptanzwinkel auf.. Retroreflektoren 114 können einen endlichen maximalen Akzeptanzwinkel relativ zu einer Ausrichtungsnormalen 122 aufweisen, in welchem sie Licht empfangen und wieder reflektieren können. Beispielsweise kann der maximale Akzeptanzwinkel ein Halbwinkel bis zu 70° sein. Beispielsweise kann jeder der Retroreflektoren 114 einen maximalen Akzeptanzwinkel von 1° bis 90°, bevorzugt von 60° bis 90°, aufweisen.
Jeder der Retroreflektoren 114 weist einen Durchmesser von 1 mm bis 50 mm auf. Bevorzugt kann die Ausdehnung jedes der Retroreflektoren 114 einen Durchmesser von 5 mm bis 15 mm aufweisen. Die Retroreflektoren 114 können einen derart hohen Reflexionsgrad aufweisen, so dass in einem gesamten Bereich aller Beobachtungsorte 120 ein zumindest messbares Signal erfassbar ist. Diese Bedingung kann zu einer Erhöhung der physikalischen Ausdehnung der Retroreflektoren 114 führen, da die Retroreflektoren 114 dann mehr Licht einfangen und damit auch reflektieren können.
Die Retroreflektoren 114 sind derart angeordnet, dass, für jeden der Beobachtungsorte 120, ein Mindestabstand von gemessenen Retroreflektordistanzen 124 der beobachtbaren Retroreflektoren 114 0,1 mm bis 50 mm beträgt. Bevorzugt kann der Mindestabstand von gemessenen Retroreflektordistanzen 124 der beobachtbaren Retroreflektoren 114 0,5 mm bis 10 mm betragen. 3 zeigt Beispiele von zwei gemessenen Retroreflektordistanzen 124. Die Retroreflektordistanz 124 kann ein Ergebnis einer Distanzmessung von einer Distanzmessvorrichtung 126 zu einem der Retroreflektoren 114 sein. Eine Distanzverteilung der gemessenen Retroreflektordistanzen 124 kann dergestalt sein, dass eine Überschreitung eines Mindestabstands 128 aller gemessenen Retroreflektordistanzen 124 für alle räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung 112 und Beobachtungsorte 120 maximiert ist. Der Mindestabstand 128 kann ein Abstand zweier Kugelschalen, auf denen die gleichen Längen relativ zum Beobachtungsort 120 gemessen werden, sein. Unterhalb des Mindestabstands 128 werden Retroreflektordistanzen als ungültig und/oder nicht gemessen erklärt. Der Mindestabstand 128 der Retroreflektordistanzen 124 kann festlegen, ab welchem Abstand der Retroreflektordistanzen 124 die Distanzmessvorrichtung 126 die Längen sinnvoll bestimmen kann. Bei Unterschreitung können keine Distanzen zu den an der Unterschreitung beteiligten Retroreflektoren 114 bestimmt werden.
2 zeigt eine Ausführungsform, in welcher die Verteilung der Retroreflektoren 114 die folgenden Parameter aufweist: Die Anzahl der Retroreflektoren 114 kann 20 sein. Potenziell können alle Retroreflektoren 114 durch die Distanzmessvorrichtung 126 gleichzeitig beobachtet werden. Ein endlicher Akzeptanzwinkel relativ zur Ausrichtungsnormale 122 kann 70° sein. Die Retroreflektoren 114 können kugelförmig mit einer Größe von 10 mm Durchmesser sein. Der Mindestabstand 128 der gemessenen Retroreflektordistanzen 124 kann 5 mm sein. Wird dieser Mindestabstand 128 unterschritten, werden alle beteiligten Distanzen als „nicht gemessen“ klassifiziert. Ein Bereich, in welchem sich die Retroreflektoren 114 nicht befinden dürfen, in diesem Fall in Form einer Box 118, kann die Größe 140 mm × 60 mm ×140 mm (x-Achse x y-Achse x z-Achse) aufweisen. Alle Retroreflektoren 114 können im Abstand < 125mm vom Zentrum dieses Bereichs angeordnet sein. Für eine derartige Anordnung der Retroreflektoren 114 können mindestens drei Distanzen messbar sein in mehr als 90% aller Ausrichtungen für einen einzelnen Beobachtungsort 120 mit Abständen von 2 bis 12 m zur Messvorrichtung 112. Beispielsweise können die 20 Retroreflektoren 114, wie in obiger Tabelle 1 angegeben und in 2 grafisch dargestellt angeordnet sein.
Wie in 1 gezeigt, weist die Vorrichtung 110 die Messvorrichtung 112 auf. Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein, die Messvorrichtung 112 zu tracken. Insbesondere kann ein fortlaufendes Messen einer 6D-Information, also der räumlichen Position und Orientierung, der im Raum beweglichen Messvorrichtung 112 erfolgen. Insbesondere kann ein 6D-Tacking der Messvorrichtung 112 erfolgen, bei welchem die räumliche Lage, beispielsweise drei kartesische Raumkoordinaten, und die räumliche Ausrichtung oder Orientierung, beispielsweise drei räumliche Ausrichtungen, der Messvorrichtung 112 bestimmt und zeitlich nachverfolgt wird.
Die Vorrichtung 110 weist mindestens eine aktive Distanzmessvorrichtung 126 und mindestens eine Auswerteeinheit 130 auf. Die Distanzmessvorrichtung 126 ist eingerichtet, an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten 120 jeweils eine Distanz zu mindestens drei Retroreflektoren 114 der Messvorrichtung 112 zu bestimmen. Die Distanzmessvorrichtung 126 kann eingerichtet sein, eine Mehrzahl von Distanzmessungen von einem Beobachtungsort 120 zu mehreren Retroreflektoren 114 gleichzeitig oder im Rahmen der Anwendung mit vernachlässigbarer Verzögerung, bestimmen zu können.
Die Distanzmessvorrichtung 126 kann beispielsweise eine LiDAR-Einheit aufweisen. Die Distanzmessvorrichtung 126 kann mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 132 aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen Retroreflektor 114 der Messvorrichtung 112 zu beleuchten. Beispielhaft ist in 1 ein von der Beleuchtungsvorrichtung 132 erzeugter Beleuchtungslichtstrahl gezeigt, welcher einen der Retroreflektoren 114 beleuchtet. Die Beleuchtungsvorrichtung 132 kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 132 kann mindestens eine FMCW-Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 132 kann mindestens eine einstellbare (tunable) Laserquelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Distributed Feedback (DFB) Laserdiode oder eine Distributed Bragg Reflektor (DBR) Laserdiode.
Die Distanzmessvorrichtung 126 kann mindestens ein Sensorelement 134 aufweisen, welches eingerichtet ist, mindestens einen von den Retroreflektoren 114 reflektierten Lichtstrahl zu detektieren. Das Sensorelement 134 kann mindestens eine Photodiode aufweisen.
Die Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein, um von der Distanzmessvorrichtung 126 erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der Distanzmessvorrichtung 126 und der Auswerteeinheit 130 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 130 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Distanzmessvorrichtung anzusteuern. Die Auswerteeinheit 130 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit 130 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit 130 kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet, aus den von der Distanzmessvorrichtung 126 bestimmten Distanzen die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung 112 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein, die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung 112 unter Verwendung eines Trilaterations- oder Multilaterationsverfahrens zu bestimmen. Derartige Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
Bezugszeichenliste

110: Vorrichtung
112: Messvorrichtung
114: Retroreflektor
116: Anbringung
118: Box
120: Beobachtungsorte
122: Ausrichtungsnormale
124: Retroreflektordistanzen
126: Distanzmessvorrichtung
128: Mindestabstand
130: Auswerteeinheit
132: Beleuchtungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9559486 B2 [0030]
US 8913636 B2 [0030]
US 2016123718 A1 [0030]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Daniel Clouse et al., Jet Propulsion Laboratory, 2001 IEEE Aerospace Conference Proceedings (Cat. No. 01TH8542), DOI: 10.1109/AERO.2001.931380 [0005]

Claims

Messvorrichtung (112) zur Bestimmung von Objektdaten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens eine Verteilung von Retroreflektoren (114), wobei die Retroreflektoren (114) an der Messvorrichtung (112) angeordnet sind, wobei die Verteilung mindestens so viele Retroreflektoren (114) aufweist, dass mindestens drei Retroreflektoren (114) in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung (112) an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten (120) beobachtbar sind, wobei ein Distanzbereich der Beobachtungsorte (120) 0,1 m bis 30 m beträgt, wobei jeder der Retroreflektoren (114) einen maximalen Akzeptanzwinkel aufweist, wobei jeder der Retroreflektoren (114) einen Durchmesser von 1 mm bis 50 mm aufweist, wobei die Retroreflektoren (114) derart angeordnet sind, dass, für jeden der Beobachtungsorte (120), ein Mindestabstand (128) von gemessenen Retroreflektordistanzen (124) der beobachtbaren Retroreflektoren (114) 0,1 mm bis 50 mm beträgt.
Messvorrichtung (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verteilung mindestens so viele Retroreflektoren (114) aufweist, dass eine Anzahl von den an den mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten (120) in mindestens 90% aller möglichen räumlichen Orientierungen der Messvorrichtung (112) beobachtbaren Retroreflektoren (114) 3 bis 40, insbesondere 3 bis 20 Retroreflektoren (114) beträgt.
Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Distanzbereich der Beobachtungsorte (120) 2 m bis 13 m beträgt.
Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Retroreflektoren (114) einen maximalen Akzeptanzwinkel von 1° bis 90°, bevorzugt von 60° bis 90° aufweist.
Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnung jedes der Retroreflektoren (114) einen Durchmesser von 5 mm bis 15 mm aufweist.
Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mindestabstand (128) von gemessenen Retroreflektordistanzen (124) der beobachtbaren Retroreflektoren (114) 0,5 mm bis 10 mm beträgt.
Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Retroreflektoren (114) derart an der Messvorrichtung (112) angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen Messvorrichtung (112) und jedem der Retroreflektoren (114) kleiner ist als ein vorgebender Maximalabstand, wobei die Retroreflektoren (114) innerhalb einer Sphäre oder an einer Oberfläche der Messvorrichtung (112) angeordnet sind.
Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Retroreflektoren (114) Cat-Eye-Retroreflektoren sind.
Vorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens einer Messvorrichtung (112), wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine aktive Distanzmessvorrichtung (126) und mindestens eine Auswerteeinheit (130) aufweist, wobei die Distanzmessvorrichtung (126) eingerichtet ist, an mindestens drei räumlich verschiedenen Beobachtungsorten (120) jeweils eine Distanz zu mindestens drei Retroreflektoren (114) der Messvorrichtung (112) zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit (130) eingerichtet ist, aus den bestimmten Distanzen die räumliche Position und Orientierung der Messvorrichtung (112) zu bestimmen.
Verfahren zur Bestimmung einer Verteilung von Retroreflektoren (114) einer Messvorrichtung (112), wobei in dem Verfahren eine Messvorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung (112) betreffenden Ansprüche verwendet wird, wobei in dem Verfahren eine Zielfunktion optimiert wird, wobei die Zielfunktion für jeden Retroreflektor (114) mindestens drei Positionsparameter und mindestens drei Orientierungsparameter aufweist, wobei die Zielfunktion über eine Mehrzahl von Orientierungen der Messvorrichtung (112) bezüglich einer Mehrzahl von Beobachtungsorten (120) optimiert wird.