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DE20000243U1 - Arrangement for automatic, camera-guided docking by means of cooperative target marks, especially in the case of sunlight outdoors - Google Patents

Arrangement for automatic, camera-guided docking by means of cooperative target marks, especially in the case of sunlight outdoors

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Publication number
DE20000243U1
DE20000243U1 DE20000243U DE20000243U DE20000243U1 DE 20000243 U1 DE20000243 U1 DE 20000243U1 DE 20000243 U DE20000243 U DE 20000243U DE 20000243 U DE20000243 U DE 20000243U DE 20000243 U1 DE20000243 U1 DE 20000243U1
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DE
Germany
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arrangement according
camera
target
ultra
narrow
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE20000243U
Other languages
German (de)
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Sensor Control Automatisc GmbH
Original Assignee
Sensor Control Automatisc GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Sensor Control Automatisc GmbH filed Critical Sensor Control Automatisc GmbH
Priority to DE20000243U priority Critical patent/DE20000243U1/en
Publication of DE20000243U1 publication Critical patent/DE20000243U1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02Sensing devices
    • B25J19/021Optical sensing devices
    • B25J19/023Optical sensing devices including video camera means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Description

OptiMaster - Inspektionssysteme zur QualitätssicherungOptiMaster - inspection systems for quality assurance

Gebrauchsmusteranmeldung vom 11.01.2000Utility model application dated 11.01.2000

Anordnung zum automatischen, kamerageführten Andocken mittels kooperativer Zielmarken insbesondere bei Sonnenlicht im Freien.Arrangement for automatic, camera-guided docking using cooperative targets, especially in sunlight outdoors.

BeschreibungDescription

Die erfindungsgemäße Anordnung dient dazu, dynamische Andockvorgänge, die durch eine Kamera geführt, die im Freien, also bei jeder Witterung insbesondere bei Sonnenlicht und Niederschlägen, Tag und Nacht stattfinden müssen, dadurch betriebssicher und zugestalten, dass die Kamera bei allen äußeren Beleuchtungszuständen als einziges die kooperativen Zielmarken sieht und dadurch der reduzierte Bildverarbeitungsrechenaufwand höhere Zielerfassungsraten erlaubt. Dies ist eine Notwendigkeit zur Erfassung von Zielen, wenn sich der Manipulator und das Ziel relativ zueinander gesteuert werden sollen.The arrangement according to the invention serves to make dynamic docking processes, which are carried out by a camera and have to take place outdoors, i.e. in all weather conditions, particularly in sunlight and precipitation, day and night, reliable and efficient in that the camera is the only one to see the cooperative target marks in all external lighting conditions and the reduced image processing computational effort thus allows higher target detection rates. This is a necessity for detecting targets if the manipulator and the target are to be controlled relative to one another.

Die beschriebene Anordnung löst insbesondere das Problem, dass das Sonnenlicht mit ca. 1 KW Lichtleistung/m durch Schlagschatten ein bekanntes Ziel für die Bildverarbeitung jeweils anders aussehen läßt, was die Zielidentifizierung äußerst schwierig und rechenintensiv macht.The described arrangement solves in particular the problem that sunlight with approx. 1 KW light output/m causes a known target to look different for image processing due to cast shadows, which makes target identification extremely difficult and computationally intensive.

Die Lösung liegt darin, dass in Verbindung mit schmalspektraler und ultrakurzer Blitzbeleuchtung mit niedrigen, mittleren Lichtleistungen, synchron mit ultrakurzen Kameraverschlußzeiten gearbeitet wird, wobei die Kamera durch Interferenzfilter nur im Lichtband der schmalspektralen Blitzbeleuchtung empfindlich ist.The solution is to work in conjunction with narrow-spectral and ultra-short flash lighting with low, medium light outputs, synchronously with ultra-short camera shutter speeds, whereby the camera is only sensitive in the light band of the narrow-spectral flash lighting due to interference filters.

Durch Reflektoren mit vorgeschalteten, optischen Schmalbandfiltern entstehen kooperative, passive Ziele, die die Objektfindung bis zum Andockvorgang betriebssicher machen, da die Kamera anschließend diese Ziele detektiert.Reflectors with upstream narrow-band optical filters create cooperative, passive targets that make object detection reliable until the docking process, since the camera then detects these targets.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Aufgabe einen Manipulatorarm (1) mit beweglichem Andockkopf (2) und frontseitiger Kupplungsöffnung (7) an das Kupplungselement (6) des anzudockenden Gegenstandes (4) heranzuführen. Dies geschieht wie in Fig. 2 gezeigt, erfindungsgemäß mit einer Kamera (15), die durch die Andocköffnung (7) konzentrisch hindurch schaut und im Fernbereich primär die kooperativen Zielmarken (5) erfaßt.Fig. 1 shows the basic task of bringing a manipulator arm (1) with a movable docking head (2) and a front coupling opening (7) to the coupling element (6) of the object (4) to be docked. This is done, as shown in Fig. 2, according to the invention with a camera (15) that looks concentrically through the docking opening (7) and primarily detects the cooperative target marks (5) in the long range.

Fig. 2 zeigt, dass Im Nahbereich, kurz vor dem Andocken die Kamera (15) nur noch die Zielmarke (18) im Andockelement (6) erfaßt und ermöglicht so die Feinansteuerung des Andockelementes in die Kupplungsöffnung (7). Die Zangenelemente (14) verriegeln den eingekuppelten Zustand.Fig. 2 shows that in the close range, shortly before docking, the camera (15) only detects the target mark (18) in the docking element (6) and thus enables the docking element to be finely controlled in the coupling opening (7). The clamp elements (14) lock the coupled state.

Die Zielmarke (5) wie auch die zentrische Zielmarke (18) sind kooperativ d.h. sie arbeiten durch vorgeschaltete Interferenzfilter vor den Reflektorelementen auf der gleichen schmalspektralen, optischen Wellenlänge, wie die Ultrakurz-Blitzbeleuchtungen in Form der Blitze (10) für den weiteren Bereich. Auf der gleichen Wellenlänge arbeitet auch die Blitzbeleuchtung (9), die über den halbdurchlässigen Spiegel (8) konzentrisch zur Objektivachse (12) der Kamera (15) wirkt.The target mark (5) and the centric target mark (18) are cooperative, i.e. they work on the same narrow spectral optical wavelength as the ultra-short flash illumination in the form of the flashes (10) for the wider area, thanks to interference filters placed in front of the reflector elements. The flash illumination (9) also works on the same wavelength and acts concentrically to the lens axis (12) of the camera (15) via the semi-transparent mirror (8).

Anwendungen für diese Anordnungen sind: Automatisches Andocken von Manipulatoren und Kränen an Lasten, Andocken an die Radachsen für Hubschrauber-Verbringungsmanipulatoren auf Schiffen, automatische Betankung in der Luft, automatische Andockvorgänge an Satelliten- und Raumstationen.Applications for these arrangements include: automatic docking of manipulators and cranes to loads, docking to the wheel axles for helicopter transfer manipulators on ships, automatic refueling in the air, automatic docking to satellites and space stations.

SensorDeutsches PatentamtiMufiehenSensorGerman Patent OfficeiMufiehen

Claims (15)

1. Anordnung nach Fig. 1 und Fig. 2 zum automatischen Heranführen und Andocken von zwei kuppelbaren Gegenständen (2, 4) oder Elementen mit Zielfindung und Zielverfolgung mittels einer Kamera (15) und nachgeschalteter Bildverarbeitung insbesondere im Freien bei wechselnden Licht- und Witterungsverhältnissen, dadurch gekennzeichnet, dass durch schmalspektrale, ultrakurze Blitzbeleuchtung (9, 10) auf reflektierende, eindeutige Zielmarken (5, 18) in Verbindung mit ultrakurzen, synchronen Kameraverschlußzeiten und schmalspektralem Filter (11) vor der Kamera die Wirkung von wechselnden Lichtverhältnissen dadurch ausgeschaltet wird, dass das hochenergetische Sonnenlicht für die ultrakurze Verschluß- und Blitzzeit in einem schmalen Frequenzband mehrfach überstrahlt wird. 1. Arrangement according to Fig. 1 and Fig. 2 for the automatic approach and docking of two detachable objects ( 2 , 4 ) or elements with target finding and target tracking by means of a camera ( 15 ) and downstream image processing, in particular outdoors in changing light and weather conditions, characterized in that by narrow-spectral, ultra-short flash illumination ( 9 , 10 ) on reflective, clear target marks ( 5 , 18 ) in conjunction with ultra-short, synchronous camera shutter times and a narrow-spectral filter ( 11 ) in front of the camera, the effect of changing light conditions is eliminated by the high-energy sunlight being outshone several times in a narrow frequency band for the ultra-short shutter and flash time. 2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (15) eine für Bildverarbeitung geeignete, elektronische Video- oder Einzelbildkamera mit ultrakurzem, elektronischen Schlußzeiten bevorzugt zwischen 100. . .1 µs arbeitet, wobei der Verschluß synchron zum Blitz (10, 9) geöffnet wird. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the camera ( 15 ) is an electronic video or single image camera suitable for image processing with ultra-short electronic shutter times, preferably between 100...1 µs, the shutter being opened synchronously with the flash ( 10 , 9 ). 3. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (15) durch einen schmalspektralen Filter (11) insbesondere einen Interferenzfilter auf das Lichtband einer schmalspektralen Ultra-Kurzblitzbeleuchtung (9 und 10) abgestimmt ist. 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the camera ( 15 ) is tuned to the light band of a narrow-spectral ultra-short flash illumination ( 9 and 10 ) by a narrow-spectral filter ( 11 ), in particular an interference filter. 4. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ultrakurz-Blitzbeleuchtung (9 und 10) Laserdioden oder Ultrahell-Leuchtdioden LED verwendet werden, die im sichtbaren oder im Nah-Infrarotbereich arbeiten. 4. Arrangement according to claim 1, characterized in that laser diodes or ultra-bright light-emitting diodes LEDs are used for the ultra-short flash illumination ( 9 and 10 ), which operate in the visible or near-infrared range. 5. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Reflektorzielmarken (5, 18) Tripelprismen, Mikroprismen oder auf Glasperlen beruhende Reflektormarken verwendet werden. 5. Arrangement according to claim 1, characterized in that triple prisms, microprisms or reflector marks based on glass beads are used as reflector target marks ( 5 , 18 ). 6. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass vor die Reflektormarken (5, 18) vor die lichtreflektierende Fläche (17) ein Schmalbandfilter oder ein Interferenzfilter (16) montiert ist, das auf der Wellenlänge von Schmalbandblitzbeleuchtung und Schmalbandfilter vor der Kamera abgestimmt ist. 6. Arrangement according to claim 1, characterized in that a narrow-band filter or an interference filter ( 16 ) is mounted in front of the reflector marks ( 5 , 18 ) in front of the light-reflecting surface ( 17 ), which is tuned to the wavelength of narrow-band flash illumination and narrow-band filter in front of the camera. 7. Anordnung nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Zielmarke (18) sich in der Wellenlänge geringfügig zur Orientierung der Zielmarke (5) unterscheidet, so dass diese durch Helligkeitsunterschied von der Kamera (15) eindeutig unterschieden werden kann. 7. Arrangement according to claim 1 and 6, characterized in that the central target mark ( 18 ) differs slightly in wavelength from the orientation of the target mark ( 5 ), so that the latter can be clearly distinguished by the camera ( 15 ) by difference in brightness. 8. Anordnung nach Anspruch 1, 6, 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzbeleuchtung mit zwei unterschiedlich schaltbaren Wellenlängen z. B. 880 und 950 nm arbeitet, so dass die Zielmarken (5) und (18) durch Bildhelligkeitsvergleich unterscheidbar sind. 8. Arrangement according to claim 1, 6, 7, characterized in that the flash illumination operates with two differently switchable wavelengths, e.g. 880 and 950 nm, so that the target marks ( 5 ) and ( 18 ) can be distinguished by comparing the image brightness. 9. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierungszielmarke 5 durch ihren Abstand und ihre Anordnung zueinander eine grobe Entfernungs- und Lageberechnung des Andockzieles ermöglicht. Z. B. bietet eine Kreisanordnung über Durchmesser und Aspektwinkel der Zielmarken diese Information. 9. Arrangement according to claim 1, characterized in that the orientation target mark 5 enables a rough calculation of the distance and position of the docking target due to their spacing and their arrangement relative to one another. For example, a circular arrangement of the diameter and aspect angle of the target marks provides this information. 10. Anordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Reflektorzielmarken (5) nicht in einer Ebene sondern in definierter, gesetzmäßiger Neigung angeordnet sind z. B. auf einem Konus, wie in Fig. 1 gezeigt, so dass stets einige Zielmarken der Kamera zugeneigt sind und die Zielsuche in einem größeren Winkel möglich ist. 10. Arrangement according to claim 1, characterized in that the reflector target marks ( 5 ) are not arranged in a plane but at a defined, regular inclination, e.g. on a cone, as shown in Fig. 1, so that some target marks are always inclined towards the camera and the target search is possible at a larger angle. 11. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorzielmarke (18) für den Nahbereich anders geformt ist als die Ortungszielmarke (5). 11. Arrangement according to claim 1, characterized in that the reflector target mark ( 18 ) for the close range is shaped differently than the locating target mark ( 5 ). 12. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für das Andocken im Nahbereich eine konzentrische Blitzbeleuchtung (9) über einen halbdurchlässigen Spiegel (8) konzentrisch zum Kameraobjektiv (12) arbeitet und diese Kamera konzentrisch durch die Öffnung des Kupplungselementes hindurch auf die Andockzielmarke (18) sieht. 12. Arrangement according to claim 1, characterized in that for docking in the close range a concentric flash illumination ( 9 ) operates via a semi-transparent mirror ( 8 ) concentrically to the camera lens ( 12 ) and this camera looks concentrically through the opening of the coupling element onto the docking target mark ( 18 ). 13. Anordnung nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzfilter vor den Reflektorzielmarken diese für Geräte, die auf andere Wellenlängen arbeiten, unsichtbar machen. 13. Arrangement according to claim 1 and 6, characterized in that the interference filters in front of the reflector targets make them invisible to devices operating on other wavelengths. 14. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ultrakurzblitzbeleuchtung (9, 10) in Verbindung mit synchroner Verschlußsteuerung und kooperativen Reflektorzielmarken die Zielinformation auf wenige Bildelemente reduziert, was hohe Bildverarbeitungsraten ermöglicht. 14. Arrangement according to claim 1, characterized in that the ultra-short flash illumination ( 9 , 10 ) in conjunction with synchronous shutter control and cooperative reflector target marks reduces the target information to a few image elements, which enables high image processing rates. 15. Anordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet, durch die Anwendung zum Andocken eines Manipulators an einen auf Schiff gelandeten Hubschrauber zur Verbringung in den Hangar. 15. Arrangement according to claim 1, characterized by the application for docking a manipulator to a helicopter landed on a ship for transport into the hangar.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2572039B (en) * 2018-01-19 2020-08-05 Ocado Innovation Ltd A grasping affordance for use in a robot system

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