DE69409513T2

DE69409513T2 - Verfahren zur geometrischen messung

Info

Publication number: DE69409513T2
Application number: DE69409513T
Authority: DE
Inventors: Alf N-1346 Gjettum Pettersen; Yvind N-1346 Hvalstad R Tvold
Original assignee: Metronor AS
Current assignee: Metronor Industrial AS
Priority date: 1993-05-24
Filing date: 1994-05-24
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2014-05-25
Also published as: EP0829701B1; US20020048027A1; DE69431677D1; NO931873L; US5805287A; JPH08510835A; JP3027609B2; WO1994028375A1; AU6859094A; NO931873D0; NO302055B1; DE69431677T2; EP0700506A1; DE69409513D1; EP0700506B1; US5805287C1; EP0829701A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Bestimmen einer relativen Position und/oder Orientierung einer Anzahl von Punkten oder geometrischer Objekte, wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären bzw. Kugeln, oder kombinierter Objekte, wie Roboterarme oder andere Industriegeräte, auf der Basis der Verwendung einer oder mehrerer Kameras, gestützt auf elektrooptische Sensoren in Kombination mit fest montierten Lichtquellen, projizierten Lichtflecken, beleuchteten Reflektoren oder Sonden- bzw. Meßfühlerinstrumenten mit Lichtquellen oder Reflektoren, die daran angebracht sind.
Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt eine Weiterentwicklung der von den Erfindern in den norwegischen Patenten 165 046, 164 946 und 169 799 sowie der Patentanmeldung 913994 beschriebenen Erfindungen.
Das norwegische Patent 165 046 beschreibt ein System, das auf zwei elektrooptischen Kameras mit hoher Auflösung basiert, die für Winkelmessungen kalibriert sind, Verfahren für eine derartige Kalibrierung, ein auf den Kameras basierendes System für Geometriemessungen und auch eine Anwendung dieses Systems.
Das norwegische Patent 164 946 beschreibt Systeme für Messungen von Punkten auf einer Oberfläche, indem ein Muster von Lichtflecken auf die Oberfläche projiziert und die Koordinaten für diese Lichtflecke unter Verwendung elektrooptischer Sensoren bestimmt werden.
Das norwegische Patent 169 799 beschreibt Instrumente zum Markieren von Punkten auf einer Oberfläche, die unter Verwendung elektrooptischer Kameras zu vermessen sind.
Die norwegische Patentanmeldung 913994 beschreibt ein System für eine Messung von Raumkoordinaten unter Verwendung einer einzigen elektrooptischen Kamera und auch von Instrumenten mit einer Lichtquelle oder reflektierenden Punkten, die daran angebracht sind.
Das System, das im norwegischen Patent 165 046 beschne ben ist, weist Beschränkungen in bezug auf die Tatsache auf, daß jeder einzelne Punkt durch zwei Kameras gleichzeitig registriert wird. Dies führt zu Forderungen nach einer gleichzeitigen freien Sicht in den Richtungen zu beiden Kameras. Ferner beruht das System auf einer Bestimmung der Position der Kameras durch eine separate Prozedur, bevor Koordinatenmessungen begonnen werden können. Die Genauigkeit des Systems ist grundsätzlich durch die Auflösung des Sensors bestimmt. Dies bedeutet, daß die Genauigkeit in großen Volumina begrenzt ist.
Das in der norwegischen Patentanmeldung 913994 beschriebene System arbeitet im wesentlichen insofern wie ein Theodolit, als Raumrichtungen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Außerdem wird die Distanz zum Meßinstrument mit mä ßiger Genauigkeit bestimmt. Als alleiniges bzw. selbständiges System liefert es eine begrenzte Genauigkeit bei der Distanzbestimmung, was bedeutet, daß die Zahl möglicher Anwendungen begrenzt ist.
Die Verwendung eines Meßfühlerinstruments mit Lichtquellen ist aus WO-A-91/16598 bekannt.
Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt eine Weiterentwicklung eines Verfahrens und einer Einrichtung für eine Koordinatenmessung, die bezüglich:
- der Zahl von Kameras,
- ob die Kameras für Richtungsmessungen kalibriert sind oder nicht,
- der Verfahren, die zum Markieren der Meßpunkte verwendet werden,
- wo und in wie vielen Positionen die Kameras während des Meßprozesses angeordnet sind,
- welche Verfahren verwendet werden, um die Messungen mit einem ausgewählten Koordinatensystem in Zusammenhang zu bringen,
eine umfassende Anpassungsfähigkeit bzw. Flexibilität liefern.
Durch die Verwendung dieser weiterentwicklung wird eine umfassende Flexibilität erreicht, um das System und das Verfahren bezüglich der in Frage kommenden Meßaufgabe und Fragen wie Genauigkeitsanforderungen und äußere Einschränkungen wie Sichtbeschränkungen zu optimieren.
In bezug auf Anwendungen konkurriert das System mit bestehender Technik, wie Theodoliten und herkömmlicher Photogrammetrie, und auch mechanischen Koordinatenmeßmaschinen.
Koordinatenmeßmaschinen weisen eine stark eingeschränkte Funktionsfähigkeit auf, weil sie nicht tragbar sind und ein beschränktes Meßvolumen haben. Große Maschinen sind sehr teuer, haben eine geringe Genauigkeit und erfordern infolge der erforderlichen Stabilität und Temperaturregelung anwendungsspezifische Räumlichkeiten.
Theodoliten weisen signifikante Beschränkungen in bezug auf Abhängigkeiten vom Bediener (bei herkömmlichen Instrumenten zielt ein Bediener durch das Monookular des Theodolits zum Meßpunkt), zeitraubende Messungen und eine hohe Anforderung an eine freie Sicht zwischen dem Meßpunkt und dem Instrument auf. Außerdem müssen Theodoliten genau nivelliert werden.
Herkömmliche Photogrammetrie ist auf die Verwendung von Filmkameras beschränkt. Die Meßpunkte werden durch Anbringen von Ziele genannten reflektierenden Meßelementen an das Objekt markiert. Es ist nicht möglich, geometrische Objekte wie Löcher, Ebenen, Kugeln, Linien etc. zu vermessen, ohne diese unter Verwendung von Zielen zu markieren.
Eine Berechnung von Raumkoordinaten auf der Grundlage von Theodolitmessungen oder herkömmlicher Photogrammetrie wird durch iterative Verfahren durchgeführt. Beide Meßverfahren sind zweidimensional, d.h. sie geben nur die Richtung zu den Meßpunkten an. Als Anfangswerte für die iterativen Berechnungen werden geschätzte Raumkoordinaten für mehrere Meßpunkte benotigt. Das in der norwegischen Patentanmeldung 913994 beschriebene System liefert Raumkoordinaten, die ausreichend genaue Anfangswerte für die ähnlichen Berechnungen in bezug auf das vorliegende Verfahren und System liefern.
Figur 1 veranschaulicht eine Kamera und eine Bilderzeugung eines Lichtflecks auf dem Sensor der Kamera.
Figur 2 veranschaulicht das Prinzip einer Koordinatenbestimmung aus der Bilderzeugung eines gemeinsamen Punktes in zwei oder mehr Kameras.
Figur 3 veranschaulicht die Konfiguration eines kompletten Meßsystems.
Das norwegische Patent Nr. 165 046 beschreibt einen vollautomatischen und genau kalibrierten Winkelsensor auf der Basis einer CCD-Kamera. Eine solche Kamera 1, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, umfaßt im wesentlichen ein Kameragehäuse 2, eine Linseneinheit 3 und eine zweidimensionale Sensormatrix 4. Die Linseneinheit ist ein Objektiv mit standardmäßiger sphärischer Optik. Der Winkelsensor ist ausgelegt, um die Richtung zu Punkten, die aktive Lichtquellen sind, oder durch aktive Lichtquellen beleuchteten Punkten zu messen. Dies liefert eine sichere Identifikation der Meß punkte und ermöglicht daher einen vollautomatischen Gebrauch und liefert auch ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis. Ferner wird durch die Verwendung einer genauen Prozedur zur Kalibrierung des Winkelsensors eine hohe Genauigkeit sichergestellt. Dies ist im norwegischen Patent 165 046 beschrieben.
Das Meßprinzip ist in Figur 2 veranschaulicht. Die Koordinaten für eine Anzahl Punkte 5 sollen in bezug auf ein räumliches Koordinatensystem X, Y, Z bestimmt werden. Dies wird gemacht, indem zwei oder mehr Kameras 4 an willkürlichen und zu Anfang unbekannten Positionen und in willkürlichen und zu Anfang unbekannten Orientierungen in bezug auf das gleiche Koordinatensystem angeordnet werden. Die räumliche Richtung zu einem Punkt 5 wird bestimmt, indem dessen Projektion 6 durch das Projektionszentrum 7 der Linseneinheit registriert wird, wie in Figur 1B dargestellt ist. Die Projektion wird als die Bildkoordinaten x, y des Punktbildes in bezug auf das kamerafeste Koordinatensystem registriert, wie in Figur 2 veranschaulicht ist. Die Berechnung der unbekannten räumlichen Koordinaten basiert auf einem Aufstellen der Gleichungen für die Projektionen für eine Anzahl Kameras. Diese Berechnung kann auch eine Bestimmung der Position und Orientierung der Kameras sowie auch Parameter zur Korrektur möglicher Linsenverzerrungen einschließen. Dies bedeutet, daß sogar nicht kalibrierte Kameras verwendet werden können. Jeder zusätzliche Punkt, der in die Berechnung eingeführt wird, ergibt drei zusätzliche unbekannte Koordinaten X, Y, Z, die zu bestimmen sind, während gleichzeitig 2xn neue Beobachtungen in die Berechnung eingeschlossen werden (n ist die Zahl von Kamerastellen). Die Berechnung erfordert, daß die Größe zumindest einer Distanz zwischen zwei Punkten bekannt ist, um eine korrekte Maßstab-information für das Gleichungssystem zu liefern.
Das Berechnungsverfahren basiert auf einem Minimieren von Fehlern (Methode der kleinsten Quadrate), so daß redundante Information verwendet wird. Die notwendige mathematische Begründung findet sich in H.M. Kamara (Ed.): Non-topographic photogrammetry. Zweite Auflage, 1987, Seiten 37-55.
Falls die Zahl unbekannter Parameter erhöht wird, ist im allgemeinen eine ähnlich erhöhte Zahl von Beobachtungen wie zusätzliche Punkte oder zusätzliche Kameras/Kamerastellen erforderlich.
Figur 3 veranschaulicht ein System für Messungen der räumlichen Geometrie auf der Basis einer oder mehrerer Kameras 1, 8, eine Systemsteuereinheit 9, die aus einem Datenprozessor 10, einer Kamerasteuereinheit 11 und einer Lichtquellensteuereinheit 12 besteht. Das System kann an verschiedene Lichtquellen zum Markieren von Punkten angeschlossen werden:
- einen Referenzstab 14 mit einer Anzahl lichtemittierender Dioden an bekannten wechselseitigen Trennabständen;
- einen Lichtstift 15, der ein im schwedischen Patent Nr. 456 454 beschriebenes Meßfühlerinstrument ist, das möglicherweise austauschbare Instrumente aufweist, wie im norwegischen Patent Nr. 169 799 beschrieben ist;
- lichtemittierende Dioden und/oder einen Laser 16. Die lichtemittierenden Dioden sind ständig im Meßfeld angebracht, das von mehreren Kamerastellen aus abgebildet werden soll. Laser werden verwendet, um festgelegte Lichtflecke auf das Meßobjekt zu projizieren. Lichtemittierende Dioden/Laser sind über eine Verbindereinheit 17 mit dem System verbunden.
- reflektierende Punkte 18, die durch eine Lampe 19 beleuchtet werden.
Das Ansteuern und die Steuerung der Lichtquellen werden durch die Steuereinheit 12 vorgenommen, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis sicherzustellen und die Kameras über die Kamerasteuereinheit 11 zu synchronisieren.
Der Systemdatenprozessor 10 nimmt die Analyse von Meßdaten von den Kameras vor. Die Datenverarbeitung besteht hauptsächlich aus:
- einer Steuerung der Bilderzeugungszeit und Belichtungszeit, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren,
- einer Identifikation der einzelnen Lichtquellen, d.h. welcher Punkt im Bild welcher Lichtquelle entspricht,
- einer Berechnung der räumlichen Richtung für jede einzelne Lichtquelle aus der Bildinformation,
- einer Berechnung räumlicher Koordinaten für das Meßfühlerinstrument (Lichtstift).
Der Benutzer kommuniziert mit dem System über ein Bedienerterminal 13.
Zusätzlich zu Beobachtungen von den Kameras verlangt das Berechnungsverfahren eine oder mehr bekannte Distanzen, um den korrekten Maßstab für die berechneten räumlichen Koordinaten zu liefern. Dies kann durch die Verwendung des speziell konstruierten Referenzstabes 14 oder durch Messen von Punkten in einer bekannten Trenndistanz erreicht werden. Die Länge des Referenzstabes oder die bekannten Distanzen können vom Bediener am Terminal 13 eingegeben werden.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, eine oder mehr Kameras in Kombination mit einer oder mehr Arten von Lichtquellen oder beleuchteten reflektierenden Punkten zu verwenden, um eine hohe Flexibilität zu erzielen, um verschiedene Meßprobleme bezüglich
- der Abmessung des Meßvolumens,
- der Zugangsmöglichkeit zum Meßvolumen,
- der Definition von Koordinatensystemen,
- der Genauigkeitsanforderung,
- verfügbarer Zeit für Messungen,
- der Frequenz bzw. Häufigkeit wiederholter Steuerungen,
- einer Kombination verschiedener Arten von Kameras und Instrumenten für Richtungsmessungen
zu lösen.
Die charakteristischen Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung nicht beschränkender Beispiele einer Anwendung der Erfindung mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figur 4 veranschaulicht ein weiterentwickeltes Prinzip zur Verwendung des Meßfühlerinstruments "Lichtstift".
Figur 5 veranschaulicht, wie man ein Netz von Hilfsreferenzpunkten einrichtet und vermißt.
Figur 6 veranschaulicht eine Messung einer Anzahl geometrischer Objekte auf der Basis einer Anzahl von Hilfsreferenzpunkten.
Figur 7 veranschaulicht eine Anwendung auf der Basis einer transportablen Referenz struktur/Palette.
Figur 8 veranschaulicht eine feste Meßstation auf der Basis einer Referenzstruktur.
Die Figuren 9 und 10 zeigen Beispiele einer Anwendung des Verfahrens der Erfindung.
Das Berechnungsverfahren, das oben beschrieben und auf Figur 2 bezogen ist, basiert auf der Möglichkeit, den gleichen Punkt von mehreren verschiedenen Kamerapositionen aus zu sehen. Im allgemeinen können Lichtquellen, die durch direkte Emission von einer lichtemittierenden Diode oder indirekt als eine Reflexion von einem reflektierenden Material oder ein projizierter Laserfleck erzeugt werden, nur von "einer Seite" gesehen werden. Eine optimale Genauigkeit im Berechnungsverfahren wird erzielt, falls die Beobachtungsrichtungen gleichmäßig verteilt sind. Dies wird durch den Lichtstift erreicht.
Der Lichtstift 15, der für sich aus dem norwegischen Patent 913994 bekannt ist, wird in diesem Zusammenhang auf unterschiedliche Weise verwendet, weil nur die Richtung zum Berührungspunkt des Lichtstiftes registriert und für eine Koordinatenbestimmung verwendet werden soll. Das Verwendungsprinzip des Lichtstiftes ist in Figur 4 dargestellt. Der Lichtstift wird auf dem Sensor als eine Anzahl von den lichtemittierenden Dioden 5 entsprechenden Bildpunkten 6 registriert. Die Richtung zum Lichtstift sollte auf einen Berührungspunkt 20 bezogen sein. Dieser entspricht einem Bildpunkt 21 auf dem Sensor. Da der Sensor nur das Bild von Lichtquellen registriert, wird dieses ein virtueller Bildpunkt sein. Die Bildkoordinaten des Bildpunktes 21 werden aus den registrierten Bildkoordinaten für jede Lichtquelle sowie der Kenntnis der wechselseitigen Position der Lichtquellen 5 und des Berührungspunktes 20 in einem meßfühlerfesten lokalen Koordinatensystem berechnet. Die Berechnungsverf ahren sind im norwegischen Patent 913994 näher beschrieben.
Falls der Berührungspunkt des Lichtstiftes an einer festgelegten Position gehalten wird, kann der Lichtstift selbst so gedreht werden, daß er zu den verschiedenen, in Frage kommenden Kamerapositionen zeigt. Dies liefert daher die notwendige Geometrie für das Berechnungsverfahren. Die Tatsache, daß der Lichtstift eine Anzahl lichtemittierender Dioden aufweist, verbessert die Genauigkeit beim Bestimmen der Projektion des Berührungspunktes gegenüber einer einzigen lichtemittierenden Diode.
Figur 5 veranschaulicht die Verwendung des Systems, um die Geometrie eines Objekts 22 zu bestimmen. Die Positionen einer Anzahl Punkte oder geometrischer Objekte (Löcher, Ebenen, Zylinder etc.) in der Figur, die mit Großbuchstaben A-C markiert sind, sollen mit hoher Genauigkeit in bezug auf die Auflösung der Kameras, der Größe des Meßvolumens, seiner Zugänglichkeit etc. bestimmt werden. Das Verfahren besteht aus einem Verteilen einer Anzahl von (in der Figur mit Kleinbuchstaben a - u markierten) Hilfsreferenzpunkten über das gesamte Meßvolumen. Diese können lichtemittierende Dioden, projizierte Laserflecke, reflektierende Punkte oder markierte Punkte sein, die mit dem Lichtstift berührt werden können. Durch Registrieren der Projektion dieser Punkte auf den Kamerasensoren für eine Anzahl verschiedener Kamerastellen wird dies Daten zur Berechnung der wechselseitigen Position aller Punkte liefern, wie oben mit Verweis auf Figur 2 beschrieben wurde. Die Berechnung ist flexibel bezüglich:
- der Anzahl von Kameras oder Kamerastellen,
- der Anzahl von Punkten, die an jeder Kamerastelle beobachtet werden (eine minimale Zahl ist je nach Anzahl zu bestimmender Kameraparameter erforderlich),
- der Anzahl von Beobachtungen für jeden einzelnen Punkt.
Im allgemeinen wird die Genauigkeit verbessert, falls die Anzahl von Beobachtungen (Punkte) an jeder Kamerastelle erhöht wird und falls die Anzahl von Kamerastellen erhöht wird. Eine einzige Kamera oder mehrere Kameras können verwendet werden. Falls die Kameras bezüglich der Abbildungseigenschaf ten der Linse nicht kalibriert sind, ist es vorteilhaft, so wenig verschiedene Kameras wie möglich zu haben.
Falls es andererseits notwendig ist, die Messungen schnell vorzunehmen, kann die Datenerfassung effizient gemacht werden, indem mehrere kalibrierte Kameras an festen Stellen verwendet und so wenig Stellen und Punkte wie möglich verwendet werden.
Die Beziehung zu einem objektfesten Koordinatensystem erfordert einige Punkte, die das Koordinatensystem durch ihre Koordinatenwerte definieren, die entlang einer oder mehr Koordinatenachsen bekannt sind, oder indem ein bester Fit bzw. eine beste Anpassung definierter Werte an die berechneten Positionen vorgenommen wird.
Figur 6 veranschaulicht, wie man von mehreren Punkten an bekannten Positionen in bezug auf ein objektfestes Koordinatensystem aus beginnt und dann zusätzliche Punkte innerhalb oder außerhalb des Objekts durch die Verwendung von zwei oder mehr Kameras vermißt. Falls ein Netzwerk von Punkten verfügbar ist, wie durch Buchstaben a - u dargestellt ist, ist es durch die Verwendung von nur zwei Kameras 1, 8 möglich, diese so anzuordnen, daß sie nicht mehr als den interessierenden Bereich sehen. Zuerst werden die Position und Orientierung der Kameras in bezug auf das objektfeste Koordinatensystem durch Registrieren der Projektion der bekannten Punkte a, b, c bestimmt. Die Koordinaten dieser Punkte in bezug auf das Koordinatensystem X, Y sind aus einer Messung bekannt, wie oben mit Verweis auf Figur 5 beschrieben wurde. Dieses Verfahren liefert eine schnelle Messung mit hoher Genauigkeit.
Eine Anwendung dieses Verfahrens ist in Figur 7a, b dargestellt, die als Beispiel eine Schweißstation in einer Fertigungsstraße für Fahrzeugkarosserien beschreiben kann, wie in Figur 8a, b dargestellt ist. Der untere Teil der Fahrzeugkarosserie ruht auf einer Haltevorrichtung 24, während die Seitenteile der Fahrzeugkarosserie durch Haltevorrichtungen 23 in der richtigen Lage gehalten werden. Die Befestigung der Karosserieteile des Fahrzeugs an den Haltevor richtungen wird unter Verwendung von Achsschenkelbolzen und Klemmechanismen 27 bewerkstelligt. Diese kontrollieren die Lage jeder verschiedenen Komponente während des Schweißprozesses und müssen in der richtigen Lage sein, um eine korrekte Form der zusammengebauten Fahrzeugkarosserie sicherzustellen. Durch das oben beschriebene Verfahren (Figur 6) wird eine Kontrolle jedes einzelnen Objektes effizient durchgeführt, indem man eine Anzahl fester Hilfsreferenzpunkte hat, die über die gesamte Station verteilt sind. Eine andere Lösung ist in Figur 7a dargestellt, wo die Hilfsrefe renzpunkte a - u an einer tragbaren Aufspannvorrichtung 24 angebracht sind, die in die Station bewegt werden kann, wenn eine Messung vorgenommen werden soll. Die Lage dieser Aufspannvorrichtung wird in einem solchen Fall durch die Hauptreferenzen 25, 26 der Station (z.B. Achsschenkelbolzen) kontrolliert, die die Aufspannvorrichtung in einer festen Position halten. Die Positionen und Orientierungen der beiden Kameras 1, 8 in bezug auf das objektfeste Koordinatensystem werden zuerst bestimmt, indem die Richtungen zu den bekannten Punkten a - u registriert werden. Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß jede einzelne Station in der gesamten Fertigungsstraße auf einer einzigen Aufspannvorrichtung mit festgelegter und gut bekannter Geometrie basiert, so daß eine eindeutige genaue Geometrie entlang der gesamten Fertigungsstraße sichergestellt ist. Daher wird die Fehlerfortpflanzung entlang der Fertigungsstraße auf einem Minimum gehalten. Überdies wird es nicht notwendig sein, ein ausgedehntes Netz von Punkten in jeder einzelnen Station zu haben.
Figur 9 zeigt andere Anwendung des gleichen Prinzips. In diesem Fall sind die Referenzpunkte fest an einer Struktur 28 angebracht, während das zu vermessende Objekt 29 in diese Struktur transportiert wird. Als ein Beispiel kann dieses Verfahren in einer Fertigungsstraße mit transportablen Aufspannvorrichtungen für einen Transport von Komponenten in die Schweißstationen angewandt werden. Eine regelmäßige Kontrolle dieser Auf spannvorrichtungen kann in festen Meßstationen vorgenommen werden.
Figur 10 zeigt ein Beispiel dafür, in dem das Objekt 30 ein Flugzeug ist, das zu einer Meßstation transportiert ist, wo die Referenzpunkte auf dem Boden oder in einer umgebenden Haltevorrichtung angeordnet sind.
Das an sich bekannte System&sub1; das in Figur 3 dargestellt ist, muß, um die oben beschriebenen Verfahren abzudecken, hinsichtlich des Datenprozessors 10, der Kamersteuereinheit 11 und der Lichtquellensteuereinheit 12 erweitert werden. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, daß diese Einheiten:
- verschiedene Arten und Zahl von Kameras,
- verschiedene Arten und Zahl von Lichtquellen und Hilfs instrumenten,
- verschiedene Berechnungsverfahren in Abhängigkeit von der Konfiguration von Kameras und Lichtquellen, die verwendet werden, und der Art bekannter Information (definierte Koordinatenwerte in einem lokalen Koordinatensystem oder gegebene Distanzen zwischen Punkten), die in der Berechnung enthalten sein sollen,
berücksichtigen können.
Einige Beispiele von Anwendungen sind oben beschrieben. Diese sollen nur als Beispiele betrachtet werden, da eine große Anzahl verschiedener anderer Objekte durch die gleichen Verfahren und das gleiche System vermessen werden kann. Dies schließt große und auch kleine Objekte in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie oder einer anderen Maschinenbauindustrie ein.

Claims

1. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester, beweglicher oder ersetzbarer Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens, gestützt auf optische Messungen unter Verwendung einer oder mehr Kameras, gestützt auf elektrooptische Sensoren in Kombination mit fest montierten Lichtquellen, beleuchteten Reflektoren oder Meßfühlerinstrumenten mit Lichtquellen oder Reflektoren, die an bekannten Positio nen bezüglich des Berührungspunktes des Meßfühlerinstruments daran angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Netz von Hilfsreferenzpunkten, bestehend aus zusätzlichen Meßpunkten wie aktiven Lichtquellen, reflektierenden Punkten oder Punkten, die unter Verwendung des Meßfühlerinstruments gemessen werden sollen, und auch vorhandenen festen Punkten oder geometrischen Objekten, deren Positionen auf einen physikalischen Punkt bezogen werden können, zu dem Zweck eingerichtet ist, eine ausreichende Dichte der Hilfsreferenzpunkte zu erreichen und dadurch die Genauigkeit der Berechnung der Positionen und Orientierung aller Punkte zu verbessern oder die endgültige Einstellung und den Kontrollprozeß zu vereinfachen,

- zu Anfang eine Messung der Position aller Punkte in dem Netz vorgenommen wird, wobei die Messung durchgeführt wird durch

- Anordnen einer oder mehr Kameras in einer Anzahl von Kamerapositionen derart, daß für jede Kameraposition das ganze oder ein Teil des Meßvolumens innerhalb des Sichtfeldes einer oder mehr Kameras ist und daß die folgenden Registrierungen für jede Kameraposition gemacht werden:

- die positionen fest montierter Lichtquellen oder Licht reflektierender Punkte werden durch ihr Bild auf den Sensoren der Kameras registriert, und dadurch ist die Position des Bildes als auf ein kamerafestes Koordinatensystem bezogene Koordinaten gegeben,

- die Positionen fester Punkte oder geometrischer Objekte, deren Positionen auf einen physikalischen Punkt bezogen werden können, werden registriert, indem das Meßfühlerinstrument mit dem Punkt in Kontakt gehalten wird, und das Bild des Berührungspunktes auf dem Sensor der Kamera wird aus den beobachteten Bildern der Lichtquellen oder reflektierenden Punkte des Meßfühlerinstruments berechnet,

- Wiederholen dieses Vorgangs für eine Anzahl von Kamerastellen, so daß alle Punkte in mindestens zwei Kamerapositionen registriert werden,

- Vorsehen zumindest zweier Punkte unter den relevanten Meßpunkten, für die der wechselseitige Trennungsabstand bekannt ist, um zur Bestimmung der korrekten Längenskala verwendet zu werden,

- Berechnen der Positionen jedes Punktes bezüglich eines willkürlichen räumlichen Koordinatensystems durch eine Bündeleinstellung (engl. bundle adjustment), worin das Berechnungsverfahren auch ein mathematisches Modellieren der optischen Eigenschaften der Kameras, die verwendet werden sollen, um durch die Kameralinse auftretende Bildverzerrungen zu kompensieren, und Speichern der Positionen in einer Datenbank für eine spätere Verwendung einschließt, und

- die Positionen und Orientierungen zusätzlicher fester oder beweglicher Punkte und geometrischer Objekte danach bestimmt werden und eingestellt werden können durch:

- Anordnen von mindestens zwei Kameras derart, daß mindestens drei Punkte oder geometrische Objekte in bekannten Positionen innerhalb ihres Sichtfeldes sind, und auch ein oder mehr Punkte oder geometrische Objekte, für die die Positionen und/oder Orientierungen bestimmt werden sollen,

- Bestimmen der Position und Orientierung der Kameras aus den schon bekannten Punktpositionen, indem die Bilder der Punkte auf den Sensoren der Kameras in den relevanten Kamerapositionen durch das oben beschriebene Verfahren registriert werden und danach die Positionen und Orientierungen durch die Verwendung von Bündeleinstellungen berechnet werden,

- Bestimmen der unbekannten Positionen und Orientierungen folgender Punkte und geometrischer Objekte, gestützt auf die bekannte Position und Orientierung der Kameras bezüglich der bekannten Netzpunkte, durch die folgenden Verfahren in Abhängigkeit davon, welcher Typ eines Punktes oder geometrischen Objekts gemessen werden soll:

- fest montierte oder bewegliche Lichtquellen oder Licht reflektierende Punkte werden durch ihr Bild auf dem Sensor der Kameras registriert, wodurch die Bildpunkte als auf ein kamerafestes Koordinatensystem bezogene Koordinaten gegeben sind, und ihre räumlichen Positionen bezüglich der Positionen der bekannten Punkte werden durch eine Bündeleinstellung gestützt auf die Bildpunkte und auch die Position und Orientierung der Kameras bestimmt,

- die Positionen ausgewählter Punkte werden bestimmt, indem das Meßfühlerinstrument mit dem Punkt in Kontakt gehalten wird, und die Lichtquellen oder reflektierenden Punkte des Meßfühlerinstruments werden durch die Kamerasensoren registriert, wodurch die Bildpunkte als Koordinaten bezüglich eines kamerafesten Koordinatensystems gegeben sind und wodurch die räumliche Position des Berührungspunktes bezüglich der Positionen der bekannten Punkte durch eine Bündeleinstellung gestützt auf die Bildpunkte und auch die Position und Orientie rung der Kameras sowie eine Information über die Position des Berührungspunktes bezüglich der Lichtquellen oder reflektierenden Punkte des Meßfühlerinstruments bestimmt wird,

- die Positionen und Orientierungen geometrischer Objekte werden aus den Positionen einer Anzahl von Punkten auf dem Objekt berechnet, und auch eine mathematische Beschreibung der relevanten geometrischen Objekte,

- Einstellen, falls notwendig, des relevanten Punktes oder geometrischen Objekts in kontrollierter Weise, indem dessen Position und Orientierung während des Einstellungsprozesses und danach gemessen werden, bis die Abweichung zwischen gemessenen und Sollwerten innerhalb akzeptabler Grenzen liegt.

2. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester oder beweglicher Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine Anzahl der festen Punkte oder geometrischen Objekte ein objektfestes Koordinatensystem so definieren, daß die Position und Orientierung aller Punkte und geometrischer Objekte einschließlich aller Hilfsreferenzpunkte bezüglich dieses Koordinatensystems durch eine Koordinatentransformation bestimmt werden.

3. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester oder beweglicher Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens nach Anspruch 1,

- die für eine Berechnung von Positionen benotigte Skaleninformation erhalten wird, indem ein oder mehr Referenzstreifen innerhalb des Meßvolumens angeordnet werden, wobei die Referenzstreifen in einem bekannten wechselseitigen Trennungsabstand mindestens zwei Lichtquellen, reflektierende Punkte oder feste Punkte aufweisen, die durch Verwenden des Meßfühlerinstruments gemessen werden können.

4. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester oder beweglicher Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Positionen einer Anzahl von Hilfsreferenzpunkten, festen Punkten oder geometrischen Objekten bekannt und in einer Datenbank gespeichert sind, so daß eine Kontrolle und Einstellung zusätzlicher fester, beweglicher oder ersetzbarer Punkte oder geometrischer Objekte direkt stattfinden kann durch:

- Anordnen von mindestens zwei Kameras derart, daß mindestens drei Punkte oder geometrische Objekte an bekannten Positionen innerhalb ihres Sichtfeldes sind, und auch ein oder mehr Punkte oder geometrische Objekte, für die die Positionen und/oder Orientierungen bestimmt werden sollen,

- Bestimmen der Position und Orientierung der Kameras aus den schon bekannten Punktpositionen, indem die Bilder der Punkte auf den Sensoren der Kameras in den relevanten Kamerapositionen durch das oben beschriebene Verfahren registriert und danach die Positionen und Orientierungen durch die Verwendung von Bündeleinstellungen berechnet werden,

- permanent fest montierte oder bewegliche Lichtquellen oder Licht reflektierende Punkte werden durch ihr Bild auf dem Sensor der Kameras registriert, wodurch die Bildpunkte als auf ein kamerafestes Koordinatensystem bezogene Koordinaten gegeben sind, und ihre räumlichen Positionen bezüglich der Positionen der bekannten Punkte werden durch Bündeleinstellungen gestützt auf die Bildpunkte und auch die Position und Orientierung der Kameras bestimmt,

- die Positionen ausgewählter Punkte werden bestimmt, indem das Meßfühlerinstrument mit dem Punkt in Kontakt gehalten wird, und die Lichtquellen oder reflektierenden Punkte des Meßfühlerinstruments werden durch die Kamerasensoren registriert, wodurch die Bildpunkte als Koordinaten bezüglich eines kamerafesten Koordinatensystems gegeben sind, und wodurch die räumliche Position des Berührungspunktes bezüglich der Positionen der bekannten Punkte durch eine Bündeleinstellung gestützt auf die Bildpunkte und auch die Position und Orientierung der Kameras sowie eine Information über die Position des Berührungspunktes bezüglich der Lichtquellen oder reflektierenden Punkte des Meßfühlerinstruments bestimmt wird,

- die Positionen und Orientierungen geometrischer Objekte werden aus den Positionen einer Anzahl von Punkten auf dem Objekt berechnet, und auch eine mathematische Beschreibung der relevanten geometrischen Objekte.

5. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester oder beweglicher Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Hilfsreferenzpunkte an einem beweglichen Objekt angebracht sind, das zu dem Meßvolumen gebracht werden kann, wo eine Kontrolle von Punkten und geometrischen Objekten stattfinden soll und wo die Positionen und/oder Orientierungen dieser durch Verwenden der bekannten Position der Hilfsreferenzpunkte direkt bestimmt werden können.

6. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester oder beweglicher Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Punkte oder geometrischen Objekte Anordnungs- und Haltevorrichtungen in verschiedenen Stationen in einer Fertigungsstraße zur Herstellung von Autos oder Lastwägen sind und wo das Objekt, das an ihm angebrachte Hilfsreferenzpunkte aufweist, von Station zu Station bewegt werden kann, um sicherzustellen, daß alle Stationen auf der Grundlage des gleichen Satzes bekannter Punkte kontrolliert und eingestellt werden.

7. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester oder beweglicher Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Hilfsreferenzpunkte innerhalb eines Meßvolumens fest angeordnet sind und wo die Punkte und geometrischen Objekte, die kontrolliert und eingestellt werden sollen, an einem Objekt angebracht sind, das zu dem Meßvolumen gebracht werden kann, wobei ihre Positionen und/oder Orientierungen gestützt auf die bekannten Positionen der Hilfsreferenzpunkte direkt bestimmt werden können.

8. Verfahren zum Kontrollieren der relativen oder absoluten Position und/oder Orientierung einer Anzahl fester oder beweglicher Punkte oder geometrischer Objekte wie Ebenen, Linien, Löcher, Zylinder oder Sphären innerhalb eines begrenzten Meßvolumens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Punkte oder geometrischen Objekte Kontrollpunkte auf hergestellten Teilen wie Autos, Lastwägen, Flugzeuge, Eisenbahnzüge etc. oder Teile oder Untergruppen für diese sind, und wo das Meßvolumen mit permanent angebrachten Hilfsreferenzpunkten für eine schnelle Bestimmung der Kamerastellen und daher für eine schnelle Kontrolle der relevanten Kontrollpunkte verwendet wird.