WO2003001237A2 - Optisches 3d-positionsmesssystem für die simultane erfassung von sechs freiheitsgraden - Google Patents

Optisches 3d-positionsmesssystem für die simultane erfassung von sechs freiheitsgraden Download PDF

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WO2003001237A2
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light sources
sensor chip
measuring system
light
film
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Eckhard Hempel
Latifa Abdelmalek
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S5/163—Determination of attitude

Definitions

  • the invention relates to an optical three-dimensional position measuring system (3D position measuring system) for the simultaneous detection of six degrees of freedom according to the characterizing parts of claims 1 and 5.
  • the invention is concerned with the problem of the contactless position determination of moving objects which move in a three-dimensional space with six possible degrees of freedom, namely with three translational and three rotational degrees of freedom.
  • Optical position measuring systems usually consist of a control unit, one or more sensors and identification tags, which are applied to the moving object. To determine the position, the sensor or sensors are aligned with the identification marks, these being detectable by the sensor using the control unit.
  • the control unit of the position measuring system determines the coordinates and the orientation of the object in the three-dimensional measuring space and quantitatively determines its relative movement when the object moves.
  • DE / EP 1034440 Tl describes a non-contact position measuring system in which at least three identification tags are attached to one another, close to one another, spanning a two-dimensional structure on the moving object.
  • the dog tags are markers, which are illuminated with separate light sources, with the help of several cameras are continuously tracked as sensors, which in turn forward the measurement data to a control unit.
  • this position measuring system advantageously no electrical connections to the moving object are required.
  • several lamps and several cameras must be positioned stationary next to the moving object and secured against any movement.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a device for optically measuring the position of a moving object in a three-dimensional space which, on the one hand, is insensitive to external disturbances, in particular of a mechanical nature, and on the other hand, as a 3D position measuring system, is already basic in structure for use in a very confined space suitable. All movements of the object should be continuously and continuously measurable in all six possible degrees of freedom and should be available for the determination of the position data.
  • the task is solved with a position measuring system which, in analogy to a sundial, uses the shadow cast especially of a structure that projects from the moving object as a detection mark for position measurement.
  • the measuring principle is based on the fact that the shadow of the protruding structure as an identification mark on the area image sensor as a measuring sensor is detected in size, shape and position continuously or intermittently for further processing. From this, as well as from the known position of at least three light sources, which are not arranged in a line, ideally point emitters, which illuminate the structure from different directions simultaneously or in succession, the position and the orientation of the structure are determined in a control unit downstream of the surface image sensor with the aid of a mathematical algorithm and thus the moving object on which the structure and the surface image sensor are fixed, is calculated in space.
  • the three light sources to be used for a measurement process must be arranged so stationary in three-dimensional space that the shadow images of the Structure of each of the three light sources completely on the
  • the position data is output as a coordinate set.
  • the arrangement of the area image sensor directly below, i. H. in the immediate vicinity of the shading structure also has the particularly advantageous effect that the area image sensor connected to the object and the shading structure only has to have a relatively low resolution with little reserves compared to a fixed image acquisition for sufficient detection accuracy.
  • the subsequent image evaluation requires a considerably smaller number of image data, which on the one hand increases the evaluation speed and on the other hand considerably reduces the effort and cost of the required hardware compared to the camera-supported systems mentioned at the beginning.
  • a camera module in the form of a photodiode matrix is particularly suitable as the area image sensor due to the small design and the sufficient resolution.
  • the control unit consists on the one hand of an image processing with an implemented mathematical model and an associated mathematical evaluation algorithm for determining the position and position of the moving object and on the other hand of a trigger circuit for the control of the light sources and for the acquisition of the corresponding shadow images on the area image sensor.
  • the use of a compact control unit if possible directly under the CCD sensor chip on the moving object, is particularly appropriate.
  • For transferring the coordinates in the form of coordinate sets for further processing outside of the 3D measuring system is, if this is not done wirelessly via radio, ultrasound or infrared signals, via a simple data cable.
  • the geometry of the shadow-giving structure is to be selected in such a way that the number of parameters which are as small as possible but sufficient for determining the position and orientation of the object in three-dimensional space can be measured clearly and as precisely as possible. These parameters flow into a mathematical algorithm, which in turn is as simple as possible to calculate the position of the object in real time.
  • the invention is not limited to methods and devices using a flat image sensor arranged below the shading structure.
  • other imaging methods preferably using cameras with subsequent image evaluation, can also be used to determine the shadow images, despite the aforementioned disadvantages.
  • 1 shows the mathematical model of the first embodiment of the 3D position measuring system with a T-shaped structure as a detection mark.
  • FIG. 2 shows the mathematical model of the second embodiment shape of the 3D position measuring system with an I-shaped structure as a dog tag.
  • Embodiment 1 with T-shaped structure is a first embodiment of Embodiment 1 with T-shaped structure:
  • Fig. 1 shows schematically the first embodiment with three point light sources 1 to 3, preferably light-emitting diodes, which illuminate a T-structure 5 protruding orthogonally on the CCD sensor chip 4 as a recognition mark and generate shadows 6 to 8 on the surface of the CCD sensor chip and can be detected by this.
  • three point light sources 1 to 3 preferably light-emitting diodes, which illuminate a T-structure 5 protruding orthogonally on the CCD sensor chip 4 as a recognition mark and generate shadows 6 to 8 on the surface of the CCD sensor chip and can be detected by this.
  • the T-structure also has other shadow-casting structures, which preferably have at least two straight and perpendicular beams with known geometric dimensions, in particular L, F or H-shaped structures with their shadow casts , can be replaced as dog tags.
  • Origin of the coordinate system ie to Li L 3 position of the light source 3 on the y-axis, also at a distance q from the origin of the coordinate system, ie to LI 0 "position of the base of the T-structure and
  • a sensor coordinate system SKS also a Cartesian coordinate system with the axes x ', y' and z ' ⁇ connecting line of points 0' and H, corresponds to the main bar of the T-structure with the length h
  • MM 'line connecting the points M and M' corresponds to the cross bar of the T-structure with the length h ⁇ 'S ⁇ line connecting the points O' and SA. corresponds to the silhouette of the main bar of the T-structure ( ⁇ ) starting from the light source 1 (Li) with the length l
  • N P N line joining points N p and N corresponds to the silhouette of the crossbar of the T-structure (MM ') starting from the light source 1 (Li) of length 1 2 ⁇ ' s 2 line connecting the points 0 'corresponds and S 2 the silhouette of the main bar of the T-structure ( ⁇ ) starting from the light source 2 (L 2 ) with the length 1 3
  • LL P connecting line of points L p and L corresponds to the silhouette of the crossbar of the T-structure (MM ") starting from light source 2 (L 2 ) with length 1 4 ⁇ ' S 3 connecting line of points O' and S 3 corresponds the silhouette of the main bar of the T-structure (O ' H) starting from the light source 3 (L 3 ) with the length 1 5
  • PP P connecting line of the points P p and P corresponds to the silhouette of the crossbar of the T-structure (MM ") starting from the light source 3 (L 3 ) with the length 1 6
  • y 0 x Q '(sin ⁇ sin ⁇ cos ⁇ - cos ⁇ sin ⁇ ) - y Q (sin ⁇ sin ⁇ sin ⁇ + cos # cos ⁇ ) + z 0 sin # cos ⁇
  • x 0 , y 0 and z 0 are the coordinates of the base of the T structure in the WCS and ⁇ the angle around the x axis, ⁇ the angle around the y axis and ⁇ the angle around the z axis.
  • the coordinates of the extreme points of the shadow on the surface of the CCD sensor chip 4 are required according to the described mathematical model. Since H is the tip of the orthogonal one on the CCD sensor chip If the main bar of the T structure 5 is in the center of the crossbar and there is a central projection, the image of H is also the center of the image of the crossbar. In addition, the base point O 'on the surface of the CCD sensor chip 4 in the SKS is invariant.
  • the coordinates of the extreme points of the crossbar are determined in detail from the sensor data supplied with the aid of edge detection, i. H. determined using standard methods of digital image processing.
  • CCD sensor chips are mechanically very sensitive, so that the aforementioned T structure can be applied to them, if at all, only with great effort. It is therefore proposed as a variant of the first embodiment to replace the T structure with a light-attenuating or opaque film which is spanned at a distance h parallel to the CCD sensor chip.
  • a gap which replaces the crossbar of the T structure with the end points M and M ', is incorporated, the center of which is directly above the origin 0' of the defined SKS, i.e. H. is located on the axis z 'of the SKS.
  • the main bar of the T-structure is thus only fictitiously available as a connecting line along the z "axis between origin 0" and the center of the slot (corresponding to H).
  • the shadow casts of the main bar are only fictional, but exactly defined.
  • a thin metal foil is particularly suitable as a light-attenuating or opaque film, and a mechanical processing, laser processing or etching method is particularly suitable for producing the slot in the film.
  • the previously described opaque or attenuating film is replaced by a transparent film and the gap is replaced by a bar or line lying and shadowing on the film.
  • Embodiment 1 with I-shaped structure is a diagrammatic representation of Embodiment 1 with I-shaped structure:
  • PSD Position Sensitive Device
  • the I structure in any case be replaced by a light-attenuating or opaque film which is spanned at a distance h parallel to the PSD sensor chip.
  • a punctiform opening is made, which substitutes the protruding end of the I structure (point H in FIG. 2) and directly above the origin 0 'of the defined SKS, ie on the axis z "of the SKS,
  • the bar of the I structure is thus only fictitiously available as a connecting line along the z ⁇ axis between origin 0 'and the punctiform opening.
  • the shadow casts of the I structure are only fictitiously present, but exactly in position Are defined.
  • a thin metal foil is particularly suitable as a light-attenuating or opaque film, and a mechanical processing, a laser processing or an etching method is particularly suitable for producing the punctiform opening in the film.
  • the opaque or attenuating film described above can also be replaced by a transparent film and the punctiform opening by a shadow-casting point applied to the film.
  • Origin of a sensor coordinate system SKS also a Cartesian coordinate system with the axes x ", y 'and z' ⁇ connecting line of the points 0 'and H, corresponds to the bar of the I structure with the length h ⁇ 's 0 connecting line of the points 0' and S 0 corresponds to the silhouette 16 of the bar of the I structure ( ⁇ ) starting from the light source 9 (L 0 ) with the length 1 0 ⁇ 'S ⁇ connecting line of the points 0 "and S x corresponds to the silhouette 17 of the bar of the I structure ( ⁇ ) starting from the light source 10 (L x ) with the length l ⁇ ⁇ ' s 2 connecting line of the Points O 'and S 2 correspond to the silhouette 18 of the main bar of the I structure ( ⁇ ) starting from the light source 11 (L 2 ) with the length 1 2 ⁇ ' s 3 connecting line of the points 0 'and S 3 corresponds to the silhouette 19 of the Bar of the I structure ( ⁇ ) starting
  • the coordinates of the points S 0 to S 4 on the surface of the PSD sensor chip 4 are also required of the ray set and the formula for determining the point of intersection between straight line and plane, the following six equations are obtained for three degrees of translation and three degrees of freedom of rotation to determine the corresponding coordinates in the SKS.

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Abstract

Optisches Positionsmesssystem für die Erfassung von sechs Freiheitsgraden im dreidimensionalen Raum, bestehend aus einem Messaufnehmer, einer Erkennungsmarke, einer Beleuchtung sowie einer Steuerungseinheit. Aufgabe ist die Gestaltung des optischen Positionsmesssystems in der Art, dass es unempfindlich gegen Störungen ist und es sich für einen Einsatz in beengtem Raum eignet. Die Aufgabe wird mit einem Flächenbildsensor als Messaufnehmer, einer über diesem fixierten schattenwerfenden Struktur als Erkennungsmarke, einer bestimmten Anzahl von Lichtquellen als Beleuchtung, vorzugsweise lichtstarke Leuchtdioden, sowie mit einer Steuerungseinheit, welche eine Bildverarbeitung mit implementiertem mathematischen Modell und einem dazugehörigen mathematischen Auswertealgorithmus zur Ermittlung der Lage und Position des bewegten Objekts, eine Triggerschaltung für die laufende oder taktweise Ansteuerung der Lichtquellen sowie für die laufende oder taktweise Aufnahme der entsprechenden Schattenbilder auf dem CCD-Sensorchip enthält, gelöst.

Description

Optisches 3D-Positionsmesssystem für die simultane Erfassung von sechs Freiheitsgraden
Die Erfindung betrifft ein optisches dreidimensionales Positionsmesssystem (3D-Positionsmesssystem) für die simultane Erfassung von sechs Freiheitsgraden gemäß den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 5.
Die Erfindung befasst sich mit dem Problem der berührungslosen Lagebestimmung von bewegten Objekten, welche sich in einem dreidimensionalen Raum mit sechs möglichen Freiheitsgraden, nämlich mit drei Translations- und drei Rotationsfreiheitgraden bewegen.
Einsatzmöglichkeiten bieten sich u. A. im Bereich der Robotik und bei der Gerätepositionierung von Geräten in der Medizintechnik, wobei eine zuverlässige und genaue Lagebestimmung der zuvor genannten Art insbesondere bei einer Automatisierung eine absolut notwendige Bedingung ist. Mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit des bewegten Objekts steigt zudem die Bedeutung, dass alle sechs Freiheitsgrade möglichst simultan erfassbar sind.
Optische Positionsmesssysteme bestehen meist aus einer Steuereinheit, einer oder mehreren Messaufnehmern sowie Erkennungsmarken, welche auf dem bewegten Objekt aufgebracht sind. Für eine Lagebestimmung werden die oder der Messaufnehmer auf die Erkennungsmarken ausgerichtet, wobei diese durch den Messaufnehmer mit Hilfe der Steuerungseinheit detektierbar sind. Dabei ermittelt die Steuerungseinheit des Positionsmesssystems die Koordinaten und die Orientierung des Objekts im dreidimensionalen Messraum und ermittelt bei einer Bewegung des Objekts quantitativ dessen Relativbewegung.
In DE/EP 1034440 Tl wird ein berührungsloses Positionsmesssystem beschrieben, bei dem mindestens drei Erkennungsmarken nahe beieinander eine zweidimensionale Struktur aufspannend auf dem bewegten Objekt angebracht sind. Die Erkennungsmarken sind Marker, welche mit separaten Lichtquellen angeleuchtet, mit Hilfe mehre- rer Kameras als Messaufnehmer laufend verfolgt werden, welche wiederum die Messdaten an eine Steuerungseinheit weiterleiten. Bei diesem Positionsmesssystem sind somit in vorteilhafter Weise keine elektrischen Anschlüsse an das bewegte Objekt erforderlich. Jedoch sind mehrere Lampen und mehrere Kameras ortsfest neben dem bewegten Objekt zu positionieren und gegen jegliche Verschiebungen zu sichern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Positionsmessung eines bewegten Objektes in einem dreidimensionalen Raum anzugeben, welches einerseits unempfindlich gegen äußere Störungen, insbesondere mechanischer Art, andererseits als 3D-Positionsmesssystem sich bereits vom Grundaufbau her für einen Einsatz in sehr beengtem Raum eignet. Dabei sollen alle Bewegungen des Objekts in allen sechs möglichen Freiheitsgraden zeitgleich und fortlaufend messbar sein und für die Ermittlung der Positionsdaten zur Verfügung stehen.
Die Aufgabe wird mit einem Positionsmesssystem gelöst, welches in Analogie zu einer Sonnenuhr den Schattenwurf speziell einer auf dem bewegten Objekt abstehend aufgebrachten Struktur als Erkennungsmarke zur Positionsmessung ausnutzt.
Das Messprinzip basiert darauf, dass der Schatten der abstehenden Struktur als Erkennungsmarke auf dem Flächenbildsensor als Messaufnehmer in Größe, Form und Position laufend oder taktweise für eine weitere Verarbeitung detektiert wird. Daraus sowie aus der bekannten Position von mindestens drei, nicht in einer Linie angeordneten Lichtquellen, idealerweise Punktstrahler, welche die Struktur aus verschiedenen Richtungen simultan oder hintereinander anstrahlen, wird in einer dem Flächenbildsensor nachgeschalteten Steuereinheit mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus die Lage und die Ausrichtung der Struktur und damit des bewegten Objekts, auf dem die Struktur und der Flächenbildsensor fixiert sind, im Raum berechnet. Die drei für einen Messvorgang heranzuziehenden Lichtquellen müssen dabei so ortsfest im dreidimensionalen Raum angeordnet sein, dass die Schattenbilder der Struktur von jeder der drei Lichtquellen vollständig auf dem
Flächenbildsensor abgebildet sind. Sollen größere laterale oder Rotationsbewegungen erfassbar sein, müssen zu Sicherstellung der zuvor genannten Bedingung eine entsprechende Anzahl von Lichtquellen im dreidimensionalen Raum positioniert sein. Die Ausgabe der Positionsdaten erfolgt als Koordinatensatz.
Zusätzlich um das bewegte Objekt aufgestellte ortsfeste Kameras sind somit nicht mehr erforderlich. Die Anordnung des Flächen- bildsensors direkt unter, d. h. in unmittelbarer Nähe der schattengebenden Struktur bewirkt zudem in besonders vorteilhafter Weise, dass der mit dem Objekt und der schattengebenden Struktur verbundene Flächenbildsensor im Vergleich zu einer ortsfesten Bilderfassung für eine ausreichende Erfassungsgenauigkeit nur ein relativ geringes Auflösungsvermögen mit wenig Reserven aufweisen muss. In Folge dessen kommt die anschließende Bildauswertung mit einer erheblich geringeren Anzahl von Bilddaten aus, was einerseits die Auswertungsgeschwindigkeit erhöht, andererseits Aufwand und Kosten der erforderlichen Hardware im Vergleich zu den eingangs genannten kameragestützten Systemen erheblich reduziert.
Als Flächenbildsensor eignet sich aufgrund der geringen Bauform und des ausreichenden Auflösungsvermögens insbesondere ein Kameramodul in Form einer Fotodiodenmatrix (CCD- oder PSD-Sensorchip) . Die Steuereinheit besteht einerseits aus einer Bildverarbeitung mit implementiertem mathematischen Modell und einem dazugehörigen mathematischen Auswertealgorithmus zur Ermittlung der Lage und Position des bewegten Objekts und andererseits aus einer Triggerschaltung für die Ansteuerung der Lichtquellen sowie für die Aufnahme der entsprechenden Schattenbilder auf dem Flächenbildsensor. Dabei bietet sich in Anbetracht der relativ zu anderen Systemen geringen zu verarbeitenden Bilddatenmenge der Einsatz einer kompakten Steuerungseinheit, möglichst direkt unter dem CCD-Sensorchip auf dem bewegten Objekt, gerade zu an. Für die Übertragung der Koordinaten in Form von Koordinatensätzen zu einer weiteren Verarbeitung außerhalb des 3D-Messsystems ist, wenn dies nicht drahtlos über Funk-, Ultraschall- oder Infrarotsignale geschieht, über ein einfaches Datenkabel.
Die Geometrie der schattengebenden Struktur ist dabei so zu wählen, dass die für die Bestimmung von Position und Ausrichtung des Objekts im dreidimensionalen Raum möglichst geringe, jedoch ausreichende Anzahl von Parametern eindeutig und möglichst exakt messbar sind. Diese Parameter fließen als Messgrößen in einen mathematischen Algorithmus ein, welcher wiederum für eine Berechnung der Position des Objekts in Echtzeit möglichst einfach zu gestalten ist.
Die Erfindung ist nicht auf Verfahren und Vorrichtungen unter Verwendung eines unterhalb der schattengebenden Struktur angeordneten Flachenbildsensors beschränkt . In analoger Weise lassen sich für die Bestimmung der Schattenbilder trotz zuvor genannter Nachteile auch andere bildgebende Verfahren, vorzugsweise unter Verwendung von Kameras mit anschließender Bildauswertung, heranziehen.
Alternativ sind auch Verfahren mit und Vorrichtungen als SD-Positionsmesssystem denkbar, bei dem eine dreidimensionale Struktur der zuvor genannten Art fest auf einem beweglichen Objekt fixiert ist und je nach Einsatzzweck von mindestens drei Kameras mit anschließender Bildauswertung erfasst wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbei- spiele basierend auf je einem mathematischen Modell mit zwei Figuren näher erläutert .
Fig. 1 zeigt das mathematische Modell der ersten Ausführungsform des 3D-Positionsmesssystems mit einer T-fδrmigen Struktur als Erkennungsmarke .
Fig. 2 zeigt das mathematische Modell der zweiten Ausführungs- form des 3D-Positionsmesssystems mit einer I-förmigen Struktur als Erkennungsmarke.
Ausführungsform 1 mit T-förmigen Struktur:
Fig. 1 zeigt schematisch die erste Ausführungsform mit drei punktförmigen Lichtquellen 1 bis 3, vorzugsweise Leuchtdioden, welche eine auf dem CCD-Sensorchip 4 orthogonal abstehende T-Sruktur 5 als Erkennungsmarke anleuchten und auf der Oberfläche des CCD-Sensorchips Schattenbilder 6 bis 8 erzeugen und durch diesen detektiert werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die T-Struktur auch durch andere schattenwerfende Strukturen, welche vorzugsweise mindestens zwei gerade und im rechten Winkel zueinander stehende Balken mit bekannten geometrischen Abmessungen aufweist, insbesondere L-, F- oder H-förmige Strukturen mit ihren Schattenwürfen, als Erkennungsmarken ersetzbar sind.
Der mathematische Algorithmus der ersten Ausführungsform für die Positionsermittlung der eingangs beschriebenen Art stellt sich mit Bezug auf die in Fig. 1 dargestellten Parameter wie folgt dar:
Als Parameter sind folgende Fixpunkte, Abmessungen und Linien des Positionsmesssystems im dreidimensionalen Raum, aufgespannt durch ein sog. Weltkoordinatensystem WKS, d. h. ein kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung 0 und den Achsen x, y und z definiert :
Li Position der Lichtquelle 1 im Ursprung des Koordinatensystems L2 Position der Lichtquelle 2 auf der x-Achse mit Abstand q zum
Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu Li L3 Position der Lichtquelle 3 auf der y-Achse, ebenfalls mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d.h. zu LI 0" Position des Fußpunkts des T-Struktur und
Ursprung eines Sensorkoordinatensystems SKS, ebenfalls ein kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen x', y' und z' θΗ Verbindungslinie der Punkte 0' und H, entspricht dem Hauptbalken der T-Struktur mit der Länge h
MM' Verbindungslinie der Punkte M und M', entspricht dem Querbalken der T-Struktur mit der Länge h θ'Sχ Verbindungslinie der Punkte O' und Sa. entspricht dem Schattenbild des Hauptbalkens der T-Struktur (θΗ) ausgehend von der Lichtquelle 1 (Li) mit der Länge l
NPN Verbindungslinie der Punkte Np und N, entspricht dem Schattenbild des Querbalkens der T-Struktur (MM") ausgehend von der Lichtquelle 1 (Li) mit der Länge 12 θ's2 Verbindungslinie der Punkte 0' und S2 entspricht dem Schattenbild des Hauptbalkens der T-Struktur (θΗ) ausgehend von der Lichtquelle 2 (L2) mit der Länge 13
LLP Verbindungslinie der Punkte Lp und L, entspricht dem Schattenbild des Querbalkens der T-Struktur (MM") ausgehend von der Lichtquelle 2 (L2) mit der Länge 14 θ'S3 Verbindungslinie der Punkte O' und S3 entspricht dem Schattenbild des Hauptbalkens der T-Struktur (O'H) ausgehend von der Lichtquelle 3 (L3) mit der Länge 15
PPP Verbindungslinie der Punkte Pp und P, entspricht dem Schattenbild des Querbalkens der T-Struktur (MM") ausgehend von der Lichtquelle 3 (L3) mit der Länge 16
Alle Koordinaten werden zunächst im Sensorkoordinatensystem SKS berechnet, so dass deren Ursprung der Fußpunkt der T-Struktur O' ist: SKS= [o' , (x' , y' , z ' ) ] . Der Ursprung 0 des Weltkoordinatensystems WKS hat dabei folgende Koordinaten:
Figure imgf000007_0001
Durch Anwendung des Strahlensatzes und der Formel zur Bestimmung vom Schnittpunkt zwischen Gerade und Ebene bekommt man folgende sechs Gleichungen für je drei Translations- und drei Rotations- freiheitgrade zur Ermittlung der entsprechenden Koordinaten im
SKS.
' _S (h-zQ)
Xn — h (1.2)
, Sly(h-z0)
• yn = — — (1.3) γQ h
Uh
• Zn l2~n (1.4)
Figure imgf000008_0001
zQ(h- ) + h sιnf = -^ — - (1.6) q(l4-h) zin0_zo'(h~l 6) + hl6 q(h-l6)cosγ (1>7)
Es folgt eine Rücktransformation der im SKS ermittelten Koordinaten auf das Koordinatensystem WKS und damit die relative Lage und Ausrichtung des bewegten Objektes:
Figure imgf000008_0002
y0 = xQ' (sin θ sin γ cos φ - cos θ sin φ) - yQ (sin θ sin γ sin φ + cos # cos φ) + z0 sin # cos γ
(1.9) z0 = -χ0 (cos 0 sin y cos φ + sin # sin ζö) + _ ό (cos ^ sul ^ cos > - sin 0 cos φ) - z0 cos θ cos 7
(1.10)
Dabei sind x0, y0 und z0 die Koordinaten des Fußpunktes der T- Struktur im WKS und θ der Winkel um die x-Achse , γ der Winkel um die y-Achse und φ der Winkel um die z-Achse.
Um die Position des Sensors zu bestimmen, braucht man nach dem beschriebenen mathematischen Modell die Koordinaten der Extrempunkte des Schattens auf der Oberfläche des CCD-Sensorchips 4. Da H die Spitze des auf dem CCD-Sensorchip orthogonal stehenden Hauptbalken der T-Struktur 5 im Mittelpunkt des Querbalkens ist und eine zentrale Projektion vorliegt, ist das Bild von H auch der Mittelpunkt des Bildes des Querbalkens. Außerdem ist der Fußpunkt O' auf der Oberfläche des CCD-Sensorchips 4 im SKS invariant .
Die Koordinaten der Extrempunkte des Querbalkens werden aus den gelieferten Sensordaten mit Hilfe der Kantendetektion im Einzelnen, d. h. mit Hilfe von Standardverfahren der digitalen Bildverarbeitung ermittelt .
CCD-Sensorchips sind jedoch mechanisch sehr empfindlich, sodass sich die zuvor genannte T-Struktur auf diesen, wenn überhaupt, nur sehr aufwendig applizieren lässt. Es wird deswegen als Variante der ersten Ausführungsform vorgeschlagen, die T-Struktur durch eine lichtabschwächende oder lichtundurchlässige Folie zu ersetzen, welche mit Abstand h parallel zu dem CCD-Sensorchip aufgespannt wird. In dieser Folie ist ein Spalt, welcher den Querbalken der T-Struktur mit den Endpunkten M und M' substituiert, eingearbeitet, dessen Mitte sich direkt über dem Ursprung 0' des definierten SKS, d. h. auf der Achse z' des SKS befindet, positioniert ist. Der Hauptbalken der T-Struktur ist somit als Verbindungslinie entlang der z"-Achse zwischen Ursprung 0" und der Mitte des Schlitzes (entsprechend H) nur noch fiktiv vorhanden. Ebenso sind die Schattenwürfe des Hauptbalkens nur noch fiktiv vorhanden, aber genau in der Lage definiert.
Als lichtabschwächende oder lichtundurchlässige Folie eignet sich insbesondere eine dünne Metallfolie, für die Herstellung des Schlitzes in der Folie insbesondere ein mechanisches Bear- beitungs-, ein Laserbearbeitungs- oder ein Ätzverfahren.
In einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform wird die zuvor beschriebene lichtundurchlässige oder lichtschwächende Folie durch eine transparente Folie und der Spalt durch einen auf die Folie aufgebrachten liegenden und schattenwerfenden Balken oder Strich ersetzt. Das mathematische Modell und damit der mathematische Algorithmus für die Positionsermittlung ändert sich durch diese Modifikationen der ersten Ausführungsform nicht.
Ausführungsform 1 mit I-förmigen Struktur:
Fig. 2 zeigt das mathematische Modell der zweiten Ausführungsform mit fünf punktförmigen Lichtquellen 9 bis 13, vorzugsweise Leuchtdioden, welche eine auf dem PSD-Sensorchip 14 (PSD = Position Sensitive Device) orthogonal abstehende I-Sruktur 15 als Erkennungsmarke anleuchtet und auf der Oberfläche des PSD-Sensorchips Schattenbilder 16 bis 20 erzeugen und durch diesen de- tektiert werden.
PSD-Sensorchips weisen gegenüber dem CCD-Sensorchip ein wesentlich höheres laterales Auflösungsvermögen auf, eignen sich jedoch nur zur Detektion von Helligkeitsminima und -maxima. Insofern muss bei einer Realisierung der zweiten Ausführungsform die I-Struktur auf jeden Fall durch eine lichtabschwächende oder lichtundurchlässige Folie ersetzt werden, welche mit Abstand h parallel zu dem PSD-Sensorchip aufgespannt wird. In dieser Folie ist eine im Idealfall punktförmige Öffnung eingebracht, welche das abstehende Ende der I-Struktur (Punkt H in Fig. 2) subsitu- tuiert und direkt über dem Ursprung 0' des definierten SKS, d. h. auf der Achse z" des SKS, positioniert ist. Der Balken der I- Struktur ist somit als Verbindungslinie entlang der z^-Achse zwischen Ursprung 0' und der punktförmigen Öffnung nur noch fiktiv vorhanden. Ebenso sind die Schattenwürfe der I-Struktur nur noch fiktiv vorhanden, aber genau in der Lage definiert.
Wie bei den beschriebenen Varianten der ersten Ausführungsform eignet sich als lichtabschwächende oder lichtundurchlässige Folie insbesondere eine dünne Metallfolie, für die Herstellung der punktförmigen Öffnung in der Folie insbesondere ein mechanisches Bearbeitungs- , ein Laserbearbeitungs- oder ein Ätzverfahren. Ebenso lässt sich in Analogie zu der ersten Ausführungsform auch hier die zuvor beschriebene lichtundurchlässige oder lichtschwächende Folie durch eine transparente Folie und die punktförmige Öffnung durch einen auf die Folie aufgebrachten schattenwerfenden Punkt ersetzen.
Das mathematische Modell gemäß Fig. 2 und damit der nachfolgend beschriebene mathematische Algorithmus für die Positionsermittlung ändern sich hierdurch nicht.
Der mathematische Algorithmus der zweiten Ausführungsform für die Positionsermittlung der eingangs beschriebenen Art stellt sich mit Bezug auf die in Fig. 2 dargestellten Parameter wie folgt dar:
Als Parameter sind mit Bezug auf Fig. 2 folgende Fixpunkte, Abmessungen und Linien des Positionsmesssystems im dreidimensionalen Raum, aufgespannt durch ein sog. Weltkoordinatensystem WKS, d. h. ein kartesisches Koordinatensystem mit Ursprung 0 und den Achsen x, y und z definiert:
L0 Position der Lichtquelle 9 im Ursprung des Koordinatensystem Li Position der Lichtquelle 10 auf und in positiver Richtung der x-Achse mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu L0 L2 Position der Lichtquelle 11 auf und in negativer Richtung der x-Achse mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu L0 L3 Position der Lichtquelle 12 auf und in positiver Richtung der y-Achse ebenfalls mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu L0 L4 Position der Lichtquelle 13 auf und in positiver Richtung der y-Achse ebenfalls mit Abstand q zum Ursprung des Koordinatensystems, d. h. zu Lj 0' Position des Fußpunkts des I-Struktur und
Ursprung eines Sensorkoordinatensystems SKS, ebenfalls ein kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen x", y' und z' θΗ Verbindungslinie der Punkte 0' und H, entspricht dem Balken der I-Struktur mit der Länge h θ's0 Verbindungslinie der Punkte 0' und S0 entspricht dem Schattenbild 16 des Balkens der I-Struktur (θΗ) ausgehend von der Lichtquelle 9 (L0) mit der Länge 10 θ'Sι Verbindungslinie der Punkte 0" und Sx entspricht dem Schattenbild 17 des Balkens der I-Struktur (θΗ) ausgehend von der Lichtquelle 10 (Lx) mit der Länge lλ θ's2 Verbindungslinie der Punkte O' und S2 entspricht dem Schattenbild 18 des Hauptbalkens der I-Struktur (θΗ) ausgehend von der Lichtquelle 11 (L2) mit der Länge 12 θ's3 Verbindungslinie der Punkte 0' und S3 entspricht dem Schattenbild 19 des Balkens der I-Struktur (θΗ) ausgehend von der Lichtquelle 12 (L3) mit der Länge 13 θ's4 Verbindungslinie der Punkte 0" und S4 entspricht dem Schattenbild 20 des Balkens der I-Struktur (θΗ) ausgehend von der Lichtquelle 13 (L4) mit der Länge 14
Alle Koordinaten werden zunächst im Sensorkoordinatensystem SKS berechnet, so dass deren Ursprung der Fußpunkt der T-Struktur 0' ist: SKS= [o' , (x' , y' , z')]. Der Ursprung O des Weltkoordinatensystems WKS hat dabei folgende Koordinaten:
Figure imgf000012_0001
Um die Position des Sensors zu bestimmen, braucht man neben dem invarianten Punkt O" bei bekannter Länge h nach dem beschriebenen mathematischen Modell gemäß Fig. 2 auch die Koordinaten der Punkte S0 bis S4 auf der Oberfläche des PSD-Sensorchips 4. Durch Anwendung des Strahlensatzes und der Formel zur Bestimmung vom Schnittpunkt zwischen Gerade und Ebene bekommt man folgende sechs Gleichungen für je drei Translations- und drei Rotationsfreiheitgrade zur Ermittlung der entsprechenden Koordinaten im SKS.
Figure imgf000013_0001
(2 . 2 )
Figure imgf000013_0002
SOx( -z0) h (2 . 6)
Figure imgf000013_0003
Es folgt eine Rücktransformation der im SKS ermittelten Koordinaten auf das Koordinatensystem WKS und damit die relative Lage und Ausrichtung des bewegten Objektes entsprechend der im Rahmen der Ausführungsform 1 beschriebenen Formeln (1.8) bis (1.10).
Bezugszeichenliste :
1 - 3 Lichtquellen
4 CCD-Sensorchip
5 T-Struktur
6 - 8 Schattenbilder
9 - 13 Lichtquellen
14 PSD-Sensorchip
15 I-Struktur
16 - 20 Schattenbilder

Claims

Patentansprüche :
1. Optisches Positionsmesssystem für die simultane Erfassung von allen sechs Freiheitsgraden in einem dreidimensionalen Raum, bestehend aus einem Messaufnehmer, einer Erkennungsmarke, einer Beleuchtung sowie einer Steuerungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Messaufnehmer ein CCD-Sensorchip (4) ist, welcher auf einem bewegten Objekt appliziert ist, b) die Erkennungsmarke eine für die Erzeugung von Schattenbildern geeignete, d. h. lichtundurchlässige oder -abschwächende T-förmige Struktur (5) ist, welche auf der sensitiven Seite des CCD-Sensorchips (4) abstehend fixiert ist, c) die Beleuchtung mindestens drei im Idealfall punktförmige Lichtquellen, vorzugsweise lichtstarke Leuchtdioden sind, d) die Anzahl und Positionierung der Lichtquellen im dreidimensionalen Raum so gewählt ist, dass in jeder zu messenden Position und Ausrichtung des Objekts die Lichtstrahlen von wenigstens drei Lichtquellen, welche nicht in einer Linie angeordnet sind, jeden Punkt des Umrisses der T-förmige Struktur (5) unbehindert erreichen können und in Verlängerung davon auf den CCD-Sensorchip (4) auftreffen, sowie e) die Steuerungseinheit eine Bildverarbeitung mit implementiertem mathematischen Modell und einem dazugehörigen mathematischen Auswertealgorithmus zur Ermittlung der Lage und Position des bewegten Objekts, eine Triggerschaltung für die laufende oder taktweise Ansteuerung der Lichtquellen sowie für die laufende oder taktweise Aufnahme der entsprechenden Schattenbilder auf dem CCD-Sensorchip enthält .
2. Optisches Positionsmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die T-förmige Struktur (5) durch andere schattenwerfende Strukturen, welche vorzugsweise mindestens zwei gerade und im rechten Winkel zueinander stehende Balken mit bekannten geometrischen Abmessungen aufweist ersetzt wird.
3. Optisches Positionsmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die T-förmige Struktur durch eine lichtabschwächende oder lichtundurchlässige Folie ersetzt wird, welche parallel zum CCD-Sensorchip mit einem Abstand, der der Höhe der T-förmigen Struktur entspricht, zu diesem fixiert ist und einen lichtdurchlässigen Schlitz aufweist, welcher Querbalken der T-förmigen Struktur sustituiert.
4. Optisches Positionsmesssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässige oder lichtschwächende Folie durch eine transparente Folie und der Spalt durch einen auf die Folie aufgebrachten liegenden und schattenwerfenden Balken oder Strich ersetzt ist.
5. Optisches Positionsmesssystem für die simultane Erfassung von allen sechs Freiheitsgraden in einem dreidimensionalen Raum, bestehend aus einem Messaufnehmer, einer Erkennungsmarke, einer Beleuchtung sowie einer Steuerungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Messaufnehmer ein PSD-Sensorchip (14) ist, welcher auf einem bewegten Objekt appliziert ist, b) die Erkennungsmarke eine punktförmige Öffnung ist, welche in einer mit einem bestimmten Abstand parallel vor dem PSD-Sensorchip (14) angeordneten lichtabschwächenden oder lichtundurchlässigen Folie eingebracht ist, c) die Beleuchtung mindestens fünf im Idealfall punktförmige Lichtquellen, vorzugsweise lichtstarke Leuchtdioden sind, d) die Anzahl und Positionierung der Lichtquellen im dreidimensionalen Raum so gewählt ist, dass in jeder zu messenden Position und Ausrichtung des Objekts die Lichtstrahlen von wenigstens fünf Lichtquellen, welche nicht in einer Linie angeordnet sind, durch die punktförmige Öffnung hindurch ungehindert den PSD-Sensorchip erreichen, sowie e) die Steuerungseinheit eine Bildverarbeitung mit implementiertem mathematischen Modell und einem dazugehörigen mathematischen Auswertealgorithmus zur Ermittlung der Lage und Position des bewegten Objekts, eine Triggerschaltung für die laufende oder taktweise Ansteuerung der Lichtquellen sowie für die laufende oder taktweise Aufnahme der entsprechenden Schattenbilder auf dem PSD-Sensorchip enthält .
6. Optisches Positionsmesssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass die lichtundurchlässige oder lichtschwächende Folie durch eine transparente Folie und die punktförmige Öffnung durch einen auf die Folie aufgebrachten schattenwerfenden Punkt ersetzt ist.
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