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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines Gegenstandes, der in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet ist, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist.
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Aus der internationalen Offenlegungsschrift
WO 2010/015086 A1 sind ein System und ein Verfahren zum Erhalten von Daten, die Oberflächenpunkte eines Objekts darstellen, bekannt, wobei das System eine Texturkamera und einen Texturbildprozessor umfasst. Die europäische Offenlegungsschrift
EP 2 813 810 A1 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Anordnung in Bezug auf ein globales Koordinatensystem. Die internationale Offenlegungsschrift
WO 01/07866 A1 offenbart ein System zur Erfassung der Oberflächengeometrie eines Objekts, umfassend eine kamerabasierte Sensoreinheit mit einer Vorrichtung zur lokalen Punkt-für-Punkt-Erfassung der Oberflächengeometrie und einer Robotereinheit zum Bewegen der kamerabasierten Sensoreinheit. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 100 16 963 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Koordinatensystems eines Werkstücks im dreidimensionalen Raum mit mindestens zwei Kameras.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchführung von Messaufgaben mit Gegenständen, die in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet sind, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist, zu vereinfachen.
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Die Aufgabe ist bei einer Vorrichtung zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines Gegenstandes, der in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet ist, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist, dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung mit mikromechanischen Sensoren umfasst, die dazu dienen, Bewegungsdaten zu erfassen, wenn die Vorrichtung aus einer globalen Position in eine relative Position bewegt wird. Bei dem Gegenstand handelt es sich zum Beispiel um einen Messsensor, zum Beispiel um einen Dehnungsmessstreifen, der an einer Tragstruktur, wie einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs, angebracht wird. Bei der Durchführung von Messaufgaben ist es häufig notwendig, Messwerte von einem lokalen Koordinatensystem des Messsensors in ein anders orientiertes globales Koordinatensystem umzurechnen. Bei dem globalen Koordinatensystem handelt es sich zum Beispiel um ein Fahrzeugsystem oder um ein Simulationssystem. In der Praxis werden dazu häufig Kabelanschlüsse der Sensorik und/oder die im Messsystem für Sensorachsen hinterlegten Sensivitäten der Sensorik so verändert, dass die Werte für das Messsystem im globalen Koordinatensystem erscheinen. Dieses Vorgehen ist aber fehleranfällig und lässt im Nachgang der Messung bei Fehlern häufig keine einfache Rekonstruktion der Fehlerursache zu. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von mehreren unterschiedlich orientierten Messsensoren. Sind die Messsensoren schief orientiert, ist die beschriebene Methodik gar nicht anwendbar, da zum Beispiel durch Umstecken von Sensorkabeln sich nur einzelne Sensorachsen vertauschen lassen. Zur Vermeidung von Fehlern im Messsetup werden vorteilhaft Sensorkanäle immer nur im Sensorsystem durch das Messsystem aufgenommen. Eine Verkabelung entspricht dabei der x/y/z-Richtung der Sensorik. Die Sensivitäten entsprechen denen von Kalibrierwerten und können bei speziellen Beschleunigungssensoren, insbesondere bei Beschleunigungssensoren mit TEDS, auch direkt aus dem Sensor richtig ausgelesen werden. Die Großbuchstaben TEDS stehen für die englischen Begriffe Transducer Electronic Data Sheet. Die Rohdaten der Sensoren werden erst in der Auswertung individuell in ein gemeines globales Koordinatensystem umgerechnet. Dazu wird die Relativorientierung der Sensoren benötigt. Mit Hilfe von Transformationsmatrizen lassen sich die Sensorkoordinaten in ein globales Koordinatensystem transformieren. Die Transformationsmatrizen lassen sich mit der beanspruchten Vorrichtung vorteilhaft während einer Messung, insbesondere eines Messsetups, einfach und robust ermitteln. So können die Transformationsmatrizen vorteilhaft im Prüfungssetup angezeigt werden, so dass diese direkt im Messsetup verwendet werden können. Die beanspruchte Vorrichtung ist für beliebig im Raum angeordnete Messsensoren einfach und schnell verwendbar. Darüber hinaus ist die Vorrichtung mit den mikromechanischen Sensoren kostengünstig realisierbar. Mit relativ einfachen Mitteln kann eine ausreichende Genauigkeit für die Weiterverarbeitung der Daten sichergestellt werden. Durch die Verwendung von Transformationsmatrizen entsteht vorteilhaft kein signifikanter Berechnungsaufwand für die Koordinatentransformation, so dass die Berechnungen bei laufender Auswertung durchgeführt und die Mess- und Ergebnisgrößen direkt im Auswertesystem angezeigt werden können.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung drei Gyroskopsensoren umfasst, die dazu dienen, Drehratenänderungsdaten zu erfassen, wenn die Vorrichtung aus der globalen Position in die relative Position bewegt wird. In einer entsprechenden IMU-Einheit sind vorteilhaft mehrere Gyroskopsensoren zusammengefasst. Die Großbuchstaben IMU stehen für die englischen Begriffe Inertial Measurement Unit. Eine derartige IMU-Einheit ist bedingt durch ihre Verwendung in Smartphones kostengünstig und als fertige Einheit beziehbar. Besonders vorteilhaft existieren auch Varianten, wo eine Sensorfusion bereits in der IMU-Einheit erfolgt. Dadurch kann die benötigte Rechenleistung herabgesetzt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung drei Beschleunigungssensoren umfasst, die dazu dienen, Beschleunigungsdaten zu erfassen, wenn die Vorrichtung aus der globalen Position in die relative Position bewegt wird. In einer entsprechenden IMU-Einheit werden vorteilhaft mehrere Beschleunigungsensoren zusammengefasst. Die Großbuchstaben IMU stehen für die englischen Begriffe Inertial Measurement Unit. Eine derartige IMU-Einheit ist bedingt durch ihre Verwendung in Smartphones kostengünstig und als fertige Einheit beziehbar. Besonders vorteilhaft existieren auch Varianten, wo eine Sensorfusion bereits in der IMU-Einheit erfolgt. Dadurch kann die benötigte Rechenleistung herabgesetzt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung drei Magnetsensoren umfasst, die dazu dienen, eine absolute Orientierung der Vorrichtung im Raum zu erfassen. Dadurch kann die Genauigkeit im Betrieb der Vorrichtung erhöht werden, insbesondere wenn eine Fusion der erfassten Drehratenänderungsdaten und der erfassten Beschleunigungsdaten mit den absoluten Orientierungsdaten der Magnetsensoren korrigiert wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst, die eingerichtet ist, unter Verwendung von Transformationsmatrizen lokale Koordinaten in globale Koordinaten umzurechnen. Bei der Recheneinheit handelt es sich zum Beispiel um einen Mikrocontroller, der kostengünstig verfügbar ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein tragbares Handgerät ist, das eine Hilfsorientierungsfläche sowie mindestens zwei Taster und ein Display umfasst. Am Display können insbesondere die berechneten Transformationsmatrizen online angezeigt werden. Die Hilfsorientierungsfläche dient vorteilhaft dazu, das Handgerät in verschiedenen Positionen relativ genau zu positionieren. Die Hilfsorientierungsfläche kann zum Beispiel als ebene Fläche mit Pfeilen ausgeführt sein, die Koordinatenachsen andeuten. Bei der Hilfsorientierungsfläche kann es sich um eine Anlagefläche handeln. Es kann sich aber auch nur um eine Ausrichtungsfläche handeln, mit der das Handgerät relativ zu einem definierten räumlichen Gegenstand ausgerichtet wird. Durch die Taster wird der Betrieb des tragbaren Handgeräts erheblich vereinfacht. Ein erster Taster dient zum Beispiel zum Kalibrieren des Handgeräts. Ein zweiter Taster dient vorteilhaft dazu, eine aktuell berechnete Transformationsmatrix anzuzeigen und/oder abzuspeichern.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Schnittstelle umfasst, die eine kabellose Übertragung einer ermittelten Transformationsmatrix ermöglicht. Bei der Schnittstelle handelt es sich zum Beispiel um eine Bluetooth-Schnittstelle oder um eine WLAN-Schnittstelle. So kann vorteilhaft eine Übermittlung an eine außerhalb der Vorrichtung angeordnete Recheneinheit realisiert werden.
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Bei einem Verfahren zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines Gegenstandes, der in einem lokalen Koordinatensystem angeordnet ist, das relativ zu einem globalen Koordinatensystem orientiert ist, mit einer vorab beschriebenen Vorrichtung, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Vorrichtung in der globalen Position kalibriert wird, bevor die kalibrierte Vorrichtung in die relative Position bewegt wird. Durch die mikromechanischen Sensoren, insbesondere die Beschleunigungssensoren und die Gyroskopsensoren, werden alle Bewegungen der vorher kalibrierten Vorrichtung erfasst. Dabei werden besonders vorteilhaft auch die mit den Magnetsensoren erfassten absoluten Orientierungsdaten berücksichtigt. So kann die Relativorientierung des Gegenstandes schnell und einfach ermittelt und dargestellt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Vorrichtung durch Drücken eines ersten Tasters angeschlossen wird, bevor die kalibrierte Vorrichtung in die relative Position bewegt wird, wobei ein zweiter Taster gedrückt wird, um die Transformationsmatrix der relativen Position oder einer weiteren relativen Position zu speichern, anzuzeigen und/oder an eine außerhalb der Vorrichtung angeordnete Recheneinheit zu übermitteln. So können die mit der Vorrichtung ermittelten Daten im Rahmen einer Messaufgabe effektiv genutzt werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln umfasst, die dazu ausgelegt sind, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit abläuft, einen oder mehrere Schritte des vorab beschriebenen Verfahrens auszuführen. Die Recheneinheit ist zum Beispiel in der Vorrichtung selbst untergebracht. Eine weitere Recheneinheit ist vorteilhaft außerhalb der Vorrichtung angeordnet. Die in der Vorrichtung untergebrachte Recheneinheit kann vorteilhaft relativ einfach ausgeführt sein. So kann zum Beispiel ein kostengünstiger in großen Stückzahlen verfügbarer Mikrocontroller verwendet werden. Das Gleiche gilt für die mikromechanischen Sensoren, insbesondere die Beschleunigungssensoren, Gyroskopsensoren und Magnetsensoren, die ebenfalls vorteilhaft in großen Stückzahlen kostengünstig verfügbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer als Handgerät ausgeführten Vorrichtung zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung mit einer Sensoreinrichtung, die mikromechanische Sensoren umfasst;
- 2 die Vorrichtung aus 1 mit einem Gegenstand und mit Symbolen, die ein globales Koordinatensystem und ein lokales Koordinatensystem symbolisieren; und
- 3 die Vorrichtung aus 1 mit einem transparent dargestellten Gehäuse.
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In den 1 bis 3 ist eine Vorrichtung 1 in verschiedenen Ansichten perspektivisch und in 3 mit einem transparenten Gehäuse 3 dargestellt. Die Vorrichtung1 ist als Handgerät 2 ausgeführt und dient zur Ermittlung und Darstellung einer Relativorientierung eines in 2 dargestellten Gegenstandes 18.
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Das Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 hat im Wesentlichen die Gestalt eines Quaders mit einem Grundkörper 4, der durch einen Deckel 5 verschlossen ist. In den Deckel 5 sind zwei Taster 6, 7 und ein Display 8 integriert. Der Grundkörper 4 des Gehäuses 3 weist an einer Stirnseite einen Anschluss 9 auf.
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Der Deckel 5 des Gehäuses 3 umfasst des Weiteren eine Hilfsorientierungsfläche 10 mit zwei Pfeilen 11, 12. Die Hilfsorientierungsfläche 10 mit den Pfeilen 11, 12 dient dazu, das Handgerät 2 global und lokal zu positionieren. In den 1 und 3 ist durch ein Symbol 13 angedeutet, dass das Handgerät 2 in den 1 und 3 gleich ausgerichtet ist. In 2 ist durch ein Symbol 19 angedeutet, dass das Handgerät 2 in 2 anders als in den 1 und 3 ausgerichtet ist.
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In 2 ist durch ein Symbol 14 ein globales Koordinatensystem angedeutet. Das globale Koordinatensystem 14 umfasst eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse. Durch ein Symbol 15 ist ein lokales Koordinatensystem des in 2 ebenfalls dargestellten Gegenstandes 18 angedeutet.
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Der Gegenstand 18 ist auf einer Fläche 17 einer Tragstruktur 16 angeordnet. Bei der Tragstruktur 16 handelt es sich um eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Gegenstand 18 handelt es sich um einen Sensor. Daher sind drei Achsen des lokalen Koordinatensystems 15 mit xs, ys und zs bezeichnet.
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In 3 ist das Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 transparent dargestellt, um sichtbar zu machen, dass im Inneren des Gehäuses 3 eine Recheneinheit 20 und eine Sensoreinrichtung 25 angeordnet sind. Bei der Recheneinheit 20 handelt es sich um einen relativ einfach aufgebauten Mikrocontroller. Der Mikrocontroller 20 dient im Betrieb der Vorrichtung 1 dazu, Berechnungen und Auswertungen unmittelbar in der Vorrichtung 1 durchzuführen. Ergebnisse der Berechnungen/Auswertungen werden im Display 8 angezeigt.
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Die Sensoreinrichtung 25 ist als inertiale Messeinheit ausgeführt. In der Sensoreinrichtung 25 sind drei Beschleunigungssensoren, drei Gyroskopsensoren und drei Magnetsensoren zusammengefasst. Die drei Beschleunigungssensoren und die drei Gyroskopsensoren dienen vorteilhaft dazu, eine Relativorientierung des Handgeräts 2 zu ermitteln, wenn das Handgerät 2 aus einer globalen Position in eine relative Position bewegt wird.
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Die drei Magnetsensoren dienen dazu, eine Absolutorientierung des Handgeräts 2 zu ermitteln.
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In 1 ist die Vorrichtung 1 in einem Einschaltzustand, Resetzustand oder Kalibrierzustand dargestellt. Durch Drücken des ersten Tasters 6 wird die Vorrichtung 1 kalibriert. Das zugehörige globale Koordinatensystem ist in 1 mit 13 bezeichnet.
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In 2 ist das globale Koordinatensystem mit 14 bezeichnet und größer als in 1 dargestellt. In 2 ist veranschaulicht, wie das Handgerät 2 relativ zu dem Gegenstand 18 ausgerichtet wird. Das zugehörige lokale Koordinatensystem ist mit 15 bezeichnet.
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Durch Drücken des zweiten Tasters 7 wird die relative Orientierung des Handgeräts 2 zu dem Gegenstand 18 in Form einer Transformationsmatrix an einer definierten Stelle des Displays angezeigt und bei Bedarf gespeichert. Mit der Recheneinheit 20 wird im Handgerät 2 die aktuelle Transformationsmatrix laufend ermittelt und optional im Display 8 angezeigt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Anwendung wird die Vorrichtung 1 in einem ersten Schritt so ausgerichtet, dass die Ausrichtung dem globalen Koordinatensystem 14 entspricht. Dann wird der erste Taster 6 gedrückt. Die aktuelle Orientierung des Handgeräts 2 entspricht einer Referenzorientierung. Im Display wird eine Einheitsmatrix angezeigt.
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Im zweiten Schritt wird das Handgerät 2 so bewegt beziehungsweise verdreht, dass die Orientierung des Handgeräts 2 dem als Sensor ausgeführten Gegenstand 18 in 2 entspricht. Das Display 8 des Handgeräts 2 zeigt live die zugehörige Transformationsmatrix an. Durch Drücken des zweiten Tasters 7 wird der im Display 8 angezeigte Wert der Transformationsmatrix abgespeichert und an einer anderen Stelle im Display 8 angezeigt.
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Die angezeigte und abgespeicherte Transformationsmatrix kann an geeigneter Stelle notiert oder je nach Ausführung auch kabellos an eine weitere Recheneinheit übermittelt werden.
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In einem nächsten Schritt kann das Handgerät 2 an einem weiteren Gegenstand ausgerichtet und positioniert werden. Durch nochmaliges Drücken des zweiten Tasters 7 kann die zugehörige Transformationsmatrix angezeigt beziehungsweise gespeichert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Handgerät
- 3
- Gehäuse
- 4
- Grundkörper
- 5
- Deckel
- 6
- Taster
- 7
- Taster
- 8
- Display
- 9
- Anschluss
- 10
- Hilfsorientierungsfläche
- 11
- Pfeil
- 12
- Pfeil
- 13
- Koordinatensystem
- 14
- globales Koordinatensystem
- 15
- lokales Koordinatensystem
- 16
- Tragstruktur
- 17
- Fläche
- 18
- Gegenstand
- 19
- Symbol
- 20
- Recheneinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/015086 A1 [0002]
- EP 2813810 A1 [0002]
- WO 01/07866 A1 [0002]
- DE 10016963 A1 [0002]